文獻分享丨Trends Endocrinol Metab百家爭鳴TMAO
TMAO是來源于腸道的代謝物，最近已成為心血管疾病和其他不良健康結果的潛在危險因素。然而，TMAO與慢性疾病之間的關系受多種因素影響，包括腎功能、腸道微生物和FMO3基因型。因此，TMAO是否是促進人類疾病發生和發展的誘因，或者只是一個潛在的病理標志仍然沒有定論。重要的是，膳食來源的TMAO對健康有益，可以為許多生物功能提供起關鍵作用的營養素。提前飲食干預，將限制產生TMAO的營養物質作為改善人類健康的手段值得仔細考慮，目前可能并不合適。2016年Clara Cho和Marie Caudill在Trends in Endocrinology & Metabolism上發表綜述文章“Trimethylamine-N-Oxide: Friend, Foe, or Simply Caught in the Cross-Fire?”。對TMAO的膳食來源、代謝、功能以及與疾病之間的關系進行了總結和討論。
TMAO：一種與腸道菌群相關的代謝物
飲食與健康之間的關系涉及到營養物質、基因和生理系統之間復雜的相互作用，腸道菌群就是生理系統中重要的一部分。雖然人們很早就認識到腸道菌群在處理、合成和利用營養物質中的功能，但是腸道菌群是否有其他的功能，是否能影響諸如心血管疾病、肥胖和癌癥等慢性疾病的易感性還不清楚。潛在的機制涉及微生物從食物產生的三甲胺（TMA）和TMA在肝臟中的代謝產物TMAO。最近有證據表明TMAO可以作為心血管疾病的預測因子。除了腸道菌群，腎臟功能和遺傳也是可以影響血液中TMAO濃度的重要因素，它們可以影響TMAO與疾病之間的關系。
TMAO的膳食來源
TMAO本身存在于我們的食物之中，比如魚肉，或者可以由腸道代謝膽堿和肉堿生成。在這些飲食來源中，魚肉中的TMAO對循環系統中的TMAO濃度影響最大。食用魚肉后會導致血液和尿液中TMAO濃度顯著升高。循環系統中TMAO濃度也受食物的形式和量的影響。人類攝食大量的游離形式的膽堿，而不是磷脂酰膽堿，會導致尿液排出過多的TMA和其衍生物。值得注意的是，食用蛋類和補充膽堿導致的循環系統中TMAO變化在個體之間差異較大，表明飲食和宿主之間有強烈的相互作用。高脂飲食是影響TMAO濃度的另一個因素。在健康正常男性中，高脂飲食導致TMAO濃度升高。此外，攝入過多的熱量（> 1000千卡/天），高脂肪（55%）4周會導致空腹血漿中TMAO升高。導致這一變化的具體機制還不清楚，但是部分原因可能是攝入食物中含有過多的肉堿和膽堿。
Figure 1. A Simplified Diagram of Trimethylamine-N-Oxide (TMAO) Generation and Metabolism
TMAO代謝
作為TMAO前體物質的膽堿和肉堿首先必須在腸道內由腸道細菌轉化為TMA。抗生素處理后會抑制膽堿和肉堿攝入后導致的TMAO濃度升高。類似地，給無菌小鼠定植產生TMA的細菌會降低血液中膽堿的濃度。膽堿由微生物轉化為TMA需要膽堿TMA裂解酶催化，這是一種由Cut基因簇編碼的甘氨酸自由基酶，其存在于三個腸道細菌門：厚壁菌門、變形菌門和放線菌門。腸道菌群產生的TMA在肝臟中由FMO3進一步催化形成TMAO，生成的TMAO在24小時內主要從腎臟排出。
