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四氢生物蝶呤与糖尿病慢性并发症关系的研究进展

2021-09-17 129 上传者：管理员

摘要：糖尿病慢性并发症严重影响患者的生活质量,且近年发病率呈上升趋势。四氢生物蝶呤(BH4)是多种芳香族羟化酶及一氧化氮合酶的重要辅助因子,近年来BH4在抗氧化应激、线粒体调控、血管内皮保护、神经性疼痛及炎症免疫反应等方面的作用引起了广泛关注,其水平变化被认为与糖尿病及其并发症的发生发展关系密切,有望成为新的治疗靶点。本文就BH4的生物合成及其与糖尿病慢性并发症的关系作一综述。

关键词：
四氢生物蝶呤
慢性并发症
糖尿病
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随着人们生活方式的改变和人口的老龄化，糖尿病患病率呈逐年递增趋势。据报道，2019年全球大约有4.63亿糖尿病患者，全球糖尿病患病率与10年前相比增长了62%[1]。随着糖尿病病程的延长各种糖尿病慢性并发症会逐渐出现，然而目前对糖尿病慢性并发症发生发展的认识仍然有限，治疗也仅限于对症支持治疗，尚缺乏确切有效的治疗手段，因此防治糖尿病相关并发症已成为临床研究重点。四氢生物蝶呤(BH4)作为多种神经递质(如多巴胺和5-羟色胺等)以及一氧化氮产生的重要辅助因子被认为可能与抗氧化应激、线粒体调控、血管内皮保护、神经性疼痛及炎症免疫反应等相关，其水平改变可能导致糖尿病大血管病变、糖尿病肾病(DN)、糖尿病心肌病(DCM)、糖尿病周围神经病变(DPN)、糖尿病胃轻瘫、糖尿病足等一系列糖尿病慢性并发症的发生发展，干预BH4及其合成途径有望成为上述并发症治疗的有效靶点。BH4与糖尿病大血管并发症相关的综述报道较多，本文不再赘述，仅对BH4的生物合成及其与其他糖尿病慢性并发症的关系进行综述。

1、BH4的生物合成

BH4是苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸羟化酶等多种芳香族羟化酶以及一氧化氮合酶(NOS)的必要辅助因子，参与调节体内各种激素、炎症因子和神经递质的动态平衡。BH4的体内平衡受到从头、挽救和再循环3条途径的严格调控[2]。在从头合成途径中，三磷酸鸟苷通过三级酶促反应生成BH4，首先是限速酶鸟苷三磷酸环化水解酶1(GCH1)，其次是6-丙酮酰四氢蝶呤合酶和墨蝶呤还原酶(SPR)。作为从头合成的替代方法，墨蝶呤和7,8-二氢生物蝶呤(BH2)可作为中间体，通过挽救途径维持细胞内BH4水平，SPR和二氢叶酸还原酶(DHFR)为该途径的关键酶。当SPR不足时，SPR的催化活性还可以通过非特异性醛糖还原酶或羰基还原酶来实现。BH4合成的最后一条途径即再循环合成途径，当BH4作为辅助因子时参与反应后被氧化生成BH4-4α-甲醇胺，再在蝶呤4α-甲醇胺脱氢酶催化下脱水形成醌式二氢生物蝶呤，最后经醌式二氢蝶呤还原酶催化还原为BH4。近年Belik等[3]研究发现BH4可通过外源性途径获得，该团队在人类和小鼠的肠道微生物中发现放线菌可以产生BH4，提示将来对于肠道菌群的调节有望成为治疗BH4缺乏症的新途径。各种替代途径的存在维持了BH4的体内平衡，并反映了BH4在体内的重要性。

2、BH4与糖尿病

糖尿病是一种以高血糖症为特征的代谢性疾病，多由于胰岛素分泌不足、胰岛素抵抗或二者的紊乱而发生，随着对其发病机制的深入研究发现，糖尿病的发生发展与BH4水平降低和一氧化氮生物利用度降低密切相关[4,5,6]。一氧化氮由NOS的3种亚型，即神经元型NOS(nNOS)、诱导型NOS(iNOS)和内皮型NOS(eNOS)催化L-精氨酸产生[7]。BH4是NOS功能的关键辅助因子，是稳定NOS二聚体所必需的，是精氨酸与活性位点结合的变构调节剂，在BH4相对短缺的情况下，NOS可能会生成超氧化物而不是一氧化氮[7]。在高血糖状态下，由于葡萄糖的自氧化作用和蛋白质糖基化作用导致组织中活性氧产生及抗氧化防御系统失衡，高氧化应激使BH4被氧化成BH2、eNOS解偶联及一氧化氮生物利用度降低从而诱导胰岛素抵抗和葡萄糖耐受不良[6]。研究发现，补充BH4可以通过抑制肝糖异生而降低小鼠血糖水平，增加小鼠肝脏中eNOS二聚体化及减轻eNOS功能障碍，改善葡萄糖耐受不良以及胰岛素抵抗，表明BH4在糖尿病治疗方面具有巨大的潜力[6]。

