氧化三甲胺在糖尿病中的研究進展

苑莉莉 何崢

作者單位：110013 遼寧省沈陽市，沈陽市紅十字會醫(yī)院心內(nèi)科

糖尿病是一組由多因素引起的以高血糖為特征的代謝性疾病，其可引起多種慢性并發(fā)癥，導(dǎo)致預(yù)后不良，嚴重影響了病人的生活、工作。近年來糖尿病的發(fā)病率不斷增加，據(jù)全球糖尿病聯(lián)盟(IDF)報告，全世界約有4.63億人患有糖尿病，預(yù)計到2045年患病人數(shù)將達到7億[1]。因此，加強對糖尿病防治的研究具有重要的臨床意義。腸道菌群作為一種環(huán)境因素，與糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展有著密切關(guān)系。氧化三甲胺(trimethylamine N-oxide,TMAO)為腸道菌群重要的代謝產(chǎn)物之一，其與糖尿病及其并發(fā)癥相關(guān)性的研究得到越來越多學(xué)者的重視。本文主要概述了TMAO與糖尿病之間關(guān)系的研究進展，以期為糖尿病的防治提供新的思路及參考。

1 TMAO

三甲胺(trimethylamine,TMA)是由食物中的膽堿、肉堿、甜菜堿等在腸道微生物的作用下產(chǎn)生的，后經(jīng)門脈系統(tǒng)轉(zhuǎn)運至肝臟，在肝臟中，TMA通過黃素單加氧酶3(FMO3)[2-3]的代謝生成有活性的TMAO。體內(nèi)研究已經(jīng)確定了幾個與TMA/TMAO產(chǎn)生相關(guān)的微生物類群，包括氫化厭氧球菌、天門冬酰胺梭菌、H.hathewayi、C.孢子原菌脫硫胎弧菌、塔拉愛德華菌、費古森大腸桿菌、彭氏桿菌等[4]。T2DM病人中TMAO濃度升高[5-6]。然而，目前尚不清楚TMAO的升高與T2DM的發(fā)生是否存在因果關(guān)系。動物研究表明，TMAO可通過介導(dǎo)肝臟中胰島素信號通路而使糖耐量受損，TMAO還可上調(diào)脂肪組織中表達的促炎介質(zhì)[7]。腸道菌群圖譜復(fù)雜且多樣，在組織器官穩(wěn)態(tài)及功能、疾病的發(fā)生發(fā)展中均起著至關(guān)重要的作用。轉(zhuǎn)基因的生態(tài)失調(diào)可以將其作用擴展到胃腸道之外。與健康受試者相比，肥胖和T2DM病人的腸道菌群成分發(fā)生了變化，腸道菌群失調(diào)可加速糖尿病的發(fā)生發(fā)展。此外，腸道菌群失調(diào)也與1型糖尿病和妊娠期糖尿病的發(fā)生發(fā)展相關(guān)[8-9]。探索糖尿病病理生理學(xué)的特征，有助于尋找新的治療靶點。到目前為止，該領(lǐng)域的許多文獻均提及了TMAO對糖尿病[10]及血管、腎臟等并發(fā)癥的影響。在過去的幾年中，對代謝紊亂病人的腸道生物多樣性的構(gòu)成和功能的研究顯著增加，特別是關(guān)于其對1型糖尿病和T2DM的并發(fā)癥的影響[11]。

在T2DM的發(fā)生、發(fā)展及相關(guān)并發(fā)癥的進展中，TMAO均起到了重要作用[12]。Andraos等[13]研究發(fā)現(xiàn)，性別、年齡和常見的家庭習(xí)慣，如飲食(高紅肉和魚類攝入量)，均會導(dǎo)致血清中TMAO及其前體濃度的變化。在體內(nèi)的研究結(jié)果表明，厚壁菌門、變形菌門、天冬酰胺梭狀芽孢桿菌、H. hathewayi等與TMAO代謝、微生物失調(diào)以及與心血管、神經(jīng)、腎臟疾病和癌癥均存在相關(guān)性，并提出TMAO可作為一個新的生物標志物[7]。TMAO可引起脂肪組織炎癥，破壞胰島素信號通路，這可導(dǎo)致胰島素抵抗，促進糖尿病的發(fā)生發(fā)展。

