肠道菌群代谢产物TMAO与冠状动脉粥样硬化性心脏病关系的研究进展

苏广胜，王少君，庞文跃

中国医科大学附属盛京医院，沈阳110004

2017年全球疾病负担国际合作研究报道，冠状动脉粥样硬化性心脏病(简称冠心病)是全球第一大死亡原因，多发生于中老年人群，男性多于女性，以脑力劳动者居多。近年来，随着我国居民生活水平提高和人口老龄化加剧，冠心病的发病率呈明显上升趋势[1]。目前，已经形成了许多较为完善且有效的冠心病治疗方案。但China PEACE研究显示，2001—2011年急性心肌梗死患者住院率仍呈逐年上升趋势；同时有研究报道，大部分冠心病患者因急性心肌梗死于院外死亡，即使院内医疗水平进一步提升并降低住院患者的病死率，其对冠心病总体病死率的影响仍然有限。因此，早预防、早诊断、早治疗成为冠心病防治的重中之重。然而，即使在已证实的冠心病危险因素得到控制后，急性心血管事件的残余风险依然存在[2]。除了传统的冠心病危险因素外，近年国内外学者发现，肠道菌群尤其是其代谢产物氧化三甲胺(TMAO)可能与冠心病的发生、发展有关[3-4]，有可能为冠心病的防治提供新的方向[5]。本文结合文献就肠道菌群代谢产物TMAO与冠心病的关系作一综述。

1 肠道菌群及其代谢产物TMAO

人肠道内存在很多细菌，肠道内定植的细菌总数达到100万亿个，是人体细胞总数的10倍。人肠道内菌群种类有1 000余种，主要有厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门、变形菌门、梭杆菌门等。这些细菌构成了肠道微生态系统，能够参与人体多项生理活动，如促进食物消化、营养物质吸收，还可影响机体免疫功能和代谢状态。WU等[6]研究表明，特定的共生细菌种类构成可以抑制特定免疫细胞聚集，如Foxp3阳性调节性T细胞；TURNBAUGH等[7]研究发现，肠道菌群可影响机体从食物中吸收能量的效率，将肥胖小鼠粪便中的细菌移植到无菌小鼠肠道后发现，无菌小鼠出现了肥胖倾向，表明肠道菌群构成变化可能是导致某些疾病发生的原因。肠道菌群作为近年来的研究热点，已被证实与多种疾病的发生有关。如GARCIA-RIOS等[8]报道肠道菌群失调可能是诱发心血管疾病的原因之一。

肠道菌群失调可导致其代谢产物水平变化。TMAO是肠道菌群代谢产物之一，是一种小分子无色氧化胺。TMAO的生成对肠道菌群具有依赖性。研究表明，经口进食含胆碱、甜菜碱或肉毒碱的食物，肠道菌群分解代谢胆碱、甜菜碱或肉毒碱能够产生三甲胺(TMA)，TMA吸收入血后经肝脏黄素单氧化酶3(FMO3)代谢生成TMAO[9-11]。肠道菌群构成、进食食物种类、年龄等能够影响TMAO产生。WU等[12]研究发现，小鼠肠道菌群构成经抗生素改变后，可导致小鼠粪便中TMAO含量显著增加；KOETH等[10]研究报道，长期进食红肉可改变肠道菌群构成，同时可增加TMAO产量。血浆TMAO水平不仅受肠道菌群构成和进食食物种类的影响，近年研究发现，血浆TMAO水平还可随着年龄增长而逐渐升高[13-14]。

2 TMAO与冠心病的关系

2.1 TMAO与动脉粥样硬化的关系 动脉粥样硬化是一种常见的动脉疾病，是导致心脑血管疾病的主要原因。目前认为，动脉粥样硬化是多种危险因素共同作用所致的，如高血压、糖尿病、高脂血症、吸烟等。近年研究发现，除了上述危险因素外，血浆TMAO水平升高与动脉粥样硬化的发生、发展密切相关。WANG等[15]研究发现，血浆TMAO水平升高能够促进小鼠动脉粥样硬化的发生、发展，进一步研究发现在载脂蛋白ApoE基因敲除的小鼠模型中，血浆TMAO水平升高与动脉粥样硬化斑块负荷增加呈正相关关系。

