氧化三甲胺与老年常见恶性肿瘤关系的研究进展

宫铭 张成普

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

氧化三甲胺(trimethylamine-N-oxide，TMAO)是胆碱在肠道的代谢产物。越来越多的证据表明，血清TMAO水平与结直肠癌(CRC)、胰腺癌、肝癌及胃癌等多种老年常见恶性肿瘤相关。本文结合了近年来的基础研究和临床研究，针对TMAO水平与老年人常见恶性肿瘤的发生风险及机制进行综述。

1 TMAO的产生与代谢

TMAO是一种无色无味的晶体物质，属于胺类氧化物，化学式为(CH3)3NO。这种化合物通常存在于真菌、植物和动物中，并可在海洋动物中内源性合成[1]。胆碱及L-肉碱是人体内TMAO的重要来源，富含胆碱和L-肉碱的食物包括鱼肉、红肉、谷物、大豆和蔬菜等。摄入牛肉和鸡蛋可以产生如L-肉碱、胆碱/磷脂酰胆碱、甜菜碱、胆碱、麦角硫氨酸和二甲基甘氨酸等物质，进一步在肠道内生成三甲胺(trimethylamine,TMA)[2]。TMA通过被动扩散迅速吸收到门脉循环中，在肝脏中的黄素单加氧酶3(flavin-containing monooxygenase 3,FMO3)作用下氧化为TMAO，经肾脏排泄至体外。虽然既往研究认为TMAO是人类的代谢废物，但许多研究表明TMAO参与了从细菌到哺乳动物的众多生物体的多种生物学功能。例如，TMAO通过参与维持渗透压和静水压而具有保持细胞体积的作用[3]。

血浆TMAO水平与年龄呈正相关[4]。有研究发现，在老年健康男性中，循环TMAO对饮食蛋白质摄入量的变化具有明显响应性[5]。但Griffin等[4]发现，地中海饮食方式干预6个月后未发现血浆TMAO水平或TMAO与其前体化合物比值水平发生显著改变，这表明老年人TMAO水平仅靠调整膳食结构很难发生改变。最近的研究提示，一些生物活性化合物，如白藜芦醇、大蒜素、辣椒素，以及苹果、乌龙茶、天然麦麸和低脂饮食中的膳食成分，可以降低TMAO的水平[6]。血浆TMAO水平受多种因素影响，所以各研究之间仍存在较大差异。

恶性肿瘤是威胁人类健康的主要疾病之一，老年人是高危人群。有研究提出，随着机体的衰老，血浆TMAO水平会逐渐升高，TMAO可以通过增加氧化应激等方式加速内皮细胞和血管的老化[7]。越来越多研究证实，TMAO在多种老年常见肿瘤的发生发展中起到重要作用。

2 TMAO与CRC

2020年全球癌症统计数据表明，CRC是世界上第三大常见恶性肿瘤(占总病例数的10.0%)和第二大癌症死亡原因(占总癌症死亡的9.4%)[8]。随着高通量测序技术的发展，人们对CRC发生过程中肠道微生物扮演的角色有了更清楚的认识。Bae等[9]在2014年第一次通过病例对照研究提出血浆胆碱代谢产物TMAO与CRC的风险呈正相关，尤其是在血浆维生素B12水平较低的女性中。血浆TMAO水平较高组罹患CRC的风险为血浆TMAO水平较低组的3.4倍。CRC病人的术前血清TMAO水平可作为CRC新的预后标志物[10]。多因素分析结果显示，血清TMAO水平和远处转移是CRC独立的预后因素[11]。另一项研究通过全基因系统分析发现TMAO与大肠癌之间有显著的关联，并指出TMAO参与了代谢综合征与癌症的发生，特别是在CRC有关的遗传途径中发挥了重要作用[12]。

