四氫生物蝶呤代謝紊亂導致血管內(nèi)皮功能障礙分子機制的研究進展

吳 磊 李曉強 曹鳳宏 李治國

(河北聯(lián)合大學附屬醫(yī)院泌尿外科，①醫(yī)學實驗研究中心 河北唐山 063000)

研究發(fā)現(xiàn)，許多疾病(高血壓、糖尿病、腎臟疾病等)中均存在血管內(nèi)皮功能障礙，而血管內(nèi)皮功能的異常在這些疾病的發(fā)生發(fā)展中起到重要作用[1]。四氫生物蝶呤(tetrahydrobiopterin，BH4)是內(nèi)皮細胞一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)的必需輔因子。內(nèi)皮細胞中BH4含量與一氧化氮(nitric oxide，NO)含量不匹配時，會導致eNOS解偶聯(lián)造成NO的合成障礙[2]，而產(chǎn)生大量活性氧，成為血管內(nèi)皮功能障礙的發(fā)病機制。另外，BH4也是苯丙氨酸等芳香族氨基酸羥化酶的輔酶，而芳香族氨基酸羥化酶是幾種神經(jīng)遞質(zhì)(5－羥色胺、多巴胺)合成的關鍵酶，這些神經(jīng)遞質(zhì)均能影響血管內(nèi)皮功能。值得注意的是BH4自身也有較強的還原性，使得其可以減弱內(nèi)皮細胞中的氧化應激，緩解內(nèi)皮功能障礙。通過補充外源性BH4或扭轉內(nèi)生性BH4含量的治療方法可減少或者扭轉血管內(nèi)皮功能障礙[3]。

1 BH4的合成與代謝

四氫生物蝶呤在體內(nèi)的水平由合成代謝、氧化代謝及循環(huán)再生的速度共同決定。在體內(nèi)合成途徑分為從頭合成和補救合成兩種，前者是人體在正常生理狀態(tài)下以三磷酸鳥苷(guanosine triphosphate，GTP)為原料經(jīng)過四步酶促反應而完成，在這個途徑中鳥苷三磷酸環(huán)化水解酶I(GTP cyclohydrolase I，GTPCH I)是BH4生物合成的限速酶。補救合成途徑是人體在病理情況下以墨蝶呤為底物，由墨蝶呤還原酶(sepiapterin reductase，SR)催化合成[4]。合成的BH4可以作為芳香族氨基酸羥化酶的輔酶，被氧化成BH4－4α－甲醇胺。BH4－4α－甲醇胺能夠被蝶呤4а－甲醇胺甲醇脫氫酶(pterin－4a－carbinolamine dehydratase，PCD)還原成醌式二氫蝶呤(quinonoid dihydrobiopterin，qBH2)。另外，BH4是潛在還原劑，能被活性氧、亞硝酸鹽直接氧化成qBH2。qBH2在體內(nèi)可以被醌式二氫蝶呤還原酶還原成為BH4，完成再生供循環(huán)使用。qBH2不穩(wěn)定，如果不能被及時地還原，分子將發(fā)生重排形成二氫蝶呤(7，8 － dihydrobiopterin，BH2)[5]，BH2不能被DHPR所還原，能被二氫葉酸還原酶(dihydrofolate reductase，DHFR)還原成BH4。但DHFR的活性較弱，在生理狀況下只有大約1/3的BH2能夠被還原[6]。BH4的代謝過程可見圖1。

