肉碱缺乏症的研究进展

毕建成，安翠平(综述)，李宝全，许顺江(审校)(1.河北医科大学第一医院中心实验室，河北 石家庄 05001；2.河北省中医院检验科，河北 石家庄 050011；.河北省石家庄市第一医院(中心医院院区)检验科，河北 石家庄 050011)

·综述·

肉碱缺乏症的研究进展

毕建成1，2，安翠平3(综述)，李宝全3，许顺江1*(审校)
(1.河北医科大学第一医院中心实验室，河北 石家庄 050031；2.河北省中医院检验科，河北 石家庄 050011；3.河北省石家庄市第一医院(中心医院院区)检验科，河北 石家庄 050011)

肉碱；原发性肉碱缺乏症；继发性肉碱缺乏症；基因突变

10.3969/j.issn.1007-3205.2014.08.047

肉碱(carnitine)是一种小分子水溶性化合物，在能量产生和脂肪酸代谢方面具有重要作用，其广泛存在于动物源性食物中，但在植物源性食物中则含量比较少，人体内75%的肉碱来自于膳食[1]。在人体内左旋肉碱是具有生物活性的肉碱异构体，主要通过肠道上皮细胞膜进行主动转运或被动转运两种形式吸收。左旋肉碱的生物利用度可因食物组成成分的不同而变化，如食用低肉碱含量食物的素食者，其肉碱生物利用度(66%～86%)高于经常食用肉类食物的人群(54%～72%)[2]。人体内部分不能从食物中获得的内源性肉碱则主要由两种必需氨基酸——赖氨酸和甲硫氨酸在肝脏、肾脏和脑内合成[3]。心肌和骨骼肌内肉碱含量最高，但却不能自身合成，所以必须从血液里吸收。未被吸收的肉碱大部分由大肠内的微生物降解。体内近99%的肉碱位于细胞内，对糖代谢具有重要影响[3]。临床研究发现肉碱的吸收和调节异常涉及多种疾病，包括神经退行性疾病、糖尿病、外伤、营养不良、心肌病、肥胖等，甚至会影响到药物之间的相互作用[4]。现将肉碱在人体营养和疾病中的作用及肉碱缺乏性疾病的研究进展综述如下。

1 肉碱的生物合成与代谢

1.1 肉碱的生物合成：肉碱，作为一种支链非必需氨基酸，在体内由必需氨基酸——赖氨酸和甲硫氨酸合成，但需要抗坏血酸、二价铁离子、维生素B6和烟酸等辅助因子共同参与，其中任何一种物质缺乏均可导致肉碱合成障碍[4]。在哺乳动物，合成肉碱的唯一途径是利用结合蛋白的赖氨酸经过甲基化生成三甲基赖氨酸，然后再经过4个酶促反应形成内源性左旋肉碱。其中的关键酶之一是γ-丁基甜菜碱羟化酶，在心肌和骨骼肌细胞中缺乏表达，但在人肝脏、睾丸和肾脏等器官中高度表达[4]。素食者左旋肉碱的生物合成速率大约为1.2μmol·kg-1·d-1，而杂食者每天可摄取2～12μmol/kg，相当于体内肉碱来源的75%[5]。肾脏的重吸收和日常饮食中肉碱摄入量的变化都不会影响内源性肉碱的生物合成的速率。日常饮食来源的肉碱，其生物利用率只有14%～18%，未被吸收的肉碱主要由大肠内的微生物降解[5]。

1.2 肉碱的代谢途径：来自食物中摄入或经肝脏、肾脏合成的游离肉碱，首先进入血液，然后被运输至各组织的细胞外液，进入组织细胞内的肉碱含量由其各自的吸收能力所决定。血浆内乙酰化肉碱和游离肉碱的浓度处于一种动态平衡状态，而且二者之比≤0.4被认为是正常[6]。正常代谢过程中在细胞内形成乙酰化肉碱酯，长链乙酰化肉碱酯可以将脂肪酰基运输到线粒体内，在线粒体和过氧化物酶体内合成的短链和中链乙酰酯参与有机酸的清除。乙酰化左旋肉碱是主要的乙酰化肉碱酯，既参与细胞的合成代谢,也参与其分解代谢。

