犬尿氨酸途徑與2型糖尿病的相關(guān)性研究進(jìn)展*

唐悅恒， 董 慧

(華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院中西醫(yī)結(jié)合研究所， 湖北 武漢 430030)

糖尿病是一種以高血糖為特征的代謝性疾病，其中95%以上為2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)。據(jù)國際糖尿病聯(lián)盟(International Diabetes Federation，IDF)報(bào)告，2017年全球約4.25億成人患糖尿病，預(yù)計(jì)在2045年將達(dá)至6.29億人。我國約有1.14億的成人糖尿病患者，是世界上糖尿病患者人數(shù)最多的國家，患病率高達(dá)10.9%，已成為嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題[1]。犬尿氨酸途徑(kynurenine pathway，KP)是體內(nèi)色氨酸(tryptophan，Trp)代謝的主要途徑，KP的激活與神經(jīng)精神性疾病、免疫性疾病和心血管疾病的關(guān)系已經(jīng)得到認(rèn)同，但是與T2DM的關(guān)聯(lián)研究卻很少。最近的代謝組學(xué)篩選已經(jīng)確定色氨酸代謝物是T2DM發(fā)展的潛在生物介質(zhì)[2]。KP與炎癥反應(yīng)之間的關(guān)系被認(rèn)為參與了糖尿病等多種疾病的發(fā)生[3]。本文綜述了KP的主要構(gòu)成及其與T2DM之間的相關(guān)性，為KP作為防治T2DM的治療靶點(diǎn)提供參考。本文主要英文縮寫的中英文對(duì)照見表1。

1 KP簡介

Trp是一種必需的氨基酸，只有通過飲食才能獲得[4]。體內(nèi)Trp主要通過2條途徑代謝：大約1%～2%游離色氨酸通過5-羥色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)途徑轉(zhuǎn)化為5-HT和褪黑素(melatonin)，參與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的適應(yīng)性反應(yīng)并控制晝夜節(jié)律[5]；另外，大約有95%的Trp通過KP降解為犬尿氨酸(kynurenine, Kyn)，參與炎癥反應(yīng)和免疫反應(yīng)。

具體來說，首先Trp被降解為Kyn，Kyn進(jìn)一步的分解主要通過2種途徑：(1)大部分由犬尿氨酸單加氧酶(kynurenine monooxylase，KMO)代謝為3-羥基犬尿氨酸(3-hydroxykynurenine，3-HK)，之后經(jīng)犬尿氨酸酶(kynureninase，Kase)降解為3-羥基鄰氨基苯甲酸(3-hydroxyanthranilic acid，3-HAA)或經(jīng)犬尿氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(kynurenine aminotransferases，KATs)降解為黃嘌呤酸(xanthurenic acid，XA)，3-HAA最終由3-羥基鄰氨基苯甲酸氧化酶(3-hydroxyanthra-3,4 dioxygenase, 3-HAO)分解為喹啉酸(quinolinic acid，QUIN)、吡啶酸(picolinic acid，PA)、煙酸、NAD+和其他活性分子等；(2)少部分由Kase代謝為鄰氨基苯甲酸(anthranilic acid，AA)，或被KATs代謝成犬尿烯酸(kynurenic acid，KYNA)[6]。

KP受2種限速酶的調(diào)節(jié)：肝臟中的色氨酸2，3-雙加氧酶(tryptophan-2,3-dioxygenase，TDO)控制血液中的Trp水平，而肝外組織中的吲哚胺2，3-雙加氧酶(indoleamine-2,3-dioxygenase，IDO)則被認(rèn)為在炎癥反應(yīng)中局部調(diào)節(jié)細(xì)胞外Trp水平。當(dāng)機(jī)體處于炎癥或應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，肝內(nèi)TDO活性被抑制而肝外IDO被活化，使色氨酸代謝轉(zhuǎn)移至肝外系統(tǒng)中進(jìn)行。

