氧化三甲胺與常見慢性疾病相關研究進展

孫功鵬，高月蘭，魏家燕，陳天洪，金潔瑩 綜述，武軍駐 審校

(武漢大學基礎醫學實驗教學中心，湖北武漢 430071)

冠心病、中風和糖尿病等是近年來造成人類死亡的主要原因，而阿爾茲海默病(AD)則被認為是造成老年人癡呆癥發生及死亡的常見原因[1]，因此對心腦血管疾病、糖尿病等慢性非傳染性疾病的預防、診斷、治療及預后評估的研究具有重要的臨床意義。人體腸道系統內存在大量微生物群落，其代謝產物約占人體血液小分子的20%[2]，微生物群落及其代謝產物幾乎對人體所有器官的發育、代謝和功能均產生一定影響，因此腸道菌群與疾病的關系越來越被關注。氧化三甲胺(TMAO)作為人類腸道菌群的重要代謝產物之一，被認為與心腦血管系統疾病、AD、慢性腎病和2型糖尿病等疾病相關[3]，本文主要就TMAO與人體常見慢性疾病發生、發展關系的研究進展作一綜述，以期為臨床治療及科學研究提供參考。

1 人體內TMAO的來源

早期研究發現，TMAO是一種天然存在于海洋魚類中的滲透物，通過改變細胞化學環境來穩定蛋白質的結構，從而削弱尿素對蛋白質的變性作用，以利于細胞在不利環境中存活[4-5]。雞蛋、乳制品、咸水魚及紅肉是人體內的TMAO潛在來源[3]，腸道菌群可借由其專有的三甲胺裂解酶將食物來源的卵磷脂、膽堿和L-肉堿裂解產生三甲胺(TMA),TMA入血經門脈系統進入肝臟后被黃素單加氧酶家族(FMO)氧化形成TMAO，最終由腎臟、汗液和呼吸排出體外[6-7]。人體的TMAO水平個體差異較大，與遺傳、飲食習慣、肝臟FMO3含量、人體腸道菌群類別等因素相關[7],其中FMO3含量起主要的調控作用[6]。不同TMAO水平個體腸道菌群的整體組成無明顯差別，但個別菌屬與TMAO水平有關，普氏菌屬多的腸道菌群要比擬桿菌屬多的腸道菌群生成的TMAO量高[8]，厭氧球菌、梭狀芽孢桿菌、產孢梭菌、埃希氏菌、變形桿菌、馬氏志賀菌等通過調節膽堿消耗和TMA積累也可以影響人體內TMAO的水平[9]。

2 TMAO在心腦血管系統疾病中的作用

2011年，TMAO首次被確認與多種心腦血管系統疾病相關[7]，本部分就TMAO在心腦血管疾病的最新進展作一綜述。

2.1TMAO與動脈粥樣硬化(AS) AS是心肌梗死和腦卒中等多種心腦血管疾病發生、發展的基礎，目前仍是世界范圍內人類死亡的重要原因[10]，其主要特征是內皮功能障礙、炎癥細胞募集和泡沫細胞的形成。WANG等[11]最早證明了TMAO對AS的促進作用。

研究發現，脂質代謝和炎癥主要由TMA/FMO3/TMAO途徑調節，TMAO可通過抑制小鼠膽固醇的逆向轉運,使得肝臟中膽汁酸池縮小，從而導致膽固醇外排受阻并堆積于細胞內，促進AS的形成[12]。清除受體分化抗原36(CD36)的上調可以導致ox-LDL攝入過多而促進AS的發展，而MAPK/JNK通路是CD36攝取ox-LDL的重要介質，GENG等[10]發現TMAO誘導的AS至少部分由CD36/MAPK/JNK途徑介導。

AS也可由血管內膜損傷后長期過度炎癥所致，NOD樣受體蛋白3(NLRP3)炎性體可通過上調白細胞介素(IL)-1β和IL-18導致炎癥和內皮障礙，促進AS的發展進程[13]。TMAO可通過多種途徑激活NLRP3炎性體從而介導血管炎癥。相關研究發現，TMAO可顯著觸發氧化應激并活化ROS-TXNIP-NLRP3途徑從而誘導炎癥和內皮功能障礙[14]。此外,CHEN等[15]研究發現，TMAO可通過SIRT3-SOD2信號通路上調線粒體活性氧水平，線粒體活性氧作為直接激活劑激活NLRP3炎性體而導致AS。該研究初步證明了SIRT3-SOD2是體外和體內介導TMAO誘導的NLRP3炎性體激活和血管炎癥的主要信號通路。

