氧化三甲胺在老年常见脑血管疾病中的研究进展

李诞 王佳贺

作者单位：110004 辽宁省沈阳市，中国医科大学附属盛京医院全科医学科

脑-肠道-微生物群轴作为人体内的广泛通信网络，已被证明其相互作用对大脑的结构和功能以及生理和行为的多种特征等许多方面意义重大，肠道菌群的种类与分布也被认为与情绪和认知的发展息息相关。氧化三甲胺 (TMAO) 是一种由胆碱、甜菜碱和肉碱经由肠道微生物代谢产生的分子，其血浆水平由饮食、肠道微生物群、药物使用和黄素单加氧酶活性等多种因素决定。目前的临床研究证明，TMAO血浆水平升高与老年人主要不良脑血管事件风险增加之间存在正相关。本文将对TMAO与脑血管疾病发生风险的关系进行综述。

1 脑血管疾病

脑血管疾病主要分为缺血性及出血性，临床上一般表现为短暂性脑缺血发作(TIA)、脑卒中、脑动脉炎、认知障碍等。其中脑卒中引起的局灶性中枢神经系统损伤是发达国家成年人死亡和致残的主要原因。而在我国，近年的流行病学研究表明，总体卒中终生发病风险为39.9%，位居全球首位，也是我国疾病所致寿命损失年的第一位病因[1]，其中40岁及以上居民标准化患病率已达2.19%[2]。在世界范围内，人口老龄化态势难以逆转，脑血管疾病的预计发病率也必将随之不断增加。脑血管疾病的高致残率造成了沉重的社会负担，因此其临床前期的防治刻不容缓。目前，影像学技术仍在急性脑血管疾病的诊疗中发挥着重要作用，但现有的预测模型对预后的评估效率不高，故寻找新的预后评估方式具有重大意义。近年来，基因测序技术的发展使我们认识到很多肠道菌群的代谢产物在脑血管疾病的进展中起着重要作用，但其在临床中的应用还需要更进一步的探索。

2 TMAO

TMAO作为与血管疾病最相关的肠道微生物代谢产物之一，是一种由胆碱、甜菜碱和肉毒碱生成的氧化胺，其主要通过摄入富含胆碱、左旋肉碱和磷脂酰胆碱的食物而来。经由人类的肠道微生物群加工，这些胆碱、左旋肉碱和磷脂酰胆碱被转化为三甲胺(TMA)，再经过门脉系统进入肝脏，被黄素单加氧酶3(FMO3)氧化为TMAO，随后释放入血液产生作用。此外，TMAO还能够发挥保护作用，参与稳定蛋白质结构和渗透压的调节[3]。由于肠道菌群分布存在个体差异，TMAO的分泌也有所不同，其分泌水平与主要不良心脑血管事件的发生相关，这揭示了TMAO在预测脑血管疾病风险方面的价值。尽管TMAO被证实在动脉粥样硬化、高血压、2型糖尿病、脑卒中、认知障碍等多种心脑血管疾病的发生发展中水平升高[4]，但也有研究出现了一些相反的结果。Yin等[5]通过病例对照研究发现，大动脉粥样硬化性缺血性脑卒中和TIA发作病人的肠道微生物群表现出明显的失调，他们血液中的TMAO水平降低。

3 TMAO在脑血管疾病中的作用

虽然脑血管疾病通常表现为急性发作，但其具有长期的临床前阶段，这是各种病理改变相互作用并长期积累的结果。造成血管损伤的病理因素主要包括动脉粥样硬化、炎症反应以及血管内皮损伤。目前的临床研究结果表明，TMAO或许在其发生发展的过程中发挥了重要作用。

