Recent studies in animals have shown a mechanistic link between intestinal microbial metabolism of the choline moiety in dietary phosphatidylcholine (lecithin) and coronary artery disease through the production of a proatherosclerotic metabolite, trimethylamine-N-oxide (TMAO). We investigated the relationship among intestinal microbiota-dependent metabolism of dietary phosphatidylcholine, TMAO levels, and adverse cardiovascular events in humans.

Normal platelet function is critical to blood hemostasis and maintenance of a closed circulatory system. Heightened platelet reactivity, however, is associated with cardiometabolic diseases and enhanced potential for thrombotic events. We now show gut microbes, through generation of trimethylamine N-oxide (TMAO), directly contribute to platelet hyperreactivity and enhanced thrombosis potential. Plasma TMAO levels in subjects (n > 4,000) independently predicted incident (3 years) thrombosis (heart attack, stroke) risk. Direct exposure of platelets to TMAO enhanced sub-maximal stimulus-dependent platelet activation from multiple agonists through augmented Ca(2+) release from intracellular stores. Animal model studies employing dietary choline or TMAO, germ-free mice, and microbial transplantation collectively confirm a role for gut microbiota and TMAO in modulating platelet hyperresponsiveness and thrombosis potential and identify microbial taxa associated with plasma TMAO and thrombosis potential. Collectively, the present results reveal a previously unrecognized mechanistic link between specific dietary nutrients, gut microbes, platelet function, and thrombosis risk.

Summary

 Trimethylamine (TMA) N-oxide (TMAO), a gut-microbiota-dependent metabolite, both enhances atherosclerosis in animal models and is associated with cardiovascular risks in clinical studies. Here, we investigate the impact of targeted inhibition of the first step in TMAO generation, commensal microbial TMA production, on diet-induced atherosclerosis. A structural analog of choline, 3,3-dimethyl-1-butanol (DMB), is shown to non-lethally inhibit TMA formation from cultured microbes, to inhibit distinct microbial TMA lyases, and to both inhibit TMA production from physiologic polymicrobial cultures (e.g., intestinal contents, human feces) and reduce TMAO levels in mice fed a high-choline or L-carnitine diet. DMB inhibited choline diet-enhanced endogenous macrophage foam cell formation and atherosclerotic lesion development in apolipoprotein e^−/− mice without alterations in circulating cholesterol levels. The present studies suggest that targeting gut microbial production of TMA specifically and non-lethal microbial inhibitors in general may serve as a potential therapeutic approach for the treatment of cardiometabolic diseases.

Macrophage scavenger receptors have been implicated as key players in the pathogenesis of atherosclerosis. To assess the role of the class B scavenger receptor CD36 in atherogenesis, we crossed a CD36-null strain with the atherogenic apo E–null strain and quantified lesion development. There was a 76.5% decrease in aortic tree lesion area (Western diet) and a 45% decrease in aortic sinus lesion area (normal chow) in the CD36-apo E double-null mice when compared with controls, despite alterations in lipoprotein profiles that often correlate with increased atherogenicity. Macrophages derived from CD36-apo E double-null mice bound and internalized more than 60% less copper-oxidized LDL and LDL modified by monocyte-generated reactive nitrogen species. A similar inhibition of in vitro lipid accumulation and foam cell formation after exposure to these ligands was seen. These results support a major role for CD36 in atherosclerotic lesion development in vivo and suggest that blockade of CD36 can be protective even in more extreme proatherogenic circumstances.

Rationale: Trimethylamine- N -oxide (TMAO), a gut microbial-dependent metabolite of dietary choline, phosphatidylcholine (lecithin), and l -carnitine, is elevated in chronic kidney diseases (CKD) and associated with coronary artery disease pathogenesis. Objective: To both investigate the clinical prognostic value of TMAO in subjects with versus without CKD, and test the hypothesis that TMAO plays a direct contributory role in the development and progression of renal dysfunction. Methods and Results: We first examined the relationship between fasting plasma TMAO and all-cause mortality over 5-year follow-up in 521 stable subjects with CKD (estimated glomerular filtration rate, <60 mL/min per 1.73 m 2 ). Median TMAO level among CKD subjects was 7.9 μmol/L (interquartile range, 5.2–12.4 μmol/L), which was markedly higher ( P <0.001) than in non-CKD subjects (n=3166). Within CKD subjects, higher (fourth versus first quartile) plasma TMAO level was associated with a 2.8-fold increased mortality risk. After adjustments for traditional risk factors, high-sensitivity C-reactive protein, estimated glomerular filtration rate, elevated TMAO levels remained predictive of 5-year mortality risk (hazard ratio, 1.93; 95% confidence interval, 1.13–3.29; P <0.05). TMAO provided significant incremental prognostic value (net reclassification index, 17.26%; P <0.001 and differences in area under receiver operator characteristic curve, 63.26% versus 65.95%; P =0.036). Among non-CKD subjects, elevated TMAO levels portend poorer prognosis within cohorts of high and low cystatin C. In animal models, elevated dietary choline or TMAO directly led to progressive renal tubulointerstitial fibrosis and dysfunction. Conclusions: Plasma TMAO levels are both elevated in patients with CKD and portend poorer long-term survival. Chronic dietary exposures that increase TMAO directly contributes to progressive renal fibrosis and dysfunction in animal models.

