肠道菌群及其代谢产物氧化三甲胺在慢性肾脏疾病中的研究进展

周 嘉，李宾公

(南昌大学第一附属医院心血管内科，南昌 330006)

慢性肾脏病(CKD)作为一种严重且不可逆的全球性疾病，截至2016年底，约有300万患者在维持透析[1]，造成社会负担的加重及生命质量的下降，近年来越来越多的研究表明肠道微生物群及其代谢产物在维持人类健康方面起着重要作用。肠道菌群失调不仅参与许多代谢性疾病的发生、发展，如肥胖、2型糖尿病(T2DM)、非酒精性脂肪肝(NAFLD)等，也与心血管疾病(CVDs)、CKD等有关，甚至与某些类型的癌症密切相关。其中CKD在全球疾病负担中占比份额大，且会显著增加心血管事件风险，本文就肠道菌群及其代谢产物氧化三甲胺在慢性肾脏疾病中的研究进展进行综述。

1 氧化三甲胺的形成与代谢

氧化三甲胺(TMAO)是由肉碱、磷脂酰胆碱、甜菜碱、左旋肉碱等含量丰富的食物(如蛋黄、红肉及某些海水鱼类等)经肠道微生物的作用形成三甲胺(TMA)，一种具有腥臭气味的小分子[2],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，并进入血液循环的胺类小分子化合物，总终通过呼吸、汗液、肾脏等途径代谢清除。

最早TMAO作为一种食品保鲜剂被人们认识，具有特殊的鲜味，主要存在于深海鱼类等水产品中，TMAO也被发现可以维持单核细胞、真菌以及哺乳动物细胞等的渗透压[3]，保护细胞不被破坏，免受高浓度尿素产生的蛋白质变性作用，因此血浆中TMAO水平升高可能与尿素氮(BUN)循环浓度的影响有关。最近更多的研究发现TMAO与各种疾病间存在相关性，可作为疾病的预测、预后因子，甚至作为新的治疗靶点。

2 肠道菌群与TMAO的关系

循环TMAO水平与饮食结构、肠道菌群的丰度、多样性和均匀度以及肠黏膜通透性等相关。

2.1 肠道菌群

肠道微生物群是指胃肠道的细菌总集，与宿主为共生关系，大概有1014种，由5个门构成：类杆菌、厚壁菌、放线菌、蛋白菌和疣菌，其多样性和平衡性保证着人体健康，其中90%以上为类杆菌和厚壁菌[4]，厚壁菌门与拟杆菌门的比值(F/B)是反应肠道菌群紊乱的重要指标。FENNEMA等[5]归纳了参与不同饮食前体代谢生成TMA的菌种。参与胆碱代谢的是厚壁菌门中的梭菌属、肠球菌属、链球菌属，放线菌门中的动弯杆菌属、欧陆森菌属以及记忆蛋白菌门中的肠杆菌属、爱德华菌属、埃希菌属、脱硫弧菌等。参与左旋肉碱转化为TMA的是粘质沙雷氏菌和乙酸钙不动杆菌[6]。而胆碱和肉碱可先转化甜菜碱，再被放线菌门(梭菌属、真细菌属)代谢为TMA[5]。WANG等[7]对肠道菌群进行基因测序，并根据TMAO行相关分析，发现与TMAO形成呈正相关的菌群：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

通过检测不同饮食[8]习惯人群的粪便中微生物种类，发现素食主义者的肠道菌群发生了大幅变化。予肉碱干预后，素食组的TMAO水平无明显变化，而杂食组的循环及尿液TMAO浓度均显著升高，可能是由于长期素食的肠道中缺乏参与TMAO生成的菌群。小鼠长期饮食中添加左旋肉碱会改变其盲肠的微生物组成，显着增强TMA和TMAO的合成，并增加动脉粥样硬化(AS)风险，但是如果同时抑制肠道菌群则不会发生AS[9]。另一项试验发现进食蛋类和牛肉可产生更多TMAO(尿液TMAO排泄增加≥20%)，且肠道菌群的生态多样性减弱，F/B比值升高[10]。

2.3 肠道黏膜屏障

在自发性高血压大鼠(SHR)模型中发现大鼠结肠黏膜的小动脉壁明显增厚，而肠黏膜厚度及肠道血流量(IBF)明显降低，这表明高血压可导致肠血屏障功能受损，对肠道微生物代谢产物的渗透性增加[11]。慢性心力衰竭时，有效血容量下降，肠黏膜屏障功能下降，肠道菌群种类及比例亦发生改变，内毒素及TMAO等代谢产物更易通过受损的肠道黏膜屏障，进入血液循环[12]。肾衰状态下，肠道微生物会由相对均匀分布的复合菌群变成单一，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[13]。但这种菌群改变对TMAO的影响还有待进一步研究。

