张再强 丁家望 汪心安

(三峡大学第一临床医学院 宜昌市中心人民医院心内科，湖北 宜昌 443003)

研究表明肠道微生物代谢产物三甲胺-N-氧化物(TMAO)与心血管疾病的发生发展〔1,2〕及不良心血管事件的发生密切相关〔3,4〕。TMAO是一种小分子化合物，主要是由富含胆碱、磷脂酰胆碱和左旋肉碱的食物(红肉、家禽、鱼及蛋类等)经肠道微生物转化生成三甲胺(TMA)，在肝酶和黄素单加氧酶(FMO)3的作用下生成〔5〕。本文就TMAO的生物学特性及其在心血管疾病中的作用进行综述。

1 TMAO的合成与代谢

在人体中，TMAO是由TMA在肠道微生物的作用下生成的，而人体内TMA主要来源于直接摄入富含TMA的食物，或者是摄入富含胆碱、磷脂酰胆碱和左旋肉碱的食物经肠道微生物转化生成TMA〔6〕。TMA是一种能够透过肠壁的气体，在肠道吸收后通过肝酶和黄素单加氧酶家族(FMOx)的氧化作用，最终生成TMAO〔7〕。FMOx包括FMO1和FMO3，并且FMOx的活性受到遗传变异性的影响〔8〕。Shih等〔9〕发现在人体中FMO3是胆固醇及其他脂质代谢过程中的重要调控因子，生物体内FMO3的活性是FMO1的10倍，在小鼠体内过表达FMO3可以显著提高TMAO水平，抑制FMO3可以降低TMAO水平。人体循环中TMAO最终经过尿液、汗液和呼吸作用排出体外〔10〕。血液中的TMAO水平与饮食中摄入其前体的量有关，但是其相关性也存在很大的个体差异，这与肠道内微生物的组成有关。使用广谱抗生素治疗1 w后发现小鼠体内TMAO水平明显降低〔11〕，说明TMAO的产生与肠道细菌的活性密切相关。因此，循环中TMAO的量主要取决于食物摄入、肠道微生物作用、肝肾功能及肺功能的相互作用。TMAO是一种渗透物，一种电子受体，并且还是一种蛋白稳定剂，可以参与氧化反应、渗透反应和静水压的调节，也可以调节各种酶和激素的活性〔12〕。有研究对哺乳动物血浆TMAO浓度进行评估，发现在人体内其浓度为3～40 mmol/L，而在小鼠体内低于 5 mmol/L〔5,13〕。