2 BH4代謝紊亂導致血管內(nèi)皮功能障礙分子機制

2.1 通過NO及活性氧的生成影響血管內(nèi)皮功能 血管內(nèi)皮功能異常主要與NO減少以及氧自由基增加相關[7]，而BH4在調(diào)節(jié)NO生成和氧自由基產(chǎn)生兩方面均起著重要作用。一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)有三種同功酶，分為內(nèi)皮型一氧化氮合酶(eNOS)、神經(jīng)元型一氧化氮合酶(neuronal nitric oxide synthase，nNOS)和誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)，它們在血管內(nèi)皮細胞中均有表達。BH4是所有NOS同功酶的輔因子，具有穩(wěn)定NOS結構、穩(wěn)定NOS活性二聚體、增加L－精氨酸和NOS結合力等作用，BH4還可直接影響NO和超氧陰離子的產(chǎn)生。當BH4含量充足時，NOS接受并儲存來自NADPH的電子，在底物L－精氨酸和O2存在時，NOS將電子轉運給L－精氨酸而使后者被氧化成L－胍氨酸，同時伴隨NO產(chǎn)生;當BH4水平不足時，激活的NOS不能催化L－精氨酸氧化生成L－胍氨酸和NO，但是NOS仍然能夠接受來自蛋白二硫化物還原酶(Protein－disulfide reductase，NADPH)的電子并將電子儲存在與其相結合的四羥酮醇中，然后再將電子傳遞給另一底物氧氣，導致主要的終產(chǎn)物是超氧陰離子，而不是NO，此過程稱作NOS脫偶聯(lián)。NOS脫偶聯(lián)所產(chǎn)生的超氧陰離子能迅速與NO結合，消耗NO并生成毒性更強的過氧化亞硝基，后者又能迅速將BH4氧化，導致BH4進一步減少，從而形成惡性循環(huán)?？傊珺H4缺乏時，NOS脫偶聯(lián)，NO產(chǎn)生減少，而主要產(chǎn)生超氧陰離子，從而導致血管內(nèi)皮功能障礙。

圖1 BH4的代謝過程

2.2 依靠自身還原性對抗氧化應激影響血管內(nèi)皮功能 BH4本身具有很強的還原性，有清除氧化性物質(zhì)，減少組織、細胞的氧化損傷作用，保護血管內(nèi)皮功能。國內(nèi)有學者在進行BH4抗心肌缺血再灌注損傷的研究時，發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細胞內(nèi)BH4的抗氧自由基作用值得肯定[8]。因此，BH4缺乏很可能直接影響氧自由基的清除，不利于保護內(nèi)皮細胞。

2.3 其他途徑對血管內(nèi)皮功能的影響 BH4是苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸等芳香氨基酸在羥化過程中所必需的共同輔酶，正常生理狀態(tài)下，苯丙氨酸可通過一系列反應轉化為酪氨酸，酪氨酸轉化為多巴胺(Dopamine，DA)，色氨酸可轉化為5－羥色胺(5－h(huán)ydroxytryptamine，5－HTA)，BH4的缺乏使上述過程發(fā)生障礙，造成DA與5－HTA合成減少及苯丙氨酸的蓄積。

2.3.1 5－HTA。5－HTA是人體重要的神經(jīng)體液激素，分布于全身。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和周圍組織中起著多種生理作用，如對心血管、呼吸、體溫、睡眠、攝食行為、情緒反應、下丘腦神經(jīng)激素分泌和平滑肌張力的調(diào)節(jié)[9]。5－HTA可以通過對神經(jīng)節(jié)前5－HTA能受體的激活、刺激β－腎上腺素能受體合成前列環(huán)素等途徑擴張血管。同時，5－HTA也可通過激活血管壁上α－腎上腺能受體、釋放去甲腎上腺素和激活腎素－血管緊張素－醛固酮系統(tǒng)，促進血管緊張素Ⅱ釋放等作用機制收縮血管。不難看出5－HTA可在血管中同時起到內(nèi)皮依賴性血管擴張作用和對血管平滑肌直接收縮的作用，其平衡決定了血管內(nèi)皮的病理生理反應狀態(tài)[10]。作為5－HTA合成過程中的必需物質(zhì)，BH4生理量的降低直接導致體內(nèi)5－HTA含量的減少，打破血管收縮與擴張的平衡，引起血管內(nèi)皮功能障礙。

