氧化三甲胺与心力衰竭关系的研究进展

闫思雨，马丽红

随着人口的老龄化和各类心血管疾病诊治水平的提高，心力衰竭已成为我国重大的公共卫生问题[1]，应全面防控危险因素，进而降低死亡率。多种病理因素均参与心力衰竭的发生发展，目前越来越多研究支持肠道菌群及其代谢产物在心力衰竭发病机制中的作用，即“心力衰竭的肠道假说”。这一假说表明，心排血量减少和全身充血增加导致肠道黏膜缺血及水肿，肠道通透性增加，从而增加细菌易位和循环内毒素，引起多种机制导致心力衰竭病理进展，从而影响病人预后[2-3]。氧化三甲胺是肠道菌群代谢物三甲胺的肝脏氧化产物[4]。既往研究证实，氧化三甲胺介导动脉粥样硬化的发生发展，循环氧化三甲胺水平升高与心肌梗死、脑卒中发生风险密切相关[4-5]。有研究证实，高水平氧化三甲胺与心力衰竭不良预后具有相关性[6]，与相关研究结果[7]不一致，因此，氧化三甲胺预测心力衰竭预后的作用存在一定争议。目前研究结果仅说明氧化三甲胺与心力衰竭不良预后有一定的相关性而非因果性，氧化三甲胺参与心力衰竭进展的确切机制尚未明确。现综述氧化三甲胺在心力衰竭进程中的可能作用及研究进展，以期为心力衰竭的肠道假说提供依据。

1 氧化三甲胺概述

磷脂酰胆碱是人类膳食中获得胆碱的主要来源[8]，如蛋类、奶类、红肉、鱼类等，此外少量磷脂酰胆碱是在人体内源性形成，并由胆汁排出[9]。磷脂酰胆碱可在小肠被胰磷脂酶D消化产生游离胆碱，含有胰磷脂酶D的肠道菌群参与这一过程[10]。生成的胆碱在三甲胺裂解酶催化下裂解产生三甲胺[11]。三甲胺的产生除了通过三甲胺裂解酶催化胆碱分解之外，还通过其他酶与相应底物发生反应而产生，如肉碱单氧合酶、甜菜碱还原酶、氧化三甲胺还原酶。三甲胺形成后被血液吸收，通过门脉循环进入肝脏，并在肝脏中经过黄素单氧化酶氧化形成氧化三甲胺，多种黄素单氧化酶催化这一过程，包括黄素单氧化酶1、黄素单氧化酶2、黄素单氧化酶3，其中黄素单氧化酶3数量较多且活性较强，是这一反应的主要催化剂[12]。

Wang等[13]首次发现氧化三甲胺在心血管疾病中的作用，他们对健康人群和心血管疾病人群血浆代谢产物进行区分，以质谱及液相色谱为基础的代谢组学方法明确了预测心血管疾病发生风险的相关物质，其中3种小分子物质呈明显相关性，经研究确定的是胆碱、甜菜碱和氧化三甲胺。相关动物实验以灌胃或腹腔注射方式给予无菌小鼠氧化三甲胺前体物质，分析氧化三甲胺来源，结果证实胆碱代谢和肠道菌群在氧化三甲胺形成、巨噬细胞胆固醇增加及泡沫细胞形成等过程中至关重要[5]。已有临床研究证实，氧化三甲胺在心血管疾病方面具有预测作用，如动脉粥样硬化[4-5]、心力衰竭[6，14-17]等；动物实验和体外研究一定程度解释了氧化三甲胺促进动脉粥样硬化[5]、引起心脏增大和心肌纤维化[18]、抑制心肌能量代谢[19]、引起钙离子处理功能障碍[20]、加重炎症反应[21]等机制。是否通过干预肠道菌群或相关酶，改变氧化三甲胺水平，进而影响病人心血管疾病预后已成为目前的研究热点。

