肠源性毒素三甲胺-N-氧化物在慢性肾脏疾病中的研究进展*

陈 杰,黄 娟,管 茜,左 萍,程献杰,何艳丽,唐 露,肖 敏 综述,毕津莲△ 审校

1.湘雅博爱康复医院GCP,湖南长沙 410100;2.湘雅博爱康复医院检验科,湖南长沙 410100;3.湖南星怡康健康体检中心,湖南长沙 410100;4.湘雅博爱康复医院乳甲外科,湖南长沙 410100;5.湘雅博爱康复医院健康管理中心,湖南长沙 410100;6.湖南省药品审评与不良反应监测中心,湖南长沙 410013

慢性肾脏疾病(CKD)是一种临床综合性病变,常继发于肾脏结构和功能的改变,肾脏损害标志物异常超过 3 个月或至少持续 3 个月[1]。CKD影响全球近15%的人口[2],是一种严重且不可逆的疾病,导致高发病率和高病死率,如果能早期发现并成功干预,将延缓病情进展、改善预后。研究发现,高浓度的肠源性毒素三甲胺-N-氧化物(TMAO)在内皮细胞高通透性和炎症、氧化应激、胆固醇代谢、斑块形成、血小板活化和血栓形成中起着至关重要的作用[3],对心脑血管疾病、糖尿病等慢性非传染性疾病的预防、诊断、治疗及预后评估具有重要的临床意义。近年来,TMAO在肾损伤相关疾病的发生、发展与预后中也发挥重要作用[4]。本文主要就TMAO与CKD的关系和相关治疗的研究进展作一综述,以期为下一步科学研究和临床治疗提供参考。

1 TMAO介绍

TMAO是由肉碱、胆碱、甜菜碱等含量丰富的食物,如蛋类、牛奶、红肉及咸水鱼类等[5],经肠道微生物的作用形成三甲胺(TMA),再经肝脏黄素单加氧酶(FMO)家族(主要是FMO3)氧化而生成,并进入血液循环的胺类小分子化合物,其最终通过呼吸、汗液、肾脏等途径代谢清除[6]。目前,已知约有 100 万亿肠道微生物在健康成年人的肠道中与人体共存,是人体不可分割的一部分[7]。特别是在CKD患者中,肠道微生物的平衡关系被打破,导致如TMAO等相关的毒素合成增加,并进入体循环,随着TMAO的肾脏清除率下降,从而导致TMAO水平在CKD患者中升高。

2 TMAO对肾脏的影响机制

CKD发病机制仍未被完全阐明,炎症反应、氧化应激反应、微血管内皮功能障碍、肾小管上皮细胞损伤等均是CKD发病的潜在机制。因此,本文着重关注了TMAO在肾损伤机制中的作用。

2.1TMAO与内皮细胞损伤及炎症反应 TMAO可通过多种途径介导血管损伤和炎症反应。TMAO能通过琥珀酸脱氢酶复合体B亚基/活性氧簇(SDHB/ROS)信号通路破坏线粒体的结构和功能,减少三磷酸腺苷(ATP)的产生并诱导内皮细胞凋亡。SAAOUD等[8]在动物模型中的研究也证实,TMAO可通过蛋白激酶R样内质网激酶(PERK)途径,诱导线粒体ROS,促进血管炎症细胞因子,如细胞间黏附分子-1(ICAM-1)、白细胞介素(IL)-1β、IL-6等的表达。YONG等[9]建立体内和体外TMAO损伤模型,发现TMAO可以增加血尿素氮(BUN)和胱抑素C(CysC)的水平,加重肾小管上皮细胞凋亡,而紫苏提取物可以通过抑制体内凋亡信号调节激酶1-c-Jun氨基末端激酶(ASK1-JNK)磷酸化来减少TMAO诱导的肾小管上皮细胞的凋亡。LAI等[10]发现TMAO能显著加重肾衰竭以及炎症细胞浸润,其通过激活磷酸化p38和上调人类抗原R(HuR)来上调单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、IL-6、IL-1β和IL-18等炎症因子,并促进隐热蛋白(NLRP3)炎症小体的形成以及肾组织中植物半胱氨酸蛋白酶-1(Caspase-1)和IL-1β的活化,证实TMAO是导致肾炎性损伤和肾功能损害的因素之一,并提出抑制TMAO合成或促进其清除可能是未来CKD的潜在治疗方法。

此外,血管钙化在CKD患者中也非常普遍。TMAO可以通过激活NLRP3炎症小体和核转录因子-κB(NF-κB)信号,促进血管钙化,表明肠道微生物代谢与血管钙化之间存在一定的联系[11]。