3 TMAO与CKD的关系

随着代谢组学研究的深入，发现相对于非CKD患者，CKD患者循环TMAO水平显著高于非CKD患者，即使在肾小球滤过率(eGFR)轻度下降仍未诊断CKD的人群中，血清TMAO水平也与胱抑素C水平成正比，提示在肾功能明显减退之前TMAO的蓄积可能已经发生了，且不论胱抑素C水平高低，TMAO水平升高均是预后不良因子[14]。在中重度CKD患者中，TMAO与炎症生物标志物，如高敏C反应蛋白(hs-CRP)和IL-6成正比，是心血管(CV)事件死亡率的独立预测因子[15]，这种相关性可能与TMAO介导氧化应激损伤、肾功能减退有关。如前所述CKD状态下正常的肠道生态平衡、肠黏膜屏障被破坏，不仅导致产TMAO的菌群增加，肾脏的TMAO清除率也下降，会导致吲哚类、酚类等尿毒症毒素以及TMAO蓄积[16]。TMAO不仅能作为早期筛查CKD的指标。TMAO还是一种肾毒性物质，大量动物实验表明肠源性毒素TMAO和慢性肾脏疾病的炎症状态密切相关，在高脂[17]、TMAO/胆碱饮食[14]喂养的小鼠肾脏间质中可观察到Smad3(肾脏纤维化的关键调节剂)发生磷酸化改变，肾脏损伤分子-1(KM-1)、NADPH氧化酶-4和促炎性细胞因子的表达显著增加，导致肾脏纤维化，影响肾小球滤过率和肾功能[18]。饮食中加入三甲胺抑制剂3，3-二甲基-1-丁醇(DMB)可降低血浆TMAO水平，抑制上述分子和形态学改变[19]。在动物实验中还发现性激素可调节FMO3，以及肾小管有机阳离子转运体的基因表达，升高雌性小鼠的TMAO水平[20]。不仅是CKD，也有不少研究[21]发现肠道菌群及TMAO在急性肾损伤(AKI)中发挥不可或缺的作用。

4 治疗前景

肠道菌群失调及以TMAO为代表的代谢产物在“肠-肾轴”中发挥了重要作用，因此调控肠道微生物及TMAO水平可能成为防治CKD的重要靶点(封三图1)。

4.1 饮食调整

改变饮食结构，如采取地中海饮食：以蔬菜、水果、鱼类、坚果、豆类、橄榄油为主，配以一定量的红酒。通过减少TMA的前体物质的摄入，增加红酒、橄榄油等含DMB的食物，抑制肠道菌群生成TMA，减少TMAO的产生[22]。长期坚持健康的饮食习惯，有利于改变肠道菌群的结构，抑制产生TMA或TMAO的肠道细菌，可能是一种合理的干预措施。

4.2 抗生素、益生菌与益生元

TMAO是由肠道菌群代谢产生TMA后经肝脏氧化形成，故肠道菌群也成为了调节TMAO生成的靶点之一，可以通过服用抗生素，益生元和益生菌或通过粪便移植进行改变。

4.2.1 抗生素

在发现肠道菌群的重要作用后，早期有使用抗生素抑制产TMAO的菌群的治疗思路，但临床试验中发现长期使用抗生素将导致产生抗药性肠道微生物群大量繁殖及菌群失调。

4.2.2 益生菌和益生元

长期服用益生元、益生菌可刺激并调整肠道菌群菌群，发挥疾病治疗作用[23]。益生菌中乳酸杆菌、双歧杆菌和卫氏球菌使用较多；代表性的益生元有甘露寡糖(MOS)、菊粉型果聚糖(ITFs)、长链菊糖以及β-葡聚糖[24]。一项荟萃分析综合相关研究[25]得出：益生菌有着改善慢性肾脏疾病病情，补充益生元以及低蛋白饮食可延缓CKD的进展[26]。

4.3 粪便微生物群移植

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[27]。在许多疾病中已经有深入的研究，在肠道微生物群移植实验中，从对盐不敏感的大鼠肠道获微生物群的盐敏感大鼠的血压显著升高[28]；从较瘦正常供者中获得肠道微生物抑制的代谢综合征受者的胰岛素敏感性在移植后6周显著增强。FMT可刺激产生丁酸的细菌的生成，发挥治疗CVD的作用[29]。甚至已经在临床上成功应用：FMT用于治疗艰难梭菌感染和炎症肠病[30]。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，使FMT在临床上使用受限。

4.4 FMO3阻滞剂

经肠道菌群代谢产生的TMA需经肝脏FMOx家族氧化形成TMAO，其中活性最高的为FMO3，是TMAO形成的关键酶。在肾功能不全小鼠中发现FMO3活性增高，TMAO水平随之增加[20]，通过抑制肝脏FMO3的活性，可降低血浆中TMAO水平[31]，FOM3除通过影响TMAO形成从而参与疾病的发生之外，还可直接影响FoxO1导致代谢综合征以及动脉粥样硬化等。FMO3阻滞剂一度被认为是治疗靶点之一，但是随着研究继续深入，发现抑制FMO3会带来代谢底物及TMA的升高，一种具有特殊气味的小分子，蓄积之后会引起的体臭、口臭，即鱼腥综合征，影响生活质量[2]。且大量研究发现TMA也是心血管危险因素之一[32]，故FMO3阻滞剂作为治疗靶点的思路已经摈弃。

4.5 增加DMB摄入

DMB作为一种胆碱类似物，可与胆碱竞争细菌的TMA裂解酶，减少TMA的生成，降低TMAO水平，地中海饮食中的红酒、橄榄油以及茶多酚富含DMB。WANG等[33]研究高胆碱饮食喂养的小鼠，升高的血液TMAO浓度在予以DMB后明显下降，且连续16周予以DMB没有带来副作用。通过补充DMB降低TMAO的方法并未带来TMA升高等其他副作用，可能作为治疗慢性肾脏疾病及心血管疾病的新思路。

5 总结

随着对肠道菌群相关研究的激增，及DNA测序分析等技术的不断进展，极大地改变了人们对肠道菌群的认识，及其对人类健康和疾病的影响。肠道菌群依赖性氧化三甲胺不仅可以作为慢性肾脏病的标志物，也是加重肾脏病变的危险因素，本文主要介绍了肠道微生物群及其代谢物氧化三甲胺，在慢性肾脏病中的作用，以期在疾病发生的上游进行干预，降低疾病风险。