氧化三甲胺在心脏与肾脏纤维化中的作用及机制

谢舜昀，刘师辰，李 微，崔文鹏

(吉林大学第二医院 肾病内科，吉林 长春130041)

纤维化指各种有害刺激造成组织损伤后启动的修复机制，表现为过度、无序的间质内纤维结缔组织大量增生、细胞外基质增多、实质细胞减少，严重可致器官结构破坏和功能减退。探讨纤维化的发生机制对于有效延缓器官功能减退至关重要。研究表明，肠道源性毒素氧化三甲胺(TMAO)在器官纤维化进程中扮演着重要角色。基于目前最新研究，本文就肠道源性毒素TMAO与心肌纤维化、肾脏纤维化的关系及机制进行综述。

1 TMAO的体内代谢

TMAO是一种化学式为(CH3)3NO的无气味小分子化合物，具有许多生物活性，如稳定蛋白质和核酸结构，调节渗透压等[1-3]。在日常生活中，鱼类、肉类、蛋类等富含胆碱、磷脂酰胆碱、左旋肉碱的食物是体内TMAO的主要来源。研究表明，在大肠埃希菌、梭状芽胞杆菌等多种细菌参与下[4,5]，以上物质经细菌体内胆碱三甲胺(TMA)裂解酶[6]、Rieske型加氧酶及菌群之间复杂的相互作用下生成TMA[7,8]，后者通过肠黏膜吸收入血，随后在肝脏黄素单加氧酶3(FMO3)氧化作用下产生TMAO[9]。可见，机体中TMAO的产生主要受饮食[10]、肠道微生物组成[11]、肝脏FMO3[12]和胆碱TMA裂解酶[13]活性的影响。

正常情况下，大部分TMAO以原型从肾小球滤过[14]。因此，肾功能异常也会影响其血清浓度。在慢性肾脏病(CKD)患者中血TMAO浓度随肾小球滤过率下降而逐渐升高[15]，同肌酐和尿素氮等尿毒症物质一样，肾移植及血液净化治疗可降低血TMAO浓度[14,16]。此外，肾脏髓质早期缺血损伤可导致血液及尿液TMAO释放增加[17]。

2 TMAO与心肌纤维化

随着近年来学者们对TMAO在心血管疾病作用方面探索的增多，研究发现TMAO与心肌纤维化之间存在明显的相关性。首先Organ 等人[18]发现在腹主动脉横缩术建立心力衰竭小鼠模型中，分别给予小鼠富含胆碱或TMAO的饮食喂养，循环中TMAO水平随之升高，并且进一步加重模型小鼠的心肌纤维化。在同样的动物模型中，Li等[19]观察到了相同的结果，并且在给予抗生素抑制肠道菌群后，小鼠血TMAO水平下降的同时心肌纤维化程度也相应减弱，进一步证明TMAO具有促进心肌纤维化的作用。在与上述实验模型不同的研究中，Chen等[20]也观察到类似结果。该研究在应用高糖、高脂饮食诱导小鼠肥胖的过程中，与对照组小鼠相比，实验组小鼠的血TMAO水平增高，心脏出现明显的纤维化改变，并且上述改变可以在给予小鼠3，3-二甲基-1-丁醇非致命性、竞争性的抑制TMA裂解酶后[13]，通过减少肠道TMA合成，降低血TMAO 水平来改善心肌纤维化程度。但上述研究结果仅表明血TMAO水平增加可促进纤维化，其具体机制尚不明确。

为了进一步探讨TMAO促进心肌纤维化的具体机制，Yang等[21]给予原代心肌成纤维细胞TMAO(300 μmol/L)刺激，结果发现转化生长因子βI型受体(TGF-βRI)、α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)、胶原蛋白I(Col I)的表达上调，并伴随Smad2磷酸化明显增加；而给予TGF-βRI阻断剂(SB431542)后α-SMA和Col I的表达下降。该研究提示，TMAO可能通过激活TGF-β/Smad2信号通路促进成纤维细胞向肌成纤维细胞转化，进而促进心肌纤维化。同样，Li等[22]应用不同浓度的TMAO(0 μmol/L-100 μmol/L)刺激小鼠原代成纤维细胞观察到TMAO通过TGF-β/Smad3信号传导以剂量依赖性方式促进成纤维细胞增殖，迁移和胶原蛋白分泌。更进一步表明，TMAO加重心肌纤维化可能与TGF-β/Smad信号通路有关。

炎症反应的激活也参与TMAO促进心肌纤维化的过程。NOD样受体蛋白3(NLRP3) 炎性小体是NOD受体家族的重要成员之一，由 NLRP3、凋亡相关微粒蛋白和半胱氨酸蛋白酶-1组成，与心肌纤维化密切相关[23,24]。Li等[22]在阿霉素诱导的心肌纤维化小鼠模型中发现，TMAO可增加Toll样受体4(TLR4)的表达，激活NLRP3炎性体，加重纤维化；而沉默NLRP3可降低TMAO在心脏成纤维细胞中引起的白介素-1β(IL-β)/pro-IL-1β，TGF-β，Col I和Col III水平的升高及α-SMA阳性细胞的数量。以往研究证实，NLRP3可以调控TGF-β/ Smad3信号通路[25]，而被TLR4激活[26]。因此，TMAO在成纤维细胞促进心肌纤维化过程中可能涉及TLR4-NLRP3-TGF-β信号通路，但这一推测需要在体内实验中进一步验证。另一个参与炎症反应的重要转录因子核因子κB(NF-κB)亦被证实与心肌纤维化相关[27]。Wang等[27]发现在心力衰竭小鼠模型中，小鼠血TMAO水平的升高与心室间质纤维化面积、心肌纤维化标志物及NF-κB的蛋白表达增加相一致，并且上述改变可通过减少 TMA 合成降低TMAO水平来改善。遗憾的是，该研究未能阻断NF-κB信号通路进而验证其在心肌纤维化过程中的关键作用。

