腸道菌群對心力衰竭的影響：聚焦氧化三甲胺

肖純鋼 丁鎧 曹華 黃宏 唐惠芳 (南華大學(xué)附屬第一醫(yī)院，湖南 衡陽 421001)

腸道菌群可通過產(chǎn)生代謝物如短鏈脂肪酸、膽汁酸及氧化三甲胺(TMAO)等來參與機(jī)體多種疾病的病理進(jìn)程，這其中就包括心力衰竭(心衰)。本文旨在綜述一種腸道菌群代謝物-TMAO對心衰病理進(jìn)程的影響，探討膳食前體-腸道菌群-TMAO-HF通路作為心衰治療新靶點(diǎn)的潛力。

1 心衰進(jìn)展機(jī)制及治療方式

心衰是各種心血管疾病的終末期，是全球發(fā)病、死亡和衛(wèi)生保健支出的主要原因之一。在我國，發(fā)病率不斷升高，病死率和再住院率居高不下，帶來了沉重的社會(huì)及公共衛(wèi)生經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)〔1〕。引起心衰臨床癥狀的主要機(jī)制有多種模式假說，從最初的心腎模式到后面的血流動(dòng)力學(xué)模式，在此基礎(chǔ)上利尿劑、強(qiáng)心及靜脈舒張藥物的應(yīng)用，能夠改善患者的臨床癥狀，但不能解釋心衰進(jìn)展〔2〕。隨著神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)在心衰進(jìn)展中的作用被逐漸發(fā)現(xiàn)，當(dāng)心衰患者心功能下降時(shí)，機(jī)體通過神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)激活來代償，但隨時(shí)間延長，各系統(tǒng)的活化會(huì)促使心臟重塑，加速心衰的病理進(jìn)程。在此基礎(chǔ)上神經(jīng)內(nèi)分泌抑制劑的使用能夠改善患者的臨床癥狀并抑制心臟重構(gòu)，這也是目前心衰主要的治療方法〔3〕。但神經(jīng)內(nèi)分泌模式還不能充分解釋心衰的病情進(jìn)展，對心衰發(fā)生發(fā)展的機(jī)制還需持續(xù)的探索和完善。

研究表明，腸道菌群可以通過產(chǎn)生代謝物如短鏈脂肪酸、膽汁酸及TMAO等來影響心衰的發(fā)生發(fā)展。尤其是TMAO可以增加心衰的風(fēng)險(xiǎn)，影響心衰的預(yù)后及降低心衰患者的遠(yuǎn)期生存率〔4〕。

2 TMAO生成與清除

循環(huán)中TMAO的生成主要分為兩步，第一步是紅肉、加工肉類、乳制品、雞蛋及魚類中富含的膽堿、磷脂酰膽堿和左旋肉堿等膳食前體〔5〕，經(jīng)腸道菌群的三甲胺(TMA)裂解酶生成TMA〔6〕，第二步是TMA經(jīng)門靜脈吸收入肝臟，經(jīng)肝臟的黃素單加氧酶(FMO)3轉(zhuǎn)變?yōu)門MAO〔7〕，而循環(huán)中的TMAO主要經(jīng)腎臟清除，也可通過汗液和呼吸排出。

3 TMAO對心衰病理進(jìn)程的影響

3.1血管 血管是心血管系統(tǒng)的重要組成部分，TMAO可通過破壞血管的生理功能使心衰的風(fēng)險(xiǎn)增加，心衰的病理進(jìn)程加速。多項(xiàng)研究表明，TMAO可通過血栓形成、促進(jìn)血管炎癥、內(nèi)皮功能障礙及動(dòng)脈粥樣硬化(AS)的形成等多個(gè)方面影響血管的功能。一項(xiàng)研究指出血漿TMAO水平可獨(dú)立預(yù)測血栓風(fēng)險(xiǎn)，研究提示TMAO通過增加細(xì)胞內(nèi)Ca2+釋放，促進(jìn)血小板高反應(yīng)性和血栓形成〔8〕。TMAO可通過激活血管內(nèi)皮細(xì)胞的Nod樣受體蛋白(NLRP)3炎性小體及炎癥信號(hào)通路導(dǎo)致氧化應(yīng)激和內(nèi)皮功能障礙〔9,10〕。通過影響血管功能也是TMAO參與AS形成的一個(gè)方面，另外還可以通過增加巨噬細(xì)胞表面促AS清除劑受體CD36和清道夫受體(SR)A的表達(dá)，促進(jìn)巨噬細(xì)胞膽固醇的積累，通過抑制膽固醇反向轉(zhuǎn)運(yùn)(RCT)，降低膽汁酸的合成，促進(jìn)AS發(fā)生〔11〕?？傊?，TMAO可以從多方面影響血管的功能，使心衰的風(fēng)險(xiǎn)增加，促進(jìn)心衰的發(fā)展。