2.2TMAO与肾纤维化 既往动物模型中已证实,膳食胆碱和膳食TMAO均能促进肾小管间质纤维化和功能障碍,且CKD抵抗小鼠体内早期肾损伤敏感指标肾损伤分子-1(KIM-1)与血浆CysC的水平均升高,同时伴有转化生长因子-β(TGF-β)/肾纤维化重要调节因子Smad3基因的磷酸化水平升高,这些结果则表明TMAO可能会直接导致进行性肾纤维化和功能障碍[12]。ORGAN等[13]发现使用富含TMAO或胆碱饮食喂养的大鼠,其循环TMAO水平显著增加,在血管炎症因子和超氧化物歧化酶(SOD)表达增加的同时,内皮型一氧化氮合酶(eNOS)的表达降低,并引起血管内皮一氧化氮表达降低,导致老年大鼠和CKD大鼠血管内皮细胞功能障碍,加剧了肾纤维化,且停止食用富含TMAO的饮食后纤维化反应显著降低。KAPETANAKI等[14]也发现TMAO通过PERK/蛋白激酶B/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(PERK/AKT/mTOR)途径、NLRP3和Caspase-1信号传导活化肾成纤维细胞,增加胶原蛋白的合成,促进肾间质纤维化。此外,高尿酸血症也是发生肾损伤的独立危险因素,可诱导肾纤维化。ZHOU等[15]发现高尿酸血症肾病(HN)大鼠血清TMAO水平显著增加,而通过调节微生物-TMAO-人磷脂酰肌醇三羟基激酶(PI3K)/AKT/mTOR信号通路的级联反应可推迟HN大鼠肾纤维化。

2.3TMAO与氧化应激反应 CKD患者的内皮功能依赖于一氧化氮,而CKD相关一氧化氮缺乏症的一个重要机制是氧化应激增加。TMAO通过氧化应激作用,促进与年龄相关的内皮功能障碍。这在高胆碱食物摄入的实验中也得到了证实[16]。同时,促炎性细胞因子和超氧化物生成的增加,eNOS表达减少,也与年龄呈正相关,衰老增加了循环TMAO水平。而使用含抗氧化剂的食物,也许是提高抗氧化酶产量、减少TMAO介导的氧化应激的一种有前途的策略[17]。

2.4TMAO与斑块形成和血栓 CKD患者是发生血栓并发症的高风险人群。很多临床和实验模型研究都证明了TMAO可以激活血小板并增加血栓风险,其通过多种机制在动脉粥样硬化的发生、发展过程中呈促进作用,并且甜菜碱和胆碱作为磷脂酰胆碱代谢物,均与促进动脉粥样硬化风险呈明显相关[18]。TMAO可通过增加与动脉粥样硬化有关的巨噬细胞清道夫受体CD36和A1类清道夫受体(SR-A1)水平,抑制脂质逆转,促进内源性泡沫细胞增加,加速动脉粥样硬化的形成。而降低TMAO能通过促进巨噬细胞M2极化和胞葬作用来增强粥样硬化斑块的稳定性。此外,TMAO还可削弱内皮细胞的自我修复能力,增加单核细胞黏附能力[19];并与血小板相互作用,诱导血小板高反应性,导致血栓形成;通过激活肌醇-1,4,5-三磷酸(IP3)和PERK/ROS途径,增加细胞内质网钙的释放,从而导致血小板聚集和血栓形成,引起肾损伤[20]。早期Meta分析发现,CKD患者动脉粥样硬化负荷与血液循环中TMAO水平呈明显正相关,且严重影响患者预后[21]。TMAO水平每增加 10 μmol/L,不良事件发生率升高26%。此外,TMAO还降低胆汁酸合成所必需的两种关键酶--细胞色素P450家族成员7A1、27A1(CYP7A1/27A1)的表达,降低胆汁酸量,导致逆向胆固醇转运减少并堆积于细胞内,促进动脉粥样硬化形成[22]。而斑块和血栓的形成,是导致肾功能受损的重要因素之一。

3 TMAO在CKD中的应用

TMAO不但在基础研究方面进展迅速,也被越来越多地应用到了临床,与CKD的诊断、治疗、预后息息相关。

3.1TMAO与肾功能损伤 关于高血压导致的肾损害的诊断,主要是基于肾小球滤过降低和(或)检测到蛋白尿,暂无其他敏感和特定的指标用于早期诊断和治疗。有研究发现在高血压肾功能损伤患者中,就存在十余种分布异常的氨基酸,且相对于非CKD患者,CKD患者尿液中含有包括TMAO在内的多种代谢标记物[23]。ZENG等[24]在一项纳入了 32 项临床研究的Meta分析中得出结论,肾小球滤过率下降与TMAO浓度升高具有相关性。PELLETIER等[25]测定CKD和血液透析患者的血浆TMAO水平,发现CKD组的血浆TMAO水平显著升高,并与肾小球滤过率呈负相关。这些研究都表明,TMAO与肾功能损伤有一定的相关性。笔者认为,通过药物干预或健康管理等手段,或许可以抑制因TMAO产生而导致的肾损伤。

