腸源性代謝產(chǎn)物氧化三甲胺與心腎疾病的相關(guān)研究進(jìn)展

袁婷婷，謝圣芳

1 南京中醫(yī)藥大學(xué)第三臨床醫(yī)學(xué)院，江蘇南京 210028；2 南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院，江蘇南京 210028

慢性腎臟病(chronic kidney disease，CKD)與心血管疾病(cardiovascular disease，CVD) 在全球的罹患率和病死率呈現(xiàn)出逐年攀升的趨勢。2017年CKD 導(dǎo)致全球120 萬患者死亡，較1990 年的病死率增加了41.5%[1]。全世界CKD 患者占10%～15%，其預(yù)后差，醫(yī)療費(fèi)用昂貴，已成為一項(xiàng)重大的公共衛(wèi)生難題[2]。據(jù)國家心血管中心發(fā)布的《中國心血管病報(bào)告2018》顯示，中國CVD 患者累積高達(dá)約2.9 億。CVD 是CKD 的常見并發(fā)癥，隨著CKD 病程的進(jìn)展，其發(fā)病率顯著升高[3]。CKD 并發(fā)嚴(yán)重不良心血管事件患者的死亡率是普通人群的10～30 倍[4]。研究發(fā)現(xiàn)，腸源性代謝產(chǎn)物氧化三甲胺(trimethylamine-N-oxide，TMAO)血漿濃度的升高可加速CKD 和CVD 的進(jìn)展，血漿氧化三甲胺水平是評估CKD 患者發(fā)病進(jìn)程的可靠生物學(xué)指標(biāo)[5]。本文概述TMAO 的生物學(xué)特性及其在CKD 和CVD 中的致病機(jī)制，旨在更加全面深入地認(rèn)識(shí)了解TMAO 與心腎疾病的關(guān)系，旨在為改善心腎疾病患者的預(yù)后提供更多治療思路。

1 TMAO 的生物學(xué)特性

人體經(jīng)膳食途徑攝入的三甲胺(trimethylamine，TMA)和TMAO 是機(jī)體獲取TMAO 的重要來源。TMAO 的食物來源主要包括動(dòng)物源性的膽堿、左旋肉堿和植物源性的甜菜堿。紅肉、雞蛋、魚類等富含膽堿食物，進(jìn)入腸腔后，在膽堿三甲胺裂解酶(choline Trimethylamine-Lyase，CutC/D) 的裂解作用下轉(zhuǎn)化為三甲胺。左旋肉堿是TMA 的另一重要前體，常見于牛羊肉等，在肉毒堿單加氧酶(carnitine monooxygenase，CntA/B) 的作用下轉(zhuǎn)化為TMA。甜菜堿還原酶則將主要存在于植物中的甜菜堿還原為TMA。隨后TMA 經(jīng)過肝門靜脈系統(tǒng)循環(huán)吸收，在肝黃素單加氧酶1(flavin-containing monooxygenase 1，F(xiàn)MO1)或FMO3 的氧化作用下轉(zhuǎn)化為TMAO。FMO3 的氧化活性是FMO1 的10 倍，在高表達(dá)FMO3 的小鼠體內(nèi)，TMAO 的水平也顯著提高，表明FMO3 是TMA 氧化為TMAO過程中的首要催化劑[6-11]。

腎是TMAO 的主要排泄器官。TMAO 是一類分子量為75.1 U 的小分子化合物，易于從腎的近端小管濾過。在TMA 和TMAO 排泄途徑的研究中發(fā)現(xiàn)，人體中絕大多數(shù)TMAO 主要經(jīng)由腎以尿液的形式排出。約95% 的TMA 被氧化后在首個(gè)24 h 由尿液排泄，TMAO 與TMA 的排泄比為95∶3，僅余3% 的TMA 是以糞便的形式排出體外，通過呼吸途徑排泄的比例僅為1%[12]。Taesuwan 等[13]納入21～50 歲健康男性，1 周內(nèi)連續(xù)口服TMAO 后，觀察其消除路徑。發(fā)現(xiàn)口服的TMAO 幾乎已被完全消化吸收，具有高轉(zhuǎn)化率和高清除率，并被肝外組織利用，并非依賴于腸道微生物群與FMO 的干預(yù)。

健康狀態(tài)下，人體中血漿TMAO 的濃度小于10 μmoL/L[14]。并隨著膽堿類食物攝入、腸道菌群的變化、胰島素抵抗、衰老等因素而呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)改變[15-16]。TMAO 作為腸道菌群的代謝產(chǎn)物，具有調(diào)節(jié)滲透壓、維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的生理作用[17]。研究表明，TMAO 可通過刺激血管炎癥反應(yīng)、誘導(dǎo)氧化應(yīng)激等參與CVD、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、CKD 等慢性疾病的發(fā)生、發(fā)展過程[18]。

