犬尿氨酸途径与2型糖尿病的相关性研究进展*

2019-01-10唐悦恒

中国病理生理杂志 2019年10期

唐悦恒，董慧

(华中科技大学同济医学院附属同济医院中西医结合研究所，湖北武汉 430030)

糖尿病是一种以高血糖为特征的代谢性疾病，其中95%以上为2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)。据国际糖尿病联盟(International Diabetes Federation，IDF)报告，2017年全球约4.25亿成人患糖尿病，预计在2045年将达至6.29亿人。我国约有1.14亿的成人糖尿病患者，是世界上糖尿病患者人数最多的国家，患病率高达10.9%，已成为严重的公共卫生问题[1]。犬尿氨酸途径(kynurenine pathway，KP)是体内色氨酸(tryptophan，Trp)代谢的主要途径，KP的激活与神经精神性疾病、免疫性疾病和心血管疾病的关系已经得到认同，但是与T2DM的关联研究却很少。最近的代谢组学筛选已经确定色氨酸代谢物是T2DM发展的潜在生物介质[2]。KP与炎症反应之间的关系被认为参与了糖尿病等多种疾病的发生[3]。本文综述了KP的主要构成及其与T2DM之间的相关性，为KP作为防治T2DM的治疗靶点提供参考。本文主要英文缩写的中英文对照见表1。

1 KP简介

Trp是一种必需的氨基酸，只有通过饮食才能获得[4]。体内Trp主要通过2条途径代谢：大约1%～2%游离色氨酸通过5-羟色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)途径转化为5-HT和褪黑素(melatonin)，参与中枢神经系统的适应性反应并控制昼夜节律[5]；另外，大约有95%的Trp通过KP降解为犬尿氨酸(kynurenine, Kyn)，参与炎症反应和免疫反应。

具体来说，首先Trp被降解为Kyn，Kyn进一步的分解主要通过2种途径：(1)大部分由犬尿氨酸单加氧酶(kynurenine monooxylase，KMO)代谢为3-羟基犬尿氨酸(3-hydroxykynurenine，3-HK)，之后经犬尿氨酸酶(kynureninase，Kase)降解为3-羟基邻氨基苯甲酸(3-hydroxyanthranilic acid，3-HAA)或经犬尿氨酸氨基转移酶(kynurenine aminotransferases，KATs)降解为黄嘌呤酸(xanthurenic acid，XA)，3-HAA最终由3-羟基邻氨基苯甲酸氧化酶(3-hydroxyanthra-3,4 dioxygenase, 3-HAO)分解为喹啉酸(quinolinic acid，QUIN)、吡啶酸(picolinic acid，PA)、烟酸、NAD+和其他活性分子等；(2)少部分由Kase代谢为邻氨基苯甲酸(anthranilic acid，AA)，或被KATs代谢成犬尿烯酸(kynurenic acid，KYNA)[6]。

KP受2种限速酶的调节：肝脏中的色氨酸2，3-双加氧酶(tryptophan-2,3-dioxygenase，TDO)控制血液中的Trp水平，而肝外组织中的吲哚胺2，3-双加氧酶(indoleamine-2,3-dioxygenase，IDO)则被认为在炎症反应中局部调节细胞外Trp水平。当机体处于炎症或应激状态时，肝内TDO活性被抑制而肝外IDO被活化，使色氨酸代谢转移至肝外系统中进行。

Kyn被认为是人类芳香烃受体(aryl hydrocarbon receptor，AHR)的内源性配体，参与免疫反应[4]，其代谢产物KYNA是一种神经活性化合物，是唯一已知的特定作用于N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR)的内源性拮抗剂，也是α7-烟碱乙酰胆碱受体(a7-nicotine acetylcholine receptor,nAChRα7)的拮抗剂[7]，它对G蛋白偶联受体35(G-protein coupled receptor 35，GPR35)和AHR的作用提示该化合物具有重要而直接的免疫调节作用[4]。此外，KYNA可通过血脑屏障发挥神经保护作用从而改善帕金森氏病(Parkinson’s disease，PD)症状，还可促进β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein，Aβ)降解治疗阿尔兹海默病(Alzheimer’s disease，AD)[8]。与此相反，QUIN可激活星形胶质细胞的NMDAR，增加细胞内钙离子含量诱发兴奋性毒性作用，引起细胞功能障碍和死亡[9]，从而导致AD、PD和精神分裂症等的发病。而3-HK也可通过产生自由基引发一系列毒性反应，提高氧化应激水平引起神经细胞凋亡[10]，参与神经精神疾病的发病。

