甜菜堿改善肥胖及相關(guān)代謝紊亂作用機(jī)制的研究進(jìn)展

安冬，楊軍紅*，宋曉萌（.天津市兒童醫(yī)院（天津大學(xué)兒童醫(yī)院），天津 30034；.天津醫(yī)科大學(xué)，天津300070）

肥胖源于過(guò)度的脂肪堆積，與遺傳傾向、高脂飲食、個(gè)人行為、環(huán)境和社會(huì)因素等有關(guān)，是脂肪細(xì)胞內(nèi)分泌功能紊亂的狀態(tài)，可誘導(dǎo)脂肪組織產(chǎn)生代謝性炎癥，被廣泛認(rèn)為是一種全身性慢性炎癥性疾病。肥胖可促使胰島素抵抗和代謝綜合征的發(fā)生，是多種疾病如非酒精性脂肪肝（NAFLD）、心血管疾病、2 型糖尿病、癌癥等發(fā)生發(fā)展的重要危險(xiǎn)因素之一[1-2]，目前尚無(wú)有效治療藥物。在過(guò)去三十年中，肥胖和超重的患病率大幅上升，中國(guó)將近9 千萬(wàn)人口受到影響[3]。由于肥胖的高患病率及與其相關(guān)的健康問(wèn)題增加，有效的減重和減重后維持策略變得十分重要，其中應(yīng)用無(wú)毒且天然存在的膳食營(yíng)養(yǎng)素防治肥胖在近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。

近年來(lái)研究證實(shí)，甜菜堿在許多人類(lèi)疾病如肥胖、糖尿病、癌癥、NAFLD、阿爾茨海默病等的治療中都具有積極的功效[4-6]，因而受到廣泛關(guān)注。本文就甜菜堿的生理功能，對(duì)體成分及肥胖相關(guān)指標(biāo)的影響研究以及改善肥胖及其相關(guān)代謝紊亂的作用機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 甜菜堿的生物特性及生理功能

甜菜堿，又名甘氨酸甜菜堿，分子式為C5H11NO2，是一種季銨鹽化合物，廣泛存在于動(dòng)植物及微生物體內(nèi)，以甜菜的蜜糖為主要來(lái)源。健康成人甜菜堿每日平均攝入量在100～400 mg[7]，其準(zhǔn)確攝入量取決于食物來(lái)源種類(lèi)和烹調(diào)方式。此外，人類(lèi)還可通過(guò)肝臟或腎臟內(nèi)膽堿氧化內(nèi)源性獲得甜菜堿[8]。

甜菜堿攝入體內(nèi)后，在小腸快速吸收，主要通過(guò)甜菜堿-γ氨基丁酸轉(zhuǎn)運(yùn)和氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)A 跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，分布于肝、腎、腦中，在肝腎線粒體內(nèi)代謝，少量可從汗液或尿液排出，能被重吸收進(jìn)入血液循環(huán)或被貯存于組織中[9]。甜菜堿可作為滲透壓保護(hù)劑維持蛋白質(zhì)原有結(jié)構(gòu)，防止高滲狀態(tài)下細(xì)胞萎縮，抑制高滲誘導(dǎo)凋亡蛋白的表達(dá)，保護(hù)細(xì)胞、蛋白質(zhì)及酶類(lèi)免受滲透脅迫[4，10]；甜萊堿也可作為甲基供體，參與甲硫氨酸（Met）循環(huán)，使同型半胱氨酸（Hcy）在甜菜堿-同型半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（BHMT）的催化下轉(zhuǎn)甲基生成Met 和二甲基甘氨酸（DMG）。甜菜堿參與含硫氨基酸（SAA）的代謝，使Met 在甲硫氨酸腺苷轉(zhuǎn)移酶（MAT）催化下形成S-腺苷甲硫氨酸（SAM），SAM 去甲基形成S-腺苷同型半胱氨酸（SAH）[4]，發(fā)揮生理作用。此外甜菜堿對(duì)膽堿介導(dǎo)的單碳代謝、細(xì)胞膜完整性、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及神經(jīng)遞質(zhì)合成等也至關(guān)重要[11]。甜菜堿從食物中獲得或者應(yīng)用補(bǔ)充劑補(bǔ)充，生物利用度相似。健康人血清甜菜堿水平在20～70 mmol·L－1，通常男性高于女性，與膳食攝入量或直接補(bǔ)充量成正相關(guān)[12]。