Kyn被認(rèn)為是人類芳香烴受體(aryl hydrocarbon receptor，AHR)的內(nèi)源性配體，參與免疫反應(yīng)[4]，其代謝產(chǎn)物KYNA是一種神經(jīng)活性化合物，是唯一已知的特定作用于N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR)的內(nèi)源性拮抗劑，也是α7-煙堿乙酰膽堿受體(a7-nicotine acetylcholine receptor,nAChRα7)的拮抗劑[7]，它對(duì)G蛋白偶聯(lián)受體35(G-protein coupled receptor 35，GPR35)和AHR的作用提示該化合物具有重要而直接的免疫調(diào)節(jié)作用[4]。此外，KYNA可通過血腦屏障發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用從而改善帕金森氏病(Parkinson’s disease，PD)癥狀，還可促進(jìn)β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)降解治療阿爾茲海默病(Alzheimer’s disease，AD)[8]。與此相反，QUIN可激活星形膠質(zhì)細(xì)胞的NMDAR，增加細(xì)胞內(nèi)鈣離子含量誘發(fā)興奮性毒性作用，引起細(xì)胞功能障礙和死亡[9]，從而導(dǎo)致AD、PD和精神分裂癥等的發(fā)病。而3-HK也可通過產(chǎn)生自由基引發(fā)一系列毒性反應(yīng)，提高氧化應(yīng)激水平引起神經(jīng)細(xì)胞凋亡[10]，參與神經(jīng)精神疾病的發(fā)病。

2 影響KP的因素

2.1應(yīng)激和炎癥 KP的2大限速酶IDO和TDO受應(yīng)激狀態(tài)和炎癥的調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)表明，慢性應(yīng)激和/或低度炎癥導(dǎo)致KP通路激活，隨后過度產(chǎn)生下游代謝產(chǎn)物如Kyn等，最終引起糖尿病的發(fā)生[11]。Rubin等[12]的研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)激條件下，激素通過激活皮質(zhì)醇使TDO活化來增加Kyn的產(chǎn)生。干擾素 γ(interferon-γ，IFN-γ)在多種免疫細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)IDO活化，是目前已知的IDO的最強(qiáng)誘導(dǎo)劑。因此，Kyn產(chǎn)生的增加可能是皮質(zhì)醇活化TDO和IFN-γ活化IDO共同作用的結(jié)果。此外，腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)在增加IDO的活性的同時(shí)也可增強(qiáng)IFN-γ誘導(dǎo)的IDO表達(dá)[13]。IFN-α對(duì)IDO的活化作用較弱，但可能通過刺激IFN-γ和TNF-α提高IDO活性[14]。Liebau等[15]及Kwidzinski等[16]的研究發(fā)現(xiàn)，其它促炎分子如白細(xì)胞介素-1((interleukin-1，IL-1)、IL-12、IL-18及前列腺素E2(prostaglandin E2，PGE2)均可以與IFN-γ協(xié)同誘導(dǎo)IDO活性增加。

2.2維生素和礦物質(zhì)缺乏 許多證據(jù)已經(jīng)證明，KP對(duì)許多維生素濃度的變化很敏感，它們?cè)谏彼岽x過程中起輔助因子和輔酶的作用[17]。如活性形式的維生素B6被認(rèn)為是參與Trp代謝的最關(guān)鍵的維生素，影響色氨酸羥化酶、KATs和Kase的活性；維生素B2缺乏導(dǎo)致黃素腺嘌呤二核苷酸依賴性酶和KMO的活性降低[18]；此外，KP中的酶對(duì)于許多礦物質(zhì)也具有高度敏感性[19]，如Mn2+、Zn2+、Co2+和Cu2+影響Kase活性，Mg2+調(diào)節(jié)喹啉磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶活性，F(xiàn)e2+調(diào)節(jié)IDO和3-羥基鄰氨基苯甲酸雙加氧酶的正常功能[18]。因此，某些維生素及礦物質(zhì)的缺乏可能引起色氨酸代謝紊亂并最終導(dǎo)致疾病。

2.3衰老 研究發(fā)現(xiàn)，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]，這可能是由于衰老引起的慢性炎癥誘發(fā)的IDO的激活和/或與年齡相關(guān)的皮質(zhì)醇的升高所致。目前對(duì)老年實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的血漿Trp分布研究較少，但已有大量研究表明老年人的血漿Trp水平相對(duì)較低，然而對(duì)于衰老引起的Trp變化是否都會(huì)對(duì)KP產(chǎn)生影響尚不確定[21]。衰老對(duì)于TDO活性的影響同樣不確定：老年大鼠肝臟TDO活性較低，但大腦5-HT并沒有像預(yù)期一樣增加[22]。此外，IFN-γ的活性隨著年齡的增加而增加，由于IFN-γ可以激活I(lǐng)DO，因此可以推測老齡大鼠IDO活性也升高。