2 影响KP的因素

2.1应激和炎症 KP的2大限速酶IDO和TDO受应激状态和炎症的调节。文献表明，慢性应激和/或低度炎症导致KP通路激活，随后过度产生下游代谢产物如Kyn等，最终引起糖尿病的发生[11]。Rubin等[12]的研究发现，应激条件下，激素通过激活皮质醇使TDO活化来增加Kyn的产生。干扰素 γ(interferon-γ，IFN-γ)在多种免疫细胞中转录诱导IDO活化，是目前已知的IDO的最强诱导剂。因此，Kyn产生的增加可能是皮质醇活化TDO和IFN-γ活化IDO共同作用的结果。此外，肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)在增加IDO的活性的同时也可增强IFN-γ诱导的IDO表达[13]。IFN-α对IDO的活化作用较弱，但可能通过刺激IFN-γ和TNF-α提高IDO活性[14]。Liebau等[15]及Kwidzinski等[16]的研究发现，其它促炎分子如白细胞介素-1((interleukin-1，IL-1)、IL-12、IL-18及前列腺素E2(prostaglandin E2，PGE2)均可以与IFN-γ协同诱导IDO活性增加。

2.2维生素和矿物质缺乏许多证据已经证明，KP对许多维生素浓度的变化很敏感，它们在色氨酸代谢过程中起辅助因子和辅酶的作用[17]。如活性形式的维生素B6被认为是参与Trp代谢的最关键的维生素，影响色氨酸羟化酶、KATs和Kase的活性；维生素B2缺乏导致黄素腺嘌呤二核苷酸依赖性酶和KMO的活性降低[18]；此外，KP中的酶对于许多矿物质也具有高度敏感性[19]，如Mn2+、Zn2+、Co2+和Cu2+影响Kase活性，Mg2+调节喹啉磷酸核糖基转移酶活性，Fe2+调节IDO和3-羟基邻氨基苯甲酸双加氧酶的正常功能[18]。因此，某些维生素及矿物质的缺乏可能引起色氨酸代谢紊乱并最终导致疾病。

2.3衰老研究发现，反映色氨酸降解率的犬尿氨酸/色氨酸比值(kynurenine：tryptophan ratio，KTR)在老年人中有所增加[20]，这可能是由于衰老引起的慢性炎症诱发的IDO的激活和/或与年龄相关的皮质醇的升高所致。目前对老年实验动物的血浆Trp分布研究较少，但已有大量研究表明老年人的血浆Trp水平相对较低，然而对于衰老引起的Trp变化是否都会对KP产生影响尚不确定[21]。衰老对于TDO活性的影响同样不确定：老年大鼠肝脏TDO活性较低，但大脑5-HT并没有像预期一样增加[22]。此外，IFN-γ的活性随着年龄的增加而增加，由于IFN-γ可以激活IDO，因此可以推测老龄大鼠IDO活性也升高。

2.4运动有研究表明，大鼠血浆游离Trp在运动后升高，从而增加了色氨酸在大脑中的利用率，可能对大脑KP产生影响[23]。此外，运动所产生的去甲肾上腺素、血浆催乳素、生长激素、促肾上腺皮质激素和皮质醇等激素的变化都可能对免疫系统产生影响并进而影响IDO的活性。Viru等[24]报告了长时间运动后的大鼠(游泳超过8 h)TDO活性降低，皮质酮含量也降低。Ito等[25]也发现，大鼠每天运动1 h后巨噬细胞的IDO活性增强。

2.5肥胖肥胖是胰岛素抵抗发展的一个主要危险因素，人类肥胖的特征是白色脂肪组织慢性低度炎症，释放包括Kyn在内的许多炎症介质[26]。Song等[27]研究发现，肥胖妇女大网膜脂肪组织IDO1、大尿氨酸转氨酶Ⅲ、KMO和Kase的表达均显著高于对照组，且皮下脂肪组织中Kase亦显著高于对照组。Favennec等[28]观察到在体重指数(body mass index，BMI)较高的个体中，血清Kyn水平和KTR升高，此外，血尿酸水平、KYNA水平和QUIN水平也与BMI呈正相关。