2.3.2 苯丙氨酸。BH4可通過影響體內(nèi)苯丙氨酸的含量進而對BH4缺乏患者腦血管內(nèi)皮產(chǎn)生影響。體內(nèi)的苯丙氨酸主要代謝途徑是通過苯丙氨酸羥化酶(phenylalanine hydroxylase，pah)作用轉變?yōu)槔野彼?，而pah發(fā)揮作用需要BH4作為輔酶，BH4生理量下降會導致苯丙氨酸正常代謝途徑的障礙，而旁路代謝產(chǎn)物苯丙酮酸、苯乙酸及苯乳酸顯著增加，引起腦損傷，而腦微循環(huán)障礙是腦損傷后主要病理生理學基礎之一[11]。致病因素有:① Jacob J M等[12]研究表明成年鼠腦血管內(nèi)皮細胞無NOS表達，老年鼠有表達，神經(jīng)損傷后不同時間段誘導型NOS(iNOS)表達均增高。說明年齡和神經(jīng)損傷對iNOS上調(diào)起重要作用。Cobbs CS等[13]測得中度腦損傷后24h腦微血管內(nèi)皮細胞NOS下降，可導致微血管充血和破壞血腦屏障。②前列腺環(huán)素主要由內(nèi)皮細胞生成，有強力擴血管及抗血小板凝集作用。可通過擴張血管，輸送更多的能量至損傷組織，參與創(chuàng)傷愈合而對腦起保護作用。有研究表明，嚴重腦損傷時，腦血流量或所需底物供給障礙，血管內(nèi)皮細胞合成前列腺環(huán)素受阻，其保護作用未能表達。并且前列腺環(huán)素已應用于靶向治療重度顱腦損傷[14]。③內(nèi)皮素是已發(fā)現(xiàn)的具有很強縮血管作用的多肽類血管活性物質(zhì)[15]。顱腦損傷后常有腦缺血存在，且有血漿和腦脊液ET含量升高。傷后ET含量迅速升高，與腦血管內(nèi)皮細胞上調(diào)的ETA結合，使腦血流量下降，致腦缺血。④血栓素A2(TXA2)是由腦血管內(nèi)皮細胞經(jīng)血栓素合成酶合成和釋放，其對腦血管產(chǎn)生收縮作用，還明顯地參與并介導去甲腎上腺素和三磷酸腺苷的縮血管效應。Marmarou等[16]報告顱腦損傷后檢測TXA2的代謝產(chǎn)物TXB2明顯增高，間接反映腦血管內(nèi)皮細胞TXA2表達增高。組織學證實TXB2明顯增高會加重繼發(fā)性顱腦損害[17]。另外，內(nèi)皮細胞收縮因子、ICAM－1、熱休克蛋白等均參與腦損傷后腦血管的發(fā)病。由此可見，BH4含量的降低可間接導致BH4缺乏患者腦血管損傷，進而引起內(nèi)皮功能障礙。

2.3.3 DA。DA是一種神經(jīng)傳導物質(zhì)，在下丘腦和腦垂體腺中起重要作用，具有影響人的情緒、提高興奮性等功能。在外周主要對心血管產(chǎn)生作用。少量DA主要興奮多巴胺D1受體，使血管舒張，血流量增加。中等量的DA可興奮多巴胺D1和β受體，使心率、心肌收縮力和心輸出量增加。同時，皮膚和黏膜血管收縮，腸系膜和冠狀動脈擴張，血流增加，血壓和總外周阻力升高或不變。大量DA作用于外周組織，使血壓和外周總阻力增加，腎血流降低，尿量減少。另外，DA也是去甲腎上腺素的前體物質(zhì)，去甲腎上腺素對心血管系統(tǒng)也具有重要的調(diào)節(jié)作用。人體內(nèi)，DA等兒茶酚胺主要由腎上腺髓質(zhì)合成，內(nèi)皮細胞也會合成和釋放一部分兒茶酚胺來維持血管生理的穩(wěn)定[18]。因此，BH4生理量的異?？蓪е翫A及去甲腎上腺素量的紊亂，進而引起血管內(nèi)皮細胞功能障礙。

3 小結與展望

綜上所述，BH4可通過多種途徑對人體血管內(nèi)皮功能產(chǎn)生影響。大量的研究也已經(jīng)證明了BH4與心血管疾病存在密切的關系。隨著研究工作的進一步深入，必將為通過干擾BH4代謝途徑治療心血管系統(tǒng)疾病提供更多的信息。另外NO代謝紊亂、氧化應激、神經(jīng)遞質(zhì)代謝異常是多種疾病的共同通路，BH4代謝紊亂在這些疾病中的作用值得深入探討。

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