关键词： 氧化三甲胺; 肠道微生物; 心血管疾病; 慢性肾脏疾病; 糖尿病;
肠道微生物在人类健康与疾病中起着重要作用, 肠道微生物的代谢功能被认为是疾病发展的一个促进因素, 其产生的生物活性物质对宿主的生理、病理过程有重要影响。氧化三甲胺 (TMAO) 是肠道微生物重要代谢产物之一, 先由富含磷脂酰胆碱 (PC) 和左旋肉碱的营养素在肠道微生物三甲胺 (TMA) 裂解酶作用下分解为TMA, 后进入肝脏经黄素单氧酶 (FMO) 3氧化而来[1]。TMAO具有重要的生物学功能, 如TMAO可调节渗透压和静水压以维持细胞正常容积[2]。肠道微生物及其代谢产物TMAO已成为当前医学领域的研究热点。本文就TMAO的化学结构性质、生物学特性、来源、代谢及其与心脑血管疾病和其他疾病[慢性肾脏疾病 (CKD) 、糖尿病和癌症等]关系的相关研究进行综述。
1、 TMAO的简介
TMAO是一种小分子有机化合物, 属于胺氧化物类, 化学式为 (CH3) 3NO, 是一种无色针状晶体, 一般以二水合物的形式出现。TMAO 具有很多重要的生物学特性, 在稳定蛋白质结构、渗透调节、抗离子不稳定性、抗水压和理化因素的影响等方面具有重要的生理生化功能[2,3]。TMAO作为一种天然、安全的饲料添加剂, 可促进肌肉组织生长, 广泛使用于鱼、禽等畜牧业养殖, 也是鱼类体内自然存在的内源性物质, 是鱼类新鲜度的生化指标[4]。TMAO不仅是动物体内常见的物质, 还被发现存在于植物和真菌中[5]。同时TMAO也在海洋中广泛存在, 是细菌的重要氮源[6]。在人体中, TMAO是由肠道菌群代谢产物TMA进入肝脏氧化而成, 在摄取PC与左旋肉碱后在血液中浓度增加。多项研究发现[7,8,9], 健康人血浆中TMAO浓度一般在3 mmol/L以内, 肾衰竭患者其血浆浓度常大于40 mmol/L。而大鼠血浆中TMAO浓度小于0.6 mmol/L[10], 小鼠血浆中TMAO浓度小于5 mmol/L[1]。这些变化可能与饮食中胆碱、肉碱、TMA和TMAO的含量及肠道菌群或FMO活性有关。研究发现给大鼠灌注TMAO 2 w, 可使其血浆中TMAO水平从0.6 mmol/L升高到60.0 mmol/L, 但未对大鼠产生明显的毒性作用[10]。目前TMAO在血液以外组织及哺乳动物细胞内的水平没有相关数据, 有待进一步探索。
2 、TMAO的来源和代谢
在人体中, 肠道微生物可以利用富含胆碱或TMA结构的物质, 如PC、左旋肉碱等, 产生TMAO。红肉、鱼、家禽和蛋类含有丰富的PC, PC 是 TMAO 形成的最主要食物来源。除此之外, 胆碱食物来源还包括全麦、大豆和蔬菜, 如花椰菜和卷心菜等[11]。通常食物中胆碱在小肠内被转运吸收, 若小肠中胆碱的浓度超过其转运能力, 胆碱就会到达大肠, 被肠道细菌分解为TMA和二甲胺 (DMA) [12]。TMAO的另一个重要来源是左旋肉碱, 左旋肉碱化学结构类似于胆碱, 含有类似胆碱的TMA结构, 其在红肉 (如猪瘦肉、羊肉、牛肉等) 中含量丰富[13]。肉碱同胆碱类似同样被大肠中的细菌分解为TMA。最后来自胆碱和肉碱的细菌代谢产物TMA吸收进入血液, 在肝脏经FMO3氧化为TMAO。广谱抗生素治疗可降低人类和实验动物血液中TMAO水平, 证实了肠道细菌是血液中TMAO的主要来源[13]。膳食中TMAO和TMA也可能是人类TMAO的重要来源, 海产品中含有丰富的TMAO、TMA和DMA。Lenz等[14]研究发现瑞典人群尿液中TMAO水平明显高于英国, 可能与瑞典人进食海产品较多有关。同样有报道显示[15], 日本人与北美洲相比尿液中TMAO水平明显偏高, 可能是由于高蛋白饮食可能会改变肠道微生物群或影响小肠中胆碱和肉碱的吸收, 最终DMA、TMA和TMAO主要经肾脏通过尿液排泄, 少量经汗腺和呼吸道排出。
3 、TMAO与心血管疾病 (CVD)
