氧化三甲胺与常见慢性疾病相关研究进展

孙功鹏，高月兰，魏家燕，陈天洪，金洁莹 综述，武军驻 审校

(武汉大学基础医学实验教学中心，湖北武汉 430071)

冠心病、中风和糖尿病等是近年来造成人类死亡的主要原因，而阿尔兹海默病(AD)则被认为是造成老年人痴呆症发生及死亡的常见原因[1]，因此对心脑血管疾病、糖尿病等慢性非传染性疾病的预防、诊断、治疗及预后评估的研究具有重要的临床意义。人体肠道系统内存在大量微生物群落，其代谢产物约占人体血液小分子的20%[2]，微生物群落及其代谢产物几乎对人体所有器官的发育、代谢和功能均产生一定影响，因此肠道菌群与疾病的关系越来越被关注。氧化三甲胺(TMAO)作为人类肠道菌群的重要代谢产物之一，被认为与心脑血管系统疾病、AD、慢性肾病和2型糖尿病等疾病相关[3]，本文主要就TMAO与人体常见慢性疾病发生、发展关系的研究进展作一综述，以期为临床治疗及科学研究提供参考。

1 人体内TMAO的来源

早期研究发现，TMAO是一种天然存在于海洋鱼类中的渗透物，通过改变细胞化学环境来稳定蛋白质的结构，从而削弱尿素对蛋白质的变性作用，以利于细胞在不利环境中存活[4-5]。鸡蛋、乳制品、咸水鱼及红肉是人体内的TMAO潜在来源[3]，肠道菌群可借由其专有的三甲胺裂解酶将食物来源的卵磷脂、胆碱和L-肉碱裂解产生三甲胺(TMA),TMA入血经门脉系统进入肝脏后被黄素单加氧酶家族(FMO)氧化形成TMAO，最终由肾脏、汗液和呼吸排出体外[6-7]。人体的TMAO水平个体差异较大，与遗传、饮食习惯、肝脏FMO3含量、人体肠道菌群类别等因素相关[7],其中FMO3含量起主要的调控作用[6]。不同TMAO水平个体肠道菌群的整体组成无明显差别，但个别菌属与TMAO水平有关，普氏菌属多的肠道菌群要比拟杆菌属多的肠道菌群生成的TMAO量高[8]，厌氧球菌、梭状芽孢杆菌、产孢梭菌、埃希氏菌、变形杆菌、马氏志贺菌等通过调节胆碱消耗和TMA积累也可以影响人体内TMAO的水平[9]。

2 TMAO在心脑血管系统疾病中的作用

2011年，TMAO首次被确认与多种心脑血管系统疾病相关[7]，本部分就TMAO在心脑血管疾病的最新进展作一综述。

2.1TMAO与动脉粥样硬化(AS) AS是心肌梗死和脑卒中等多种心脑血管疾病发生、发展的基础，目前仍是世界范围内人类死亡的重要原因[10]，其主要特征是内皮功能障碍、炎症细胞募集和泡沫细胞的形成。WANG等[11]最早证明了TMAO对AS的促进作用。

研究发现，脂质代谢和炎症主要由TMA/FMO3/TMAO途径调节，TMAO可通过抑制小鼠胆固醇的逆向转运,使得肝脏中胆汁酸池缩小，从而导致胆固醇外排受阻并堆积于细胞内，促进AS的形成[12]。清除受体分化抗原36(CD36)的上调可以导致ox-LDL摄入过多而促进AS的发展，而MAPK/JNK通路是CD36摄取ox-LDL的重要介质，GENG等[10]发现TMAO诱导的AS至少部分由CD36/MAPK/JNK途径介导。

AS也可由血管内膜损伤后长期过度炎症所致，NOD样受体蛋白3(NLRP3)炎性体可通过上调白细胞介素(IL)-1β和IL-18导致炎症和内皮障碍，促进AS的发展进程[13]。TMAO可通过多种途径激活NLRP3炎性体从而介导血管炎症。相关研究发现，TMAO可显著触发氧化应激并活化ROS-TXNIP-NLRP3途径从而诱导炎症和内皮功能障碍[14]。此外,CHEN等[15]研究发现，TMAO可通过SIRT3-SOD2信号通路上调线粒体活性氧水平，线粒体活性氧作为直接激活剂激活NLRP3炎性体而导致AS。该研究初步证明了SIRT3-SOD2是体外和体内介导TMAO诱导的NLRP3炎性体激活和血管炎症的主要信号通路。

