謝詩琴,鄧 娜,譚周進

(湖南中醫(yī)藥大學,湖南 長沙 410208)

氧化三甲胺(trimethylamine-N-oxide, TMAO)是由腸道菌群對膳食化合物膽堿、肉堿與甜菜堿進行轉化而來。隨著現(xiàn)代人生活水平的提高,高脂飲食增加了TMAO的產生,腸道菌群作為一個橋梁,經其代謝產生的TMAO能對人體產生有害影響。本文主要從腸道菌群在TMAO產生過程中所發(fā)揮的作用、TMAO對腸道菌群的影響、腸道菌群通過TMAO影響腎臟和腸道在“腎-腸軸”中的作用,以及從“腎-腸軸”出發(fā)探討TMAO與腎腸和腹瀉之間的關系進行綜述。

1 腸道菌群對TMAO形成的影響

1.1 腸道菌群是TMAO形成過程中的關鍵 腸道菌群是生活在人體腸道(GI)內的正常微生物的集合[1],如雙歧桿菌和乳酸桿菌等,可以合成人體生長發(fā)育所必需的多種維生素,是生態(tài)系統(tǒng)中最重要的活躍部分。腸道菌群被認為是人體最大的內分泌器官,經其分泌的代謝物可以被人體宿主的專用受體系統(tǒng)感知[2],其代謝產物和信號分子的產生,可以影響相應器官的功能[3]。當腸道菌群生態(tài)系統(tǒng)平衡時,腸道菌群則發(fā)揮著維持人體的免疫穩(wěn)態(tài)和代謝功能的作用[1],若腸道菌群生態(tài)失調,可導致相應的不良表征[4]。TMAO是一種低分子量化合物,一般認為由膽堿、肉堿和甜菜堿經結腸內的腸道菌群代謝而來,主要由腎清除[5],部分通過腎小管細胞分泌排出,可通過血液透析有效祛除。富含磷脂酰膽堿(phosphatidyl choline, PC)的膳食是TMAO的主要來源,如:雞蛋、肉類、肝臟、魚等[6-7],PC隨后在磷脂酶D酶的作用下轉化為膽堿,再被腸道菌群中的三甲胺裂解酶代謝生成三甲胺(trimethylamine, TMA)[8]。甜菜堿和肉堿亦能轉換為TMAO。甜菜堿主要存在于蔬菜中,通過甜菜堿還原酶在偶聯(lián)還原-氧化反應中還原為TMA。左旋肉堿主要來源于紅肉,可通過左旋肉堿氧化還原酶轉化為TMA,亦可分別通過左旋肉堿脫氫酶和肉堿輔酶A轉移酶轉化為甜菜堿和γ-丁基甜菜堿(γ-BB)兩種前體[9]。TMA被人體有效吸收入血后通過循環(huán)轉移到肝臟,然后快速地被肝臟黃素單加氧酶(hepatic flavin monooxygenase, FMO)家族酶,如FMO1、FMO3,氧化催化成TMAO[10],最終經腎隨尿液有效排出,見圖1。

圖1 TMAO的形成機制

1.2 TMAO是腸道菌群代謝的有害產物 TMA是一種高度揮發(fā)性的叔胺,有腐爛魚的惡臭氣味,被FMO氧化后生成無味的TMAO[11]。該氧化功能異?；騀MO缺陷,會導致三甲胺尿癥(trimethylaminuria, TMAU),又名“魚臭綜合征”,患者通過呼吸、汗、尿以及其他身體分泌物排出高水平的TMA,惡臭難聞[12]。經培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)厚壁菌門、變形桿菌門和放線菌門參與TMA的生產,氫厭氧球菌、天冬梭菌與梭狀芽孢桿菌均參與生成TMA[13-15]。高脂肪飲食損傷結腸上皮線粒體的生物能量,增加氧氣和硝酸鹽的腔內生物利用度,從而加劇大腸埃希菌的呼吸依賴性膽堿分解代謝,提高TMAO水平[16]。

