氧化三甲胺與動(dòng)脈粥樣硬化關(guān)系的研究進(jìn)展*

張萌 李悅 張蕾 周明學(xué) 李思耐 劉衛(wèi)紅

（首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京中醫(yī)醫(yī)院，北京市中醫(yī)研究所，北京 100010）

心血管疾病是一類嚴(yán)重危害人類健康的疾病。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)民生活方式的轉(zhuǎn)變，中國(guó)心血管病的發(fā)病人數(shù)持續(xù)增加。目前，心血管病死亡已占城鄉(xiāng)居民總死亡原因的首位［1］。動(dòng)脈粥樣硬化（atherosclerosis，AS）是一種大中型動(dòng)脈的自身免疫性慢性炎癥疾病，是引起心血管疾病的主要病理基礎(chǔ)［2］。

腸道微生物群衍生的代謝物在維持健康的心血管功能方面起著關(guān)鍵作用，其代謝失調(diào)可能會(huì)引發(fā)心血管疾?。?］。通過(guò)對(duì)3 903例接受擇期冠狀動(dòng)脈造影的序貫穩(wěn)定性受試者進(jìn)行隨訪和后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究表明，膽堿和甜菜堿對(duì)未來(lái)主要不良心血管事件的預(yù)后價(jià)值取決于氧化三甲胺（trimethylamine oxide，TMAO）［4］；一項(xiàng)關(guān)于中國(guó)城市成年人尿中TMAO水平與冠心病的研究表明，TMAO可促進(jìn)冠心病的發(fā)生發(fā)展［5］。在接受冠狀動(dòng)脈造影檢查的受試者中發(fā)現(xiàn)，TMAO水平與臨床AS斑塊負(fù)荷之間存在明顯的劑量-反應(yīng)關(guān)系［6］；與對(duì)照組相比，F(xiàn)eCl3誘導(dǎo)的頸動(dòng)脈損傷小鼠的血栓形成隨血漿TMAO濃度增加而增加，當(dāng)給小鼠飼喂添加TMAO或膽堿的飲食時(shí)，血小板聚集顯著增加［7］。這些結(jié)果表明，TMAO與AS之間存在因果關(guān)系。TMAO可能通過(guò)增加AS的發(fā)生率或促進(jìn)AS的發(fā)展，成為心血管疾病的又一重要危險(xiǎn)因素。

1 TMAO的一般特性

1.1 TMAO的化學(xué)性質(zhì)

TMAO化學(xué)式為C3H9NO，是一種無(wú)色無(wú)味的結(jié)晶，通常以二水化合物形式存在。TMAO廣泛存在于自然界的水產(chǎn)品中，在海產(chǎn)品中含量較高［8］。

1.2 TMAO的來(lái)源及影響因素

TMAO在海洋生物中主要通過(guò)內(nèi)源性合成產(chǎn)生［9］，而人體內(nèi)的TMAO主要通過(guò)腸道微生物代謝產(chǎn)生［10］。人體內(nèi)的宿主腸道菌群從飲食物攝入的生物堿（主要是膽堿和肉堿）中產(chǎn)生TMAO的前體——三甲胺（trimethylamine，TMA）。其中，膽堿通過(guò)腸道菌群中膽堿利用基因簇關(guān)鍵基因（膽堿利用基因簇C和膽堿利用基因簇D）編碼膽堿TMA裂解酶的作用以厭氧方式轉(zhuǎn)化為TMA［11］；肉堿通過(guò)基因CntA和CntB編碼的肉堿氧化酶和還原酶轉(zhuǎn)化為TMA［12］，或先轉(zhuǎn)化為γ-丁基甜菜堿后再轉(zhuǎn)化為TMA［13］。產(chǎn)生的大部分TMA被動(dòng)地吸收到門靜脈循環(huán)中，肝臟中的黃素單加氧酶（flavindependent monooxygenases，F(xiàn)MOs）將TMA氧 化成TMAO，少部分TMA在腸道中經(jīng)TMA單氧酶的作用直接被氧化成TMAO［14-15］（圖1）。

在所有飲食來(lái)源中，食用魚類對(duì)循環(huán)中的TMAO濃度影響最大。魚類中含有的TMAO和TMA可直接被吸收，然后被利用或通過(guò)尿液排出。實(shí)驗(yàn)顯示，健康年輕人食用魚類后血液循環(huán)中TMAO濃度是食用雞蛋（富含膽堿）或牛肉（富含肉堿和膽堿）的50倍［16］。