Circulating trimethylamine-N-oxide (TMAO) levels are strongly associated with atherosclerosis. We now examine genetic, dietary, and hormonal factors regulating TMAO levels. We demonstrate that two flavin mono-oxygenase family members, FMO1 and FMO3, oxidize trimethylamine (TMA), derived from gut flora metabolism of choline, to TMAO. Further, we show that FMO3 exhibits 10-fold higher specific activity than FMO1. FMO3 overexpression in mice significantly increases plasma TMAO levels while silencing FMO3 decreases TMAO levels. In both humans and mice, hepatic FMO3 expression is reduced in males compared to females. In mice, this reduction in FMO3 expression is due primarily to downregulation by androgens. FMO3 expression is induced by dietary bile acids by a mechanism that involves the farnesoid X receptor (FXR), a bile acid-activated nuclear receptor. Analysis of natural genetic variation among inbred strains of mice indicates that FMO3 and TMAO are significantly correlated, and TMAO levels explain 11% of the variation in atherosclerosis.

Oxidation of LDL may be of pivotal importance in atherogenesis, but the mechanisms that promote oxidation in vivo remain poorly understood. We have explored the possibility that one pathway involves myeloperoxidase, a heme protein secreted by phagocytes. Myeloperoxidase is the only human enzyme known to generate hypochlorous acid (HOCl), a potent oxidizing agent, at physiological halide concentrations. LDL exposed to the complete myeloperoxidase-H2O2-Cl- system underwent chlorination of its protein tyrosyl residues. Treatment of LDL with reagent HOCl resulted in 3-chlorotyrosine formation, implicating HOCl as an intermediate in the enzymatic reaction pathway. In contrast, 3-chlorotyrosine was undetectable in LDL oxidized by hydroxyl radical, copper, iron, hemin, glucose, peroxynitrite, horseradish peroxidase, lactoperoxidase, or lipoxygenase. These results indicate that 3-chlorotyrosine is a specific marker for LDL oxidation by myeloperoxidase. To address the role of myeloperoxidase in promoting LDL oxidation in vivo, we used stable isotope dilution gas chromatography-mass spectrometry to quantify 3-chlorotyrosine in human aortic tissue and in LDL isolated from atherosclerotic lesions. The level of 3-chlorotyrosine in atherosclerotic tissue obtained during vascular surgery was sixfold higher than that of normal aortic intima. Moreover, the level of 3-chlorotyrosine was 30-fold higher in LDL isolated from atherosclerotic intima compared with circulating LDL. The detection of 3-chlorotyrosine in human atherosclerotic lesions indicates that halogenation reactions catalyzed by the myeloperoxidase system of phagocytes constitute one pathway for protein oxidation in vivo. These findings raise the possibility that the myeloperoxidase-H2O2-Cl- system plays a critical role in converting LDL into an atherogenic form.

ContextStatins reduce low-density lipoprotein cholesterol (LDL-C) levels and slow progression of coronary atherosclerosis. However, no data exist describing the relationship between statin-induced changes in high-density lipoprotein cholesterol (HDL-C) and disease progression.ObjectiveTo investigate the relationship between changes in LDL-C and HDL-C levels and atheroma burden.Design, Setting, and PatientsPost-hoc analysis combining raw data from 4 prospective randomized trials (performed in the United States, North America, Europe, and Australia between 1999 and 2005), in which 1455 patients with angiographic coronary disease underwent serial intravascular ultrasonography while receiving statin treatment for 18 months or for 24 months. Ultrasound analysis was performed in the same core laboratory for all of the studies.Main Outcome MeasureRelationship between changes in lipoprotein levels and coronary artery atheroma volume.ResultsDuring statin therapy, mean (SD) LDL-C levels were reduced from 124.0 (38.3) mg/dL (3.2 [0.99] mmol/L) to 87.5 (28.8) mg/dL (2.3 [0.75] mmol/L) (a 23.5% decrease; P<.001), and HDL-C levels increased from 42.5 (11.0) mg/dL (1.1 [0.28] mmol/L) to 45.1 (11.4) mg/dL (1.2 [0.29] mmol/L) (a 7.5% increase; P<.001). The ratio of LDL-C to HDL-C was reduced from a mean (SD) of 3.0 (1.1) to 2.1 (0.9) (a 26.7% decrease; P<.001). These changes were accompanied by a mean (SD) increase in percent atheroma volume from 39.7% (9.8%) to 40.1% (9.7%) (a 0.5% [3.9%] increase; P = .001) and a mean (SD) decrease in total atheroma volume of 2.4 (23.6) mm3 (P<.001). In univariate analysis, mean levels and treatment-mediated changes in LDL-C, total cholesterol, non-HDL cholesterol, apolipoprotein B, and ratio of apolipoprotein B to apolipoprotein A-I were significantly correlated with the rate of atherosclerotic progression, whereas treatment-mediated changes in HDL-C were inversely correlated with atheroma progression. In multivariate analysis, mean levels of LDL-C (β coefficient, 0.11 [95% confidence interval, 0.07-0.15]) and increases in HDL-C (β coefficient, −0.26 [95% confidence interval, −0.41 to −0.10]) remained independent predictors of atheroma regression. Substantial atheroma regression (≥5% reduction in atheroma volume) was observed in patients with levels of LDL-C less than the mean (87.5 mg/dL) during treatment and percentage increases of HDL-C greater than the mean (7.5%; P<.001). No significant differences were found with regard to clinical events.ConclusionsStatin therapy is associated with regression of coronary atherosclerosis when LDL-C is substantially reduced and HDL-C is increased by more than 7.5%. These findings suggest that statin benefits are derived from both reductions in atherogenic lipoprotein levels and increases in HDL-C, although it remains to be determined whether the atherosclerotic regression associated with these changes in lipid levels will translate to meaningful reductions in clinical events and improved clinical outcomes.