CVD的发病率和死亡率在全球一直呈上升趋势。 我国CVD发病形势严峻, 据《中国心血管病报告2016》报道, 我国CVD患病率及死亡率仍处于上升阶段。推算CVD现患病 2.9亿人, 其中脑卒中1 300万人, 冠心病1 100万人, 心力衰竭450万人, 肺源性心脏病500万人, 风湿性心脏病250万人 , 先天性心脏病200万人, 高血压2.7亿人;CVD死亡率居首位, 每 5 例死亡中就有 2 例死于 CVD。CVD负担日渐加重, 已成为重大的公共卫生问题, 防治CVD刻不容缓[16]。如何早期预防和治疗CVD, 寻找药物作用的有效靶点, 开辟新的治疗途径, 成为此领域的研究热点。
CVD的发病机制包括遗传和环境因素。CVD发展的已知环境危险因素是饮食富含脂类、血胆固醇与三酰甘油。然而, 关于第3大类脂质磷脂在动脉粥样硬化性心脏病发病机制中的作用了解甚少。近年来关于肠道菌群与疾病的相关性研究不断涌现, 尤其是肠道菌群代谢产物TMAO在人类健康中的作用也越来越得到人们关注。2011年美国克利夫兰医院和加州大学洛杉矶分校的学者在筛查人血浆中小分子代谢产物时发现[1], 肠道细菌降解卵磷脂后生成的“副产品”可预测哪些人未来可能发生心脏病。进一步的动物试验显示, 肠道微生物在饮食中的脂质转化为TMAO的过程中起重要作用, 而TMAO可促使CVD的动脉斑块形成, 血浆TMAO水平与小鼠动脉粥样斑块负荷呈正相关。可能的机制为:①TMAO可显着上调巨噬细胞表面清道夫受体数量, 促进泡沫细胞的形成[1];②TMAO活化蛋白激酶 (PK) C和磷酸化核因子 (p-NF) -κB上调血管内皮细胞黏附分子 (VCAM) -1表达, 促进单核细胞黏附[17];③TMAO还可抑制胆固醇逆向转运入肝脏, 影响胆固醇和脂蛋白的代谢, 改变肠道、动脉壁、肝脏等多脏器的胆固醇代谢通路, 从而促进动脉粥样斑块的形成[7]。然而, 也有研究发现[18]无症状动脉粥样硬化患者血浆TMAO水平并没有增加, 表明需要更多的研究来评估空腹血液TMAO水平与动脉粥样硬化风险评估的相关性。
越来越多的证据表明, 血浆TMAO浓度升高可能是人类CVD危险增加的新标志物。Tang等[8]对接受选择性冠状动脉造影的4 000多例受试者进行为期3年的随访, 研究发现, 排除传统心血管危险因素 (血脂、C-反应蛋白) 甚至肾功能后, 血浆中高 TMAO水平与3年后主要不良心血管事件 (死亡、心肌梗死和脑卒中) 呈显着相关;观察到血浆TMAO水平在Q25 (上四分位数) 的患者发生主要不良心血管事件的风险是Q75 (下四分位数) 患者的2.5倍。Schiattarella等[19]对MEDLINE、ISI Web of Science和SCOPUS数据库进行搜索, 截止到2017年4月发布的研究, 系统地分析了TMAO血浆水平、全因死亡率 (主要结果) 和主要的心脑血管不良事件 (次要结局) 之间的关联。这项综合分析共包括17项临床研究, 26 167例受试者, 研究人群的平均随访时间为 (4.3±1.5) 年。结果显示:高血浆TMAO水平与全因死亡率[基于1 666例受试者的16项研究, 风险比 (HR) =1.91;95%可信区间 (CI) :1.40～2.61, P<0.000 1, I2=94%]和主要的心脑血管不良事件发生率 (基于13 944例受试者, 6个列队的5项研究, HR=1.67, 95%CI:1.33～2.11, P<0.000 01, I2=46%) 的增加有关。剂量反应荟萃分析显示[19], 血浆TMAO水平每增加10 μmol/ L, 全因死亡率相对危险度 (RR) 增加7.6% (基于7项研究, RR=1.07, 95%CI:1.04～1.11, P<0.000 1) 。在所有检查的亚组和所有受试者群体中, TMAO和死亡率的关系持续存在。这是第一次系统评价和荟萃分析, 证明血浆TMAO水平与心血管危险因素和死亡率升高呈剂量依赖关系。
