王世杰,陳 松
(1.河北科技大學(xué) 食品與生物學(xué)院, 河北 石家莊 050018;2.君樂(lè)寶乳業(yè)集團(tuán)有限公司, 河北 石家莊 050221)
三甲胺(trimethylamine, TMA)是一種低沸點(diǎn)、含氮小分子化合物[1]。食物中的膽堿、左旋肉堿、甜菜堿等物質(zhì)在腸道菌群的作用下可轉(zhuǎn)化為T(mén)MA[2],腸道中的TMA極易被腸道上皮細(xì)胞吸收進(jìn)入血液并對(duì)心肌細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞毒性作用,被認(rèn)為是一種心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)志[3]。研究發(fā)現(xiàn),心血管疾病患者血液TMA含量與腎小球?yàn)V過(guò)率呈負(fù)相關(guān)(腎小球?yàn)V過(guò)率降低是一個(gè)獨(dú)立的心血管危險(xiǎn)因素)[4]。同時(shí),TMA通過(guò)血液進(jìn)入肝臟氧化形成氧化三甲胺(trimethylamine-N-oxide, TMAO),TMAO通過(guò)促進(jìn)炎癥反應(yīng)、影響膽固醇代謝和氧化應(yīng)激反應(yīng)、參與血栓形成等方式,誘導(dǎo)動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生和發(fā)展,動(dòng)脈粥樣硬化是心血管疾病的病理基礎(chǔ)[5]。臨床研究也表明,血液中高水平的TMAO與心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)[6]。因此,了解腸源性TMA的生成機(jī)制及影響因素,對(duì)降低TMA和TMAO對(duì)健康的危害具有重要意義。
TMA食物前體是腸源性TMA產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ),常見(jiàn)的TMA食物前體包括膽堿、左旋肉堿、甜菜堿及TMAO[7]。最近研究表明,左旋肉堿的一種前體物質(zhì)N6,N6,N6-三甲基-L-賴(lài)氨酸(N6,N6,N6-trimethyl-L-lysine, TML)和組氨酸的一種含硫衍生物麥角硫氨酸,也被認(rèn)為是TMA的食物前體[2,8]。圖1是三甲胺及三甲胺相關(guān)的食物前體化合物。
圖1 三甲胺及三甲胺相關(guān)的食物前體化合物Fig.1 Trimethylamine and trimethylamine-related food precursors
膽堿被認(rèn)為是人體的條件必需營(yíng)養(yǎng)素,可通過(guò)肝臟內(nèi)源性生成,也能通過(guò)食物外源性攝入。腸道中的膽堿主要來(lái)自食物中游離的膽堿和膽堿酯。膽堿酯在相應(yīng)酶類(lèi)的作用下能夠轉(zhuǎn)化為膽堿,例如,卵磷脂在磷脂酶D的作用下可轉(zhuǎn)化為膽堿[8]。通常,動(dòng)物性食物比植物性食物含有更多的膽堿,雞蛋和動(dòng)物的肝臟是飲食中膽堿的主要來(lái)源,其次是肉和魚(yú)、谷類(lèi)、蔬菜、水果、牛奶、脂肪和油。一些植物性食物也含有豐富的膽堿,例如,蕓苔科植物的種子中含有大量以酚類(lèi)膽堿酯形式存在的膽堿,花椰菜和菜籽等食物中含有芥子酸膽堿酯[2]。左旋肉堿也分為內(nèi)源性和外源性,外源性攝入的左旋肉堿主要來(lái)自動(dòng)物性食物(如肉類(lèi)和乳制品),谷物和蔬菜中也含有左旋肉堿但含量較低。紅肉是左旋肉堿最豐富的食物來(lái)源,其次是動(dòng)物的肝臟和蛋類(lèi)食物。甜菜堿是甘氨酸的衍生物,人體可以通過(guò)膽堿代謝內(nèi)源性合成甜菜堿,也可以通過(guò)食物外源性攝入[9],其中谷類(lèi)食物是甜菜堿的主要來(lái)源,菠菜、甜菜、甲殼類(lèi)和鰭魚(yú)也含有豐富的甜菜堿。