2 甜菜堿對(duì)體成分及肥胖相關(guān)指標(biāo)的影響

體成分分析因能提供體脂質(zhì)量和體脂率而被認(rèn)為是評(píng)價(jià)肥胖程度最準(zhǔn)確的指標(biāo)[13]。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，甜菜堿對(duì)體脂改變的積極作用已得到證實(shí)，并已作為飼料添加劑用于增加豬或雞的瘦肉量，減少其脂肪量[14-16]。但在人群中，尤其是超重或肥胖人群中，甜菜堿的應(yīng)用研究相對(duì)較少。研究結(jié)論也不盡相同。

近年相關(guān)研究表明，無(wú)論是甜菜堿的攝入量還是血清甜菜堿水平，在正常體重者中均為最高，其次為超重者，在肥胖者中最低[12]，在對(duì)肥胖鼠組織進(jìn)行代謝組學(xué)分析的研究中可得到相同結(jié)論[17]。2016年Gao 等[12]運(yùn)用DXA 系統(tǒng)進(jìn)行紐芬蘭人口體成分橫斷面研究，結(jié)果顯示甜菜堿能降低體脂水平，尤其顯著降低軀干體脂率及男性體脂率，并可增加人體瘦體重百分比。該團(tuán)隊(duì)2018年針對(duì)北美地區(qū)成年人口的研究同樣顯示，在成年男性中，去除可能的混雜因素后，血清甜菜堿水平與肥胖相關(guān)指標(biāo)成顯著負(fù)相關(guān)。但在成年女性中，可能由于性別差異造成的體成分和性激素不同，導(dǎo)致相關(guān)不明顯[18]。2020年Zhong 等[19]進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)3年的前瞻性隊(duì)列研究顯示血清甜菜堿水平較高的中國(guó)中老年人，其瘦體重丟失量、脂肪量及體脂率增加量均顯著減少，以男性為甚。在RCT 試驗(yàn)中，2013年Cholewa 等[20]首次證明了甜菜堿能明顯改善體成分，減少體脂，增加瘦體重。2018年Cholewa 等[21]對(duì)11 名年輕女性補(bǔ)充2.5 g·d－1甜菜堿同時(shí)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行為期9 周的研究，Grizales 等[22]關(guān)于14 名糖尿病前期及肥胖者予以口服甜菜堿（20 d，前10 d，每次3.3 g，每日兩次，后10 d，每次4.95 g，每日兩次）的RCT 研究以及2019年一項(xiàng)關(guān)于甜菜堿降低體脂的RCT 研究的meta 分析[23]均驗(yàn)證甜菜堿能增加瘦體重，改善體成分的結(jié)論。

3 甜菜堿的作用機(jī)制

3.1 抑制脂肪酸合成

Yang 等[24]在大豆發(fā)酵食品的體外抗肥胖研究中發(fā)現(xiàn)，甜菜堿能夠減少組織內(nèi)脂質(zhì)積累和合成。腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）作為細(xì)胞能量傳感器和代謝平衡調(diào)節(jié)因子能夠調(diào)控如脂肪酸合成酶（FAS）等相關(guān)基因表達(dá)水平[25]。研究顯示甜菜堿促進(jìn)AMPK 磷酸化，降低甾醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1c（SREBP-1c）、乙酰輔酶A 羧化酶（ACC）、FAS、蘋(píng)果酸酶的活性及其mRNA 的表達(dá)[26]，抑制脂肪酸合成。

脂蛋白脂肪酶（LPL）作為乳糜微粒和極低密度脂蛋白（VLDL）代謝的限速酶，可為脂肪組織提供用于貯存的游離脂肪酸（FFA）。甜菜堿可降低LPL mRNA 表達(dá)，減少?gòu)难h(huán)脂蛋白中攝取三酰甘油，降低脂肪酸結(jié)合蛋白（A-FABP）及FAS 的表達(dá)。此外，甜菜堿促進(jìn)Hcy 甲基化為Met 的過(guò)程可能減少脂肪酸合成底物乙酰輔酶A的含量，減少脂肪酸合成[18]。

過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ（PPARγ）主要在脂肪組織中表達(dá)，促進(jìn)脂肪細(xì)胞增殖與分化，增加脂肪沉積[27]。在高脂飲食致肥胖小鼠的研究中，甜菜堿通過(guò)影響細(xì)胞周期抑制轉(zhuǎn)錄因子CCAAT 增強(qiáng)子結(jié)合蛋白α（C/EBPα）和PPARγ的表達(dá)，抑制3T3-L1 前脂肪細(xì)胞增殖分化，減少白色脂肪（WAT）合成[14]。近年研究顯示肌間脂肪與肥胖密切相關(guān)，而在補(bǔ)充甜菜堿的動(dòng)物研究中顯示甜菜堿能增加PPARγ表達(dá)，從而增加肌間脂肪[15，28]，所以關(guān)于甜菜堿對(duì)PPARγ的影響還需進(jìn)一步研究。