2 氧化三甲胺对心力衰竭病人临床预后的预测作用

2.1 高水平氧化三甲胺与心力衰竭病人不良预后相关 心力衰竭病人预后较差，有研究表明，心力衰竭病人循环氧化三甲胺水平高于非心力衰竭病人，且血清高水平氧化三甲胺与心力衰竭病人不良预后相关[6，14-17]。一项队列研究纳入720例接受冠状动脉造影并随访5年的稳定性心力衰竭病人并进行评估，结果显示循环氧化三甲胺高水平提示具有较高的长期死亡风险[15]。Suzuki等[6]研究表明，更低的氧化三甲胺水平与慢性心力衰竭病人较好的预后相关，该研究证明两者相关性不受慢性心力衰竭治疗药物的影响。一项纳入1 208例心肌梗死后心力衰竭病人的前瞻性队列研究得到相似的结论，结果表明氧化三甲胺是预测心肌梗死后慢性心力衰竭病人发生主要不良心血管事件(major adverse cardiovascular events，MACE)的有效指标[14]。一项关于氧化三甲胺与高龄心力衰竭病人心功能相关性的临床研究显示，较高水平的氧化三甲胺老年慢性心力衰竭病人心功能较差，氧化三甲胺可能作为评估老年慢性心力衰竭病人心功能的一项重要标志物[17]。

氧化三甲胺是否介导心力衰竭的发生发展有待进一步研究，相关证据表明两者相关性，不能排除氧化三甲胺是反映其他介导心力衰竭进展风险因子的标志[22]。有研究提示，循环氧化三甲胺水平增高可能是肾小球滤过率(glomerular filtration rate，GFR)降低的表现[7]，也可能是肠道菌群组成或功能改变的表现[22]，上述因素介导心力衰竭的进展，而氧化三甲胺仅作为随之改变的一个标志性因素。Suzuki等[7]研究显示，氧化三甲胺可预测急性心力衰竭住院病人死亡分层，但校正肾功能混杂因素后，氧化三甲胺不是病人死亡的独立预测因子。一项Meta分析表明，调整肾小球滤过率因素后，氧化三甲胺水平与心力衰竭病人MACE具有显著相关性[23]。近期将估算肾小球滤过率(estimated glomerular filtration rate，eGFR)作为传统风险因子进行调整后的临床研究显示，氧化三甲胺与慢性心力衰竭预后具有显著的相关性[6，14]。上述研究结果存在矛盾的主要原因可能是纳入病人的标准不同，Suzuki等[7]入选人群为急性心力衰竭病人，而近期研究纳入人群为慢性心力衰竭病人，Meta分析未对心力衰竭类型进行细致划分。由于研究进行的时间不同，临床诊疗条件进步可能混杂于结果差异之中。一项横断面研究表明，氧化三甲胺可作为射血分数保留心力衰竭和肾功能的诊断生物标志物[24]。有研究结果表明，氧化三甲胺与心力衰竭预后关系密切，但氧化三甲胺与不同类型心力衰竭病人预后的关系仍需较多前瞻性临床研究进一步验证。心力衰竭病人氧化三甲胺高水平与较差预后之间的相关性虽不完全由肾功能介导，但氧化三甲胺、心力衰竭及肾功能损伤的关系值得进一步深入探讨。

2.2 氧化三甲胺对不同心力衰竭病人的预测价值 在探讨氧化三甲胺水平与心力衰竭病人预后相关性的基础上，部分研究对心力衰竭病人进行分层，进一步细化氧化三甲胺水平对不同分级疾病或不同地域、不同种族病人的预测作用。有研究表明，氧化三甲胺水平是心力衰竭的独立预测因子，且我国北方病人氧化三甲胺水平与心力衰竭分级高度相关[25]。一项针对不同地区心力衰竭病人氧化三甲胺水平的研究表明，不同地区心力衰竭病人氧化三甲胺水平不同，且与预后关系密切[16]。有研究探讨种族是否影响氧化三甲胺水平和心力衰竭预后，结果显示，虽然不同人种之间氧化三甲胺水平存在差异，但死亡率和/或再住院率与循环氧化三甲胺水平存在相关性[26]。白种人病人氧化三甲胺水平升高与不良结果相关性增加，但非白种人病人无这种趋势。