2 TMAO与心血管疾病

2.1TMAO与动脉粥样硬化 动脉粥样硬化是一种主要累积大中动脉的常见心血管疾病，严重危害人类健康。越来越多的证据表明炎症、免疫反应、内皮功能障碍及代谢紊乱在动脉粥样硬化的发生发展过程中起重要作用。Koeth等〔11〕发现在小鼠每日饮食中添加胆碱或左旋肉碱会升高循环中的TMAO水平，促进动脉粥样硬化的进展。进一步研究发现高水平的TMAO与动脉粥样硬化负荷增加及冠脉病变复杂程度相关〔14〕。对1 020例患者进行横断面分析发现血浆TMAO水平与冠脉造影发现狭窄面积大于50%的冠脉数量呈剂量依赖相关性〔5〕。而在一项包括227例因冠状动脉疾病、瓣膜性心脏病或主动脉疾病而行冠状动脉手术的患者横断面研究中发现相对于低TMAO患者，高TMAO患者冠状动脉梗死数量较多，面积较大〔15〕。研究发现FMO3在肝脏脂质代谢及炎症反应的调节过程中至关重要〔16〕，进一步研究发现TMAO也可以调节脂质代谢，这些都会增加患心血管疾病的风险〔11〕。在Ldlr-/-小鼠中应用反义寡核苷酸来抑制FMO3可以导致循环中TMAO水平降低，抑制动脉粥样硬化严重形成〔9〕。TMAO可以使糖耐量受损恶化、促进脂肪组织炎症反应，这与冠心病的复杂性和动脉粥样硬化严重程度有关〔9,17〕。在ApoE-/-小鼠模型中，TMAO可以促进泡沫细胞的形成，加速动脉粥样硬化斑块的进展〔5〕。所以TMAO促进动脉粥样硬化是通过促进泡沫细胞的形成和干扰粥样斑块中胆固醇的逆向转运来完成的。TMAO可以影响促动脉粥样硬化形成的巨噬细胞表型产生、胆汁酸的合成，并且可以影响巨噬细胞、肝脏和肠道内胆固醇的代谢〔11〕。研究表明在体内TMAO可以与血小板相互作用，从而改变钙信号，促进血小板高反应性及血栓表型〔18〕。另外，TMAO可以快速诱导主动脉内皮细胞炎症相关基因表达，这说明TMAO可能通过另一种通路促进动脉粥样硬化〔19〕。循环中TMAO水平可以诱导血管炎症、氧化应激和内皮功能障碍。TMAO可以促进促炎细胞因子表达和超氧化物的生成，并且可以使主动脉内皮型一氧化氮合酶(eNOS)表达减少。这些都表明循环中的TMAO水平升高可以通过增高血管炎症和氧化应激来减弱eNOS来源的NO的生物利用度，进一步加重年龄相关性内皮功能障碍，诱导动脉粥样硬化的发生〔20〕。此外，在动物实验和临床研究中发现膳食中的TMAO可以上调与动脉粥样硬化相关的多种巨噬细胞清道夫受体的表达，促进动脉粥样硬化斑块的形成〔2,5〕。研究发现TMAO可以诱导内皮细胞功能障碍，促使单核细胞黏附于动脉血管壁，促进动脉粥样硬化进展〔21〕。Seldin等〔19〕发现TMAO可以通过丝裂原活化蛋白激酶途径促进血管炎症，这些都是早期泡沫细胞形成的标志。TMAO还可以诱导核转录因子(NF)-κB磷酸化，磷酸化的NF-κB可以转运至核内，调节多种动脉粥样硬化相关基因表达〔21〕。

2.2TMAO与心力衰竭 心力衰竭是包括动脉粥样硬化性心脏病在内的多种心血管疾病的常见不良并发症。表现为心肌缺血、血管功能障碍和心肌纤维化导致的进行性舒张功能不全或进行性心肌损害及心脏重塑导致收缩功能障碍。虽然近年来对于心力衰竭患者的管理已经显著改善，但其死亡率仍然很高。有研究认为炎症反应及代谢紊乱在其发展过程中发挥重要作用〔22〕。肠道微生物的组成和功能与心力衰竭患者的进展密切相关〔23〕。研究发现TMAO水平与晚期左心室舒张功能障碍有关并且可以预测慢性收缩性心力衰竭不良的长期临床结局〔24〕。一项大规模的队列研究发现既往有心力衰竭病史的患者TMAO水平升高与5年死亡率升高相关，并且不依赖于心肾指数〔25〕。对于慢性收缩性心力衰竭，TMAO也有很强的预后价值。研究发现TMAO水平升高与心力衰竭患者的严重程度、缺血性病因及不良预后相关〔23〕。循环中的TMAO水平升高会加重心力衰竭患者的严重程度，表现为病理性左心室扩张，左室射血分数降低，循环B型脑钠肽(BNP)水平增加，肺水肿加重及心肌纤维化〔26〕。失代偿性心力衰竭的特点是心排量减少和体循环淤血，这些可能导致肠壁缺血和水肿，随后就会出现肠道结构和功能改变，包括肠壁渗透性增高，微循环障碍及肠道微生物种类和数量的增加。研究还发现TMAO水平可以预测心力衰竭患者死亡风险并且优于传统的危险因素BNP和表皮生长因子受体(EGFR)〔25〕。而对于急性心力衰竭患者的研究也发现TMAO水平可以预测住院患者的死亡风险并且与1年内的不良预后及肾功能不全密切相关〔27〕。