2.1 炎症与氧化应激 炎症在大肠癌的发生发展中起着至关重要的作用。氧化应激是体内活性氧(reactive oxygen species, ROS)等促氧化分子超过抗氧化化合物丰富程度的现象。ROS可以导致DNA突变、细胞损伤和炎症，上述过程都是恶性肿瘤发病机制的关键因素。研究表明，TMAO以剂量依赖的方式激活胎儿结肠细胞(FHCs)中的ROS[13]。氧化应激对细胞蛋白质和DNA造成不可逆转的损伤，包括DNA断裂、蛋白质断裂和膜功能障碍。Sun等[14]观察了TMAO刺激的硫氧还蛋白相互作用蛋白-核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(TXNIP-NLRP3)炎症小体在人脐静脉内皮细胞(HUVECs)中的表达，证实TMAO 显著引发氧化应激并激活TXNIP-NLRP3炎症小体，其中炎症细胞因子IL-1β和IL-18以剂量和时间依赖性方式释放，并且抑制内皮一氧化氮合酶(eNOS)和一氧化氮(NO)的产生。此外，使用ROS抑制剂N-乙酰半胱氨酸(NAC)处理或siRNA介导的TXPIN和NLRP3基因敲除可以观察到TMAO介导的效应明显逆转。该结果首次揭示了TMAO通过激活ROS-TXNIP-NLRP3炎症小体诱导炎症和内皮功能障碍。Van Hecke等[15]的研究发现，与鸡肉饲养组的大鼠相比，牛肉饲养组的大鼠尿液中TMAO和TMA水平明显增加，氧化应激改变了结肠微生物组成，从而改变了它们的代谢能力，这可能会对结肠黏膜产生有害影响。同时，作者认为氧化应激可能并不是导致CRC的直接因素，可能是ROS激活了其他与肉类相关的基因毒素，如苯并[a]芘(benzo[a]pyrene)等，使其最终致癌。长期以来，沉默信息调节因子1(Sirtuins1, SIRT1)在癌症发生中的双重作用一直是科学家们的研究重点，SIRT1可以抑制炎症及肿瘤的发生和进展，同时SIRT1也可以在肿瘤发病过程中起促进作用。SIRT1在CRC组织中表达增加。有研究表明SIRT1过表达与肿瘤晚期和不良预后相关[16]。另一项研究表明，TMAO抑制SIRT1的表达并增加体内和体外的氧化应激，进而激活p53/p21/Rb通路，导致p53增加，p53、p21乙酰化，并降低细胞周期蛋白依赖性激酶2、细胞周期蛋白E1和磷酸化Rb的水平，该机制可能会加速内皮细胞衰老和血管老化[7]。

一项关于健康老年女性的研究表明，补充肉碱24周后，氧化应激生物标志物如髓过氧化物酶、同型半胱氨酸、尿酸和低密度脂蛋白的水平与补充前相比没有显著差异[17]。在德国成年人群中，食用肉类也与血浆TMAO水平无关[18]。上述结果差异可能是由样本量的变化、研究参数的差异、性别偏倚或年龄差异导致。

2.2 肠道通透性改变 血液中TMAO的浓度可能取决于多种因素，包括饮食、肠道微生物活动、肠道血液屏障(gut-blood barrier, GBB)对TMA的渗透性、肝脏对TMA的氧化以及TMA和TMAO的排泄。越来越多的证据表明，肠道微生物产生生物活性化合物进入循环，影响循环系统的稳态。肠道细菌代谢产物进入血液循环需要通过GBB，2020年的一项动物实验表明，大鼠TMAO水平增加是由于GBB紊乱和TMA的肠道血液通道增加所致[19]。Jaworska等[20]对24～26周血压正常的大鼠(WKY)和自发性高血压大鼠(SHR)进行实验研究，结果显示SHR大鼠血液中TMA水平升高，这是由于GBB功能丧失所致。GBB功能丧失增加了GBB的通透性，导致更多的TMA被转运到肝脏，在肝脏进一步生成TMAO。同时，研究发现肥胖CRC病人的肠道微生物群存在更高丰度的条件致病菌(如普雷沃氏菌、核梭杆菌、肠杆菌科和大肠杆菌)，这可能会损害肠道屏障功能(增加循环佐菌素水平)，并通过增加炎症分子如IL-1β和TMAO的水平，促进其与CRC相关的炎症过程[21]。高迁移率族蛋白B1(high-mobility group box protein 1, HMGB1)是一种已被报道破坏细胞-细胞连接的炎症介质，可以导致血管内皮通透性增高及内皮功能障碍。有研究表明HMGB1是TMAO诱导内皮功能障碍的重要介质之一[22]。

