肠源性代谢产物氧化三甲胺与心肾疾病的相关研究进展

袁婷婷，谢圣芳

1 南京中医药大学第三临床医学院，江苏南京 210028；2 南京中医药大学附属中西医结合医院，江苏南京 210028

慢性肾脏病(chronic kidney disease，CKD)与心血管疾病(cardiovascular disease，CVD) 在全球的罹患率和病死率呈现出逐年攀升的趋势。2017年CKD 导致全球120 万患者死亡，较1990 年的病死率增加了41.5%[1]。全世界CKD 患者占10%～15%，其预后差，医疗费用昂贵，已成为一项重大的公共卫生难题[2]。据国家心血管中心发布的《中国心血管病报告2018》显示，中国CVD 患者累积高达约2.9 亿。CVD 是CKD 的常见并发症，随着CKD 病程的进展，其发病率显著升高[3]。CKD 并发严重不良心血管事件患者的死亡率是普通人群的10～30 倍[4]。研究发现，肠源性代谢产物氧化三甲胺(trimethylamine-N-oxide，TMAO)血浆浓度的升高可加速CKD 和CVD 的进展，血浆氧化三甲胺水平是评估CKD 患者发病进程的可靠生物学指标[5]。本文概述TMAO 的生物学特性及其在CKD 和CVD 中的致病机制，旨在更加全面深入地认识了解TMAO 与心肾疾病的关系，旨在为改善心肾疾病患者的预后提供更多治疗思路。

1 TMAO 的生物学特性

人体经膳食途径摄入的三甲胺(trimethylamine，TMA)和TMAO 是机体获取TMAO 的重要来源。TMAO 的食物来源主要包括动物源性的胆碱、左旋肉碱和植物源性的甜菜碱。红肉、鸡蛋、鱼类等富含胆碱食物，进入肠腔后，在胆碱三甲胺裂解酶(choline Trimethylamine-Lyase，CutC/D) 的裂解作用下转化为三甲胺。左旋肉碱是TMA 的另一重要前体，常见于牛羊肉等，在肉毒碱单加氧酶(carnitine monooxygenase，CntA/B) 的作用下转化为TMA。甜菜碱还原酶则将主要存在于植物中的甜菜碱还原为TMA。随后TMA 经过肝门静脉系统循环吸收，在肝黄素单加氧酶1(flavin-containing monooxygenase 1，FMO1)或FMO3 的氧化作用下转化为TMAO。FMO3 的氧化活性是FMO1 的10 倍，在高表达FMO3 的小鼠体内，TMAO 的水平也显著提高，表明FMO3 是TMA 氧化为TMAO过程中的首要催化剂[6-11]。

肾是TMAO 的主要排泄器官。TMAO 是一类分子量为75.1 U 的小分子化合物，易于从肾的近端小管滤过。在TMA 和TMAO 排泄途径的研究中发现，人体中绝大多数TMAO 主要经由肾以尿液的形式排出。约95% 的TMA 被氧化后在首个24 h 由尿液排泄，TMAO 与TMA 的排泄比为95∶3，仅余3% 的TMA 是以粪便的形式排出体外，通过呼吸途径排泄的比例仅为1%[12]。Taesuwan 等[13]纳入21～50 岁健康男性，1 周内连续口服TMAO 后，观察其消除路径。发现口服的TMAO 几乎已被完全消化吸收，具有高转化率和高清除率，并被肝外组织利用，并非依赖于肠道微生物群与FMO 的干预。

健康状态下，人体中血浆TMAO 的浓度小于10 µmoL/L[14]。并随着胆碱类食物摄入、肠道菌群的变化、胰岛素抵抗、衰老等因素而呈现出动态改变[15-16]。TMAO 作为肠道菌群的代谢产物，具有调节渗透压、维持细胞内稳态的生理作用[17]。研究表明，TMAO 可通过刺激血管炎症反应、诱导氧化应激等参与CVD、神经系统疾病、CKD 等慢性疾病的发生、发展过程[18]。

2 TMAO 与CKD

CKD 患者体内TMA 代谢增加，TMAO 来源增多，肾小球滤过率(estimated glomerular filtration rate，eGFR) 降低使肾对TMAO 的有效清除率不足，导致血浆TMAO 浓度升高[19]。动物实验研究发现，给予无菌大鼠肠腔内移植CKD 患者粪便样本，粪便移植大鼠肠道菌群发生明显改变，导致肠腔内TMAO 增多，外周血TMAO 水平显著上升[20]。表明肠道菌群可能是TMAO 产生的重要环节。研究发现CKD 患者往往存在肠道菌群紊乱的征象，肠道菌群中的CutC/D、YeaW/X、CntA/B基因表达水平与人体TMAO 浓度密切相关[21-22]。