2.3TMAO与高血压 高血压是不良心血管事件的独立危险因素，发病机制取决于遗传因素与环境因素的相互作用。相比于普通小鼠，当无菌小鼠肠道内的细菌完全消除时，表现为相对较低的血压〔28〕。Li等〔29〕也发现异常的肠道菌群可能加重高血压的进展，这说明肠道微生物及其代谢产物在血压调节过程中起着重要的作用。既往研究还发现血管紧张素(Ang)Ⅱ在高血压的病理生理过程及药物治疗上发挥重要作用〔30〕。Ang Ⅱ在哺乳动物体内可以通过自分泌和旁分泌作用发挥生理作用。Ufnal等〔31〕发现在给小鼠单独输入Ang Ⅱ后在第一个5天内血压会显著升高，随后血压恢复正常，但同时输入Ang Ⅱ和TMAO后血压会持续升高，这说明TMAO可以延长Ang Ⅱ的升压效果。血管内皮细胞功能在血压的调节过程也起重要作用。当血管内皮功能障碍时，伴随着内皮细胞产生血管扩张物质和血管收缩物质的异常，主要表现在NO生物利用度的降低及环氧合酶来源的血管收缩物质产生增多〔32〕。研究发现TMAO可以损害血管内皮自我修复功能，促进内皮细胞中血管细胞黏附分子(VCAM)-1表达及单核细胞的黏附作用〔21〕。说明TMAO可以通过导致内皮功能障碍间接影响血压变化。

3 TMAO抑制剂

3.1米屈肼 米屈肼是一种小分子药物，它可以通过不同途径来降低TMAO浓度〔33〕。米屈肼最开始是作为抗心肌缺血药物运用于各种急慢性缺血性心脏病的治疗。研究发现它可以通过抑制γ-丁基甜菜碱羟化酶来减少左旋肉碱的合成〔34〕。通过米屈肼的治疗可以抑制肾脏左旋肉碱的重吸收同时促进TMAO的尿液排泄〔35〕。进一步研究也发现它可以抑制左旋肉碱通过肠道菌群依赖性方式合成TMAO〔36〕。在临床研究〔37〕和动物实验〔38〕中发现米屈肼可以降低左旋肉碱和TMAO水平而起到抗动脉粥样硬化的作用。

3.23，3-二甲基-1-丁醇(DMB) DMB是一种胆碱结构类似物。使用DMB可以抑制细菌源性TMA的生成，降低血浆TMAO水平，减少动脉粥样硬化形成〔39〕。DMB可以抑制体内胆碱和左旋肉碱转化为TMA，最终降低TMAO水平。在Apo E-/-小鼠中发现DMB尽管不能显著影响胆固醇、胆碱和其他促动脉粥样硬化的危险因素，但是可以显著降低TMAO浓度，减少巨噬细胞源性泡沫细胞形成和主动脉粥样斑块的进展〔40〕。除此之外，DMB还可以抑制TMA和TMAO形成相关性菌群的活性，维持相对正常的肠道菌群环境〔40〕。进一步的研究还发现DMB可以抑制促炎细胞因子的表达，减少超氧化物的形成，促进主动脉eNOS的产生〔20〕，起到保护血管内皮细胞的作用。

3.3FMO抑制剂 FMOx在TMA转化为TMAO的过程中起重要作用，所以FMO抑制剂也可以显著降低TMAO水平。与对照组相比，给予反义寡核苷酸治疗的小鼠，肝脏FMO3 mRNA表达水平下降超过90%，FMO3蛋白表达水平下降50%，血浆TMAO水平下降47%，而TMA水平升高超过2倍，动脉粥样硬化形成明显减少〔8〕，但是由于其能导致肝炎等严重副作用〔9〕而没有应用于临床。

综上，肠道微生物代谢产物TMAO与多种心血管疾病的发生发展密切相关。干预治疗减少TMAO及其前体TMA的生成可以明显降低心血管疾病的发生。在动物实验中改善饮食结构、维持肠道菌群平衡及合理使用抗生素均可使心血管疾病发生率下降。