肠道菌群与氧化三甲胺和心血管疾病

氧化三甲胺（trimethylamine-N-oxide，TMAO）是食物中胆碱的代谢产物,在自然界中广泛存在。人体所需的外源性胆碱90%来自于食物卵磷脂。蛋黄、动物内脏、大豆等食物都含有丰富的卵磷脂。

TMAO可促进人类动脉粥样硬化形成, 检查人体内氧化三甲胺的含量，可帮助判断未来罹患心血管疾病、心脏猝死、卒中等的风险。从左旋肉碱代谢产生的TMAO升高与多数心血管疾病有关（如死亡、心肌梗死、中风、血运重建等）。肠道菌群代谢胆碱和磷脂酰胆碱产生TMA，经肠壁进入血液循环到达肝脏，被肝脏中的黄素单加氧酶（FMO3）转化成氧化三甲胺(TMAO)。氧化三甲胺通过抑制胆固醇逆向转运（reverse cholesterol transport ，RCT）和减少胆汁酸合成而增加动脉粥样硬化的风险。

Koeth等人设计了一个“左旋肉碱挑战试验（'L-carnitine challenge test'）”：给受试者食用含左旋肉碱的牛排和同位素标记的左旋肉碱添加剂后，测量血液中内源性TMAO生成。他们发现消化链球菌科(Peptostreptococcaceae)和梭菌科(Clostridiaceae)细菌与人体杂食食物和TMAO生产呈现正相关。他们的研究提示这些细菌与左旋肉碱的代谢有关。人肠道菌群代谢左旋肉碱生产TMAO的能力可能是肠道菌群岁人的饮食习惯进化的结果。严格的素食主义者在做左旋肉碱挑战试验后不产生TMAO。

为了检验肠道菌群代谢左旋肉碱导致心血管疾病的机制，Koeth等人还用小鼠做了一个并行试验（parallel experiments），他们的研究结果证实给无菌鼠和用抗生素抑制了肠道菌群的非无菌鼠服用肉毒碱（carnitine）后，血液中都没有氧化三甲胺（TMAO）。给容易得动脉粥样硬化的小鼠（Apoe^−/− mice）饲喂含有左旋肉碱的食物后，明显增加了动脉粥样硬化斑块的生产。而给容易得动脉粥样硬化的小鼠（Apoe^−/− mice）先用抗生素抑制了肠道菌群后，再饲喂含有左旋肉碱的食物后，没有出现血液TMAO升高和动脉粥样硬化斑块增加。这个平行试验再一次证明了肠道菌群与血液TMAO生成和动脉粥样硬化有直接关系，而这都是导致大多数心血管疾病的因素。进一步，作者还发现TMAO抑制胆固醇逆向转运（reverse cholesterol transport ，RCT）和减少胆汁酸合成，这二者都可以增加动脉粥样硬化的风险。

左旋肉碱（L-carnitine）和胆碱都有相似的三甲胺结构，经氧化后同样可以导致血液氧化三甲胺升高。Koeth等人在<自然医学（Nature Medicine）>报道了他们对人和老鼠的研究文章,揭示饮食中的左旋肉碱经人体肠道细菌处理后可以导致血液中TMAO浓度明显升高。提示血浆TMAO和肠道某些特殊的细菌有关。他们的研究发现从左旋肉碱生成TMAO必须有人肠道菌群的参与才能实现。小鼠实验显示长期食用左旋肉碱可以改变肠道菌群成分，明显增加TMA和TMAO合成，当抑制了肠道菌群之后，TMAO合成也受到抑制。他们报道肠道中能把食物中左旋肉碱代谢成TMA的细菌主要是消化链球菌科(Peptostreptococcaceae)和梭菌科(Clostridiaceae)细菌。

小鼠的研究结果在人体也得到了验证。他们给受试者吃含有大约180 mg左旋肉碱的牛肉和有250mg同位素标记的合成d3甲基左旋肉碱（d3-(methyl)-l-carnitine），餐后TMAO明显增加。为了验证肠道菌群在生产TMAO的作用，他们给其中5位受试者在吃牛肉和有同位素标记的d3甲基左旋肉碱后口服广谱抗生素，一周后，这些受试者的血浆和尿液都显示TMAO的生产几乎被全部抑制。在停用广谱抗生素后一个月，这些受试者在服用同样的牛肉和d3甲基左旋肉碱后出现TMAO升高，回复到服药前的水平。由此证明肠道菌群在生产TMAO中起到至关重要的作用。

Tang等人在一项对4,000位稳定心血管疾病病人3年的随访研究证实了Koeth等人的工作。他们也发现经过调整传统风险因素后，高血液TMAO和多数心血管疾病的发生的风险有高度相关性。他们通过研究肠道菌群对食物卵磷脂的代谢与血浆和尿液TMAO的方法研究TMAO和心血管风险的关系。他们首先用液相色谱法和在线质谱方法检测健康成人口服广谱抗生素前后食入卵磷脂（两个煮的老的鸡蛋和氘（dueterium）标记的卵磷脂）后血浆TMAO、血浆胆碱和三甲铵乙内酯的变化。发现肠道菌群代谢卵磷脂后，血浆和尿液中TMAO生成都呈现明显的高峰。然后，给这些受试者服用一周广谱抗生素清除肠道菌群，这些受试者在服用同样的卵磷脂后，TMAO的生成受到明显抑制，几乎难以查到血浆TMAO。同样的受试者在停止服用抗生素后一个月，服用同样的卵磷脂后TMAO生产增加，呈现恢复到服用抗生素前的水平的趋势。这个试验表明肠道菌群和TMAO的生产有明显正相关。之后，他们又对4,007位接受心脏病监测的患者进行为时3年的前瞻性研究，观察空腹血浆TMAO水平和突发心血管疾病（死亡、心肌梗死或卒中）的关系。他们根据血浆TMAO四分位数水平（Qyartile）把这些受试者分成四组。3年随访的结果显示血浆TMAO的水平和心血管风险的发生明显相关，最高和最低TMAO四分位数的警戒率为2.54。他们的结果显示可以用血浆TMAO升高预测主要心血管疾病的风险。