AS后期斑块出血破裂可导致血栓形成，而血小板高反应性是心血管事件如心肌梗死和脑卒中的危险因素[10]。研究表明，TMAO可作为细胞外信号浓度依赖性地激活肌醇-1,4,5-三磷酸(IP3)，IP3通过刺激血小板内钙库释放Ca2+，从而激活血小板导致血小板高反应性，促进AS后期急性心肌梗死和脑卒中的形成[16-17]。

此外，LI等[18]首次证明TMAO是预测急性冠状动脉综合征背景下传统危险因素和实验室检测的近期和长期不良心血管事件的重要预后指标。TMAO有助于急性心肌梗死住院治疗的风险分层，其可预测2年内心肌梗死患者的病死率，且优于当前生物标志物。SUZUKI等[19]发现当TMAO与GRACE评分一起用于计算急性心肌梗死6个月预后不良风险时，可在初始分类为较高风险组内再次识别风险较低的患者，表现出作为次要危险分层生物标志物的有效性,这验证了TMAO作为急性心肌梗死预后指标的重要作用。

2.2TMAO与心力衰竭(HF) 研究发现HF患者血浆TMAO水平高于健康人群[20]。ORGAN等[21]发现与正常小鼠相比，喂食TMAO或胆碱补充饮食的小鼠心脏肥大、左心室射血分数显著降低、心肌纤维化显著增强，HF严重程度显著增强，表明TMAO在HF的发生中起显著作用。SUZUKI等[22]验证了升高的TMAO水平可以对HF患者的预后不良进行预测。然而，TANG等[23]发现TMAO不能很好地预测慢性收缩性HF的长期临床结果。TMAO具有急性HF预后评估功能，然而TMAO与慢性HF的预后关系有待进一步的研究。

3 TMAO与AD

DEL RIO等[24]首次证明了TMAO存在于人类脑脊液中。近年来，TMAO被证明与AD的发生发展相关。AD是痴呆症发病和死亡最常见的原因之一[1]。TMAO和AD具有很强的正相关性[3]。Aβ肽和tau蛋白已被证明与AD的形成有关[25]。内在变形蛋白(IDPs)是一类没有稳定天然结构的蛋白质，TMAO有利于稳定IDPs的聚合过程[16]。Aβ肽和tau蛋白属于IDPs，学者推测TMAO可能会加速二者寡聚化结构而促进AD的形成。ZHU等[16]观察到TMAO可稳定Aβ肽的结构并加快Aβ肽聚集的速度,促进AD的形成。R2/wt肽是一种tau片段，其在体外以与全长tau相似的方式聚集，LEVINE等[26]发现TMAO可以稳定紧凑的R2/wt单体，同时显著提高R2/wt聚集的速率并稳定紧凑的二聚体结构，而这些聚集体具有典型的tau纤维形态，因此他们认为TMAO可促进AD的形成。

然而在另一项研究中，TMAO却在AD中起着保护作用。TSENG等[27]发现，TMAO促进磷酸化的tau蛋白与微管结合，克服由磷酸化引起的功能缺陷，从而促进神经微管蛋白的组装，可见TMAO可能具有保护作用。因此，TMAO在AD的具体作用机制仍需进一步的实验证据证实。

4 TMAO与慢性肾病(CKD)

JOHNSON等[28]发现CKD患者体内TMAO水平显著高于非CKD人群，这提示TMAO与CKD相关。小鼠实验发现CKD小鼠肝脏中编码生成TMAO的关键酶之一的FMO3基因表达量显著增加，此外他们在体外实验中发现TMAO能抵消尿素的蛋白变性作用，这表明TMAO可能对CKD患者存在保护作用。但TANG等[29]发现CKD抵抗小鼠体内早期肾损伤敏感指标肾损伤分子-1(KIM-1)与血浆胱抑素C的水平均升高，同时伴有肾纤维化重要调节因子Smad3基因的磷酸化水平升高，这些结果则表明TMAO可能会直接导致进行性肾纤维化和功能障碍。此外，TMAO可影响肾小球的滤过率[3]。GRUPPEN等[30]发现TMAO与任何程度的肾功能损伤患者的全因病死率相关，TANG等[29]则在临床研究中发现体内高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，这表明TMAO可作为肾脏疾病预后评估指标。关于TMAO导致CKD的机制目前尚未研究清楚，研究其机制可能会为CKD的预防、治疗及预后的评估提供新的有效的方法。