AS后期斑塊出血破裂可導致血栓形成，而血小板高反應性是心血管事件如心肌梗死和腦卒中的危險因素[10]。研究表明，TMAO可作為細胞外信號濃度依賴性地激活肌醇-1,4,5-三磷酸(IP3)，IP3通過刺激血小板內鈣庫釋放Ca2+，從而激活血小板導致血小板高反應性，促進AS后期急性心肌梗死和腦卒中的形成[16-17]。

此外，LI等[18]首次證明TMAO是預測急性冠狀動脈綜合征背景下傳統危險因素和實驗室檢測的近期和長期不良心血管事件的重要預后指標。TMAO有助于急性心肌梗死住院治療的風險分層，其可預測2年內心肌梗死患者的病死率，且優于當前生物標志物。SUZUKI等[19]發現當TMAO與GRACE評分一起用于計算急性心肌梗死6個月預后不良風險時，可在初始分類為較高風險組內再次識別風險較低的患者，表現出作為次要危險分層生物標志物的有效性,這驗證了TMAO作為急性心肌梗死預后指標的重要作用。

2.2TMAO與心力衰竭(HF) 研究發現HF患者血漿TMAO水平高于健康人群[20]。ORGAN等[21]發現與正常小鼠相比，喂食TMAO或膽堿補充飲食的小鼠心臟肥大、左心室射血分數顯著降低、心肌纖維化顯著增強，HF嚴重程度顯著增強，表明TMAO在HF的發生中起顯著作用。SUZUKI等[22]驗證了升高的TMAO水平可以對HF患者的預后不良進行預測。然而，TANG等[23]發現TMAO不能很好地預測慢性收縮性HF的長期臨床結果。TMAO具有急性HF預后評估功能，然而TMAO與慢性HF的預后關系有待進一步的研究。

3 TMAO與AD

DEL RIO等[24]首次證明了TMAO存在于人類腦脊液中。近年來，TMAO被證明與AD的發生發展相關。AD是癡呆癥發病和死亡最常見的原因之一[1]。TMAO和AD具有很強的正相關性[3]。Aβ肽和tau蛋白已被證明與AD的形成有關[25]。內在變形蛋白(IDPs)是一類沒有穩定天然結構的蛋白質，TMAO有利于穩定IDPs的聚合過程[16]。Aβ肽和tau蛋白屬于IDPs，學者推測TMAO可能會加速二者寡聚化結構而促進AD的形成。ZHU等[16]觀察到TMAO可穩定Aβ肽的結構并加快Aβ肽聚集的速度,促進AD的形成。R2/wt肽是一種tau片段，其在體外以與全長tau相似的方式聚集，LEVINE等[26]發現TMAO可以穩定緊湊的R2/wt單體，同時顯著提高R2/wt聚集的速率并穩定緊湊的二聚體結構，而這些聚集體具有典型的tau纖維形態，因此他們認為TMAO可促進AD的形成。

然而在另一項研究中，TMAO卻在AD中起著保護作用。TSENG等[27]發現，TMAO促進磷酸化的tau蛋白與微管結合，克服由磷酸化引起的功能缺陷，從而促進神經微管蛋白的組裝，可見TMAO可能具有保護作用。因此，TMAO在AD的具體作用機制仍需進一步的實驗證據證實。

4 TMAO與慢性腎病(CKD)

JOHNSON等[28]發現CKD患者體內TMAO水平顯著高于非CKD人群，這提示TMAO與CKD相關。小鼠實驗發現CKD小鼠肝臟中編碼生成TMAO的關鍵酶之一的FMO3基因表達量顯著增加，此外他們在體外實驗中發現TMAO能抵消尿素的蛋白變性作用，這表明TMAO可能對CKD患者存在保護作用。但TANG等[29]發現CKD抵抗小鼠體內早期腎損傷敏感指標腎損傷分子-1(KIM-1)與血漿胱抑素C的水平均升高，同時伴有腎纖維化重要調節因子Smad3基因的磷酸化水平升高，這些結果則表明TMAO可能會直接導致進行性腎纖維化和功能障礙。此外，TMAO可影響腎小球的濾過率[3]。GRUPPEN等[30]發現TMAO與任何程度的腎功能損傷患者的全因病死率相關，TANG等[29]則在臨床研究中發現體內高TMAO水平的CKD患者5年的全因病死率比普通CKD患者增加了2.8倍，這表明TMAO可作為腎臟疾病預后評估指標。關于TMAO導致CKD的機制目前尚未研究清楚，研究其機制可能會為CKD的預防、治療及預后的評估提供新的有效的方法。