1.3 肉碱的生物学功能：肉碱在维持细胞跨膜能量平衡以及主要靠脂肪酸氧化供能的组织能量代谢中发挥重要作用，如心肌和骨骼肌。肉碱不仅在游离脂肪酸代谢方面发挥主要作用，同时也促进了碳水化合物的利用。心肌和骨骼肌对肉碱的摄入是通过逆浓度梯度的主动转运方式吸收的，并且具有饱和性[7]。

实验研究[8]表明在脂肪酸氧化过程中，将长链脂肪酸转运至线粒体内是限速步骤。在持续的低到中等强度运动过程中，脂肪酸的氧化将逐步提高，并且成为机体肌肉能量的主要来源。肉碱棕榈酰转移酶Ⅰ(carnitine palmitoyltransferase Ⅰ，CPT-Ⅰ)是脂肪酸氧化过程中的限速酶，在高强度运动时，体内肉碱水平的降低和酸中毒将减少脂肪酸的氧化供能。在体内缺少肉碱棕榈酰转移酶Ⅱ(carnitine palmitoyltransferase Ⅱ，CPT-Ⅱ)时，由于不能随运动量的加大而增加脂肪酸的氧化供能，将导致肌肉损伤。

肉碱参与了维持细胞的体积与内液的平衡，这种平衡受到细胞外环境张力(等张、高张、低张)的影响。资料显示尽管肉碱的浓度可以因生理和病理状态下渗透压的变化而有所波动，但却可以利用渗透压梯度来维持机体的能量供应[9]，如人们尝试应用非对称动力学原理调节生理状态下的渗透压，在滴眼液里加入一定量的左旋肉碱，通过增加角(结)膜上皮细胞对肉碱的摄入，调节细胞的渗透压，用以治疗干眼症，取得一定疗效[10]。

2 原发性肉碱缺乏症(primary carnitine deficiency syndromes，PCD)

2.1 PCD发病机制：尽管临床上有些患者很难严格诊断为原发性或继发性肉碱缺乏，但目前已报道几种明确的PCD[4]。PCD是一种少见的常染色体隐性遗传疾病，由于细胞膜上肉碱转运体OCTN2的表达缺陷导致肉碱摄入减少，从而影响到脂肪酸的氧化供能。肉碱转运体表达缺陷致使组织摄取肉碱持续减少，降低了心肌和骨骼肌内的肉碱贮存量，同时肾脏对游离肉碱的重吸收减少，大量肉碱由尿液排出，最终使体内肉碱严重减少甚至耗竭[11]。临床上PCD患者组织内肉碱浓度可下降至正常浓度的10%以下[12]。肉碱转运体活性的遗传性缺陷是目前已知的PCD惟一病因[13]。

2.2 PCD主要表现：PCD的发病率为1～5/万人，发病年龄多在1～7岁，其最常见的临床表现为低酮症低血糖性脑病，也可有心肌病的表现，致病基因为SLC22A5，目前已发现100多个突变位点[11]。PCD主要影响3种组织或器官，即心肌，表现为进展性心肌病；中枢神经系统，表现为低血糖低酮症脑病；骨骼肌，表现为肌肉疾病[14]。对于上述患者，临床补充左旋肉碱则是挽救生命的治疗。目前临床发现PCD主要出现在成人、婴幼儿和围生期3类人群，呈常染色体阴性遗传[11]。SLC22A5的不同位点突变引起的发病形式和严重程度也不同，因此，测定血浆内游离肉碱和总肉碱的含量对此类疾病的诊断尤其重要。

2.3 克罗恩氏病(Crohn′s disease)：克罗恩病患者肉碱转运体的突变包括发生在OCTN1(SLC22A4)编码区的错义突变和OCTN2(SLC22A5)基因启动子区域的突变[15]。这些突变导致热休克蛋白结合元件结构紊乱，引起OCTN1转运功能下降及OCTN2表达量降低，从而出现肉碱缺乏。这些突变呈现强烈的连锁不平衡，并产生两对等位基因单体型，由此增加了此种疾病的整体风险[16]。

