TMAO與“腎-腸軸”的關(guān)系研究進(jìn)展

謝詩(shī)琴,鄧 娜,譚周進(jìn)

(湖南中醫(yī)藥大學(xué),湖南 長(zhǎng)沙 410208)

氧化三甲胺(trimethylamine-N-oxide, TMAO)是由腸道菌群對(duì)膳食化合物膽堿、肉堿與甜菜堿進(jìn)行轉(zhuǎn)化而來(lái)。隨著現(xiàn)代人生活水平的提高,高脂飲食增加了TMAO的產(chǎn)生,腸道菌群作為一個(gè)橋梁,經(jīng)其代謝產(chǎn)生的TMAO能對(duì)人體產(chǎn)生有害影響。本文主要從腸道菌群在TMAO產(chǎn)生過(guò)程中所發(fā)揮的作用、TMAO對(duì)腸道菌群的影響、腸道菌群通過(guò)TMAO影響腎臟和腸道在“腎-腸軸”中的作用,以及從“腎-腸軸”出發(fā)探討TMAO與腎腸和腹瀉之間的關(guān)系進(jìn)行綜述。

1 腸道菌群對(duì)TMAO形成的影響

1.1 腸道菌群是TMAO形成過(guò)程中的關(guān)鍵 腸道菌群是生活在人體腸道(GI)內(nèi)的正常微生物的集合[1],如雙歧桿菌和乳酸桿菌等,可以合成人體生長(zhǎng)發(fā)育所必需的多種維生素,是生態(tài)系統(tǒng)中最重要的活躍部分。腸道菌群被認(rèn)為是人體最大的內(nèi)分泌器官,經(jīng)其分泌的代謝物可以被人體宿主的專(zhuān)用受體系統(tǒng)感知[2],其代謝產(chǎn)物和信號(hào)分子的產(chǎn)生,可以影響相應(yīng)器官的功能[3]。當(dāng)腸道菌群生態(tài)系統(tǒng)平衡時(shí),腸道菌群則發(fā)揮著維持人體的免疫穩(wěn)態(tài)和代謝功能的作用[1],若腸道菌群生態(tài)失調(diào),可導(dǎo)致相應(yīng)的不良表征[4]。TMAO是一種低分子量化合物,一般認(rèn)為由膽堿、肉堿和甜菜堿經(jīng)結(jié)腸內(nèi)的腸道菌群代謝而來(lái),主要由腎清除[5],部分通過(guò)腎小管細(xì)胞分泌排出,可通過(guò)血液透析有效祛除。富含磷脂酰膽堿(phosphatidyl choline, PC)的膳食是TMAO的主要來(lái)源,如:雞蛋、肉類(lèi)、肝臟、魚(yú)等[6-7],PC隨后在磷脂酶D酶的作用下轉(zhuǎn)化為膽堿,再被腸道菌群中的三甲胺裂解酶代謝生成三甲胺(trimethylamine, TMA)[8]。甜菜堿和肉堿亦能轉(zhuǎn)換為T(mén)MAO。甜菜堿主要存在于蔬菜中,通過(guò)甜菜堿還原酶在偶聯(lián)還原-氧化反應(yīng)中還原為T(mén)MA。左旋肉堿主要來(lái)源于紅肉,可通過(guò)左旋肉堿氧化還原酶轉(zhuǎn)化為T(mén)MA,亦可分別通過(guò)左旋肉堿脫氫酶和肉堿輔酶A轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)化為甜菜堿和γ-丁基甜菜堿(γ-BB)兩種前體[9]。TMA被人體有效吸收入血后通過(guò)循環(huán)轉(zhuǎn)移到肝臟,然后快速地被肝臟黃素單加氧酶(hepatic flavin monooxygenase, FMO)家族酶,如FMO1、FMO3,氧化催化成TMAO[10],最終經(jīng)腎隨尿液有效排出,見(jiàn)圖1。