腸道微生物也影響TMAO的生物合成。實(shí)驗(yàn)顯示，添加膳食膽堿或TMAO的小鼠（相對(duì)于對(duì)照組）血漿TMAO水平顯著增加；然而在無(wú)菌小鼠中，補(bǔ)充膽堿不能產(chǎn)生TMA，因而不能產(chǎn)生TMAO［8］。另有實(shí)驗(yàn)顯示，以富含普氏桿菌屬為特征的腸型個(gè)體血漿TMAO水平高于以富含類桿菌屬為特征的腸型受試者［17］。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，腸道微生物的存在及種類對(duì)TMAO的生成至關(guān)重要。目前，氫氣厭氧球菌、天冬酰胺梭菌、哈氏梭菌、生孢梭菌、遲緩愛德華氏菌、弗格森大腸桿菌、彭納氏變形桿菌和普羅維登西亞雷特氏菌已被證明能夠從膽堿中產(chǎn)生TMA［18］。

FMOs作為TMA氧化過(guò)程的催化酶，對(duì)TMAO的生成也產(chǎn)生重要影響，其中最主要的是FMO3［19］。實(shí)驗(yàn)證實(shí)人FMO3的N61S突變會(huì)通過(guò)影響氧原子向底物的轉(zhuǎn)移而導(dǎo)致TMA N-氧合缺陷［20］。膽汁酸可通過(guò)FXR介導(dǎo)的途徑上調(diào)FMO3的表達(dá)而影響TMAO的產(chǎn)生［21］。除此之外，性別也可影響TMAO的產(chǎn)生，與雌性小鼠相比，雄性小鼠肝臟中FMO3的表達(dá)和TMAO血液循環(huán)水平較低［22］。

1.3 TMAO的分布、代謝

TMAO在肝臟生物合成后均勻分布于全身［23］。TMAO作為一種小分子化合物很容易經(jīng)腎臟濾過(guò)［24］。超過(guò)95%的TMAO通過(guò)腎小球?yàn)V過(guò)和腎小管分泌由腎臟排出［25］。除了經(jīng)尿液排出之外，TMAO還通過(guò)汗液、糞便和呼吸道排出。還有一小部分TMAO被人體腸道中的TMAO還原酶通過(guò)厭氧呼吸形式還原為TMA［26］。此外，一些細(xì)菌在TMA脫氫酶和TMAO脫甲基酶的作用下消耗TMA和TMAO形成二甲胺和甲醛［27］（圖1）。

Fig.1 The metabolic pathway of TMAO圖1 TMAO的代謝途徑

2 TMAO在AS發(fā)展中的作用

與健康人相比，AS高危人群的血漿TMAO及前體水平更高［28］；與未愈合斑塊的ST段抬高型心肌梗死患者相比，愈合斑塊患者的血漿TMAO水平更高［29］。獨(dú)立于心血管疾病傳統(tǒng)危險(xiǎn)因素存在的條件下，高水平TMAO可以作為心血管事件發(fā)生的1個(gè)新的預(yù)測(cè)指標(biāo)，依賴于腸道微生物區(qū)系的途徑有助于AS性冠狀動(dòng)脈疾病的病理檢測(cè)，并提示潛在的治療靶點(diǎn)［30］。

然而，對(duì)于TMAO與AS的相關(guān)性還存在著相反的結(jié)果。在一項(xiàng)以35～55歲人群為研究對(duì)象的研究中顯示，TMAO與AS發(fā)展沒(méi)有明顯關(guān)聯(lián)［31］。我們推測(cè)，由于此研究是在相對(duì)年輕的個(gè)體中進(jìn)行的，年輕患者大多處于AS進(jìn)展的早期階段，所以TMAO的心血管效應(yīng)尚未顯現(xiàn)。此外，年輕人的腎功能較好，TMAO可以被及時(shí)排出體外。因此排除年齡因素后，高TMAO水平與AS相關(guān)的結(jié)論仍具有說(shuō)服力。

2.1 抑制膽固醇逆向轉(zhuǎn)運(yùn)

富含膽固醇酯的泡沫細(xì)胞是AS斑塊的標(biāo)志。許多證據(jù)支持高密度脂蛋白（high density lipoprotein，HDL）通過(guò)ABCA1、ABCG1和SRB1蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)體促進(jìn)泡沫細(xì)胞膽固醇外流［32］，這是膽固醇逆向轉(zhuǎn)運(yùn)（reverse cholesterol transport，RCT）的第一步，是一種很有前景的抗AS策略［33］。RCT通過(guò)血漿中的脂蛋白將多余的細(xì)胞膽固醇運(yùn)輸?shù)礁闻K，在肝臟中膽固醇通過(guò)轉(zhuǎn)移到膽汁中以游離膽固醇的形式存在或在轉(zhuǎn)化為膽汁酸后通過(guò)糞便從體內(nèi)排泄出來(lái)，這一過(guò)程被認(rèn)為對(duì)減弱AS有一定作用［34］。早期的研究表明，喂食TMAO的小鼠巨噬細(xì)胞RCT顯著減少［13］。另有實(shí)驗(yàn)顯示，F(xiàn)MO3基因敲除可以刺激小鼠膽固醇排入糞便，促進(jìn)巨噬細(xì)胞RCT，同時(shí)抑制膽汁膽固醇水平和腸道膽固醇吸收［35］。