3、BH4与糖尿病慢性并发症

3.1DN

DN是糖尿病最常见的慢性微血管并发症，肾脏内皮功能障碍与BH4缺乏使氧化应激增加和一氧化氮减少有关，一氧化氮是维持肾血流量及肾小球滤过的关键，NOS解偶联会导致出球小动脉和入球小动脉病变及血管内皮生长因子-一氧化氮轴失调等，破坏内皮细胞的完整性，促进DN的产生[8]。研究发现仅过表达eNOS不足以改善DN，反而会加剧其恶化，eNOS介导的有益作用还需要其他辅助因子如BH4或一氧化氮前体L-精氨酸的调节[9]。Okumura等[10]观察到，2型糖尿病OLETF大鼠在13周龄时开始出现蛋白尿，并逐渐恶化至61周龄最终发展为肾小球硬化症，其伴随着血浆及肾脏中GCH1活性和BH4水平降低，而经口补充BH4可使尿蛋白排泄显著减少并减轻肾小球硬化的程度。Cheng等[11]的研究得到了类似的结论，给予BH4的前体物质墨蝶呤或精氨酸可部分恢复功能性瘦素受体缺乏(db/db)小鼠eNOS功能，同时减少白蛋白尿和肾小球基底膜厚度，并降低氧化应激从而减轻肾脏损伤，该小鼠模型引发的糖尿病性肾脏结构和功能损伤的改变特征被认为与人类极其相似，且不存在性别差异[12]。

除了直接补充BH4外，BH4合成途径的激活及通过肾素-血管紧张素-醛固酮系统等也可以改善NOS功能障碍。外源性补充BH4在一定程度上可通过增加iNOS/GCH1及一氧化氮的产生从而减轻晚期糖基化终产物引起的DN肾小管肥大[13]，在GCH1转基因小鼠中可观察到GCH1过表达升高了肾脏BH4的水平及BH4/BH2比值，抑制氧化应激使肾小球活性氧生成减少并改善肾小球通透性，使尿白蛋白排出减少从而抑制DN的发展[14]。研究表明，趋化因子受体2和血管紧张素转换酶抑制剂的联合使用可更明显地延缓eNOS基因敲除小鼠DN的进展[15]。

3.2DCM

DCM以心室功能及结构障碍为主要特征，增加心力衰竭和死亡风险。氧化应激增强及线粒体功能障碍导致心肌细胞肥大、坏死可能是DCM的发病机制，而低BH4水平会使活性氧生成增多及线粒体功能障碍从而损害心脏的功能[16,17]。近年来大量研究致力于探讨BH4对DCM中心肌细胞和线粒体损伤的潜在治疗作用。Kim等[18]研究发现，OLETF大鼠及db/db小鼠糖尿病模型中心脏和线粒体BH4比值明显降低，并伴有心脏重塑、心脏收缩力降低和线粒体功能障碍等，给予BH4处理可降低氧化应激和DCM心脏损伤的标志物如乳酸脱氢酶、肌酸磷酸激酶水平及26S蛋白酶体的活性，减弱OLETF大鼠心肌肥大及心肌细胞凋亡、纠正心肌的形态异常、增加线粒体活性，防止db/db小鼠心脏功能障碍的进展。Baumgardt等[19]得出相似的结论，墨蝶呤及L-精氨酸前体长期联合给药可通过增加BH4的生物利用度、改善eNOS功能来减轻db/db小鼠中DCM和心肌缺血/再灌注损伤。Carnicer等[20]研究发现口服补充BH4可逆转链脲佐菌素引起的小鼠心肌损伤，过表达GCH1的糖尿病小鼠因心肌BH4继发升高可保持线粒体肌酸激酶活性、左心室能量和心肌功能，提出了一种新的机制即心肌BH4通过增加nNOS介导的非胰岛素依赖性心肌葡萄糖的摄取及利用来预防或逆转由糖尿病引起的左心室舒张和收缩功能障碍。BH4对DCM的潜在治疗效果值得期待。