冠心病是冠状动脉血管发生动脉粥样硬化病变造成心肌缺血、缺氧或坏死而导致的一种心脏病。因此，血浆TMAO水平升高与冠心病的发生、发展有关，血浆TMAO水平与冠状动脉粥样硬化斑块负荷存在明显的量效关系。熊筱伟等[16]研究亦证实，血浆TMAO水平与冠心病的发生密切相关，是冠心病的独立危险因素。血浆TMAO水平升高是引起冠心病的原因之一，在临床研究中亦有报道。JIE等[17]在一项宏基因组关联分析中，纳入了218例冠心病患者和187例健康志愿者，结果发现冠心病患者肠道菌群参与TMA合成的菌群丰度明显增加，血浆TMAO水平明显升高。在一项为期3年的临床研究中亦发现，主要不良心血管事件的发生率升高与血浆TMAO水平升高密切相关，血浆TMAO水平升高提示主要不良心血管事件的发生风险增加[9]。因此，人体内肠道菌群代谢产物TMAO水平升高与冠心病的发生、发展密切相关。

2.2 TMAO导致动脉粥样硬化的机制 目前认为，TMAO能够通过上调巨噬细胞清道夫受体表达、增加细胞热休克蛋白(HSPs)和促炎症细胞因子表达以及提高血浆胆固醇水平等促进动脉粥样硬化形成，从而参与冠心病的发生、发展。

2.2.1 上调巨噬细胞清道夫受体表达 巨噬细胞通过清道夫受体吞噬氧化型低密度脂蛋白转变为泡沫细胞，从而形成最早的粥样硬化病变脂质条纹。机体TMAO水平升高可使巨噬细胞与动脉粥样硬化相关的清道夫受体CD36、SR-A1表达上调，从而加强了其对氧化型低密度脂蛋白的吞噬，促进了泡沫细胞形成和动脉粥样硬化发生[15]。

2.2.2 增加细胞HSPs表达 HSPs是一类遗传上高度保守的蛋白，在原核生物和真核生物中普遍存在。HSPs根据同源程度和相对分子质量大小分为HSP10、HSP40、HSP60、HSP70、HSP90和HSP110。HSPs是细胞内重要的伴侣蛋白，能够介导新合成的或可逆变性的蛋白质正确折叠、装配、转运等，从而发挥细胞保护功能。另外，HSPs被分泌到细胞外可作为免疫调节剂，引起细胞因子产生或通过受体介导的相互作用将信号传递给其他细胞。有研究表明，导致动脉粥样硬化的危险因素，如高血压，可刺激巨噬细胞、平滑肌细胞和内皮细胞中HSPs表达增加并释放到细胞外。巨噬细胞中HSPs表达增加可导致其异常激活以及清道夫受体SR-A1表达上调，从而促进泡沫细胞形成。细胞外HSPs可与细胞表面受体(如Toll样受体)相互作用，激活核因子κB，引起巨噬细胞中炎症细胞因子产生和内皮细胞中黏附分子合成，从而促进了动脉粥样硬化的发生、发展。MOHAMMADI等[18]研究表明，TMAO能够诱导HSP70表达，而机体对HSP70的自身免疫反应是动脉粥样硬化的起始阶段，高表达HSP70可导致巨噬细胞异常活化，促进巨噬细胞吞噬氧化型低密度脂蛋白，加速泡沫细胞形成和动脉粥样硬化进程。此外，HSP70还能促进内皮细胞中黏附分子合成，同样在动脉粥样硬化进展过程中发挥重要作用。

2.2.3 增加促炎症细胞因子表达 动脉粥样硬化是一种慢性炎症性疾病。促炎症细胞因子TNF-α、IL-1β可促进单核细胞、淋巴细胞迁移至内膜下并转化为巨噬细胞，从而促进了动脉粥样硬化形成。有研究表明，血浆TMAO水平升高可使促炎症细胞因子TNF-α、IL-1β水平升高，抗炎症细胞因子IL-10水平降低，以及反映炎症程度的高敏C反应蛋白水平升高，与其他机制共同导致动脉粥样硬化形成并促进斑块生长[19-20]。