3.1 TMAO与TIA TIA是一种由局灶性脑、脊髓或视网膜缺血引起的神经功能障碍的短暂发作。Yin等[5]发现TMAO在卒中和TIA病人中水平显著降低。尽管无法确定这些变化是发生在卒中或TIA发作之前还是之后，但这种肠道菌群失调和TMAO水平变化对病人的长期影响显然需要进一步研究。此外，他还发现卒中和TIA病人的肠道微生物群较健康对照组发生了显著的变化，条件致病菌在脑卒中和TIA病人中富集，变形菌不但在卒中和TIA病人中更丰富，且与病情严重程度呈正相关。

3.2 TMAO与脑卒中 脑血管损伤的病理过程一般最终表现为缺血性或出血性脑卒中。缺血性脑卒中脑动脉血栓形成会导致受累血管供应的脑组织血流量严重减少，其核心区域损伤不可逆转，大部分神经元会因坏死而迅速死亡；而脑动脉破裂引起的出血性脑卒中会导致血肿区域神经元坏死，周围区域细胞凋亡延迟[6]。

3.2.1 TMAO引起高血压致脑卒中发病：高血压是缺血性脑卒中和出血性脑卒中的主要危险因素，卒中的发生率与收缩压和舒张压成正比已被证实。肠道菌群失调已经在高血压病人和相关的动物模型中得到证实：其肠道菌群的丰富度及多样性急剧下降[7]。TMAO在高血压发生过程中起重要作用，主要可归因于脂糖代谢和炎症两种途径。TMAO能够阻碍胆固醇的正常代谢。据报道，连续补充8周TMAO未改变ApoE-/-小鼠的体质量，其脂肪量却明显增加，TG、TC和LDL-C水平升高[8]。FMO3的表达可以被餐后胰岛素抑制并被空腹胰高血糖素刺激[9]，从而影响TMAO的生成。TMAO能够增强白细胞募集以及促炎性细胞因子IL-1β、IL-18、TNF-α的表达，降低抗炎性细胞因子IL-10的表达[10]。基于大量人群的Meta分析表明，TMAO浓度与高血压风险之间存在剂量依赖的正相关关系，高TMAO的个体更易罹患高血压[11]。Nie等[12]通过病例对照研究发现高水平的TMAO与高血压病人首次卒中发生的风险增加有关。Ufnal等[13]的研究证实，在血压正常的大鼠中，TMAO能够通过影响受体结构和血管紧张素Ⅱ (Ang Ⅱ)，延长AngⅡ升高血压的作用。

3.2.2 TMAO引起动脉粥样硬化致脑卒中发病：主要颅内动脉粥样硬化会导致血管管腔从轻微的管壁增厚发展到使血流动力学显著改变的管腔狭窄，并且已被证明是世界范围内卒中最常见的原因之一[14]。TMAO促进动脉粥样硬化形成的主要机制有：TMAO可部分增加促动脉粥样硬化清道夫受体CD36及A(SRA)在巨噬细胞内的表达，阻碍胆固醇转运并促进巨噬细胞泡沫细胞形成，并在此基础上通过丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)和NF-κB信号通路促进内皮细胞炎性反应[15]。TMAO能够减少胆固醇7α-羟化酶的生成，从而减少胆汁酸生成，造成胆固醇在细胞内的堆积；也能够通过增加细胞黏附因子1(VCAM-1)的表达，促进单核细胞黏附，活化蛋白激酶 C (PKC) 和 p-NF-κB，进一步导致动脉粥样斑块的形成[16]。Stancu等[17]的研究证实，益生菌混合物(乳酸杆菌和动物双歧杆菌)对高血脂仓鼠具有降血脂和抗氧化作用，从而影响动脉粥样斑块的形成。曾有队列研究表明，动脉粥样硬化不良结果数量的增加与TMAO的水平升高相关[18]。但也有研究表明，无症状动脉粥样硬化病人的空腹血TMAO水平与健康对照组相比没有明显差异[11]。

