氧化三甲胺是潛在的心力衰竭治療靶點和預后標志物

周奕廷，郁志明

南京醫(yī)科大學附屬無錫市人民醫(yī)院心血管內科，江蘇 無錫 214023

研究表明，在心力衰竭的病理生理機制以及疾病的發(fā)生發(fā)展過程中，腸道菌群及其代謝產物起著不可忽視的作用［1-2］。部分學者提出了心力衰竭發(fā)病機制的“腸道假說”。該假說表明，由于心輸出量的減少以及體循環(huán)淤血，心力衰竭患者會發(fā)生腸道缺血，導致腸道上皮細胞水腫和腸壁纖維化。長期的上述改變會導致腸上皮功能障礙，包括腸道屏障受損、營養(yǎng)吸收減少以及腸黏膜通透性增加，進而促進細菌及內毒素易位，進一步促使炎癥因子釋放，最終導致心力衰竭慢性炎癥的發(fā)生，加劇心肌纖維化［3］。腸道菌群是腸道微生態(tài)中最重要的活性成分之一，其直接參與了宿主的生長發(fā)育、營養(yǎng)代謝、免疫調節(jié)和腸道穩(wěn)態(tài)的維持。健康人群體內厚壁菌門、擬桿菌門占比最大，各種原因導致腸道菌群失調時，腸道菌群組分占比發(fā)生變化，其中以厚壁菌門與擬桿菌門的變化最為顯著［4］。日常飲食中的膽堿和磷脂酰膽堿等被腸道菌群代謝為三甲胺（trimethylamin，TMA），后者再由腸道吸收后經門靜脈進入肝臟并被黃素單加氧酶家族（flavin-containing mono-oxygenase，FMO），尤其是黃素單加氧酶3（flavin-containing mono-oxygenase 3，FMO3）氧化為氧化三甲胺（trimethylamine N-oxide，TMAO）［5］，最后主要到達腎臟由尿液排出［6］。TMAO 與動脈粥樣硬化、高血壓、心肌梗死、心力衰竭等多種心血管疾病密切相關［7］，并能預示缺血性心力衰竭的住院時長及不良預后事件［8］。本文就TMAO為靶點的心力衰竭治療及其作為心力衰竭預后標志物進行綜述。

1 TMAO在心力衰竭發(fā)生發(fā)展中的作用

1.1 TMAO加劇心肌肥厚和纖維化

Li 等［9］研究表明，TMAO 能直接誘導心臟肥大和纖維化，并且這種誘導通過激活Smad3 信號通路來實現，此外Smad3特異性抑制劑SIS3能減弱這種刺激。Yang 等［10］發(fā)現，在心肌梗死小鼠中，喂食高膽堿飲食或補充TMAO可導致心功能惡化和心肌纖維化，可能是由于加速了成纖維細胞向肌成纖維細胞轉化所致。此外，實驗表明TMAO 處理后的成纖維細胞體積增加，且α-平滑肌肌動蛋白（α-SMA）、Ⅰ型膠原蛋白、轉化生長因子β受體Ⅰ（TGF-βR1）和磷酸化Smad2表達增加。在另一項研究中也得到了類似的結果，給動脈結扎術誘導心力衰竭的小鼠喂食TMA 合成的抑制劑3，3-二甲基-1-丁醇（3，3-dimethyl-1-butanol，DMB）能延緩心衰時心室重構的過程，且通過調節(jié)TGF-β1/Smad3 信號通路和p65 NF-κB信號通路延緩心室重塑和電重構［11］。

1.2 TMAO誘發(fā)炎癥反應

炎癥反應是心力衰竭發(fā)生發(fā)展的重要因素，也是心血管疾病不良預后的主要因素之一。慢性心力衰竭的疾病進展過程中，局部和全身炎癥反應與心力衰竭的相互作用也是其顯著特征之一［12］。Chen 等［13］進一步研究表明，TMAO 可通過抑制Sirtuin-3（SIRT3）以及超氧化物歧化酶2（superoxide dismutase 2，SOD2）活性來促進線粒體活性氧（mtROS）積累，進一步誘導NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3（NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3，NLRP3）炎癥小體激活，NLRP3炎癥小體分泌Caspase-1、IL-1β和IL-18，進而誘導血管炎癥的發(fā)生。在頸動脈結扎小鼠上，研究員們發(fā)現TMAO 可通過激活NF-κB、NLRP3 炎癥小體以及內質網應激通路誘導血管炎癥，促進血管重塑［14］。在慢性腎臟病的小鼠身上，研究員們也發(fā)現了類似結果，TMAO 通過激活NLRP3 炎癥小體以及NF-κB信號通路促進血管鈣化［15］。此外，Liu等［16］實驗表明，TMAO 可刺激肝細胞釋放外泌體（exosomes，Exos），Exos 被人主動脈內皮細胞吸收，部分通過NF-κB信號轉導，從而促進炎癥標志物的表達和內皮功能障礙。