2.2.4 提高血浆胆固醇水平 目前，高胆固醇血症是公认的动脉粥样硬化的危险因素。在动脉粥样硬化起始和进展阶段均有胆固醇参与，尤其是低密度脂蛋白胆固醇。研究发现，TMAO对脂质代谢具有调节作用，在饮食中补充TMAO可引起血浆TMAO水平升高，能够阻碍胆固醇的逆向转运，使血浆胆固醇水平升高，导致动脉粥样硬化形成和进展[21]。

3 TMAO防治冠心病的作用途径

降低TMAO水平可阻止或延缓动脉粥样硬化形成和进展，从而起到防治冠心病的目的，其机制可能是通过调节肠道菌群构成、抑制TMA生成、抑制TMA转化三种途径实现的。

3.1 调节肠道菌群构成 肠道菌群在TMAO代谢中的作用已被证实，这为通过调节肠道菌群构成来降低TMAO水平提供了理论依据[4]。

使用广谱抗生素能够改变肠道菌群构成，进而降低TMAO水平。健康志愿者在接受磷脂酰胆碱刺激后，血浆TMAO水平呈时间依赖性升高，给予抗生素后血浆TMAO水平明显降低，停药后又升高[9]。因此，通过使用抗生素改变肠道菌群构成从而降低血浆TMAO水平，是一个预防和阻止冠心病进展的潜在方法。但目前导致TMAO生成增多的主要菌群还未确定，研究中使用的广谱抗生素可抑制大部分细菌增殖，长期使用抗生素会产生不良后果，如耐抗生素菌株出现、诱导胰岛素抵抗。因此，需要进一步研究导致TMAO生成增多的主要菌群及抑制其繁殖的靶向抗生素。

口服益生菌及其功能性产品亦能够改变肠道菌群构成，进而降低TMAO水平。动物研究表明，给予小鼠乳酸杆菌及产气肠杆菌两种益生菌制剂，小鼠盲肠内胆碱源性TMA生成减少，血浆TMAO水平明显下降；给予补充肠球菌制剂，小鼠血浆TMAO水平同样减少[22]。临床研究表明，口服益生菌功能性产品可有效控制血浆TMAO水平，如乳酸菌发酵的苹果泥[23]。由此可见，补充益生菌制剂或进食益生菌功能性产品亦可作为降低血浆TMAO水平的一种手段。

3.2 抑制TMA生成 TMA裂解酶是肠道菌群将食物中胆碱成分转化为TMA的关键酶。因此，抑制TMA裂解酶的活性可降低TMA生成。2015年有学者证实，胆碱的结构类似物3，3-二甲基-1-丁醇(DMB)作为一种非致死性的微生物酶抑制剂，能够通过抑制不同微生物的TMA裂解酶来抑制TMA生成[24]。DMB还可降低产TMA特定细菌在肠道菌群中所占的比例。有研究发现，植物甾醇酯同样可抑制微生物生成TMA，减少胆固醇积累[25]。因此，靶向抑制肠道微生物生成TMA的关键酶，可降低血浆TMAO水平。但目前能够用于人体且安全有效的TMA裂解酶抑制剂有待于进一步研发。

3.3 抑制TMA转化 FMO3是TMA向TMAO转化的关键酶。有研究发现，肝脏FMO3表达下降时，血浆TMAO水平亦下降，而机体FMO3表达受抑或过表达都会直接影响血浆TMAO水平[26-27]。最近研究表明，一种提取于植物葫芦巴的化合物葫芦巴碱可抑制FMO3，进而抑制TMA向TMAO转化。体外研究表明，300 μg/mL葫芦巴碱可达到最大抑制效果，能够使TMAO生成减少85.3%。因此，通过靶向药物抑制肝脏FMO3活性是降低血浆TMAO水平的另一途径。但目前无明显肝损害作用的FMO3抑制剂尚需进一步研发。

总之，越来越多证据表明肠道菌群代谢产物TMAO与冠心病密切相关，TMAO能够通过上调巨噬细胞清道夫受体表达、增加细胞HSPs和促炎症细胞因子表达以及提高血浆胆固醇水平等促进冠心病的发生、发展。因此，TMAO可作为防治冠心病的一个新靶标。通过调节肠道菌群构成、抑制TMA生成、抑制TMA转化三种途径降低TMAO水平，有可能实现对冠心病的防治目的。但真正实现以TMAO为靶标来防治冠心病，还需要未来更深入的研究。