TMAO是一種小分子胺,在魚(yú)類(lèi)和海洋無(wú)脊椎動(dòng)物中廣泛存在[10]。人體內(nèi)源性產(chǎn)生的TMAO主要來(lái)源于對(duì)TMA的氧化。海魚(yú)和貝類(lèi)是人體攝入外源性TMAO的主要來(lái)源,不同的魚(yú)類(lèi)TMAO含量存在顯著差異,鰭魚(yú)和軟骨魚(yú)中TMAO含量比其他魚(yú)類(lèi)高。TML是一種非蛋白質(zhì)氨基酸,是左旋肉堿的前體,在蔬菜中主要以游離氨基酸的形式存在,是大多數(shù)哺乳動(dòng)物日常營(yíng)養(yǎng)的重要組成部分。通常,動(dòng)物性食物中的TML高于植物性食物,在動(dòng)物性食物中蛋和蝦的含量較高,植物性食物中甜椒的含量較高[11]。麥角硫氨酸是組氨酸的一種含硫衍生物,目前只發(fā)現(xiàn)在一些真菌和細(xì)菌中能合成麥角硫氨酸。人體中麥角硫氨酸完全是通過(guò)食物獲得,牛肝菌和平菇中麥角硫氨酸的含量較高,雞肝、豬肝、豬腎、黑豆和紅豆和燕麥麩皮中也含有麥角硫氨酸,但是含量較低[12]。
腸源性TMA是其食物前體在腸道菌群的作用下產(chǎn)生的。腸道菌群的存在至關(guān)重要,因?yàn)槿梭w自身不能合成產(chǎn)生TMA的酶類(lèi),產(chǎn)生TMA的酶都是腸道菌群代謝形成的[7]。參與腸源性TMA產(chǎn)生的腸道微生物涵蓋了變形菌門(mén)(Proteus)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)、放線菌門(mén)(Actinomycetes)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、梭桿菌門(mén)(Fusobacteria)等菌門(mén)[13-14]。
將膽堿轉(zhuǎn)化為T(mén)MA的微生物主要包括:厚壁菌門(mén)中的鏈球菌屬(Streptococcus)、生孢梭菌(Clostridiumsporogenes)、哈氏梭菌(Clostridiumhathewayi)、天冬酰胺梭菌(Clostridiumasparagine)、氫化厭氧球菌(Hydrogenatedanaerobiccocci),放線菌門(mén)中的動(dòng)彎桿菌屬(Campylobactermobilis)、歐陸森菌屬(Euglenum);蛋白菌門(mén)中的腸桿菌屬(Enterobacter)、愛(ài)德華菌屬(Edwardsiella)、弗格森大腸桿菌(Escherichiafergusonii)、脫硫弧菌(Desulfovibriodesulfuricans),變形菌門(mén)中的克雷伯氏菌屬(Klebsiella)、彭內(nèi)氏變形桿菌屬(Proteuspenneri)、普羅維登斯菌屬(Providence)[15-16]。
將左旋肉堿轉(zhuǎn)化為T(mén)MA的微生物主要包括:變形菌門(mén)(Proteus)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)和普氏桿菌科(Proteaceae)。
甜菜堿既作為膽堿和左旋肉堿轉(zhuǎn)化為T(mén)MA的中間體,又作為一種單獨(dú)的TMA飲食前體,將甜菜堿轉(zhuǎn)化為T(mén)MA的主要微生物包括:放線菌門(mén)中的梭菌屬(Clostridium)和真細(xì)菌屬(Eubacteria)[17]。
飲食攝入的TMAO主要是在腸桿菌科(Enterobacteriaceae),尤其是大腸桿菌(Escherichiacoli)和肺炎克雷伯氏菌(Klebsiellapneumoniae)的作用下轉(zhuǎn)化為T(mén)MA[18]。
TMA是由腸道菌群代謝產(chǎn)生的,但是將TMA食物前體轉(zhuǎn)化為T(mén)MA的物質(zhì)是腸道菌群產(chǎn)生的酶,因此產(chǎn)生TMA的酶受到了廣泛關(guān)注,目前大多數(shù)的研究集中在編碼酶的基因上。例如,攜帶膽堿三甲胺裂解酶(choline TMA-lyase , CutC)的腸道厭氧微生物都含有CutC基因,該基因編碼的CutC在膽堿TMA裂解酶活化酶(choline TMA-lyase activating enzyme, CutD)的作用下可催化膽堿初始C—N鍵的斷裂,產(chǎn)生TMA和乙醛[19]。研究發(fā)現(xiàn),攜帶CutC基因的腸道微生物存在于不同的生態(tài)位上,如乳鏈球菌(Streptococcuslactis)、克雷伯氏菌(Klebsiellapneumoniae)、催產(chǎn)克雷伯氏菌(Klebsiellaoxytociae)、腸球菌(Enterococcus)等[20]。
