氧化三甲胺与心血管疾病的相关研究进展

苍海，李悦

(哈尔滨医科大学附属第一医院心内科，哈尔滨 150001)

人体由真核细胞与体内共生的微生物群落共同组成，其中绝大多数微生物群落位于肠道内，被称为肠道菌群。肠道菌群不仅可以代谢机体无法自主代谢的物质，还参与机体的代谢与机体形成共代谢关系，从而产生一系列代谢产物。近年来，肠道菌群相关代谢产物与疾病之间的关系受到研究者们的广泛关注[1]。氧化三甲胺(trimethylamine oxide，TMAO)作为肠道菌群的重要代谢产物，可通过调节氧化应激、能量代谢和免疫反应等生物学过程对人体健康状态发挥重要调控作用[2]。近年来，TMAO与多种疾病(如心脑血管疾病、结缔组织病、癌症、慢性肾脏病)的相关性成为研究热点[3-6]。目前，随着人口老龄化的加剧以及传染性疾病发病率的逐年下降，心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)已经成为世界上最常见的死亡原因。尽管医疗水平不断提升，但CVD的发病率和病死率仍居高不下，因此深入研究CVD的发病机制并探索新的治疗手段意义重大。多项研究显示，TMAO参与高血压、心房颤动、冠心病、心力衰竭等多种CVD的发生发展过程，但其具体机制尚未完全阐明[7-9]。现就TMAO与CVD的相关研究进展予以综述。

1 TMAO的生成与代谢

人体内TMAO的来源十分广泛，首先TMAO是大多数鱼类体内自然存在的内源性物质，因此人体内部分TMAO是由进食鱼类食品而直接吸收；另外，多种食物(如蛋类、乳制品、咸水鱼及红肉)中所富含的胆碱、肉碱及卵磷脂等含有三甲胺结构的成分也是TMAO的潜在来源。机体小肠通过特定转运蛋白吸收肉碱、胆碱及卵磷脂等营养成分，但吸收往往不完全，未被小肠完全吸收的胆碱、肉碱及卵磷脂等营养物质将随肠道蠕动到达大肠，并在肠道菌群产生的三甲胺裂解酶作用下生成三甲胺[10]。三甲胺是一种腥臭味气体，可由肠道吸收入血，并经门静脉系统到达肝脏，在肝脏内通过单加氧酶的氧化作用生成TMAO，最终TMAO经血液循环分布于全身[11]。极少数人因基因突变导致体内单胺氧化酶缺乏，导致三甲胺无法转化为TMAO，使过多的三甲胺经尿液及汗液排出体外，临床称为鱼腥味综合征[12]。三甲胺也是CVD的重要危险因素，Jaworska等[13]通过对健康人群和符合主动脉瓣置换术适应证的CVD患者进行对比分析，发现三甲胺可导致乳酸脱氢酶和白蛋白结构降解，进而降低心肌细胞活力，最终导致人体内的TMAO主要经肾脏随尿液排出体外(近95%)，少部分随粪便(约4%)和呼吸(约1%)排出体外。

