氧化三甲胺與老年常見惡性腫瘤關系的研究進展

宮銘 張成普

作者單位：110004 遼寧省沈陽市，中國醫科大學附屬盛京醫院全科醫學科

氧化三甲胺(trimethylamine-N-oxide，TMAO)是膽堿在腸道的代謝產物。越來越多的證據表明，血清TMAO水平與結直腸癌(CRC)、胰腺癌、肝癌及胃癌等多種老年常見惡性腫瘤相關。本文結合了近年來的基礎研究和臨床研究，針對TMAO水平與老年人常見惡性腫瘤的發生風險及機制進行綜述。

1 TMAO的產生與代謝

TMAO是一種無色無味的晶體物質，屬于胺類氧化物，化學式為(CH3)3NO。這種化合物通常存在于真菌、植物和動物中，并可在海洋動物中內源性合成[1]。膽堿及L-肉堿是人體內TMAO的重要來源，富含膽堿和L-肉堿的食物包括魚肉、紅肉、谷物、大豆和蔬菜等。攝入牛肉和雞蛋可以產生如L-肉堿、膽堿/磷脂酰膽堿、甜菜堿、膽堿、麥角硫氨酸和二甲基甘氨酸等物質，進一步在腸道內生成三甲胺(trimethylamine,TMA)[2]。TMA通過被動擴散迅速吸收到門脈循環中，在肝臟中的黃素單加氧酶3(flavin-containing monooxygenase 3,FMO3)作用下氧化為TMAO，經腎臟排泄至體外。雖然既往研究認為TMAO是人類的代謝廢物，但許多研究表明TMAO參與了從細菌到哺乳動物的眾多生物體的多種生物學功能。例如，TMAO通過參與維持滲透壓和靜水壓而具有保持細胞體積的作用[3]。

血漿TMAO水平與年齡呈正相關[4]。有研究發現，在老年健康男性中，循環TMAO對飲食蛋白質攝入量的變化具有明顯響應性[5]。但Griffin等[4]發現，地中海飲食方式干預6個月后未發現血漿TMAO水平或TMAO與其前體化合物比值水平發生顯著改變，這表明老年人TMAO水平僅靠調整膳食結構很難發生改變。最近的研究提示，一些生物活性化合物，如白藜蘆醇、大蒜素、辣椒素，以及蘋果、烏龍茶、天然麥麩和低脂飲食中的膳食成分，可以降低TMAO的水平[6]。血漿TMAO水平受多種因素影響，所以各研究之間仍存在較大差異。

惡性腫瘤是威脅人類健康的主要疾病之一，老年人是高危人群。有研究提出，隨著機體的衰老，血漿TMAO水平會逐漸升高，TMAO可以通過增加氧化應激等方式加速內皮細胞和血管的老化[7]。越來越多研究證實，TMAO在多種老年常見腫瘤的發生發展中起到重要作用。

2 TMAO與CRC

2020年全球癌癥統計數據表明，CRC是世界上第三大常見惡性腫瘤(占總病例數的10.0%)和第二大癌癥死亡原因(占總癌癥死亡的9.4%)[8]。隨著高通量測序技術的發展，人們對CRC發生過程中腸道微生物扮演的角色有了更清楚的認識。Bae等[9]在2014年第一次通過病例對照研究提出血漿膽堿代謝產物TMAO與CRC的風險呈正相關，尤其是在血漿維生素B12水平較低的女性中。血漿TMAO水平較高組罹患CRC的風險為血漿TMAO水平較低組的3.4倍。CRC病人的術前血清TMAO水平可作為CRC新的預后標志物[10]。多因素分析結果顯示，血清TMAO水平和遠處轉移是CRC獨立的預后因素[11]。另一項研究通過全基因系統分析發現TMAO與大腸癌之間有顯著的關聯，并指出TMAO參與了代謝綜合征與癌癥的發生，特別是在CRC有關的遺傳途徑中發揮了重要作用[12]。