圖1 TMAO的形成機(jī)制

1.2 TMAO是腸道菌群代謝的有害產(chǎn)物 TMA是一種高度揮發(fā)性的叔胺,有腐爛魚(yú)的惡臭氣味,被FMO氧化后生成無(wú)味的TMAO[11]。該氧化功能異?；騀MO缺陷,會(huì)導(dǎo)致三甲胺尿癥(trimethylaminuria, TMAU),又名“魚(yú)臭綜合征”,患者通過(guò)呼吸、汗、尿以及其他身體分泌物排出高水平的TMA,惡臭難聞[12]。經(jīng)培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)厚壁菌門(mén)、變形桿菌門(mén)和放線菌門(mén)參與TMA的生產(chǎn),氫厭氧球菌、天冬梭菌與梭狀芽孢桿菌均參與生成TMA[13-15]。高脂肪飲食損傷結(jié)腸上皮線粒體的生物能量,增加氧氣和硝酸鹽的腔內(nèi)生物利用度,從而加劇大腸埃希菌的呼吸依賴(lài)性膽堿分解代謝,提高TMAO水平[16]。

TMAO濃度亦與腸道菌群的組成密切相關(guān)。TMAO與普雷沃特氏菌、光岡菌、梭桿菌、脫硫弧菌、產(chǎn)甲烷菌等13個(gè)屬的豐度有關(guān)[17]。最近一項(xiàng)研究[18]量化并表征了編碼負(fù)責(zé)TMA產(chǎn)生酶的細(xì)菌基因,包括膽堿-TMA裂解酶(CutC),肉堿加氧酶(CntA)和甜菜堿還原酶(GrdH),其中攜帶CutC和GrdH的細(xì)菌主要隸屬于厚壁菌中的各種分類(lèi)群,而CntA由主要與埃希菌相關(guān)的序列組成。Li等[19]在多變量分類(lèi)群范圍的關(guān)聯(lián)分析中確定了10種細(xì)菌物種,發(fā)現(xiàn)其豐度與血漿TMAO濃度顯著相關(guān),一些功能特征,包括膽堿三甲胺裂解酶激活酶,亦與TMAO濃度相關(guān)。同時(shí),失衡的TMAO亦能對(duì)腸道菌群產(chǎn)生一定的影響,經(jīng)膽堿飼料喂養(yǎng)的小鼠血漿TMAO水平升高顯著,對(duì)糞便進(jìn)行16S rDNA分析后發(fā)現(xiàn)其雖對(duì)菌群的多樣性和組成結(jié)構(gòu)影響不顯著,但在屬水平上,與對(duì)照組相比,膽堿組顯著提高ruminococcaceae UCG-013的相對(duì)豐度,顯著降低parasutterella的相對(duì)豐度[20]。Zhang等[21]通過(guò)16S rRNA基因測(cè)序分析人類(lèi)供體糞便標(biāo)本和所有無(wú)菌小鼠受體的盲腸內(nèi)容物中的微生物群落擴(kuò)增子序列變異(amplicon sequence variant, ASV)結(jié)構(gòu),進(jìn)行差異豐度分析后發(fā)現(xiàn)盲腸細(xì)菌類(lèi)群(即ASV)的豐度與血漿TMAO水平密切相關(guān)。高循環(huán)水平的TMAO與動(dòng)脈粥樣硬化(atherosclerosis, AS)[22]、代謝綜合征(metabolic syndrome, MS)[23]、2型糖尿病(type 2 diabetes, T2B)[24]、肥胖[25]、移植物抗宿主病(graft-versus-host disease, GVHD)[26]等疾病密切相關(guān),且TMAO可能是心血管疾病(cardiovascular disease, CVD)、慢性腎臟病(chronic kidney disease, CKD)的預(yù)后標(biāo)志物已經(jīng)得到較為廣泛的認(rèn)可。