2.2 上調(diào)清道夫受體的表達(dá)水平，促進(jìn)泡沫細(xì)胞形成

巨噬細(xì)胞來(lái)自卵黃囊和胎肝前體，在損傷、感染或炎癥后由骨髓來(lái)源的單核細(xì)胞進(jìn)行補(bǔ)充［36］。巨噬細(xì)胞通過(guò)吞噬氧化低密度脂蛋白（oxidized lowdensity lipoproteins，oxLDL）和少量其他經(jīng)過(guò)修飾的脂蛋白，發(fā)展成為泡沫細(xì)胞，成為AS形成的中心參與者［37］。還有一小部分泡沫細(xì)胞來(lái)源于內(nèi)皮細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞。LDL流入細(xì)胞的過(guò)程受到多種清道夫受體的調(diào)控，如SR-A1、CD36和與oxLDL有親和力的凝集素樣oxLDL受體1（LOX-1）［38］。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，TMAO可增強(qiáng)清道夫受體LOX-1、SREC和SR-PSOX基因的表達(dá)，從而促進(jìn)泡沫細(xì)胞形成，加快AS進(jìn)程，膳食芹菜素可通過(guò)抑制該過(guò)程而產(chǎn)生抗AS作用［39］。另有實(shí)驗(yàn)在體內(nèi)和體外均觀察到TMAO的促AS作用，且發(fā)現(xiàn)CD36/MAPK/JNK通路可能在TMAO誘導(dǎo)的泡沫細(xì)胞形成中起重要作用［40］。

2.3 縮小膽汁酸池

膽汁酸是由中心周圍肝細(xì)胞中的膽固醇合成的，是膽固醇分解代謝的主要途徑。在人體中每天大約有0.5 g膽固醇被轉(zhuǎn)化為膽汁酸以平衡糞便流失，這幾乎占到每天身體消耗的膽固醇的一半［41］。膽汁酸池對(duì)脂質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)有重要作用，膽汁酸池?cái)U(kuò)大有利于RCT，從而減少AS風(fēng)險(xiǎn)。有實(shí)驗(yàn)顯示，TMAO通過(guò)改變膽汁酸分布，進(jìn)一步激活核受體法尼醇X受體和小異二聚體伴侶，通過(guò)降低Cyp7a1的表達(dá)來(lái)抑制膽汁酸的合成，從而加速小鼠主動(dòng)脈病變的形成［42］。

2.4 增強(qiáng)血小板反應(yīng)性、增加血栓形成風(fēng)險(xiǎn)

血小板是AS急性并發(fā)癥的關(guān)鍵介質(zhì)，通過(guò)與受損血管壁的內(nèi)皮細(xì)胞和免疫細(xì)胞相互作用在疾病晚期導(dǎo)致缺血事件，也是整個(gè)斑塊發(fā)展過(guò)程中關(guān)鍵的炎癥效應(yīng)因子。在AS的第一步，血液中的炎性白細(xì)胞在富含血小板聚集體的區(qū)域與受損的內(nèi)皮細(xì)胞相互作用；在疾病的晚期，血小板會(huì)分泌炎癥分子加劇炎癥，誘導(dǎo)疾病從慢性向急性期的轉(zhuǎn)變，AS病變的不穩(wěn)定性增加，斑塊易破裂和血栓形成。此外，血小板通過(guò)調(diào)控血管細(xì)胞的分化和增殖在慢性炎癥誘導(dǎo)的血管壁重塑中發(fā)揮重要作用［43］。TMAO可誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)鈣離子釋放，促使血小板活化，并增強(qiáng)血小板功能，使血小板對(duì)二磷酸腺苷以及凝血酶的反應(yīng)性增強(qiáng)；TMAO還可增加血小板對(duì)血管膠原蛋白的黏附性，增加血栓形成風(fēng)險(xiǎn)［44］。已有實(shí)驗(yàn)證明TMAO和血小板反應(yīng)性都是全因死亡率和心血管死亡率的重要且獨(dú)立的預(yù)測(cè)因子［45］。