TMAO濃度亦與腸道菌群的組成密切相關。TMAO與普雷沃特氏菌、光岡菌、梭桿菌、脫硫弧菌、產甲烷菌等13個屬的豐度有關[17]。最近一項研究[18]量化并表征了編碼負責TMA產生酶的細菌基因,包括膽堿-TMA裂解酶(CutC),肉堿加氧酶(CntA)和甜菜堿還原酶(GrdH),其中攜帶CutC和GrdH的細菌主要隸屬于厚壁菌中的各種分類群,而CntA由主要與埃希菌相關的序列組成。Li等[19]在多變量分類群范圍的關聯(lián)分析中確定了10種細菌物種,發(fā)現(xiàn)其豐度與血漿TMAO濃度顯著相關,一些功能特征,包括膽堿三甲胺裂解酶激活酶,亦與TMAO濃度相關。同時,失衡的TMAO亦能對腸道菌群產生一定的影響,經膽堿飼料喂養(yǎng)的小鼠血漿TMAO水平升高顯著,對糞便進行16S rDNA分析后發(fā)現(xiàn)其雖對菌群的多樣性和組成結構影響不顯著,但在屬水平上,與對照組相比,膽堿組顯著提高ruminococcaceae UCG-013的相對豐度,顯著降低parasutterella的相對豐度[20]。Zhang等[21]通過16S rRNA基因測序分析人類供體糞便標本和所有無菌小鼠受體的盲腸內容物中的微生物群落擴增子序列變異(amplicon sequence variant, ASV)結構,進行差異豐度分析后發(fā)現(xiàn)盲腸細菌類群(即ASV)的豐度與血漿TMAO水平密切相關。高循環(huán)水平的TMAO與動脈粥樣硬化(atherosclerosis, AS)[22]、代謝綜合征(metabolic syndrome, MS)[23]、2型糖尿病(type 2 diabetes, T2B)[24]、肥胖[25]、移植物抗宿主病(graft-versus-host disease, GVHD)[26]等疾病密切相關,且TMAO可能是心血管疾病(cardiovascular disease, CVD)、慢性腎臟病(chronic kidney disease, CKD)的預后標志物已經得到較為廣泛的認可。

2 TMAO對腎的影響

2.1 TMAO對腎功能的影響 TMAO是一種含氮化合物,是源自微生物代謝的尿毒癥毒素的原型。TMAO水平升高與腎小管間質纖維化、膠原沉積的相應增加以及Smad3(TGF-β信號傳導的關鍵介質,介導腎炎癥和纖維化)的磷酸化有關[27],通過激活p38/MAPK信號傳導和上調HuR來加重腎損傷[28]。Kapetanaki等[29]發(fā)現(xiàn)TMAO通過PERK/Akt/mTOR途徑,NLRP3和半胱天冬酶-1信號傳導促進腎成纖維細胞的活化、增殖并增加膠原蛋白的產生。TMAO水平隨著腎功能下降而升高,CKD是最常見的腎臟疾病,其特征是隨著時間的推移,器官功能逐漸喪失,損傷從血液中過濾代謝廢物的能力,使得TMAO水平升高。高循環(huán)的TMAO濃度與腎功能損傷之間呈正相關,能夠促進腎臟的不良病理變化,如腎纖維化、腎小管功能喪失和腎小球濾過率(glomerular filtration rate, eGFR)降低等[30-31]。且CKD患者越是晚期,血清TMAO水平越高,eGFR越低[32],從而加劇TMAO累積,形成惡性循環(huán)。eGFR是腎功能的重要指標,用于CKD的診斷和CKD進展的評估,eGFR的常見生物標志物是胱抑素C和肌酐,Tang等[33]發(fā)現(xiàn),無論是在胱抑素C水平高還是低的CKD受試者中,較高水平的TMAO預示著較差的生存率。Castillo-Rodriguez等[34]發(fā)現(xiàn)在腎功能正常的受試者中,TMAO與病死率無關,但TMAO與病死率的關聯(lián)被腎功能改變,使得TMAO與病死率的關聯(lián)在eGFR較低的受試者中更強。臨床研究[35]發(fā)現(xiàn),透析患者的血漿TMAO水平比正常受試者高出約40倍,且TMAO水平達到正常的倍數(shù)遠大于尿素的水平,若透析處方基于尿素,容易導致TMAO累積到正常值的更高倍數(shù)。CKD可被視為一種代謝障礙,反映了代謝產物和信號分子在器官之間流動的中斷,并伴有免疫系統(tǒng)的過度激活。