3.2TMAO与饮食指导 对于部分CKD患者而言,肠道微生物失调是导致CKD发生、发展的罪魁祸首,而TMAO的代谢途径也高度依赖肠道微生物,这种双向交流之间的任何干扰都会导致或加重CKD的发生、发展。

YOO等[26]发现高脂饮食会损害结肠上皮细胞线粒体的功能,使肠道氧气和硝酸盐的浓度增加,促进大肠埃希菌的生长以及对胆碱的分解,导致TMA水平增加,最终导致循环中有害代谢物TMAO水平的升高。WIESE等[27]回顾了目前关于将植物性饮食作为饮食干预,减少CKD患者肠道TMAO产生的证据,提出植物性饮食是减缓CKD进展和降低心血管疾病风险的一种干预措施。而WANG等[28]则发现一些鱼类和海鲜含有高水平的TMAO,对于有心血管疾病或肾功能受损的患者,就需要谨慎选择TMAO含量低的鱼类。

KYAW等[29]证实,长期服用高剂量味精可能会降低因急性肾损伤而导致的肾脏排泄率,从而引起TMAO在血液中积聚。不过,也有学者提出,肠道微生物群落的结构和功能与由TMAO等尿毒症毒素引起的肠道微环境改变相关[30]。如果不同时改善肠道微环境,只是尝试通过引入有益微生物来恢复所需的肠道菌群并不一定有效。

因此,如果在预防和治疗中多关注肠道、相关微生物和肾脏之间的双向或多向通信连接,即“肠道-肾脏轴”,注意健康管理中的饮食调节和肠道微生物的治疗,可以潜在地延缓CKD的发生、发展以及心血管疾病风险。

3.3TMAO与预后的关系 TMAO与CKD的发生、发展及预后关系的临床研究也取得了一些成果。早在2000年,就有研究通过检测尿液和血浆中TMAO水平作为指标之一来评估器官移植中移植物功能障碍与肾髓质损伤程度,指导肾脏保存及预测保存后的肾损伤情况[31]。KONIECZNY等[32]也发现TMAO水平升高与心血管事件和心血管疾病病死率的增加呈正相关。CHANG等[33]探讨了TMAO与腹膜透析(PD)患者预后之间的关系,发现血清TMAO水平与PD患者首发腹膜炎和心脑血管疾病死亡的风险呈正相关。TAIN等[34]研究母体CKD模型是否影响后代患有高血压和肾病,结果表明,CKD后代患高血压和肾肥大与血浆TMAO水平增加、氧化应激和肠道微生物变化有关。此研究结果为靶向肠道微生物群以减少TMAO的产生提供了深入的见解,具有预防母代CKD导致的后代高血压的治疗潜力。LAUCYTE-CIBULSKIENE等[35]发现终末期肾病患者体内新心脑血管疾病生物标志物,如生长分化因子-15(GDF-15)、血清甲壳质酶蛋白40(YKL-40)、基质金属蛋白酶9(MMP-9 )水平与肠道微生物、血管钙化、炎症、共病和全因死亡率之间还存在一定的性别特异性,发现GDF-15水平的增加仅与女性TMAO升高相关,为性别差异化治疗提供了一定的思路。

4 讨 论

综上所述,肠道微生物的代谢物TMAO与多种肾脏疾病的发生、发展密切相关,血液中TMAO水平升高可明显增加肾脏相关疾病的发病风险。大量实验研究表明,通过加强健康管理、改善饮食结构、调整微生物代谢等手段可以使肾相关疾病的发生率下降,并能有效改善预后。但是,临床上由于生活习惯及饮食结构的不同,以及药物之间相互作用等因素,针对TMAO与肾脏相关疾病的临床研究还是比较少,给饮食调节、健康管理、疾病防治提供的参考也就相对较少,而且目前很多临床方面的研究都是单次研究,所提供的依据还不够充分。目前降低血中TMAO水平或阻断TMAO的影响主要有4种可能的方法[36],包括减少饮食中TMA前体的摄入,调节肠道菌群以减少TMA的产生,中断FMO亚型的作用以减少TMAO的产生,以及阻断PERK途径。后续可通过增加此4类相关的研究,或是探寻其他信号通路,进一步明确TMAO与各种疾病的相关性及敏感性,则TMAO等相关肠道代谢产物有望成为常规的检测指标以及治疗靶标用于临床,给医患双方提供更明确的参考和指导临床治疗。