此外，在探索TMAO与心肌纤维化的过程中，Huc 等人[28]提出了与上述研究相反的结果。该学者发现慢性、小剂量TMAO干预可减轻高血压大鼠的心肌纤维化，这可能与该实验周期长，TMAO干预剂量低于前面的实验有关。

综上所述，通过饮食干预、建立心力衰竭模型可显著增加血TAMO水平促进心肌纤维化，具体机制涉及TGF-β/Smad3信号通路及炎症的激活。随着TMAO与心肌纤维化的研究增多，进一步阐明TMAO参与心肌纤维化的机制，对诊断、治疗、预防TMAO相关的多种心血管疾病的发生、发展都有重要意义。TMAO与心肌纤维化相关研究见表1。

表1 TMAO与心肌纤维化

3 TMAO与肾脏纤维化

目前TMAO在肾脏方面的研究主要是其在CKD患者体内的异常增多与不良事件的发生相关，在促进肾脏纤维化的研究较少。早期Tang等人发现[29]分别给予健康小鼠胆碱和TMAO饮食后，两组小鼠体内TMAO含量和肾小管损伤标志物(肾损伤分子1)水平较对照组明显增高。更重要的是，升高的TMAO水平与肾小管间质纤维化、胶原沉积、Smad3磷酸化呈正相关。该研究首次表明TMAO可促进肾纤维化和肾功能障碍，并存在剂量依赖性；同时，还提示在TMAO促进肾脏纤维化过程中TGF-β/Smad3信号通路可能发挥作用。同样遗憾的是，该研究无阻断TGF-β/Smad3信号通路后观察肾脏纤维化指标的变化。近期以上结果得到来自美国的一项最新研究进一步验证[30]，Gupta等提出给予小鼠膳食补充胆碱或TMAO可以加重慢性皮下注射异丙肾上腺素导致的肾功能损害和纤维化，并且给予胆碱TMA裂解酶抑制剂碘甲基胆碱降低TMAO含量后，肾脏纤维化明显减轻。以上研究结果均表明，TMAO参与肾脏纤维化过程，但具体机制尚不明确。

在与上述不同的研究中，Sun等[31]发现与低脂饮食相比，高脂饮食诱导的肥胖小鼠血TMAO 水平和肾间质纤维化程度增加，分子水平上肾脏组织氧化应激指标(NADPH氧化酶-4)、炎性指标(肿瘤坏死因子-α、IL-1)显著增加，以上改变同样也可以通过减少 TMA 合成降低TMAO水平来改善。该研究提示在肥胖相关性肾损害中，TAMO在促进肾脏氧化应激和炎症导致肾间质纤维化中发挥重要作用。

TMAO的促肾脏纤维化现象不仅在动物实验中体现，在最近的临床研究中亦被证实。El-Deeb 等[32]纳入80例CKD2-4期患者和15例健康人，测定全血中Smad3、NLPR3的mRNA水平和血清TGF-β1、IL-1β、TMAO的蛋白质含量。结果显示，上述因子含量在健康人中低于CKD患者，并且随肾小球滤过率下降呈阶梯状增高。该临床研究表明，TMAO、TGF-β/Smad3、NLRP3炎性小体可以作为评估CKD进展的生物标志物，但是三者之间是否存在因果联系还需要进一步探索。TMAO与肾脏纤维化相关研究见表2。

表2 TMAO与肾脏纤维化

在人体内，心脏、肾脏可以影响肠道血液循环造成肠道代谢紊乱，肠道代谢产物也可以对心脏、肾脏造成损伤，三者之间存在相互作用、相互影响的复杂关系。为此，有学者提出人体内可能存在“肠道-肾脏-心脏轴”[33]。随后，日本学者的研究证明了该轴在体内的存在[34]，研究发现在缓泻剂利那洛肽通过影响肠道菌群组成和代谢显著降低慢性肾衰竭小鼠血TMAO水平的过程中，同时减轻肾衰竭小鼠的肾脏、心脏纤维化程度。机体内肠道源性代谢产物TMAO正是体现这种复杂关系代表物质之一，但其是否是参与组成“肠道-肾脏-心脏轴”尚无法明确。尽管如此，我们也应该重视TMAO对组织器官造成损伤的作用。

4 小结与展望

综上所述，在心脏、肾脏纤维化及功能受损过程中，TMAO起着重要的促进作用，并与器官纤维化程度呈现出一定剂量依赖性，TGF-β/Smad信号通路在该过程中发挥关键作用。此外，氧化应激、NLRP3炎性小体、NF-κB也可能参与其中。尽管TMAO在心脏、肾脏纤维化方面的研究已经取得了明显的进步，但还存在许多未知之处，需要我们将来进一步研究探索。明确TMAO、器官纤维化和“肠道-肾脏-心脏轴”三者之间的关系，为临床诊断、治疗TMAO相关性疾病提供新的思路，延缓心脏、肾脏纤维化进程。