腸道菌群代謝產物TMAO與冠狀動脈粥樣硬化性心臟病關系的研究進展

蘇廣勝，王少君，龐文躍

中國醫科大學附屬盛京醫院，沈陽110004

2017年全球疾病負擔國際合作研究報道，冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(簡稱冠心病)是全球第一大死亡原因，多發生于中老年人群，男性多于女性，以腦力勞動者居多。近年來，隨著我國居民生活水平提高和人口老齡化加劇，冠心病的發病率呈明顯上升趨勢[1]。目前，已經形成了許多較為完善且有效的冠心病治療方案。但China PEACE研究顯示，2001—2011年急性心肌梗死患者住院率仍呈逐年上升趨勢；同時有研究報道，大部分冠心病患者因急性心肌梗死于院外死亡，即使院內醫療水平進一步提升并降低住院患者的病死率，其對冠心病總體病死率的影響仍然有限。因此，早預防、早診斷、早治療成為冠心病防治的重中之重。然而，即使在已證實的冠心病危險因素得到控制后，急性心血管事件的殘余風險依然存在[2]。除了傳統的冠心病危險因素外，近年國內外學者發現，腸道菌群尤其是其代謝產物氧化三甲胺(TMAO)可能與冠心病的發生、發展有關[3-4]，有可能為冠心病的防治提供新的方向[5]。本文結合文獻就腸道菌群代謝產物TMAO與冠心病的關系作一綜述。

1 腸道菌群及其代謝產物TMAO

人腸道內存在很多細菌，腸道內定植的細菌總數達到100萬億個，是人體細胞總數的10倍。人腸道內菌群種類有1 000余種，主要有厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門、變形菌門、梭桿菌門等。這些細菌構成了腸道微生態系統，能夠參與人體多項生理活動，如促進食物消化、營養物質吸收，還可影響機體免疫功能和代謝狀態。WU等[6]研究表明，特定的共生細菌種類構成可以抑制特定免疫細胞聚集，如Foxp3陽性調節性T細胞；TURNBAUGH等[7]研究發現，腸道菌群可影響機體從食物中吸收能量的效率，將肥胖小鼠糞便中的細菌移植到無菌小鼠腸道后發現，無菌小鼠出現了肥胖傾向，表明腸道菌群構成變化可能是導致某些疾病發生的原因。腸道菌群作為近年來的研究熱點，已被證實與多種疾病的發生有關。如GARCIA-RIOS等[8]報道腸道菌群失調可能是誘發心血管疾病的原因之一。

腸道菌群失調可導致其代謝產物水平變化。TMAO是腸道菌群代謝產物之一，是一種小分子無色氧化胺。TMAO的生成對腸道菌群具有依賴性。研究表明，經口進食含膽堿、甜菜堿或肉毒堿的食物，腸道菌群分解代謝膽堿、甜菜堿或肉毒堿能夠產生三甲胺(TMA)，TMA吸收入血后經肝臟黃素單氧化酶3(FMO3)代謝生成TMAO[9-11]。腸道菌群構成、進食食物種類、年齡等能夠影響TMAO產生。WU等[12]研究發現，小鼠腸道菌群構成經抗生素改變后，可導致小鼠糞便中TMAO含量顯著增加；KOETH等[10]研究報道，長期進食紅肉可改變腸道菌群構成，同時可增加TMAO產量。血漿TMAO水平不僅受腸道菌群構成和進食食物種類的影響，近年研究發現，血漿TMAO水平還可隨著年齡增長而逐漸升高[13-14]。

2 TMAO與冠心病的關系

2.1 TMAO與動脈粥樣硬化的關系 動脈粥樣硬化是一種常見的動脈疾病，是導致心腦血管疾病的主要原因。目前認為，動脈粥樣硬化是多種危險因素共同作用所致的，如高血壓、糖尿病、高脂血癥、吸煙等。近年研究發現，除了上述危險因素外，血漿TMAO水平升高與動脈粥樣硬化的發生、發展密切相關。WANG等[15]研究發現，血漿TMAO水平升高能夠促進小鼠動脈粥樣硬化的發生、發展，進一步研究發現在載脂蛋白ApoE基因敲除的小鼠模型中，血漿TMAO水平升高與動脈粥樣硬化斑塊負荷增加呈正相關關系。

