肠道菌群及其代谢产物氧化三甲胺在心血管疾病中的研究进展

周嘉， 李宾公

南昌大学第一附属医院心血管内科(江西南昌 330000)

随着医疗诊治水平的不断进步，心血管疾病(CVD)的病死率虽有所下降，但仍是世界范围内的主要死因。截止2017年，全球约有1 780万人死于CVD[1]。CVD具有起病急、病情进展迅速，病死率高等特点。肥胖、吸烟、糖尿病、高胆固醇等危险因素并不能完全解释CVD，代谢组学是目前研究的热点，研究发现肠道菌群及其代谢产物不仅在CVD中发挥至关重要的作用，且可能作为CVD的独立危险因素[2]。肠道是人体最大的“细菌库”，健康机体的肠道内存在大量细菌和微生物，不同种类的细菌之间维持着复杂的平衡状态，除产生营养素外，还可消化食物产生氧化三甲胺(TMAO)、短链脂肪酸(SCFA)等代谢产物，并维持代谢产物的正常水平。高胆碱饮食、肠道菌群失调、肠黏膜屏障功能障碍均可导致循环TMAO水平升高，进而导致或加重CVD[3],如高血压、心力衰竭(HF)、动脉粥样硬化(AS)、心肌梗死(MI)、房颤(AF)等。本文着重介绍了肠道菌群及其代谢产物TAMO在CVD中的研究进展。

1 TMAO的形成与代谢

Gao等[4]报道，TMAO由蛋黄、红肉及某些海水鱼类等富含肉碱、磷脂酰胆碱、甜菜碱的食物经肠道微生物的三甲胺(TMA)裂解酶作用形成TMA，再经肝脏黄素单加氧酶家族(FMOX)，主要是黄素单加氧酶3(FMO3)氧化形成。进入血液循环的胺类小分子化合物，最终通过呼吸、汗液、肾脏等途径代谢清除。

TMAO主要存在于深海鱼类等水产品中，最早作为一种食品保鲜剂被人们认识。TMAO还可以作为渗透剂，维持哺乳动物细胞的渗透压，保护细胞不被破坏[5]。最近有更多的研究发现TMAO与各种疾病间存在相关性，甚至可作为疾病的预测、预后因子甚至新的治疗靶点。

2 肠道菌群的组成及影响因素

2.1 肠道菌群的种类及比例 人类肠道中存在各种微生物，主要为细菌，与宿主为共生关系，其多样性和平衡性保证着人体健康。肠道微生物群约有1 014种，由5个门构成：类杆菌、厚壁菌、放线菌、蛋白菌和疣菌，90%以上为类杆菌和厚壁菌[6]。肠道微生物可通过TMA裂解酶代谢饮食前体为TMA，Fennema等[7]发现厚壁菌门(梭菌属、肠球菌属、链球菌属)、放线菌门(动弯杆菌属、欧陆森菌属)以及蛋白菌门(肠杆菌属、爱德华菌属、埃希菌属、脱硫弧菌)参与胆碱代谢；粘质沙雷菌和乙酸钙不动杆菌参与左旋肉碱代谢[8]。食物中胆碱和肉碱也可先转化甜菜碱，再被放线菌门(梭菌属、真细菌属)代谢为TMA[7]。王珊等[9]对肠道菌群进行基因测序，并与TMAO行相关分析，发现与TMAO呈正相关的菌群：梭菌属、考拉杆菌属、颤杆属和类杆菌目，而厌氧杆菌属与TMAO呈负相关。

2.2 饮食习惯与肠道菌群结构的关系 检测不同饮食习惯人群的血浆TMAO水平及粪便中微生物种类，发现两者之间具有相关性，补充肉碱后，发现杂食者的血浆及尿液TMAO浓度均显著升高，素食者的TMAO水平无明显变化，可能是由于素食者肠道中参与TMAO生成的菌群被逐渐淘汰[10]。另一项临床试验发现，进食蛋类和牛肉并产生更多TMAO(尿液TMAO排泄增加≥20%)的受试者的肠道菌群生态多样性减弱，且厚壁菌门细菌数量超过类杆菌门细菌[11]。