2 TMAO与CVD的相关性

2.1TMAO与高血压 高血压的一级预防是防治工作的关键环节，明确高血压的危险因素并予以积极控制可有效降低高血压的发病率，且对改善患者预后意义重大。TMAO与高血压的发生、发展密切相关。最新荟萃分析(纳入6 176例高血压患者)显示，血浆TMAO水平与高血压患病率呈正相关(RR=1.12)，且血浆TMAO水平每增加10 μmol/L，高血压的患病率增加20%[7]。但TMAO导致血压升高的具体机制目前尚未完全明确，TMAO可能通过多种途径引起机体血压升高。有报道显示，自发性高血压大鼠血浆TMAO水平显著升高，而升高的TMAO可导致血浆渗透压升高，激活大鼠TMAO-精氨酸升压素-水通道蛋白2轴，增强肾小管对水分的重吸收，导致血压升高[14]。肾素-血管紧张素-醛固酮系统激活是原发性高血压的主要发病机制，血管紧张素Ⅱ是该系统的主要效应物质，可通过与血管紧张素Ⅱ受体结合引起小动脉平滑肌收缩以及促进醛固酮分泌等方式导致血压升高，但一项动物实验证实，TMAO可通过延长血管紧张素Ⅱ的升压作用时间，促进高血压的发生与维持[15]。与正常妊娠大鼠相比，子宫灌注压降低的妊娠大鼠血浆TMAO水平显著升高，且TMAO可通过促进血管炎症、氧化应激以及下调白细胞介素-10的表达等减少一氧化氮合酶介导的一氧化氮的产生，导致妊娠大鼠血管内皮功能障碍及血压升高[16]。有研究显示，与健康成年大鼠相比，高血压大鼠结肠对TMAO的前体物质三甲胺的通透性增加，并伴有大鼠结肠的形态学和血流动力学改变[17]，提示体内TMAO水平改变可能与高血压的发生相关，但具体机制尚需进一步研究证实。

2.2TMAO与心房颤动 心房颤动是临床常见的心律失常疾病，也是重要的公共健康问题，而血浆TMAO水平与心房颤动直接相关。一项前瞻性研究对3 793例疑似稳定型心绞痛患者进行分析发现，血浆TMAO水平与心房颤动发生风险呈正相关，且独立于心房颤动的传统危险因素[18]。血浆TMAO水平不仅可用于预测心房颤动发生的风险，也可用于评估心房颤动的严重程度及预后。一项对160例心房颤动患者和120例健康人的回顾性研究发现，心房颤动组患者血浆TMAO水平显著高于健康对照组，且亚组分析表明，永久性心房颤动组、持续性心房颤动组和阵发性心房颤动组患者血浆TMAO水平比较差异有统计学意义(P<0.01)，永久性心房颤动亚组>持续性心房颤动亚组>阵发性心房颤动组[19]。另一项临床研究纳入了179例持续性心房颤动患者，其中68例患者合并缺血性脑卒中，结果显示，持续性心房颤动合并缺血性脑卒中患者的血浆TMAO水平显著高于普通心房颤动患者[(8.25±1.58) μmol/L比(2.22±0.09) μmol/L](P<0.01)，且TMAO预测心房颤动患者缺血性脑卒中的最佳临界值为3.53 μmol/L，灵敏度为75.0%，特异度为92.8%(95%CI0.877～0.957)[20]。该研究首次提出了TMAO是预测心房颤动患者发生缺血性脑卒中的重要危险因素，且推测TMAO可能成为CVD新的治疗靶点。

心房颤动的发生通常由小折返或肺静脉旁心房肌袖内的快速兴奋灶启动，而心房颤动的维持则大多依赖单个或多个折返区域，心房电生理和结构异常共同促进了这一过程。Yu等[21]分别将TMAO和0.9%氯化钠溶液局部注射到正常犬的神经丛，结果发现，TMAO明显激活了犬的心脏自主神经系统，增加了犬心房电不稳定性，显著提高了心房颤动的诱发率；同时，他们分别将TMAO和0.9%氯化钠溶液注射到快速心房起搏心房颤动模型犬的心房神经丛发现，TMAO通过促进犬心房自主神经重构，加重了心房急性电重构，导致心房颤动持续存在；该研究同时提示“脑-肠-心轴”存在的可能性，且肠道菌群可通过其代谢产物调节神经系统并影响心血管系统。此外，心肌纤维化是心房颤动另一个重要促发因素，不仅可以导致心房结构异常，还是发生持续性心房颤动的重要原因之一，且两者互为因果，形成恶性循环。Li等[8]发现，TMAO可导致心肌细胞面积增加以及心肌细胞肥大标志物(心钠素和β-肌球蛋白重链)的表达增加，因此判断TMAO在心肌肥大和心肌纤维化的发展中发挥重要作用。研究发现，在多柔比星诱导的小鼠心肌纤维化模型中，TMAO通过激活成纤维细胞核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3炎症小体，加重了小鼠的心肌纤维化[22]。Yang等[23]的研究则显示，TMAO可通过激活转化生长因子-β受体1/Smad2途径，加速成纤维细胞向肌成纤维细胞转化，最终导致小鼠心肌纤维化。目前，TMAO导致心房颤动的具体病理机制尚未完全阐明，有待进一步研究。