此外, 来自美国克利夫兰的研究发现[20], TMAO能够直接提高血小板的应答超敏性, 增加血栓形成的风险。其机制可能是TMAO导致细胞内储存钙离子的释放增加, 进而增强刺激依赖性的血小板激活。血小板发挥正常功能对血液凝固和保持循环系统的封闭性具有重要意义。其功能过强则可能导致心血管不良事件及血栓风险增加。 再者, 高血压是临床上不良心血管事件的独立危险因素。血管紧张素 (Ang) Ⅱ是肾素-Ang-醛固酮系统 (RAAS) 的主要效应物质, 作用于AngⅡ受体, 使小动脉平滑肌收缩, 刺激肾上腺皮质球状带分泌醛固酮, 通过交感神经末梢突触前膜的正反馈使去甲肾上腺素分泌增加, 使血压升高。有关动物实验显示, 正常大鼠单独输注TMAO使其血浆水平升高100倍, 对收缩压及舒张压没有影响, 单独输注AngⅡ仅在前5 d收缩压及舒张压显着升高, 而联合输注TMAO和AngⅡ可使收缩压和舒张压升高持续到实验结束 (2 w) [10]。因此, TMAO可延长AngⅡ的升血压效应, 机制可能为TMAO作为一种渗透物加速蛋白质的折叠加工及配体结合[2], 进而影响某些受体及类似AngⅡ的肽类激素的结构从而介导CVD的发生[10]。
血浆TMAO水平越高患CVD的风险越高。如果能够对肠道内微生物进行干预, 降低血浆TMAO水平或可预防动脉硬化, 降低不良CVD的风险。Wang等[21]筛选出一种胆碱类似物3, 3-二甲基丁醇 (DMB) , 用含DMB的食物喂养小鼠, 发现DMB可显着降低小鼠血浆TMAO水平, 抑制动脉斑块形成。其机制为:DMB可抑制肠道微生物TMA裂解酶, 减少TMA的产生从而降低小鼠血浆TMAO水平;DMB能够抑制内源性巨噬细胞的泡沫细胞的形成和载脂蛋白E基因敲除小鼠动脉粥样硬化病变的发展。中国药科大学研究结果显示[22], 中药绞股蓝 (GP) 也可降低大鼠血浆TMAO水平。或可提供一种新疗法, 在保护肠道菌群避免抗生素耐药性的同时还可以靶向作用肠道微生物群落, 有效阻断不良饮食诱导的心脏疾病, 抑制肠道微生物废弃代谢物TMA的产生, 降低血浆TMAO水平, 抑制饮食依赖的动脉粥样硬化的风险, 减少CVD的发生。
4 、TMAO与肾脏疾病
CKD是一个全球性的健康问题。被定义为进行性肾小球、肾小管和间质损伤, 肾脏结构及肾功能障碍。 CKD患者常出现血压升高、促红细胞生成素合成减少、水电解质及酸碱代谢失衡等, 其局部和全身不良后果可能与肠道菌群及其代谢产物有关[23]。肠道菌群组成和结构的变化会产生过量的毒素 (如硫酸吲哚酚, 硫酸对甲酚和TMAO) , 但会减少参与氧化应激、炎症、尿毒症、肾功能恶化相关的抗氧化代谢物, 促进肾脏疾病进展及CKD患者的死亡率[24]。Tang等[25]对521例CKD患者5年随访研究发现, CKD患者血浆TMAO水平均升高, 远期生存率较低, 膳食中增加TMAO可直接促进肾纤维化及功能障碍。动物实验也证实了高胆碱饮食、TMAO 蓄积和肾小管间质纤维化的相关性。研究者将C57BL/6J 大鼠分别喂以正常饮食 (含0.08%胆碱) 、高胆碱饮食 (含1.0%胆碱, 试验组) 和TMAO 饮食 (含0.12%TMAO, 试验组) , 经过6 w, 2个试验组的大鼠血清TMAO 水平均明显升高, 且出现了肾小管间质纤维化、胶原沉积等病理改变和Smad3 的磷酸化 (肾脏纤维化的重要信号转导通路之一) , 同时还出现了肾损伤分子 (KIM) -1的升高。继续喂养胆碱和TMAO 至第16周, 则出现了胱抑素C 的明显升高。可见, 过多地摄入富含胆碱的食物会导致血清TMAO 水平升高, 进一步损伤肾脏。研究发现[9]TMA和TMAO的累积增加是终末期肾病患者的特征, 可能是由于低肾小球滤过率和低TMAO血浆清除率引起的。 然而, 增加的血浆和尿TMAO水平也可能是由于肾缺血损伤而从肾髓质中释放TMAO的结果[26,27]。因此, TMAO或许可作为预测CKD患者进展及预后的危险因子。
