杨 柳 综述 谢红浪 审校

摘要 饮食来源胆碱经肠道微生物代谢后产生氧化三甲胺(TMAO),是心血管疾病、慢性肾脏病(CKD)、2型糖尿病等疾病进展的独立危险因素。TMAO在人体内主要经肾小球滤过和肾小管分泌排出,肾功能下降可致循环中TMAO浓度升高,诱导动脉粥样硬化,增加卒中风险,促进炎症反应和氧化应激,导致心肌与肾间质纤维化。钠-葡萄糖协同转运蛋白2抑制剂、肠促胰素类药物可改变循环TMAO浓度,此作用对原发病疗效的影响程度尚无定论。除调整饮食结构外,益生菌或益生元、三甲胺(TMA)抑制剂、黄素单加氧酶3(FMO3)抑制剂等靶向TMAO治疗药物可不同程度影响肠道TMAO生成,但对宿主全身及CKD疾病进程的确切影响仍需深入研究。本文总结了靶向TMAO治疗药物的研究进展,包括使用益生菌或益生元调节肠道菌群组成,降低代谢产生TMA水平,以及靶向抑制TMA产生菌生成TMAO等,为此类药物治疗CKD提供理论依据。

氧化三甲胺(TMAO)是调节机体渗透压、稳定细胞蛋白功能的小分子化合物,微量分布于人体液当中,根据来源分为肠道菌群依赖型和非肠道菌群依赖型,前者指红肉或蛋类经肠道细菌代谢产生的TMAO,后者指海鲜中天然含有的TMAO[1]。当宿主大量摄入红肉、牛奶、禽蛋类等富含胆碱、肉碱、甜菜碱的食物,肠道菌群代谢产生三甲胺(TMA),TMA经肠道吸收后由门静脉转运至肝脏,继而在肝脏黄素单加氧酶3(FMO3)作用下产生氮氧化物TAMO,TMAO主要在肾脏代谢随尿液排出[1](图1)。研究表明,TMAO是心血管疾病(CVD)、慢性肾脏病(CKD)、2型糖尿病(T2DM)等疾病进展的独立危险因素,增加全因死亡率[2]。作为全球增速第二的致死病因, CKD预计在2040年成为第五位过早死亡原因[3]。近年,对TMAO的生物学功能及其在CVD、CKD、T2DM等疾病的关联研究引起了广泛关注,针对TAMO进行靶向性干预以延缓CKD发展的基础和临床研究均有所进展。本文将总结靶向TMAO治疗CKD的最新研究成果,为其临床转化提供理论依据。

CKD常合并肠道菌群紊乱,合并T2DM时肠道产TMA微生物丰度升高尤其明显。Klaudia等[4]在饮用水中添加TMA 200 μM/d或500 μM/d喂养12周龄雄性大鼠18周,发现TMA 500 μM/d组大鼠动脉收缩压及尿蛋白/肌酐比值、尿液肾损伤分子1(KIM-1)、尿糖等肾损伤标志物水平均明显高于对照组,动脉和小动脉中膜萎缩更严重,血清TMAO水平和24 h尿TMAO排泄量升高24倍,肝脏、肾脏和心脏TMAO表达升高,表明长期暴露于TMA能够造成肾脏损伤。TMAO主要经肾脏排出,肾功能下降后循环TMAO浓度升高。TMAO加重肾损伤的机制仍不完全清楚,可能与促进炎症和纤维化、诱导氧化应激、影响能量代谢、加重心血管病变等机制相关。TMAO可活化核因子κB(NF-κB)信号通路,诱导炎症基因表达,通过促进炎症反应和氧化应激导致肾间质纤维化[5]。一项针对非透析CKD患者的荟萃分析表明,循环TMAO水平与估算的肾小球滤过率(eGFR)负相关,与炎症标志物水平正相关[6]。高TMAO水平促使巨噬细胞M1极化,刺激核苷酸结合寡聚化结构域(NOD)样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NLRP3)、天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶1(caspase-1)表达,促进白细胞介素(IL)-1β、IL-18释放,活化炎性小体,并激活p38丝裂原活化蛋白激酶(p38MAPK),促进炎症反应,激活转化生长因子β/Sma和Mad相关蛋白(TGF-β/Smad2)通路、上调α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)表达,诱导肾纤维母细胞增殖,通过活化蛋白激酶RNA样内质网激酶(PERK)/丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(AKT)/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路提高肾成纤维母细胞I型胶原表达水平,促进纤维化发生(图2)[7-8]。

