腸源性毒素三甲胺-N-氧化物在慢性腎臟疾病中的研究進展*

陳 杰,黃 娟,管 茜,左 萍,程獻杰,何艷麗,唐 露,肖 敏 綜述,畢津蓮△ 審校

1.湘雅博愛康復醫院GCP,湖南長沙 410100;2.湘雅博愛康復醫院檢驗科,湖南長沙 410100;3.湖南星怡康健康體檢中心,湖南長沙 410100;4.湘雅博愛康復醫院乳甲外科,湖南長沙 410100;5.湘雅博愛康復醫院健康管理中心,湖南長沙 410100;6.湖南省藥品審評與不良反應監測中心,湖南長沙 410013

慢性腎臟疾病(CKD)是一種臨床綜合性病變,常繼發于腎臟結構和功能的改變,腎臟損害標志物異常超過 3 個月或至少持續 3 個月[1]。CKD影響全球近15%的人口[2],是一種嚴重且不可逆的疾病,導致高發病率和高病死率,如果能早期發現并成功干預,將延緩病情進展、改善預后。研究發現,高濃度的腸源性毒素三甲胺-N-氧化物(TMAO)在內皮細胞高通透性和炎癥、氧化應激、膽固醇代謝、斑塊形成、血小板活化和血栓形成中起著至關重要的作用[3],對心腦血管疾病、糖尿病等慢性非傳染性疾病的預防、診斷、治療及預后評估具有重要的臨床意義。近年來,TMAO在腎損傷相關疾病的發生、發展與預后中也發揮重要作用[4]。本文主要就TMAO與CKD的關系和相關治療的研究進展作一綜述,以期為下一步科學研究和臨床治療提供參考。

1 TMAO介紹

TMAO是由肉堿、膽堿、甜菜堿等含量豐富的食物,如蛋類、牛奶、紅肉及咸水魚類等[5],經腸道微生物的作用形成三甲胺(TMA),再經肝臟黃素單加氧酶(FMO)家族(主要是FMO3)氧化而生成,并進入血液循環的胺類小分子化合物,其最終通過呼吸、汗液、腎臟等途徑代謝清除[6]。目前,已知約有 100 萬億腸道微生物在健康成年人的腸道中與人體共存,是人體不可分割的一部分[7]。特別是在CKD患者中,腸道微生物的平衡關系被打破,導致如TMAO等相關的毒素合成增加,并進入體循環,隨著TMAO的腎臟清除率下降,從而導致TMAO水平在CKD患者中升高。

2 TMAO對腎臟的影響機制

CKD發病機制仍未被完全闡明,炎癥反應、氧化應激反應、微血管內皮功能障礙、腎小管上皮細胞損傷等均是CKD發病的潛在機制。因此,本文著重關注了TMAO在腎損傷機制中的作用。

2.1TMAO與內皮細胞損傷及炎癥反應 TMAO可通過多種途徑介導血管損傷和炎癥反應。TMAO能通過琥珀酸脫氫酶復合體B亞基/活性氧簇(SDHB/ROS)信號通路破壞線粒體的結構和功能,減少三磷酸腺苷(ATP)的產生并誘導內皮細胞凋亡。SAAOUD等[8]在動物模型中的研究也證實,TMAO可通過蛋白激酶R樣內質網激酶(PERK)途徑,誘導線粒體ROS,促進血管炎癥細胞因子,如細胞間黏附分子-1(ICAM-1)、白細胞介素(IL)-1β、IL-6等的表達。YONG等[9]建立體內和體外TMAO損傷模型,發現TMAO可以增加血尿素氮(BUN)和胱抑素C(CysC)的水平,加重腎小管上皮細胞凋亡,而紫蘇提取物可以通過抑制體內凋亡信號調節激酶1-c-Jun氨基末端激酶(ASK1-JNK)磷酸化來減少TMAO誘導的腎小管上皮細胞的凋亡。LAI等[10]發現TMAO能顯著加重腎衰竭以及炎癥細胞浸潤,其通過激活磷酸化p38和上調人類抗原R(HuR)來上調單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、IL-6、IL-1β和IL-18等炎癥因子,并促進隱熱蛋白(NLRP3)炎癥小體的形成以及腎組織中植物半胱氨酸蛋白酶-1(Caspase-1)和IL-1β的活化,證實TMAO是導致腎炎性損傷和腎功能損害的因素之一,并提出抑制TMAO合成或促進其清除可能是未來CKD的潛在治療方法。

此外,血管鈣化在CKD患者中也非常普遍。TMAO可以通過激活NLRP3炎癥小體和核轉錄因子-κB(NF-κB)信號,促進血管鈣化,表明腸道微生物代謝與血管鈣化之間存在一定的聯系[11]。