3.2.3 TMAO引起高血糖致脑卒中发病：脑卒中病人的病例对照研究和前瞻性流行病学研究证实了高血糖对缺血性脑卒中的独立影响，糖尿病病人罹患脑卒中的相对风险增加了1.8～6倍[19]。糖尿病会导致脂肪代谢紊乱，加速动脉粥样硬化，使得血液黏度增加，还会导致体内血小板功能及抗凝作用变差，其引起的血液成分改变会引起缺血性脑卒中[20]。TMAO可以通过阻碍肝脏胰岛素信号通路，导致高脂肪饮食小鼠脂肪组织中炎症的发生，促进胰岛素抵抗与2型糖尿病的发生。Heianza等[21]也证明了TMAO水平有助于调节葡萄糖代谢和胰岛素敏感性。Shan等[22]的研究表明，血浆TMAO水平升高与2型糖尿病的发病风险增加有关。这提示我们，TMAO可以通过干扰代谢通路影响血糖水平，从而作用于脑卒中的发生与发展。

3.3 TMAO与脑动脉炎 侵犯中枢神经系统的炎症被称为中枢神经系统血管炎，它是一种因病原体感染、免疫变态反应及药物作用所引起的，以肢体瘫痪、精神异常等为主要表现的脑血管损伤，其中感染性动脉炎更为多见[23]。无论是病毒、细菌还是寄生虫均能够通过各种机制刺激自身免疫反应的发生，从而造成免疫复合物介导的损伤，或者直接侵入血管壁，导致血管的炎症反应，因此及时的抗菌治疗对血管炎有效。而现今已有许多令人信服的证据表明TMAO与炎症之间存在关联。Chen等[10]的研究表明，TMAO能够通过抑制去乙酰化酶3(SIRT3)-超氧化物歧化酶2(SOD2)-线粒体活性氧(ROS)信号通路显著触发氧化应激，激活NLRP3炎症小体，从而促进血管炎症导致内皮细胞功能障碍。Rohrmann等[24]的研究发现，高水平TMAO病人的TNF-α、sTNF-R p55和sTNF-R p75血浆浓度高于低水平TMAO病人(P<0.05)。

3.4 TMAO与认知功能障碍 Li等[25]的研究证实，TMAO能够通过抑制雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号通路增加突触损伤，减少突触可塑性相关蛋白的表达，在SAMR1与SAMP8小鼠中诱导并加重与衰老相关的认知功能障碍。肠道微生物与AD之间的关联与炎症在其病程中的核心作用有关。也有研究表明，TMAO作为有机渗透剂能够在朊病毒疾病中发挥保护作用。TMAO能够抑制痒病朊病毒蛋白 (PrPC) 转化为致病亚型 (PrPSc)，后者与传染性海绵状脑病有关[26]。TMAO也被证实在固有无序蛋白 (IDP) 的构象中发挥作用。 IDP是不具有稳定三维结构的蛋白质，其中一种IDP是α-突触核蛋白，它可以聚集成有毒的原纤维，作为路易小体的主要成分之一，并且与帕金森病和其他神经退行性疾病有关[27]。

4 TMAO在脑血管疾病防治中的作用

4.1 肠道菌群调节 微生物对健康和疾病的影响越来越被证明是不能忽视的，利用益生菌来加强宿主与微生物之间的共生关系在防治心脑血管疾病、代谢、免疫甚至与应激相关的精神疾病方面具有巨大的潜力。已有研究证实,TMAO可以反映人体肠道微生物群情况，这提示我们可以通过肠道微生物群的调节来控制脑血管疾病的风险[28]。Leblhuber等[29]的研究表明，为AD病人补充益生菌会影响其肠道菌群的组成以及血清中色氨酸的代谢。Tenore等[30]的研究表明，口服乳酸发酵Annurca苹果泥(lfAAP)的试验组，其TMAO水平显著降低。有研究表明心脑血管疾病的发生与病原体的作用有关，如螺旋杆菌、衣原体、肺炎衣原体及巨细胞病毒[31]。迄今为止，在人群中所进行的前瞻性随机试验未能证明抗生素的使用对心脑血管疾病的发生有保护作用。在环境因素作用仍存在争议的情况下，动脉粥样硬化易感性与肠道微生物之间的相关性获得了学术界极大的关注。Tang等[32]的研究表明，服用广谱抗生素抑制肠道菌群后，血浆TMAO水平显著降低，而停药之后又再次出现升高。需要注意的是，抗生素的长期服用可能会导致药物耐药性。因此，使用抗生素来降低TMAO的方法似乎还有待进一步商榷。

