腸源性三甲胺生成機制及其飲食調(diào)控

王世杰，陳 松

(1.河北科技大學 食品與生物學院， 河北 石家莊 050018；2.君樂寶乳業(yè)集團有限公司， 河北 石家莊 050221)

三甲胺(trimethylamine, TMA)是一種低沸點、含氮小分子化合物[1]。食物中的膽堿、左旋肉堿、甜菜堿等物質(zhì)在腸道菌群的作用下可轉(zhuǎn)化為TMA[2]，腸道中的TMA極易被腸道上皮細胞吸收進入血液并對心肌細胞產(chǎn)生細胞毒性作用，被認為是一種心血管疾病的風險標志[3]。研究發(fā)現(xiàn)，心血管疾病患者血液TMA含量與腎小球濾過率呈負相關(guān)(腎小球濾過率降低是一個獨立的心血管危險因素)[4]。同時，TMA通過血液進入肝臟氧化形成氧化三甲胺(trimethylamine-N-oxide, TMAO)，TMAO通過促進炎癥反應、影響膽固醇代謝和氧化應激反應、參與血栓形成等方式，誘導動脈粥樣硬化的發(fā)生和發(fā)展，動脈粥樣硬化是心血管疾病的病理基礎(chǔ)[5]。臨床研究也表明，血液中高水平的TMAO與心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)[6]。因此，了解腸源性TMA的生成機制及影響因素，對降低TMA和TMAO對健康的危害具有重要意義。

1 腸源性TMA的形成和代謝

1.1 形成TMA的食物前體物質(zhì)

TMA食物前體是腸源性TMA產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，常見的TMA食物前體包括膽堿、左旋肉堿、甜菜堿及TMAO[7]。最近研究表明，左旋肉堿的一種前體物質(zhì)N6,N6,N6-三甲基-L-賴氨酸(N6,N6,N6-trimethyl-L-lysine, TML)和組氨酸的一種含硫衍生物麥角硫氨酸，也被認為是TMA的食物前體[2,8]。圖1是三甲胺及三甲胺相關(guān)的食物前體化合物。

圖1 三甲胺及三甲胺相關(guān)的食物前體化合物Fig.1 Trimethylamine and trimethylamine-related food precursors

膽堿被認為是人體的條件必需營養(yǎng)素，可通過肝臟內(nèi)源性生成，也能通過食物外源性攝入。腸道中的膽堿主要來自食物中游離的膽堿和膽堿酯。膽堿酯在相應酶類的作用下能夠轉(zhuǎn)化為膽堿，例如，卵磷脂在磷脂酶D的作用下可轉(zhuǎn)化為膽堿[8]。通常，動物性食物比植物性食物含有更多的膽堿，雞蛋和動物的肝臟是飲食中膽堿的主要來源，其次是肉和魚、谷類、蔬菜、水果、牛奶、脂肪和油。一些植物性食物也含有豐富的膽堿，例如，蕓苔科植物的種子中含有大量以酚類膽堿酯形式存在的膽堿，花椰菜和菜籽等食物中含有芥子酸膽堿酯[2]。左旋肉堿也分為內(nèi)源性和外源性，外源性攝入的左旋肉堿主要來自動物性食物(如肉類和乳制品)，谷物和蔬菜中也含有左旋肉堿但含量較低。紅肉是左旋肉堿最豐富的食物來源，其次是動物的肝臟和蛋類食物。甜菜堿是甘氨酸的衍生物，人體可以通過膽堿代謝內(nèi)源性合成甜菜堿，也可以通過食物外源性攝入[9]，其中谷類食物是甜菜堿的主要來源，菠菜、甜菜、甲殼類和鰭魚也含有豐富的甜菜堿。

