氧化三甲胺促進動脈粥樣硬化的研究進展

李軼男 裴漢軍

(內蒙古科技大學包頭醫學院第一附屬醫院心內科，內蒙古 包頭 014010)

氧化三甲胺(trimethylamine N-oxide，TMAO)是膽堿、卵磷脂和肉堿的代謝產物，可由三甲胺(trimethylamine，TMA)轉變而來。腸道中的膳食膽堿和左旋肉堿在多種酶的作用下產生TMA，后者在腸道上皮細胞被吸收并輸送到肝臟，在肝臟中被黃素單加氧酶3(flavin-containing monooxygenase 3，FMO3)進一步氧化，形成TMAO，之后生成的TMAO一部分作為滲透壓調節劑被轉運到組織中積累，其余絕大部分以尿液的形式排出體外[1]。近年來TMAO被認為是動脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)形成和發展的重要因素，并且有望在改善冠心病患者危險分層及預后方面發揮作用。現就TMAO促AS機制、TMAO在臨床研究中的作用及干預TMAO產生的治療方案展開綜述，旨在為防治AS及改善冠心病患者臨床預后提供新靶點。

1 TMAO促AS的機制

TMAO作為一種代謝產物，其促AS的機制可概括為以下五點，如圖1所示：(A)調節巨噬細胞表面的受體促使其對氧化型低密度脂蛋白的攝取增多、排出減少，促進泡沫細胞的形成；(B)激活三磷酸肌醇通路，增加血小板反應性；(C)減少一氧化氮(nitric oxide，NO)產生及生物利用度，引起內皮細胞功能障礙；(D)下調CYP7A1的表達，減少肝內膽汁酸合成；(E)促進炎癥反應。

1.1 促進泡沫細胞的形成

巨噬細胞吞噬膽固醇形成的內源性泡沫細胞是AS早期病變的主要標志。其中CD36和A1類清道夫受體(class A1 scavenger receptor，SR-A1)是巨噬細胞表面的受體，它們可識別并介導巨噬細胞對氧化型低密度脂蛋白攝取[2]。膽固醇酰基轉移酶-1和中性膽固醇酯水解酶調節膽固醇的酯化作用。ATP結合盒轉運體A1、G1和清道夫受體BI則在巨噬細胞膽固醇輸出中起關鍵作用。當膽固醇攝取和酯化作用增加和/或膽固醇輸出減少時，脂質超負荷的巨噬細胞將轉化為泡沫細胞，即AS斑塊中的典型細胞[3]。TMAO則可激活巨噬細胞SR-A1和CD36受體的表達，刺激對氧化型低密度脂蛋白的攝取來促進泡沫細胞的形成[4]。同樣的，Mohammadi等[5]也發現TMAO既可上調SR-A1的表達，又能下調ATP結合盒轉運體A1，促進泡沫細胞的形成。

注:ABCA1,ATP結合盒轉運體A1;ROS,活性氧;FGF15,成纖維細胞生長因子15;FGFR4,成纖維細胞生長因子受體4;CRP,C反應蛋白;TNF-α,腫瘤壞死因子-α;SHP,小異二聚體伴侶;IP3,三磷酸肌醇;TXNIP,硫氧還蛋白互作蛋白;NLRP3,NOD樣受體蛋白3;ox-LDL,氧化型低密度脂蛋白;COX2,環氧合酶2;ICAM-1,細胞間黏附分子-1;FXR,法尼酯X受體;CYP7A1,膽固醇7α-羥化酶;NF-κB,核因子κB;IL,白介素;ADP,腺苷二磷酸。圖1 TMAO促AS機制