2.3TMAO与冠心病 冠心病是指由冠状动脉粥样硬化斑块引起动脉管腔狭窄甚至闭塞，导致局部心肌缺血缺氧的一类最常见的心脏病。一项病例对照研究纳入了275例冠心病患者和275例健康个体，结果显示，在调整肥胖、饮食、生活方式和代谢性疾病等冠心病的危险因素后，尿液TMAO水平仍与冠心病发生风险呈正相关(OR=1.75)[9]。另一项前瞻性研究纳入了1 159例1型糖尿病患者，并随访15年，结果发现，在调整传统CVD危险因素后，血浆TMAO水平与心血管不良事件(心肌梗死、经皮冠状动脉介入治疗和心力衰竭住院)的发生率呈正相关[24]。此外，一项前瞻性研究还发现，血浆TMAO水平升高可作为冠状动脉发生多支病变的独立影响因素，该试验纳入了335例急性ST段抬高型心肌梗死患者，经分析发现，与冠状动脉单支病变患者相比，冠状动脉多支病变患者血浆TMAO水平显著升高(OR=1.16，95%CI1.06～1.29；P=0.001)，再次提示血浆TMAO水平有助于判断CVD的病情[25]。

目前，TMAO促进冠心病发生、发展的机制已成为研究热点。在冠状动脉粥样硬化斑块形成和发展过程中，动脉内皮损伤和巨噬细胞通过清道夫受体吞噬低密度脂蛋白胆固醇转变为泡沫细胞的过程是其关键环节，而TMAO对动脉内皮损伤和泡沫细胞的形成均有影响。研究发现，TMAO可引起琥珀酸脱氢酶复合体B亚单位的表达上调，进而引发动脉内皮细胞内的线粒体损伤和活性氧类水平升高，从而导致血管内皮损伤，促进动脉粥样硬化斑块的产生[26]。而此前TMAO也被证实可通过抑制胆固醇逆向转运和诱导两种清道夫受体(B类清道夫受体CD36和A1类清道夫受体)的表达促进泡沫细胞形成，加速动脉粥样硬化斑块的进展[27]。此外，在改善动脉硬化病变的多个治疗靶点中，诱导胆汁酸合成以消除体内过量的胆固醇是一种有效途径，而TMAO与人体胆汁酸代谢关系密切。Ding等[28]用含有0.3%TMAO的饲料喂养apoE-/-小鼠，结果发现，TMAO可通过激活核受体(小分子异源二聚体和法尼醇X受体)抑制肝脏内胆汁酸合成，降低小鼠体内胆固醇的清除率，进而加速动脉粥样硬化斑块的形成。目前更多进一步的实验正在进行，以研究TMAO对冠状动脉粥样硬化病变的影响。