2.4運(yùn)動(dòng) 有研究表明，大鼠血漿游離Trp在運(yùn)動(dòng)后升高，從而增加了色氨酸在大腦中的利用率，可能對(duì)大腦KP產(chǎn)生影響[23]。此外，運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的去甲腎上腺素、血漿催乳素、生長激素、促腎上腺皮質(zhì)激素和皮質(zhì)醇等激素的變化都可能對(duì)免疫系統(tǒng)產(chǎn)生影響并進(jìn)而影響IDO的活性。Viru等[24]報(bào)告了長時(shí)間運(yùn)動(dòng)后的大鼠(游泳超過8 h)TDO活性降低，皮質(zhì)酮含量也降低。Ito等[25]也發(fā)現(xiàn)，大鼠每天運(yùn)動(dòng)1 h后巨噬細(xì)胞的IDO活性增強(qiáng)。

2.5肥胖 肥胖是胰島素抵抗發(fā)展的一個(gè)主要危險(xiǎn)因素，人類肥胖的特征是白色脂肪組織慢性低度炎癥，釋放包括Kyn在內(nèi)的許多炎癥介質(zhì)[26]。Song等[27]研究發(fā)現(xiàn)，肥胖婦女大網(wǎng)膜脂肪組織IDO1、大尿氨酸轉(zhuǎn)氨酶Ⅲ、KMO和Kase的表達(dá)均顯著高于對(duì)照組，且皮下脂肪組織中Kase亦顯著高于對(duì)照組。Favennec等[28]觀察到在體重指數(shù)(body mass index，BMI)較高的個(gè)體中，血清Kyn水平和KTR升高，此外，血尿酸水平、KYNA水平和QUIN水平也與BMI呈正相關(guān)。

2.6腸道菌群 腸道微生物直接或間接調(diào)節(jié)KP和5-HT途徑。腸道菌群與炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)、腸易激綜合征(irritable bowel syndrome，IBS)和神經(jīng)精神疾病等均有相關(guān)性，而在這些疾病中色氨酸代謝途徑都有變化[28]。在IBD患者腸道局部及全身都可觀察到IDO1的過度激活[29]，此外，IDO1-/-小鼠更易患結(jié)腸炎，表明KP的改變可能參與IBD的發(fā)病[30]。IBS患者血清中Kyn升高，外周IDO1活性與IBS嚴(yán)重程度呈正相關(guān)[31]，這表明Trp代謝受損可能與IBS的發(fā)病有關(guān)。一些腸道細(xì)菌編碼與真核生物KP相同的酶，能夠產(chǎn)生Kyn和下游代謝物，如具有神經(jīng)毒性效應(yīng)的3-HAA[32]。近年來的研究表明，自閉癥譜系障礙(autism spectrum disorder，ASD)的發(fā)病與腸道微生物群的改變有關(guān)，表現(xiàn)出Trp代謝改變。

3 KP異常影響胰島功能

T2DM的慢性炎癥也可發(fā)生在胰島組織，炎癥細(xì)胞因子可以激活胰島組織局部IDO的活性，導(dǎo)致KP上調(diào)。Liu等[33]的實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)顯示，大部分犬尿氨酸途徑基因在β細(xì)胞和非β細(xì)胞中都有表達(dá)，而表達(dá)水平有很大差異；IDO1和KMO表達(dá)分別被促炎癥細(xì)胞因子(IFN-γ，IL-1β)和葡萄糖的高糖毒性所激活，在β細(xì)胞中的表達(dá)比在非β細(xì)胞中的表達(dá)更顯著。與此結(jié)論一致的是，代謝組學(xué)研究結(jié)果表明，缺氧和炎癥引起的人類胰島最顯著的變化是增加了Kyn和KYNA的產(chǎn)生[34]。

KP在胰島中的生物學(xué)作用尚不清楚，Polyzos等[35]的研究顯示，腺病毒介導(dǎo)的IDO在移植非肥胖型糖尿病患者(non obese diabetic，NOD)胰島中的表達(dá)，延長了接受致糖尿病脾細(xì)胞的NOD/嚴(yán)重聯(lián)合免疫缺陷(severe combined immunodeficiency，SCID)受體的存活時(shí)間，提示激活胰島KP有免疫耐受作用，這可能是局部色氨酸耗竭，3-HK、3-HAA、QUIN和PA增加，共同抑制免疫細(xì)胞的功能所致。KP代謝產(chǎn)物的急性效應(yīng)可能與β細(xì)胞表達(dá)的已知特異性受體有關(guān)，有研究發(fā)現(xiàn)AHR、GPR35、NMDAR和nAChRα7在正常大鼠胰島、正常大鼠β細(xì)胞和INS-1細(xì)胞中均有顯著表達(dá)；急性暴露于犬尿氨酸會(huì)增加葡萄糖刺激的胰島素分泌。因此，胰島β細(xì)胞是一個(gè)在炎癥和葡萄糖高糖毒性下KP激活的靶組織[33]。此外，Okamoto[36]的研究表明Kyn、KYNA及其衍生物對(duì)胰島素生物合成/活性具有損害作用。