3.3DPN

DPN是糖尿病的常见慢性并发症，多达一半的DPN患者有疼痛的神经性症状，但其机制仍未明确，目前尚无有效的治疗药物[21]。有研究[22]表明BH4与痛性神经病变的关系甚为密切，过量的BH4产生可能导致疼痛过敏。Arai等[22]在大鼠足底切开的疼痛模型中发现，与未切割的足底相比，损伤部位BH4水平及其合成途径中GCH1和SPR表达显著增加。相反，给予SPR抑制剂可显著减轻大鼠机械性疼痛超敏反应同时伴随着切开皮肤中BH4含量的降低。Latremoliere等[23]研究发现，在感觉神经元中给予SPR抑制剂可通过降低iNOS及nNOS的活性使BH4产生减少，大幅减轻了神经损伤引起的超敏反应，而不影响伤害性疼痛即小鼠正常的痛感不会消失。这些结果表明BH4途径参与了疼痛的发生，但其具体机制有待进一步研究。在1型糖尿病痛性神经病变患者中存在炎性状态[24]，且糖尿病神经性疼痛的炎症因子白细胞介素1β[25]与BH4的表达水平呈正相关，血清中巨噬细胞产生的炎性生物标志物新蝶呤(BH4途径的代谢产物)水平显著增加。虽然目前仍缺乏相关实验来证明BH4途径与糖尿病痛性神经病变的直接关联，但综上我们推论BH4途径对糖尿病痛性神经病变发生发展过程起着重要作用，可为其治疗提供新的策略，有望作为未来研究的重点及热点方向之一。

3.4糖尿病性胃轻瘫

糖尿病性胃轻瘫主要表现为胃肠道运动障碍和排空延迟[26,27]，而BH4缺乏导致的nNOS-一氧化氮-核因子E2相关因子2(NRF2)失调被认为是造成胃动力异常的主要原因[28]，因为一氧化氮的信号调控对于胃容受性舒张和幽门松弛的调控起着关键作用。Gangula等[29]研究结果表明，补充BH4可恢复糖尿病雌性大鼠nNOS-α蛋白活性及二聚体的表达、降低胃内压从而促进胃排空。该团队进一步研究发现外源性补充墨蝶呤可通过增加BH4补救合成途径关键酶DHFR的表达而抑制受损的胃nNOS-一氧化氮-NRF2信号通路，从而抑制高血糖诱导的nNOS-α介导的胃排空障碍[30]。以往研究表明NRF2可能通过糖原合成酶激酶3β的失活而被上调[28,31],Sampath等[32]研究发现在高脂饮食诱导的糖尿病雌性小鼠中，给予糖原合成酶激酶3β抑制剂可恢复NRF2的活性使得胃窦中DHFR蛋白、nNOS-α及二聚体的表达上升，从而减弱了高血糖诱导的nNOS-α介导的胃排空障碍，提示BH4及其生物合成可作为治疗糖尿病胃轻瘫的新靶点。

3.5糖尿病足

BH4缺乏使eNOS解偶联导致氧化应激和一氧化氮生成减少是糖尿病足发生发展的主要原因，因一氧化氮是介导伤口修复的关键，其水平降低使血管舒张功能受损，远端组织血液供应不足导致糖尿病足伤口延迟愈合。对伊朗人群的研究[33]发现，eNOSGlu2983As基因型中含有T等位基因的2型糖尿病患者发生糖尿病足的风险显著下降。eNOS可以严格控制内皮祖细胞(EPC)的动员和功能，EPC具有被募集到动脉损伤部位并促进血管生成的能力。Yan等[34]在糖尿病后肢缺血大鼠模型研究中发现，同时接受饮食补充BH4可使eNOS表达增多，并进一步提高血流量，减少后肢肌肉坏死的程度。如前所述，DHPR及GCH1为BH4合成途径的关键酶，本课题组前期研究发现，过表达DHPR可逆转糖尿病缺血性足部病变个体中eNOS解偶联相关的内皮功能障碍，改善血管阻力增加、后肢肌肉萎缩和侧支循环不良等病理变化[35]。同样，Tie等[36]研究发现，GCH1/BH4途径对维持1型糖尿病GCH1转基因小鼠伤口愈合过程中EPC的数量、功能和再生能力至关重要，可使一氧化氮水平显著升高的同时降低超氧阴离子及血小板反应蛋白1的水平，加快伤口愈合的速度并促进新生血管生成。近期Boykin等[37]的研究表示使用大剂量叶酸治疗可显著改善糖尿病足患者伤口愈合，与调节eNOS功能及促进一氧化氮生物利用度有关。据此推论，BH4对于治疗糖尿病足具有巨大潜力。

目前糖尿病慢性并发症仍缺乏有效的根治手段，患者生活质量不高，且常伴有焦虑、抑郁等精神症状，严重困扰患者的身心健康。综上所述，BH4在糖尿病慢性并发症的发生发展和治疗中具有重要作用，调节BH4代谢途径有望成为糖尿病慢性并发症新的治疗手段，甚至有望从根本上缓解疾病带来的疼痛，从而提高患者的生存质量。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突

文章来源：邓春霞,叶雅红,高凌.四氢生物蝶呤与糖尿病慢性并发症关系的研究进展[J].中国医药,2021,16(09):1427-1430.