2 TMAO對(duì)腎的影響

2.1 TMAO對(duì)腎功能的影響 TMAO是一種含氮化合物,是源自微生物代謝的尿毒癥毒素的原型。TMAO水平升高與腎小管間質(zhì)纖維化、膠原沉積的相應(yīng)增加以及Smad3(TGF-β信號(hào)傳導(dǎo)的關(guān)鍵介質(zhì),介導(dǎo)腎炎癥和纖維化)的磷酸化有關(guān)[27],通過(guò)激活p38/MAPK信號(hào)傳導(dǎo)和上調(diào)HuR來(lái)加重腎損傷[28]。Kapetanaki等[29]發(fā)現(xiàn)TMAO通過(guò)PERK/Akt/mTOR途徑,NLRP3和半胱天冬酶-1信號(hào)傳導(dǎo)促進(jìn)腎成纖維細(xì)胞的活化、增殖并增加膠原蛋白的產(chǎn)生。TMAO水平隨著腎功能下降而升高,CKD是最常見(jiàn)的腎臟疾病,其特征是隨著時(shí)間的推移,器官功能逐漸喪失,損傷從血液中過(guò)濾代謝廢物的能力,使得TMAO水平升高。高循環(huán)的TMAO濃度與腎功能損傷之間呈正相關(guān),能夠促進(jìn)腎臟的不良病理變化,如腎纖維化、腎小管功能喪失和腎小球?yàn)V過(guò)率(glomerular filtration rate, eGFR)降低等[30-31]。且CKD患者越是晚期,血清TMAO水平越高,eGFR越低[32],從而加劇TMAO累積,形成惡性循環(huán)。eGFR是腎功能的重要指標(biāo),用于CKD的診斷和CKD進(jìn)展的評(píng)估,eGFR的常見(jiàn)生物標(biāo)志物是胱抑素C和肌酐,Tang等[33]發(fā)現(xiàn),無(wú)論是在胱抑素C水平高還是低的CKD受試者中,較高水平的TMAO預(yù)示著較差的生存率。Castillo-Rodriguez等[34]發(fā)現(xiàn)在腎功能正常的受試者中,TMAO與病死率無(wú)關(guān),但TMAO與病死率的關(guān)聯(lián)被腎功能改變,使得TMAO與病死率的關(guān)聯(lián)在eGFR較低的受試者中更強(qiáng)。臨床研究[35]發(fā)現(xiàn),透析患者的血漿TMAO水平比正常受試者高出約40倍,且TMAO水平達(dá)到正常的倍數(shù)遠(yuǎn)大于尿素的水平,若透析處方基于尿素,容易導(dǎo)致TMAO累積到正常值的更高倍數(shù)。CKD可被視為一種代謝障礙,反映了代謝產(chǎn)物和信號(hào)分子在器官之間流動(dòng)的中斷,并伴有免疫系統(tǒng)的過(guò)度激活。

2.2 TMAO通過(guò)炎癥機(jī)制促進(jìn)腎功能損傷 炎癥的生物標(biāo)志物與腎功能測(cè)量呈負(fù)相關(guān),與蛋白尿呈正相關(guān),在慢性腎功能不全隊(duì)列中,細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-1β、白細(xì)胞介素-1受體拮抗劑、白細(xì)胞介素-6、腫瘤壞死因子-α以及高敏感性C反應(yīng)蛋白和纖維蛋白原的血漿水平在eGFR水平降低的受試者中較高[36]。

TMAO水平與炎癥相關(guān),TMAO誘導(dǎo)低度炎癥的機(jī)制之一是激活非典型核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NF-κB)信號(hào)通路。NF-κB通路通常被認(rèn)為是一種典型的促炎信號(hào)通路,是調(diào)節(jié)炎癥免疫細(xì)胞活化、分化和效應(yīng)功能的重要介質(zhì)[37],Zeisel等[38]發(fā)現(xiàn)TMAO可以激活絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)和NF-κB信號(hào)通路,從而導(dǎo)致主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞中促炎因子(包括促炎細(xì)胞因子,黏附分子和趨化因子)的表達(dá)增加。同時(shí)高循環(huán)水平的TMAO下調(diào)了外周組織和中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)中的抗炎介質(zhì)RGS10,這可能會(huì)增加炎癥誘導(dǎo)的NF-kB活性的敏感性與炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生[39]。研究[38]表明非典型NF-κB通路與IgA腎病(immunoglobin A nephropathy, IgAN)的發(fā)病機(jī)制有關(guān),IgAN是原發(fā)性腎小球腎炎的主要原因,其特征是糖基化IgA的異常產(chǎn)生和腎小球中IgA免疫復(fù)合物的沉積[40],NF-κB信號(hào)通路的激活能夠?qū)е麦w內(nèi)腎小球硬化和蛋白尿[41]、損傷足細(xì)胞(腎小囊臟層上皮細(xì)胞,podocyte)[42],在受傷足細(xì)胞中檢測(cè)到白細(xì)胞介素-1、白細(xì)胞介素-4和腫瘤壞死因子-α增多,支持NF-κB激活在人腎小球疾病中的直接作用[43]。