2 TMAO在糖尿病中的作用

Schugar等[14]的研究表明，腸道微生物的失衡可通過TMA/FMO3/TMAO途徑導(dǎo)致肥胖及能量代謝異常。Heianza等[15]發(fā)現(xiàn)血漿TMAO水平與葡萄糖代謝及胰島素敏感性有關(guān)，并通過TMA/FMO3/TMAO信號途徑發(fā)揮其調(diào)節(jié)作用。Kasselman等[16]的研究表明，高脂飲食可使腸道微生物產(chǎn)生的脂多糖(LPS)增加，同時還可使腸緊密連接蛋白(ZO-1)、閉合蛋白等表達增加，使腸道通透性增加，這均使血液中LPS進一步增加。LPS激活toll樣受體4，脂肪細胞及巨噬細胞中的炎性反應(yīng)增加，如c-Jun氨基端激酶活性增加，NF-κB途徑被激活，這均導(dǎo)致胰島素抵抗，血糖升高。Shan等[5]發(fā)現(xiàn)TMAO通過阻斷肝臟胰島素通路使脂肪細胞炎性反應(yīng)增加，導(dǎo)致血糖升高。胰島素主要通過磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)途徑調(diào)節(jié)血糖，Akt激活抑制叉頭轉(zhuǎn)錄因子O1(FOXO1)的活性，進而抑制糖異生。Gao等[7]發(fā)現(xiàn)增加TMAO的攝入，胰島素受體底物2(IRS2)、PI3Krl、GYS2和GLUT2等基因表達降低，這表明TMAO可阻斷胰島素信號通路的傳導(dǎo)，減少肝糖原合成，阻止肝糖原轉(zhuǎn)運，同時FOXO1、葡萄糖-6-磷酸酶(G6pase)等的表達增加促進了糖異生，故TMAO增加可使葡萄糖耐量受損，促進糖尿病的發(fā)生發(fā)展。

2.1 TMAO與糖尿病大血管病變 缺血性心臟病是常見的糖尿病大血管并發(fā)癥，其發(fā)生率及死亡率均較高，對糖尿病病人的預(yù)后造成嚴重影響。L-肉堿對長鏈脂肪酸的線粒體代謝至關(guān)重要，L-肉堿濃度較高的糖尿病病人心血管的并發(fā)癥發(fā)生風(fēng)險亦升高。TMAO可產(chǎn)生一種致動脈粥樣硬化的巨噬細胞表型，影響巨噬細胞、腸道、肝臟中膽固醇和甾醇的代謝。血液中TMAO濃度的增加影響腸道菌群的活性和腸屏障的通透性。TMAO和膽堿水平的升高與低水平的HDL-C和血漿磷脂有關(guān)[17]。在動脈血管內(nèi)皮下，TMAO促使泡沫細胞增多，加速了動脈血管的粥樣硬化。濃度升高的TMAO通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、炎癥反應(yīng)促進內(nèi)皮功能受損，進而加速血小板的活化，促使血栓的形成。TMAO通過快速增加鈣離子的釋放，從而激活血小板，進一步激活血栓前通路。在內(nèi)皮細胞和平滑肌細胞中，TMAO迅速激活絲裂原活化蛋白激酶和活化的B細胞活化kappa放大因子，有利于E-選擇素等黏附分子的表達[18]。TMAO能調(diào)節(jié)單核細胞分化為泡沫細胞和巨噬細胞。TMAO可以通過轉(zhuǎn)化磷酸化Smad3生長因子-b信號軸來啟動心臟纖維化過程[19]。

2.2 TMAO與糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy, DR) 60%的T2DM病人患有DR，是失明的主要誘因。眼表面是一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，其受許多環(huán)境因素的影響。在DR發(fā)展過程中，微血管、神經(jīng)退行性、免疫、遺傳/表觀遺傳和炎癥相關(guān)因素之間存在著復(fù)雜的相互作用。據(jù)研究報道，眼表面上大約有12個屬的細菌，以棒狀桿菌、凝固酶陰性葡萄球菌、不動菌以及“致病菌”——假單胞菌等為代表。眼部微生物群在結(jié)膜和角膜中具有重要的功能，特別是在介導(dǎo)眼部免疫和預(yù)防致病菌方面[20]。研究表明，存在并發(fā)癥的糖尿病病人較無并發(fā)癥病人結(jié)膜中有更多的菌群[21]。DR病人中微血管和神經(jīng)膠質(zhì)細胞成分的功能和結(jié)構(gòu)已發(fā)生變化。Beli等[22]首次報道了重組腸道微生物群與DR之間的相關(guān)性。自由飲食的小鼠表現(xiàn)出DR存在炎癥細胞和脫落細胞毛細血管的浸潤，而間歇性禁食小鼠的視網(wǎng)膜組織學(xué)與非糖尿病對照組相似。在16SrRNA檢測中，間歇性禁食的小鼠硬壁菌與擬桿菌的比例增加，血漿TMAO水平與硬壁菌水平呈負相關(guān)，與擬桿菌水平呈正相關(guān)。血漿TMAO水平升高可導(dǎo)致TNF-α、IL-1β水平升高，IL-10水平降低，同時TMAO還可通過促進氧化應(yīng)激，抑制Sirtunin1的表達，激活炎癥信號通路等增加炎癥反應(yīng)，加速了DR的發(fā)展。

