TMAO与缺血性脑卒中后认知障碍相关性研究进展
2024-11-02陈星傅永旺
[摘要] 缺血性脑卒中后认知障碍（post-ischemic stroke cognitive impairment，PISCI）是缺血性脑卒中后常见神经障碍，研究发现三甲胺N-氧化物（trimethylamine N-oxide，TMAO）可能与PISCI发生有关。本文对TMAO与PISCI的关系进展作一综述，以期为PISCI的防治提供思路。
[关键词] 缺血性脑卒中后认知障碍；动脉粥样硬化；三甲胺N-氧化物；脑-肠轴
[中图分类号] R742[文献标识码] A [DOI] 10.3969/j.issn.1673-9701.2024.27.033
急性缺血性脑卒中（acute ischemic stroke，AIS）是全球发病率排名首位的脑血管疾病，缺血性脑卒中后认知障碍（post-ischemic stroke cognitive impairment，PISCI）是AIS的常见严重并发症，给家庭和社会带来沉重负担。研究者推测肠道微生物与PISCI及其他神经系统疾病有密切关联[1-2]。三甲胺N-氧化物（trimethylamine N-oxide，TMAO）是近年发现的肠道微生物的重要一员，主要通过肠道代谢物产生，血浆浓度主要取决于胆碱类似物摄取、抗生素使用及肝脏黄素单加氧酶-3（flavin-containing monooxygenase 3，FMO3）活性[3-5]。目前TMAO在神经系统疾病中的作用是研究热点，主要集中于动脉粥样硬化、AIS、认知障碍疾病等。
1 TMAO与动脉粥样硬化
研究表明TMAO与动脉粥样硬化形成之间存在密切关联。一项观察性研究显示喂食高脂肪西式饮食的小鼠血浆TMAO浓度更高且更容易出现心脏功能障碍[6]。研究表明膳食中左旋肉碱（TMAO的一种前体物质）的肠道微生物代谢群可产生TMAO并加速小鼠的动脉粥样硬化[7]。通过微生物依赖机制摄入左旋肉碱后，杂食者比纯素食者或素食者产生更多的TMAO，加速动脉粥样硬化。尽管其机ae40b969022108d15a6c45aeef1c36a9制尚未阐明，但TMAO可通过增加氧化应激、内皮功能障碍、血管炎症和调节脂质稳态而致病，如在动脉粥样硬化中，动脉壁的低密度脂蛋白常被氧化转化为氧化低密度脂蛋白（oxidized low density lipoprotein，Ox-LDL）[8]。巨噬细胞作为动脉粥样硬化病变的主要免疫细胞，在动脉粥样硬化的发生、发展中发挥重要作用，其可通过CD36和SR-A1清道夫受体的作用从单核细胞分化出来后，可识别和摄取Ox-LDL，从而激活其表达，TMAO可增强巨噬细胞中CD36和SR-A1清道夫受体的表达，促进Ox-LDL积累和泡沫细胞产生[9]。此外，促分裂原活化的蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）/胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）/c-Jun氨基端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）通路对巨噬细胞转化为泡沫细胞的过程至关重要，TMAO刺激促炎细胞因子的产生，并促进巨噬细胞向内皮屏障迁移，从而促进泡沫细胞形式的动脉粥样硬化斑块的形成[10]。TMAO通过上调SR-A1受体和下调巨噬细胞中ATP结合盒转运蛋白A1（TP-bin- ding cassette transporter A1，ABCA1）、ATP结合盒转运蛋白G1（TP-bin-ding cassette transporterG1，ABCG1）增强内质网应激，ABCA1是一种胆固醇且是高密度脂蛋白（high density lipoprotein，HDL）的关键调节因子，其下调可促进动脉粥样硬化的进展[11]。Geng等[12]研究发现TMAO可显著促进高脂喂养ApoE基因敲除小鼠主动脉斑块的形成，促进巨噬细胞募集，促进CD36、肿瘤坏死因子-α、白细胞介素6、细胞间黏附分子1等促炎细胞因子的表达，并在体外验证结果一致。机制上，TMAO可通过CD36/MAPK/JNK通路诱导泡沫细胞形成。