3 以TMAO为靶点的CVD防治手段

3.1饮食干预 世界卫生组织曾指出，人体健康状况60%取决于个人生活方式，只有40%取决于基因遗传、医疗条件、社会环境等其他因素[1]。而饮食习惯又是个人生活方式的重要方面，因此若能以TMAO为靶点，为CVD患者及高危人群提供饮食干预指导，将对CVD的早期防治提供重要帮助。地中海饮食有益于人类心血管系统健康，首先，地中海饮食所用的食用油多为葡萄籽油和橄榄油，其搭配的酒类也多为葡萄酒，橄榄油中含有丰富的3，3-二甲基丁醇，葡萄籽油和葡萄酒中则含有白藜芦醇，3，3-二甲基丁醇可以抑制肠道中三甲胺裂解酶的活性，白藜芦醇则可以改变特定细菌在肠道菌群中所占的比例，两者均可导致TMAO的前体物质三甲胺的产生减少，从而降低血浆TMAO水平，延缓冠心病患者冠状动脉粥样硬化斑块的进展[29-30]；其次，地中海饮食的制作经常包含柑橘类和浆果类水果，而这两类水果中所含有的黄酮类化合物可以显著降低血浆TMAO水平，从而减轻血管炎症反应，防止血管内皮受损[31]；此外，经乳酸菌发酵的安诺尔卡苹果浆也被证明可以降低血浆TMAO水平，并提高血浆高密度脂蛋白水平，从而对CVD起到预防作用[32]。欧洲的一项研究显示，间歇性禁食可以降低血浆TMAO水平，虽然在恢复正常饮食后血浆TMAO水平迅速恢复到基线值，但可以帮助降低CVD发生风险[33]。饮食干预可有效降低人体内的TMAO水平，且具有简单、有效、可行性强以及不良反应小等优点。

3.2药物手段 除饮食干预外，一些药物也可降低循环TMAO水平。抗生素可以杀灭肠道内产生三甲胺的微生物群，有效控制血浆TMAO水平，而广谱抗生素(如环丙沙星和甲硝唑)几乎可以完全抑制体内TMAO生成。研究显示，与空白对照组相比，给予混合抗生素(万古霉素、新霉素、甲硝唑和氨苄青霉素)组的小鼠血浆TMAO水平显著降低，同时巨噬细胞源性泡沫细胞的形成亦被抑制[27]。但抗生素在杀灭有害细菌的同时，也会杀伤肠道内的益生菌，甚至会导致假膜性肠炎的发生，不良反应较大。因此，应用抗生素降低血浆TMAO水平的获益仍存在较大争议。此外，补充益生菌及益生元也可以改变肠道菌群的组成及功能，调节体内TMAO产生。有研究发现，在高盐饮食及慢性间歇性低氧诱导的高血压大鼠模型中，高血压大鼠血浆TMAO水平显著升高，而鼠李唐乳杆菌治疗可通过降低血浆TMAO水平，改善辅助性T细胞1/2细胞因子失衡，抑制胞外信号调节激酶1/2、蛋白激酶B和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白的磷酸化，从而降低大鼠的高血压水平[34]。菊粉可以调节肠道菌群平衡，增强免疫功能，甚至对2型糖尿病的预防有积极作用，研究发现，与对照小鼠相比，喂食长链菊粉和富含低聚果糖菊粉的小鼠血浆TMAO水平显著降低，且其动脉粥样硬化斑块分别缩小了35%和25%[35]。

3.3其他手段 粪便微生物群移植(fecal microbiota transplantation，FMT)可以将健康个体的功能性细菌移植至患者胃肠道内，从而达到抑制致病菌生长和调节宿主免疫的目的。TMAO前体物质三甲胺的生成需要肠道内特定细菌所产生的三甲胺裂解酶的参与，因此通过改变肠道菌群的构成可达到调节体内TMAO生成的目的。一项双盲随机对照试验发现，代谢综合征患者在接受纯素食者的FMT后，肠道菌群构成发生了显著改变[36]。有研究显示，无菌小鼠接受高血压患者的FMT后，血压显著升高[37]。因此，移植健康个体粪菌有望成为降低循环TMAO水平和CVD发生风险的有效措施。但目前相关研究还较少，且受伦理问题的限制，FMT应用于临床尚有距离。

4 小 结

随着社会的发展，传染病的流行逐渐消退，但CVD所造成的死亡人数却逐年上升。虽然对CVD发病机制已进行了深入研究，但其确切机制仍不清楚，以致目前的防治手段也较为有限。TMAO与原发性高血压、冠心病、心律失常及心力衰竭等多种CVD关系密切，且有望成为评估病情和预后的重要指标。虽然有部分研究试图寻找以TMAO为靶点的CVD的防治手段，但仍未广泛应用于临床。因此，未来仍需更多的基础和临床研究来探索TMAO影响CVD发生、发展的具体机制，以为预防和治疗CVD提供新策略。