3.2代謝 TMAO可能通過影響代謝關(guān)鍵酶直接影響心臟能量代謝，通過抑制丙酮酸脫氫酶(PDH)，使線粒體能量代謝紊亂，降低脂肪酸氧化〔12〕。敲除TMAO生成關(guān)鍵酶FMO3可顯著降低糖異生酶、葡萄糖6-磷酸酶(G6PC)及磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PCK)1的表達(dá)，影響葡萄糖及脂質(zhì)代謝〔13〕。以上研究表明，TMAO可通過影響糖和脂質(zhì)代謝途徑關(guān)鍵酶來直接影響心臟能量代謝，使心臟代謝紊亂，而持續(xù)的代謝紊亂可促進(jìn)心衰進(jìn)展。

糖尿病作為一種典型的代謝性疾病，可以通過系統(tǒng)、心肌和細(xì)胞機(jī)制促進(jìn)心衰的發(fā)展。TMAO增加高脂飲食喂養(yǎng)小鼠的空腹胰島素水平和胰島素抵抗，并導(dǎo)致葡萄糖耐量受損〔14〕。而TMAO前體膽堿缺失可降低空腹胰島素濃度，改善葡萄糖耐量〔15〕。Chen等〔16〕發(fā)現(xiàn)生理濃度TMAO與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激激酶(PERK)結(jié)合，并誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子FoxO1的激活，來降低葡萄糖耐量，使血漿胰島素水平升高。以上研究表明，TMAO可通過促進(jìn)胰島素抵抗，降低葡萄糖耐量來促進(jìn)糖尿病的發(fā)生發(fā)展，從而間接影響心臟能量代謝，促進(jìn)心衰進(jìn)展。

3.3纖維化 心肌纖維化是病理性心臟重塑的標(biāo)志，持續(xù)的纖維化會(huì)促進(jìn)心肌細(xì)胞病理性肥大和細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致心衰的發(fā)生發(fā)展。當(dāng)TMAO水平升高時(shí)，壓力過載誘導(dǎo)心衰易感性增強(qiáng)，心肌纖維化增加〔17〕。TMAO或高膽堿飲食可通過加速成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化加重心肌梗死后心肌纖維化〔18〕。西方飲食喂養(yǎng)的小鼠，循環(huán)TMAO水平明顯升高，通過促進(jìn)促炎因子腫瘤壞死因子(TNF)-α和白細(xì)胞介素(IL)-1β的表達(dá)，抑制抗炎因子IL-10的表達(dá)導(dǎo)致心臟纖維化和心功能障礙〔19〕。Li等〔20〕發(fā)現(xiàn)TMAO可以誘導(dǎo)NLRP3炎癥小體的激活并通過轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β/Smad3信號(hào)通路促進(jìn)心肌成纖維細(xì)胞增殖、遷移和膠原分泌，使心臟纖維化加重?？傊?，TMAO可以促進(jìn)心臟纖維化，使心臟順應(yīng)性降低，損害心臟收縮及舒張功能，加速心衰的病理進(jìn)程。

腎臟纖維化可導(dǎo)致腎功能持續(xù)惡化，而腎功能不全與心衰進(jìn)展密切相關(guān)。TMAO可以增加腎臟纖維化使腎功能持續(xù)受損。如：膽堿飲食或補(bǔ)充TMAO飲食，血漿TMAO濃度增加，增加腎小管間質(zhì)纖維化、膠原沉積及Smad3磷酸化，同時(shí)也加速了腎損傷〔21〕。接受高脂飲食喂養(yǎng)的小鼠，循環(huán)TMAO水平明顯升高，促進(jìn)腎臟氧化應(yīng)激和促炎因子TNF-α、IL-1β釋放，導(dǎo)致腎間質(zhì)纖維化和腎功能障礙〔22〕。在腎功能不全的患者中，TMAO水平和腎功能受損似乎形成了惡性循環(huán)，這樣的惡性循環(huán)在心衰病情惡化和疾病進(jìn)展中作用不容忽視。