Wu等[13]进一步证实TMAO促进动脉粥样硬化斑块的形成，并证明TMAO通过上调琥珀酸脱氢酶复合物亚基B诱导线粒体损伤，增加活性氧，加速促进血管内皮热亡，从而促进动脉粥样硬化病变的进展，抑制FMO3活性可降低TMAO水平，抑制动脉粥样硬化。然而，不同浓度的TMAO在动脉粥样硬化中的作用似乎不同。Collins等[14]的体外研究证明TMAO浓度达到人体药峰浓度的10倍时，不影响泡沫细胞的形成；即高水平TMAO与主动脉病变面积较小显著相关，TMAO可减缓小鼠主动脉病变的形成，并可能对人类动脉粥样硬化有保护作用。此外，在ApoE基因敲除小鼠中，外源性补充TMAO并不影响脂质水平，TMAO水平与主动脉粥样硬化病变大小呈负相关，这可能与本研究中使用高浓度的TMAO有关。研究显示接受生活方式干预和减肥手术的肥胖患者血浆TMAO不降反增，提示TMAO对动脉粥样硬化的影响可能是双向的，受饮食和代谢状况的影响[15]。
2TMAO与AIS
血栓形成是缺血性脑卒中的重要发病机制之一，血小板活化、聚集和随后的血栓形成是动脉粥样硬化的重要步骤。TMAO可提高血小板的高反应性和血栓形成的风险，这在房颤和冠心病患者的研究中得到证实[16-17]。动物实验表明TMAO水平、血小板反应性和体内血栓形成率与FMO3表达呈正相关，肠道微生物组成与血浆TMAO浓度和血栓形成电位相关。在机制上，TMAO可通过增强刺激依赖性的细胞内Ca2+释放刺激血小板的高反应性，这种释放是由激动剂（腺苷二磷酸、凝血酶和花生四烯酸）介导的。Witkowski等[18]研究证实TMAO上调内皮组织因子和血管细胞黏附分子1的表达，从而诱导动脉血栓形成。
TMAO作为肠道微生态的重要组成，在肠道环境中的作用不可忽视。脑卒中后TMAO的变化存在争议，Schneider等[19]研究发现AIS急性期血浆TMAO水平升高，随后显著降低，而非AIS患者尽管肠道微生物群发生变化，但TMAO水平仍低于无症状AIS者。这与之前的研究结果相反，研究者认为这种变化可能与治疗脑卒中或短暂性脑缺血发作引起的TMAO水平变化有关。有报道称脑脊液中存在TMAO，表明TMAO可穿过血-脑脊液屏障（blood brain barrier，BBB）[20]。但也有研究称，TMAO可在大脑中从头合成，学术界关于TMAO对BBB作用意见尚不统一。Villalobos等[21]利用角鲨证明TMAO作为渗透剂可抑制应激诱导的阴离子转运和脉络膜丛中热休克蛋白70的积累，起到稳定作用。但若TMAO破坏BBB的学说成立，TMAO可通过对肠道菌群的影响导致BBB的破坏，增加其通透性，并导致可能引发神经变性的神经炎症[22]。
相关报道显示TMAO与受试者中的血栓事件风险（心肌梗死或脑卒中）相关。一项随访研究显示，与低血浆水平的受试者相比，高血浆水平的受试者在随后的3年中血栓形成事件风险增加1.64倍。国外一项小鼠实验通过经口灌胃定植维持胆碱饮食。在粪便移植后5d，利用鼠虎红冷光脑卒中模型进行AIS损伤，造成脑血管损伤，该模型启动血小板活化以产生局部缺血在所有受试者小鼠中检查全身TMAO水平和AIS严重程度之间的关系显示出显著的正相关性，在高TMAO受试小鼠中观察到比低TMAO受试小鼠更大的梗死体积[23]。
3 TMAO与PISCI
3.1PISCI及目前可能存在的病理机制
PISCI通常为AIS后3～6个月后出现的认知障碍，主要表现为定向力下降，计算力降低，呈波动性进展，经历脑血管事件后可急性加剧，这与阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）有较显著的区别。研究发现PISCI的发生可能与缺血性脑卒中引起的海马区等大脑关键结构损伤或大、小血管病变有关。脑卒中导致的海马梗死导致认知障碍，这可能与缺血后海马γ-氨基丁酸神经递质增加和ERK/ MAPK信号通路激活抑制有关[24-25]。同时，脑卒中后海马可出现异常的神经发生，其抑制可阻断旧记忆的遗忘[26]。此外，PISCI可能与长期慢性炎症及其对突触功能的影响有关。卒中后再灌注治疗可诱导补体依赖性突触摄取和认知障碍，而调节CD200/CD200R信号通路可恢复部分突触的可塑性，改善缺血性脑卒中后神经功能障碍[27-28]。尽管研究者对PISCI的病理、生理学开展较多研究，但目前学术界对其发病机制仍无一致性结果，有研究者提出假设，即AD的β-淀粉样蛋白斑的形成和由β-淀粉样肽和tau蛋白聚集引起的神经原纤维缠结学说在PISCI中是否同样适用，这种假设基于PISCI与AD患者发病风险与年龄正相关及肠道黏膜屏障破坏的一致性，而急性脑血管病事件对认知障碍的发生具有促进及加重作用，因此，脑-肠轴、TMAO、肠道菌群等因素可能成为PISCI的关键致病因素，这种假说尚未成立，但依然有一定合理性。