TMAO發(fā)揮促炎作用的另一種方式是激活炎癥小體[44]。TMAO能夠通過(guò)SIRT3-SOD3-mtROS信號(hào)通路激活NLRP2炎癥小體[45],線粒體ROS(mtROS)通過(guò)破壞線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(TFAM)介導(dǎo)的線粒體DNA(mtDNA)維持來(lái)促進(jìn)缺血性急性腎損傷中的線粒體功能障礙和炎癥。不僅如此,TMAO能顯著抑制ATG16L1、LC3-II和p62的表達(dá),并以劑量和時(shí)間依賴(lài)性的方式觸發(fā)激活的NLRP3炎癥小體和細(xì)胞內(nèi)活性氧(ROS)的產(chǎn)生[46]。Saaoud等[47]發(fā)現(xiàn)TMAO上調(diào)基因?qū)T誘導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組重塑和CKD/UT誘導(dǎo)的腎組織轉(zhuǎn)錄組重塑有顯著貢獻(xiàn)。

3 TMAO對(duì)腸道的影響

腸道屏障系統(tǒng)由具備一定厚度的黏液層、腸上皮細(xì)胞(intestinal epithelial cell, IEC)、緊密連接(tight junction, TJ)、免疫細(xì)胞和腸道微生物群組成[48],按照其結(jié)構(gòu)和功能可具體分為黏膜上皮屏障(機(jī)械屏障)、免疫屏障、化學(xué)屏障和微生物屏障,能夠選擇性地吸收水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、阻止腸道細(xì)菌異位,以及發(fā)揮腸道免疫功能,在維持腸道屏障完整性和功能方面起著重要作用。TJ能夠選擇性地限制小分子、水和離子的擴(kuò)散,以保持黏膜上皮屏障完整性,對(duì)于保護(hù)身體免受感染和炎癥起著至關(guān)重要的作用[49]。當(dāng)腸道屏障的通透性被破壞時(shí),則會(huì)導(dǎo)致腔內(nèi)有害分子的滲透,引起黏膜免疫激活和炎癥,從而促進(jìn)腸道和全身疾病的發(fā)展[50-51]。