2.2TMAO與腎纖維化 既往動物模型中已證實,膳食膽堿和膳食TMAO均能促進腎小管間質纖維化和功能障礙,且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CysC的水平均升高,同時伴有轉化生長因子-β(TGF-β)/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[12]。ORGAN等[13]發現使用富含TMAO或膽堿飲食喂養的大鼠,其循環TMAO水平顯著增加,在血管炎癥因子和超氧化物歧化酶(SOD)表達增加的同時,內皮型一氧化氮合酶(eNOS)的表達降低,并引起血管內皮一氧化氮表達降低,導致老年大鼠和CKD大鼠血管內皮細胞功能障礙,加劇了腎纖維化,且停止食用富含TMAO的飲食后纖維化反應顯著降低。KAPETANAKI等[14]也發現TMAO通過PERK/蛋白激酶B/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(PERK/AKT/mTOR)途徑、NLRP3和Caspase-1信號傳導活化腎成纖維細胞,增加膠原蛋白的合成,促進腎間質纖維化。此外,高尿酸血癥也是發生腎損傷的獨立危險因素,可誘導腎纖維化。ZHOU等[15]發現高尿酸血癥腎病(HN)大鼠血清TMAO水平顯著增加,而通過調節微生物-TMAO-人磷脂酰肌醇三羥基激酶(PI3K)/AKT/mTOR信號通路的級聯反應可推遲HN大鼠腎纖維化。

2.3TMAO與氧化應激反應 CKD患者的內皮功能依賴于一氧化氮,而CKD相關一氧化氮缺乏癥的一個重要機制是氧化應激增加。TMAO通過氧化應激作用,促進與年齡相關的內皮功能障礙。這在高膽堿食物攝入的實驗中也得到了證實[16]。同時,促炎性細胞因子和超氧化物生成的增加,eNOS表達減少,也與年齡呈正相關,衰老增加了循環TMAO水平。而使用含抗氧化劑的食物,也許是提高抗氧化酶產量、減少TMAO介導的氧化應激的一種有前途的策略[17]。

2.4TMAO與斑塊形成和血栓 CKD患者是發生血栓并發癥的高風險人群。很多臨床和實驗模型研究都證明了TMAO可以激活血小板并增加血栓風險,其通過多種機制在動脈粥樣硬化的發生、發展過程中呈促進作用,并且甜菜堿和膽堿作為磷脂酰膽堿代謝物,均與促進動脈粥樣硬化風險呈明顯相關[18]。TMAO可通過增加與動脈粥樣硬化有關的巨噬細胞清道夫受體CD36和A1類清道夫受體(SR-A1)水平,抑制脂質逆轉,促進內源性泡沫細胞增加,加速動脈粥樣硬化的形成。而降低TMAO能通過促進巨噬細胞M2極化和胞葬作用來增強粥樣硬化斑塊的穩定性。此外,TMAO還可削弱內皮細胞的自我修復能力,增加單核細胞黏附能力[19];并與血小板相互作用,誘導血小板高反應性,導致血栓形成;通過激活肌醇-1,4,5-三磷酸(IP3)和PERK/ROS途徑,增加細胞內質網鈣的釋放,從而導致血小板聚集和血栓形成,引起腎損傷[20]。早期Meta分析發現,CKD患者動脈粥樣硬化負荷與血液循環中TMAO水平呈明顯正相關,且嚴重影響患者預后[21]。TMAO水平每增加 10 μmol/L,不良事件發生率升高26%。此外,TMAO還降低膽汁酸合成所必需的兩種關鍵酶--細胞色素P450家族成員7A1、27A1(CYP7A1/27A1)的表達,降低膽汁酸量,導致逆向膽固醇轉運減少并堆積于細胞內,促進動脈粥樣硬化形成[22]。而斑塊和血栓的形成,是導致腎功能受損的重要因素之一。

3 TMAO在CKD中的應用

TMAO不但在基礎研究方面進展迅速,也被越來越多地應用到了臨床,與CKD的診斷、治療、預后息息相關。

3.1TMAO與腎功能損傷 關于高血壓導致的腎損害的診斷,主要是基于腎小球濾過降低和(或)檢測到蛋白尿,暫無其他敏感和特定的指標用于早期診斷和治療。有研究發現在高血壓腎功能損傷患者中,就存在十余種分布異常的氨基酸,且相對于非CKD患者,CKD患者尿液中含有包括TMAO在內的多種代謝標記物[23]。ZENG等[24]在一項納入了 32 項臨床研究的Meta分析中得出結論,腎小球濾過率下降與TMAO濃度升高具有相關性。PELLETIER等[25]測定CKD和血液透析患者的血漿TMAO水平,發現CKD組的血漿TMAO水平顯著升高,并與腎小球濾過率呈負相關。這些研究都表明,TMAO與腎功能損傷有一定的相關性。筆者認為,通過藥物干預或健康管理等手段,或許可以抑制因TMAO產生而導致的腎損傷。