冠心病是冠狀動脈血管發生動脈粥樣硬化病變造成心肌缺血、缺氧或壞死而導致的一種心臟病。因此，血漿TMAO水平升高與冠心病的發生、發展有關，血漿TMAO水平與冠狀動脈粥樣硬化斑塊負荷存在明顯的量效關系。熊筱偉等[16]研究亦證實，血漿TMAO水平與冠心病的發生密切相關，是冠心病的獨立危險因素。血漿TMAO水平升高是引起冠心病的原因之一，在臨床研究中亦有報道。JIE等[17]在一項宏基因組關聯分析中，納入了218例冠心病患者和187例健康志愿者，結果發現冠心病患者腸道菌群參與TMA合成的菌群豐度明顯增加，血漿TMAO水平明顯升高。在一項為期3年的臨床研究中亦發現，主要不良心血管事件的發生率升高與血漿TMAO水平升高密切相關，血漿TMAO水平升高提示主要不良心血管事件的發生風險增加[9]。因此，人體內腸道菌群代謝產物TMAO水平升高與冠心病的發生、發展密切相關。

2.2 TMAO導致動脈粥樣硬化的機制 目前認為，TMAO能夠通過上調巨噬細胞清道夫受體表達、增加細胞熱休克蛋白(HSPs)和促炎癥細胞因子表達以及提高血漿膽固醇水平等促進動脈粥樣硬化形成，從而參與冠心病的發生、發展。

2.2.1 上調巨噬細胞清道夫受體表達 巨噬細胞通過清道夫受體吞噬氧化型低密度脂蛋白轉變為泡沫細胞，從而形成最早的粥樣硬化病變脂質條紋。機體TMAO水平升高可使巨噬細胞與動脈粥樣硬化相關的清道夫受體CD36、SR-A1表達上調，從而加強了其對氧化型低密度脂蛋白的吞噬，促進了泡沫細胞形成和動脈粥樣硬化發生[15]。

2.2.2 增加細胞HSPs表達 HSPs是一類遺傳上高度保守的蛋白，在原核生物和真核生物中普遍存在。HSPs根據同源程度和相對分子質量大小分為HSP10、HSP40、HSP60、HSP70、HSP90和HSP110。HSPs是細胞內重要的伴侶蛋白，能夠介導新合成的或可逆變性的蛋白質正確折疊、裝配、轉運等，從而發揮細胞保護功能。另外，HSPs被分泌到細胞外可作為免疫調節劑，引起細胞因子產生或通過受體介導的相互作用將信號傳遞給其他細胞。有研究表明，導致動脈粥樣硬化的危險因素，如高血壓，可刺激巨噬細胞、平滑肌細胞和內皮細胞中HSPs表達增加并釋放到細胞外。巨噬細胞中HSPs表達增加可導致其異常激活以及清道夫受體SR-A1表達上調，從而促進泡沫細胞形成。細胞外HSPs可與細胞表面受體(如Toll樣受體)相互作用，激活核因子κB，引起巨噬細胞中炎癥細胞因子產生和內皮細胞中黏附分子合成，從而促進了動脈粥樣硬化的發生、發展。MOHAMMADI等[18]研究表明，TMAO能夠誘導HSP70表達，而機體對HSP70的自身免疫反應是動脈粥樣硬化的起始階段，高表達HSP70可導致巨噬細胞異常活化，促進巨噬細胞吞噬氧化型低密度脂蛋白，加速泡沫細胞形成和動脈粥樣硬化進程。此外，HSP70還能促進內皮細胞中黏附分子合成，同樣在動脈粥樣硬化進展過程中發揮重要作用。

2.2.3 增加促炎癥細胞因子表達 動脈粥樣硬化是一種慢性炎癥性疾病。促炎癥細胞因子TNF-α、IL-1β可促進單核細胞、淋巴細胞遷移至內膜下并轉化為巨噬細胞，從而促進了動脈粥樣硬化形成。有研究表明，血漿TMAO水平升高可使促炎癥細胞因子TNF-α、IL-1β水平升高，抗炎癥細胞因子IL-10水平降低，以及反映炎癥程度的高敏C反應蛋白水平升高，與其他機制共同導致動脈粥樣硬化形成并促進斑塊生長[19-20]。

