《Neuroscience》：The gut–brain axis and trimethylamine N-oxide: an emergent biomarker in neurological diseases
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神经系统进行性变性是神经系统疾病的标志。近期研究强调肠道菌群代谢物，如氧化三甲胺(Trimethylamine N-oxide, TMAO)——源自膳食甜菜碱、肉碱、磷脂酰胆碱和胆碱——是关键参与者。TMAO及其前体TMA可穿越血脑屏障(BBB)，调节行为
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神经系统进行性变性是神经系统疾病的标志。近期研究强调肠道菌群代谢物，如氧化三甲胺(Trimethylamine N-oxide, TMAO)——源自膳食甜菜碱、肉碱、磷脂酰胆碱和胆碱——是关键参与者。TMAO及其前体TMA可穿越血脑屏障(BBB)，调节行为、神经发生和大脑发育。升高的TMAO促进促炎通路，将其与代谢、血管和神经系统风险联系起来。然而，其作用复杂，研究表明其具有神经保护作用，且受饮食、菌群失调、肾功能和FMO3基因的影响而存在变异性。尽管临床前和临床数据表现出一定的变异性，但这种异质性恰恰凸显了本综述的价值，即分析TMAO面临的挑战与优势，提供全面的概述。因此，本综述总结了TMAO在神经系统疾病中的多方面作用、验证面临的挑战及其作为动态生物标志物的广阔潜力。总之，将TMAO纳入多标志物组合使其处于精准神经病学的前沿，在不可逆的神经变性发生之前，将肠道-大脑轴研究转化为早期筛查、风险分层和干预的工具。
论文主体内容总结
引言
根据世界卫生组织(WHO)的数据，神经系统疾病是全球发病率的主要原因，影响全球43%的人口，对全球健康产生显著的负面影响。这些疾病通常包括阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)、多发性硬化症(MS)、肌萎缩侧索硬化症(ALS)、癫痫、偏头痛、亨廷顿病(HD)、脑卒中、糖尿病神经病变、脑膜炎、早产并发症相关的神经系统疾病、自闭症谱系障碍以及中枢神经系统癌症。神经系统疾病通常具有多因素性质，由衰老、遗传、环境、饮食、氧化应激和炎症等多种因素的相互作用引起。环境毒物如杀虫剂、重金属（铅、铝）、溶剂和空气污染物也与AD和PD等疾病有关。由于神经系统疾病具有进展性，早期诊断和干预对于延缓病情至关重要。近年来，尽管在开发主要针对症状的药物方面取得了进展，但新药开发的整体速度仍然缓慢，许多临床试验失败，这凸显了寻找能够预防、减缓疾病进展并帮助开发新治疗靶点的生物标志物的必要性。理想情况下，生物标志物应准确、一致、可快速测量，并具有高度的预后或预测价值。
已知神经系统疾病的生物标志物
多种已确立的生物标志物长期以来被认为是神经系统疾病的标志，包括炎性细胞因子、氧化应激指标、神经丝蛋白以及淀粉样蛋白或tau蛋白种类，它们共同反映了神经变性潜在的关键致病途径。例如，α-突触核蛋白(α-synuclein)在突触前末端表达，其异常聚集形成路易小体(Lewy bodies)，是PD的典型特征。β-淀粉样蛋白(β-amyloid, Aβ)由淀粉样前体蛋白(APP)经β-分泌酶和γ-分泌酶裂解产生，其中Aβ1–42因其低溶解度易形成老年斑(SP)，是AD的特征。此外，微管相关蛋白tau(MAPT)、磷酸化tau(p-tau)和总tau(t-tau)的突变或错误修饰会导致tau蛋白病。TAR DNA结合蛋白43(TDP-43)的胞质聚集见于ALS患者。游离轻链λ(λFLC)和κ(κFLC)是中枢神经系统(CNS)炎症的指标。嗜铬粒蛋白A(CgA)是神经内分泌肿瘤(NET)的标志物，突变亨廷顿蛋白(mHTT)导致HD。神经丝轻链(Nf-L)及其磷酸化重链(pNfH)是神经变性和脑损伤的良好标志物。寡克隆区带(Oligoclonal bands)常用于诊断MS和其他神经炎症性疾病。这些蛋白质可在脑脊液(CSF)和血清中测量，代表了当前临床诊断的重要工具。