高脂飲食能夠提高TMAO的循環(huán)水平、引發(fā)炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激[52]。研究[16]發(fā)現(xiàn),高脂飲食在無(wú)菌小鼠中引發(fā)以結(jié)腸長(zhǎng)度縮短、上皮化生、結(jié)腸上皮中有絲分裂數(shù)量增加,以及杯狀細(xì)胞數(shù)量減少為特征的小鼠黏膜反應(yīng)。免疫激活有助于黏膜屏障的破壞,促炎細(xì)胞因子的釋放是腸道屏障衰竭的主要原因,一些促炎細(xì)胞因子如:腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素-4、白細(xì)胞介素-12和白細(xì)胞介素-1b能夠增加TJ通透性。TMAO可能通過(guò)影響自噬體基因ATG16L1誘導(dǎo)的自噬和激活NLRP3炎癥小體參與炎癥性腸病(inflammatory bowel disease, IBD)發(fā)病機(jī)制[46]。腸道上皮屏障能夠有效地防止脂多糖(LPS)吸收,被破壞后使得LPS突破腸道上皮屏障進(jìn)入血液循環(huán),導(dǎo)致LPS的血液循環(huán)水平升高[53],經(jīng)研究LPS能夠通過(guò)激活FAK-MyD4-IRAK88信號(hào)通路的Toll樣受體4(TLR4)依賴(lài)性增加腸道TJ通透性并誘發(fā)腸道炎癥[14]。試驗(yàn)表明,急性缺氧暴露的大鼠腸道組織中TLR4和NF-κB表達(dá)增加,經(jīng)吡咯烷二硫代氨基甲酸(PDTC)治療逆轉(zhuǎn)上調(diào)的TLR4和NF-κB后,能夠減輕腸道屏障功能損傷和細(xì)菌異位[54]。同時(shí)IBD患者腸黏膜組織中單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4(MCT4)的表達(dá)顯著增加[55],且研究[56]表明MCT4增強(qiáng)NF-κB-CBP的相互作用,溶解CREB-CBP復(fù)合物,降低cAMP應(yīng)答元件結(jié)合蛋白(cAMP response element binding protein, CREB)活性和CREB介導(dǎo)的ZO-1表達(dá),從而促進(jìn)NF-κB p65的核異位,增加NF-κB p65與IL-6啟動(dòng)子的結(jié)合與促炎癥因子的表達(dá),進(jìn)一步破壞腸上皮屏障功能?？傊?TMAO能夠通過(guò)促進(jìn)炎癥反應(yīng),破壞腸道屏障并增加其通透性,從而使腸內(nèi)細(xì)菌異位,進(jìn)入血液循環(huán),對(duì)機(jī)體造成有害影響。

4 TMAO在腎腸功能影響中的作用

4.1 腸道生態(tài)失調(diào)與腎功能受損 Podolsky等[57]首次把腸道生態(tài)失調(diào)定義為腸道微生物群落不平衡,腸道微生物群的組成和代謝活動(dòng)發(fā)生定量和定性變化?！澳I-腸軸”在CKD中是腸道生態(tài)失調(diào)與腎功能損傷之間的雙向作用:攝入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)后,氨基酸分解代謝最終產(chǎn)物氨通過(guò)肝臟代謝轉(zhuǎn)化為尿素并釋放到循環(huán)中,若腎功能受損則會(huì)將主要的排泄部位由腎臟轉(zhuǎn)到結(jié)腸,結(jié)腸中尿素的持續(xù)存在使產(chǎn)生尿素酶的細(xì)菌增殖,導(dǎo)致腸道生態(tài)失調(diào),在CKD發(fā)展過(guò)程中產(chǎn)生炎癥、內(nèi)分泌和神經(jīng)通路的不良影響,見(jiàn)圖2。研究[58]發(fā)現(xiàn)抑制NLRP3炎癥小體可以對(duì)抗TMAO誘導(dǎo)的骨髓來(lái)源巨噬細(xì)胞中的M1極化,減少M(fèi)2巨噬細(xì)胞,故而可以通過(guò)腸腎軸靶向巨噬細(xì)胞表型的藥理學(xué)治療腎纖維化,同時(shí)NNLRP3炎癥小體亦是葡聚糖硫酸鈉結(jié)腸炎模型中腸道炎癥的關(guān)鍵機(jī)制[59]。腹膜透析是終末期腎病的腎替代療法,通過(guò)腹膜透析患者的“腎-腸軸”研究發(fā)現(xiàn)其α多樣性較低,腸道微生物群組成發(fā)生改變;在屬水平上,致病菌豐度增加,有益菌豐度降低,其中無(wú)尿患者血清TMAO水平顯著升高[60]。腎清除率不足會(huì)導(dǎo)致腸道菌群代謝產(chǎn)生的尿毒癥毒素(如IS、PCS和TMA)的累積[61-62],尿毒癥毒素的累積可導(dǎo)致CKD動(dòng)物腸道黏膜中的緊密連接蛋白明顯減少并破壞結(jié)腸上皮TJ,導(dǎo)致腸道屏障功能受損[63]。