CKD 患者肠道菌群失调，可能与以下机制有关：1)饮食中纤维素含量减少，导致肠腔内纤维素与蛋白的比重失衡，分解蛋白质的菌群增加。2)原发病及CVD 并发症等导致结肠排空延迟，大量尿酸与草酸直接分泌至肠道，肠腔内尿酸与草酸含量升高，导致益生菌群数量减少，致病菌群增多[23]。3)CKD 患者尿素水平升高，使得尿素的肠肝循环增加，经过肠道菌群水解后，肠腔产NH3/NH4OH 增多，导致肠腔内pH 值增加。4)医源性用药，损伤胃肠道黏膜，改变菌群的生长环境。

CKD 患者肠道菌群紊乱可导致肠黏膜屏障结构完整性受损、细菌系统性移位，肠源性尿毒症毒素通过受损的肠黏膜进入血液循环，通过活化烟酰胺腺苷二核苷酸磷酸氧化酶(NADPH)诱导氧化应激，从而破坏肾小管上皮细胞，使CKD 肾功能进行性恶化[24]。一项研究发现，TMAO 可通过抑制促氧化应激反应的拮抗剂沉默信息调节因子(silence information regulator1，SIRT1)的表达，使线粒体活性氧(reactive oxygen species，ROS)的水平升高，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性降低，增强与衰老相关的氧化应激反应，加重肾损伤[25]。有研究数据表明，TGF-β/smad 信号通路在肾小管上皮细胞间充质转化的过程中起重要作用[26]。Tang 等[27]发现，高TMAO饮食摄入诱导的动物模型表现为血浆TMAO 浓度上升，通过激活TGF-β1/smad 信号通路，使Smad3磷酸化增加，加重肾小管间质的纤维化程度，同时体内早期肾损伤标志物KIM-1 与肾功能滤过障碍的内源性指标胱抑素C 水平升高。Gupta 等[28]进一步证实，给予异丙肾上腺素诱导的肾纤维化模型小鼠额外补充TMAO，小鼠的肾功能与纤维化程度加重，但在碘甲基胆碱(胆碱TMA 裂解酶拮抗剂)干预后，TMAO 水平降低，纤维化程度改善。以上研究表明，TMAO 参与肾纤维化的病理改变，并通过氧化应激加重肾功能损害。

3 TMAO 促进CVD 发展的病理机制

动脉粥样硬化(atherosclerosis，AS)与心肌重构是CVD 的病理学基础，临床常表现为高血压、冠心病、心力衰竭等。研究发现，TMAO 通过参与动脉粥样硬化的发生、发展及预后演变、心肌纤维化与心脏肥大、血管炎症等促进CVD 的发生，是预测CVD 早期血管病变与最终结局的重要因素[8]。由此可见，TMAO 促进CVD 发展的病理机制具有重大的临床意义。

3.1 血管炎症与内皮损伤 血管慢性炎症是影响CVD 不良预后的重要机制[29]。TMAO 促进血管炎症与内皮损伤，促炎因子随着血浆TMAO 水平的升高呈现高表达。Chen 等[30]在动物实验中发现，高糖高脂饮食喂养的肥胖大鼠表现为血浆TMAO的浓度升高，同时肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白细胞介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)等促炎因子高表达，抗炎因子IL-10 低表达。TMAO 可作用于IL-23 及其下游靶标IL-22，即IL-23 -IL-22 轴，导致肠道炎性因子被激活。正常生理状态下，IL-23 -IL-22 轴可维持肠道菌群稳态，并通过改变与AS 有关菌群的相对丰度减轻炎症。肠道菌群参与免疫系统的炎症反应，对于慢性炎症性疾病起关键调节作用。当IL-23 -IL-22 轴信号转导中断时，肠道上皮屏障的结构完整性受损，病原菌通过受损的肠黏膜扩散，细菌代谢产物TMAO 增多，驱动炎性细胞活化[31-32]。

NF-κB 是经典的炎性信号通路，TMAO 可介导NF-κB 信号通路活化，释放炎性因子，引起炎性反应与血管内皮损伤。TMAO 促使NF-κB 磷酸化，诱导人主动脉内皮细胞与血管平滑肌细胞中炎性因子COX-2、IL-6、E-selectin、TNF-α、细胞间黏附分子1(intercelluar adhesion molecule 1，ICAM1)的表达，激活促分裂原活化蛋白激酶C 并上调血管细胞黏附分子1 的表达，提高单核-吞噬细胞的黏附能力，降低细胞的自我修复能力，导致血管炎症与内皮功能障碍，加速动脉粥样硬化的病理进程[33-34]。

TMAO 通过激活NOD 样受体蛋白3(NODlike receptor protein 3，NLRP3)炎症小体，启动血管内皮细胞的致炎信号通路，导致内皮细胞的损伤。NLRP3 炎症小体是一种由NLRP3、衔接蛋白凋亡相关的斑点样蛋白(apoptosis-associated specklike protein，ASC)、Procaspase-1 共同构成的细胞因子蛋白识别复合物[35]，是慢性炎性疾病、内分泌代谢性疾病、肿瘤等退行性疾病的病理基础[36-39]。NLRP3 炎症小体活化后裂解Procaspase-1为Caspase-1，促进IL-1β、IL-18 产生，颈动脉内皮细胞间紧密连接蛋白的完整性受损，血管内皮细胞通透性增加，并发挥其对SIRT3-SOD2-线粒体ROS 信号通路的拮抗作用，刺激载脂蛋白E 基因敲除(ApoE-/-)小鼠线粒体活性氧水平上调，导致内皮功能障碍[40-41]。