氧化三甲胺(TMAO)
TMAO是一种肠道菌群代谢物，来源于磷脂酰胆碱、胆碱、甜菜碱和左旋肉碱，这些物质广泛存在于海鲜、乳制品、蛋黄、肌肉和内脏肉中。最初被确定为稳定海洋生物蛋白质结构的渗透调节剂，TMAO现已被认为是一种参与宿主多种过程的生物活性化合物，包括脂质代谢、炎症、氧化应激和细胞稳态。TMAO不仅仅是惰性的代谢副产物，它作为连接饮食习惯、微生物组成和全身疾病通路的关键介质而出现。越来越多的证据表明，血浆TMAO水平升高与心脏代谢和神经退行性疾病的风险增加有关。从机制上讲，TMAO似乎影响多种涉及炎症和氧化平衡的细胞内信号级联反应，包括激活NF-κB和MAPK通路、线粒体功能障碍以及胆固醇和胆汁酸代谢的调节。这些多效性效应表明，TMAO既作为一种代谢信号分子，也作为一种促炎分子，可能导致慢性疾病和神经系统疾病的进展，因此被广泛认为是肠道-大脑轴中的重要分子纽带。
TMA/TMAO代谢
TMAO的代谢代表了膳食摄入、肠道微生物活动和肝脏酶转化之间复杂的相互作用。关键的介导物是三甲胺(TMA)，它在肠道微生物代谢和肝脏氧化之间架起了桥梁。TMA是由肠道微生物群在结肠中对磷脂酰胆碱/胆碱、肉碱、甜菜碱和麦角硫因等膳食成分进行代谢产生的。例如，厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)的微生物利用胆碱和肉碱产生TMA。一旦TMA由肠道微生物代谢产生，它通过门静脉循环被吸收并运输到肝脏，在此处通过肝脏黄素单加氧酶(FMO1和FMO3)氧化形成TMAO。特别是肝脏FMO3的活性是决定循环TMAO浓度的关键因素，并受遗传多态性、性激素、饮食和炎症状态的影响。例如，雌激素已被证明会上调FMO3的表达。随后，TMAO被释放到体循环中，到达心脏、肾脏和大脑等器官，最终通过肾滤过以尿液形式排泄。值得注意的是，肠道微生物组成强烈影响TMA/TMAO的平衡，抗生素处理或无菌条件会显著降低循环TMAO水平。
TMAO水平
循环TMAO水平因人而异，受饮食、肠道菌群、肝脏FMO酶和肾功能的影响。在一定生理范围内，TMAO发挥保护作用，例如维持线粒体能量代谢和心脏功能，以及有益地调节血脑屏障(BBB)完整性和认知功能。然而，当其浓度升高时，它在脑血管和心血管疾病的发展中起关键作用。除了血浆，TMAO也可在CSF、尿液和粪便中检测到。量化生物样品中的TMAO依赖于高精度分析技术，包括质谱法(MS)、液相色谱串联质谱法(LC–MS/MS)（目前的金标准）、气相色谱法(GC–MS)和免疫学技术（酶联免疫吸附试验, ELISA）。总体而言，评估不同生物基质中的TMAO水平为了解宿主-微生物群代谢相互作用提供了重要见解，并提供了其作为系统和神经系统疾病生物标志物的潜在效用。
TMAO与肠道-大脑轴的关系
早期关于TMAO的研究集中在心血管疾病上，但随着研究的深入，发现TMAO具有多系统性效应，并与神经系统疾病的发生密切相关。这是因为中枢神经系统通过肠神经系统、自主神经系统的突触和副突触通路、神经免疫和神经内分泌通路与肠道进行复杂的信息交流。在这些通路中，肠道菌群扮演着基础角色，菌群失调(dysbiosis)现象会对神经系统产生负面影响。肠道微生物群代谢多种膳食营养素，产生各种代谢物，这些代谢物在肠道内合成神经递质。研究表明，肠道菌群通过激活模式识别受体(PRR)，如Toll样受体2和4(TLR2和TLR4)来影响中枢神经系统功能。肠道-大脑轴作为中枢神经系统和胃肠道之间的双向沟通渠道，为TMAO的功能提供了结构基础。