β-胡蘿卜素的體內(nèi)代謝及與維生素A的生物轉(zhuǎn)化＊

李若茗 董 慧 陳哲暉 魏 然 陳超陽 周 穎 楊艷玲 崔一民,4,*

1.北京大學(xué)第一醫(yī)院藥學(xué)部 (北京 100034)

2.北京大學(xué)藥學(xué)院藥事管理與臨床藥學(xué)系 (北京 100191)

3.北京大學(xué)第一醫(yī)院兒科 (北京 100034)

4.北京大學(xué)臨床藥理研究所 (北京 100191)

β-胡蘿卜素是類胡蘿卜素的一種，也是人類飲食中維生素A的重要來源。關(guān)于β-胡蘿卜素的推薦攝入量仍存在爭議。一方面，一些研究認(rèn)為較高的β-胡蘿卜素水平可能降低慢性疾病的風(fēng)險；另一方面，β-胡蘿卜素蓄積也可能導(dǎo)致臟器損傷。β-胡蘿卜素的代謝過程具有較大的個體差異，編碼代謝酶的基因變異及疾病等多種因素可能導(dǎo)致β-胡蘿卜素的病理性積累。本文綜述了β-胡蘿卜素代謝與生物轉(zhuǎn)化的研究進(jìn)展。

1 β-胡蘿卜素

類胡蘿卜素是在植物、真菌、藻類和細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的C40親脂性色素[1]。自然界中有600余種不同類型的類胡蘿卜素[2]。人類自身不能合成類胡蘿卜素，需要通過食物或膳食補充劑攝取[3]。在人類血液樣本中發(fā)現(xiàn)了30余種類胡蘿卜素，其中番茄紅素、葉黃素、玉米黃質(zhì)、β-隱黃質(zhì)和β-胡蘿卜素含量最高[3]。

類胡蘿卜素是膳食維生素A的重要來源。維生素A原指的是可在小腸和肝細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為維生素A的類胡蘿卜素，其化學(xué)特征是含有未取代的β環(huán)和C11結(jié)構(gòu)，如β-胡蘿卜素。一項對8個發(fā)達(dá)國家(約120000名參與者)的研究結(jié)果表明，預(yù)先形成的維生素A占維生素A總攝入量的近65%，維生素A原僅占35%，其中β-胡蘿卜素占86%，α-胡蘿卜素占10%[4]。在發(fā)展中國家，膳食類胡蘿卜素提供了約80%的每日維生素A攝入量[5]。

既往一些研究證明，類胡蘿卜素有助于降低慢性疾病(如心血管疾病、某些類型的癌癥和眼部疾病)的風(fēng)險[6]。也有臨床研究表明，健康人長期補充β-胡蘿卜素對降低惡性腫瘤和心血管疾病的發(fā)病率沒有顯著的影響[7]，甚至可能增加發(fā)病風(fēng)險[8]。β-胡蘿卜素的生物學(xué)特性可能取決于β-胡蘿卜素的劑量、機體的生理狀態(tài)和遺傳背景之間復(fù)雜的相互作用。

2 β-胡蘿卜素的體內(nèi)過程

2.1 吸收類胡蘿卜素如β-胡蘿卜素有高度疏水的骨架，很難分散在消化道的體液環(huán)境中。在膽汁和胰酶的作用下，β-胡蘿卜素可與脂質(zhì)形成混合膠束，通過腸上皮細(xì)胞吸收。多種因素影響β-胡蘿卜素的吸收，如共食脂肪的量[9]和共食脂肪的種類[10]。當(dāng)在同時攝入脂肪的情況下，β-胡蘿卜素和維生素A能很好地從腸腔吸收。β-胡蘿卜素在腸細(xì)胞刷狀緣主要在細(xì)胞膜上的膽固醇轉(zhuǎn)運蛋白SR-BI和CD36的作用下轉(zhuǎn)運進(jìn)入細(xì)胞，也有部分通過被動擴(kuò)散的形式吸收[11]。