3.4心肌收縮力 心衰患者早期心肌收縮力升高以維持正常的射血，但心肌收縮力長期升高會(huì)增加心臟能量消耗，導(dǎo)致病理重構(gòu)，促進(jìn)心衰病理進(jìn)程。TMAO可直接損害心肌細(xì)胞的收縮功能，可能與細(xì)胞Ca2+處理功能障礙和鈣去除效率的降低相關(guān)〔23,24〕。但Oakley等〔25〕發(fā)現(xiàn)TMAO可以在體外急性增加人心臟組織的收縮力，這可能與TMAO誘導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)鈣增加有關(guān)。TMAO對心肌收縮力有相反的結(jié)論，這可能是與心肌暴露在TMAO的時(shí)間、濃度和周圍的細(xì)胞環(huán)境相關(guān)?？傊琓MAO可能通過調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+含量影響心肌收縮力來參與心衰的疾病發(fā)展。鑒于TMAO可以增加心衰的風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)心衰進(jìn)展，可以通過控制TMAO水平來影響心衰的病理進(jìn)程。膳食前體-腸道菌群-TMAO-HF通路或許可以成為心衰治療的新方向。

4 治療

4.1從膳食前體著手 膳食干預(yù)體內(nèi)TMAO的生成離不開各種膳食前體的攝入，通過膳食干預(yù)來調(diào)控TMAO水平是可行的。以高糖、高脂、高動(dòng)物蛋白攝入為主的西方飲食改變腸道菌群的組成，增強(qiáng)TMAO合成，增加心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)〔11〕。而以高攝入蔬菜、水果、橄欖油，適量飲酒(特別是紅酒)，低攝入奶制品、紅肉、加工肉類及糖類為特點(diǎn)的地中海飲食與較低的心衰風(fēng)險(xiǎn)和死亡率相關(guān)〔26〕。在地中海飲食組成部分的紅酒和初榨橄欖油中檢測到了3,3-二甲基-1-丁醇(DMB，TMA形成抑制劑)〔27〕，這提示地中海飲食對心衰的益處可能一部分歸功于降低TMAO的水平。通過干預(yù)膳食組成，如增加水果、蔬菜等植物性食物的比例以增加膳食纖維的攝入，減少紅肉、加工肉類的比例，以此來調(diào)控TMAO水平，是經(jīng)濟(jì)實(shí)效的降低心衰風(fēng)險(xiǎn)的方法。

4.2從腸道菌群著手

4.2.1抗生素 治療早期針對心衰患者腸道的研究主要集中在使用廣譜抗生素凈化腸道，以減少細(xì)菌易位和炎癥。在大鼠缺血再灌注模型上，萬古霉素可改變腸道細(xì)菌和真菌豐度，減少心肌梗死面積〔28〕。應(yīng)用抗生素能短期內(nèi)抑制TMAO的生成，但維持時(shí)間較短，可能與耐抗生素的腸道菌群擴(kuò)大有關(guān)〔29〕。除抗生素耐藥性外，抗生素的其他安全性問題也被逐漸發(fā)現(xiàn)。考慮到這些安全性問題及在眾多臨床試驗(yàn)中缺乏臨床效果，抗生素在調(diào)控腸道菌群方面上應(yīng)謹(jǐn)慎應(yīng)用。

4.2.2益生菌 益生菌是對宿主健康有益的活微生物。植物乳桿菌299v攝入可減少腸道上皮細(xì)菌的易位，減輕炎癥反應(yīng)〔30〕。冠狀動(dòng)脈結(jié)扎前補(bǔ)充299v的大鼠可減少梗死面積〔28〕。另一項(xiàng)研究在補(bǔ)充鼠李糖乳桿菌GR-1后大鼠心肌缺血模型中顯示類似的心臟保護(hù)作用〔31〕。有研究指出益生菌可以通過重塑腸道菌群來抑制TMAO合成〔32〕，這表明益生菌可能通過降低TMAO合成來發(fā)揮心臟保護(hù)作用。另一方面也有益生菌在臨床應(yīng)用中引起心內(nèi)膜炎和肝膿腫等疾病的少量案例〔33〕，但這并不影響益生菌這種治療方法的廣大前景，后續(xù)需要在臨床上進(jìn)一步驗(yàn)證其安全性。

4.2.3益生元 益生元是一種不可消化的食物成分，可以給宿主帶來潛在健康益處。低聚果糖和菊粉是天然益生元，可以刺激雙歧桿菌生長、介導(dǎo)減輕內(nèi)毒素血癥、改善代謝功能〔34〕。益生元還可增加腸道激素的釋放，減輕代謝性內(nèi)毒素血癥和炎癥性疾病，改善腸道屏障功能〔35〕。白藜蘆醇是一個(gè)很好的候選益生元，可以促進(jìn)有益共生體的生長，通過重塑小鼠腸道菌群，可能導(dǎo)致腸道微生物TMA產(chǎn)生減少〔36〕。目前益生元在治療心衰和影響TMAO水平上面的研究有限，有待進(jìn)一步研究。