饮食、肠道菌群组成的改变、肠道失调或肠血屏障的破坏都可能导致TMAO浓度升高。例如，拟杆菌属(Bacteroides)、副拟杆菌属(Parabacteroides)、梭状芽孢杆菌属(Clostridium)、粪杆菌属(Faecalibacterium)和考拉杆菌属(Phascolarctobacterium)产生的TMAO高于其他肠道菌群。通过使用广谱抗生素或益生菌菌株（如植物乳杆菌Lactobacillus plantarum ZDY04和产气肠杆菌Enterobacter aerogenes ZDY01）调节肠道菌群，可以调节TMAO水平，从而降低血清TMAO。
TMAO与神经系统疾病的关系
越来越多的证据支持TMAO通过多种汇聚的分子通路在神经系统疾病的病理生理学中发挥关键作用。TMAO已知通过激活NF-κB、MAPK和NLRP3炎症小体等信号级联反应，促进系统和神经炎症反应。这些分子通路的激活导致促炎细胞因子（如IL-1β, IL-6, TNF-α）的产生增加，造成神经毒性环境，损害突触和神经元结构并促进细胞死亡。此外，TMAO还会导致活性氧(ROS)过量产生和脂质过氧化，导致氧化损伤，特别是在海马体中，并损害线粒体功能，从而加剧神经元脆弱性。TMAO还导致内皮功能障碍和BBB破坏，使外周炎症介质和微生物代谢物得以进入中枢神经系统。同时，响应TMAO水平升高，可观察到小胶质细胞和星形胶质细胞的活化、突触可塑性改变、神经元变性和记忆缺陷，表明这种代谢物可能影响神经元和胶质细胞区室。虽然因果关系尚待完全阐明，但这些机制将TMAO定位为肠道-大脑轴的关键介质，连接了代谢失调、系统炎症和神经退行性过程。
TMAO与阿尔茨海默病(AD)
近年来，将TMAO与AD联系起来的研究数量有所增加。TMAO似乎影响与AD相关的多个重要过程，如炎症、氧化应激、线粒体功能障碍和血脑屏障破坏。动物实验表明，长期暴露于TMAO会加速大脑老化表型，损害海马依赖性学习和记忆，并增加AD小鼠模型中的神经炎症和氧化应激标志物。外源性TMAO增加了衰老细胞的数量（主要是神经元），导致突触损伤和突触可塑性相关蛋白表达水平降低。此外，高水平的TMAO增强了线粒体损伤和超氧化物产生，加剧了年龄相关的认知功能障碍，并促进了Aβ的清除受损以及tau蛋白的聚集。在临床研究中，观察性研究发现AD患者的脑脊液和/或血浆中TMAO浓度较高，且与AD病理学生物标志物（磷酸化tau和Aβ42）及神经元变性相关。一项系统评价和网络荟萃分析显示，TMAO与认知障碍患病率之间存在显著的正相关，特别是损害了整体认知评估、记忆和执行功能。然而，较大规模的人群分析往往报告血浆TMAO与认知能力下降之间没有独立关联，部分分析发现TMAO的其他代谢物或前体比TMAO本身与认知能力下降的关联性更强。
TMAO与帕金森病(PD)
最近，TMAO也被认为与PD的病理生理学有关。临床前证据表明，升高的TMAO会加剧多巴胺能神经变性，这是PD的关键病理特征。研究表明，升高的循环TMAO会加重MPTP诱导的PD小鼠的神经炎症和小胶质细胞活化，导致多巴胺能神经元丢失加剧和运动缺陷恶化。慢性TMAO暴露与NF-κB/NLRP3炎症级联反应的激活、氧化应激和BBB通透性改变有关。此外，较高的循环TMAO损害了髓鞘/少突胶质细胞的完整性，加剧了小胶质细胞的活化和细胞因子释放。在人类研究中，结果喜忧参半。多项研究表明TMAO水平与疾病临床严重程度相关，尤其是运动症状或进展为痴呆的风险。例如，早期PD患者的血浆和脑脊液TMAO水平与健康对照组相比发生了显著改变。然而，其他队列研究报告PD患者的TMAO降低或与PD无关。孟德尔随机化方法也未发现遗传预测的TMAO水平与PD风险之间存在因果关系。这些发现表明，TMAO可能作为特定亚群中PD病理生理学的生物标志物或调节因子，但仍需更大规模的纵向队列研究来验证。
TMAO与脑卒中