3.2肠道微生物与认知障碍疾病的联系
肠道菌群是一组动态的微生物群，与宿主共同承担一些重要的功能。有证据表明肠道菌群和大脑之间存在双向沟通，缺血性脑卒中可引起肠道菌群的变化，同时，肠道菌群的构成可影响脑卒中患者的结局[29]。随着对肠道菌群研究的深入，发现肠胃系统和认知功能之间存在密切的联系，肠道C79R2VPYT3AuzR2QJl8jaA==菌群的调节可能有助于改变生理和非病理的衰老过程。动物实验证实脑卒中后肠道菌群的α多样性减少，其标志是拟杆菌减少。然而，被破坏的肠道菌群和代谢物又会反作用于脑卒中事件，因此，脑卒中事件的恶化及不良结局可能和被改变的肠道环境相关。对首次发生脑卒中的患者来说，肠道环境的改变可能是脑卒中复发及发生PISCI的诱因。
与脑卒中类似的是，衰老的一个特点也是肠道微生物群组成的变化，其多样性降低，这可能在胰岛素抵抗甚至神经病理学等多种疾病的发生中发挥关键作用。生态失调可减少肠道中紧密连接蛋白的表达，诱发肠道炎症和主要通透性，从而有利于肠道代谢物进入循环系统。衰老引起的胰岛素抵抗和生态失调及随后TMAO水平升高可导致炎症状态，一方面可导致神经炎症，另一方面可导致认知缺陷和AD样神经退行性进展。正常的老化过程也可能导致血浆TMAO水平增加。因此，一部分研究者猜测对缺血性脑卒中引起的认知障碍与年龄相关的认知障碍，包括AD、帕金森痴呆等可能存在共同的致病机制。通过氧化应激、炎症因子等途径促进认知障碍的研究不断增加，尽管没有直接证据证明肠道微生物如何干预认知障碍的进程，但仍不可忽视。
3.3TMAO可能促进PISCI的形成
TMAO与AIS的相关性已被研究者证实，而PISCI与TMAO的研究也不断出现。在PISCI患者中观察到血浆TMAO增加，即血浆TMAO浓度可预测动脉粥样硬化风险和缺血性脑病。在一项关于轻度缺血性脑卒中的随访观察研究显示，入院时血浆TMAO水平较高与PISCI风险增加存在关联，然而对TMAO的前体物质，如左旋肉碱、胆碱及磷脂酰胆碱并未发现与PISCI相关联[30]。另有研究报道TMAO前体具有神经保护作用，胆碱及其类似物与认知障碍呈负相关[31]。因此，对TMAO生成的限速酶研究显得尤为重要，它可能成为研究PISCI的关键点。一项关于TMAO通过PI3K/Akt/mTOR 通路促进痴呆进展的研究显示，通过喂养不同浓度的TMAO诱导痴呆小鼠，发现痴呆组小鼠的TMAO水平显著升高，海马损伤和炎症反应明显[32]。另一项关于TMAO的研究显示，胆碱代谢物TMAO可通过激活mTOR信号通路诱导海马依赖性学习记忆能力障碍伴突触可塑性缺陷[33]。
喂食西方饮食的小鼠血浆TMAO浓度较高，促炎细胞因子（如TNF-α和IL-1β）表达较高，抗炎细胞因子表达降低。使用3，3-二甲基-1-丁醇（3，3-dimethyl-1-butanol，DMB）治疗可抑制胆碱TMA裂解酶（TMAO合成的关键酶之一），降低血浆TMAO水平。因此，导致TMAO水平降低的药物治疗（如DMB）可能为神经退行性疾病的治疗开辟一条新途径，也可能成为PISCI的预防及治疗手段。此外，抗生素是降低血浆TMAO水平的一种主要方式，但目前无报道证实其对TMAO引起的认知障碍有临床效果。另外，包括他汀类药物、二甲双胍、阿司匹林等同样也可影响血浆TMAO水平，通过上述药物干预TMAO水平达到干预认知障碍的研究或将成为未来研究的重要方向[34]。
4小结与展望
TMAO与神经系统疾病的研究还在继续，未来可能有更多证据揭示TMAO与AIS、PISCI的关系，尽管许多研究者通过动物实验证明TMAO可诱导认知障碍的发生，但其机制目前尚不明确，TMAO的血浆浓度或脑脊液浓度与AIS患者发生认知障碍的相关研究可能会证实TMAO对PISCI有一定预测价值，而阻断TMAO生成的各种途径有可能成为治疗PISCI的一种途径。
利益冲突：所有作者91ec27be8c197650d78259f232835e8b均声明不存在利益冲突。
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（收稿日期：2024–04–24）
（修回日期：2024–09–11）