4.2.4糞便微生物群移植(FMT) 接受瘦素供體的FMT可使患有代謝綜合征的肥胖受試者胰島素敏感性恢復(fù)正?！?7〕。來自素食者的FMT改變了一些患者的腸道微生物群組成，使其成為素食者〔38〕。這預(yù)示著可以將低TMAO水平的供者糞便微生物群移植到高TMAO水平和心衰人群當(dāng)中，從而起到降低TMAO水平和延緩心衰進(jìn)展的效果。但在當(dāng)今社會(huì)當(dāng)中，不僅供者的數(shù)量十分有限，F(xiàn)MT本身也存在著風(fēng)險(xiǎn)，有報(bào)告指出FMT會(huì)傳播耐藥大腸桿菌，導(dǎo)致2例患者出現(xiàn)菌血癥，其中1例死亡〔39〕。FMT為調(diào)控腸道微生物組成提供了一種方法，但考慮到其感染和排斥的風(fēng)險(xiǎn)，需要對其安全性和可行性進(jìn)一步驗(yàn)證。

4.3從TMAO代謝的關(guān)鍵酶著手

4.3.1微生物TMA裂解酶抑制劑 膽堿TMA裂解酶(cutC/D)是膽堿轉(zhuǎn)化為TMA的關(guān)鍵酶〔6〕，而DMB是一種膽堿結(jié)構(gòu)類似物，Wang等〔27〕將其開發(fā)為膽堿TMA裂解酶的競爭性抑制劑，通過抑制TMA生成以降低TMAO水平。Roberts等〔40〕開發(fā)了膽堿類似物-氟甲基膽堿(FMC)和碘甲基膽堿(IMC)，不可逆地與cutC/D結(jié)合，使其失活，從而減少TMA生成。微生物TMA裂解酶抑制劑的種類需要進(jìn)一步研發(fā)，且需要驗(yàn)證其臨床有效性。

4.3.2黃素單氧化酶(FMO)3抑制劑 甲巰咪唑是FMO3的高親和力底物，可競爭性地抑制其他化合物的代謝〔41〕。來自天然蔬菜成分3,3-二吲哚甲烷和吲哚-3-甲醇也是FMO3的有效抑制劑〔42〕。然而抑制FMO3可以產(chǎn)生肝臟炎癥，且會(huì)導(dǎo)致全身TMA水平升高，讓患者全身產(chǎn)生一種特發(fā)性惡臭，類似于一種先天性疾病——三甲基尿癥〔43〕。因此，F(xiàn)MO3抑制劑使用前需要慎重考慮其不良反應(yīng)。

5 爭議

對于TMAO在心血管疾病中的作用，學(xué)術(shù)界也存在著爭議。有研究表明，TMAO在心血管疾病方面可能是有益的。如：高表達(dá)人膽固醇酯轉(zhuǎn)移蛋白(hcETP)的載脂蛋白(Apo)E-/-小鼠喂養(yǎng)高劑量左旋肉堿，循環(huán)升高的TMAO水平與主動(dòng)脈疾病大小呈負(fù)相關(guān)〔44〕。慢性小劑量TMAO治療可改善自發(fā)性高血壓大鼠的舒張功能障礙和心臟纖維化〔45〕。而這些臨床前研究本身的局限性不可忽視，往后的研究需要進(jìn)一步驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。TMAO在魚類中的含量很高，而高魚類攝入可以降低心血管疾病的危險(xiǎn)因素，與心衰死亡率呈負(fù)相關(guān)〔46〕。富含TMAO的魚類對心血管疾病的保護(hù)作用，并不等價(jià)于TMAO有益于心血管疾病，這可能由于魚類中含有的對心血管疾病有益物質(zhì)(如ω-3脂肪酸)帶來的好處大于TMAO帶來的風(fēng)險(xiǎn)〔47〕。

更有學(xué)者認(rèn)為是TMAO前體在發(fā)揮對心血管疾病的作用，而非TMAO本身，TMA似乎更能成為心血管病風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)志〔48〕。在未來的研究中，應(yīng)該同時(shí)評估TMAO和TMA在心血管疾病中的作用。

6 展望

TMAO在心衰方面的研究為心衰疾病進(jìn)展機(jī)制的完善與推進(jìn)指出一條道路，但TMAO參與心衰疾病進(jìn)展的具體機(jī)制研究還存在諸多爭議，未來需要直面這些爭議，進(jìn)一步明確和完善TMAO在心衰疾病進(jìn)展的作用機(jī)制。膳食前體-腸道菌群-TMAO-HF通路可能成為未來心衰患者治療的新方向，通過膳食干預(yù)、調(diào)節(jié)腸道菌群、抑制腸道微生物轉(zhuǎn)化酶等來降低循環(huán)TMAO水平以延緩心衰的病理進(jìn)程，未來有望通過調(diào)控該通路來改善心衰患者的預(yù)后，提高遠(yuǎn)期生存率。