2.2 TMAO通過炎癥機制促進腎功能損傷 炎癥的生物標志物與腎功能測量呈負相關,與蛋白尿呈正相關,在慢性腎功能不全隊列中,細胞因子白細胞介素-1β、白細胞介素-1受體拮抗劑、白細胞介素-6、腫瘤壞死因子-α以及高敏感性C反應蛋白和纖維蛋白原的血漿水平在eGFR水平降低的受試者中較高[36]。

TMAO水平與炎癥相關,TMAO誘導低度炎癥的機制之一是激活非典型核轉錄因子-κB(NF-κB)信號通路。NF-κB通路通常被認為是一種典型的促炎信號通路,是調節(jié)炎癥免疫細胞活化、分化和效應功能的重要介質[37],Zeisel等[38]發(fā)現(xiàn)TMAO可以激活絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)和NF-κB信號通路,從而導致主動脈內皮細胞和平滑肌細胞中促炎因子(包括促炎細胞因子,黏附分子和趨化因子)的表達增加。同時高循環(huán)水平的TMAO下調了外周組織和中樞神經系統(tǒng)(CNS)中的抗炎介質RGS10,這可能會增加炎癥誘導的NF-kB活性的敏感性與炎癥介質的產生[39]。研究[38]表明非典型NF-κB通路與IgA腎病(immunoglobin A nephropathy, IgAN)的發(fā)病機制有關,IgAN是原發(fā)性腎小球腎炎的主要原因,其特征是糖基化IgA的異常產生和腎小球中IgA免疫復合物的沉積[40],NF-κB信號通路的激活能夠導致體內腎小球硬化和蛋白尿[41]、損傷足細胞(腎小囊臟層上皮細胞,podocyte)[42],在受傷足細胞中檢測到白細胞介素-1、白細胞介素-4和腫瘤壞死因子-α增多,支持NF-κB激活在人腎小球疾病中的直接作用[43]。

TMAO發(fā)揮促炎作用的另一種方式是激活炎癥小體[44]。TMAO能夠通過SIRT3-SOD3-mtROS信號通路激活NLRP2炎癥小體[45],線粒體ROS(mtROS)通過破壞線粒體轉錄因子A(TFAM)介導的線粒體DNA(mtDNA)維持來促進缺血性急性腎損傷中的線粒體功能障礙和炎癥。不僅如此,TMAO能顯著抑制ATG16L1、LC3-II和p62的表達,并以劑量和時間依賴性的方式觸發(fā)激活的NLRP3炎癥小體和細胞內活性氧(ROS)的產生[46]。Saaoud等[47]發(fā)現(xiàn)TMAO上調基因對UT誘導的內皮細胞轉錄組重塑和CKD/UT誘導的腎組織轉錄組重塑有顯著貢獻。

3 TMAO對腸道的影響

腸道屏障系統(tǒng)由具備一定厚度的黏液層、腸上皮細胞(intestinal epithelial cell, IEC)、緊密連接(tight junction, TJ)、免疫細胞和腸道微生物群組成[48],按照其結構和功能可具體分為黏膜上皮屏障(機械屏障)、免疫屏障、化學屏障和微生物屏障,能夠選擇性地吸收水和營養(yǎng)物質、阻止腸道細菌異位,以及發(fā)揮腸道免疫功能,在維持腸道屏障完整性和功能方面起著重要作用。TJ能夠選擇性地限制小分子、水和離子的擴散,以保持黏膜上皮屏障完整性,對于保護身體免受感染和炎癥起著至關重要的作用[49]。當腸道屏障的通透性被破壞時,則會導致腔內有害分子的滲透,引起黏膜免疫激活和炎癥,從而促進腸道和全身疾病的發(fā)展[50-51]。