2.2 分布類胡蘿卜素的化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致分子間極性的差異，影響組織間的分布和脂蛋白間的分配[12]。由于類胡蘿卜素的親脂性，胡蘿卜素在循環(huán)中與各種類型的脂蛋白一起運輸，被納入各種脂蛋白顆粒的疏水核心，如極低密度脂蛋白(very low density lipoproteins，VLDL)、低密度脂蛋白(low density lipoprotein，LDL)、高密度脂蛋白(high density lipoprotein，HDL)和乳糜微粒等。機體攝入類胡蘿卜素后，最初以乳糜微粒和VLDL的形式存在于血漿；24～48h后，會出現(xiàn)在脂蛋白中，如LDL和HDL。大部分循環(huán)β-胡蘿卜素和番茄紅素(70%)存在LDL中，而大部分葉黃素或玉米黃質(zhì)(50%)存在于HDL中。

2.3 代謝腸道是將β-胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為維生素A的最重要部位。然而，體外研究表明，肝臟、脂肪、肺和腎臟都能夠?qū)ⅵ?胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為類視黃醇[13]，β-胡蘿卜素的代謝途徑見圖1。β-胡蘿卜素15,15'-單加氧酶(β-carotene 15,15'-monooxygenase，BCMO1)和β-胡蘿卜素9',10'-雙加氧酶(β-carotene 9'10'-dioxygenase，BCDO2)以中心或偏心裂解的方式對一部分吸收的β-胡蘿卜素進(jìn)行酶促轉(zhuǎn)化[14]。

圖1 β-胡蘿卜素的代謝途徑

BCMO1是一種可溶性胞質(zhì)酶，在結(jié)腸的黏膜、肝臟、腺細(xì)胞及角質(zhì)形成細(xì)胞中表達(dá)，空腸細(xì)胞中的活性最高[15]。β-胡蘿卜素經(jīng)BCMO1代謝釋放視黃醛，可在視黃醛脫氫酶的作用下轉(zhuǎn)化為視黃醇(維生素A)，以脂肪酸酯的形式儲存在細(xì)胞(主要是肝星狀細(xì)胞)中。視黃醇可與血漿視黃醇結(jié)合蛋白可逆結(jié)合，將人體血清中的視黃醇濃度維持在2μmol/L左右。一部分視黃醛也通過視黃醛脫氫酶不可逆地氧化為視黃酸，與視黃酸受體和類視黃醇X受體結(jié)合。類視黃醇X受體可以作為異源二聚體與許多其他核受體相互作用并調(diào)節(jié)基因表達(dá)。另一部分經(jīng)BCDO2偏心裂解的β-胡蘿卜素，可生成β-apo-14'-胡蘿卜素，也被認(rèn)為可調(diào)節(jié)類視黃醇X受體的活性[16]。

有研究表明，腸道中吸收的膳食來源類胡蘿卜素沒有被BCMO1酶裂解，提示在日常的膳食條件下，BCMO1酶是飽和的[17]。經(jīng)BCMO1酶代謝產(chǎn)生的視黃醇酯，與未經(jīng)BCMO1酶代謝的類胡蘿卜素以乳糜微粒的形式運輸?shù)礁闻K，儲存在肝星狀細(xì)胞中。未被肝臟吸收的乳糜微粒中的視黃醇可被靶組織吸收，包括脂肪組織、腦、胰腺、心臟、肌肉、肺、生殖器官和骨髓[18-19]。

李若茗，女，1996年6月生，山西太原人。2019年中國藥科大學(xué)臨床藥學(xué)專業(yè)本科畢業(yè)，現(xiàn)北京大學(xué)藥學(xué)院藥事管理與臨床藥學(xué)系臨床藥學(xué)專業(yè)型碩士研究生在讀。

崔一民，教授、博士生導(dǎo)師。現(xiàn)任北京大學(xué)第一醫(yī)院臨床藥理研究所所長、臨床試驗中心主任、藥學(xué)部主任。任教育部高等學(xué)校藥學(xué)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會副主任委員，國家藥典委員會委員，國家食品藥品監(jiān)督管理總局仿制藥質(zhì)量和療效一致性評價專家委員會委員，NMPA藥品審評中心咨詢專家，中國藥理學(xué)會副秘書長，中國藥理學(xué)會臨床藥理學(xué)專業(yè)委員會主任委員等。先后主持國家重點研發(fā)計劃精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究重點專項、國家重大新藥創(chuàng)制-科技重大專項，以及多項國家級自然科學(xué)基金，發(fā)表SCI論文200余篇，發(fā)明專利和軟件著作權(quán)30余項。獲中國藥學(xué)會科學(xué)技術(shù)一等獎、藥明康德生命化學(xué)研究獎學(xué)者獎、吳階平-保羅-楊森醫(yī)學(xué)藥學(xué)獎、中國藥學(xué)發(fā)展獎創(chuàng)新藥物突出成就獎等。