3 继发性肉碱缺乏症(secondary carnitine deficiency,SCD)

3.1 SCD发病机制：由于体内有机酸的蓄积，继发性肉碱缺乏以肾脏通过尿液排泄乙酰化肉碱增多为特征[17]。引起SCD的原因通常包括肉碱流失增多、化学药物治疗、遗传性代谢性疾病的并发症、节食、肉碱吸收不良、游离肉碱经肾小管排泄增加(Fancony综合征)、血液透析、腹膜透析治疗以及酰基肉碱伴随某种药物排泄增加等[18]。据报道，目前至少有15种肉碱缺乏症是继发于某种中间代谢物的遗传缺陷或其他疾病。SCD患者体内有机酸的积累会引起乙酰化肉碱在尿液中的排泄更加增多，从而形成恶性循环[17]。

3.2 SCD主要表现：在临床上常见，并且短期内对身体不会造成严重影响。与PCD相比，SCD的发病通常与其他多种疾病或因素相关，如肝病、肾病、脂肪酸代谢缺陷或某些药物(青霉素和丙戊酸等)的应用[19]。临床SCD多见于伴有肉碱排泄增加的肾小管疾病和血液透析患者；透析患者由于没有足够的肉碱合成及通过透析膜的丢失过多，导致肉碱缺乏。在某些病例甚至引起肉碱耗竭并伴发酯化肉碱含量的相对增加。因此，临床补充左旋肉碱可以改善尿毒症患者的多种并发症，如改善心功能、提高患者的心功能储备、增加肌肉张力、恢复血压以及通过使红细胞内CPT活性恢复正常来减少促红细胞生成素抵抗引起的贫血等[20]。Argani等[20]报道血液透析患者每天口服500mg肉碱，连续2月，可以降低血浆三酰甘油和极低密度脂蛋白的水平，同时升高高密度脂蛋白和白蛋白的水平。

4 基因突变引起的继发性肉碱缺乏SCD

4.1 CPT-Ⅰ缺乏：研究[21-22]发现CPT-Ⅰ缺乏可以引起严重的脂肪酸代谢障碍，并已明确编码人类CPT-Ⅰ的DNA序列及cDNA的核苷酸序列，但人类CPT-Ⅰ基因突变与临床疾病的关系目前尚未见报道。

4.2 CPT-Ⅱ缺乏：成人CPT-Ⅱ缺乏症临床表现相对较轻，其症状加重大多由于高强度运动所诱发，多表现为肌无力等症状。围产期和婴幼儿的CPT-Ⅱ缺乏则涉及多器官损伤，以围产期发病的症状最为严重，病死率近100%[23]。肌肉CPT-Ⅱ缺乏临床最常见症状是运动诱发的肌肉疼痛，传统上认为该病临床上出现肌红蛋白尿，但有一项研究[4]发现大约21%的患者没有出现肌红蛋白尿。本病典型的临床表现为儿童期即出现肌肉疼痛，青春期或成年初期开始出现肌红蛋白尿。近来病例研究发现几个CPT-Ⅱ基因新的突变位点，患者具有常染色体隐性遗传疾病的独特表型[24]。1例仅有2d的新生儿由于严重的肝病和心肌病死亡，随后其妹妹也未能幸免。尸检发现哥哥死于大面积肺不张、肺泡内出血及心脏、肝脏的水肿；妹妹则死于因长链(C16-18)酰基肉碱的含量增高引起的呼吸心跳骤停，同时检测发现，其肝脏、心脏和肾脏的CPT-Ⅱ活性明显下降，最终死于新生儿CPT-Ⅱ缺乏[25]。

