王麗曼,陳艷,許麗麗,周玉皆,葛衛(wèi)紅,徐航

(1.中國(guó)藥科大學(xué)南京鼓樓醫(yī)院藥學(xué)部,南京 210008;2.中國(guó)藥科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床藥學(xué)學(xué)院,南京 210009;3.中國(guó)藥科大學(xué)南京鼓樓醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科,南京 210008)

心力衰竭(心衰)是各種類型心血管疾病的嚴(yán)重和終末階段,已經(jīng)成為全球許多國(guó)家的主要公共衛(wèi)生問(wèn)題。最新的流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果顯示,在我國(guó)年齡≥35歲居民中,心衰患病率在過(guò)去15年間升高了44%[1],且隨著年齡增長(zhǎng),患病率也隨之攀升,而人口老齡化的趨勢(shì)導(dǎo)致我國(guó)未來(lái)心衰人群更為龐大。心衰發(fā)作后1個(gè)月內(nèi)死亡率10%～12%,5年內(nèi)死亡率高達(dá)50%,重度心衰患者1年死亡率可達(dá)50%。盡管近年來(lái)新的藥物和治療策略有了進(jìn)展,但心衰患者的總體預(yù)后較差,入院率和死亡率仍然較高[2-3],導(dǎo)致社會(huì)醫(yī)療負(fù)擔(dān)逐年加重。研究表明,人體腸道菌群及其代謝物參與多種疾病的發(fā)生發(fā)展[4]。氧化三甲胺(trimethylamine oxide,TMAO)被報(bào)道參與心衰的病理過(guò)程,高水平TMAO與心衰患者的不良結(jié)局相關(guān),降低TMAO水平有望成為心衰的潛在治療手段。該文主要探討TMAO參與心衰的病理過(guò)程以及TMAO在心衰中的應(yīng)用價(jià)值。

1 心衰與腸道菌群學(xué)說(shuō)

心衰的特征是心排血量降低,血液供應(yīng)無(wú)法滿足機(jī)體需求。而腸道是一個(gè)獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng),本身富集微生物群,同時(shí)作為一個(gè)內(nèi)分泌器官,血液供應(yīng)不足會(huì)嚴(yán)重影響腸道功能,由于供氧減少而引起的缺血或充血也會(huì)導(dǎo)致一系列腸道代謝紊亂和功能失調(diào)。正常生理狀態(tài)下,腸道菌群處于平衡狀態(tài),飲食、細(xì)菌感染或服用藥物等外源性因素和急性體液失衡、慢性腸道充血或缺血-缺氧、酸堿失衡、胃腸動(dòng)力減弱和營(yíng)養(yǎng)缺乏等內(nèi)源性因素均可降低腸道菌群的多樣性[5]。腸道菌群生理平衡一旦被打破,致病微生物就會(huì)活躍起來(lái),導(dǎo)致腸道相關(guān)疾病,如肥胖、炎癥性腸病、結(jié)直腸癌等[6]。

“心衰腸道假說(shuō)”認(rèn)為心衰患者心排血量減少和體循環(huán)再分配可引起腸道灌注減少和黏膜缺血,從而導(dǎo)致缺氧和高碳酸血癥狀態(tài)。隨后腸道黏膜pH值降低,導(dǎo)致腸道通透性增加,腸道屏障功能障礙。而腸道屏障功能受損反過(guò)來(lái)又會(huì)增加腸道通透性、細(xì)菌易位和循環(huán)內(nèi)毒素,使微生物代謝物進(jìn)入血液循環(huán),從而導(dǎo)致心衰患者出現(xiàn)慢性炎癥[6-7]。越來(lái)越多的研究表明,短鏈脂肪酸、膽酸、苯乙酰谷氨酰胺和TMAO等腸道菌群的活性代謝物被發(fā)現(xiàn)與多種心血管疾病密切相關(guān)[8]。其中TMAO可通過(guò)多種途徑參與心衰發(fā)生發(fā)展,且與心衰患者不良預(yù)后顯著相關(guān)。因此,基于“心衰腸道假說(shuō)”探索心衰靶向TMAO的治療策略,可以更新心衰治療理念,提高治療效果。