除引起心肌纤维化、心肌舒张功能障碍,TMAO还诱导动脉粥样硬化,增加心肌梗死风险。CVD和动脉粥样硬化导致肾动脉狭窄或eGFR下降,TMAO排出减少、循环浓度升高,促进泡沫细胞聚集于血管内膜,进而抑制胆固醇反向转运,影响胆汁酸和胆固醇代谢,升高血小板活性,促进动脉粥样硬化斑块形成。TMAO诱导血管氧化应激,抑制一氧化氮产生、损伤血管内皮细胞功能,促进炎症反应和血管并发症形成[9]。在CKD大鼠,TMAO经活化NLRP3炎性体和NF-κB信号通路促进血管钙化,抑制TMAO产生后血管钙化程度明显减轻[10]。此外,TMAO还直接抑制心肌线粒体丙酮酸和脂肪酸氧化,导致能量代谢紊乱,增加CVD发生风险[11]。研究人员分别以含1.2%胆碱的饲料和普通饲料喂养5/6肾切除CKD模型小鼠和正常对照小鼠,8周后CKD小鼠血清TMAO水平明显高于对照组,进食胆碱加重CKD小鼠的心功能不全,以药用炭吸附TMAO后小鼠心功能改善,证实了TMAO对心脏的作用[12]。RNA测序分析显示胆碱抑制CKD小鼠心脏血管生成素表达,食用含胆碱饲料的CKD小鼠心脏血管密度减低,血管生成相关基因表达减少。胆碱下调CKD小鼠心脏缺氧诱导因子1α(HIF-1α)蛋白表达,而HIF-1α稳定剂GF-4592能降低高胆碱饮食CKD小鼠的TMAO水平,提高其心脏血管生成量和心脏功能,表明TMAO可能通过抑制HIF-1α蛋白表达减少心脏血管生成[12]。

在一项横断面研究中,射血分数保留型心力衰竭(HFpEF)患者的循环TMAO水平明显高于健康对照,且与eGFR负相关,校正年龄、性别、血压、血清肌酐等传统危险因素后TMAO水平仍是HFpEF的独立危险因素,提示可将TMAO作为生物标志物识别HFpEF[13]。一项纳入108例T2DM患者和33例健康对照的横断面研究中,逻辑回归分析表明糖尿病肾脏病(DKD)患者血清TMAO水平明显高于健康对照和T2DM非肾脏病患者,且TMAO与eGFR负相关、与尿素氮和尿白蛋白/肌酐比值正相关,血清TMAO是DKD的独立危险因素,可将TMAO作为DKD潜在生物标志物[14]。但影响TMAO浓度的因素较多,如长期过量摄入红肉即可促进肠道菌群产生TMAO,将其作为生物标志物对临床患者进行分类的准确性仍需验证[15]。

欧洲Metacardis研究共纳入1741例成人,检测空腹外周血TMAO浓度,分析其与年龄、饮食、肾功能、肠道菌群等因素之间的关系,结果表明除年龄外,肾功能是影响循环TMAO水平的主要变量,肠道微生物组成和饮食仅对TMAO水平略有影响,中介分析提示TMAO水平和肾功能之间存在因果关系,高浓度TMAO促进肾脏纤维化、瘢痕化[16]。埃及一项纳入45例维持性血液透析(MHD)患者的前瞻性研究显示,斋月禁食(只进早晚餐)后血清超敏C反应蛋白、硫酸吲哚酚、TMAO水平和血小板/淋巴细胞及中性粒细胞/淋巴细胞比值均较斋月开始前明显下降,表明间歇禁食可改善MHD患者的微炎症状态,有助于减少CVD发生风险[17]。动脉粥样硬化多种族研究(MESA)中位随访16.9年,共1704例死亡,其中411例死于CVD,在基线和研究开始后5年分别检测受试者血清TMAO,发现TMAO与全因死亡、CVD死亡、肾脏死亡有关,与肿瘤和痴呆等死因无关[18]。

除年龄、eGFR、慢性疾病等因素外,体育运动、膳食补充剂、药物等均可直接或间接影响人体内TMAO的合成。CKD治疗用药对血清TMAO水平也会产生影响。有研究显示,钠-葡萄糖协同转运蛋白2抑制剂(SGLT2i)不仅优化肠道微生物组成,还抑制TMAO合成,但EMMY试验的二次分析结果却与之矛盾[19]。通过比较急性心肌梗死后恩格列净治疗26周与常规治疗组血清TMAO水平发现,两组第6周、第26周血TMAO水平均较基线明显升高(P<0.001),其中恩格列净组TMAO平均升高程度高于常规治疗组(P=0.007),年龄与TMAO水平正相关,eGFR和心脏射血分数与TMAO水平负相关[19]。Metacardis研究显示胰高糖素样肽1受体激动剂(GLP-1RA)在改善eGFR的同时,降低T2DM患者循环TMAO水平,在校正年龄、性别、高血压等因素后结论仍然成立,提示GLP-1RA可能通过抑制TMAO合成实现心肾获益[16]。恰当选择降糖药有助于减少TMAO相关CVD的发生,SGLT2i单药或联合GLP-1RA对循环TMAO水平及心肾结局的确切影响有待临床研究进一步验证。