5 肉碱缺乏症的治疗

肉碱缺乏症的诊断一旦确立，首先要做一系列的检查进行基线评估，如用超声心动图检查有无心肌病，做心电图检查观察有无心律失常，还有检测肌酸激酶、转氨酶以及空腹血糖的浓度观察是否累及肌肉、肝功能或患有低血糖症[11]。自上世纪60年代以来，肉碱作为一种营养补充剂，临床一直用于治疗多种肉碱缺乏性疾病，从而纠正脂肪酸的氧化供能。提示从营养和药物角度补充肉碱并维持血液内正常肉碱水平可能对一些疾病有益[26]。

对于大部分健康人群，包括素食主义者，可以通过自身合成或者从饮食中获得足够的肉碱，因此，肉碱被认为是一种“条件性”必需营养素，在某种特定疾病状态下，个体对肉碱的需要量可能要高于饮食中的摄入量。左旋肉碱的吸收和生物利用度很低，在肾脏中的清除率较高，并且要通过主动转运的方式摄入组织中，因此，如果通过口服肉碱来提高血浆内肉碱浓度，每天通常的剂量在50～400mg/kg，分3次服用，确切的剂量需要根据血液内肉碱的水平做相应的调整[11]。通过静脉输入左旋肉碱可能会更有效，然而，一旦肉碱转运体功能饱和，在肾功能正常情况下，虽然95%的左旋肉碱经肾小球滤过，但过量的外源性左旋肉碱会被排泄掉。

作为普通的营养物质，肉碱的应用还存在许多分歧和争论。肉碱是一种天然化合物，口服剂量达到几克水平也不会产生毒性作用，因此，常常被推荐用于治疗PCD和SCD患者。但也有个别患者出现不良反应，如胃肠蠕动增强、腹泻、肠道不适等，一般减小剂量即可缓解[11]。一般来讲，肉碱可以很容易被排泄掉，机体对补充肉碱有很好的耐受性。来自动物实验和临床研究的证据均表明治疗性补充肉碱有益于机体健康[26]。

[1] ZHANG R,ZHANG H,ZHANG Z,et al.Neuroprotective effects of pre-treament with l-carnitine and acetyl-l-carnitine on ischemic injury in vivo and in vitro[J].Int J Mol Sci,2012,13(2):2078-2090.

[2] REUTER SE,EVANS AM.Carnitine and acylcarnitines: pharmacokinetic,pharmacological and clinical aspects[J].Clin Pharmacokinet,2012,51(9):553-572.

[3] CAVE MC,HURT RT,FRAZIER TH,et al.Obesity,inflammation,and the potential application of pharmaconutrition[J].Nutr Clin Pract,2008,23(1):16-34.

[4] FLANAGAN JL,SIMMONS PA,VEHIGE J,et al.Role of carnitine in disease[J].Nutr Metab (Lond),2010,7:30.

[5] REBOUCHE CJ.Kinetics,pharmacokinetics and regulation of L-carnitine and acetyl-L-carnitine metabolism[J].Ann N Y Acad Sci,2004,1033:30-41.

[6] BELLINGHIERI G,SANTORO D,CALVANI M,et al.Carnitine and hemodialysis[J].Am J Kidney Dis,2003,41(3 Suppl 1):S116-122.

[7] SRINIVAS SR,PRASAD PD,UMAPATHY NS,et al.Transport of butyryl-L-carnitine,a potential prodrug,via the carnitine transporter OCTN2 and the amino acid transporter ATB(0,+) [J].Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol,2007,293(5):G1046-1053.

[8] SAHLIN K,SALLSTEDT EK,BISHOP D,et al.Turning down lipid oxidation during heavy exercise--what is the mechanism? [J].J Physiol Pharmacol,2008,59(Suppl 7):19-30.

[9] NEBBIOSO M,EVANGELISTA M,LIBRANDO A,et al.Iatrogenic dry eye disease: an eledoisin/carnitine and osmolyte drops study[J].Biomed Pharmacother,2013,67(7):659-663.

[10] XU S,FLANAGAN JL,SIMMONS PA,et al.Transport of L-carnitine in human corneal and conjunctival epithelial cells[J].Mol Vis,2010,16:1823-1831.