1.3 TMAO通過影響腎功能惡化心力衰竭

除了心臟損傷外，腎功能的變化在心力衰竭進展中的作用同樣至關重要。由于腎臟在TMAO排泄中起著關鍵作用，因此腎功能的損害與血漿TMAO水平升高密切相關。多項研究發(fā)現，TMAO 水平與腎功能呈負相關［17-18］。Hu 等［19］研究發(fā)現，TMAO 水平降低可減緩腎間質纖維化以及腎功能障礙的進展。腎纖維化以及腎功能障礙會進一步導致水鈉潴留，進而加重心衰［20］。此外，動物實驗表明降低TMAO水平能減輕CRS2小鼠（聯合冠狀動脈結扎誘導的心肌梗死和次全腎臟切除手術小鼠）的心臟和腎臟損害，并通過抑制炎癥來防止疾病進展［21］。

2 TMAO是心力衰竭治療的潛在靶點

2.1 飲食干預

血漿TMAO 水平與飲食密切相關，膳食調整如何影響心血管疾病一直是引人關注的問題。既往研究表明，富含飽和脂肪、動物蛋白和糖類的西方飲食會促進腸道微生物群失調，上調血漿TMAO 水平，并增加心血管疾病的風險［22］。Wang等［23］研究表明，與白肉或非肉類蛋白質來源（保持總熱量不變）相比，主要蛋白質來源為紅肉的飲食會顯著增加血漿TMAO 的水平，并且減少腎臟的TMAO 排泄。從TMAO 來源來看，研究表明戒斷飲食中的TMAO 可以降低循環(huán)中的TMAO 水平［24］。此外，Videja 等［25］研究發(fā)現模擬禁食飲食（fasting mimicking diet，FMD）可以通過限制熱量攝入和動物源性蛋白質消耗來降低血漿TMAO水平。地中海式飲食的特點是水果、蔬菜、堅果、豆類、全谷物和海鮮的攝入量相對較高，飲酒量適中，紅肉/加工肉和飽和脂肪酸的攝入量較低［26］。一項來自巴西的橫斷面研究顯示，在考慮群體的經濟因素和飲食習慣之后，地中海飲食可降低心力衰竭的發(fā)病率與不良預后結局［27］?？刂聘哐獕旱娘嬍撤绞剑╠ietary approaches to stop hypertension，DASH）主要限制了糖分、紅肉以及脂肪的攝入，研究表明采用DASH 飲食模式的心力衰竭患者的體重減輕，且血壓、腦鈉肽（brain natriuretic peptide，BNP）等心功能指標也得到了改善［28］。

2.2 益生菌干預

益生菌是有益的非病原微生物，通過誘導免疫調節(jié)、減少生理應激、抑制病原體、調節(jié)腸道微生物和改善腸道的屏障功能等來改善人體健康［29］。在載脂蛋白E 基因敲除（ApoE-/-）小鼠中，研究員發(fā)現鼠李糖乳桿菌可通過減少氧化應激和炎癥來減少小鼠的動脈粥樣硬化病變大?。?0］。在心肌梗死大鼠模型中，給予鼠李糖乳桿菌干預可以減輕左心室重構，心超功能指標也顯示大鼠左心室功能得到改善［31］。最近研究也表明，益生菌能降低血漿TMAO 水平，可推測益生菌對心臟的保護作用可能部分是通過減少TMAO水平來實現的［32-33］。在一項隨機對照試驗中，慢性心力衰竭患者運用布拉氏酵母菌短期治療可改善左心室射血分數（left ventricular ejection fractions，LVEF）（+6.6%，P=0.005；對比安慰劑：+4.2 %，P=0.173）和左心房直徑（-0.29 cm，P=0.044 ；對比安慰劑：+0.20 cm，P=0.079），并降低患者血清肌酐、尿酸和超敏C 反應蛋白水平［34］。然而另一項前瞻性多中心隨機臨床研究Gut-Heart 的結果顯示，在接受標準治療基礎上使用利福昔明以及布拉氏酵母菌治療3 個月，對于心力衰竭人群的LVEF、微生物群多樣性或測量的生物標志物如TMAO 等沒有顯著影響［35］。同時，益生菌的安全性仍然存在爭議，存在長期使用益生菌導致菌血癥和肝膿腫的病例報道，免疫功能低下的患者應當謹慎使用［36］。