2.4 排泄β-胡蘿卜素主要通過糞便排出(20%～60%)，部分從尿液排除(10%～30%)，視黃酸也可從呼吸中排出(10%)[20]，在唾液、汗液或眼淚中的排泄情況尚不清楚。

3 β-胡蘿卜素與維生素A的生物轉(zhuǎn)化

已有多項研究發(fā)現(xiàn)，β-胡蘿卜素與維生素A的轉(zhuǎn)化率存在顯著的個體差異，變異系數(shù)高達(dá)221%[21-24]。在接受6 mg的β-胡蘿卜素后，轉(zhuǎn)化成維生素A的平均轉(zhuǎn)化系數(shù)為4.8∶1(以物質(zhì)的量計)或9.1∶1(以重量計)[25]。低或差的應(yīng)答者定義為在攝入單次高劑量的β-胡蘿卜素后，血漿β-胡蘿卜素水平變化不大的患者。約45%的西方人可以歸類為低應(yīng)答者[26]，可出現(xiàn)β-胡蘿卜素蓄積以及維生素A缺乏的表現(xiàn)。β-胡蘿卜素的劑量、體內(nèi)維生素A水平、編碼代謝酶的基因變異以及體重指數(shù)等因素可能影響β-胡蘿卜素的轉(zhuǎn)化率。

3.1 β-胡蘿卜素的劑量對生物轉(zhuǎn)化的影響β-胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為維生素A的效率隨β-胡蘿卜素劑量的增加而受到限制。研究發(fā)現(xiàn)，β-胡蘿卜素劑量從20mg/d增加到40mg/d，健康志愿者β-胡蘿卜素的血漿藥物濃度-時間曲線下的面積(area under curve，AUC)增加了2倍，但維生素A的血漿AUC增加了36%，即隨著膳食中β-胡蘿卜素劑量的增加，β-胡蘿卜素向維生素A的轉(zhuǎn)化率降低。當(dāng)β-胡蘿卜素的劑量≤6mg時，β-胡蘿卜素與維生素A的轉(zhuǎn)化率約為2∶1 至9∶1，而當(dāng)β-胡蘿卜素劑量≥16.1mg時，該比值≥16∶1[27]。

3.2 體內(nèi)維生素A水平對生物轉(zhuǎn)化的影響研究發(fā)現(xiàn)視黃酸可通過負(fù)反饋機制將BCMO1的mRNA水平下調(diào)高達(dá)90%，因此，體內(nèi)維生素A水平較高的個體，β-胡蘿卜素的轉(zhuǎn)化率可能降低。這種反饋調(diào)節(jié)可能涉及腸道上皮細(xì)胞特異轉(zhuǎn)錄因子[28]。體內(nèi)維生素A水平較高時，細(xì)胞內(nèi)升高的視黃酸濃度可誘導(dǎo)腸道上皮細(xì)胞特異轉(zhuǎn)錄因子基因表達(dá)，減少β-胡蘿卜素的吸收，從而減少了維生素A的生成。

3.3 代謝酶的基因變異β-胡蘿卜素代謝存在遺傳變異性，編碼β-胡蘿卜素代謝的酶(如BCMO1和BCDO2)的基因變異可能導(dǎo)致β-胡蘿卜素的轉(zhuǎn)化不良表型。動物研究結(jié)果顯示，BCMO1-/-小鼠在接受含有極少量維生素A的β-胡蘿卜素飲食喂養(yǎng)后，血漿β-胡蘿卜素濃度較野生型小鼠升高35倍，且BCMO1-/-小鼠肝臟、肺、睪丸、子宮等表達(dá)BCMO1的組織中的維生素A及視黃酯水平很低，甚至檢測不到[29]。

