氧化三甲胺在糖尿病中的研究进展

苑莉莉 何峥

作者单位：110013 辽宁省沈阳市，沈阳市红十字会医院心内科

糖尿病是一组由多因素引起的以高血糖为特征的代谢性疾病，其可引起多种慢性并发症，导致预后不良，严重影响了病人的生活、工作。近年来糖尿病的发病率不断增加，据全球糖尿病联盟(IDF)报告，全世界约有4.63亿人患有糖尿病，预计到2045年患病人数将达到7亿[1]。因此，加强对糖尿病防治的研究具有重要的临床意义。肠道菌群作为一种环境因素，与糖尿病及其并发症的发生发展有着密切关系。氧化三甲胺(trimethylamine N-oxide,TMAO)为肠道菌群重要的代谢产物之一，其与糖尿病及其并发症相关性的研究得到越来越多学者的重视。本文主要概述了TMAO与糖尿病之间关系的研究进展，以期为糖尿病的防治提供新的思路及参考。

1 TMAO

三甲胺(trimethylamine,TMA)是由食物中的胆碱、肉碱、甜菜碱等在肠道微生物的作用下产生的，后经门脉系统转运至肝脏，在肝脏中，TMA通过黄素单加氧酶3(FMO3)[2-3]的代谢生成有活性的TMAO。体内研究已经确定了几个与TMA/TMAO产生相关的微生物类群，包括氢化厌氧球菌、天门冬酰胺梭菌、H.hathewayi、C.孢子原菌脱硫胎弧菌、塔拉爱德华菌、费古森大肠杆菌、彭氏杆菌等[4]。T2DM病人中TMAO浓度升高[5-6]。然而，目前尚不清楚TMAO的升高与T2DM的发生是否存在因果关系。动物研究表明，TMAO可通过介导肝脏中胰岛素信号通路而使糖耐量受损，TMAO还可上调脂肪组织中表达的促炎介质[7]。肠道菌群图谱复杂且多样，在组织器官稳态及功能、疾病的发生发展中均起着至关重要的作用。转基因的生态失调可以将其作用扩展到胃肠道之外。与健康受试者相比，肥胖和T2DM病人的肠道菌群成分发生了变化，肠道菌群失调可加速糖尿病的发生发展。此外，肠道菌群失调也与1型糖尿病和妊娠期糖尿病的发生发展相关[8-9]。探索糖尿病病理生理学的特征，有助于寻找新的治疗靶点。到目前为止，该领域的许多文献均提及了TMAO对糖尿病[10]及血管、肾脏等并发症的影响。在过去的几年中，对代谢紊乱病人的肠道生物多样性的构成和功能的研究显著增加，特别是关于其对1型糖尿病和T2DM的并发症的影响[11]。

在T2DM的发生、发展及相关并发症的进展中，TMAO均起到了重要作用[12]。Andraos等[13]研究发现，性别、年龄和常见的家庭习惯，如饮食(高红肉和鱼类摄入量)，均会导致血清中TMAO及其前体浓度的变化。在体内的研究结果表明，厚壁菌门、变形菌门、天冬酰胺梭状芽孢杆菌、H. hathewayi等与TMAO代谢、微生物失调以及与心血管、神经、肾脏疾病和癌症均存在相关性，并提出TMAO可作为一个新的生物标志物[7]。TMAO可引起脂肪组织炎症，破坏胰岛素信号通路，这可导致胰岛素抵抗，促进糖尿病的发生发展。

2 TMAO在糖尿病中的作用

Schugar等[14]的研究表明，肠道微生物的失衡可通过TMA/FMO3/TMAO途径导致肥胖及能量代谢异常。Heianza等[15]发现血浆TMAO水平与葡萄糖代谢及胰岛素敏感性有关，并通过TMA/FMO3/TMAO信号途径发挥其调节作用。Kasselman等[16]的研究表明，高脂饮食可使肠道微生物产生的脂多糖(LPS)增加，同时还可使肠紧密连接蛋白(ZO-1)、闭合蛋白等表达增加，使肠道通透性增加，这均使血液中LPS进一步增加。LPS激活toll样受体4，脂肪细胞及巨噬细胞中的炎性反应增加，如c-Jun氨基端激酶活性增加，NF-κB途径被激活，这均导致胰岛素抵抗，血糖升高。Shan等[5]发现TMAO通过阻断肝脏胰岛素通路使脂肪细胞炎性反应增加，导致血糖升高。胰岛素主要通过磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)途径调节血糖，Akt激活抑制叉头转录因子O1(FOXO1)的活性，进而抑制糖异生。Gao等[7]发现增加TMAO的摄入，胰岛素受体底物2(IRS2)、PI3Krl、GYS2和GLUT2等基因表达降低，这表明TMAO可阻断胰岛素信号通路的传导，减少肝糖原合成，阻止肝糖原转运，同时FOXO1、葡萄糖-6-磷酸酶(G6pase)等的表达增加促进了糖异生，故TMAO增加可使葡萄糖耐量受损，促进糖尿病的发生发展。