3.2 促進(jìn)脂肪酸氧化分解，減少脂質(zhì)累積

1H-NMR 代謝組學(xué)研究揭示甜菜堿的代謝可增加α-酮戊二酸（α-KG）的生成，增加β-羥基丁酸（β-HB）在肝外組織的利用，促進(jìn)三羧酸循環(huán)（TCA），提示甜菜堿對(duì)線粒體內(nèi)呼吸鏈具有正向調(diào)控作用[29]。此外，研究發(fā)現(xiàn)甜菜堿在體內(nèi)分解代謝快，在補(bǔ)充甜菜堿后，由于對(duì)其降解需求的增加，促進(jìn)了TCA 循環(huán)和線粒體氧化去甲基化作用，從而改善線粒體功能。甜菜堿還能夠增加肝臟及肌細(xì)胞中線粒體含量及活性，為其促進(jìn)脂肪氧化分解提供依據(jù)[14，30]。

相關(guān)研究證實(shí)肉堿能增加肥胖鼠能量消耗，改善糖耐量[31]。補(bǔ)充甜菜堿能增加動(dòng)物和人類(lèi)組織內(nèi)肉堿的吸收，促進(jìn)由肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶Ⅰ（CPT1）介導(dǎo)的FFA 易位進(jìn)入線粒體，增加脂肪酸β-氧化[31]。甜菜堿還可通過(guò)增加激素敏感性脂肪酶（HSL）活性來(lái)促進(jìn)脂肪組織的脂解，轉(zhuǎn)移脂肪酸進(jìn)入線粒體進(jìn)行β氧化[18]。

過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體α（PPARα）在代謝活躍的組織如肝臟、骨骼肌、棕色脂肪中大量表達(dá)，增加脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)和氧化，降低體重[27]?；罨腁MPK 能上調(diào)PPARα表達(dá)，并且與PPARα同為CPT1 的上游調(diào)節(jié)因子。甜菜堿能活化AMPK，上調(diào)PPARα及其下游脂肪酸氧化相關(guān)基因，如酯酰輔酶A 氧化酶1/2（ACOX1/2）的表達(dá)[14]，從而增加CPT1 活性，促進(jìn)脂肪酸在線粒體內(nèi)進(jìn)行β-氧化[32]。此外，甜菜堿可能通過(guò)改善PPARα或其他相關(guān)核受體復(fù)合物的轉(zhuǎn)錄作用促進(jìn)成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21（Fgf21）分泌，F(xiàn)gf21 釋放兒茶酚胺促進(jìn)脂肪分解。且通過(guò)缺乏Fgf21 的小鼠實(shí)驗(yàn)表明，甜菜堿只有在Fgf21 的協(xié)同作用下可上調(diào)皮下WAT 中氧化代謝相關(guān)基因Ucp1和Ppargc1a的表達(dá)，促進(jìn)皮下WAT 褐化，從而增加全身能量消耗，降低體重[33]。

肌細(xì)胞內(nèi)脂肪含量與體重成正相關(guān)。多不飽和脂肪酸（PUFA）可以通過(guò)調(diào)節(jié)脂肪代謝相關(guān)基因表達(dá)水平，介導(dǎo)脂肪細(xì)胞分化及能量代謝，尤其是可以通過(guò)降低SREBP-1c 表達(dá)減少脂肪酸合成，通過(guò)激活PPARα加強(qiáng)脂肪酸氧化。在高脂飲食致肥胖小鼠模型中，添加甜菜堿能顯著增加肌細(xì)胞內(nèi)PUFA含量，減少肌細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)累積[14]，降低體重。

3.3 促進(jìn)蛋白質(zhì)合成，改善體成分

研究顯示甜菜堿增加肝細(xì)胞體積，增加人骨骼肌質(zhì)量和動(dòng)物瘦體重，說(shuō)明甜菜堿能增加蛋白質(zhì)合成。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)甜菜堿能降低人體運(yùn)動(dòng)致皮質(zhì)醇濃度，促進(jìn)生長(zhǎng)激素（GH）分泌，還可以直接或間接通過(guò)調(diào)節(jié)SAM，上調(diào)胰島素樣生長(zhǎng)因子-1（IGF-1）分泌，改善胰島素IRS/AktmTOR 蛋白質(zhì)合成途徑，促進(jìn)肌纖維分化；減少同型半胱氨酸硫內(nèi)酯（HTL），促進(jìn)蘇氨酸蛋白激酶（Akt）磷酸化，增加胰島素/IGF-1 途徑合成蛋白質(zhì)，同時(shí)減少蛋白質(zhì)合成相關(guān)酶變性或失活；通過(guò)轉(zhuǎn)甲基作用促進(jìn)Hcy 轉(zhuǎn)化成Met 用于蛋白質(zhì)合成；甜菜堿在細(xì)胞中積累，通過(guò)滲透調(diào)節(jié)的甜菜堿/GABA 轉(zhuǎn)運(yùn)體-1（BTG-1）增加肌漿滲透壓，導(dǎo)致細(xì)胞腫脹，從而促進(jìn)蛋白質(zhì)合成，抑制蛋白質(zhì)水解[19，34]。