1.2 增加血小板的反應性

血小板活化作為AS形成過程中的重要因素，參與血栓的形成和AS斑塊的破裂，故促進血小板活化，血小板反應性的增加，會加重AS[6]。Zhu等[7]研究發現口服膽堿補充劑，受試者血漿TMAO水平增加，同時伴隨著血小板對腺苷二磷酸(adenosine diphosphate，ADP)的聚集反應相應增強。還有研究[8]發現TMAO可直接增加血小板對多種不同激動劑(ADP、凝血酶和膠原)的反應性，促進血小板與它們之間的黏附性，而且在ADP和凝血酶作為激動劑的前提下，TMAO會激活血小板中三磷酸肌醇信號通路，促使細胞內儲存的Ca2+依賴性釋放來提高血小板高反應性。

1.3 促使血管內皮細胞功能障礙

內皮細胞功能障礙是公認的心血管危險因素，是AS發展的早期事件。許多臨床和基礎研究顯示內皮祖細胞在恢復內皮損傷和維持內皮功能中起著至關重要的作用。當血管發生損傷時，骨髓來源的內皮祖細胞可動員到外周循環，并在損傷的內皮部位分化為內皮細胞[9]，而且內皮祖細胞的數量和冠心病的危險因素負相關[10]。研究發現TMAO可通過增加體外培養的內皮祖細胞內炎癥和活性氧的產生，直接導致循環內皮祖細胞功能損傷，并最終導致內皮功能障礙，同時TMAO還可減少內皮祖細胞內NO的表達，使NO介導的內皮功能受損[11]。而NO的產生或可用性降低也是內皮功能障礙的重要原因，Li等[1]發現在老年大鼠中，高水平的TMAO可通過增加血管炎癥和氧化應激減弱內皮細胞一氧化氮合酶來源的NO的生物利用度，從而導致與衰老相關的血管內皮功能障礙；且NO介導的處于靜止狀態的內皮細胞在受到氧化還原信號的刺激時會轉化為激活狀態[12]，導致炎癥、血管收縮和重塑，促進AS的發展。

1.4 影響膽汁酸代謝

高膽固醇是AS的主要危險因素之一，膽固醇合成膽汁酸是清除體內多余膽固醇的主要途徑，有助于AS的消退[13]。膽汁酸已被證明是核受體法尼酯X受體(farnesoid X receptor，FXR)的內源性配體，FXR調節參與膽汁酸合成、轉運、結合和排泄等基因的活性[14]。膽汁酸激活FXR通過反饋機制下調膽固醇7α-羥化酶(cholesterol 7α-hydroxylase，CYP7A1)的表達可限制肝內膽汁酸的合成[15]。Ding等[16]發現TMAO僅可改變膽汁酸的分布，激活核FXR及小異二聚體伴侶受體，下調CYP7A1的表達抑制膽汁酸合成，增加主動脈壁內泡沫細胞的積聚和斑塊面積，加速小鼠主動脈損傷的形成。還有研究[17]發現與正常喂養的小鼠相比，補充膳食TMAO的小鼠表現出肝膽汁酸轉運蛋白活性的下降和總膽汁酸池大小的減少。白藜蘆醇則可降低TMAO的水平，并通過腸肝FXR-成纖維細胞生長因子15軸誘導肝膽汁酸的合成來影響膽固醇代謝，減弱TMAO所致的AS[18]。由此可見TMAO引起的膽汁酸合成減少在促AS中發揮重要作用。

1.5 引起炎癥反應

AS是一種慢性炎癥疾病，核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)通路在許多與AS相關的促炎基因的表達中起調節作用。TMAO可通過激活NF-κB通路誘導包括環氧化酶2、E選擇素、白介素(interleukin，IL)-6和細胞間黏附分子-1在內的幾種促AS的炎癥基因的表達[17]。Sun等[19]發現在人臍靜脈內皮細胞中，TMAO可觸發氧化應激，激活硫氧還蛋白互作蛋白-NOD樣受體蛋白3(TXNIP-NLRP3)炎癥小體，釋放促炎細胞因子IL-1β和IL-18，且使內皮一氧化氮合酶和NO的產生受到抑制；而促炎細胞因子IL-1β和IL-18的成熟和分泌引起的炎癥反應，則在促進脂質斑塊的發展和破壞AS斑塊的穩定中起著重要的作用[20]。此外，TMAO還可激活人冠狀動脈內皮細胞的NF-κB信號通路來增加組織因子的表達和活性，促進AS血栓形成[21]。