2.3 调节氧化三甲胺水平改善心力衰竭病人预后 通过控制饮食、使用益生菌调节肠道菌群组成和功能，从而降低氧化三甲胺水平并改善心力衰竭病人预后，且以氧化三甲胺为明确干预靶点的临床研究较少，主要原因可能是氧化三甲胺水平、肠道菌群、心力衰竭三者之间的相互作用机制尚未明确。一项随机对照试验表明，补充益生菌可减轻心肌梗死后重构，这一过程中观察到氧化三甲胺水平降低，由此推测干预肠道菌群可能降低氧化三甲胺水平，从而减轻心脏重构[27]。另一项研究在干预肠道菌群过程中观察氧化三甲胺水平变化，其结果可能为这一思路提供新的有力证据干预[28]。

3 氧化三甲胺促进心力衰竭进展的病理生理机制

3.1 心肌肥厚与纤维化 Organ等[18]研究喂食胆碱或氧化三甲胺对主动脉收缩后小鼠心肌肥厚和心力衰竭的影响，证实喂食胆碱或氧化三甲胺的小鼠左室射血分数显著降低，肺水肿、心脏增大和心肌纤维化程度显著增加，表明喂食胆碱或氧化三甲胺可加剧小鼠心力衰竭严重程度。一项使用胆碱或氧化三甲胺饮食的动物模型研究揭示了另一个终末器官——肾脏纤维化程度增强，可能提示氧化三甲胺水平升高对促进纤维化表型具有一定的普遍性[29]。Organ等[30]进一步研究证实，饮食中取消氧化三甲胺可减轻不良心室重构，改善心功能；通过三甲胺分解酶抑制剂阻断胆碱向三甲胺和氧化三甲胺的转化，减少胆碱对心功能的损伤。Chen等[31]使用三甲胺合成抑制剂3，3-二甲基-1-丁醇治疗，降低了小鼠血浆氧化三甲胺水平，具有较高水平氧化三甲胺的对照组小鼠表现出较强的心脏炎症和纤维化，从而导致心功能障碍。研究者们在此基础上对氧化三甲胺参与的相关通路进行分析。Li等[32]通过大鼠体内和体外心肌细胞实验证实，氧化三甲胺通过Smad3信号通路刺激心肌肥厚和心肌纤维化，而以SIS3抑制Smad3通路，可减轻氧化三甲胺诱导的心肌肥厚。Wang等[33]研究发现，3，3-二甲基-1-丁醇可能是通过调节转化生长因子-β1(TGF-β1)/Smad3和p65核转录因子-κB(NF-κB)信号通路，降低氧化三甲胺水平，从而预防心肌肥厚和心肌纤维化。

3.2 心肌能量代谢与钙离子处理功能障碍 能量代谢损伤是心力衰竭进展的主要机制之一[19]。有研究发现氧化三甲胺水平增加损害心脏线粒体中丙酮酸和脂肪酸氧化，进而导致心肌能量代谢紊乱[34]。说明氧化三甲胺可能通过损伤心肌能量代谢促进心力衰竭进展。有研究对正常成年大鼠心脏分离的心室肌细胞进行细胞力学分析，同时进行超微结构分析，结果显示氧化三甲胺加剧心肌细胞力学障碍，同时经氧化三甲胺处理的心肌细胞表现为糖原积累、较多的线粒体和类脂质色素沉积[35]。证实氧化三甲胺对心肌细胞功能的直接负面作用，而尿嘧啶B-葡萄糖醛酸乙酯(Uro B-gluc)对这些不利影响具有抵消作用。另一个可能解释氧化三甲胺与心力衰竭进展的机制是氧化三甲胺与微管聚合及钙离子处理功能障碍的关系。早期研究表明，氧化三甲胺可促进微管聚合[36]。微管是普遍存在的，由α和β微管蛋白二聚体聚合而成的细胞骨架纤维，调节广泛的细胞过程，包括维持细胞形状、有丝分裂和细胞内蛋白质运输。微管聚合导致跨越横小管和肌浆网膜亲联蛋白2(junctophilin-2，JPH2)重新分配，从而在T小管重塑和心肌细胞钙离子紊乱[37]中发挥重要作用。Jin等[20]体外研究表明，氧化三甲胺可诱导微管蛋白致密化、JPH2易位，随之引起T小管重塑及钙离子处理功能障碍，这可能解释氧化三甲胺与心力衰竭进展关系的新机制。