2 TMAO 與CKD

CKD 患者體內(nèi)TMA 代謝增加，TMAO 來源增多，腎小球?yàn)V過率(estimated glomerular filtration rate，eGFR) 降低使腎對TMAO 的有效清除率不足，導(dǎo)致血漿TMAO 濃度升高[19]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，給予無菌大鼠腸腔內(nèi)移植CKD 患者糞便樣本，糞便移植大鼠腸道菌群發(fā)生明顯改變，導(dǎo)致腸腔內(nèi)TMAO 增多，外周血TMAO 水平顯著上升[20]。表明腸道菌群可能是TMAO 產(chǎn)生的重要環(huán)節(jié)。研究發(fā)現(xiàn)CKD 患者往往存在腸道菌群紊亂的征象，腸道菌群中的CutC/D、YeaW/X、CntA/B基因表達(dá)水平與人體TMAO 濃度密切相關(guān)[21-22]。

CKD 患者腸道菌群失調(diào)，可能與以下機(jī)制有關(guān)：1)飲食中纖維素含量減少，導(dǎo)致腸腔內(nèi)纖維素與蛋白的比重失衡，分解蛋白質(zhì)的菌群增加。2)原發(fā)病及CVD 并發(fā)癥等導(dǎo)致結(jié)腸排空延遲，大量尿酸與草酸直接分泌至腸道，腸腔內(nèi)尿酸與草酸含量升高，導(dǎo)致益生菌群數(shù)量減少，致病菌群增多[23]。3)CKD 患者尿素水平升高，使得尿素的腸肝循環(huán)增加，經(jīng)過腸道菌群水解后，腸腔產(chǎn)NH3/NH4OH 增多，導(dǎo)致腸腔內(nèi)pH 值增加。4)醫(yī)源性用藥，損傷胃腸道黏膜，改變菌群的生長環(huán)境。

CKD 患者腸道菌群紊亂可導(dǎo)致腸黏膜屏障結(jié)構(gòu)完整性受損、細(xì)菌系統(tǒng)性移位，腸源性尿毒癥毒素通過受損的腸黏膜進(jìn)入血液循環(huán)，通過活化煙酰胺腺苷二核苷酸磷酸氧化酶(NADPH)誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，從而破壞腎小管上皮細(xì)胞，使CKD 腎功能進(jìn)行性惡化[24]。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，TMAO 可通過抑制促氧化應(yīng)激反應(yīng)的拮抗劑沉默信息調(diào)節(jié)因子(silence information regulator1，SIRT1)的表達(dá)，使線粒體活性氧(reactive oxygen species，ROS)的水平升高，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性降低，增強(qiáng)與衰老相關(guān)的氧化應(yīng)激反應(yīng)，加重腎損傷[25]。有研究數(shù)據(jù)表明，TGF-β/smad 信號(hào)通路在腎小管上皮細(xì)胞間充質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程中起重要作用[26]。Tang 等[27]發(fā)現(xiàn)，高TMAO飲食攝入誘導(dǎo)的動(dòng)物模型表現(xiàn)為血漿TMAO 濃度上升，通過激活TGF-β1/smad 信號(hào)通路，使Smad3磷酸化增加，加重腎小管間質(zhì)的纖維化程度，同時(shí)體內(nèi)早期腎損傷標(biāo)志物KIM-1 與腎功能濾過障礙的內(nèi)源性指標(biāo)胱抑素C 水平升高。Gupta 等[28]進(jìn)一步證實(shí)，給予異丙腎上腺素誘導(dǎo)的腎纖維化模型小鼠額外補(bǔ)充TMAO，小鼠的腎功能與纖維化程度加重，但在碘甲基膽堿(膽堿TMA 裂解酶拮抗劑)干預(yù)后，TMAO 水平降低，纖維化程度改善。以上研究表明，TMAO 參與腎纖維化的病理改變，并通過氧化應(yīng)激加重腎功能損害。

3 TMAO 促進(jìn)CVD 發(fā)展的病理機(jī)制

動(dòng)脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)與心肌重構(gòu)是CVD 的病理學(xué)基礎(chǔ)，臨床常表現(xiàn)為高血壓、冠心病、心力衰竭等。研究發(fā)現(xiàn)，TMAO 通過參與動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生、發(fā)展及預(yù)后演變、心肌纖維化與心臟肥大、血管炎癥等促進(jìn)CVD 的發(fā)生，是預(yù)測CVD 早期血管病變與最終結(jié)局的重要因素[8]。由此可見，TMAO 促進(jìn)CVD 發(fā)展的病理機(jī)制具有重大的臨床意義。