有意思的是，長期的飲食習慣可以改變腸道菌群的構成，最終影響利用食物產生TMAO。盡管受飲食調節，糞便微生物組成分析揭示了肉食和素食兩種不同飲食模式的腸道菌群間存在差異，TMAO高組以普雷沃氏菌屬而不是擬桿菌屬為主。因此，長期的飲食習慣看起來會影響細菌類群，這可能反過來影響TMAO的產生能力。與飲食中的TMAO前體相比，人類和大鼠中多數TMAO似乎以一種獨立于腸道微生物的方式被吸收。最近一項研究表明循環系統中TMAO在魚肉攝入15分鐘后會升高，這一時間窗太短，根本無法讓腸道菌群轉化和肝臟處理產生TMAO。
TMAO的功能
TMAO在許多物種和組織類型中具有一系列生物學效應。最為一個有機滲透物，TMAO被缺水生物體和組織用來維持細胞體積。哺乳動物腎臟積累TMAO來抵消尿素對大分子的去穩定作用，抵消尿素對配體結合功能的抑制作用。TMAO還可以抵消深海動物流體靜壓和熱壓對蛋白質結構和配體結合的不穩定影響。TMAO穩定蛋白的功能至少在某種程度上通過降低水的氫鍵結合能力，并作為擁擠分子通過排除體積效應增加折疊態的穩定性。TMAO還可以通過抑制肌肉蛋白中肌動球蛋白馬達的活性來增強蛋白質的穩定性。
TMAO還具有“化學伴侶”的功能，在內質網中積累促進蛋白質折疊，從而抑制內質網應激和弱化非折疊蛋白反應。TMAO作為一種化學伴侶已被證實在嚙齒動物模型中可以減少實驗性糖尿病周圍神經病變、哮喘和白內障的形成。此外，TMAO處理人類細胞系可以減少成神經細胞瘤細胞中的氧化損傷標志物，改善青光眼小梁網細胞中突變心肌蛋白的折疊和分泌，降低單純性大皰性表皮松懈癥患者熱應激誘導的角蛋白聚集。
TMAO和慢性疾病風險
心血管疾病
TMAO與心血管疾病風險之間的聯系首次在2011年報道。采用非靶向代謝組分析，研究者發現心臟病人血漿中TMAO濃度與心血管疾病風險之間存在劑量依賴性關系。一個加拿大的包括多民族人口的橫斷面研究發現血清TMAO與心血管疾病呈現分級相關性。血液中TMAO濃度也與心血管手術患者的冠狀動脈梗死數相關，尿液中二甲胺水平與冠狀動脈疾病相關。
TMAO導致心血管疾病的機制可能與巨噬細胞膽固醇過度累積有關。在ApoE-/-動脈粥樣硬化易發性小鼠模型中，攝入TMAO和其食物中的前體均可以增加泡沫細胞的形成，這一過程依賴于腸道菌群來增加細胞表面表達兩種致動脈粥樣硬化清除受體：CD36和清道夫受體A。此外，TMAO隨后被報道可以在ApoE-/-小鼠中通過下調肝臟CYP7A1活性來降低膽固醇反向轉運。值得注意的是，在ApoE-/-小鼠中TMAO被發現可以降低過表達人膽固醇酯轉移蛋白導致的主動脈損傷的形成，表明其對心血管疾病具有保護作用。TMAO導致心血管疾病的其他機制包括延長血管緊張素II的致高血壓作用和增加血小板激活。TMAO是否在導致心血管疾病中具有中介作用，或者其高濃度只是與膽固醇代謝異常和循環系統紊亂共存的因素仍然還不確定。
腎臟疾病
