氧化三甲胺（TMAO）是膳食中胆碱等物质经肠道微生物代谢后产生的一种生物活性分子，与诸多疾病如心血管疾病、慢性肾脏疾病（CKD）和2型糖尿病等密切相关。CKD患者的肠道微生态发生改变，参与代谢生成TMAO的菌群丰度明显升高，导致TMAO水平升高；由于TMAO主要通过肾脏排泄，肾脏功能障碍造成其在体内的进一步蓄积，导致CKD进一步恶化。本文主要阐述了TMAO与CKD的相互作用及相关机制的研究进展，提示TMAO可作为CKD疾病风险的新型生物标志物，且以TMAO为治疗靶点可减少TMAO的代谢生成，并降低循环中TMAO的水平，将为预测和改善CKD提供更多的防治思路。
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慢性肾脏病（CKD）是指由各种原因引起的肾脏结构和功能异常的慢性疾病。当肾小球滤过率（GFR）持续降低（<60 ml·min-1·1.73-1·m-2）或肾损伤持续超过3个月，即可定义为CKD［1］。流行病学研究显示CKD是当前全球重大的公共卫生问题，影响着全球近10%的人口［2］。据估计，到2040年CKD或将成为全球第五大过早死亡的原因［3］。CKD具有病程隐匿、早期症状不明显、进展不可逆和预后差等特点。常见的CKD诊断生物标志物有胱抑素C、肌酐、GFR和尿素氮等，但这些指标存在一定的局限性，如血清尿素氮、肌酐浓度易受饮食、代谢等因素影响；而血清肌酐和估算GFR（eGFR）在早期CKD中的敏感性较低。因此，探索新的生物标志物用于早期诊断和预测CKD是必要的［4］。近年来，肠道微生物群及其代谢物已成为国内外学者的研究热点，关于氧化三甲胺（TMAO）与CKD间的相互关系也逐渐为人们所认识。TMAO水平与CKD的发生和预后有关，可作为CKD发展的潜在风险因素［5］，且TMAO可通过多种快速、高通量的方法如液相色谱液质谱法（LC-MS）等在血浆、尿液和粪便等样本中检测［6］。本文归纳了TMAO与CKD的关系及相关致病机制的研究进展，以期为预测和改善CKD提供更多的治疗思路。
1. TMAO的产生与代谢：在哺乳动物中，TMAO大多来源于肉类、鸡蛋及鱼类等富含胆碱和左旋肉碱的动物源性食物及含有甜菜碱的植物源性食物等［7］。这些膳食前体物质先由肠道菌群产生的胆碱-三甲胺裂解酶作用，分解为有腐烂鱼特殊气味的挥发性脂肪族叔胺，即三甲胺（TMA）［8］，而后大部分TMA（近95%）经门脉系统进入肝脏，在肝脏黄素单加氧酶家族（FMO1和FMO3）的氧化作用下（尤其是FMO3）生成无味的TMAO［9］。由于TMAO的相对分子量较小，易于滤过，绝大部分TMAO由肾脏经肾小管排泄入尿，少部分经呼吸、汗液等排出体外［7］。
起初人们认为TMAO是胆碱代谢的一种废物，在机体中并无作用，但后续研究发现TMAO有生物活性，可能对人类有害，其浓度升高对慢性肾功能不全、2型糖尿病、非酒精性脂肪肝和某些癌症的发生、发展产生一定的不良影响［10］。近年来，TMAO与CKD间的关系被人们逐步认识。例如，代谢组学发现TMAO是一个潜在生物标志物，可能有助于甄别CKD患者［4］。人群研究提示，血浆TMAO水平在CKD患者中升高，预示更差的预后和低生存期［11, 12］。在动物模型中，暴露于高浓度TMAO的长期饮食直接导致小鼠进行性肾脏纤维化和肾功能障碍［12］。这些结果显示TMAO水平与CKD的发生、发展及预后密切相关，或将为CKD的预测及防治提供新的方向。
2.TMAO与肠道菌群的关系：体内TMAO浓度的高低不仅与肝功能和肾脏的排泄能力等有关，还随着饮食模式、肠道微生物的丰度及活性的改变而变化。素食者与喜食肉类者的肠道菌群结构差异明显；与杂食者相比，纯素食者肠道菌群从膳食肉碱中产生TMAO的能力也显著降低［13］。用高胆碱饲料同时喂养正常小鼠和无菌小鼠，正常组小鼠血液中TMAO的含量明显高于无菌小鼠［14］。而将无菌小鼠肠道内定植高TMA/TMAO产量的人体粪菌和有胆碱利用C基因（CutC）功能水平的特定菌种，发现CutC可以将其作为胆碱转化为TMA/TMAO酶源的功能特性，通过粪菌移植传递给受体小鼠［15］。