2 TMAO的產(chǎn)生與代謝

三甲胺(trimethylamine, TMA)是一種腸道菌群衍生代謝物,來(lái)自富含磷脂酰膽堿的食物,可以在肝臟中進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為T(mén)MAO[9]。飲食中的多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)均可以通過(guò)腸道菌群轉(zhuǎn)化為T(mén)MA,紅肉、家禽、蛋、魚(yú)和奶制品中含有豐富的TMA營(yíng)養(yǎng)前體,如膽堿、甜菜堿、左旋肉堿、巴豆甜菜堿、三甲基賴氨酸、γ-丁酰甜菜堿、磷脂酰膽堿、甘油磷酸膽堿等,這些前體均可通過(guò)部分腸道菌群產(chǎn)生的三甲胺裂解酶轉(zhuǎn)化為T(mén)MA[10]。大部分TMA進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)后被肝臟中的含黃素單加氧酶(flavin monooxygenase,FMO)家族快速氧化為T(mén)MAO,其余TMA則直接分解成二甲胺或甲烷[11]。FMO家族含有5種功能酶,其中FMO3是參與TMA向TMAO轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵限速酶,具有最高的轉(zhuǎn)化效率。研究表明,TMAO可在心臟、腎臟等組織積累,參與激活血小板聚集、誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)、降低膽固醇逆向轉(zhuǎn)運(yùn)等多種生物過(guò)程[12]。通常大多數(shù)TMAO經(jīng)腎臟排出,僅有少部分剩余會(huì)被腸道中的TMAO還原酶還原為T(mén)MA[13]。此外,研究發(fā)現(xiàn)了多種能夠產(chǎn)生TMA的人類腸道菌株,如厚壁菌門(mén)和變形菌門(mén),而心衰患者中這些腸道菌群比例顯著增加,表明腸道菌群的變化可能通過(guò)調(diào)節(jié)腸道TMA生成而影響TMAO水平[14]。

3 TMAO在心衰患者中的作用機(jī)制

3.1參與心肌肥厚與纖維化 心衰患者體內(nèi)多種炎癥因子水平顯著升高,這些炎癥因子同時(shí)參與心肌細(xì)胞凋亡、肥大和纖維化過(guò)程。在體內(nèi)和體外研究中,TMAO通過(guò)Smad3信號(hào)通路促進(jìn)心肌肥大和纖維化,而TMA合成抑制劑3,3-二甲基-1-丁醇(dimethylbutanol,DMB)被發(fā)現(xiàn)能夠通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1(transforming growth factor,TGF-β1/Smad3)和核因子-κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB) p65信號(hào)通路來(lái)預(yù)防心肌肥厚和纖維化[15]。此外,研究在喂食TMAO 8周的小鼠中觀察到,血漿TMAO水平顯著增加,通過(guò)影響丙酮酸和脂肪酸的氧化從而影響心臟能量代謝,導(dǎo)致線粒體功能障礙,最終引起心室重構(gòu)和心衰疾病進(jìn)展[12]。

3.2激活炎癥通路 心衰被界定為一種慢性全身性炎癥性疾病,表現(xiàn)為血清白細(xì)胞介素(interleukin-1,IL)-1、IL-6、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)等多種炎癥細(xì)胞因子水平顯著升高[16],并與嚴(yán)重的臨床癥狀和較低的生存率相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn),對(duì)腸道菌群正常的小鼠喂食富含膽堿的飼料后,其循環(huán)系統(tǒng)TMAO水平顯著升高,直接激活炎癥通路,如NF-κB信號(hào),從而導(dǎo)致血管平滑肌細(xì)胞炎癥。此外,高水平TMAO還可能促進(jìn)線粒體超氧化物聚集,使NOD樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3(NOD-like receptor protein 3,NLRP3)炎性小體被激活,分泌胱冬肽酶-1(caspase-1)、IL-1β和IL-18,最終導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞炎癥。表明TMAO可能通過(guò)加速內(nèi)皮功能障礙,包括減少內(nèi)皮自我修復(fù)和誘發(fā)炎癥反應(yīng),從而促進(jìn)慢性心衰的發(fā)展[14]。

3.3通過(guò)影響腎功能加劇心衰 除心功能損害之外,由于腎臟在排泄TMAO的過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,腎功能受損被發(fā)現(xiàn)與血漿TMAO水平升高密切相關(guān)。TMAO水平升高直接引起腎間質(zhì)纖維化和功能障礙,導(dǎo)致水鈉潴留,從而形成惡性循環(huán),進(jìn)一步加劇心衰進(jìn)程[12]。

3.4通過(guò)參與缺血或梗死加劇心衰 研究表明,TMAO可通過(guò)改變刺激依賴的鈣信號(hào)增強(qiáng)血小板反應(yīng)性,增加血栓形成風(fēng)險(xiǎn)[17],同時(shí)TMAO被發(fā)現(xiàn)可促進(jìn)泡沫細(xì)胞形成,從而加重動(dòng)脈粥樣硬化[12],參與缺血性心肌損害和心肌梗死發(fā)生,加劇缺血性心衰進(jìn)展。