食物中的TMA前體物質(zhì)進(jìn)入腸道,在腸道菌群及其代謝酶作用下轉(zhuǎn)化為T(mén)MA,TMA被腸道上皮細(xì)胞吸收進(jìn)入血液,經(jīng)門(mén)靜脈循環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)到肝臟中,隨后被黃素單加氧酶(flavin-containing monooxygenases, FMOs)氧化為T(mén)MAO(如圖2)。氧化生成的TMAO最終會(huì)隨著尿液和汗液被機(jī)體排出體外。
圖2 TMA食物前體的主要食物來(lái)源、代謝途徑以及TMA在肝臟FMOs作用下氧化為T(mén)MAO的代謝途徑Fig.2 Main food sources, metabolic pathways of TMA dietary precursors, and metabolic pathways of TMA oxidized to TMAO under action of hepatic FMOs
不同的TMA前體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)門(mén)MA的路徑是不一樣的,膽堿產(chǎn)生TMA的途徑有直接和間接兩種方式,膽堿可被攜帶CutC(由CutD激活[16])的腸道厭氧微生物直接代謝成TMA,膽堿也可以通過(guò)膽堿脫氫酶和甜菜堿醛脫氫酶兩種酶的協(xié)同作用被氧化成甜菜堿,再由甜菜堿還原酶還原為T(mén)MA[21]。左旋肉堿產(chǎn)生TMA也有直接和間接兩種方式,肉堿加氧酶(carnitine oxygenase, CntA)和肉堿還原酶(carnitine reductase, CntB)是將左旋肉堿直接轉(zhuǎn)化為T(mén)MA的主要酶,左旋肉堿也可先被肉堿輔酶A轉(zhuǎn)移酶催化為γ-丁基甜菜堿(γ-丁基甜菜堿也可由γ-丁基甜菜堿羥化酶催化為左旋肉堿),然后在TMA裂解酶的作用下,γ-丁基甜菜堿轉(zhuǎn)化為T(mén)MA[22]。
此外,左旋肉堿也可在左旋肉堿脫氫酶的作用下轉(zhuǎn)化為甜菜堿,再由甜菜堿還原酶還原為T(mén)MA。在膽堿和左旋肉堿轉(zhuǎn)化為T(mén)MA的過(guò)程中,甜菜堿可以作為其中間體轉(zhuǎn)化為T(mén)MA,同時(shí)甜菜堿也作為一種單獨(dú)的飲食前體存在于許多植物中,甜菜堿可在甜菜堿還原酶的作用下轉(zhuǎn)化為T(mén)MA,但是目前的研究只發(fā)現(xiàn)甜菜堿在綿羊的瘤胃中能夠代謝為T(mén)MA,還沒(méi)有研究表明在大鼠和人類(lèi)中甜菜堿可以代謝為T(mén)MA[23]。TML是左旋肉堿的一種前體物質(zhì),TML在體內(nèi)可轉(zhuǎn)化為左旋肉堿,進(jìn)而通過(guò)左旋肉堿轉(zhuǎn)化為T(mén)MA。麥角硫氨酸通過(guò)麥角硫苷酶可直接轉(zhuǎn)化為T(mén)MA[2]。飲食攝入的TMAO可直接被TMAO還原酶還原為T(mén)MA[18]。
腸源性TMA產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)是食物前體,減少食物中TMA前體物質(zhì)的攝入,就可以從源頭上降低TMA的產(chǎn)生。同時(shí),通過(guò)飲食控制TMA產(chǎn)生是相對(duì)安全的方式,但是,這種方法在實(shí)際生活中卻難以實(shí)施。TMA前體物質(zhì)存在于不同的食物中,雞蛋是膽堿和卵磷脂的主要來(lái)源,紅肉是左旋肉堿、膽堿和卵磷脂的來(lái)源,海鮮是TMAO和甜菜堿的來(lái)源;因此,通過(guò)飲食控制十分困難。