人肠道内10余种菌属参与产生TMAO,针对肠道微生物的调节治疗能够减少TMAO生成。尽管广谱抗生素可有效抑制肠道微生物生长,下调TMAO水平,但长期使用广谱抗生素存在细菌耐药风险,且易导致CKD肠道菌群紊乱加重、肠黏膜屏障受损、肠道炎症水平升高等问题[20-22]。利福昔明是非氨基糖苷类肠道抗生素,不易吸收,局限性针对肠道病原体,对肠道微生态影响较小。将38例CKD 3～5期患者随机分至利福昔明组和安慰剂组,用药10 d后检测TMAO、血清毒素、炎症因子水平和肠道菌群分布,组间比较TMAO、血清毒素以及炎症因子水平差异无统计学意义,利福昔明组肠道菌群多样性和丰度明显低于安慰剂组[23]。表明短期利福昔明治疗无法减少CKD肠道来源的心血管毒素和炎症细胞因子,但足以影响肠道菌群分布,长期用药的疗效及不良反应有待研究。

饮食控制   单纯减少红肉、禽蛋、牛奶等富含TMAO食物摄入量即可非特异性抑制TMAO生成,具有治疗作用。一项单中心研究中,23例有糖代谢异常或肥胖症的患者素食8周后,血浆TMAO水平和餐后血糖均较基线下降,与体重变化无关,血脂和肾功能均改善,但饮食恢复既往日常模式4周后血浆TMAO水平反弹[24]。

益生菌   改变肠道菌群分布不能有效减轻尿毒症症状[25-26]。对CKD患者补充益生菌3月,TMAO水平无明显变化但血浆甜菜碱浓度显著升高[27]。对21例MHD患者开展的随机、双盲、安慰剂对照研究显示,补充益生菌(嗜热链球菌+嗜酸乳杆菌+长双歧杆菌)3月后血浆TMAO水平稳定,可能与给药方式、干预时程有关,用药前后检测肠道菌群组成及丰度有助于明确对肠道菌群有无影响[28]。在CKD患者开展的随机对照临床试验显示,使用益生菌并未降低患者体内尿毒症毒素和炎症标志物水平[27]。尽管益生菌、益生元不改变血清毒素浓度,此类治疗仍可延缓CKD和CVD进展。SYNERGY是旨在评估合生素(益生菌和益生元)靶向抑制肠道菌群产生尿毒症毒素的临床研究,共入组37例CKD 4～5期受试者,随机、双盲分组至合生素组或安慰剂组,治疗6周后洗脱4周,继而交叉干预6周,以血清尿毒症毒素、脂多糖、TMAO和炎症及氧化应激标志物水平反映心血管风险,以24 h尿蛋白和白蛋白定量、KIM-1和eGFR反映肾损伤严重程度,目前研究结果尚未发表[29]。

甜菜碱   食用甜菜碱的C57BL/6J小鼠血浆TMA和TMAO水平明显低于食用胆碱组,分析显示甜菜碱以氢键结合CutC酶,抑制其对胆碱转化为TMA过程的催化活性,口服甜菜碱有利于降低血小板高反应性和血栓风险[30]。

其他   纳米金颗粒(GNS)具有显著抗微生物、抗炎活性,已被用于治疗眼部疾病和类风湿关节炎。基因测序显示GNS明显改变肠道微生物多样性和群落组成,降低骨质疏松模型小鼠体内TMAO相关代谢产物的水平,且通过抑制血浆肿瘤坏死因子α(TNF-α)、IL-6、集落细胞刺激因子(G-CSF)等促炎因子释放,改善雌激素缺乏诱导的骨质疏松[31]。以高胆碱饮食喂养腹主动脉瘤(AAA)模型小鼠后,小鼠血浆TMAO水平升高,AAA直径增加,用TMA裂解酶抑制剂氟甲基胆碱(FMC)处理后血浆TMAO产生减少,AAA小鼠动脉瘤的形成和发展均受抑制,RNA测序与功能分析显示AAA小鼠食用胆碱或以TMAO处理人血管平滑肌细胞均可活化内质网应激反应相关基因通路,其中对内质网应激激酶PERK影响尤为显著,上述结果表明TMAO上调主动脉壁内质网应激相关基因,促进AAA形成,FMC通过抑制TMAO生成治疗AAA[32]。基础研究表明CKD母鼠后代可遗传高血压和肾脏萎缩,子代高血压与血浆TMAO水平升高、氧化应激及肠道微生物易位有关,以碘甲基胆碱(IMC)抑制TMAO产生能够避免CKD母鼠子代在12周龄发生高血压和肾脏萎缩,IMC的治疗获益与TMAO水平下降、产醋菌属和双歧杆菌丰度升高有关[33]。另一项研究中在IMC阻断胆碱饮食诱导的TMAO生成后,CKD模型小鼠肾小管间质纤维化明显减轻,表明IMC治疗可逆转胆碱饮食诱导的TMAO相关肠道微生物菌落组成改变和肾功能损害[34]。现有结果表明检测TMAO代谢通路中相关标志物水平有助于对冠状动脉粥样硬化、CKD、DKD等疾病风险进行临床判断,靶向TMAO治疗有望改善CKD心血管病变、矿物质骨代谢异常、持续微炎症状态等常见问题[35]。

来源：肾脏病与透析肾移植杂志订阅号