5 TMAO與肥胖及糖尿病

肥胖常與腸道功能障礙或微生物生態失調相聯系[31]，其是糖尿病的危險因素之一。SCHUGAR等[32]發現腸道微生物驅動的TMA/FMO3/TMAO途徑與肥胖和能量代謝相關；HEIANZA等[33]進一步驗證血漿TMAO水平和TMA/FMO3/TMAO途徑可能有助于調節葡萄糖代謝和胰島素敏感性。KASSELMAN等[34]發現高脂飲食促進革蘭陰性菌菌株增殖而增加脂多糖(LPS)產生；同時，高脂肪微生物組減弱宿主腸緊密連接蛋白(ZO-1)和閉合蛋白基因表達，從而增加腸道通透性，允許LPS吸收進入血液。高水平LPS激活toll樣受體4，從而在脂肪細胞和巨噬細胞中引發炎癥途徑如c-Jun 氨基端激酶和NF-kB的形成，c-Jun氨基端激酶阻礙骨骼肌胰島素信號的傳導而誘導胰島素抵抗和肥胖的發生。BOINI等[35]研究表明TMAO會下調ZO-1基因的表達以改變內皮細胞的滲透性，筆者推斷高脂飲食可能通過上調TMAO而降低腸ZO-1基因的表達來促進胰島素抵抗和肥胖的發生。

最近，SHAN等[36]發現2型糖尿病(T2DM)的發生與TMAO正相關。TMAO通過阻斷肝臟胰島素信號通路并在脂肪組織中引起炎癥而加劇葡萄糖耐量的降低和高血糖癥的發生,誘導IR和T2DM的形成[35]。胰島素主要通過PI3K/Akt途徑調節糖代謝,Akt可激活調節肝糖原的糖原合成酶(GYS2)及肝糖原轉運載體(GLUT2)，促進肝糖原的合成、儲存和轉運[38]；另外，Akt活化會抑制叉頭轉錄因子O1(FOXO1)的活性，進而抑制糖異生中的關鍵調節酶葡萄糖6磷酸酶(G6Pase)和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(PEPCK)[39]。GAO等[40]發現添加TMAO高脂飲食喂養小鼠的胰島素受體底物2(IRS2)，PI3Kr1，Akt2的mRNA水平下降，表明飲食TMAO可能加劇胰島素信號傳導途徑的阻斷；同時GYS2和GLUT2 mRNA表達降低，表明TMAO可能促使肝糖原合成受阻并削弱了肝糖原轉運能力；此外，FOXO1、G6pase和PEPCK的mRNA水平增加，表明TMAO促進糖異生。故膳食TMAO可能通過減弱胰島素信號傳導加劇高脂飲食喂養小鼠的葡萄糖耐量受損。TANG等[37]發現糖尿病患者的空腹血漿TMAO濃度較高，并預示較高的不良心臟事件和死亡風險，因此TMAO可能是T2DM不良預后的重要風險標志物，驗證了TMAO在糖尿病中的作用。

TMAO或可直接或間接通過肥胖來誘導糖尿病的發生。但是也有研究發現，TMAO可通過促進T2DM大鼠的正常蛋白質折疊來抵消內質網應激，這表明TMAO在糖尿病中具有潛在有益作用[41]。因此需進一步研究以確認TMAO與T2DM的關系。

7 展 望

TMAO作為腸道菌群的重要代謝產物，對人體血栓和血小板形成、炎癥、脂質代謝、胰島素抵抗、糖代謝、癌癥的發生發展等方面都有一定的作用，因而影響相關疾病的發生發展。目前除了心血管疾病以外，對其他疾病的研究較少，而且在各項研究中，對TMAO在各個疾病病因學中的作用研究甚少。TMAO有望成為上述疾病早期診斷、療效評價、預后效果的判斷指標，并可能成為相關疾病的治療靶標，進一步對TMAO的作用進行研究可能為相關疾病的診斷和病情監測及臨床治療提供新的思路和方法。