2.3 疾病状态下肠道菌群及肠道黏膜屏障的改变 肾功能衰竭状态下，肠道复合菌群会变单一，比如类杆菌门、厚壁菌门的某些细菌(特别是乳杆菌科、普雷沃菌科)减少[12]。HF时肠道菌群种类及比例亦发生改变，有效血容量不足，肠黏膜屏障作用也会削弱[13]。在自发性高血压大鼠模型中发现肠黏膜厚度及肠道血流量(IBF)明显降低，而肠黏膜小动脉壁明显增厚，表明高血压亦导致肠道屏障功能受损[14]，对肠源性内毒素、肠道微生物代谢产物的通透性增加。

3 肠道菌群与心血管疾病的关系

对肠道微生物群的进一步研究表明，菌群失调可引起高血压，研究健康及高血压人群的粪便菌群发现健康对照组的粪大肠杆菌、棒状菌、玫瑰菌、双歧杆菌、球菌和丁酸弧菌均较高血压患者丰富。相反，普雷沃菌在高血压患者中的比例过高[15]。另一项研究发现，克雷伯菌、梭菌和链球菌在高血压患者中更为丰富[16]。最近有大量研究支持肠道菌群是通过免疫系统发挥保护或促进实验性高血压的作用[17]。

冠心病(CAD)患者肠道菌群的多样性和丰富性下降[18]，肠道乳杆菌数量增加，拟杆菌门数量减少[19]。因此靶向肠道微生物群的调节可能是CAD治疗的新策略。

4 TMAO与心血管疾病的关系

许多研究揭示了人和动物的TMAO水平与心血管风险之间的关联，现分述如下。

4.1 TMAO与高血压 肠道菌群可通过代谢产物激活免疫系统，肠道交感神经系统和中枢神经系统相互作用，影响血压的控制[17]。动物在体实验中发现循环TMAO升高可通过增加血浆渗透压(Poms)，刺激垂体后叶素(AVP)释放，上调肾集合管主细胞顶端膜的水通道蛋白-2(AQP-2)的表达，增加钠水储留，即通过“TMAO-AVP-AQP-2轴”升高血压[20]。TMAO还可以增强小剂量血管紧张素Ⅱ(Ang-Ⅱ)介导的升压作用，且使升压作用持续更长时间[21]。在健康且体重正常的男性受试者中发现血浆TMAO的浓度变化与颈动脉压的波动相关[22]，可能通过影响中枢血液动力学，促进心血管事件的发生。

4.2 TMAO与HF 相对于正常饮食小鼠，富含TMAO或胆碱饮食的小鼠出现了严重的肺水肿、心肌纤维化及左室射血分数降低[23]。HF患者的TMAO水平升高，与心功能分级、缺血性病因和不良结局有关，甚至可作为5年死亡风险增加的独立预测因子[24]。TMAO可能比NT-proBNP更能预测射血分数降低的HF患者病死率[25]。

4.3 TMAO与AF 心肌纤维化是AF、HF等CVD的共同病理改变，TMAO参与且促进心肌纤维化的发生，在阿霉素(DOX)诱导的心脏纤维化小鼠模型中，予TMAO后加剧了DOX引起的心肌成纤维细胞的胶原蛋白分泌、积累，且呈剂量依赖性，表现为心脏纤维化及心脏功能障碍。可能的机制是通过TGF-β/Smad3信号转导，炎性因子升高、诱导核苷酸结合寡聚化结构域(NOD)样受体蛋白3(NLRP3)炎性体激活[26]。Meng等[27]通过小鼠模型证实静脉及心脏自主神经节局部注射TMAO，可通过激活核因子(NF)-κB途径，上调肿瘤坏死因子(TNF)-α、白细胞介素(IL)-6、IL-1β等炎症因子及神经生长因子水平，诱导炎症反应，增强心脏自主神经功能和活性，促进心肌纤维化及房颤等心律失常发生。在长期随访的两个独立队列研究中发现血浆TMAO水平与AF发生相关，这种关系与传统的AF危险因素以及饮食中胆碱摄入量无关，可用于改善AF患者的危险分层[28]。