XA亦可通過影響胰島功能誘發(fā)大鼠實(shí)驗(yàn)性糖尿病，其可能機(jī)制包括：與胰島素形成XA-In，這是一種與胰島素沒有明顯區(qū)別但活性比胰島素低約50%的鰲合復(fù)合物；在β細(xì)胞中形成對(duì)離體胰島素有毒性作用的Zn2+-胰島素復(fù)合物；抑制大鼠胰島素的釋放[37]。對(duì)于糖尿病狀態(tài)下胰腺KP的激活及其與胰島細(xì)胞功能改變的關(guān)系，Liu等[4]證實(shí)在自發(fā)糖尿病GK大鼠的孤立胰島存在犬尿氨酸通路基因如IDO1的激活，但具體的聯(lián)系還需要更進(jìn)一步的研究。

4 KP異常與胰島素抵抗(insulin resistance，IR)

KP的一些血漿代謝產(chǎn)物已被證明與IR和代謝綜合征的其它表型相關(guān)。Muzik等[38]觀察到IR患者在出現(xiàn)明顯的高血糖之前，KP已經(jīng)上調(diào)，IR的嚴(yán)重程度與大腦和胰腺中KP代謝產(chǎn)物濃度有關(guān)。Yu等[39]研究發(fā)現(xiàn)，基線Trp代謝產(chǎn)物水平及其1年變化預(yù)測了胰島素抵抗指數(shù)的變化，即與胰島素抵抗的高風(fēng)險(xiǎn)呈正相關(guān)。這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步支持IR及其進(jìn)展到T2DM的“犬尿氨酸假說”。此外，Mudry等[40]的研究表明T2DM患者骨骼肌中KAT1和KAT2的mRNA表達(dá)中度降低。KYNA還通過激活GPR35 來調(diào)節(jié)脂肪組織能量平衡，GPR35刺激脂肪組織的脂質(zhì)代謝、產(chǎn)熱和抗炎基因的表達(dá)，這抑制了高脂喂養(yǎng)動(dòng)物的體重增加，同時(shí)提高了糖耐量[41]。血漿中Kyn及其代謝物在外周的波動(dòng)直接影響大腦KP，并潛在地影響控制外周葡萄糖水平的大腦調(diào)節(jié)機(jī)制[38]。研究表明，即使大腦KYNA水平輕度升高也會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞外谷氨酸和多巴胺水平迅速下降，從而對(duì)多巴胺能神經(jīng)元的放電頻率產(chǎn)生影響最終干擾葡萄糖調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)[42]。

5 糖尿病存在KP異常

已發(fā)現(xiàn)色氨酸代謝紊亂與IR和糖尿病風(fēng)險(xiǎn)密切相關(guān)。Kyn、KYNA和XA均參與了T2DM的發(fā)病機(jī)制[28, 43]。在對(duì)冠心病患者的前瞻性研究中，尿液中的KTR是發(fā)生T2DM的一個(gè)強(qiáng)有力的預(yù)測因子[44]。橫斷面研究表明，與健康個(gè)體相比，T2DM患者的KTR升高，糖尿病腎病患者的血漿KTR水平更高[45]。此外，Yu等[39]的病例對(duì)照研究也發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)Trp和QUIN 1年的增加與T2DM事件呈正相關(guān)。

在自發(fā)性糖尿病的Torii大鼠模型中，Trp和Kyn的減少被認(rèn)為是糖尿病前期狀態(tài)的生物標(biāo)記物[3]。慢性應(yīng)激和低度炎癥是糖尿病前期狀態(tài)向糖尿病過渡的主要危險(xiǎn)因素：它們可以通過激活TDO/IDO和減少吡哆醛-5-磷酸(pyridoxal 5-phosphate, P5P；許多KP酶所必需的輔助因子)的有效性，使Trp代謝的平衡向Kyn、3-HK和KYNA傾斜[46]。Matsuoka等[2]也觀察到部分T2DM患者血漿Trp水平降低，KYNA、XA、3-HK和3-HAA水平升高，提示這些患者的KP上調(diào)。