肠道菌群在将膳食营养物质转化为TMA/TMAO过程中扮演着至关重要的角色。如前所述，TMA/TMAO的产生和肠道细菌中CutC、肉碱单加氧酶（CntA/B）、TMAO和编码甜菜碱还原酶（GrdH）等相关［16］；且研究者发现TMAO与普雷沃特氏菌、光岗菌属、梭杆菌属和脱硫弧菌属等13个属的丰度密切关联［17］。Griffin等［18］提出，TMAO浓度的升高可能与微生物失调有关，且TMAO的浓度水平与益生菌阿克曼菌的丰度呈负相关。另有学者观察到奈瑟氏菌科和脱硫弧菌等肠道微生物支系与TMAO水平间呈正相关［19, 20］。
对粪便样品的分析表明高脂饮食致普雷沃特氏菌属更丰富者，其TMAO水平也更高［7］。Cho等［21］的研究报告显示，食用鸡蛋后体内TMAO水平升高的男性，常有较高的拟杆菌门丰度。因此通过饮食疗法从根源上减少TMA/TMAO的水平可能是防治CKD的有效策略之一［7］，譬如减少红肉和蛋黄等富含胆碱和肉碱的TMA前体物质摄入，或采取地中海饮食优化脂肪酸组成和量的策略等，但实施过程中需密切观察患者的临床营养状况［22］；此外通过服用抗生素、益生元和益生菌或粪便移植靶向调节TMA/TMAO代谢相关的肠道微生物群等亦有望成为降低TMAO水平的一个重要方式。
1.微生物-肠-肾轴理论：一般认为，产尿素酶的菌种包括变形杆菌科、梭菌科和放线菌科等会在肠道内水解尿素，形成氨和氢氧化铵；除此之外，吲哚和对甲酚在肝脏中被转化为硫酸吲哚酯（IS）和硫酸对甲酚（PCS）等尿毒症毒素［23］。研究发现，CKD患者体内产尿素酶、尿酸酶、对甲酚和吲哚的细菌比例增加，导致这些微生物群代谢产生的有害物质在血清的累积，引发尿毒症和全身性的炎症反应［24, 25］。
最近一项微生物组学分析显示，与健康人相比，终末期肾病（ESRD）患者中迟缓埃格特菌和具核梭杆菌的比例增加，将这两个菌种的粪便移植入患CKD的大鼠体内可加剧肾脏纤维化，增加尿毒症毒素的产生［26］，这些研究均有力地支持了微生物-肠-肾轴理论。
2. CKD影响肠道菌群：值得注意的是，CKD会影响肠道微生物群的结构并打破菌群平衡。如CKD患者可能存在长期应用抗生素及多种药物如铁剂、磷结合剂、糖皮质激素和免疫抑制剂等，及饮食限制如膳食纤维摄入减少等情况，这些均与肠道微生态的失调有关；而菌群代谢的改变和肠黏膜屏障的损伤又进一步使肾脏处于各种肠道衍生产物蓄积的高风险中［27, 28］。
后续研究也证实，CKD和ESRD患者肠道细菌丰度和种类发生明显改变。如正常的微生物群乳酸菌科和普雷沃氏菌科的相对丰度减少，而数量较少的肠杆菌和肠球菌的相对丰度则高出上百倍［29, 30］。
Xu等［31］研究表明，CKD患者肠道菌群中涉及胆碱、甜菜碱、左旋肉碱及TMA代谢的8个基因表达出现改变。其中与胆碱、甜菜碱和左旋肉碱代谢有关的基因在CKD患者中表达相对减少，导致胆碱、甜菜碱和左旋肉碱代谢异常，肠道内产生多余的TMA；另一方面，TMA氧化还原酶相关基因在CKD中相对富集，这些基因增加了TMAO的还原反应，减少了TMA的分解，进一步导致TMA/TMAO浓度的升高。
最近的一项荟萃分析显示，血液循环中TMAO的水平与肾功能损害间存在显著正相关［32］。研究发现在轻、中度到ESRD患者中，较高的TMAO水平与全因死亡风险增加相关，且在控制GFR和其他协变量后结果仍有意义，表明循环中的TMAO是CKD患者死亡的独立危险因素［11］。而Kaysen等［33］研究235例血液透析患者的血清TMAO水平，未发现其与全因死亡率、心血管病结局间存在任何显著关联。
