肠道菌群是肠道微生物生态系统的重要组成部分,主要由厚壁菌、拟杆菌、变形杆菌、放线菌、梭菌等细菌组成,大部分为厌氧菌^[6]。生活方式、药物、中药活性物质^[7]及营养摄入的改变等均可影响肠道菌群的组成。一些特定的肠道菌群含有三甲胺(trimethylamine,TMA)裂合酶,如胆碱-TMA裂解酶CutC/D、甜菜碱还原酶grdH、L-肉碱单氧合酶CntA/B和yeaW/X,可将含有胆碱的物质(如肉类、鱼类、乳制品及坚果等)裂解成TMA,随后被宿主吸收,通过门脉循环经肝脏中黄素单加氧酶(flavin monooxygenase,FMOs)作用进一步氧化为TMAO^[8]。据报道,TMAO由于本身分子特性,可同时作为变构调节剂和渗透调节剂,改变蛋白质的构象,并稳定变构后的蛋白质^[9]。TMAO通过影响人体的脂质代谢异常、肥胖、胰岛素抵抗及血小板的活性增加等,最终促进血栓形成风险增加^[4],其血浆TMAO水平与心血管疾病的发生率成正比^[10]。

CHD是威胁人类健康的主要疾病之一,尤其是冠状动脉粥样硬化斑块破裂所引发的急性心肌梗死(acute myocardial infarction,AMI),是目前导致心血管病患者死亡的主要病因^[2]。临床上将MI大致分为6种类型,分别为:由缺血引起的自发性MI(1型),由供氧量减少引起的MI(2型),由心源性猝死引起的MI(3型),由经皮冠状动脉介入治疗(percutaneous coronary intervention,PCI)相关因素引起MI(4a型),由可证实的支架血栓引起MI(4b型)和由冠状动脉旁路移植术(coronary artery bypass grafting,CABG)相关因素引起的MI(5型),而临床上较多发生供氧量减少引起MI^[11]。研究发现,MI会导致肠道屏障功能障碍,肠黏膜通透性升高,肠道菌群及其代谢产物在体内参与循环增加,激活过度的免疫炎症反应,增加MI后心血管事件再次发生的风险^[12]。同时发现,胆碱饮食会使肠道菌群被激活,代谢出更多的TMAO,刺激血小板^[4],血栓形成风险增加,致MI的发生率增加。在急性冠脉事件全球登记(Global Registry of Acute Coronary Events,GRACE)风险评分中加入患者TMAO水平可更准确预测MI等心血管事件的发生^[13]。

近年来,世界多个研究发现血浆TMAO水平与慢性肾脏疾病、2型糖尿病、肝病和结直肠癌等疾病的死亡率均有相关性^[8],且荟萃分析显示,TMAO水平每上升5 μmol·L^-1,慢性病的发病风险会增加50%^[14]。大量临床队列研究证实,TMAO与MI等心血管疾病的发生发展有着密不可分的联系。对患有心血管疾病的患者多年随访后研究发现血浆TMAO与MI的发生有显著相关性。随后,ELKO等^[15]发现TMAO可以促进颈动脉内膜中层厚度(carotid intima-media thickness,CIMT)的增加,影响早期冠状动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)的发展。在一项检测心肌肌钙蛋白T(cardiac tropoin T,CTnT)在MI中的诊断作用的临床研究中^[16],发现TMAO的前体物质三甲基赖氨酸(trimethyllysine,TML)水平也与主要不良心血管事件(major adverse cardiovascular events,MACE)(死亡、MI和中风)相关,且血浆TMAO与TML水平均可预测短期及长期MI事件。一项关于血浆TMAO水平与死亡率及MACE之间关系的Meta分析结果说明,血浆TMAO水平与心血管风险和死亡率增加之间呈剂量依赖性关系^[10]。

2.2.1 TMAO提高血小板活性 血栓形成是MI发生的主要原因,而血小板活化是其中的一个关键环节。血管内皮细胞损伤导致胶原暴露,大量血小板活性提高,启动血小板活化过程,活化后的血小板黏附聚集形成血栓。通过动物或细胞培养等实验,研究者们发现TMAO对血小板有着不同程度的病理生理方面的影响,参与MI等心血管疾病的发展^[17]。ZHU等^[4]从健康志愿者血浆中分离出血小板检测外源性TMAO对血小板活性的影响,结果说明,TMAO通过刺激血小板内Ca²⁺释放可直接增强人血小板对多种激动剂(凝血酶、胶原及二磷酸腺苷)的结合,增加血小板黏附、聚集、生成的能力,促进血栓的形成,使MI的发生率增加。近期研究发现,TMAO还可通过选择性地参与内皮组织因子的表达,激活外源性凝血级联,从而促进血栓形成^[18]。

2.2.2 TMAO促进泡沫细胞形成 内皮细胞表面的单核细胞在转录因子(PPARs-γ、IFN-γ、IL-4等)的作用下分化成不同表型的巨噬细胞,继而氧化修饰血管内皮下的低密度脂蛋白胆固醇(low density lipoprotein cholesterin,LDL-C),通过巨噬细胞表面的清道夫受体吞噬大量氧化LDL-C形成泡沫细胞,富含脂质的泡沫细胞在冠脉内膜处形成脂肪条纹,加速AS进展,促进MI等不良心血管事件的发生^[19]。相关实验说明TMAO可促进巨噬细胞迁移,清道夫受体水平增高,泡沫细胞形成增多。在一项探讨TMAO促进AS发展的可能机制实验中发现,TMAO可通过CD36/MAPK/JNK通路诱导泡沫细胞的形成,从而显著促进脂蛋白E基因敲除小鼠(Apo-E型)的斑块进展^[20]。