更重要的是,TMA前體物質(zhì)本身也是一種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),如果它們不被腸道菌群代謝成TMA,對(duì)人類(lèi)是有益的,甚至是必不可少的。例如膽堿是一種基本營(yíng)養(yǎng)素,缺乏膽堿會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的肝功能障礙、脂肪變性和神經(jīng)紊亂,左旋肉堿是人體必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),負(fù)責(zé)脂肪酸的轉(zhuǎn)運(yùn)[24]。因此,通過(guò)減少食物中TMA前體物質(zhì)的攝入來(lái)控制腸源性TMA,難以操作。
通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群,降低產(chǎn)生TMA腸道菌群的比例是控制腸源性TMA的主要研究方向[25]。但是將TMA前體物質(zhì)代謝成TMA的微生物非常多,從龐大的腸道微生物區(qū)系中精準(zhǔn)地抑制產(chǎn)生TMA的微生物十分困難[26]。此外,健康人體的腸道菌群擁有顯著的多樣性和彈性,可以抵抗外界的干擾。抑制產(chǎn)生TMA的腸道菌群,使TMA產(chǎn)生變少,這種作用效果有可能是短暫的,最終由于人體腸道區(qū)系的自我調(diào)節(jié),這種抑制作用可能減弱或消失[27]。使用抗生素來(lái)調(diào)節(jié)腸道菌群減少TMA的產(chǎn)生,是一種最直接且簡(jiǎn)單的方法,但是這種方式會(huì)消滅腸道內(nèi)對(duì)人體健康有益的微生物。
目前更多的研究集中在重塑腸道微生物區(qū)系,降低腸道中TMA的生成。Chen 等[28]研究表明,白藜蘆醇能夠重塑腸道微生物區(qū)系進(jìn)而減少TMA的生成。Su 等[29]研究提出,二甲雙胍可通過(guò)重塑腸道微生物區(qū)系并降低代謝膽堿三甲胺裂解酶的腸道菌群豐度來(lái)減少TMA的產(chǎn)生。Li 等[30]發(fā)現(xiàn)從黃連、小檗等中草藥中提取的黃連素(小檗堿)可通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群進(jìn)而減少TMA的產(chǎn)生。
TMA是由腸道菌群代謝的酶類(lèi)對(duì)TMA前體物質(zhì)直接作用生成的,抑制產(chǎn)生TMA的酶類(lèi)能夠直接抑制TMA產(chǎn)生。抑制產(chǎn)生TMA的酶類(lèi)是比較安全可靠的方式,但是產(chǎn)生TMA酶類(lèi)較多,這也為抑制產(chǎn)生TMA酶類(lèi)帶來(lái)一定的困難[31]。膽堿和左旋肉堿作為T(mén)MA的兩大主要食物前體,抑制它們轉(zhuǎn)化為T(mén)MA尤為重要。左旋肉堿轉(zhuǎn)化為T(mén)MA的CntA是種好氧酶,然而人體腸道中氧氣體積分?jǐn)?shù)范圍在0.2%~1%,這可能會(huì)限制CntA作用的發(fā)揮[32]。目前主要考慮的是抑制CutC的活性, Wang等[33]研究表明,膽堿的結(jié)構(gòu)類(lèi)似物3,3-二甲基-1-丁醇(3,3-dimethyl-1-butanol, DMB)能夠抑制CutC的活性,并降低高膽堿飲食小鼠的TMAO水平。Roberts等[34]研究顯示,氟甲基膽堿和碘甲基膽堿比DMB抑制CutC效果更突出,降低高膽堿飲食小鼠血漿TMAO水平更顯著。
除了抑制產(chǎn)生TMA的前體物質(zhì)、腸道菌群和相關(guān)酶類(lèi)外,在TMA分子合成途徑進(jìn)行干預(yù)或者對(duì)已生成的TMA進(jìn)行干預(yù)也可以降低腸源性TMA的水平。找到原本會(huì)形成TMA的季胺(如膽堿、肉堿和甜菜堿)去甲基化的物質(zhì),使其不能正常的合成TMA分子,對(duì)腸道中已經(jīng)生成的TMA產(chǎn)生降解或者促進(jìn)TMA的排泄也能一定程度上控制腸道中的TMA。此外,通過(guò)益生菌和古菌,降低腸源性TMA也被廣泛關(guān)注。