2.6肠道菌群肠道微生物直接或间接调节KP和5-HT途径。肠道菌群与炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)、肠易激综合征(irritable bowel syndrome，IBS)和神经精神疾病等均有相关性，而在这些疾病中色氨酸代谢途径都有变化[28]。在IBD患者肠道局部及全身都可观察到IDO1的过度激活[29]，此外，IDO1-/-小鼠更易患结肠炎，表明KP的改变可能参与IBD的发病[30]。IBS患者血清中Kyn升高，外周IDO1活性与IBS严重程度呈正相关[31]，这表明Trp代谢受损可能与IBS的发病有关。一些肠道细菌编码与真核生物KP相同的酶，能够产生Kyn和下游代谢物，如具有神经毒性效应的3-HAA[32]。近年来的研究表明，自闭症谱系障碍(autism spectrum disorder，ASD)的发病与肠道微生物群的改变有关，表现出Trp代谢改变。

3 KP异常影响胰岛功能

T2DM的慢性炎症也可发生在胰岛组织，炎症细胞因子可以激活胰岛组织局部IDO的活性，导致KP上调。Liu等[33]的实验研究数据显示，大部分犬尿氨酸途径基因在β细胞和非β细胞中都有表达，而表达水平有很大差异；IDO1和KMO表达分别被促炎症细胞因子(IFN-γ，IL-1β)和葡萄糖的高糖毒性所激活，在β细胞中的表达比在非β细胞中的表达更显著。与此结论一致的是，代谢组学研究结果表明，缺氧和炎症引起的人类胰岛最显著的变化是增加了Kyn和KYNA的产生[34]。

KP在胰岛中的生物学作用尚不清楚，Polyzos等[35]的研究显示，腺病毒介导的IDO在移植非肥胖型糖尿病患者(non obese diabetic，NOD)胰岛中的表达，延长了接受致糖尿病脾细胞的NOD/严重联合免疫缺陷(severe combined immunodeficiency，SCID)受体的存活时间，提示激活胰岛KP有免疫耐受作用，这可能是局部色氨酸耗竭，3-HK、3-HAA、QUIN和PA增加，共同抑制免疫细胞的功能所致。KP代谢产物的急性效应可能与β细胞表达的已知特异性受体有关，有研究发现AHR、GPR35、NMDAR和nAChRα7在正常大鼠胰岛、正常大鼠β细胞和INS-1细胞中均有显著表达；急性暴露于犬尿氨酸会增加葡萄糖刺激的胰岛素分泌。因此，胰岛β细胞是一个在炎症和葡萄糖高糖毒性下KP激活的靶组织[33]。此外，Okamoto[36]的研究表明Kyn、KYNA及其衍生物对胰岛素生物合成/活性具有损害作用。

XA亦可通过影响胰岛功能诱发大鼠实验性糖尿病，其可能机制包括：与胰岛素形成XA-In，这是一种与胰岛素没有明显区别但活性比胰岛素低约50%的鳌合复合物；在β细胞中形成对离体胰岛素有毒性作用的Zn2+-胰岛素复合物；抑制大鼠胰岛素的释放[37]。对于糖尿病状态下胰腺KP的激活及其与胰岛细胞功能改变的关系，Liu等[4]证实在自发糖尿病GK大鼠的孤立胰岛存在犬尿氨酸通路基因如IDO1的激活，但具体的联系还需要更进一步的研究。

4 KP异常与胰岛素抵抗(insulin resistance，IR)

KP的一些血浆代谢产物已被证明与IR和代谢综合征的其它表型相关。Muzik等[38]观察到IR患者在出现明显的高血糖之前，KP已经上调，IR的严重程度与大脑和胰腺中KP代谢产物浓度有关。Yu等[39]研究发现，基线Trp代谢产物水平及其1年变化预测了胰岛素抵抗指数的变化，即与胰岛素抵抗的高风险呈正相关。这些数据进一步支持IR及其进展到T2DM的“犬尿氨酸假说”。此外，Mudry等[40]的研究表明T2DM患者骨骼肌中KAT1和KAT2的mRNA表达中度降低。KYNA还通过激活GPR35 来调节脂肪组织能量平衡，GPR35刺激脂肪组织的脂质代谢、产热和抗炎基因的表达，这抑制了高脂喂养动物的体重增加，同时提高了糖耐量[41]。血浆中Kyn及其代谢物在外周的波动直接影响大脑KP，并潜在地影响控制外周葡萄糖水平的大脑调节机制[38]。研究表明，即使大脑KYNA水平轻度升高也会导致细胞外谷氨酸和多巴胺水平迅速下降，从而对多巴胺能神经元的放电频率产生影响最终干扰葡萄糖调节网络[42]。