4.2 饮食调节与运动 微生物群是高度可塑的，可以随着饮食的变化而迅速改变，因此随着对心脑血管疾病中所涉及的特定细菌加以了解，或许可能通过应用饮食调节的方法来治疗或预防心脑血管疾病。Koeth等[33]的研究表明,在通过微生物群依赖性机制摄入左旋肉碱后，杂食性受试者显示出比纯素食者/素食者更高水平的 TMAO，而人类粪便中的特定细菌分类群与血浆TMAO水平和饮食状况有关。Cho等[28]的研究发现，食用鱼类产生的TMAO代谢物的数量是鸡蛋或牛肉的几倍。当前也有研究发现，TMAO的水平与纤维摄入量呈负相关(P<0.05)[34]。因此通过饮食进行早期干预，限制高脂饮食，增加膳食纤维的摄入或许可以改变肠道菌群的种类与分布，从而干预TMAO的产生，降低脑血管疾病的发生。此外，运动也已被证明有助于改变肠道微生物群的分布以及多样性，虽然有研究表明在适当热量饮食组所进行的12周监督运动未能显著降低TMAO水平，这或许可通过个体差异来解释，但该分组出现了许多有益的结果，如减轻体质量与改善腹型肥胖、提高外周胰岛素敏感性以及降低TG与TC的水平。因此，运动仍是改善心脑血管及代谢疾病的有效治疗方法[28]。

4.3 代谢通路靶向治疗 TMAO的产生依赖于肠道微生物的代谢，这或许为靶向微生物组学的治疗创造了机会。作为TMAO的前体物质，抑制TMA的产生能够降低TMAO的生成。而胆碱的结构类似物3,3-二甲基-1-丁醇(DMB) 被证实可以通过抑制不同的微生物 TMA裂解酶，抑制培养微生物中TMA的形成，从而抑制动脉粥样硬化的发生与发展[35]。Ryan等[36]的研究表明，植物甾醇酯 (PSE)能够抑制TMA的产生，有效减少胆固醇的积累。FMO3能够将TMA转化为TMAO，可有研究表明，FMO3 敲除 (FMO3KO) 小鼠全身TMAO水平显著降低，其体内血栓形成的可能性也大大下降[37]。由于代谢过程还存在许多盲区，采取以上这些中间作用物进行治疗的措施仍存在各种各样的不良反应，需要进行更深一步的研究证实。

5 展望

风险评估能够作为改善人们生活方式与疾病治疗的战略性工具，因此研究者们仍在不断地寻找可靠的诊断生物标志物。尽管临床研究表明，血浆TMAO水平升高与TIA、脑卒中、认知障碍等疾病发生的风险之间存在相关性，但TMAO作为疾病的标志物仍有很大的局限性。首先其血浆浓度就存在很大的个体差异，而饮食作为TMAO前体的来源，也成为TMAO合成的影响因素，此外TMAO的血浆水平也受到肠道微生物组成的影响，而后者又存在年龄、种族和性别的差异[38]。肠血屏障对TMA的通透性也能够影响TMAO的血浆水平，即TMAO血浆水平的升高可能是由于肠道-血液屏障损伤或者肝脏代谢活动增强。值得一提的是，TMAO的血浆水平也会受到肾脏TMAO排泄率的影响。现有研究大多局限于单一时间点，且大多是在动物模型中得到的结果，缺乏在人群中有意义的前瞻性对照研究。综上所述，TMAO成为脑血管疾病早期诊断、预后效果、治疗靶点的生物标志物仍需要进一步更加具体、全面的探索与研究。