TMAO在缺血性卒中中也引起了广泛关注。在动物实验中，外源性TMAO给药促进了反应性星形胶质增生和胶质瘢痕形成，从而导致神经损伤。喂食TMAO或其前体胆碱的脑卒中小鼠显示出与对照组相比更大的脑梗死体积和运动功能下降。这可能是因为TMAO导致内皮损伤，从而在心脑血管疾病的发病中发挥关键作用。临床证据方面，多项队列研究和荟萃分析报告了缺血性卒中患者与非对照组相比TMAO浓度更高，并估计TMAO每单位升高相对风险增加。一项包含30,808名参与者的荟萃分析显示，较高的TMAO水平增加了卒中风险，且卒中患者的平均TMAO浓度高于非卒中对照组。几项临床研究还检查了卒中后的预后，发现较高的基线TMAO与特定缺血性卒中亚型中较差的功能结局和较高的复发风险相关。然而，也有研究发现了不同的结果，例如在一项前瞻性病例对照研究中，卒中患者入院时TMAO水平升高，但在卒中后48小时下降，随后在卒中后3个月再次上升。这表明测量时机也可能影响卒中患者的TMAO水平。
TMAO与其他神经系统疾病
越来越多的证据将TMAO与更广泛的神经和神经炎症疾病联系起来。这可能是因为TMAO诱导了血脑屏障通透性的改变、突触可塑性的降低和促炎细胞因子的释放。例如，在血管性痴呆的大鼠模型中，慢性暴露于TMAO导致海马依赖性认知功能和突触可塑性功能障碍，并伴有氧化应激、神经炎症和凋亡的增加。临床证据表明，血浆TMAO水平升高与自闭症谱系障碍、睡眠障碍、创伤后应激障碍(PTSD)共病创伤性脑损伤(TBI)以及抑郁症相关。相反，一些研究表明TMAO及其前体可以发挥神经保护作用，尽管相关研究尚未证实并探索具体机制。例如，在ALS患者中，血浆TMAO水平与上运动神经元损伤的严重程度呈负相关。同样，其他研究调查肠道菌群谱表明，较低的TMAO水平与癫痫、双相情感障碍和精神分裂症的症状相关。尽管关于TMAO作用的观点尚不清楚，但证据表明TMAO可能是早期识别和多种神经系统疾病治疗靶点的有用生物标志物。
降低TMAO水平的治疗方法：当前证据与未来展望
由于宿主肠道菌群活动和FMO3活性的遗传异质性，以及饮食习惯和文化的差异，评估食物与循环TMAO之间关系的人群研究具有挑战性。饮食与TMAO之间的关系可能因肾脏排泄在代谢过程中所起的作用以及其他因素而变得更加复杂。降低TMAO水平的一种已证实的方法是限制饮食中的TMAO前体，例如减少左旋肉碱和胆碱的摄入。多项临床研究表明，高纤维饮食结合限制动物蛋白来源可以减轻TMAO的形成，从而降低与TMAO相关的心血管疾病风险。2025年的一项系统评价发现，益生元和植物化学物质已成为调节TMAO水平和促进整体健康的有前景的非药物制剂。此外，3,3-二甲基-1-丁醇(DMB)是一种在某些香醋、红酒和一些橄榄油和葡萄籽油中发现的胆碱类似物，作为TMA抑制剂，它可以抑制TMAO的形成。另一种方法可能是抑制FMO3，从而减少TMA向TMAO的转化，并减少饮食中胆碱、甜菜碱和左旋肉碱的摄入，尽管主要问题可能是胆碱在神经递质生产中起着至关重要的作用。一些天然化合物如绞股蓝(Gynostemma pentaphyllum)和甘草(Glycyrrhiza uralensis)与附子(Aconitum carmichaelii)联合使用时，似乎能在体内模型中降低TMAO水平。白藜芦醇(resveratrol)也被证明可以通过增加乳酸菌(Lactobacillus)和双歧杆菌(Bifidobacterium)的数量并降低产TMA细菌的数量来降低血浆TMAO水平。最近的研宄表明，益生菌如植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)和嗜黏蛋白阿克曼氏菌(Akkermansia muciniphila)可能会改变肠道微生物的组成并减少TMAO的生成。
TMAO与传统生物标志物的比较