3.2 胆固醇与胆汁酸代谢障碍 TMAO 能够干扰胆汁酸的合成与逆向转运，影响机体的胆固醇代谢。胆汁酸的合成是人体消耗多余胆固醇的主要方式[42]。TMAO 可通过降低胆汁酸的关键合成酶-肝胆固醇7α 羟化酶(Cyp7a1)、胆汁酸转运蛋白的表达，导致胆固醇的分解代谢障碍，阻碍胆固醇由外周组织逆向入肝，缩小胆汁酸池，使大量的胆固醇在巨噬细胞内堆积[43-44]。胆汁酸还可激活其转录因子——法尼酯 X 受体(farnesoid X receptor，FXR)，该类因子高度表达于肝、肾、肠道，通过对下游基因小异二聚体(small heterodimer partner，SHP)的靶向作用参与胆固醇的肠道排泄途径[45]。TMAO 能够影响胆汁酸构成、刺激FXR 与其靶基因SHP 活化，促使肠道上皮成纤维细胞生长因子FGF19 和FGF15 基因的表达上调，从而抑制胆固醇向胆汁酸转化的经典途径，导致血清胆固醇水平升高[42,46]。血浆胆固醇浓度增加影响脂质代谢，使大量血脂在沉积于血管壁形成粥样斑块，导致管腔狭窄闭塞引起动脉粥样硬化，形成CVD 的基本病变[47]。

3.3 影响血管的舒缩功能形成高血压 高血压是CVD 重要的危险因素，而TMAO 能够影响血管的舒缩功能，维持血管升压效应。血管紧张素Ⅱ促进血管平滑肌细胞增殖、迁移和表型转化，导致血管重塑，血管外周阻力增加，血压上升[48]。Ufnal 等[49]研究发现，TMAO 血浆浓度升高激活肾素-血管紧张素-醛固酮系统(renin -angiotensinaldosterone system，RAAS)，促进血管紧张素Ⅱ的缩血管效应，增加缩血管蛋白质的合成，维持血管紧张素Ⅱ的升压效应。此外，TMAO 上调清除物受体分化抗原36(CD36)和清道夫受体SR-A1 的表达，使低密度脂蛋白转化为氧化低密度脂蛋白，进一步抑制一氧化氮与内皮素-1 形成，加重血管收缩，形成高血压[50]。

3.4 心脏肥大与心肌纤维化 TMAO 诱导心脏肥大与心肌纤维化。心肌纤维化是心肌间质蛋白过量累积的结果，造成心脏结构重塑，导致心脏的舒缩功能障碍，是CVD 的重要节点[51]。TMAO可促进心脏成纤维细胞增殖、迁移，促进胶原蛋白(包括ColⅠ，ColⅢ) 和基质金属蛋白酶2 合成，加重阿霉素诱导的小鼠心脏纤维化。通过增加小鼠心肌细胞面积，β-肌球蛋白重链等心肌肥大标志产生，介导TGF-βRI/smad2 信号通路，减慢心脏成纤维细胞向肌成纤维细胞的分化速度，成为心脏肥大与心肌纤维化的诱导剂[52-53]。Organ 等[54]发现，循环中血浆TMAO 水平上调会导致病理性左心室扩大、左心室射血分数降低、心肌纤维化、心脑利尿钠肽(心力衰竭预后的重要标志物) 释放增加以及肺水肿等不良效应，提示高TMAO 浓度会增加心力衰竭的患病风险。

4 结语

TMAO 促进肾纤维化、破坏肾小管功能、诱发氧化应激，并在肠道菌群微环境的改变下加重CKD 患者的肾功能损害。同时在动脉粥样硬化、心脏纤维化及血管炎症等方面参与CVD。

近年来肠道菌群相关性代谢产物获得了广泛关注，越来越多的研究数据表明肠道菌群及肠源性代谢产物TMAO 与CKD 和CVD 的发生、发展、结局具有一定关联性，TMAO 通过多种途径参与纤维化的病理变化过程、炎症反应，因此TMAO 可能成为治疗心肾纤维化相关性疾病和炎性疾病的新契机。目前关于TMAO 作用于各组织器官的具体机制尚未完全阐明，其在“心-肾-肠”轴中扮演着何种角色，仍需更多的干预性研究来探寻论证。未来有望通过调控TMAO 生成途径、促进TMAO 高利用率、增加TMAO 排泄等，使其成为治疗靶标，为组织器官相关疾病提供新的诊疗思维和方案。