2.2.3 TMAO影响胆汁酸合成 胆汁酸主要的生理功能是消化和吸收脂类物质,减轻血脂压力,但随着研究的不断深入,发现其可以通过Takeda G蛋白偶联受体5(Takeda G protein-coupled receptor 5,TGR5)、法尼醇类X受体(Farnesol X receptor,FXR)等细胞表面受体调控靶基因转录,从而延缓AS发生和MI等不良心血管事件的进展^[21]。DING等^[22]在探讨TMAO促进MI与胆汁酸生成之间关系时,将Apo-E型小鼠实验组喂养含3%胆碱饲料8周后,测定小鼠主动脉病变进展情况和血脂谱,发现实验组小鼠主动脉斑块总面积明显增加,三酰甘油(triglyceride,TG)、总胆固醇(total cholesterol,TC)、LDL-C水平也显著升高。同时研究发现TMAO通过激活小异源二聚体(short heterodimer partner,SHP)和FXR受体,降低胆汁酸合成途径的限速酶胆固醇27α-羟化酶(cholesterol 27-alphahydroxy-lase,CYP27A1)的表达,特异性抑制胆汁酸合成途径而减少胆汁酸的合成,从而加速动脉粥样硬化病变的形成,促进MI的发生。

2.2.4 TMAO导致内皮功能障碍 内皮功能障碍是动脉粥样硬化病变和MI等心血管事件发生的关键因素。多项研究表明,肠道菌群代谢物TMAO与血管内皮细胞炎症损伤相关。一项关于稳定型心绞痛的临床研究证实^[23],血浆TMAO水平升高与内皮功能受损、炎症增加及循环内皮祖细胞(endothelial progenitor cells,EPC)减少有显著相关性。同时研究发现,高水平的TMAO可下调抗炎细胞因子白细胞介素(IL)-10的表达并通过p38丝裂原活化蛋白激酶和核因子-κB(NF-κB)信号通路增加内皮细胞炎症;诱导活性氧(reactive oxygen species,ROS)的产生,抑制内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,ENOS)mRNA的表达,减少一氧化氮(nitric oxide,NO)的生成从而加重氧化应激反应。TMAO通过增加内皮细胞炎症和氧化应激反应,从而抑制EPC,最终导致内皮功能障碍。此外,研究发现,高水平TMAO还会降低受损内皮细胞的自我修复能力^[24]。

饮食结构的改善可影响肠道菌群的组成,降低血浆TMAO水平,从而减少MI等事件的发生。将纯素食受试者与杂食受试者相比时发现,纯素食者因胆碱和肉碱的摄入量较低,TMA生成减少,导致经肝脏代谢生成的TMAO水平也较低^[25,26]。BIELINSKA等^[27]通过实验发现,高盐饮食导致大鼠肠道生态失调,影响TMAO从肾脏的排泄,使血浆TMAO水平高于对照组。

目前正在研究益生菌、茶叶等作为食品补充剂用于心血管疾病的治疗。植物乳杆菌是益生菌的一种,研究发现其可以提高拟杆菌科和螺杆菌科的丰度,降低粘螺菌属的相对丰度,从而降低小鼠血浆TMAO水平^[28]。六安瓜片茶中的黄酮类成分与TMA裂解酶结合,抑制TMA向TMAO转化,同样可以降低血浆TMAO水平^[29]。

研究者们通过大量实验证明一些药物对人体肠道菌群组成有影响,可减少其代谢产物TMAO的产生,从而预防和治疗MI等心血管疾病。

ROMANO等^[30]发现使用抗菌药物可对氢化厌氧球菌、生孢梭菌等6类肠道菌群产生抑制作用,使血浆TMAO水平显著下降;而停用抗菌药物后TMAO水平又重新升高。然而,长期服用抗菌药物会使机体产生耐药性和毒副作用,造成肠道菌群失调,弊大于利。随着研究的不断深入,有望发现可有效降低TMAO水平,且对人体影响较小的抗菌药物。

3,3-二甲基-1-丁醇(3,3-dimethyl-1-butanol,DMB)是胆碱的结构类似物,是一种在食物或酒精饮料中发现的天然产物。WANG等^[31]研究发现在不改变胆固醇水平的情况下,DMB可有效抑制TMA的形成,降低高胆碱饮食小鼠的TMAO水平,抑制小鼠内源性泡沫细胞的形成并减缓动脉粥样硬化病变的发展。在大鼠MI实验中,DMB可降低了梗死后的TMAO水平,同时也降低IL-8水平,预防和治疗心梗后诱发的心力衰竭^[32]。DMB作为TMA裂解酶抑制剂使临床上对冠心病的治疗增加了一条思路,然而,关于DMB使用的安全性、有效性临床试验很少,DMB的治疗意义仍有待研究。

日常生活中增加体育锻炼可有效预防MI等心血管事件的发生,具有一定的潜在价值。LIU等^[33]发现中等强度的体育锻炼即可改变MI型小鼠的肠道菌群组成,并能在一定程度上改善心功能;同样,研究发现,连续一周的运动就可以使人体肠道菌群的相对丰度和多样性发生显著变化,且与血浆TMAO水平的变化相关^[34]。运动是影响肠道菌群组成和多样性的独立因素,但目前,关于运动与TMAO相关性的研究较少,其具体调节机制有待进一步研究。