3.1 血管炎癥與內(nèi)皮損傷 血管慢性炎癥是影響CVD 不良預(yù)后的重要機(jī)制[29]。TMAO 促進(jìn)血管炎癥與內(nèi)皮損傷，促炎因子隨著血漿TMAO 水平的升高呈現(xiàn)高表達(dá)。Chen 等[30]在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高糖高脂飲食喂養(yǎng)的肥胖大鼠表現(xiàn)為血漿TMAO的濃度升高，同時(shí)腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)等促炎因子高表達(dá)，抗炎因子IL-10 低表達(dá)。TMAO 可作用于IL-23 及其下游靶標(biāo)IL-22，即IL-23 -IL-22 軸，導(dǎo)致腸道炎性因子被激活。正常生理狀態(tài)下，IL-23 -IL-22 軸可維持腸道菌群穩(wěn)態(tài)，并通過改變與AS 有關(guān)菌群的相對豐度減輕炎癥。腸道菌群參與免疫系統(tǒng)的炎癥反應(yīng)，對于慢性炎癥性疾病起關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用。當(dāng)IL-23 -IL-22 軸信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中斷時(shí)，腸道上皮屏障的結(jié)構(gòu)完整性受損，病原菌通過受損的腸黏膜擴(kuò)散，細(xì)菌代謝產(chǎn)物TMAO 增多，驅(qū)動(dòng)炎性細(xì)胞活化[31-32]。

NF-κB 是經(jīng)典的炎性信號(hào)通路，TMAO 可介導(dǎo)NF-κB 信號(hào)通路活化，釋放炎性因子，引起炎性反應(yīng)與血管內(nèi)皮損傷。TMAO 促使NF-κB 磷酸化，誘導(dǎo)人主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞與血管平滑肌細(xì)胞中炎性因子COX-2、IL-6、E-selectin、TNF-α、細(xì)胞間黏附分子1(intercelluar adhesion molecule 1，ICAM1)的表達(dá)，激活促分裂原活化蛋白激酶C 并上調(diào)血管細(xì)胞黏附分子1 的表達(dá)，提高單核-吞噬細(xì)胞的黏附能力，降低細(xì)胞的自我修復(fù)能力，導(dǎo)致血管炎癥與內(nèi)皮功能障礙，加速動(dòng)脈粥樣硬化的病理進(jìn)程[33-34]。

TMAO 通過激活NOD 樣受體蛋白3(NODlike receptor protein 3，NLRP3)炎癥小體，啟動(dòng)血管內(nèi)皮細(xì)胞的致炎信號(hào)通路，導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞的損傷。NLRP3 炎癥小體是一種由NLRP3、銜接蛋白凋亡相關(guān)的斑點(diǎn)樣蛋白(apoptosis-associated specklike protein，ASC)、Procaspase-1 共同構(gòu)成的細(xì)胞因子蛋白識(shí)別復(fù)合物[35]，是慢性炎性疾病、內(nèi)分泌代謝性疾病、腫瘤等退行性疾病的病理基礎(chǔ)[36-39]。NLRP3 炎癥小體活化后裂解Procaspase-1為Caspase-1，促進(jìn)IL-1β、IL-18 產(chǎn)生，頸動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞間緊密連接蛋白的完整性受損，血管內(nèi)皮細(xì)胞通透性增加，并發(fā)揮其對SIRT3-SOD2-線粒體ROS 信號(hào)通路的拮抗作用，刺激載脂蛋白E 基因敲除(ApoE-/-)小鼠線粒體活性氧水平上調(diào)，導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙[40-41]。

3.2 膽固醇與膽汁酸代謝障礙 TMAO 能夠干擾膽汁酸的合成與逆向轉(zhuǎn)運(yùn)，影響機(jī)體的膽固醇代謝。膽汁酸的合成是人體消耗多余膽固醇的主要方式[42]。TMAO 可通過降低膽汁酸的關(guān)鍵合成酶-肝膽固醇7α 羥化酶(Cyp7a1)、膽汁酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)，導(dǎo)致膽固醇的分解代謝障礙，阻礙膽固醇由外周組織逆向入肝，縮小膽汁酸池，使大量的膽固醇在巨噬細(xì)胞內(nèi)堆積[43-44]。膽汁酸還可激活其轉(zhuǎn)錄因子——法尼酯 X 受體(farnesoid X receptor，F(xiàn)XR)，該類因子高度表達(dá)于肝、腎、腸道，通過對下游基因小異二聚體(small heterodimer partner，SHP)的靶向作用參與膽固醇的腸道排泄途徑[45]。TMAO 能夠影響膽汁酸構(gòu)成、刺激FXR 與其靶基因SHP 活化，促使腸道上皮成纖維細(xì)胞生長因子FGF19 和FGF15 基因的表達(dá)上調(diào)，從而抑制膽固醇向膽汁酸轉(zhuǎn)化的經(jīng)典途徑，導(dǎo)致血清膽固醇水平升高[42,46]。血漿膽固醇濃度增加影響脂質(zhì)代謝，使大量血脂在沉積于血管壁形成粥樣斑塊，導(dǎo)致管腔狹窄閉塞引起動(dòng)脈粥樣硬化，形成CVD 的基本病變[47]。