益生菌通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群,使產(chǎn)生TMA的腸道微生物豐度下降,進(jìn)而降低腸道中TMA的產(chǎn)生[35]。此外,益生菌也可能直接將腸道中的TMA降解或者促進(jìn)TMA轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)。表1列舉了益生菌降低機(jī)體腸道TMA的相關(guān)案例。
表1 益生菌對(duì)機(jī)體TMA的影響及其機(jī)制Tab.1 Effects of probiotics on TMA and its mechanism
古菌作為潛在的益生菌,其安全性需要進(jìn)一步驗(yàn)證,目前應(yīng)用古菌降低腸源性TMA仍有一定的局限性,但是古菌降低人體TMA的可能性早已有文獻(xiàn)報(bào)道。通常認(rèn)為,古菌降低TMA的產(chǎn)生,主要是通過(guò)將腸道中的TMA轉(zhuǎn)化為甲烷,甲烷不易被腸道吸收、對(duì)人體生理不起作用;此外,古菌代謝的特定成分也可以作為腸道TMA的隔離物,促進(jìn)TMA隨糞便排泄[41]。
Brugère等[42]提出利用存在于人體腸道中的產(chǎn)甲烷菌將TMA轉(zhuǎn)化為惰性分子來(lái)減少TMA在腸道中的形成,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)發(fā)光甲烷球菌B10能夠利用氫氣(腸道中存在的氫氣濃度較高)還原TMA產(chǎn)生甲烷,為發(fā)光甲烷球菌B10降低腸道中TMA的產(chǎn)生提供一種可能性。Hania等[43]從人類(lèi)糞便樣本中分離的腸道高山甲烷桿菌Mx1201能夠在氫氣存在的情況下利用TMA,從而降低腸道TMA 。Ramezani等[44]篩選了5種能夠利用TMA作為前體物質(zhì)產(chǎn)生甲烷的產(chǎn)甲烷古菌,在飼喂高膽堿飼料的正常C57BL/6小鼠中評(píng)估了它們的定植能力和降低TMA能力,發(fā)現(xiàn)這5種產(chǎn)甲烷古菌都具有在小鼠體內(nèi)定植和降低血漿TMAO水平的能力;進(jìn)一步將其中表現(xiàn)較好的4種菌移植到飼喂高膽堿的基因缺陷型(ApoE-/-)小鼠體內(nèi),結(jié)果發(fā)現(xiàn),血漿TMAO濃度隨產(chǎn)甲烷古菌定植程度的增加而顯著降低,其中一種來(lái)源于人類(lèi)腸道的史密斯分枝桿菌對(duì)高膽堿喂養(yǎng)的基因缺陷型(ApoE-/-)小鼠的血漿TMAO水平的降低效果最好,且有減輕動(dòng)脈粥樣硬化的趨勢(shì)。
心血管疾病嚴(yán)重危害人類(lèi)健康。據(jù)世界心臟聯(lián)盟統(tǒng)計(jì),在全世界范圍內(nèi),每死亡3人,就有1人是心血管病癥。2021年7月發(fā)布的《中國(guó)心血管健康與疾病報(bào)告》顯示,2018年我國(guó)心血管疾病患病人數(shù)3.3億,死亡率居榜首。如何預(yù)防、減緩心血管疾病的發(fā)生是應(yīng)對(duì)我國(guó)老齡化日趨嚴(yán)重背景下的重要課題。腸源性TMA作為新的心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)志,為從飲食和腸道菌群的角度預(yù)防心血管疾病提供了新的物質(zhì)基礎(chǔ)和靶點(diǎn)。長(zhǎng)期以來(lái),腸道菌群與健康的相關(guān)性被大量研究所證實(shí),然而兩者的因果關(guān)系卻一直存在爭(zhēng)議;由于微生物難以像化學(xué)成分一樣被精準(zhǔn)檢測(cè)和監(jiān)測(cè),導(dǎo)致相關(guān)性研究停留在以現(xiàn)象解釋現(xiàn)象的表觀相關(guān)性研究。TMA作為第一個(gè)被充分研究的腸道微生物代謝相關(guān)的分子,為深入闡釋飲食、腸道菌群與健康疾病之間復(fù)雜的互動(dòng)機(jī)制,提供了新的契機(jī),必將被更廣泛地關(guān)注。