氧化三甲胺在心臟與腎臟纖維化中的作用及機制

謝舜昀，劉師辰，李 微，崔文鵬

(吉林大學第二醫院 腎病內科，吉林 長春130041)

纖維化指各種有害刺激造成組織損傷后啟動的修復機制，表現為過度、無序的間質內纖維結締組織大量增生、細胞外基質增多、實質細胞減少，嚴重可致器官結構破壞和功能減退。探討纖維化的發生機制對于有效延緩器官功能減退至關重要。研究表明，腸道源性毒素氧化三甲胺(TMAO)在器官纖維化進程中扮演著重要角色。基于目前最新研究，本文就腸道源性毒素TMAO與心肌纖維化、腎臟纖維化的關系及機制進行綜述。

1 TMAO的體內代謝

TMAO是一種化學式為(CH3)3NO的無氣味小分子化合物，具有許多生物活性，如穩定蛋白質和核酸結構，調節滲透壓等[1-3]。在日常生活中，魚類、肉類、蛋類等富含膽堿、磷脂酰膽堿、左旋肉堿的食物是體內TMAO的主要來源。研究表明，在大腸埃希菌、梭狀芽胞桿菌等多種細菌參與下[4,5]，以上物質經細菌體內膽堿三甲胺(TMA)裂解酶[6]、Rieske型加氧酶及菌群之間復雜的相互作用下生成TMA[7,8]，后者通過腸黏膜吸收入血，隨后在肝臟黃素單加氧酶3(FMO3)氧化作用下產生TMAO[9]。可見，機體中TMAO的產生主要受飲食[10]、腸道微生物組成[11]、肝臟FMO3[12]和膽堿TMA裂解酶[13]活性的影響。

正常情況下，大部分TMAO以原型從腎小球濾過[14]。因此，腎功能異常也會影響其血清濃度。在慢性腎臟病(CKD)患者中血TMAO濃度隨腎小球濾過率下降而逐漸升高[15]，同肌酐和尿素氮等尿毒癥物質一樣，腎移植及血液凈化治療可降低血TMAO濃度[14,16]。此外，腎臟髓質早期缺血損傷可導致血液及尿液TMAO釋放增加[17]。

2 TMAO與心肌纖維化

隨著近年來學者們對TMAO在心血管疾病作用方面探索的增多，研究發現TMAO與心肌纖維化之間存在明顯的相關性。首先Organ 等人[18]發現在腹主動脈橫縮術建立心力衰竭小鼠模型中，分別給予小鼠富含膽堿或TMAO的飲食喂養，循環中TMAO水平隨之升高，并且進一步加重模型小鼠的心肌纖維化。在同樣的動物模型中，Li等[19]觀察到了相同的結果，并且在給予抗生素抑制腸道菌群后，小鼠血TMAO水平下降的同時心肌纖維化程度也相應減弱，進一步證明TMAO具有促進心肌纖維化的作用。在與上述實驗模型不同的研究中，Chen等[20]也觀察到類似結果。該研究在應用高糖、高脂飲食誘導小鼠肥胖的過程中，與對照組小鼠相比，實驗組小鼠的血TMAO水平增高，心臟出現明顯的纖維化改變，并且上述改變可以在給予小鼠3，3-二甲基-1-丁醇非致命性、競爭性的抑制TMA裂解酶后[13]，通過減少腸道TMA合成，降低血TMAO 水平來改善心肌纖維化程度。但上述研究結果僅表明血TMAO水平增加可促進纖維化，其具體機制尚不明確。

為了進一步探討TMAO促進心肌纖維化的具體機制，Yang等[21]給予原代心肌成纖維細胞TMAO(300 μmol/L)刺激，結果發現轉化生長因子βI型受體(TGF-βRI)、α-平滑肌肌動蛋白(α-SMA)、膠原蛋白I(Col I)的表達上調，并伴隨Smad2磷酸化明顯增加；而給予TGF-βRI阻斷劑(SB431542)后α-SMA和Col I的表達下降。該研究提示，TMAO可能通過激活TGF-β/Smad2信號通路促進成纖維細胞向肌成纖維細胞轉化，進而促進心肌纖維化。同樣，Li等[22]應用不同濃度的TMAO(0 μmol/L-100 μmol/L)刺激小鼠原代成纖維細胞觀察到TMAO通過TGF-β/Smad3信號傳導以劑量依賴性方式促進成纖維細胞增殖，遷移和膠原蛋白分泌。更進一步表明，TMAO加重心肌纖維化可能與TGF-β/Smad信號通路有關。

炎癥反應的激活也參與TMAO促進心肌纖維化的過程。NOD樣受體蛋白3(NLRP3) 炎性小體是NOD受體家族的重要成員之一，由 NLRP3、凋亡相關微粒蛋白和半胱氨酸蛋白酶-1組成，與心肌纖維化密切相關[23,24]。Li等[22]在阿霉素誘導的心肌纖維化小鼠模型中發現，TMAO可增加Toll樣受體4(TLR4)的表達，激活NLRP3炎性體，加重纖維化；而沉默NLRP3可降低TMAO在心臟成纖維細胞中引起的白介素-1β(IL-β)/pro-IL-1β，TGF-β，Col I和Col III水平的升高及α-SMA陽性細胞的數量。以往研究證實，NLRP3可以調控TGF-β/ Smad3信號通路[25]，而被TLR4激活[26]。因此，TMAO在成纖維細胞促進心肌纖維化過程中可能涉及TLR4-NLRP3-TGF-β信號通路，但這一推測需要在體內實驗中進一步驗證。另一個參與炎癥反應的重要轉錄因子核因子κB(NF-κB)亦被證實與心肌纖維化相關[27]。Wang等[27]發現在心力衰竭小鼠模型中，小鼠血TMAO水平的升高與心室間質纖維化面積、心肌纖維化標志物及NF-κB的蛋白表達增加相一致，并且上述改變可通過減少 TMA 合成降低TMAO水平來改善。遺憾的是，該研究未能阻斷NF-κB信號通路進而驗證其在心肌纖維化過程中的關鍵作用。