2 TMAO在臨床研究中的應用價值

2.1 預測冠心病患者冠狀動脈粥樣硬化斑塊負荷

高SYNTAX和Gensini評分以及多支血管病變被認為是冠狀動脈粥樣硬化負荷的臨床標志物，與冠心病患者預后不良相關。Waleed等[22]在一項前瞻性隊列研究中發現血漿TMAO水平與非ST段抬高型心肌梗死(non-ST-segment elevation myocardial infarction，NSTEMI)患者的高AS負荷相關，高TMAO水平的NSTEMI患者的SYNTAX和Gensini評分增高，且在NSTEMI患者中多支血管病變的患者血漿TMAO水平比單支血管病變患者TMAO水平高。此外，TMAO水平在穩定型心絞痛患者及ST段抬高型心肌梗死(ST-segment elevation myocardial infarction，STEMI)患者中也顯示出與高AS負荷相關[23-24]，TMAO水平越高預示著更高的SYNTAX評分及冠狀動脈多支血管病變的存在，因此TMAO水平可作為AS負荷的獨立預測因子。

2.2 作為評估冠狀動脈斑塊易破裂性的生物標志物

斑塊破裂和侵蝕是發生STEMI的主要原因，斑塊破裂或侵蝕不僅發生在完整的脂質或纖維化斑塊中，而且也可發生在急性事件后先前已愈合的斑塊中。Li等[25]研究發現STEMI患者血漿TMAO水平與罪犯斑塊的愈合相關。斑塊愈合患者的TMAO水平顯著高于未愈合斑塊患者，已愈合的罪犯斑塊的STEMI患者比罪犯斑塊未愈合的STEMI患者更易出現斑塊的易損性，包括斑塊破裂和薄纖維帽粥樣斑塊(thin-cap fibroatheroma，TCFA)。此外TMAO水平與非罪犯斑塊的易破裂性(又稱易損性)也存在相關性。與低水平TMAO的冠心病患者相比，TMAO水平較高的冠心病患者非罪犯斑塊更加脆弱，表現為增高的TCFA和微血管發生率[26]，而TCFA與微血管的形成正是易損斑塊典型的形態學特征。以上研究表明TMAO可作為識別STEMI患者已愈合罪犯斑塊破裂及冠心病患者非罪犯斑塊破裂的生物標志物，檢測TMAO水平對改善冠心病患者預后和臨床管理至關重要。

3 以TMAO為靶點的防治AS的策略

3.1 減少TMA的生成，從而減少向TMAO轉化

ZDY01是具有TMA代謝能力的產氣腸桿菌，ZDY01可降低具有TMA裂解酶活性的梭菌屬和不動桿菌屬的相對豐度，減少膽堿或肉堿形成TMA[27-28]。Qiu等[29]用ZDY01處理膽堿喂養的小鼠，發現小鼠血清TMAO水平顯著降低。

3，3-二甲基-1-丁醇(3，3-dimethyl-1-butanol，DMB)是一種膽堿結構類似物，在一些食品(如一些香醋、紅葡萄酒，以及一些冷榨特級初榨橄欖油和葡萄籽油)中可檢測到。有研究發現它可抑制部分TMA裂解酶，減少TMA的生成。雖然DMB療法對循環膽固醇、膽堿和其他致AS的危險因素無顯著影響，但它抑制了膽堿飲食依賴的巨噬細胞膽固醇酯積累(泡沫細胞形成)和主動脈根部AS斑塊的形成。此外DMB還促進了一些與血漿TMA和TMAO水平以及主動脈斑塊范圍相關的微生物類群比例的降低[30]。