2.3 TMA裂解酶抑制劑

TMA裂解酶將膳食膽堿轉化為TMA的細菌酶，DMB 是一種天然的TMA 裂解酶抑制劑。高膽堿飲食小鼠給予DMB 可降低小鼠血漿TMAO 水平并且減少泡沫細胞以及動脈粥樣硬化斑塊的形成，并且沒有明顯的毒性反應［28］。Roberts等［37］發(fā)現，碘甲基膽堿（iodomethylcholine，IMC）和氟甲基膽堿（fluoromethylcholine，FMC）作為CutC/D 的抑制劑，顯著降低了高膽堿喂食小鼠的TMAO 水平，逆轉了TMAO誘導的血小板活性升高和血栓形成。Organ 等［24］研究表明，IMC 可減輕膳食膽堿對壓力超負荷心力衰竭小鼠的影響，改善心力衰竭小鼠的左心室重構、心臟功能障礙和心臟纖維化。

2.4 糞菌移植（fecal microbiota transplantation，FMT）

FMT 已被證實在治療復發(fā)性、抗生素耐藥性艱難梭菌感染方面有顯著效果［38］。在自身免疫性心肌炎小鼠模型中，FMT 治療平衡了腸道菌群，提高了F/B比，并減輕了心肌炎［39］。此外，研究員發(fā)現從老年小鼠向年輕小鼠的糞便移植可引起心肌纖維化，這種改變與NLRP3 炎癥小體的增加有關，并且從年輕小鼠到老齡小鼠的糞便移植降低了NLRP3水平［40］。但是FMT仍有等許多局限性需要解決，如感染和排異等［36］。目前還未有FMT 的相關心力衰竭治療的臨床報道。

3 TMAO作為心力衰竭的預后標志物

在HIV 感染患者中，TMAO 水平與彌漫性心肌纖維化相關，并被確定為預測早期結構性心臟病的潛在標志物［41］。一項對720例穩(wěn)定性慢性心力衰竭患者的研究發(fā)現，TMAO水平升高與心力衰竭隊列中的死亡風險增加3.4倍，且在調整傳統(tǒng)風險因素和BNP之后，TMAO水平升高仍能預測患者5年死亡風險［42］。一項對189 例缺血性心力衰竭（ischaemicheart failure，IHF）患者的研究發(fā)現，在進行了校正之后，高TMAO+高NT-proBNP組的患者全因死亡風險最高（HR=3.11，95%CI：1.53～6.31，P＜0.001），且兩種生物標志物升高的IHF患者住院時間更長。此外，研究員還發(fā)現TMAO 聯合NT-proBNP 對于IHF患者全因死亡具有良好的預測價值（AUC=0.727，95%CI ：0.640～0.813，敏感度為55.0%，特異度為83.1%）［8］。Li 等［43］發(fā)現在超敏C 反應蛋白（hypersensitive-C-reactive-protein，hsCRP）水平較高（6.68 mg/L）的患者中，TMAO 每增加1 個單位，急性心肌梗死（acute myocardial infarction，AMI）并發(fā)心力衰竭的患者出現主要不良心臟事件的風險增加20%，表明高血漿TMAO水平與AMI合并心力衰竭患者的預后不良獨立相關。Kinugasa 等［44］研究表明，TMAO水平升高與射血分數保留型心力衰竭患者的再入院率和病死率增加獨立相關，且高TMAO 組與低TMAO 組的死亡風險比為2.06。一項劑量-反應數據的薈萃分析顯示，患者TMAO 水平每增加10 μmol/L，全因病死率會增加7.6%［45］?？梢钥闯觯琓MAO 作為心血管不良事件風險指標有很大前景，有成為心力衰竭患者不良預后獨立預測工具的巨大潛力。

4 總結與展望

多項體外實驗和臨床研究表明，腸道菌群代謝產物TMAO 與心力衰竭之間存在著密不可分的關系。目前證據表明，TMAO 直接或間接參與了心力衰竭的起病和進展，而TMAO 水平的升高又與心力衰竭嚴重程度部分相關，但TMAO 與心力衰竭之間的因果關系尚未十分明確。盡管目前認為TMAO升高是心力衰竭的危險因素，但一些研究認為TMAO可能對心血管系統(tǒng)有益［46-48］。一項研究顯示，在右心室衰竭的小鼠模型中，長期的TMAO 水平升高可保護線粒體能量代謝和心臟功能，并表明TMAO 在心臟代謝疾病中可能存在保護作用［46］。另一項對高血壓大鼠的實驗發(fā)現，血漿TMAO 的適度增加并不會對心血管系統(tǒng)造成負面影響，并且增加膳食TMAO 攝入能減少壓力超負荷引起的舒張功能障礙［48］。但是目前對于TMAO 與心力衰竭機制的研究仍只是冰山一角，還需要進一步補充和完善病理生理機制，探究更明確的疾病發(fā)生發(fā)展機制，從而找到更有效的治療靶點或診斷和預測工具。