3.3 氧化三甲胺间接促进心力衰竭进展的其他机制 氧化三甲胺促进炎症机制多解释其致动脉粥样硬化的原因，较少研究通过氧化三甲胺与炎症相关机制阐述其对心力衰竭不良预后的影响。炎症是导致心血管疾病不良预后的重要机制之一，炎症标志物升高也是慢性心力衰竭的一个显著特征[38]。炎症反应可能通过影响心肌收缩力、促进细胞凋亡、心室重构等导致心力衰竭进展。多项研究证实，氧化三甲胺通过激活NF-κB信号[21]、激活NLRP3炎症小体[39]等方式促进炎症反应，从而加重动脉粥样硬化，一定程度对心力衰竭造成间接影响。这一结论有待相关研究进一步验证。

氧化三甲胺可能导致心力衰竭进展的间接机制是其与肾功能的关系。氧化三甲胺在心脏和肾脏蓄积，主要由肾脏排出体外，因此，肾脏在氧化三甲胺的排泄过程中发挥重要作用[40]。因此，肾功能损伤与血浆氧化三甲胺水平升高密切相关。肾功能损伤进一步加重心力衰竭发展。弗雷明汉心脏研究数据显示，氧化三甲胺水平升高直接导致肾间质纤维化和功能障碍，促进水钠潴留[41]。这一机制表明，氧化三甲胺升高造成的肾功能损伤可能进一步加重心力衰竭进展，从而使整体的病理生理机制陷入一种恶性循环。

4 小 结

既往研究已证明高水平氧化三甲胺与心力衰竭不良预后显著相关，但氧化三甲胺与心力衰竭之间的因果关系尚不明确，氧化三甲胺是作为心力衰竭进展中的标志还是介导参与这一过程？心力衰竭进展是否对氧化三甲胺具有反向调节的作用？这些问题尚无确切答案。目前研究结果并非完全一致，少数研究结果与常见结论相互矛盾，如调整病人肾功能水平后，氧化三甲胺预测急性心力衰竭预后作用不显著[7]；高水平氧化三甲胺对心血管具有一定的保护作用[42]；相较于安慰剂组，氧化三甲胺组合并高血压心力衰竭大鼠预后更好[43-44]。差异性结论提示关于氧化三甲胺的作用机制需审慎对待，探讨氧化三甲胺与心力衰竭进展关系时需结合心力衰竭类型及合并症等进一步划分，以明确其可能存在的多方面作用。

心力衰竭进展过程中发挥负性调节作用的是氧化三甲胺还是其前体物质(包括三甲胺、胆碱等)，众多物质参与胆碱代谢途径，其中真正介导心力衰竭进展的病理产物不能肯定是否为氧化三甲胺。虽然部分动物研究同时给予三甲胺转换为氧化三甲胺的抑制剂作为对照，在一定程度上将焦点集中于氧化三甲胺；体外实验排除体内复杂反应基础上提供了这一过程的机制，但基础研究仍缺乏对胆碱代谢途径中多个物质变化的关注和对比。

虽然少数研究以干预肠道菌群为切入点，试图寻找改善心力衰竭的新手段，同时观察氧化三甲胺水平，但靶向氧化三甲胺的干预策略有待确定。因此，氧化三甲胺与心力衰竭之间的相互关系需要进一步探讨，今后研究以氧化三甲胺出发点，进一步补充和完善心力衰竭病理机制，从而寻找心力衰竭诊断分层的有效因子或治疗靶点。