在DNA 甲基化方面，甜菜堿減少PPARα和LPL 啟動(dòng)子高甲基化，使參與脂肪酸攝取、利用和分解代謝的蛋白質(zhì)合成也隨之增加，從而改善脂代謝，增加瘦體重，改善體成分[35]。

3.4 改善肥胖相關(guān)炎癥狀態(tài)

肥胖可導(dǎo)致脂肪組織的慢性低度炎癥，這種炎癥狀態(tài)通常與脂肪細(xì)胞肥大、免疫細(xì)胞浸潤(rùn)等有關(guān)[36]。目前應(yīng)用甜菜堿控制脂肪組織炎癥的實(shí)驗(yàn)研究受到關(guān)注。

脂肪組織不僅能儲(chǔ)存能量，還是一個(gè)內(nèi)分泌器官。由WAT 分泌的脂肪細(xì)胞因子大多數(shù)具有促炎作用。在對(duì)肥胖動(dòng)物和肥胖人的研究中已證實(shí)，在不斷擴(kuò)大的脂肪組織中會(huì)出現(xiàn)組織缺氧，炎癥相關(guān)脂肪細(xì)胞因子如腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白細(xì)胞介素-6（IL-6）、瘦素、單核細(xì)胞趨化蛋白-1（MCP-1）等的分泌隨脂肪細(xì)胞的增大和缺氧程度的增加而顯著增加[37]。Olli 等[38]的體外試驗(yàn)顯示甜菜堿能降低脂肪組織缺氧條件下TNF-α、IL-6 在脂肪細(xì)胞中的表達(dá)，改善脂肪組織炎癥狀態(tài)。在肥胖誘導(dǎo)炎癥過(guò)程中，脂肪細(xì)胞釋放的炎癥因子通過(guò)磷酸化作用調(diào)控多種信號(hào)通路。研究顯示甜菜堿通過(guò)抑制絲裂原活化蛋白激酶（MAPKs），阻止IκB 和IκB 激酶（IKK）磷酸化，抑制轉(zhuǎn)錄核因子κB（NF-κB）及其下游基因表達(dá)，也可抑制激活NF-κB 的上游信號(hào)分子的表達(dá)，如Toll 樣受體4，通過(guò)抑制Toll 樣受體4/轉(zhuǎn)錄核因子κB（TLR4/NF-κB）信號(hào)通路降低NF-κB 活性；此外甜菜堿能維持硫醇穩(wěn)態(tài)，抑制活性氧（ROS），降低NF-κB 活性，減少促炎因子（如IL-1β、IL-23）的產(chǎn)生[39]。

ROS 因機(jī)體氧化反應(yīng)作用或外界刺激而產(chǎn)生。通過(guò)高脂飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠及對(duì)肥胖患者的研究均顯示肥胖可誘導(dǎo)氧化脂蛋白水平升高，降低血液中谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GHS-Px）、超氧化物歧化酶（SOD）等抗氧化酶的活性，增加脂肪細(xì)胞ROS 的產(chǎn)生[40-41]。甜菜堿作為甲基供體，通過(guò)改善SAA 的代謝，增加體內(nèi)Met 及SAM 含量，降低Hcy。Met 可被肝細(xì)胞利用合成谷胱甘肽（GSH），SAM 則為體內(nèi)直接的抗氧化劑，調(diào)節(jié)GSH 代謝[42]，清除體內(nèi)自由基和ROS。甜菜堿還可通過(guò)提高SAM 與SAH 的比值，增加MAT 活性，抑制炎癥引起的一氧化碳合酶2（NOS2）的表達(dá)，增加GHS-Px、SOD 等抗氧化酶，減少脂質(zhì)過(guò)氧化物（LPO）[43-44]以抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)，改善肥胖相關(guān)炎癥狀態(tài)。