TMAO相对于已确立的神经系统生物标志物（淀粉样蛋白β/tau、NfL、pNfH、MRI标记物）具有明显的互补优势。具体来说，它通过简单的外周血浆抽取即可无创获取，不像金标准需要腰椎穿刺获取脑脊液(CSF)，这使得大规模人群水平的筛查成为可能，非常适合在症状前阶段识别高危个体。这在公共卫生环境中非常重要，因为快速且具有成本效益的检测（如血浆TMAO，可通过LC-MS/MS测量）可以整合到常规心血管或代谢筛查方案中。此外，虽然传统生物标志物擅长特异性确诊疾病（例如淀粉样蛋白β/tau诊断脑淀粉样蛋白疾病，或NfL/pNfH监测ALS或多发性硬化症中的轴突变性进展），但TMAO独特地捕捉了肠道-大脑轴的上游失调，如肠道菌群失调、血管内皮功能障碍、慢性肾衰竭以及FMO3酶的遗传/肝脏变异。这些多系统机制标志着早期的心血管和炎症风险，可能在MRI或PET可见的结构性神经变性发生前数年发出预警，将TMAO定位为早期预警系统。TMAO不应被视为独立标记物，而应作为分层诊断策略中的补充资源。将TMAO与传统生物标志物整合的多标志物组合代表了最有前途的前进道路，可能利用TMAO的可及性进行筛查，并保留侵入性CSF标记物用于诊断确认。
局限性
TMAO水平升高不仅与神经系统疾病有关，还与糖尿病、慢性肾脏疾病、心血管疾病和系统性炎症有关。考虑到TMAO作为神经系统疾病中的孤立标记物，这是一个主要的挫折。虽然在神经退行性疾病患者（如AD和PD）的血浆或CSF中观察到了浓度升高，但同样的升高也见于其他系统性疾病中，这降低了其单独的诊断效用。此外，临床试验中循环TMAO水平与认知、痴呆和神经影像学结果之间的关联表现出显著的异质性，在针对主要混杂因素（如饮食摄入、肾功能、血管疾病和前体代谢物）进行多变量调整后，这种关联往往会减弱。在这种背景下，一项针对3000多名老年人的大型队列研究报告称，血浆TMAO与认知表现或结构性神经影像学标志物之间没有独立关联。有趣的是，较高的血浆胆碱水平（TMAO的关键前体）与较差的认知结果和较大的脑萎缩显著相关。这些发现可能表明上游代谢通路更直接地导致了神经系统改变，而TMAO反映了下游的代谢整合和系统暴露。另一个关键限制是，许多机制研究使用的TMAO浓度超过了人类观察到的生理水平，这主要是由于物种特异性的代谢差异以及血脑屏障通透性的差异，使得动物模型与人类之间的直接比较变得复杂。
结论
神经系统疾病是全球死亡和残疾的主要原因之一，其复杂的病因持续挑战着早期诊断和有效治疗。因此，寻找可靠、可及且具有机制信息的生物标志物是现代神经生物学的中心目标。在过去二十年中，在鉴定血浆、脑脊液和神经影像学中的候选生物标志物方面取得了重大进展，特别是那些与炎症、氧化应激和神经元损伤相关的标志物。然而，尚无单一生物标志物显示出足够的敏感性和特异性来全面捕捉疾病的发作、进展和治疗反应。鉴于此，本综述讨论了最具潜力的新兴生物标志物之一，它似乎在监测脑部疾病中发挥着重要作用。展望未来，TMAO作为一种非侵入性神经系统生物标志物的显著转化潜力开启了一系列令人兴奋的研究机会。首先，需要在数千名高危个体中同时进行大规模前瞻性队列研究，同时量化TMAO以及参考生物标志物（p-tau181/Aβ42比值、NfL、GFAP）和综合代谢组学谱（胆碱、甜菜碱、肉碱），以明确证明TMAO是否比现有组合提供增量预后准确性。其次，定义跨年龄/饮食/肾分层的标准化参考范围，并结合脑部PET成像，将为精准风险分层建立可操作的临界值。最后，以微生物群为靶点（益生元/益生菌/合生元、粪便微生物移植）的干预研究，并以TMAO为主要药效学标志物，将是评估降低血浆TMAO是否能保护认知功能并在2-5年内稳定MRI检测到的生物标志物（海马体积、白质完整性）的创新之举。综上所述，这些举措将使TMAO不仅仅是一个简单的生物标志物，而是处于精准神经病学的前沿，在神经变性变得不可逆转之前，将TMAO和肠道-大脑轴研究转化为筛查、风险分层和早期干预的具体工具。