5 TMAO与肥胖及糖尿病

肥胖常与肠道功能障碍或微生物生态失调相联系[31]，其是糖尿病的危险因素之一。SCHUGAR等[32]发现肠道微生物驱动的TMA/FMO3/TMAO途径与肥胖和能量代谢相关；HEIANZA等[33]进一步验证血浆TMAO水平和TMA/FMO3/TMAO途径可能有助于调节葡萄糖代谢和胰岛素敏感性。KASSELMAN等[34]发现高脂饮食促进革兰阴性菌菌株增殖而增加脂多糖(LPS)产生；同时，高脂肪微生物组减弱宿主肠紧密连接蛋白(ZO-1)和闭合蛋白基因表达，从而增加肠道通透性，允许LPS吸收进入血液。高水平LPS激活toll样受体4，从而在脂肪细胞和巨噬细胞中引发炎症途径如c-Jun 氨基端激酶和NF-kB的形成，c-Jun氨基端激酶阻碍骨骼肌胰岛素信号的传导而诱导胰岛素抵抗和肥胖的发生。BOINI等[35]研究表明TMAO会下调ZO-1基因的表达以改变内皮细胞的渗透性，笔者推断高脂饮食可能通过上调TMAO而降低肠ZO-1基因的表达来促进胰岛素抵抗和肥胖的发生。

最近，SHAN等[36]发现2型糖尿病(T2DM)的发生与TMAO正相关。TMAO通过阻断肝脏胰岛素信号通路并在脂肪组织中引起炎症而加剧葡萄糖耐量的降低和高血糖症的发生,诱导IR和T2DM的形成[35]。胰岛素主要通过PI3K/Akt途径调节糖代谢,Akt可激活调节肝糖原的糖原合成酶(GYS2)及肝糖原转运载体(GLUT2)，促进肝糖原的合成、储存和转运[38]；另外，Akt活化会抑制叉头转录因子O1(FOXO1)的活性，进而抑制糖异生中的关键调节酶葡萄糖6磷酸酶(G6Pase)和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(PEPCK)[39]。GAO等[40]发现添加TMAO高脂饮食喂养小鼠的胰岛素受体底物2(IRS2)，PI3Kr1，Akt2的mRNA水平下降，表明饮食TMAO可能加剧胰岛素信号传导途径的阻断；同时GYS2和GLUT2 mRNA表达降低，表明TMAO可能促使肝糖原合成受阻并削弱了肝糖原转运能力；此外，FOXO1、G6pase和PEPCK的mRNA水平增加，表明TMAO促进糖异生。故膳食TMAO可能通过减弱胰岛素信号传导加剧高脂饮食喂养小鼠的葡萄糖耐量受损。TANG等[37]发现糖尿病患者的空腹血浆TMAO浓度较高，并预示较高的不良心脏事件和死亡风险，因此TMAO可能是T2DM不良预后的重要风险标志物，验证了TMAO在糖尿病中的作用。

TMAO或可直接或间接通过肥胖来诱导糖尿病的发生。但是也有研究发现，TMAO可通过促进T2DM大鼠的正常蛋白质折叠来抵消内质网应激，这表明TMAO在糖尿病中具有潜在有益作用[41]。因此需进一步研究以确认TMAO与T2DM的关系。

7 展 望

TMAO作为肠道菌群的重要代谢产物，对人体血栓和血小板形成、炎症、脂质代谢、胰岛素抵抗、糖代谢、癌症的发生发展等方面都有一定的作用，因而影响相关疾病的发生发展。目前除了心血管疾病以外，对其他疾病的研究较少，而且在各项研究中，对TMAO在各个疾病病因学中的作用研究甚少。TMAO有望成为上述疾病早期诊断、疗效评价、预后效果的判断指标，并可能成为相关疾病的治疗靶标，进一步对TMAO的作用进行研究可能为相关疾病的诊断和病情监测及临床治疗提供新的思路和方法。