4 TMAO對(duì)心衰預(yù)后的預(yù)測(cè)價(jià)值

TMAO作為許多研究新發(fā)現(xiàn)的與心衰相關(guān)的腸道菌群活性代謝物,與B型利鈉肽(brain natriuretic peptide,BNP)、腎小球?yàn)V過(guò)率(estimated glomerular filtration rate,eGFR)、心衰嚴(yán)重程度以及住院和死亡等不良結(jié)局密切相關(guān),被認(rèn)為是心衰的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。有研究通過(guò)比較高水平TMAO和低水平TMAO心衰患者的全因死亡率發(fā)現(xiàn),心衰患者的TMAO水平較高,全因死亡風(fēng)險(xiǎn)更大,主要心血管不良事件風(fēng)險(xiǎn)更高[18-19]。此外,TMAO聯(lián)合N末端前體腦利鈉肽(N-terminal probrain natriuretic peptide,NT-pro BNP)被發(fā)現(xiàn)對(duì)心衰患者預(yù)后具有較好預(yù)測(cè)價(jià)值,兩種生物標(biāo)志物(TMAO與NT-proBNP)水平均升高的患者心衰和全因死亡風(fēng)險(xiǎn)較高,住院時(shí)間更長(zhǎng)[14,20]。但目前的相關(guān)研究主要集中于白人種群,且TMAO對(duì)心衰發(fā)生的預(yù)測(cè)能力和在控制腎功能指標(biāo)后的獨(dú)立預(yù)后價(jià)值在不同研究間不一致,需要進(jìn)行更大更多面的臨床研究來(lái)驗(yàn)證。

心衰可根據(jù)左室射血分?jǐn)?shù)分為射血分?jǐn)?shù)保留的心衰(heart failure with preserved ejection fraction,HFpEF)和射血分?jǐn)?shù)降低的心衰(heart failure with reduced ejection fraction,HFrEF),兩者的病理生理機(jī)制和預(yù)后存在較大差異[21]。一項(xiàng)納入823例患者的臨床研究發(fā)現(xiàn),TMAO水平升高可預(yù)測(cè)HFrEF患者心血管事件,但不能預(yù)測(cè)HFpEF患者心血管事件[22]。而另一些研究則表明,TMAO 水平升高與HFpEF患者的主要心血管事件的風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān),TMAO是HFpEF患者的獨(dú)立危險(xiǎn)因素[23-24],因此需要進(jìn)一步研究來(lái)闡明TMAO在HFpEF患者中的具體價(jià)值。

5 TMAO在心衰治療中的應(yīng)用價(jià)值

心衰的病理生理機(jī)制經(jīng)歷了最初的“水鈉潴留”模式到“異常血流動(dòng)力學(xué)”模式,隨后經(jīng)歷了“神經(jīng)內(nèi)分泌異常激活”模式,上述研究成果廣泛推動(dòng)了心衰治療的改革。近年來(lái),腸道微生物學(xué)研究迅速發(fā)展,為揭示疾病的發(fā)生和藥物作用背后的機(jī)制提供了新的方向。研究表明,慢性心衰患者腸道菌群組成發(fā)生改變,有害菌的數(shù)量隨病情的進(jìn)展顯著增加[25]。目前臨床通過(guò)抑制炎癥反應(yīng)治療心衰的方法沒(méi)有顯著獲益。高水平TMAO被發(fā)現(xiàn)與心衰患者的疾病進(jìn)展密切相關(guān),并可能是心衰的獨(dú)立危險(xiǎn)因素[26],降低血漿TMAO 水平可能可以降低心衰患者的死亡率并改善其預(yù)后。因此通過(guò)一些干預(yù)手段減少TMAO的產(chǎn)生有望作為心衰的一個(gè)新的治療途徑[27-29],包括飲食干預(yù)、益生元和益生菌治療、糞便移植、抗菌藥物治療等[30]。