國外案例報道1位BCMO1基因變異(p.T170M)的患者，血液β-胡蘿卜素明顯升高，高達(dá)14.8μmol/L(正常范圍約0.9～3.7μmol/L)，體外試驗發(fā)現(xiàn)p.T170M突變可使BCMO1酶的活性降低約90%[26]。另有在健康志愿者中開展的研究表明，攜帶BCMO1p.A379V、p.R267S和p.A379S的變異的女性，腸道內(nèi)β-胡蘿卜素的轉(zhuǎn)化率降低。p.R267S和p.A379V雙突變體細(xì)胞的實驗結(jié)果證實，BCMO1的體外催化活性降低了57%。細(xì)胞研究結(jié)果與與體內(nèi)試驗的結(jié)果一致，即攜帶p.R267S和p.A379V變異等位基因的女性將β-胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為視黃酯的能力降低了69%[30]。β-胡蘿卜素的轉(zhuǎn)化不良表型患者常伴隨高胡蘿卜素血癥。與野生型等位基因攜帶者相比，女性p.A379V和p.R267S+p.A379V等位基因攜帶者的血漿β-胡蘿卜素濃度分別升高1.6倍(P<0.05)和2.4倍(P<0.05)。在漢族人群中，BCMO1基因rs11646692位點的基因多態(tài)性對血液β-胡蘿卜素水平?jīng)]有顯著影響。然而，若每日蔬菜攝入量高于150g，rs11646692位點為GG的人群中血液β-胡蘿卜素水平顯著高于其他基因型[31]。上述研究結(jié)果提示，BCMO1基因在β-胡蘿卜素轉(zhuǎn)化中起到關(guān)鍵作用，BCMO1基因的遺傳變異影響著β-胡蘿卜素的轉(zhuǎn)化效率，可能與高胡蘿卜素血癥的發(fā)生相關(guān)。另一參與β-胡蘿卜素代謝的類胡蘿卜素加氧酶BCDO2的基因多態(tài)性也影響著體內(nèi)β-胡蘿卜素的水平。在BCDO1-/-小鼠的肝線粒體中，檢測到了明顯的類胡蘿卜素及其代謝物的積累，而在BCDO2野生型小鼠的肝線粒體中未檢測到類胡蘿卜素。

3.4 體重指數(shù)有研究得出體重指數(shù)與轉(zhuǎn)化效率呈負(fù)相關(guān)[25]。身體脂肪較多的受試者，大部分的β-胡蘿卜素可能被儲存在脂肪中，而被儲存的β-胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為維生素A的能力較低[25]。

4 高胡蘿卜素血癥

4.1 高胡蘿卜素血癥的臨床表現(xiàn)高胡蘿卜素血癥為血液中胡蘿卜素水平升高導(dǎo)致的生化異常，患者皮膚黃橙色色素沉著[32-33]，過量(β-胡蘿卜素攝入超30mg/d)食用富含胡蘿卜素的水果和蔬菜是常見的原因[34]。但類胡蘿卜素攝入量與高胡蘿卜素血癥之間沒有顯著的相關(guān)性[35]，說明相關(guān)代謝酶的遺傳變異性也是高胡蘿卜素血癥發(fā)生發(fā)展的可能病因。

斯里蘭卡的一項研究發(fā)現(xiàn)，在615名高類胡蘿卜素飲食的兒童中，高胡蘿卜素血癥的患病率為2%[35]。高胡蘿卜素血癥的發(fā)病年齡在7個月至11歲之間，就診時的中位年齡為13個月[36]。類胡蘿卜素可沉積在角質(zhì)層，體格檢查時可見手掌、腳底、前額、鼻尖和鼻唇溝皮膚顏色變黃，但黃色色素不影響鞏膜和黏膜，因此可與黃疸區(qū)分。實驗室檢查可見血清胡蘿卜素水平升高，血清轉(zhuǎn)氨酶和膽紅素正常。若參與β-胡蘿卜素生物轉(zhuǎn)化的酶功能缺陷，可能并發(fā)維生素A缺乏。治療的主要方法是減少飲食中類胡蘿卜素的攝入，黃色色素沉積可隨時間逐漸消退[37]。