2.3 DNA损伤 TMAO有可能诱导炎症和氧化应激，从而导致DNA损伤，最终导致CRC的发生。2021年一项研究证实了TMAO可以破坏DNA的组织结构[23]。在TMAO处理24 h后，人脐动脉平滑肌细胞(HUASMC)的氧化应激水平升高，但这并未影响线粒体功能和NF-κB活性。CRC的风险随年龄增长而增加，这可能与TMAO水平随年龄增长相关。DNA损伤导致复制和插入突变错误，有利于癌前缺陷的扩展。DNA损伤在恶性细胞的生长和CRC的发生发展中起着关键作用。胆碱及其产物TMAO是总甲基供体，可作为底物，使N2O3亚硝化生成N-亚硝基化合物(NOCs)。NOCs有可能引起DNA甲基化等表观遗传改变，从而造成DNA损伤，并导致恶性转化。因此，TMAO可能通过增加遗传负荷来促进CRC的发展。表观遗传修饰通过调节基因表达，特别是不直接修饰基因组中的DNA序列来影响许多细胞过程[24]。表观遗传修饰包括组蛋白修饰、DNA甲基化、染色质重塑和基于RNA的调控。已知一些细菌代谢物会影响细胞过程，如能促进组蛋白修饰的短链脂肪酸和甲硫氨酸，后者可以合成甲基供体，这与大肠杆菌产生TMA有关，也与DNA的甲基化有关。TMAO与胰岛素抵抗和胃肠癌(GIC)的发生风险以及动脉粥样硬化性心血管疾病有关，其共同的途径是通过NOCs的形成进一步导致DNA损伤和表观遗传的变化[25]。因此，TMAO在表观遗传变化中的影响也不可忽视。

2.4 蛋白质折叠 2017年关于TMAO的研究报告称，TMAO通过诱导蛋白质的压实而非正常折叠，破坏了α-酪蛋白的伴侣活性[26]。不同的渗透剂(如TMAO)可能对无序蛋白(IDP)产生不同的结构和功能的影响，因此可能对涉及IDP的大量人类疾病(例如淀粉样变性、癌症、糖尿病和神经变性)具有临床意义。

总之，CRC是截止到目前被发现与TMAO作用最为紧密的老年人常见恶性肿瘤。肠道细菌代谢产物TMAO进入肠上皮细胞，激活ROS的产生，导致炎症的发生。ROS也可以创造低氧微环境和消炎作用，但过量的TMAO会导致ROS的持续和失控产生，促进炎性细胞因子的释放。炎症可损伤DNA，可导致突变或诱导基因组不稳定，最终导致CRC的发生。TMAO可以导致蛋白质的错误折叠或引起折叠蛋白质的构象变化，这些蛋白质可以形成聚集体，累积的蛋白质聚集体可以促进CRC的发生。