3.3 影響血管的舒縮功能形成高血壓 高血壓是CVD 重要的危險(xiǎn)因素，而TMAO 能夠影響血管的舒縮功能，維持血管升壓效應(yīng)。血管緊張素Ⅱ促進(jìn)血管平滑肌細(xì)胞增殖、遷移和表型轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致血管重塑，血管外周阻力增加，血壓上升[48]。Ufnal 等[49]研究發(fā)現(xiàn)，TMAO 血漿濃度升高激活腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(renin -angiotensinaldosterone system，RAAS)，促進(jìn)血管緊張素Ⅱ的縮血管效應(yīng)，增加縮血管蛋白質(zhì)的合成，維持血管緊張素Ⅱ的升壓效應(yīng)。此外，TMAO 上調(diào)清除物受體分化抗原36(CD36)和清道夫受體SR-A1 的表達(dá)，使低密度脂蛋白轉(zhuǎn)化為氧化低密度脂蛋白，進(jìn)一步抑制一氧化氮與內(nèi)皮素-1 形成，加重血管收縮，形成高血壓[50]。

3.4 心臟肥大與心肌纖維化 TMAO 誘導(dǎo)心臟肥大與心肌纖維化。心肌纖維化是心肌間質(zhì)蛋白過量累積的結(jié)果，造成心臟結(jié)構(gòu)重塑，導(dǎo)致心臟的舒縮功能障礙，是CVD 的重要節(jié)點(diǎn)[51]。TMAO可促進(jìn)心臟成纖維細(xì)胞增殖、遷移，促進(jìn)膠原蛋白(包括ColⅠ，ColⅢ) 和基質(zhì)金屬蛋白酶2 合成，加重阿霉素誘導(dǎo)的小鼠心臟纖維化。通過增加小鼠心肌細(xì)胞面積，β-肌球蛋白重鏈等心肌肥大標(biāo)志產(chǎn)生，介導(dǎo)TGF-βRI/smad2 信號(hào)通路，減慢心臟成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞的分化速度，成為心臟肥大與心肌纖維化的誘導(dǎo)劑[52-53]。Organ 等[54]發(fā)現(xiàn)，循環(huán)中血漿TMAO 水平上調(diào)會(huì)導(dǎo)致病理性左心室擴(kuò)大、左心室射血分?jǐn)?shù)降低、心肌纖維化、心腦利尿鈉肽(心力衰竭預(yù)后的重要標(biāo)志物) 釋放增加以及肺水腫等不良效應(yīng)，提示高TMAO 濃度會(huì)增加心力衰竭的患病風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

TMAO 促進(jìn)腎纖維化、破壞腎小管功能、誘發(fā)氧化應(yīng)激，并在腸道菌群微環(huán)境的改變下加重CKD 患者的腎功能損害。同時(shí)在動(dòng)脈粥樣硬化、心臟纖維化及血管炎癥等方面參與CVD。

近年來腸道菌群相關(guān)性代謝產(chǎn)物獲得了廣泛關(guān)注，越來越多的研究數(shù)據(jù)表明腸道菌群及腸源性代謝產(chǎn)物TMAO 與CKD 和CVD 的發(fā)生、發(fā)展、結(jié)局具有一定關(guān)聯(lián)性，TMAO 通過多種途徑參與纖維化的病理變化過程、炎癥反應(yīng)，因此TMAO 可能成為治療心腎纖維化相關(guān)性疾病和炎性疾病的新契機(jī)。目前關(guān)于TMAO 作用于各組織器官的具體機(jī)制尚未完全闡明，其在“心-腎-腸”軸中扮演著何種角色，仍需更多的干預(yù)性研究來探尋論證。未來有望通過調(diào)控TMAO 生成途徑、促進(jìn)TMAO 高利用率、增加TMAO 排泄等，使其成為治療靶標(biāo)，為組織器官相關(guān)疾病提供新的診療思維和方案。