高脂飲食能夠提高TMAO的循環(huán)水平、引發(fā)炎癥反應和氧化應激[52]。研究[16]發(fā)現(xiàn),高脂飲食在無菌小鼠中引發(fā)以結腸長度縮短、上皮化生、結腸上皮中有絲分裂數(shù)量增加,以及杯狀細胞數(shù)量減少為特征的小鼠黏膜反應。免疫激活有助于黏膜屏障的破壞,促炎細胞因子的釋放是腸道屏障衰竭的主要原因,一些促炎細胞因子如:腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-4、白細胞介素-12和白細胞介素-1b能夠增加TJ通透性。TMAO可能通過影響自噬體基因ATG16L1誘導的自噬和激活NLRP3炎癥小體參與炎癥性腸病(inflammatory bowel disease, IBD)發(fā)病機制[46]。腸道上皮屏障能夠有效地防止脂多糖(LPS)吸收,被破壞后使得LPS突破腸道上皮屏障進入血液循環(huán),導致LPS的血液循環(huán)水平升高[53],經研究LPS能夠通過激活FAK-MyD4-IRAK88信號通路的Toll樣受體4(TLR4)依賴性增加腸道TJ通透性并誘發(fā)腸道炎癥[14]。試驗表明,急性缺氧暴露的大鼠腸道組織中TLR4和NF-κB表達增加,經吡咯烷二硫代氨基甲酸(PDTC)治療逆轉上調的TLR4和NF-κB后,能夠減輕腸道屏障功能損傷和細菌異位[54]。同時IBD患者腸黏膜組織中單羧酸轉運蛋白4(MCT4)的表達顯著增加[55],且研究[56]表明MCT4增強NF-κB-CBP的相互作用,溶解CREB-CBP復合物,降低cAMP應答元件結合蛋白(cAMP response element binding protein, CREB)活性和CREB介導的ZO-1表達,從而促進NF-κB p65的核異位,增加NF-κB p65與IL-6啟動子的結合與促炎癥因子的表達,進一步破壞腸上皮屏障功能?？傊?TMAO能夠通過促進炎癥反應,破壞腸道屏障并增加其通透性,從而使腸內細菌異位,進入血液循環(huán),對機體造成有害影響。

4 TMAO在腎腸功能影響中的作用

4.1 腸道生態(tài)失調與腎功能受損 Podolsky等[57]首次把腸道生態(tài)失調定義為腸道微生物群落不平衡,腸道微生物群的組成和代謝活動發(fā)生定量和定性變化?！澳I-腸軸”在CKD中是腸道生態(tài)失調與腎功能損傷之間的雙向作用:攝入營養(yǎng)物質后,氨基酸分解代謝最終產物氨通過肝臟代謝轉化為尿素并釋放到循環(huán)中,若腎功能受損則會將主要的排泄部位由腎臟轉到結腸,結腸中尿素的持續(xù)存在使產生尿素酶的細菌增殖,導致腸道生態(tài)失調,在CKD發(fā)展過程中產生炎癥、內分泌和神經通路的不良影響,見圖2。研究[58]發(fā)現(xiàn)抑制NLRP3炎癥小體可以對抗TMAO誘導的骨髓來源巨噬細胞中的M1極化,減少M2巨噬細胞,故而可以通過腸腎軸靶向巨噬細胞表型的藥理學治療腎纖維化,同時NNLRP3炎癥小體亦是葡聚糖硫酸鈉結腸炎模型中腸道炎癥的關鍵機制[59]。腹膜透析是終末期腎病的腎替代療法,通過腹膜透析患者的“腎-腸軸”研究發(fā)現(xiàn)其α多樣性較低,腸道微生物群組成發(fā)生改變;在屬水平上,致病菌豐度增加,有益菌豐度降低,其中無尿患者血清TMAO水平顯著升高[60]。腎清除率不足會導致腸道菌群代謝產生的尿毒癥毒素(如IS、PCS和TMA)的累積[61-62],尿毒癥毒素的累積可導致CKD動物腸道黏膜中的緊密連接蛋白明顯減少并破壞結腸上皮TJ,導致腸道屏障功能受損[63]。