5 糖尿病存在KP异常

已发现色氨酸代谢紊乱与IR和糖尿病风险密切相关。Kyn、KYNA和XA均参与了T2DM的发病机制[28, 43]。在对冠心病患者的前瞻性研究中，尿液中的KTR是发生T2DM的一个强有力的预测因子[44]。横断面研究表明，与健康个体相比，T2DM患者的KTR升高，糖尿病肾病患者的血浆KTR水平更高[45]。此外，Yu等[39]的病例对照研究也发现，基础Trp和QUIN 1年的增加与T2DM事件呈正相关。

在自发性糖尿病的Torii大鼠模型中，Trp和Kyn的减少被认为是糖尿病前期状态的生物标记物[3]。慢性应激和低度炎症是糖尿病前期状态向糖尿病过渡的主要危险因素：它们可以通过激活TDO/IDO和减少吡哆醛-5-磷酸(pyridoxal 5-phosphate, P5P；许多KP酶所必需的辅助因子)的有效性，使Trp代谢的平衡向Kyn、3-HK和KYNA倾斜[46]。Matsuoka等[2]也观察到部分T2DM患者血浆Trp水平降低，KYNA、XA、3-HK和3-HAA水平升高，提示这些患者的KP上调。

6 KP异常与糖尿病并发症

6.1糖尿病肾病(diabetic kidney disease，DKD) DKD 作为糖尿病最主要的并发症之一，其发病率在世界范围内逐渐增加。在免疫过程中发挥关键作用的IDO的表达可能受炎症和内质网应激的调节，从而参与2型糖尿病肾病的发病机制。Baban等[47]的研究还发现，2型糖尿病肾病小鼠肾组织中(特别是在肾小球)IDO活性显著高于正常小鼠。同样，Zhang等[45]的实验结果表明，2型糖尿病患者的IDO活性明显高于正常人和隐匿性肾小球肾炎患者，但明显低于维持性血液透析(maintenance hemodialysis, MHD)患者。血液透析可显著提高MHD患者的IDO活性，增加IDO对适应性免疫的抑制作用。糖尿病肾脏IDO的上调，可能是由于抑制免疫和炎症机制的内源性通路上调，从而抑制炎症和限制组织损伤[45]。

6.2糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy，DR) 糖尿病视网膜病变是获得性失明的主要原因之一，已证实Kyn和IDO在各种病理条件下参与DR的发生发展[43]。Munipally等[48]的研究发现非增生性糖尿病视网膜病变患者IDO表达增加，Kyn、KYNA及3-HK水平升高，这种变化在增生性糖尿病视网膜病变中更明显。这些结果提示IDO和Trp代谢产物可能与DR存在关联。

7 调节KP异常治疗糖尿病

如前所述，KP异常与T2DM的发生发展密切相关，因此改善KP异常对于T2DM的研究和防治具有重要意义。然而，目前调节KP异常的研究还不够深入。

运动可以通过上调过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR)共激活因子1 α1(peroxisome proliferator-activated receptor coactivator 1-α1，PGC-1α1)介导的骨骼肌KAT的表达来增强KAT活性[40]，使骨骼肌中的KP向产生KYNA的方向转移，从而降低血液和中枢神经系统中的Kyn水平。因此，调节PGC-1α1-PPAR的活化可能成为调节KP的一种新的治疗手段。

此外，Agudelo等[41]报道KYNA可通过激活GPR35来增加能量利用以提高糖耐量，是治疗KP异常诱导的T2DM的一种潜在手段。如前所述，体内B族维生素和矿物质含量以及膳食色氨酸摄入量都会影响KP，因此通过饮食诱导或许也能成为调节KP异常的方法。

虽然IDO的活性受应激状态和(或)炎症的影响，但已有研究表明，IDO直接抑制剂1-MT、IDO活性间接抑制剂MINO和非甾体抗炎药IBU等治疗只能起到抗抑郁作用而不能改变患糖尿病大鼠体重增加减少和高血糖的情况[49]。

中药治疗或许也能成为改善KP异常的突破口。应用逍遥散等中药复方已被证明能通过提高Kyn和QUIN的含量治疗大鼠的抑郁症状[50]，但是否能通过改善KP异常对糖尿病的治疗起到积极作用还需要进一步研究。