循環系統中TMAO在慢性腎病中升高，與腎小球濾過率呈現負相關。循環系統中TMAO是影響慢性腎病病死率的獨立危險因素。在中期和末期腎病患者中，高TMAO與全因死亡率呈正相關。TMAO濃度還可以用于識別出晚期慢性腎病患者中發生心血管事件最高的人群。盡管如此，最近一項研究對一系列心臟代謝危險因素，包括腎功能，進行分析，并沒有發現TMAO、膽堿和甜菜堿血漿濃度與重大心血管事件風險存在任何顯著相關性。
雖然TMAO加速腎臟功能損傷的機制并不清楚，但是飲食中含有過多的膽堿或者TMAO與小管間質纖維化和膠原沉積相關，并伴有TGF-β信號傳導調節因子Smad3磷酸化增加。是否攝入生理相關水平的膽堿和TMAO可以導致腎小管間質纖維化和功能障礙仍不清楚。
2型糖尿病
TMAO水平升高也與2型糖尿病（T2DM）相關。糖尿病動物模型血液中TMAO濃度會比對照組高10倍。類似地，人類血液中TMAO也與T2DM相關。值得注意的是，T2DM似乎增強了TMAO和心血管疾病之間的聯系。在T2DM患者中，高TMAO與多種心血管事件，包括心肌梗死、心力衰竭和不穩定性心絞痛的高風險相關。在沒有糖尿病的受試者中，高TMAO只與死亡和心衰相關。類似地，T2DM患者中，高濃度TMAO伴隨頸動脈內膜-中膜厚度增加、糖耐量受損、妊娠期糖尿病或體重指數>27 kg/m2，與年齡、性別和內臟脂肪量無關。
TMAO影響2型糖尿病的病理機制研究相對較少。高脂飲食中添加TMAO會使小鼠糖耐量受損更嚴重，肝臟胰島素信號受到干擾和脂肪組織炎癥發生。盡管如此，T2DM患者嚴重的心臟代謝風險也可能來自于與TMAO相關代謝途徑的改變，包括脂類、磷脂和甲基化。
癌癥
循環系統中TMAO升高與某些癌癥風險增加有關。較高濃度的TMAO與缺乏維生素B12的絕經后女性患結腸癌的風險較高相關。此外，全基因組系統分析發現大腸癌和TMAO之間有很強的關聯性，因為二者在遺傳途徑改變上有很多共同之處。最后，在前列腺癌風險的代謝組學分析中發現TMAO與惡性前列腺癌相關。
與疾病相關的重要TMAO調節因子
目前仍不清楚TMAO是否直接參與病理過程還是只是未知病理因素的一個標志物。此外，TMAO血漿濃度存在個體內差異，使得同一個人在不同時間測量的結果相關性不強，這會在縱向研究中給TMAO濃度和疾病終點之間的分析帶來混雜因素。血液中TMAO濃度還受其他因素影響，包括腎功能、腸道菌群和FMO3活性和基因型。所有這些因素都可能在疾病病因和進展中有直接作用。
腎功能
腎功能下降是心血管病人死亡的常見原因，也是心血管疾病的危險因素。因此，腎功能是研究TMAO和心血管疾病之間關系的一個重要混雜因素。雖然腎小球濾過率被認為是評估腎功能的金標準，但是腎小球濾過率的估算并不十分準確，對早期腎病的診斷和進展的監測相對來說不夠靈敏。因此，臨床腎功能受損可能檢測不到。此外，升高的TMAO濃度可以反應高血壓導致的腎髓質受損。
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Figure
2. Overview of Factors that Can Influence the Relation between Trimethylamine-N-Oxide
(TMAO) and Chronic Disease Risk.