3.5 改善胰島素抵抗

肥胖所致的過(guò)度脂肪堆積不僅發(fā)生于WAT，同樣發(fā)生在肝臟、骨骼肌等胰島素反應(yīng)器官，導(dǎo)致胰島素抵抗的發(fā)生發(fā)展，從而引發(fā)肥胖相關(guān)代謝紊亂。Hartstra 等[45]研究顯示血清甜菜堿水平與外周、肝臟及脂肪組織胰島素敏感性成正相關(guān)。

瘦素是一種多肽類(lèi)激素，能抑制食欲性神經(jīng)元活性。與瘦素敏感個(gè)體相比，肥胖個(gè)體常因瘦素信號(hào)受損導(dǎo)致瘦素抵抗，使其不能發(fā)揮減少攝食、增加能耗的作用，加重肥胖程度。在高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖C57BL/6 小鼠模型中，其腹股溝皮下脂肪和內(nèi)臟脂肪組織中瘦素mRNA 的表達(dá)水平顯著增加[31]。肥胖狀態(tài)下瘦素作為炎癥相關(guān)脂肪細(xì)胞因子誘導(dǎo)脂肪組織炎癥，進(jìn)而導(dǎo)致脂肪組織胰島素抵抗的發(fā)生。肥胖患者的脂肪細(xì)胞分泌脂聯(lián)素水平較正常人減少，也可促進(jìn)脂肪組織發(fā)生胰島素抵抗[46]。研究表明甜菜堿能降低缺氧或正常氧條件下瘦素基因的轉(zhuǎn)錄和分泌，所以可以推斷甜菜堿能夠使肥胖個(gè)體高瘦素水平正?；錂C(jī)制可能與低氧誘導(dǎo)因子1（HIF-1α）有關(guān)，還需進(jìn)一步研究證實(shí)。此外甜菜堿作為甲基供體，降低脂肪組織中Hcy 水平，增加脂聯(lián)素的產(chǎn)生，降低試驗(yàn)動(dòng)物炎癥水平[38]，從而改善脂肪組織的胰島素抵抗。

甜菜堿改善NAFLD 和2 型糖尿病的研究顯示其能直接作用于胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，加強(qiáng)胰島素受體底物1（IRS-1）在體內(nèi)外的磷酸化，增加thr308-PKB/Akt 水平，抑制α-葡萄糖苷酶活性，從而降低糖異生，增加糖原合成，降低血葡萄糖水平，改善胰島素抵抗[24]。甜菜堿可增加SAM 水平，通過(guò)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶1（PRMT-1）的催化生成更多的甲基化非均相核糖核蛋白（hnRNPQ），持久激活胰島素受體，參與胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。甜菜堿還可增加肝內(nèi)和循環(huán)中Fgf21 水平改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)[33]，改善細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2 和蛋白激酶B，以增強(qiáng)脂肪組織中的胰島素敏感性[47]。此外甜菜堿減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)蛋白，減少肝糖異生；活化AMPK，通過(guò)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4（GLUT-4）促進(jìn)葡萄糖攝取[4]，從而改善胰島素抵抗。

4 小結(jié)及展望

甜菜堿是一種天然存在的膳食營(yíng)養(yǎng)素，目前甜菜堿在臨床上的應(yīng)用多依賴于其作為甲基供體的作用，以治療高同型半胱氨酸血癥、NAFLD、動(dòng)脈粥樣硬化等疾病。近年來(lái)甜菜堿關(guān)于改善肥胖及其相關(guān)代謝紊亂的研究仍以動(dòng)物模型和體外細(xì)胞試驗(yàn)為主。盡管動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示甜菜堿有一定的有益功效，但相同物種不同部位的脂肪組織（如皮下脂肪、肌間脂肪、內(nèi)臟脂肪）補(bǔ)充甜菜堿后結(jié)果并不一致，實(shí)驗(yàn)劑量與使用時(shí)長(zhǎng)不同以及物種差異甚至?xí)贸鱿喾唇Y(jié)論。如今肥胖問(wèn)題日益突出，人類(lèi)疾病遠(yuǎn)比動(dòng)物模型復(fù)雜，研究人員需要進(jìn)一步研究甜菜堿的有效作用部位、是否存在有效閾值以及更進(jìn)一步挖掘甜菜堿在人體內(nèi)的針對(duì)肥胖及相關(guān)代謝紊亂的作用機(jī)制。未來(lái)也需要更多的基于超重或肥胖人群的大樣本前瞻性RCT 研究來(lái)證實(shí)甜菜堿的治療效果，彌補(bǔ)目前不同類(lèi)型研究所造成的差距，以確定增加攝入富含甜菜堿的食物和/或長(zhǎng)期補(bǔ)充甜菜堿是否確定為一種安全有效的改善肥胖及其相關(guān)代謝紊亂的策略。