TMAO是一種小分子胺，在魚類和海洋無脊椎動物中廣泛存在[10]。人體內(nèi)源性產(chǎn)生的TMAO主要來源于對TMA的氧化。海魚和貝類是人體攝入外源性TMAO的主要來源，不同的魚類TMAO含量存在顯著差異，鰭魚和軟骨魚中TMAO含量比其他魚類高。TML是一種非蛋白質(zhì)氨基酸，是左旋肉堿的前體，在蔬菜中主要以游離氨基酸的形式存在，是大多數(shù)哺乳動物日常營養(yǎng)的重要組成部分。通常，動物性食物中的TML高于植物性食物，在動物性食物中蛋和蝦的含量較高，植物性食物中甜椒的含量較高[11]。麥角硫氨酸是組氨酸的一種含硫衍生物，目前只發(fā)現(xiàn)在一些真菌和細菌中能合成麥角硫氨酸。人體中麥角硫氨酸完全是通過食物獲得，牛肝菌和平菇中麥角硫氨酸的含量較高，雞肝、豬肝、豬腎、黑豆和紅豆和燕麥麩皮中也含有麥角硫氨酸，但是含量較低[12]。

1.2 形成TMA的腸道菌群

腸源性TMA是其食物前體在腸道菌群的作用下產(chǎn)生的。腸道菌群的存在至關(guān)重要，因為人體自身不能合成產(chǎn)生TMA的酶類，產(chǎn)生TMA的酶都是腸道菌群代謝形成的[7]。參與腸源性TMA產(chǎn)生的腸道微生物涵蓋了變形菌門(Proteus)、厚壁菌門(Firmicutes)、放線菌門(Actinomycetes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、梭桿菌門(Fusobacteria)等菌門[13-14]。

將膽堿轉(zhuǎn)化為TMA的微生物主要包括：厚壁菌門中的鏈球菌屬(Streptococcus)、生孢梭菌(Clostridiumsporogenes)、哈氏梭菌(Clostridiumhathewayi)、天冬酰胺梭菌(Clostridiumasparagine)、氫化厭氧球菌(Hydrogenatedanaerobiccocci)，放線菌門中的動彎桿菌屬(Campylobactermobilis)、歐陸森菌屬(Euglenum)；蛋白菌門中的腸桿菌屬(Enterobacter)、愛德華菌屬(Edwardsiella)、弗格森大腸桿菌(Escherichiafergusonii)、脫硫弧菌(Desulfovibriodesulfuricans)，變形菌門中的克雷伯氏菌屬(Klebsiella)、彭內(nèi)氏變形桿菌屬(Proteuspenneri)、普羅維登斯菌屬(Providence)[15-16]。

將左旋肉堿轉(zhuǎn)化為TMA的微生物主要包括：變形菌門(Proteus)、擬桿菌門(Bacteroidetes)和普氏桿菌科(Proteaceae)。

甜菜堿既作為膽堿和左旋肉堿轉(zhuǎn)化為TMA的中間體，又作為一種單獨的TMA飲食前體，將甜菜堿轉(zhuǎn)化為TMA的主要微生物包括：放線菌門中的梭菌屬(Clostridium)和真細菌屬(Eubacteria)[17]。

飲食攝入的TMAO主要是在腸桿菌科(Enterobacteriaceae)，尤其是大腸桿菌(Escherichiacoli)和肺炎克雷伯氏菌(Klebsiellapneumoniae)的作用下轉(zhuǎn)化為TMA[18]。

TMA是由腸道菌群代謝產(chǎn)生的，但是將TMA食物前體轉(zhuǎn)化為TMA的物質(zhì)是腸道菌群產(chǎn)生的酶，因此產(chǎn)生TMA的酶受到了廣泛關(guān)注，目前大多數(shù)的研究集中在編碼酶的基因上。例如，攜帶膽堿三甲胺裂解酶(choline TMA-lyase , CutC)的腸道厭氧微生物都含有CutC基因，該基因編碼的CutC在膽堿TMA裂解酶活化酶(choline TMA-lyase activating enzyme, CutD)的作用下可催化膽堿初始C—N鍵的斷裂，產(chǎn)生TMA和乙醛[19]。研究發(fā)現(xiàn)，攜帶CutC基因的腸道微生物存在于不同的生態(tài)位上，如乳鏈球菌(Streptococcuslactis)、克雷伯氏菌(Klebsiellapneumoniae)、催產(chǎn)克雷伯氏菌(Klebsiellaoxytociae)、腸球菌(Enterococcus)等[20]。