3 TMAO与胰腺癌

胰腺癌是全球癌症相关死亡的第七大原因，5年生存率低至9%[27]，胰腺癌一直缺乏可靠的早期诊断工具。虽然癌抗原-9是疾病进展的良好标志物，但研究表明该标志物不能区分重度不典型增生和胰腺癌。2020年Morgell等[28]通过招募独立队列，使用正交定量方法发现，在侵袭性胰腺癌的囊性前体中存在具有代谢活性的细菌(肠杆菌科细菌、克雷伯菌等)及其微生物区系相关的代谢物(胆汁酸、TMAO、参与TMAO转化的胆碱和肉碱以及色氨酸衍生物等)。这一发现对于研究肿瘤内微生物药物代谢而产生的化疗耐药性具有重要临床意义。Huang等[29]通过前瞻性队列研究发现，甲硫氨酸和总甲基供体(包括胆碱、甜菜碱和甲硫氨酸)与胰腺癌风险呈负相关，这一结论支持DNA修复和甲基化对胰腺癌的发展起着重要作用，另外，他还发现TMAO可能会导致胰腺癌发生风险升高，这表明肠道微生物群在膳食胆碱-胰腺癌风险关联中具有调节作用。一项对TMAO在胰腺癌中的作用的研究表明，TMAO水平升高增加了超氧化物歧化酶的活性，并增加了促炎生物标志物，如TNF-α、可溶性肿瘤坏死因子受体(sTNF-R) p55和sTNF-R p75[30]。促炎标志物的浓度与癌症的严重程度呈正比。这一系列研究值得我们思考——肠道细菌与胰腺癌的关系会不会如同胃癌与幽门螺杆菌(Hp)感染一样直接相关？肠道细菌及其代谢产物在胰腺癌的发生及进展中起到怎样的作用?

4 TMAO与肝癌

一项来自中国广东省的病例对照研究通过对比分析671例原发性肝癌病人与671例对照组受试者的血清TMAO及胆碱水平发现，血清TMAO水平较高的受试者发生原发性肝癌的风险显著增加，但其前体胆碱与原发性肝癌风险呈负相关[31]。作者提出2种可能存在的机制。首先，TMAO可能通过降低总胆汁酸池大小和影响肝脏TG水平来引发肝损伤，导致原发性肝癌的发展。其次，TMAO可能是间接危险因素，参与多种慢性疾病的病因，包括动脉粥样硬化、血栓形成、高血压和慢性肾病，这些都是原发性肝癌的潜在危险因素。2019年一项试验发现，TMAO在生理相关浓度下与内质网应激激酶PERK(EIF2AK3)结合，选择性激活未折叠蛋白反应的PERK分支，并通过PERK依赖的方式诱导叉头转录因子O1(FOXO1)[32]，这是代谢疾病的关键驱动因子。通过控制肠道微生物群或抑制FMO3来降低TMAO，可以降低肝脏中PERK的激活和FOXO1的水平。上述结论揭示了TMAO和PERK可能是代谢综合征发病机制的核心。

5 TMAO与胃癌

Hp的定植诱导胃黏膜的免疫和炎症反应[33]。有学者对TMAO和Hp感染对胃上皮细胞基因表达的影响进行了研究，并使用人类基因芯片Affymetrix HTA 2.0进行生物信息分析发现，与对照组相比，在Hp和TMAO共处理的人胃黏膜上皮细胞(GES-1)中，1312个基因被鉴定为差异表达基因。基因本体(GO)分析和京都基因与基因组百科全书(KEGG)分析表明这些差异表达基因的功能与免疫炎症密切相关。Hp和TMAO的协同作用使IL-6、CXCL1、CXCL2、FOS和C3等免疫炎症相关基因的表达增强，与未感染的对照细胞、Hp感染的细胞和TMAO刺激的细胞相比，差异均有统计学意义(P<0.05)。这项研究表明，TMAO改变了Hp感染诱导的免疫炎症基因的表达水平，Hp和TMAO的协同作用为研究慢性胃炎、胃溃疡和胃癌的进展提供了新的见解。

6 总结与展望

TMAO作为一种肠道菌群的代谢产物，在老年常见恶性肿瘤的发病过程中起重要作用。同时其在代谢性疾病及心血管系统疾病中的作用也渐渐被证实。随着TMAO检验技术的更新迭代，越来越多便捷、廉价、高效的TMAO检测手段问世[34]，这将为TMAO更加深入地指导临床工作及深入探究TMAO与疾病的关系提供条件。综上所述，TMAO可能为常见恶性肿瘤的预后提供参考价值，并成为一种全新的治疗靶点。