6 KP異常與糖尿病并發(fā)癥

6.1糖尿病腎病(diabetic kidney disease，DKD) DKD 作為糖尿病最主要的并發(fā)癥之一，其發(fā)病率在世界范圍內(nèi)逐漸增加。在免疫過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用的IDO的表達(dá)可能受炎癥和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的調(diào)節(jié)，從而參與2型糖尿病腎病的發(fā)病機(jī)制。Baban等[47]的研究還發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病腎病小鼠腎組織中(特別是在腎小球)IDO活性顯著高于正常小鼠。同樣，Zhang等[45]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，2型糖尿病患者的IDO活性明顯高于正常人和隱匿性腎小球腎炎患者，但明顯低于維持性血液透析(maintenance hemodialysis, MHD)患者。血液透析可顯著提高M(jìn)HD患者的IDO活性，增加IDO對(duì)適應(yīng)性免疫的抑制作用。糖尿病腎臟IDO的上調(diào)，可能是由于抑制免疫和炎癥機(jī)制的內(nèi)源性通路上調(diào)，從而抑制炎癥和限制組織損傷[45]。

6.2糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy，DR) 糖尿病視網(wǎng)膜病變是獲得性失明的主要原因之一，已證實(shí)Kyn和IDO在各種病理?xiàng)l件下參與DR的發(fā)生發(fā)展[43]。Munipally等[48]的研究發(fā)現(xiàn)非增生性糖尿病視網(wǎng)膜病變患者IDO表達(dá)增加，Kyn、KYNA及3-HK水平升高，這種變化在增生性糖尿病視網(wǎng)膜病變中更明顯。這些結(jié)果提示IDO和Trp代謝產(chǎn)物可能與DR存在關(guān)聯(lián)。

7 調(diào)節(jié)KP異常治療糖尿病

如前所述，KP異常與T2DM的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，因此改善KP異常對(duì)于T2DM的研究和防治具有重要意義。然而，目前調(diào)節(jié)KP異常的研究還不夠深入。

運(yùn)動(dòng)可以通過上調(diào)過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR)共激活因子1 α1(peroxisome proliferator-activated receptor coactivator 1-α1，PGC-1α1)介導(dǎo)的骨骼肌KAT的表達(dá)來增強(qiáng)KAT活性[40]，使骨骼肌中的KP向產(chǎn)生KYNA的方向轉(zhuǎn)移，從而降低血液和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的Kyn水平。因此，調(diào)節(jié)PGC-1α1-PPAR的活化可能成為調(diào)節(jié)KP的一種新的治療手段。

此外，Agudelo等[41]報(bào)道KYNA可通過激活GPR35來增加能量利用以提高糖耐量，是治療KP異常誘導(dǎo)的T2DM的一種潛在手段。如前所述，體內(nèi)B族維生素和礦物質(zhì)含量以及膳食色氨酸攝入量都會(huì)影響KP，因此通過飲食誘導(dǎo)或許也能成為調(diào)節(jié)KP異常的方法。

雖然IDO的活性受應(yīng)激狀態(tài)和(或)炎癥的影響，但已有研究表明，IDO直接抑制劑1-MT、IDO活性間接抑制劑MINO和非甾體抗炎藥IBU等治療只能起到抗抑郁作用而不能改變患糖尿病大鼠體重增加減少和高血糖的情況[49]。

中藥治療或許也能成為改善KP異常的突破口。應(yīng)用逍遙散等中藥復(fù)方已被證明能通過提高Kyn和QUIN的含量治療大鼠的抑郁癥狀[50]，但是否能通過改善KP異常對(duì)糖尿病的治療起到積極作用還需要進(jìn)一步研究。

8 結(jié)語與展望

KP與T2DM及其并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展有密不可分的關(guān)系，并在胰島及胰島素作用的靶器官中發(fā)揮作用。但目前對(duì)于二者之間明確內(nèi)在關(guān)聯(lián)的研究尚少，未來需要就KP對(duì)糖尿病發(fā)病的作用機(jī)制做更深入的研究，并從飲食、藥物和相關(guān)酶等多個(gè)方面探究改善KP異常的方法，為T2DM的防治提供新的理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。