饮食中有三种卵磷脂的代谢产物，胆碱、TMAO和甜菜碱可以预告心血管疾病的风险。Wang等人用无菌鼠的研究证实了食物胆碱和肠道菌群导致的TMAO产物在动脉硬化形成中起重要作用。给无菌鼠喂食TMAO，出现了促进巨噬细胞胆固醇堆积和形成泡沫细胞。给小鼠喂不同剂量胆碱，正常组(0.08–0.09% 总胆碱, wt/wt)、添加中等剂量组(0.5% 总胆碱, wt/wt)，添加大剂量组(1.0% 总胆碱, wt/wt)和TMAO组（0.12%）。20周年龄时，服用了胆碱添加食物和TMAO的雌雄小鼠都在主动脉根部增加了动脉粥样硬化斑块。血液分析发现服用了胆碱添加食物和TMAO的雌雄小鼠，血液胆碱水平没有明显变化，但是血液TMAO都明显升高。同时还检测到这些小鼠的血液胆固醇、甘油三酯、脂蛋白、葡萄糖的水平都明显升高。肝脏甘油三酯没有明显升高。有趣的是所有组的小鼠都呈现了血液TMAO和动脉粥样硬化斑块的大小呈现正相关。雌性小鼠的血液TMAO和斑块都大于雄性小鼠。即使是正常胆碱含量饲喂的小鼠也出现雌性的血液TMAO和斑块都大于雄性小鼠的现象。但是在人群的研究，男女之间的血液TMAO没有发现明显差异(P = 0.47)。冠脉造影显示血液TMAO和临床动脉粥样硬化斑块之间程序一种明显的剂量关系。

TMAO可以改变巨噬细胞、肝脏和小肠胆固醇代谢。因此，有可能产生动脉粥样硬化。Wang和Tang等的研究都证实肠道菌群可以把食物中的胆碱转化成三甲胺，并进一步被肝脏中的黄素单加氧酶转化成TMAO，以及TMAO与心血管疾病有明显关系。他们的发现提示特定的肠道菌群，饮食和宿主的遗传等因素可能提供一个导致动脉粥样硬化和心血管疾病的“完美风暴（'perfect storm'）”。

Gregory等人所做的临床和基础研究也证实了动脉粥样硬化心脏病和肠道菌群的代谢产物TMAO有关。Gregory等人在几种不同的老鼠模型实验发现动脉粥样硬化斑块和血液TMAO水平有关(n = 22 strains, r = 0.38; p = 0.0001)。

从容易患动脉粥样硬化高TMAO模型（C57BL/6J）和抗动脉粥样硬化低TMAO模型（NZW/LacJ）的两种不同的老鼠取粪便移植到用抗生素抑制了肠道菌群的载脂蛋白E空小鼠（apolipoprotein e null mice），种植了易患动脉粥样硬化高TMAO小鼠粪便的小鼠饲喂了胆碱食物后开始血液TMA和TMAO都高，食物依赖的胆碱持续性的TMA/TMAO的区别没有能维持到研究结束前。这些小鼠与种植了抗动脉粥样硬化低TMAO模型小鼠粪便的小鼠相比，显示胆碱食物依赖增强了动脉粥样硬化斑块。

肝脏FMO3是一种肝脏FMO酶，可以把TMA氧化成TMAO。FMO3基因突变导致鱼臭症（trimethylaminuria）。这是一种不多见的遗传病，又称鱼类恶臭综合征（fish malodour syndrome）。这种病人不能把TMA转化成TMAO，产生类似鱼类腐败的气味。TMAO是一种无味的氧化产物。肝脏各种FMO的表达显示人和小鼠高度相关。有多种FMO基因和主动脉斑块形成、血液高密度脂蛋白胆固醇浓度和血液TMAO呈现明显的关系。提示有多种肝脏FMO酶参与到动脉粥样硬化和TMAO代谢过程。Wang等人在用小鼠的综合遗传学研究FMO3在动脉粥样硬化形成的基因调节和作用。容易得动脉粥样硬化的小鼠（C57BL/6J Apoe^−/− ）和不容易得动脉粥样硬化的小鼠（C3H/HeJ Apoe^−/− ）肝脏FMO3和动脉粥样硬化损伤。雌性小鼠的FMO3表达明显高于雄性小鼠，雌性比雄性高出1,000倍。肝脏FMO3和动脉粥样硬化损伤呈明显正相关。有趣的是雌性和雄性小鼠血液高密度脂蛋白胆固醇和动脉粥样硬化成明显的负相关。另外，血液卵磷脂的代谢产物TMAO和肝脏FMO3呈现明显的正相关。

上述的研究揭示肠道菌群对人健康和疾病的作用不仅仅局限与胃肠道本身。对心血管疾病也有相关性。口服卵磷脂变成代谢产物TMAO的生化过程，必须由肠道菌群参与。肠道菌群在动脉粥样硬化的发生和发展起重要的作用。