圖2 TMAO通過“腎-腸軸”導致腸道生態(tài)失調和腎功能損傷

4.2 泄瀉 腹瀉與腸道菌群的變化有關,腸道菌群通過TMAO影響“腎-腸軸”傳遞炎癥反應與氧化應激影響泄瀉。平衡的腸道菌群能夠抵抗腹瀉病原體的定植,對腹瀉感染具有重要的保護作用[64]。TMAO能夠引起炎癥反應,炎癥相關分子可通過“腎-腸軸”傳遞調控炎癥反應引起泄瀉[65]。腸易激綜合征(irritable bowel syndrome, IBS)是一種功能性腸道疾病,以慢性或復發(fā)性腹痛為特征,伴排便緩解或加重或排便習慣改變[66]。IBS的發(fā)病機制與內臟超敏反應、GI蠕動、腸道通透性改變、免疫調節(jié)、腸道菌群改變和“腦-腎-腸軸”功能障礙有關,可進一步分為4種亞型,包括腹瀉型IBS(IBS-D)、便秘型IBS(IBS-C)、混合型IBS(IBS-M)以及未分類的亞型[67]。研究[68]發(fā)現(xiàn),接受IBS-D糞便微生物群的小鼠表現(xiàn)出更快的胃腸道運輸、腸道屏障功能障礙、先天免疫激活以及焦慮樣行為,表明腸道菌群可能有助于IBS-D的腸道和行為表現(xiàn)。氧化應激相關分子通過“腎-腸軸”傳遞參與機體氧化應激過程影響泄瀉。ROS在體內少量產生,參與細胞調節(jié)、穩(wěn)態(tài)維持、信號轉導、基因表達和受體激活等功能,若ROS產生過多則會導致細胞功能障礙,如能量代謝喪失、細胞信號傳導中斷、免疫激活和炎癥。研究[47]發(fā)現(xiàn),TMAO-ER應激介質PERK通路能上調線粒體調節(jié)因子PLIN4、OMA1和OGDHL,并下調DARS2的表達,誘導線粒體ROS生成和線粒體應激。過氧化麥角甾醇可以通過干擾豬流行性腹瀉病毒(porcine epidemic diarrhoea virus, PEDV)誘導的ROS產生和p53激活來抑制細胞凋亡,阻止PEDV內化、復制和釋放[69]。

5 總結與展望

綜上所述,TMAO是由腸道菌群代謝膽堿、肉堿與甜菜堿等膳食底物后經FMOs氧化產生的有害代謝產物,失衡的TMAO能對腸道菌群產生一定的影響。腸道菌群通過TMAO影響腸道及腎在“腎-腸軸”中的作用,主要通過激發(fā)炎癥反應導致腎功能損傷,誘發(fā)腎纖維化、腎小管功能喪失和腎小球濾過率降低等不良病理變化;且TMAO能夠增加腸道通透性,造成腸道屏障破壞和細菌異位。同時通過“腎-腸軸”理論討論了TMAO通過“腎-腸軸”激發(fā)炎癥反應與氧化應激參與腹瀉的發(fā)生發(fā)展?，F(xiàn)代人的高脂飲食使腸道菌群產生了更多的TMAO,雖然TMAO誘導疾病損傷的機制目前已有較多研究,但確切且直接的治病機制尚未完全明晰,因此無法做到準確的靶向治療。通過本綜述對相關致病機制的闡述,希望能為未來的相關治療提供一些思路和方向。

利益沖突:所有作者均聲明不存在利益沖突。