4.4 TMAO与AS 在动物实验中发现TMAO可上调巨噬细胞表面的Toll样受体,激活NF-κB途径，诱导白细胞募集和黏附分子表达增加，分泌IL-6、IL-11、TNF-α等炎性因子，导致血管炎症反应[29]；上调巨噬细胞系统的清道夫受体，抑制脂质逆转，促进泡沫细胞形成；削弱内皮细胞的自我修复能力，增强单核细胞黏附能力[30]。大量临床试验证明循环TMAO水平与冠脉斑块稳定性以及冠脉病程严重程度成正比，与稳定性冠心病患者的5年全因死亡率相关[31]，甚至可协助急性心肌梗死后的危险分层[32]。

5 治疗前景

饮食结构、肠道菌群、FMO3是TMAO生成过程中的重要节点，因此调控以上节点可能成为防治CVD的潜在策略。

5.1 饮食调整 改变生活方式可以减少各种慢性病的患病率，富含抗氧化剂、微量营养素和纤维素，但饱和脂肪和钠含量低的饮食模式可减轻心肌纤维化，降低HF发病率及严重程度，显著降低患者的血压[33]。地中海饮食通过减少摄入的TMA前体物质，增加红酒、橄榄油、茶多酚等含有3,3二甲基丁醇(DMB)的食物，抑制肠道菌群生成TMA[34]。

5.2 肠道微生态调整 长期服用益生元、益生菌可刺激并调整肠道菌群，发挥疾病治疗作用[35]，荟萃分析表明益生菌对高血压具有保护作用[36]。是治疗高胆固醇血症的新疗法，防止动脉粥样硬化斑块的形成[37]，减轻斑块负荷，缩小心肌梗死面积，改善梗死后心脏重塑，延迟HF的发生[38]。小檗碱和白藜芦醇是在抗动脉粥样硬化方面研究较多的草药衍生物，可能通过抗动脉粥样硬化发挥心血管保护作用。

粪便微生物群移植(FMT)是近来备受关注的一种治疗方法，主要是通过转移“健康”的细菌达到治疗目的[39]。动物实验中发现FMT可改变盐敏感大鼠血压敏感性[40]以及代谢综合征大鼠的胰岛素敏感性[41]。FMT在临床上多用于治疗艰难梭菌感染和炎症肠病[42]。但通过FMT治疗疾病的同时，也有将内毒素或传染病通过FMT传染给受者的风险。

5.3 FMO3阻滞剂 FMO3是TMAO形成的关键酶，可调节血小板反应性和血栓形成风险[43]，在肾功能不全小鼠中发现FMO3活性增高，TMAO水平随之增加[44]，通过抑制肝脏FMO3的活性，可降低血浆中TMAO水平[45]，FOM3除通过影响TMAO生成参与疾病的发生外，还直接作用代谢控制的中心节点(FoxO1)导致代谢综合征以及动脉粥样硬化等[46]。FMO3阻滞剂一度被认为是新的治疗靶点，但是随着研究深入，发现抑制FMO3，其代谢底物TMA会升高，引起鱼腥综合征[4]。且近年TMA被认为是主要的心血管危险因素[47]，因此TMA裂解酶抑制剂被认为可通过减少TMA生成发挥心血管保护作用[48]，但仍需大量实验加以佐证。

6 总结

随着对肠道菌群相关研究的激增，以及DNA测序分析等技术的不断进展，极大地改变了我们对肠道菌群的认识，及其与疾病的影响关系。尽管全球疾病负担在医学进步的同时有所下降，但心血管疾病仍然是目前的主要死因。本文主要介绍了肠道微生物群及其代谢物TMAO，在心血管疾病中的发病机制，揭示了靶向肠道微生物群的巨大潜力，以期在疾病发生的上游进行干预，降低疾病风险。