1.3 TMA的代謝途徑

食物中的TMA前體物質(zhì)進入腸道，在腸道菌群及其代謝酶作用下轉(zhuǎn)化為TMA，TMA被腸道上皮細胞吸收進入血液，經(jīng)門靜脈循環(huán)轉(zhuǎn)運到肝臟中，隨后被黃素單加氧酶(flavin-containing monooxygenases, FMOs)氧化為TMAO(如圖2)。氧化生成的TMAO最終會隨著尿液和汗液被機體排出體外。

圖2 TMA食物前體的主要食物來源、代謝途徑以及TMA在肝臟FMOs作用下氧化為TMAO的代謝途徑Fig.2 Main food sources, metabolic pathways of TMA dietary precursors, and metabolic pathways of TMA oxidized to TMAO under action of hepatic FMOs

不同的TMA前體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)門MA的路徑是不一樣的，膽堿產(chǎn)生TMA的途徑有直接和間接兩種方式，膽堿可被攜帶CutC(由CutD激活[16])的腸道厭氧微生物直接代謝成TMA，膽堿也可以通過膽堿脫氫酶和甜菜堿醛脫氫酶兩種酶的協(xié)同作用被氧化成甜菜堿，再由甜菜堿還原酶還原為TMA[21]。左旋肉堿產(chǎn)生TMA也有直接和間接兩種方式，肉堿加氧酶(carnitine oxygenase, CntA)和肉堿還原酶(carnitine reductase, CntB)是將左旋肉堿直接轉(zhuǎn)化為TMA的主要酶，左旋肉堿也可先被肉堿輔酶A轉(zhuǎn)移酶催化為γ-丁基甜菜堿(γ-丁基甜菜堿也可由γ-丁基甜菜堿羥化酶催化為左旋肉堿)，然后在TMA裂解酶的作用下，γ-丁基甜菜堿轉(zhuǎn)化為TMA[22]。

此外，左旋肉堿也可在左旋肉堿脫氫酶的作用下轉(zhuǎn)化為甜菜堿，再由甜菜堿還原酶還原為TMA。在膽堿和左旋肉堿轉(zhuǎn)化為TMA的過程中，甜菜堿可以作為其中間體轉(zhuǎn)化為TMA，同時甜菜堿也作為一種單獨的飲食前體存在于許多植物中，甜菜堿可在甜菜堿還原酶的作用下轉(zhuǎn)化為TMA，但是目前的研究只發(fā)現(xiàn)甜菜堿在綿羊的瘤胃中能夠代謝為TMA，還沒有研究表明在大鼠和人類中甜菜堿可以代謝為TMA[23]。TML是左旋肉堿的一種前體物質(zhì)，TML在體內(nèi)可轉(zhuǎn)化為左旋肉堿，進而通過左旋肉堿轉(zhuǎn)化為TMA。麥角硫氨酸通過麥角硫苷酶可直接轉(zhuǎn)化為TMA[2]。飲食攝入的TMAO可直接被TMAO還原酶還原為TMA[18]。

2 腸源性TMA的控制策略

2.1 減少食物中TMA前體物質(zhì)攝入

腸源性TMA產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)是食物前體，減少食物中TMA前體物質(zhì)的攝入，就可以從源頭上降低TMA的產(chǎn)生。同時，通過飲食控制TMA產(chǎn)生是相對安全的方式，但是，這種方法在實際生活中卻難以實施。TMA前體物質(zhì)存在于不同的食物中，雞蛋是膽堿和卵磷脂的主要來源，紅肉是左旋肉堿、膽堿和卵磷脂的來源，海鮮是TMAO和甜菜堿的來源；因此，通過飲食控制十分困難。更重要的是，TMA前體物質(zhì)本身也是一種營養(yǎng)物質(zhì)，如果它們不被腸道菌群代謝成TMA，對人類是有益的，甚至是必不可少的。例如膽堿是一種基本營養(yǎng)素，缺乏膽堿會導致嚴重的肝功能障礙、脂肪變性和神經(jīng)紊亂，左旋肉堿是人體必需的營養(yǎng)物質(zhì)，負責脂肪酸的轉(zhuǎn)運[24]。因此，通過減少食物中TMA前體物質(zhì)的攝入來控制腸源性TMA，難以操作。