2.1 炎癥與氧化應激 炎癥在大腸癌的發生發展中起著至關重要的作用。氧化應激是體內活性氧(reactive oxygen species, ROS)等促氧化分子超過抗氧化化合物豐富程度的現象。ROS可以導致DNA突變、細胞損傷和炎癥，上述過程都是惡性腫瘤發病機制的關鍵因素。研究表明，TMAO以劑量依賴的方式激活胎兒結腸細胞(FHCs)中的ROS[13]。氧化應激對細胞蛋白質和DNA造成不可逆轉的損傷，包括DNA斷裂、蛋白質斷裂和膜功能障礙。Sun等[14]觀察了TMAO刺激的硫氧還蛋白相互作用蛋白-核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3(TXNIP-NLRP3)炎癥小體在人臍靜脈內皮細胞(HUVECs)中的表達，證實TMAO 顯著引發氧化應激并激活TXNIP-NLRP3炎癥小體，其中炎癥細胞因子IL-1β和IL-18以劑量和時間依賴性方式釋放，并且抑制內皮一氧化氮合酶(eNOS)和一氧化氮(NO)的產生。此外，使用ROS抑制劑N-乙酰半胱氨酸(NAC)處理或siRNA介導的TXPIN和NLRP3基因敲除可以觀察到TMAO介導的效應明顯逆轉。該結果首次揭示了TMAO通過激活ROS-TXNIP-NLRP3炎癥小體誘導炎癥和內皮功能障礙。Van Hecke等[15]的研究發現，與雞肉飼養組的大鼠相比，牛肉飼養組的大鼠尿液中TMAO和TMA水平明顯增加，氧化應激改變了結腸微生物組成，從而改變了它們的代謝能力，這可能會對結腸黏膜產生有害影響。同時，作者認為氧化應激可能并不是導致CRC的直接因素，可能是ROS激活了其他與肉類相關的基因毒素，如苯并[a]芘(benzo[a]pyrene)等，使其最終致癌。長期以來，沉默信息調節因子1(Sirtuins1, SIRT1)在癌癥發生中的雙重作用一直是科學家們的研究重點，SIRT1可以抑制炎癥及腫瘤的發生和進展，同時SIRT1也可以在腫瘤發病過程中起促進作用。SIRT1在CRC組織中表達增加。有研究表明SIRT1過表達與腫瘤晚期和不良預后相關[16]。另一項研究表明，TMAO抑制SIRT1的表達并增加體內和體外的氧化應激，進而激活p53/p21/Rb通路，導致p53增加，p53、p21乙酰化，并降低細胞周期蛋白依賴性激酶2、細胞周期蛋白E1和磷酸化Rb的水平，該機制可能會加速內皮細胞衰老和血管老化[7]。

一項關于健康老年女性的研究表明，補充肉堿24周后，氧化應激生物標志物如髓過氧化物酶、同型半胱氨酸、尿酸和低密度脂蛋白的水平與補充前相比沒有顯著差異[17]。在德國成年人群中，食用肉類也與血漿TMAO水平無關[18]。上述結果差異可能是由樣本量的變化、研究參數的差異、性別偏倚或年齡差異導致。

2.2 腸道通透性改變 血液中TMAO的濃度可能取決于多種因素，包括飲食、腸道微生物活動、腸道血液屏障(gut-blood barrier, GBB)對TMA的滲透性、肝臟對TMA的氧化以及TMA和TMAO的排泄。越來越多的證據表明，腸道微生物產生生物活性化合物進入循環，影響循環系統的穩態。腸道細菌代謝產物進入血液循環需要通過GBB，2020年的一項動物實驗表明，大鼠TMAO水平增加是由于GBB紊亂和TMA的腸道血液通道增加所致[19]。Jaworska等[20]對24～26周血壓正常的大鼠(WKY)和自發性高血壓大鼠(SHR)進行實驗研究，結果顯示SHR大鼠血液中TMA水平升高，這是由于GBB功能喪失所致。GBB功能喪失增加了GBB的通透性，導致更多的TMA被轉運到肝臟，在肝臟進一步生成TMAO。同時，研究發現肥胖CRC病人的腸道微生物群存在更高豐度的條件致病菌(如普雷沃氏菌、核梭桿菌、腸桿菌科和大腸桿菌)，這可能會損害腸道屏障功能(增加循環佐菌素水平)，并通過增加炎癥分子如IL-1β和TMAO的水平，促進其與CRC相關的炎癥過程[21]。高遷移率族蛋白B1(high-mobility group box protein 1, HMGB1)是一種已被報道破壞細胞-細胞連接的炎癥介質，可以導致血管內皮通透性增高及內皮功能障礙。有研究表明HMGB1是TMAO誘導內皮功能障礙的重要介質之一[22]。