4.2 β-胡蘿卜素的劑量對生物轉(zhuǎn)化的影響在成年哺乳動物中，BCMO1基因轉(zhuǎn)錄受過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferators-activated receptors，PPARγ)的控制，PPARγ是成熟脂肪細(xì)胞中脂肪分化和脂肪生成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，源自β-胡蘿卜素裂解的內(nèi)源性視黃酸降低了PPARγ的表達(dá)，具有抑制脂肪生成的作用[38]，故脂肪酸的調(diào)節(jié)代謝可能與β-胡蘿卜素之間存在聯(lián)系。組織學(xué)分析顯示，與BCDO2+/+小鼠相比，BCDO2+/-和BCDO2-/-小鼠體內(nèi)類胡蘿卜素蓄積明顯，甘油三酯含量顯著增加，并出現(xiàn)肝臟脂肪變性。國內(nèi)一項臨床研究的結(jié)果顯示，BCMO1基因的多態(tài)性可影響機體的血脂代謝，BCMO1基因位點rs7501331的CT和TT基因型是高LDL的危險因素[39]。因此，與代謝酶基因變異相關(guān)的高胡蘿卜素血癥可能影響脂肪酸的代謝。

β-胡蘿卜素的病理性積累還可能誘導(dǎo)線粒體相關(guān)信號通路的氧化應(yīng)激。參與β-胡蘿卜素代謝的類胡蘿卜素加氧酶BCDO2是一種線粒體蛋白，在保護(hù)組織免受類胡蘿卜素誘導(dǎo)的線粒體功能障礙方面起著關(guān)鍵作用。在野生型小鼠(BCDO2+/+)中，類胡蘿卜素被BCDO2分解代謝，避免在線粒體中積累。在突變小鼠(BCDO2-/-)中，類胡蘿卜素在線粒體中積累，可損害線粒體呼吸鏈(復(fù)合物Ⅰ～Ⅳ)，并以劑量依賴性方式誘導(dǎo)活性氧產(chǎn)生，導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng)[40]。臨床研究表明，高劑量補充β-胡蘿卜素會傷害處于氧化應(yīng)激相關(guān)疾病風(fēng)險的個體，如增加吸煙者發(fā)生肺癌的風(fēng)險[41]。若高胡蘿卜素血癥的患者攜帶BCDO2功能喪失的等位基因，可能導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)類胡蘿卜素積累，從而引起線粒體功能障礙，導(dǎo)致與氧化應(yīng)激相關(guān)的疾病。

4.3 高胡蘿卜素血癥和其他疾病的相互作用甲狀腺激素可促進(jìn)胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為維生素A，可能有助于維生素A的吸收[36]。與甲狀腺功能正常對照組相比，甲狀腺功能減退癥患者血清中的β-胡蘿卜素水平顯著升高，而甲狀腺功能亢進(jìn)的患者血清β-胡蘿卜素水平顯著降低[42]。神經(jīng)性厭食癥患者也常合并高胡蘿卜素血癥。一項回顧性病例對照研究顯示，在101名患有神經(jīng)性厭食癥的女性患者中，62%的患者合并有高胡蘿卜素血癥，與對照組相比，患者的血清β-胡蘿卜素明顯升高[43]。

5 結(jié)論與展望

β-胡蘿卜素是人類飲食中維生素A的主要來源。近年來，已經(jīng)確定了這組編碼關(guān)鍵代謝酶的基因，包括類胡蘿卜素轉(zhuǎn)運蛋白和代謝酶。β-胡蘿卜素代謝的關(guān)鍵酶基因的多態(tài)性影響著體內(nèi)β-胡蘿卜素的水平，相關(guān)基因變異可能導(dǎo)致高胡蘿卜素血癥的發(fā)生。在評估β-胡蘿卜素的生理作用時，需考慮個體的遺傳變異型。隨著研究的深入，未來β-胡蘿卜素代謝和生物轉(zhuǎn)化的相關(guān)的研究結(jié)果有助于理解這種重要微量營養(yǎng)素的生化、生理和醫(yī)學(xué)作用。