2.5 損傷血管內(nèi)皮、促進(jìn)炎癥反應(yīng)

AS被認(rèn)為是一種由血管內(nèi)皮細(xì)胞炎性損傷引起的慢性炎癥性疾病，形成過(guò)程始于幾種血漿脂蛋白在血流擾動(dòng)和內(nèi)皮功能障礙部位的內(nèi)皮下空間積聚［46］。TMAO對(duì)血管內(nèi)皮的損傷及炎癥反應(yīng)的促進(jìn)作用，主要通過(guò)以下兩種途徑實(shí)現(xiàn)。

2.5.1 介導(dǎo)mtROS的產(chǎn)生和NLRP3炎性小體的激活

乙酰化酶3（sirtuin3，SIRT3）可與SOD2結(jié)合并去乙?；种芐IRT3會(huì)降低SOD2的活性，對(duì)線粒體活性氧（mitochondrial reactive oxygen species，mtROS）的穩(wěn)態(tài)造成不良影響［47］。ROS的產(chǎn)生會(huì)抑制一氧化氮的釋放，從而導(dǎo)致氧化應(yīng)激和內(nèi)皮功能障礙［48］，還會(huì)使硫氧還蛋白相互作用蛋白（thioredoxin-interactive protein，TXNIP）和硫氧還蛋白（thioredoxin，TRX）解離。TXNIP激活NLRP3炎癥小體，從而上調(diào)白介素-1β和白介素-18［49］。多項(xiàng)研究表明，血漿高TMAO水平可通過(guò)該途徑導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙以及由氧化應(yīng)激增強(qiáng)引起的血管炎癥。TMAO通過(guò)激活TXNIP-NLRP3炎癥小體抑制內(nèi)皮型一氧化氮合酶的活性和一氧化氮的產(chǎn)生，從而觸發(fā)氧化應(yīng)激并增加白介素-1β和白介素-18的水平［45］；循環(huán)TMAO的升高會(huì)通過(guò)抑制SIRT的表達(dá)而增加氧化應(yīng)激［50］；在頸動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞中，TMAO激活含有NLRP3炎性小體的NOD樣受體家族嘌呤結(jié)構(gòu)域，從而誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞高通透性，促進(jìn)炎癥細(xì)胞因子的釋放［51］。

2.5.2 激活NF-κB信號(hào)通路

TMAO可激活蛋白激酶C，從而促進(jìn)NF-κB通路的激活，并促進(jìn)血管細(xì)胞黏附分子-1的表達(dá)和單核細(xì)胞黏附［52］。蛋白激酶C激活后，IκB被磷酸化降解，三聚體被解體釋放活化的NF-κB［53］。NF-κB通路激活后，會(huì)發(fā)生一系列的細(xì)胞炎癥反應(yīng)，包括炎性細(xì)胞因子的釋放和單核細(xì)胞與血管內(nèi)皮細(xì)胞的黏附。TMAO還會(huì)增強(qiáng)MAPK/ERK的活性，激活NF-κB通路，從而增強(qiáng)炎癥反應(yīng)，諾比萊汀可抑制該過(guò)程而減輕TMAO引起的血管炎癥［54］。在一項(xiàng)對(duì)LDLR基因敲除小鼠和人主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞的研究中證實(shí)，TMAO可通過(guò)激活MAPK和NF-κB信號(hào)通路促進(jìn)激活的白細(xì)胞向內(nèi)皮細(xì)胞募集，加速內(nèi)皮功能障礙［55］。

3 干預(yù)TMAO防治AS的策略

3.1 調(diào)整飲食結(jié)構(gòu)

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，慢性暴露于肉堿飲食使TMA的合成能力增加10倍［13］；素食者空腹TMAO水平比雜食者低［13］；中國(guó)人群的TMAO整體水平低于美國(guó)人群［56］。這些結(jié)果提示，長(zhǎng)期攝入TMA前體的飲食會(huì)影響TMA的合成能力以及TMAO水平。因此，飲食結(jié)構(gòu)的調(diào)整是至關(guān)重要的。通過(guò)對(duì)345名無(wú)臨床表現(xiàn)的AS性心血管疾病受試者進(jìn)行觀察，膳食對(duì)腸道微生物區(qū)系的改變和亞臨床頸動(dòng)脈AS早期階段具有交互作用［57］。這為通過(guò)干預(yù)飲食預(yù)防AS性心血管疾病發(fā)病奠定了基礎(chǔ)。