2.1 TMAO与糖尿病大血管病变 缺血性心脏病是常见的糖尿病大血管并发症，其发生率及死亡率均较高，对糖尿病病人的预后造成严重影响。L-肉碱对长链脂肪酸的线粒体代谢至关重要，L-肉碱浓度较高的糖尿病病人心血管的并发症发生风险亦升高。TMAO可产生一种致动脉粥样硬化的巨噬细胞表型，影响巨噬细胞、肠道、肝脏中胆固醇和甾醇的代谢。血液中TMAO浓度的增加影响肠道菌群的活性和肠屏障的通透性。TMAO和胆碱水平的升高与低水平的HDL-C和血浆磷脂有关[17]。在动脉血管内皮下，TMAO促使泡沫细胞增多，加速了动脉血管的粥样硬化。浓度升高的TMAO通过调节脂质代谢、炎症反应促进内皮功能受损，进而加速血小板的活化，促使血栓的形成。TMAO通过快速增加钙离子的释放，从而激活血小板，进一步激活血栓前通路。在内皮细胞和平滑肌细胞中，TMAO迅速激活丝裂原活化蛋白激酶和活化的B细胞活化kappa放大因子，有利于E-选择素等黏附分子的表达[18]。TMAO能调节单核细胞分化为泡沫细胞和巨噬细胞。TMAO可以通过转化磷酸化Smad3生长因子-b信号轴来启动心脏纤维化过程[19]。

2.2 TMAO与糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy, DR) 60%的T2DM病人患有DR，是失明的主要诱因。眼表面是一个复杂的生态系统，其受许多环境因素的影响。在DR发展过程中，微血管、神经退行性、免疫、遗传/表观遗传和炎症相关因素之间存在着复杂的相互作用。据研究报道，眼表面上大约有12个属的细菌，以棒状杆菌、凝固酶阴性葡萄球菌、不动菌以及“致病菌”——假单胞菌等为代表。眼部微生物群在结膜和角膜中具有重要的功能，特别是在介导眼部免疫和预防致病菌方面[20]。研究表明，存在并发症的糖尿病病人较无并发症病人结膜中有更多的菌群[21]。DR病人中微血管和神经胶质细胞成分的功能和结构已发生变化。Beli等[22]首次报道了重组肠道微生物群与DR之间的相关性。自由饮食的小鼠表现出DR存在炎症细胞和脱落细胞毛细血管的浸润，而间歇性禁食小鼠的视网膜组织学与非糖尿病对照组相似。在16SrRNA检测中，间歇性禁食的小鼠硬壁菌与拟杆菌的比例增加，血浆TMAO水平与硬壁菌水平呈负相关，与拟杆菌水平呈正相关。血浆TMAO水平升高可导致TNF-α、IL-1β水平升高，IL-10水平降低，同时TMAO还可通过促进氧化应激，抑制Sirtunin1的表达，激活炎症信号通路等增加炎症反应，加速了DR的发展。

2.3 TMAO与糖尿病神经病变(diabetic peripheral neuropathy, DPN) DPN是糖尿病常见的并发症之一。30%～50%的糖尿病病人在长期暴露于高血糖后诱导了神经退行性变使神经元功能被破坏，加重神经病变的发展。它主要表现为远端多发性神经病变，即神经的灵敏度和运动功能降低，这可能与运动感觉受损、活动功能障碍、感觉麻木甚至疼痛有关。神经系统中肠道神经系统(ENS)和迷走神经(VN)能够识别微生物群成分。DPN多与内质网应激介导的细胞凋亡有关。正常情况下，蛋白质在内质网中折叠，折叠后成为有活性的蛋白。高血糖可导致蛋白质折叠错误或未折叠的蛋白滞留在内质网，内质网内压力增加，而内质网压力增加则将激活细胞凋亡途径。TMAO 能够吸引伴侣蛋白治疗蛋白折叠类疾病。Lupachyk等[23]的研究表明，应用TMAO饲养经链脲佐菌素诱导的DPN大鼠，12周后大鼠的运动神经传导速度、感觉神经传导速度及小的感觉纤维功能均较无干预组损伤减轻。细胞内氧化-硝化应激可诱导内质网应激[4]，内质网在应激条件下蛋白二硫异构酶(PDI)和内质网氧化酶1a(ERO1a)上调，其结果导致过氧化氢生成增多，即超氧化合物增加，同时ERO1a介导内质网Ca2+的释放[24]，使线粒体裂变及Ca2+超载。而TMAO通过提高DPN磷酸化PKR样真核生物起始因子2A激酶(PKR-like eukaryotic initiation factor 2A kinase,PERK)水平等削弱氧化-硝化应激。

2.4 TMAO与糖尿病肾病(DKD) DKD是糖尿病病人常见的微血管并发症，病情进展可发展为终末期肾病，增加了临床治疗难度。糖尿病病人体内的肠道菌群常处于失衡状态，这会导致血液中代谢废物增加。TMAO在肠道菌群失衡时水平增加，其可使肾小球滤过率减低，肾功能受损，同时肠道菌群紊乱导致血液中有毒的代谢物增加，进一步加重了肾功能的恶化[25]。Haluzík等[26]发现慢性肾病病人中肠道菌群对胆碱的代谢能力提高，同时发现胆碱单加氧酶、TMAO等的基因转录亦增加，TMAO增加提示DKD病人预后不佳。增加TMAO摄入后，病人的肾纤维化、肾功能异常明显增加，同时Smad3磷酸化增加，TMAO通过调节TGF-β/Smad3 信号通路促进肾间质纤维化。且有研究表明，TMAO、TMA/TMAO均为DKD独立的影响因素[27]。

3 展望

TMAO是肠道菌群重要的代谢物，对胰岛素抵抗、糖尿病的发生发展均有明显影响，同时还促使了糖尿病相关并发症的发生。肠道菌群可以通过改变人们的生活方式来调节，也可通过抗生素、益生菌、益生元等进行调节。随着对TMAO研究的深入，调节肠道菌群可减少TMAO的生成，TMAO可作为糖尿病及其并发症的新标记物，这将为临床提供更科学的依据。