圖2 TMAO通過(guò)“腎-腸軸”導(dǎo)致腸道生態(tài)失調(diào)和腎功能損傷

4.2 泄瀉 腹瀉與腸道菌群的變化有關(guān),腸道菌群通過(guò)TMAO影響“腎-腸軸”傳遞炎癥反應(yīng)與氧化應(yīng)激影響泄瀉。平衡的腸道菌群能夠抵抗腹瀉病原體的定植,對(duì)腹瀉感染具有重要的保護(hù)作用[64]。TMAO能夠引起炎癥反應(yīng),炎癥相關(guān)分子可通過(guò)“腎-腸軸”傳遞調(diào)控炎癥反應(yīng)引起泄瀉[65]。腸易激綜合征(irritable bowel syndrome, IBS)是一種功能性腸道疾病,以慢性或復(fù)發(fā)性腹痛為特征,伴排便緩解或加重或排便習(xí)慣改變[66]。IBS的發(fā)病機(jī)制與內(nèi)臟超敏反應(yīng)、GI蠕動(dòng)、腸道通透性改變、免疫調(diào)節(jié)、腸道菌群改變和“腦-腎-腸軸”功能障礙有關(guān),可進(jìn)一步分為4種亞型,包括腹瀉型IBS(IBS-D)、便秘型IBS(IBS-C)、混合型IBS(IBS-M)以及未分類(lèi)的亞型[67]。研究[68]發(fā)現(xiàn),接受IBS-D糞便微生物群的小鼠表現(xiàn)出更快的胃腸道運(yùn)輸、腸道屏障功能障礙、先天免疫激活以及焦慮樣行為,表明腸道菌群可能有助于IBS-D的腸道和行為表現(xiàn)。氧化應(yīng)激相關(guān)分子通過(guò)“腎-腸軸”傳遞參與機(jī)體氧化應(yīng)激過(guò)程影響泄瀉。ROS在體內(nèi)少量產(chǎn)生,參與細(xì)胞調(diào)節(jié)、穩(wěn)態(tài)維持、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因表達(dá)和受體激活等功能,若ROS產(chǎn)生過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙,如能量代謝喪失、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)中斷、免疫激活和炎癥。研究[47]發(fā)現(xiàn),TMAO-ER應(yīng)激介質(zhì)PERK通路能上調(diào)線粒體調(diào)節(jié)因子PLIN4、OMA1和OGDHL,并下調(diào)DARS2的表達(dá),誘導(dǎo)線粒體ROS生成和線粒體應(yīng)激。過(guò)氧化麥角甾醇可以通過(guò)干擾豬流行性腹瀉病毒(porcine epidemic diarrhoea virus, PEDV)誘導(dǎo)的ROS產(chǎn)生和p53激活來(lái)抑制細(xì)胞凋亡,阻止PEDV內(nèi)化、復(fù)制和釋放[69]。

5 總結(jié)與展望

綜上所述,TMAO是由腸道菌群代謝膽堿、肉堿與甜菜堿等膳食底物后經(jīng)FMOs氧化產(chǎn)生的有害代謝產(chǎn)物,失衡的TMAO能對(duì)腸道菌群產(chǎn)生一定的影響。腸道菌群通過(guò)TMAO影響腸道及腎在“腎-腸軸”中的作用,主要通過(guò)激發(fā)炎癥反應(yīng)導(dǎo)致腎功能損傷,誘發(fā)腎纖維化、腎小管功能喪失和腎小球?yàn)V過(guò)率降低等不良病理變化;且TMAO能夠增加腸道通透性,造成腸道屏障破壞和細(xì)菌異位。同時(shí)通過(guò)“腎-腸軸”理論討論了TMAO通過(guò)“腎-腸軸”激發(fā)炎癥反應(yīng)與氧化應(yīng)激參與腹瀉的發(fā)生發(fā)展。現(xiàn)代人的高脂飲食使腸道菌群產(chǎn)生了更多的TMAO,雖然TMAO誘導(dǎo)疾病損傷的機(jī)制目前已有較多研究,但確切且直接的治病機(jī)制尚未完全明晰,因此無(wú)法做到準(zhǔn)確的靶向治療。通過(guò)本綜述對(duì)相關(guān)致病機(jī)制的闡述,希望能為未來(lái)的相關(guān)治療提供一些思路和方向。

利益沖突:所有作者均聲明不存在利益沖突。