2.2 降低產(chǎn)生TMA腸道菌群的比例

通過調(diào)節(jié)腸道菌群，降低產(chǎn)生TMA腸道菌群的比例是控制腸源性TMA的主要研究方向[25]。但是將TMA前體物質(zhì)代謝成TMA的微生物非常多，從龐大的腸道微生物區(qū)系中精準地抑制產(chǎn)生TMA的微生物十分困難[26]。此外，健康人體的腸道菌群擁有顯著的多樣性和彈性，可以抵抗外界的干擾。抑制產(chǎn)生TMA的腸道菌群，使TMA產(chǎn)生變少，這種作用效果有可能是短暫的，最終由于人體腸道區(qū)系的自我調(diào)節(jié)，這種抑制作用可能減弱或消失[27]。使用抗生素來調(diào)節(jié)腸道菌群減少TMA的產(chǎn)生，是一種最直接且簡單的方法，但是這種方式會消滅腸道內(nèi)對人體健康有益的微生物。

目前更多的研究集中在重塑腸道微生物區(qū)系，降低腸道中TMA的生成。Chen 等[28]研究表明，白藜蘆醇能夠重塑腸道微生物區(qū)系進而減少TMA的生成。Su 等[29]研究提出，二甲雙胍可通過重塑腸道微生物區(qū)系并降低代謝膽堿三甲胺裂解酶的腸道菌群豐度來減少TMA的產(chǎn)生。Li 等[30]發(fā)現(xiàn)從黃連、小檗等中草藥中提取的黃連素(小檗堿)可通過調(diào)節(jié)腸道菌群進而減少TMA的產(chǎn)生。

2.3 抑制產(chǎn)生TMA的酶類

TMA是由腸道菌群代謝的酶類對TMA前體物質(zhì)直接作用生成的，抑制產(chǎn)生TMA的酶類能夠直接抑制TMA產(chǎn)生。抑制產(chǎn)生TMA的酶類是比較安全可靠的方式，但是產(chǎn)生TMA酶類較多，這也為抑制產(chǎn)生TMA酶類帶來一定的困難[31]。膽堿和左旋肉堿作為TMA的兩大主要食物前體，抑制它們轉(zhuǎn)化為TMA尤為重要。左旋肉堿轉(zhuǎn)化為TMA的CntA是種好氧酶，然而人體腸道中氧氣體積分數(shù)范圍在0.2%～1%，這可能會限制CntA作用的發(fā)揮[32]。目前主要考慮的是抑制CutC的活性， Wang等[33]研究表明，膽堿的結(jié)構(gòu)類似物3，3-二甲基-1-丁醇(3,3-dimethyl-1-butanol, DMB)能夠抑制CutC的活性，并降低高膽堿飲食小鼠的TMAO水平。Roberts等[34]研究顯示，氟甲基膽堿和碘甲基膽堿比DMB抑制CutC效果更突出，降低高膽堿飲食小鼠血漿TMAO水平更顯著。

2.4 其他方式

除了抑制產(chǎn)生TMA的前體物質(zhì)、腸道菌群和相關(guān)酶類外，在TMA分子合成途徑進行干預或者對已生成的TMA進行干預也可以降低腸源性TMA的水平。找到原本會形成TMA的季胺(如膽堿、肉堿和甜菜堿)去甲基化的物質(zhì)，使其不能正常的合成TMA分子，對腸道中已經(jīng)生成的TMA產(chǎn)生降解或者促進TMA的排泄也能一定程度上控制腸道中的TMA。此外，通過益生菌和古菌，降低腸源性TMA也被廣泛關(guān)注。