5、 TMAO与糖尿病、胰岛素抵抗
研究发现[28], 无菌小鼠即使给予高脂饮食, 与传统小鼠比较其体重仍然减轻, 推测肠道微生物可能与肥胖及胰岛素抵抗有关。此外, 高脂饮食的无菌小鼠很少发生葡萄糖耐量降低和胰岛素抵抗[29,30], 同时, 在无菌小鼠的研究中发现[31,32], 肥胖可通过微生物组织移植传播, 该机制被认为是肥胖相关微生物可通过产生短链脂肪酸增加能量收获效率。研究发现[33,34,35], 糖尿病患者与健康对照组相比具有更高的血浆TMAO和甜菜碱水平。然而, 甜菜碱可能不会直接转化为TMAO, 在TMAO水平不高时甜菜碱并没有表现出任何有害的不良后果[36]。 高血浆TMAO水平可能影响糖代谢, 与糖尿病相关[37,38]。研究发现[34]糖尿病患者与无糖尿病个体比较, 血浆TMAO浓度显着升高。另一方面, 用二甲双胍治疗的糖尿病患者与未经治疗的个体相比, 其葡萄糖降低但血浆TMAO升高[39]。其他研究表明[40], 由于血浆TMAO浓度的高度变异性, 在肥胖糖尿病患者中TMAO测量的诊断价值低。
动物模型也表明[41], 具有选择性肝胰岛素抵抗的小鼠[肝胰岛素受体敲除 (LIRKO) 小鼠], 其肝中FMO3上调, 血浆TMAO水平升高;餐后胰岛素可以刺激胰岛β细胞叉头转录因子 (FoxO) 1调控胰高血糖素, 抑制肝脏中FMO3的表达。同时, 膳食中补充TMAO可加重高脂饮食小鼠的糖耐量降低[37]。此外, 在低密度脂蛋白受体敲除背景下的糖尿病LIRKO小鼠模型中[42], 基于反义寡核苷酸抑制FMO3降低TMAO水平, 可抑制该模型高血糖、高胆固醇血症和动脉粥样硬化的发生;但给反义寡核苷酸诱导FMO3抑制的小鼠膳食中补充TMAO, 对肝脏脂质代谢或炎症没有明显效果。
这些具有里程碑意义的观察确定了肠道微生物群与糖尿病及胰岛素抵抗之间的联系。肠道微生物群产生的代谢物 (如TMA、TMAO) 是否可以直接调节肥胖和胰岛素抵抗的代谢通路仍有待探讨。
6、 TMAO与其他疾病
随着对TMAO相关研究的增加, 发现TMAO除与CVD、肾脏疾病、糖尿病有关外, 还与多种疾病具有相关性。研究发现[18], 脑卒中和短暂性脑缺血发作 (TIA) 患者的血浆TMAO水平较低, 推测脑卒中或其治疗会降低血浆TMAO水平。另外, 研究显示[43]TMAO和阿尔茨海默病具有很强的正相关性。临床资料表明[44], 血浆TMAO水平与结直肠癌呈正相关。实验研究提出[45], 尿TMAO可用作胃癌发生的预测因子。相反, 少数研究表明[46,47], TMAO可纠正突变型蛋白折叠缺陷, 并在癌变过程中具有保护作用。因此, TMAO对癌症的作用有待进一步研究。此外, 一些研究显示, TMAO可引起肝脏氧化损伤[48], 还可作为社区获得性肺炎不良预后的因素[49]。同时又与炎症性肠病、溃疡性结肠炎、慢性胃炎、胃溃疡有一定相关性[50,51]。
7、 结论与展望
肠道中数以万亿计的微生物构成机体一个“隐形器官”参与宿主的全身代谢。肠道微生物的代谢产物TMAO参与了心脑血管疾病、CKD、糖尿病、癌症、肝损伤和肠炎等多种疾病的发生、发展过程, 已经成为各个疾病领域的研究热点。血浆TMAO不仅是独立于传统危险因素外的CVD生物标志物, 其本身可能直接增加不良心血管事件的风险, 还建立了肠道与肾脏疾病之间的联系, 为“肠-肾轴”理论补充了重要的依据。同时TMAO可能影响糖代谢或是消化道恶性肿瘤的预测因子, 但也有研究表明其对癌变具有保护作用[46,47]。肠道微生物代谢产物TMAO可能成为多种疾病研究的新窗口。TMAO与疾病的关系仍有许多不明了之处, 还需进一步研究。
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