5.1飲食干預(yù) 腸道菌群多樣性與長(zhǎng)期的飲食習(xí)慣相關(guān),血漿TMAO水平與飲食密切相關(guān),日常飲食如何影響心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)是科學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)[14]。有研究表明,調(diào)整5 d以上的飲食即可觀察到腸道菌群的數(shù)量和種類發(fā)生改變,以適應(yīng)飲食模式的變化。例如啤酒會(huì)導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)、血漿TMAO水平升高和心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)增加。此外,過(guò)量食用蛋類和魚(yú)類也會(huì)導(dǎo)致血漿和尿液中TMAO水平顯著升高[31]。高血壓防治的飲食計(jì)劃(dietary approaches to stop hypertension,DASH)是一種富含水果、蔬菜、全谷物和低脂奶制品的飲食,包括肉、魚(yú)、家禽、堅(jiān)果、豆類,以及含糖食物和飲料、紅肉和添加脂肪。地中海式飲食的特點(diǎn)是攝入大量的水果和蔬菜、堅(jiān)果、全谷物,少量的肉類、雞蛋和含糖食物。研究表明DASH飲食和地中海飲食都可能降低心衰發(fā)病率,并可能有助于二級(jí)預(yù)防[32]。KERLEY[33]的研究也表明,對(duì)于心衰患者來(lái)說(shuō),富含水果、蔬菜、豆類和全麥飲食可能是有益的;紅肉、加工過(guò)的肉、雞蛋、精制碳水化合物是有害的;而堅(jiān)果、乳制品和家禽對(duì)心衰患者的作用則存在爭(zhēng)議。

5.2益生菌和益生元治療 益生菌是對(duì)腸道健康有益的活微生物,主要包括雙歧桿菌、酵母菌、乳酸菌等,能抑制炎癥,保護(hù)和修復(fù)腸道黏膜屏障,改善腸道功能。在改變腸道菌群組成、維持宿主腸道穩(wěn)態(tài)和改善人類健康方面發(fā)揮著重要作用。研究表明,益生菌可能參與調(diào)節(jié)心衰患者的心肌重塑[34]。益生元是一種膳食補(bǔ)充劑,包括低聚異麥芽糖、低聚半乳糖等,通過(guò)選擇性地刺激細(xì)菌的生長(zhǎng)和活性,為宿主提供益處。研究發(fā)現(xiàn)益生元可以改善肥胖小鼠的腸道通透性,減少代謝內(nèi)毒素血癥和減少炎癥反應(yīng)[35]。盡管目前有關(guān)使用益生菌和益生元來(lái)降低血漿TMAO水平和治療心衰的證據(jù)并不充分,但仍可用于研究作為進(jìn)一步治療心衰的手段。

5.3糞便微生物移植 糞便移植是一種可以用于與腸道功能失調(diào)有關(guān)的疾病的方法,將健康個(gè)體的微生物移植到高?；颊叩哪c道以重建腸道功能的方法。臨床研究表明,自體糞便移植可快速恢復(fù)健康人群使用抗菌藥物后腸道菌群多樣性[36]。存在心衰危險(xiǎn)因素或已有心衰的患者,有可能通過(guò)移植低水平TMAO的腸道菌群降低血漿TMAO水平,改善心衰患者預(yù)后,但目前尚未見(jiàn)相關(guān)臨床研究[34]。

5.4抗菌藥物治療 抗菌藥物可以通過(guò)改變腸道菌群的組成或多樣性來(lái)影響微生物驅(qū)動(dòng)的疾病。研究表明,受試者短期服用低吸收抗菌藥物可以抑制TMAO的合成。口服萬(wàn)古霉素也被發(fā)現(xiàn)可以使心肌缺血再灌注大鼠的左心室梗死面積縮小,并改善心功能[14]。然而,抗菌藥物的使用是否可以使心衰患者獲益仍然存在爭(zhēng)議。短期抗菌藥物治療可能可以收獲腸道菌群代謝物改變的理想效果,但長(zhǎng)期抗菌藥物治療可能破壞腸道菌群平衡,導(dǎo)致菌群組成改變,使體內(nèi)有益菌群減少,多樣性降低,還可能導(dǎo)致腸道出現(xiàn)耐藥菌群,引起各種不良反應(yīng)[37]。因此,應(yīng)該仔細(xì)權(quán)衡抗菌藥物的潛在副作用,謹(jǐn)慎評(píng)估抗菌藥物的使用是否可以為心衰患者的心功能帶來(lái)益處。因此,如何在使用抗菌藥物改變腸道菌群組成使患者心功能獲益的同時(shí)保持腸道生態(tài)系統(tǒng)平衡,需要進(jìn)一步研究與探索。

6 結(jié)束語(yǔ)

許多研究發(fā)現(xiàn),TMAO與心衰的發(fā)生發(fā)展存在密切聯(lián)系,并可作為心衰患者預(yù)后的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。這些研究對(duì)心衰發(fā)生發(fā)展機(jī)制的探索、潛在治療靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)、患者預(yù)后的改善起到了重要推動(dòng)作用。因此,需要在這些研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探索腸道菌群代謝物與心血管疾病的深層次聯(lián)系,證明通過(guò)飲食調(diào)節(jié)、益生菌和益生元、糞便移植、抗菌藥物等干預(yù)手段可以降低TMAO 水平,使心衰患者獲益,促進(jìn)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對(duì)心衰的診斷和治療發(fā)展。