3 益生菌和古菌對TMA產(chǎn)生的影響

3.1 益生菌對TMA產(chǎn)生的影響

益生菌通過調(diào)節(jié)腸道菌群，使產(chǎn)生TMA的腸道微生物豐度下降，進而降低腸道中TMA的產(chǎn)生[35]。此外，益生菌也可能直接將腸道中的TMA降解或者促進TMA轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)。表1列舉了益生菌降低機體腸道TMA的相關(guān)案例。

表1 益生菌對機體TMA的影響及其機制Tab.1 Effects of probiotics on TMA and its mechanism

3.2 古菌對TMA產(chǎn)生的影響

古菌作為潛在的益生菌，其安全性需要進一步驗證，目前應用古菌降低腸源性TMA仍有一定的局限性，但是古菌降低人體TMA的可能性早已有文獻報道。通常認為，古菌降低TMA的產(chǎn)生，主要是通過將腸道中的TMA轉(zhuǎn)化為甲烷，甲烷不易被腸道吸收、對人體生理不起作用；此外，古菌代謝的特定成分也可以作為腸道TMA的隔離物，促進TMA隨糞便排泄[41]。

Brugère等[42]提出利用存在于人體腸道中的產(chǎn)甲烷菌將TMA轉(zhuǎn)化為惰性分子來減少TMA在腸道中的形成，并通過實驗證實發(fā)光甲烷球菌B10能夠利用氫氣(腸道中存在的氫氣濃度較高)還原TMA產(chǎn)生甲烷，為發(fā)光甲烷球菌B10降低腸道中TMA的產(chǎn)生提供一種可能性。Hania等[43]從人類糞便樣本中分離的腸道高山甲烷桿菌Mx1201能夠在氫氣存在的情況下利用TMA，從而降低腸道TMA 。Ramezani等[44]篩選了5種能夠利用TMA作為前體物質(zhì)產(chǎn)生甲烷的產(chǎn)甲烷古菌，在飼喂高膽堿飼料的正常C57BL/6小鼠中評估了它們的定植能力和降低TMA能力，發(fā)現(xiàn)這5種產(chǎn)甲烷古菌都具有在小鼠體內(nèi)定植和降低血漿TMAO水平的能力；進一步將其中表現(xiàn)較好的4種菌移植到飼喂高膽堿的基因缺陷型(ApoE-/-)小鼠體內(nèi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，血漿TMAO濃度隨產(chǎn)甲烷古菌定植程度的增加而顯著降低，其中一種來源于人類腸道的史密斯分枝桿菌對高膽堿喂養(yǎng)的基因缺陷型(ApoE-/-)小鼠的血漿TMAO水平的降低效果最好，且有減輕動脈粥樣硬化的趨勢。

4 結(jié) 語

心血管疾病嚴重危害人類健康。據(jù)世界心臟聯(lián)盟統(tǒng)計，在全世界范圍內(nèi)，每死亡3人，就有1人是心血管病癥。2021年7月發(fā)布的《中國心血管健康與疾病報告》顯示，2018年我國心血管疾病患病人數(shù)3.3億,死亡率居榜首。如何預防、減緩心血管疾病的發(fā)生是應對我國老齡化日趨嚴重背景下的重要課題。腸源性TMA作為新的心血管疾病的風險標志，為從飲食和腸道菌群的角度預防心血管疾病提供了新的物質(zhì)基礎(chǔ)和靶點。長期以來，腸道菌群與健康的相關(guān)性被大量研究所證實，然而兩者的因果關(guān)系卻一直存在爭議；由于微生物難以像化學成分一樣被精準檢測和監(jiān)測，導致相關(guān)性研究停留在以現(xiàn)象解釋現(xiàn)象的表觀相關(guān)性研究。TMA作為第一個被充分研究的腸道微生物代謝相關(guān)的分子，為深入闡釋飲食、腸道菌群與健康疾病之間復雜的互動機制，提供了新的契機，必將被更廣泛地關(guān)注。