已知產甲烷古細菌(methanogenic archaea，MA)的某些成員可在培養中使用甲基化胺(如TMA)作為生長底物，因此為使用MA腸道定植降低血漿TMAO提供了可能。Ramezani等[31]研究發現，將某些MA腸道定植到小鼠體內，可降低血漿TMAO濃度，尤其是在喂食高膽堿/TMA的Apoe-/-小鼠中降低血漿TMAO水平最有效，并顯示出減輕AS的趨勢。與此同時，該研究還發現使用抗生素抑制腸道內源性微生物，可增加MA的定植。然而由于抗生素帶來的種種副作用，在人類身上使用抗生素增加MA的定植，降低TMAO水平顯然不可取。將來應進一步明確MA降低血漿TMAO水平的具體機制，然后再推廣應用到人類。

ZDY01和DMB都是通過抑制微生物TMA裂解酶來減少微生物TMA產生，MA則是通過消耗TMA生成甲烷，三者最終都使TMA的含量降低，進而減少TMA向TMAO的轉化。

3.2 補充某些中草藥及化合物

小檗堿(berberine，BBR)是從黃連和小檗等草本植物中提取的異喹啉生物堿，在中國傳統上用于治療細菌性腹瀉，現在許多現代藥理學研究證明BBR對心血管疾病和代謝紊亂具有良好的治療作用[32]，有研究發現BBR通過降低主要TMA合成途徑的關鍵基因cutC和cntA的功能基因水平，降低膽堿向TMA的轉化，最終使血清TMAO水平降低，從而減弱AS的發展，此外該研究還指出BBR對來自人類糞便的腸道微生物群的TMA形成的抑制作用與膽堿喂養的小鼠抑制作用相當[33]，這一發現，將BBR降低TMAO水平的機制應用到人類提供了可能。

Annunziata等[34]使用了一種含有麥芽糊精微膠囊化的葡萄渣多酚提取物，注冊為Taurisolo?，對健康受試者進行了一項隨機、安慰劑對照、交叉臨床試驗。在研究中，證明了基于葡萄渣多酚提取物的新型營養制劑在降低健康受試者血清TMAO水平方面的效果。此外白藜蘆醇作為最有代表性的Taurisolo多酚，被發現它可降低TMAO的水平，調節腸道菌群的重塑[19]

大蒜素是一種公認的抗菌植物化學物質，可從新鮮的大蒜中提取，易從飲食中獲得。Wu等[35]研究發現，在腸道富含肉堿的環境中，補充大蒜素可完全抑制小鼠腸道微生物群產生TMAO的代謝能力。這意味著肉堿飲食誘導的腸道微生物群的功能改變可通過添加另一種具有抗微生物潛力食物來源的物質(大蒜素)來預防。但大蒜素及其代謝物的抗菌譜非常廣泛，究竟大蒜素是影響哪種微生物的改變從而引起TMAO含量的改變，還需進一步探究。

3.3 調控飲食結構

Koeth等[36]發現紅肉中的營養物質左旋肉堿在腸道微生物群的作用下生成TMAO，可促進AS，在該研究中雜食受試者通過微生物群依賴機制攝入左旋肉堿后，產生的TMAO明顯多于素食主義者。此外在存在心血管疾病危險因素的人群中，補充特級初榨橄欖油或堅果等地中海飲食可降低主要心血管事件的發生率[37]，一項研究[38]發現無論男性或女性，堅持地中海飲食都與低循環水平的TMAO有關。因此在飲食結構中適當地向地中海飲食結構傾斜，減少過多紅肉的攝入，補充富含多酚類的水果、蔬菜，可延緩AS的進展。

4 結語

AS是一種危害人類健康的慢性心血管疾病，也是老年人最常見的死亡原因之一。本綜述引入了膽堿等物質的代謝產物TMAO，總結了TMAO促AS的機制及其在臨床研究中的應用價值，TMAO可作為預測冠心病患者AS斑塊負荷及斑塊破裂的標志物，因此以TMAO為治療目標或能使AS患者獲益。但上述臨床研究均為單中心、小樣本的研究，且未對TMAO預測愈合斑塊形成的有效性及易損性進行驗證，未來需更大樣本量進一步驗證，明確TMAO與斑塊相互作用的關系。