此外，在探索TMAO與心肌纖維化的過程中，Huc 等人[28]提出了與上述研究相反的結果。該學者發現慢性、小劑量TMAO干預可減輕高血壓大鼠的心肌纖維化，這可能與該實驗周期長，TMAO干預劑量低于前面的實驗有關。

綜上所述，通過飲食干預、建立心力衰竭模型可顯著增加血TAMO水平促進心肌纖維化，具體機制涉及TGF-β/Smad3信號通路及炎癥的激活。隨著TMAO與心肌纖維化的研究增多，進一步闡明TMAO參與心肌纖維化的機制，對診斷、治療、預防TMAO相關的多種心血管疾病的發生、發展都有重要意義。TMAO與心肌纖維化相關研究見表1。

表1 TMAO與心肌纖維化

3 TMAO與腎臟纖維化

目前TMAO在腎臟方面的研究主要是其在CKD患者體內的異常增多與不良事件的發生相關，在促進腎臟纖維化的研究較少。早期Tang等人發現[29]分別給予健康小鼠膽堿和TMAO飲食后，兩組小鼠體內TMAO含量和腎小管損傷標志物(腎損傷分子1)水平較對照組明顯增高。更重要的是，升高的TMAO水平與腎小管間質纖維化、膠原沉積、Smad3磷酸化呈正相關。該研究首次表明TMAO可促進腎纖維化和腎功能障礙，并存在劑量依賴性；同時，還提示在TMAO促進腎臟纖維化過程中TGF-β/Smad3信號通路可能發揮作用。同樣遺憾的是，該研究無阻斷TGF-β/Smad3信號通路后觀察腎臟纖維化指標的變化。近期以上結果得到來自美國的一項最新研究進一步驗證[30]，Gupta等提出給予小鼠膳食補充膽堿或TMAO可以加重慢性皮下注射異丙腎上腺素導致的腎功能損害和纖維化，并且給予膽堿TMA裂解酶抑制劑碘甲基膽堿降低TMAO含量后，腎臟纖維化明顯減輕。以上研究結果均表明，TMAO參與腎臟纖維化過程，但具體機制尚不明確。

在與上述不同的研究中，Sun等[31]發現與低脂飲食相比，高脂飲食誘導的肥胖小鼠血TMAO 水平和腎間質纖維化程度增加，分子水平上腎臟組織氧化應激指標(NADPH氧化酶-4)、炎性指標(腫瘤壞死因子-α、IL-1)顯著增加，以上改變同樣也可以通過減少 TMA 合成降低TMAO水平來改善。該研究提示在肥胖相關性腎損害中，TAMO在促進腎臟氧化應激和炎癥導致腎間質纖維化中發揮重要作用。

TMAO的促腎臟纖維化現象不僅在動物實驗中體現，在最近的臨床研究中亦被證實。El-Deeb 等[32]納入80例CKD2-4期患者和15例健康人，測定全血中Smad3、NLPR3的mRNA水平和血清TGF-β1、IL-1β、TMAO的蛋白質含量。結果顯示，上述因子含量在健康人中低于CKD患者，并且隨腎小球濾過率下降呈階梯狀增高。該臨床研究表明，TMAO、TGF-β/Smad3、NLRP3炎性小體可以作為評估CKD進展的生物標志物，但是三者之間是否存在因果聯系還需要進一步探索。TMAO與腎臟纖維化相關研究見表2。

表2 TMAO與腎臟纖維化

在人體內，心臟、腎臟可以影響腸道血液循環造成腸道代謝紊亂，腸道代謝產物也可以對心臟、腎臟造成損傷，三者之間存在相互作用、相互影響的復雜關系。為此，有學者提出人體內可能存在“腸道-腎臟-心臟軸”[33]。隨后，日本學者的研究證明了該軸在體內的存在[34]，研究發現在緩瀉劑利那洛肽通過影響腸道菌群組成和代謝顯著降低慢性腎衰竭小鼠血TMAO水平的過程中，同時減輕腎衰竭小鼠的腎臟、心臟纖維化程度。機體內腸道源性代謝產物TMAO正是體現這種復雜關系代表物質之一，但其是否是參與組成“腸道-腎臟-心臟軸”尚無法明確。盡管如此，我們也應該重視TMAO對組織器官造成損傷的作用。

4 小結與展望

綜上所述，在心臟、腎臟纖維化及功能受損過程中，TMAO起著重要的促進作用，并與器官纖維化程度呈現出一定劑量依賴性，TGF-β/Smad信號通路在該過程中發揮關鍵作用。此外，氧化應激、NLRP3炎性小體、NF-κB也可能參與其中。盡管TMAO在心臟、腎臟纖維化方面的研究已經取得了明顯的進步，但還存在許多未知之處，需要我們將來進一步研究探索。明確TMAO、器官纖維化和“腸道-腎臟-心臟軸”三者之間的關系，為臨床診斷、治療TMAO相關性疾病提供新的思路，延緩心臟、腎臟纖維化進程。