2.2.4 提高血漿膽固醇水平 目前，高膽固醇血癥是公認的動脈粥樣硬化的危險因素。在動脈粥樣硬化起始和進展階段均有膽固醇參與，尤其是低密度脂蛋白膽固醇。研究發現，TMAO對脂質代謝具有調節作用，在飲食中補充TMAO可引起血漿TMAO水平升高，能夠阻礙膽固醇的逆向轉運，使血漿膽固醇水平升高，導致動脈粥樣硬化形成和進展[21]。

3 TMAO防治冠心病的作用途徑

降低TMAO水平可阻止或延緩動脈粥樣硬化形成和進展，從而起到防治冠心病的目的，其機制可能是通過調節腸道菌群構成、抑制TMA生成、抑制TMA轉化三種途徑實現的。

3.1 調節腸道菌群構成 腸道菌群在TMAO代謝中的作用已被證實，這為通過調節腸道菌群構成來降低TMAO水平提供了理論依據[4]。

使用廣譜抗生素能夠改變腸道菌群構成，進而降低TMAO水平。健康志愿者在接受磷脂酰膽堿刺激后，血漿TMAO水平呈時間依賴性升高，給予抗生素后血漿TMAO水平明顯降低，停藥后又升高[9]。因此，通過使用抗生素改變腸道菌群構成從而降低血漿TMAO水平，是一個預防和阻止冠心病進展的潛在方法。但目前導致TMAO生成增多的主要菌群還未確定，研究中使用的廣譜抗生素可抑制大部分細菌增殖，長期使用抗生素會產生不良后果，如耐抗生素菌株出現、誘導胰島素抵抗。因此，需要進一步研究導致TMAO生成增多的主要菌群及抑制其繁殖的靶向抗生素。

口服益生菌及其功能性產品亦能夠改變腸道菌群構成，進而降低TMAO水平。動物研究表明，給予小鼠乳酸桿菌及產氣腸桿菌兩種益生菌制劑，小鼠盲腸內膽堿源性TMA生成減少，血漿TMAO水平明顯下降；給予補充腸球菌制劑，小鼠血漿TMAO水平同樣減少[22]。臨床研究表明，口服益生菌功能性產品可有效控制血漿TMAO水平，如乳酸菌發酵的蘋果泥[23]。由此可見，補充益生菌制劑或進食益生菌功能性產品亦可作為降低血漿TMAO水平的一種手段。

3.2 抑制TMA生成 TMA裂解酶是腸道菌群將食物中膽堿成分轉化為TMA的關鍵酶。因此，抑制TMA裂解酶的活性可降低TMA生成。2015年有學者證實，膽堿的結構類似物3，3-二甲基-1-丁醇(DMB)作為一種非致死性的微生物酶抑制劑，能夠通過抑制不同微生物的TMA裂解酶來抑制TMA生成[24]。DMB還可降低產TMA特定細菌在腸道菌群中所占的比例。有研究發現，植物甾醇酯同樣可抑制微生物生成TMA，減少膽固醇積累[25]。因此，靶向抑制腸道微生物生成TMA的關鍵酶，可降低血漿TMAO水平。但目前能夠用于人體且安全有效的TMA裂解酶抑制劑有待于進一步研發。

3.3 抑制TMA轉化 FMO3是TMA向TMAO轉化的關鍵酶。有研究發現，肝臟FMO3表達下降時，血漿TMAO水平亦下降，而機體FMO3表達受抑或過表達都會直接影響血漿TMAO水平[26-27]。最近研究表明，一種提取于植物葫蘆巴的化合物葫蘆巴堿可抑制FMO3，進而抑制TMA向TMAO轉化。體外研究表明，300 μg/mL葫蘆巴堿可達到最大抑制效果，能夠使TMAO生成減少85.3%。因此，通過靶向藥物抑制肝臟FMO3活性是降低血漿TMAO水平的另一途徑。但目前無明顯肝損害作用的FMO3抑制劑尚需進一步研發。

總之，越來越多證據表明腸道菌群代謝產物TMAO與冠心病密切相關，TMAO能夠通過上調巨噬細胞清道夫受體表達、增加細胞HSPs和促炎癥細胞因子表達以及提高血漿膽固醇水平等促進冠心病的發生、發展。因此，TMAO可作為防治冠心病的一個新靶標。通過調節腸道菌群構成、抑制TMA生成、抑制TMA轉化三種途徑降低TMAO水平，有可能實現對冠心病的防治目的。但真正實現以TMAO為靶標來防治冠心病，還需要未來更深入的研究。