2.3 DNA損傷 TMAO有可能誘導炎癥和氧化應激，從而導致DNA損傷，最終導致CRC的發生。2021年一項研究證實了TMAO可以破壞DNA的組織結構[23]。在TMAO處理24 h后，人臍動脈平滑肌細胞(HUASMC)的氧化應激水平升高，但這并未影響線粒體功能和NF-κB活性。CRC的風險隨年齡增長而增加，這可能與TMAO水平隨年齡增長相關。DNA損傷導致復制和插入突變錯誤，有利于癌前缺陷的擴展。DNA損傷在惡性細胞的生長和CRC的發生發展中起著關鍵作用。膽堿及其產物TMAO是總甲基供體，可作為底物，使N2O3亞硝化生成N-亞硝基化合物(NOCs)。NOCs有可能引起DNA甲基化等表觀遺傳改變，從而造成DNA損傷，并導致惡性轉化。因此，TMAO可能通過增加遺傳負荷來促進CRC的發展。表觀遺傳修飾通過調節基因表達，特別是不直接修飾基因組中的DNA序列來影響許多細胞過程[24]。表觀遺傳修飾包括組蛋白修飾、DNA甲基化、染色質重塑和基于RNA的調控。已知一些細菌代謝物會影響細胞過程，如能促進組蛋白修飾的短鏈脂肪酸和甲硫氨酸，后者可以合成甲基供體，這與大腸桿菌產生TMA有關，也與DNA的甲基化有關。TMAO與胰島素抵抗和胃腸癌(GIC)的發生風險以及動脈粥樣硬化性心血管疾病有關，其共同的途徑是通過NOCs的形成進一步導致DNA損傷和表觀遺傳的變化[25]。因此，TMAO在表觀遺傳變化中的影響也不可忽視。

2.4 蛋白質折疊 2017年關于TMAO的研究報告稱，TMAO通過誘導蛋白質的壓實而非正常折疊，破壞了α-酪蛋白的伴侶活性[26]。不同的滲透劑(如TMAO)可能對無序蛋白(IDP)產生不同的結構和功能的影響，因此可能對涉及IDP的大量人類疾病(例如淀粉樣變性、癌癥、糖尿病和神經變性)具有臨床意義。

總之，CRC是截止到目前被發現與TMAO作用最為緊密的老年人常見惡性腫瘤。腸道細菌代謝產物TMAO進入腸上皮細胞，激活ROS的產生，導致炎癥的發生。ROS也可以創造低氧微環境和消炎作用，但過量的TMAO會導致ROS的持續和失控產生，促進炎性細胞因子的釋放。炎癥可損傷DNA，可導致突變或誘導基因組不穩定，最終導致CRC的發生。TMAO可以導致蛋白質的錯誤折疊或引起折疊蛋白質的構象變化，這些蛋白質可以形成聚集體，累積的蛋白質聚集體可以促進CRC的發生。