3.2 調(diào)節(jié)腸道菌群

益生菌的使用可對(duì)腸道微生物區(qū)系組成產(chǎn)生積極影響：使將膽堿等前體物質(zhì)轉(zhuǎn)變成TMA的細(xì)菌減少，而使可以清除TMA的細(xì)菌增加，甚至可以使細(xì)菌基因發(fā)生改變而不能將膽堿和肉堿轉(zhuǎn)變成TMA［58］。腸道微生物群中普雷沃特氏菌的增加和類桿菌的減少可導(dǎo)致TMAO水平升高［59］。益生菌制劑還能顯著增加抗炎細(xì)胞因子白介素-10的產(chǎn)生，并能使主要促炎細(xì)胞因子白介素-1、β和白介素-6的分泌減少，還有利于增加巨噬細(xì)胞M2表型的抗炎能力［60］。微生物群的組成還受到多種因素的影響，如抗生素?？股刂委熓钦{(diào)節(jié)腸道微生物區(qū)系最常用的實(shí)驗(yàn)策略之一，但由于細(xì)菌耐藥性和藥物副作用，所以并不支持將其用作治療方法［61］。

3.3 抑制TMA的生物合成

3，3-二甲基-1-丁醇能有效抑制TMA裂解酶的活性和生理性多菌培養(yǎng)物（如腸道內(nèi)容物、人體糞便）中TMA的產(chǎn)生，并降低喂食高膽堿或L-肉堿飲食小鼠的TMAO水平［62］。然而，3，3-二甲基-1-丁醇并不能完全避免TMAO的合成。研究發(fā)現(xiàn)，膽堿TMA裂解酶和肉堿加氧酶擴(kuò)增片段與不同的分類群有關(guān)［63］。腸道微生物靶向小分子膽堿TMA裂解酶抑制劑還可以改變宿主膽固醇和膽汁酸代謝而發(fā)揮有益作用［64］。但在臨床應(yīng)用之前，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.4 抑制TMA向TMAO的轉(zhuǎn)化

FMO3基因敲除可顯著降低小鼠全身TMAO水平和血栓形成潛能［65］。然而，F(xiàn)MO3還參與了體內(nèi)大量藥物、外源性物質(zhì)和其他化學(xué)物質(zhì)的氧化新陳代謝。肝臟FMO3基因敲除后，TMA會(huì)在血漿中蓄積，導(dǎo)致三甲氨基尿癥，并引發(fā)一些新的疾病。所以此方法很難在人體應(yīng)用。

3.5 天然藥物干預(yù)

中醫(yī)藥治療具有療效穩(wěn)定、副作用小等特點(diǎn)，值得開發(fā)和利用，但中醫(yī)藥治療疾病的作用機(jī)制還需進(jìn)一步研究。許多天然藥物成分已被證實(shí)可降低血漿TMAO水平，如白藜蘆醇［66］、絞股藍(lán)［67］、烏龍茶提取物和柑橘皮多甲氧基黃酮［68］、小檗堿［69］、胡蘆巴堿［70］。還有一些中藥藥對(duì)和復(fù)方也顯示出降低TMAO水平的功效，如甘草配伍附子［71］、清血消脂方。

清血消脂片對(duì)脂代謝紊亂及AS有明確的治療作用［72-74］。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，清血消脂方可以改善高脂高膽堿飲食喂飼的載脂蛋白E基因敲除小鼠的腸道菌群結(jié)構(gòu)，降低厚壁菌門/擬桿菌門比值（該比值升高是肥胖人群和高脂飲食小鼠腸道菌群的特征），對(duì)腸道菌群紊亂的代謝產(chǎn)物有明確的調(diào)節(jié)作用［75］，并對(duì)TMAO誘導(dǎo)的小鼠單核巨噬細(xì)胞白血病細(xì)胞炎癥因子白介素-1β和單核細(xì)胞趨化蛋白1水平具有干預(yù)作用，且通過(guò)抑制CD36、SR-A表達(dá)干預(yù)TMAO促進(jìn)泡沫細(xì)胞的形成［76］。

4 展 望

近年來(lái)，越來(lái)越多的證據(jù)表明腸道微生物區(qū)系及其代謝產(chǎn)物TMAO在AS的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用。腸道微生物區(qū)系及其代謝產(chǎn)物有望成為心血管疾病潛在可調(diào)控性因素之一，進(jìn)而通過(guò)干預(yù)手段有效減輕AS的發(fā)生和發(fā)展，延緩心血管終末事件的發(fā)生。但干預(yù)參與TMAO代謝的菌群種類、如何降低TMAO水平而不引發(fā)新的疾病等問(wèn)題仍待進(jìn)一步深入研究。