3.2TMAO與飲食指導 對于部分CKD患者而言,腸道微生物失調是導致CKD發生、發展的罪魁禍首,而TMAO的代謝途徑也高度依賴腸道微生物,這種雙向交流之間的任何干擾都會導致或加重CKD的發生、發展。

YOO等[26]發現高脂飲食會損害結腸上皮細胞線粒體的功能,使腸道氧氣和硝酸鹽的濃度增加,促進大腸埃希菌的生長以及對膽堿的分解,導致TMA水平增加,最終導致循環中有害代謝物TMAO水平的升高。WIESE等[27]回顧了目前關于將植物性飲食作為飲食干預,減少CKD患者腸道TMAO產生的證據,提出植物性飲食是減緩CKD進展和降低心血管疾病風險的一種干預措施。而WANG等[28]則發現一些魚類和海鮮含有高水平的TMAO,對于有心血管疾病或腎功能受損的患者,就需要謹慎選擇TMAO含量低的魚類。

KYAW等[29]證實,長期服用高劑量味精可能會降低因急性腎損傷而導致的腎臟排泄率,從而引起TMAO在血液中積聚。不過,也有學者提出,腸道微生物群落的結構和功能與由TMAO等尿毒癥毒素引起的腸道微環境改變相關[30]。如果不同時改善腸道微環境,只是嘗試通過引入有益微生物來恢復所需的腸道菌群并不一定有效。

因此,如果在預防和治療中多關注腸道、相關微生物和腎臟之間的雙向或多向通信連接,即“腸道-腎臟軸”,注意健康管理中的飲食調節和腸道微生物的治療,可以潛在地延緩CKD的發生、發展以及心血管疾病風險。

3.3TMAO與預后的關系 TMAO與CKD的發生、發展及預后關系的臨床研究也取得了一些成果。早在2000年,就有研究通過檢測尿液和血漿中TMAO水平作為指標之一來評估器官移植中移植物功能障礙與腎髓質損傷程度,指導腎臟保存及預測保存后的腎損傷情況[31]。KONIECZNY等[32]也發現TMAO水平升高與心血管事件和心血管疾病病死率的增加呈正相關。CHANG等[33]探討了TMAO與腹膜透析(PD)患者預后之間的關系,發現血清TMAO水平與PD患者首發腹膜炎和心腦血管疾病死亡的風險呈正相關。TAIN等[34]研究母體CKD模型是否影響后代患有高血壓和腎病,結果表明,CKD后代患高血壓和腎肥大與血漿TMAO水平增加、氧化應激和腸道微生物變化有關。此研究結果為靶向腸道微生物群以減少TMAO的產生提供了深入的見解,具有預防母代CKD導致的后代高血壓的治療潛力。LAUCYTE-CIBULSKIENE等[35]發現終末期腎病患者體內新心腦血管疾病生物標志物,如生長分化因子-15(GDF-15)、血清甲殼質酶蛋白40(YKL-40)、基質金屬蛋白酶9(MMP-9 )水平與腸道微生物、血管鈣化、炎癥、共病和全因死亡率之間還存在一定的性別特異性,發現GDF-15水平的增加僅與女性TMAO升高相關,為性別差異化治療提供了一定的思路。

4 討 論

綜上所述,腸道微生物的代謝物TMAO與多種腎臟疾病的發生、發展密切相關,血液中TMAO水平升高可明顯增加腎臟相關疾病的發病風險。大量實驗研究表明,通過加強健康管理、改善飲食結構、調整微生物代謝等手段可以使腎相關疾病的發生率下降,并能有效改善預后。但是,臨床上由于生活習慣及飲食結構的不同,以及藥物之間相互作用等因素,針對TMAO與腎臟相關疾病的臨床研究還是比較少,給飲食調節、健康管理、疾病防治提供的參考也就相對較少,而且目前很多臨床方面的研究都是單次研究,所提供的依據還不夠充分。目前降低血中TMAO水平或阻斷TMAO的影響主要有4種可能的方法[36],包括減少飲食中TMA前體的攝入,調節腸道菌群以減少TMA的產生,中斷FMO亞型的作用以減少TMAO的產生,以及阻斷PERK途徑。后續可通過增加此4類相關的研究,或是探尋其他信號通路,進一步明確TMAO與各種疾病的相關性及敏感性,則TMAO等相關腸道代謝產物有望成為常規的檢測指標以及治療靶標用于臨床,給醫患雙方提供更明確的參考和指導臨床治療。