[11] MAGOULAS PL,El-HATTAB AW.Systemic primary carnitine deficiency: an overview of clinical manifestations,diagnosis,and management[J].Orphanet J Rare Dis,2012,7:68.

[12] RASMUSSEN J,NIELSEN OW,JANZEN N,et al.Carnitine levels in 26,462 individuals from the nationwide screening program for primary carnitine deficiency in the Faroe Islands[J].J Inherit Metab Dis,2013[Epub ahead of print].

[13] KILIC M,OZGÜlL RK,COSKUN T,et al.Identification of mutations and evaluation of cardiomyopathy in Turkish patients with primary carnitine deficiency[J].JIMD Rep,2012,3:17-23.

[14] DE BOER L,KLUIJTMANS LA,MORAVA E.Primary carnitine (OCTN2) deficiency without neonatal carnitine deficiency[J].JIMD Rep,2013,10:39-40.

[15] GIRARDIN M,DIONNE S,GOYETTE P,et al.Expression and functional analysis of intestinal organic cation/L-carnitine transporter (OCTN) in Crohn's disease[J].J Crohns Colitis,2012,6(2):189-197.

[16] XUAN C,ZHANG BB,YANG T,et al.Association between OCTN1/2 gene polymorphisms (1672C-T,207G-C) and susceptibility of Crohn's disease: a meta-analysis[J].Int J Colorectal Dis,2012,27(1):11-19.

[17] RINALDO P,MATERN D,BENNETT MJ.Fatty acid oxidation disorders[J].Annu Rev Physiol,2002,64:477-502.

[18] WINTER SC.Treatment of carnitine deficiency[J].J Inherit Metab Dis,2003,26(2/3):171-180.

[19] REUTER SE,FAULL RJ,EVANS AM.L-carnitine supplementation in the dialysis population: are Australian patients missing out? [J].Nephrology (Carlton)，2008,13(1)：3-16.

[20] ARGANI H,RAHBANINOUBAR M,GHORBANIHAGIO A,et al.Effect of L-carnitine on the serum lipoproteins and HDL-C subclasses in hemodialysis patients[J].Nephron Clin Pract,2005,101(4):C174-179.

[21] YAMAZAKI N,MATSUO T,KURATA M,et al.Substitutions of three amino acids in human heart/muscle type carnitine palmitoyltransferase Ⅰ caused by single nucleotide polymorphisms[J].Biochem Genet,2008,46(1/2):54-63.

[22] HE L,KIM T,LONG Q,et al.Carnitine palmitoyltransferase-1b deficiency aggravates pressure overload-induced cardiac hypertrophy caused by lipotoxicity[J].Circulation,2012,126(14):1705-1716.

[23] ROE CR,YANG BZ,BRUNENGRABER H,et al.Carnitine palmitoyltransferase Ⅱ deficiency: successful anaplerotic diet therapy[J].Neurology,2008,71(4):260-264.

[24] ISACKSON PJ,SUTTON KA,HOSTETLER KY,et al.Novel mutations in the gene encoding very long-chain acyl-CoA dehydrogenase identified in patients with partial carnitine palmitoyltransferase Ⅱ deficiency[J].Muscle Nerve,2013,47(2):224-229.

[25] SEMBA S,YASUJIMA H,TAKANO T,et al.Autopsy case of the neonatal form of carnitine palmitoyltransferase-Ⅱ deficiency triggered by a novel disease-causing mutation del1737C[J].Pathol Int,2008,58(7):436-441.

[26] STANLEY CA.Carnitine deficiency disorders in children[J].Ann N Y Acad Sci,2004,1033:42-51.

(本文编辑：许卓文)

2013-11-18；

2013-12-24

河北省医学科学研究重点课题计划(20130136)

毕建成(1974-)，男，河北深泽人，河北医科大学第一医院检验师，医学学士，从事临床检验研究。

*通讯作者。E-mail:sjxu66@sina.com

R735.7

A

1007-3205(2014)08-0989-04