2.3 TMAO與糖尿病神經(jīng)病變(diabetic peripheral neuropathy, DPN) DPN是糖尿病常見的并發(fā)癥之一。30%～50%的糖尿病病人在長期暴露于高血糖后誘導(dǎo)了神經(jīng)退行性變使神經(jīng)元功能被破壞，加重神經(jīng)病變的發(fā)展。它主要表現(xiàn)為遠端多發(fā)性神經(jīng)病變，即神經(jīng)的靈敏度和運動功能降低，這可能與運動感覺受損、活動功能障礙、感覺麻木甚至疼痛有關(guān)。神經(jīng)系統(tǒng)中腸道神經(jīng)系統(tǒng)(ENS)和迷走神經(jīng)(VN)能夠識別微生物群成分。DPN多與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的細胞凋亡有關(guān)。正常情況下，蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中折疊，折疊后成為有活性的蛋白。高血糖可導(dǎo)致蛋白質(zhì)折疊錯誤或未折疊的蛋白滯留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)壓力增加，而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力增加則將激活細胞凋亡途徑。TMAO 能夠吸引伴侶蛋白治療蛋白折疊類疾病。Lupachyk等[23]的研究表明，應(yīng)用TMAO飼養(yǎng)經(jīng)鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的DPN大鼠，12周后大鼠的運動神經(jīng)傳導(dǎo)速度、感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度及小的感覺纖維功能均較無干預(yù)組損傷減輕。細胞內(nèi)氧化-硝化應(yīng)激可誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激[4]，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在應(yīng)激條件下蛋白二硫異構(gòu)酶(PDI)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)氧化酶1a(ERO1a)上調(diào)，其結(jié)果導(dǎo)致過氧化氫生成增多，即超氧化合物增加，同時ERO1a介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+的釋放[24]，使線粒體裂變及Ca2+超載。而TMAO通過提高DPN磷酸化PKR樣真核生物起始因子2A激酶(PKR-like eukaryotic initiation factor 2A kinase,PERK)水平等削弱氧化-硝化應(yīng)激。

2.4 TMAO與糖尿病腎病(DKD) DKD是糖尿病病人常見的微血管并發(fā)癥，病情進展可發(fā)展為終末期腎病，增加了臨床治療難度。糖尿病病人體內(nèi)的腸道菌群常處于失衡狀態(tài)，這會導(dǎo)致血液中代謝廢物增加。TMAO在腸道菌群失衡時水平增加，其可使腎小球濾過率減低，腎功能受損，同時腸道菌群紊亂導(dǎo)致血液中有毒的代謝物增加，進一步加重了腎功能的惡化[25]。Haluzík等[26]發(fā)現(xiàn)慢性腎病病人中腸道菌群對膽堿的代謝能力提高，同時發(fā)現(xiàn)膽堿單加氧酶、TMAO等的基因轉(zhuǎn)錄亦增加，TMAO增加提示DKD病人預(yù)后不佳。增加TMAO攝入后，病人的腎纖維化、腎功能異常明顯增加，同時Smad3磷酸化增加，TMAO通過調(diào)節(jié)TGF-β/Smad3 信號通路促進腎間質(zhì)纖維化。且有研究表明，TMAO、TMA/TMAO均為DKD獨立的影響因素[27]。

3 展望

TMAO是腸道菌群重要的代謝物，對胰島素抵抗、糖尿病的發(fā)生發(fā)展均有明顯影響，同時還促使了糖尿病相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生。腸道菌群可以通過改變?nèi)藗兊纳罘绞絹碚{(diào)節(jié)，也可通過抗生素、益生菌、益生元等進行調(diào)節(jié)。隨著對TMAO研究的深入，調(diào)節(jié)腸道菌群可減少TMAO的生成，TMAO可作為糖尿病及其并發(fā)癥的新標記物，這將為臨床提供更科學(xué)的依據(jù)。