3 TMAO與胰腺癌

胰腺癌是全球癌癥相關死亡的第七大原因，5年生存率低至9%[27]，胰腺癌一直缺乏可靠的早期診斷工具。雖然癌抗原-9是疾病進展的良好標志物，但研究表明該標志物不能區分重度不典型增生和胰腺癌。2020年Morgell等[28]通過招募獨立隊列，使用正交定量方法發現，在侵襲性胰腺癌的囊性前體中存在具有代謝活性的細菌(腸桿菌科細菌、克雷伯菌等)及其微生物區系相關的代謝物(膽汁酸、TMAO、參與TMAO轉化的膽堿和肉堿以及色氨酸衍生物等)。這一發現對于研究腫瘤內微生物藥物代謝而產生的化療耐藥性具有重要臨床意義。Huang等[29]通過前瞻性隊列研究發現，甲硫氨酸和總甲基供體(包括膽堿、甜菜堿和甲硫氨酸)與胰腺癌風險呈負相關，這一結論支持DNA修復和甲基化對胰腺癌的發展起著重要作用，另外，他還發現TMAO可能會導致胰腺癌發生風險升高，這表明腸道微生物群在膳食膽堿-胰腺癌風險關聯中具有調節作用。一項對TMAO在胰腺癌中的作用的研究表明，TMAO水平升高增加了超氧化物歧化酶的活性，并增加了促炎生物標志物，如TNF-α、可溶性腫瘤壞死因子受體(sTNF-R) p55和sTNF-R p75[30]。促炎標志物的濃度與癌癥的嚴重程度呈正比。這一系列研究值得我們思考——腸道細菌與胰腺癌的關系會不會如同胃癌與幽門螺桿菌(Hp)感染一樣直接相關？腸道細菌及其代謝產物在胰腺癌的發生及進展中起到怎樣的作用?

4 TMAO與肝癌

一項來自中國廣東省的病例對照研究通過對比分析671例原發性肝癌病人與671例對照組受試者的血清TMAO及膽堿水平發現，血清TMAO水平較高的受試者發生原發性肝癌的風險顯著增加，但其前體膽堿與原發性肝癌風險呈負相關[31]。作者提出2種可能存在的機制。首先，TMAO可能通過降低總膽汁酸池大小和影響肝臟TG水平來引發肝損傷，導致原發性肝癌的發展。其次，TMAO可能是間接危險因素，參與多種慢性疾病的病因，包括動脈粥樣硬化、血栓形成、高血壓和慢性腎病，這些都是原發性肝癌的潛在危險因素。2019年一項試驗發現，TMAO在生理相關濃度下與內質網應激激酶PERK(EIF2AK3)結合，選擇性激活未折疊蛋白反應的PERK分支，并通過PERK依賴的方式誘導叉頭轉錄因子O1(FOXO1)[32]，這是代謝疾病的關鍵驅動因子。通過控制腸道微生物群或抑制FMO3來降低TMAO，可以降低肝臟中PERK的激活和FOXO1的水平。上述結論揭示了TMAO和PERK可能是代謝綜合征發病機制的核心。

5 TMAO與胃癌

Hp的定植誘導胃黏膜的免疫和炎癥反應[33]。有學者對TMAO和Hp感染對胃上皮細胞基因表達的影響進行了研究，并使用人類基因芯片Affymetrix HTA 2.0進行生物信息分析發現，與對照組相比，在Hp和TMAO共處理的人胃黏膜上皮細胞(GES-1)中，1312個基因被鑒定為差異表達基因。基因本體(GO)分析和京都基因與基因組百科全書(KEGG)分析表明這些差異表達基因的功能與免疫炎癥密切相關。Hp和TMAO的協同作用使IL-6、CXCL1、CXCL2、FOS和C3等免疫炎癥相關基因的表達增強，與未感染的對照細胞、Hp感染的細胞和TMAO刺激的細胞相比，差異均有統計學意義(P<0.05)。這項研究表明，TMAO改變了Hp感染誘導的免疫炎癥基因的表達水平，Hp和TMAO的協同作用為研究慢性胃炎、胃潰瘍和胃癌的進展提供了新的見解。

6 總結與展望

TMAO作為一種腸道菌群的代謝產物，在老年常見惡性腫瘤的發病過程中起重要作用。同時其在代謝性疾病及心血管系統疾病中的作用也漸漸被證實。隨著TMAO檢驗技術的更新迭代，越來越多便捷、廉價、高效的TMAO檢測手段問世[34]，這將為TMAO更加深入地指導臨床工作及深入探究TMAO與疾病的關系提供條件。綜上所述，TMAO可能為常見惡性腫瘤的預后提供參考價值，并成為一種全新的治療靶點。