1.炎症反应和氧化应激：是TMAO促进CKD发生和发展的重要通路。一项研究发现，TMAO可通过抑制沉默信息调节因子（SIRT1）的表达，增强体内外的氧化应激反应，加重肾损伤［34］。Sun等［35］在研究肥胖小鼠肾损伤情况时观察到，喂养高脂饲料的小鼠循环中TMAO水平明显升高，其肾脏发生了氧化应激和炎症反应，出现肾脏间质纤维化和功能障碍的病理表现。同样，高浓度的TMAO可能通过诱导血管氧化应激和炎症反应而减少一氧化氮的产生，从而诱发CKD的并发症［36］。TMAO激活了炎症小体（NLRP3），导致白细胞介素-1β和白细胞介素-18等促炎因子的释放［37］，加剧了糖尿病肾病大鼠的肾功能障碍，也加剧了肾脏纤维化和炎症反应。另外一项研究显示，TMAO激活NLRP3和核转录因子（NF-κB）等炎症信号，加速了CKD大鼠的血管钙化［38］。
2.转化生长因子-β/信号转导分子Smad（TGF-β/Smad）信号传导通路：该通路在导致肾脏纤维化过程中起重要作用［39］。Tang等［12］揭示高胆碱饮食及饮食中添加TMAO与进行性肾功能障碍间的联系。该研究将小鼠分别喂以含高胆碱（含1%胆碱）和TMAO（含0.12% TMAO）的饮食，共6周，发现小鼠血浆TMAO水平明显升高，伴随肾小管间质纤维化、胶原沉积等病理改变，及Smad 3丝氨酸423/425位点磷酸化水平的增强和早期肾损伤标志物肾损伤分子-1（KIM-1）水平的升高。连续喂养16周后，肾脏损伤的标志物血清胱抑素C的浓度上升。研究发现在Smad信号系统中，Smad 3发挥促纤维化作用，而Smad 2和Smad 7发挥肾脏保护作用；Smad 4通过转录导致Smad 3依赖的肾脏纤维化，同时以Smad 7依赖的机制抑制NF-κB介导的炎症反应，从而发挥双重功能［39］。有文献报道指出，NLRP 3和TGF-β/Smad信号通路间存在串联关系，TGF-β/Smad途径可刺激NLRP 3的表达，NLRP 3参与了TGF-β介导的Smad 3磷酸化，由此形成一个致病性循环，导致肾脏纤维化的发生与发展［40］。
Wang等［41］研究发现，具有胆碱类似结构的3，3-二甲基-1-丁醇（DMB）可以和胆碱竞争肠道菌群中的TMA裂解酶，补充DMB后降低了喂食高胆碱小鼠血液中TMAO的水平；DMB也可减轻高脂喂养的小鼠的肾脏炎症反应，同时缓解氧化应激反应［35］。后续研究人员在对DMB进行改良的过程中又发现了两种效果更好的胆碱类似物：碘甲基胆碱（IMC）和氟甲基胆碱（FMC）［42］。IMC可改善肾功能，逆转与TMAO和肾功能损害相关的肠道微生物群落组成的变化［43］。也有研究发现，补充IMC可以抑制TMAO的产生，延缓CKD的进展［44］。
近年来，越来越多的研究表明肠道菌群及肠源性代谢产物TMAO与CKD密切相关。TMAO不仅是CKD的一个风险因素，也是一个潜在的生物标志物，在评估CKD患者病情的发生、进展和预后方面有一定的临床价值。需注意的是，TMAO水平和肠道微生物群丰度在CKD的不同阶段存在差异，因此尚需在大规模、独立和基于人群的队列研究加以验证，以确认TMAO作为一个潜在CKD生物标志物的诊断和预后的意义。
综上，本文主要介绍了肠道菌群及其代谢物TMAO与CKD间的相互作用与机制的研究进展，提示TMAO可作为一种新的生物标志物辅助其他的标志物，以提高CKD检测的准确性，且以TMAO为治疗靶点可能成为未来防治和诊疗CKD的新模式。
崔源, 火少晔, 魏玉环, 等. 肠源性菌群代谢物氧化三甲胺与慢性肾脏病的相互作用及其机制的研究进展[J]. 中华医学杂志, 2023, 103(17): 1351-1354. DOI: 10.3760/cma.j.cn112137-20221117-02416.
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