腸道菌群
目前有若干疾病狀態與腸道菌群病理變化相關，嚙齒動物模型研究表明腸道生態失調是導致疾病的重要原因。鑒于TMAO是來自于腸道菌群的代謝產物，循環中的TMAO濃度可能是腸道菌群組成的生物標志物。年輕男性在食用雞蛋和牛肉后，血液中TMAO濃度升高，同時腸道菌群的生物多樣性下降，厚壁菌門相對于擬桿菌門有更多的富集。值得注意的是，以TMAO升高為標志的腸道菌群組成變化可以導致疾病的發生和發展。宏基因組分析表明動脈粥樣硬化患者柯林斯氏菌屬豐度較對照組高。這些發現提出了一種可能性，即血液中TMAO的升高可能由腸道菌群失調導致，這可能是潛在的疾病致病因素。此外，循環中的TMAO可以反映疾病發展過程中腸道菌群組成的差異。無論哪種情況，TMAO都更像疾病的標志物而不是直接的病因。
FMO3活性和基因型
雖然FMO3催化TMA生成TMAO這一活性廣為人知，但是它還可以調控膽固醇代謝和胰島素敏感性。給FMO3敲低的小鼠喂食膽固醇會改變膽管脂類分泌，妨礙小腸膽固醇吸收，抑制肝臟生成氧甾醇和膽固醇酯。此外，在胰島素抵抗小鼠中敲低FMO3會抑制FoXO1（一個重要的代謝調控因子），從而預防高血脂和動脈粥樣硬化的發展。因此，FMO活性可以通過獨立于TMAO的方式影響疾病的預后。
值得注意的是，FMO3活性的不同在人類中可以由FMO3不同的變異導致。除了罕見的三甲胺尿病人的FMO3突變，單核苷酸多態性導致的酶活降低也有報道。FMO3 E158K和E308G雜合子突變攜帶者缺血性中風的風險較高。E158K多態性也與高血壓易感性和慢性腎病死亡相關。雖然FMO3活性調節因子和疾病風險之間的本質聯系非常復雜，研究的也并不清楚，但是現有數據表明FMO3活性在疾病病理中起著重要作用，與TMAO代謝關系不大。
富含TMAO飲食的健康效應
長期以來人們認為吃魚（含TMAO）與降低心血管疾病風險相關，富含膽堿和肉堿的飲食也對人類健康有益。此外，含有TMAO前體的動物源性食物也是重要的營養來源，比如omega-3脂肪酸、鐵和維生素B12。
作為磷脂酰膽堿和乙酰膽堿的前體物質，膽堿在膜的生物合成和神經信號傳遞中起著重要作用。膽堿也是細胞內甲基化反應的甲基供體，包括DNA甲基化等。懷孕期間對膽堿的需求尤為重要，額外的膽堿攝入被證明可以通過表觀遺傳修飾和增強胎盤功能來降低新生兒的應激反應，從而降低嬰兒神經管缺陷的幾率。富含膽堿的飲食與健康希臘成人較低的血漿炎癥標志物相關，富含膽堿飲食也可以提高人的認知功能。
左旋肉堿對能量代謝，尤其是脂肪酸氧化非常重要，補充肉堿可以作為一種增效劑。血液透析病人補充肉堿可以降低血管損傷標志物和氧化應激，包括可溶性細胞內黏附分子1、血管細胞黏附分子1和丙二醛，盡管這會導致血漿TMA和TMAO濃度升高。此外，薈萃分析表明補充肉堿可以降低死亡率。
結束語和未來展望
在病人和疾病動物模型中，TMAO是一個新的惡性心血管疾病危險因素。循環TMAO在其他疾病，包括腎病、2型糖尿病和癌癥中作為危險因素也正在引起重視。人類中TMAO是否能直接引起疾病發生和發展，或者只是背后真正病理機制的一個簡單標志物現在仍不確定。需要考慮的重要混雜因素包括腎功能、腸道菌群和FMO3基因型。富含TMAO前體的飲食可以為健康提供重要的營養物質。因此，因為容易升高TMAO就限制動物源性食物可能并不合適，反而會導致其他意想不到的不良后果。
臨床研究降低TMAO對心血管疾病結局的效應時需要闡明TMAO在疾病過程中的作用。由于TMAO可以作為腸道菌群對人類健康不利反應的替代標志物，因此研究飲食和藥物干預來恢復腸道菌群和宿主之間的共生關系非常有必要。最后，實驗室研究是增強我們對TMAO和FMO3在人類器官系統中功能認識的保障。
