D-絲氨酸與腎功能不全關(guān)系的研究進(jìn)展

梁艷 金娟 龔建光 何強(qiáng)

絲氨酸是組成蛋白質(zhì)的非必需氨基酸之一，L-絲氨酸（L-Serine,L-Ser）是其存在的天然形式，是葡萄糖通過一系列氧化和磷酸化反應(yīng)合成的，參與蛋白質(zhì)、核苷酸、脂肪酸、糖異生等代謝過程。D-絲氨酸（DSer）是L-Ser的對映異構(gòu)體，內(nèi)源性D-Ser是一種神經(jīng)遞質(zhì)，在神經(jīng)元發(fā)育和突觸傳遞中發(fā)揮重要作用。對D-Ser研究最多的是在神經(jīng)系統(tǒng)，它與精神分裂癥、抑郁癥、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙、睡眠調(diào)節(jié)等[1-3]神經(jīng)精神性疾病密切相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，高D-Ser水平與腎功能不全之間有密切的關(guān)系，它可能參與了腎臟損傷進(jìn)程。本文就D-Ser與引起腎功能不全的關(guān)系研究進(jìn)展作一綜述。

1 D-Ser在體內(nèi)的代謝特點(diǎn)

1.1 D-Ser的合成代謝 內(nèi)源性D-Ser主要富集在大腦Ⅱ型星形膠質(zhì)細(xì)胞中，是由L-Ser經(jīng)過絲氨酸消旋酶（serine racemase,SR）消旋化形成的一種神經(jīng)遞質(zhì)，是N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartate,NMDA）谷氨酸受體的激動劑[4-6]。SR含有磷酸吡哆醛，對LSer有高度特異性[6-7]。大腦中合成的D-Ser經(jīng)過體循環(huán)運(yùn)輸，是全身某些組織器官中D-Ser的主要來源[8]。另一方面，腸道菌群代謝也可產(chǎn)生D-Ser[9]。血漿中的L-Ser濃度是D-Ser的 20倍左右[10]。

1.2 D-Ser的分解代謝 D-Ser在血液中微量存在，主要由腎臟排泄。在體內(nèi)由D-氨基酸氧化酶（D-amino acid oxidases,DAAO）進(jìn)行氧化脫氨，生成羥基丙酮酸鹽、過氧化氫和氨，最終能夠減輕D-Ser在某些器官內(nèi)蓄積所產(chǎn)生的毒性。DAAO在真菌、嚙齒類動物和哺乳動物等真核生物中廣泛分布，在人的嗜中性粒細(xì)胞、腎臟、大腦中都有表達(dá)，在腎臟中含量最高[11]。人體內(nèi)的L-Ser通過一碳單位代謝參與三羧酸循環(huán)，是人體的重要營養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)腎小球?yàn)V過后，約99%被近端小管重吸收[12]，來維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。D-Ser與L-ser有很大的區(qū)別，在正常人中，D-Ser的排泄分?jǐn)?shù)達(dá)到62.1%[13]，只有小部分在近端小管直部重吸收后，被腎小管上皮細(xì)胞內(nèi)的DAAO降解[14]，因此，血漿D-Ser水平只達(dá)到體內(nèi)D-Ser總量的3%[15]，說明腎臟能夠以手性來選擇性區(qū)分D型和L型氨基酸。

2 D-Ser與腎臟疾病

2.1 慢性腎臟?。╟hronic kidney disease,CKD） 中國成人的CKD患病率達(dá)到10.8%[16]，特別在農(nóng)村地區(qū)，CKD的知曉率和控制率不容樂觀，已成為我國的一個公共衛(wèi)生問題?；颊咭坏┻M(jìn)入終末期腎?。╡nd stage renal disease,ESRD），只能靠腎臟替代治療來維持生命，帶來極大的痛苦和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。目前，主要通過腎小球?yàn)V過率（glomerular filtration rate,GFR）和蛋白尿來對可疑患者進(jìn)行篩查和管理[17]，因此，尋找新的生物標(biāo)志物來早期診斷和預(yù)防CKD尤為關(guān)鍵。

血中D-氨基酸水平升高與腎功能不全之間的關(guān)系早有報(bào)道，當(dāng)血肌酐升高時(shí)，血漿中D-Ser濃度可升高至20%以上，并與血肌酐和血尿素氮濃度呈正相關(guān)[18-20]。Kimura等[21]的一項(xiàng)隊(duì)列研究中，使用二維-高效液相色譜技術(shù)對晚期CKD患者進(jìn)行代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)了血漿中的16種D-氨基酸，但是只有D-Ser和D-天冬酰胺（D-asparagine,D-Asn）水平的升高與GFR下降呈負(fù)相關(guān)，并與生存結(jié)局（腎臟替代治療和全因死亡）密切相關(guān)，表明高水平D-Ser和D-Asn是CKD預(yù)后不良的生物標(biāo)志物。最近，Hesaka等[13]用2D-HPLC技術(shù)檢測患有不同腎臟基礎(chǔ)病的CKD患者血漿中的D-Ser水平，發(fā)現(xiàn)其升高與菊粉清除率的下降呈顯著負(fù)相關(guān)。D-Ser與肌酐不同，不受年齡、性別、肌肉量等的影響，它在人體內(nèi)的分布比較穩(wěn)定，這也是它可以用來反應(yīng)腎功能受損的最大優(yōu)勢。眾所周知，菊粉清除率是用來評估GFR的“金標(biāo)準(zhǔn)”，因此，D-Ser可能成為估計(jì)GFR的標(biāo)志物，在對D-Ser的血漿水平和尿液排泄分?jǐn)?shù)進(jìn)行聯(lián)合分析后發(fā)現(xiàn)，在非CKD的正常人中，D-Ser水平在一定范圍內(nèi)波動，而CKD患者由于GFR下降導(dǎo)致D-Ser尿液排泄顯著降低，血液水平升高，因此能有效區(qū)分CKD患者與腎功能正常者，靈敏度和特異度可分別達(dá)到0.727和1.000。

2.2 急性腎損傷（acute kidney injury,AKI） AKI是指短期內(nèi)腎小球功能急劇下降，可使ESRD的發(fā)病率增加13倍[22]，對于進(jìn)展迅速的患者，尤其是ICU患者，死亡率極高[23]。Sasabe等[15]對缺血-再灌注損傷（ischemia-reperfusion injury,IRI）誘導(dǎo)的AKI小鼠進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，在正常小鼠尿液中，D-Ser含量是L-Ser含量的3倍；但在IRI小鼠的血液和隨機(jī)尿樣本中，D-Ser與L-Ser的比例（D-/L-Ser）發(fā)生了紊亂，腎衰竭患者體液中的的D-/L-Ser與IRI后發(fā)生嚴(yán)重腎功能不全的小鼠相似，證明了尿液中的D-/L-Ser可以更早的檢測到腎臟損傷，比腎臟損傷分子-1（kidney injury molecule-1,KIM-1）和中性粒細(xì)胞明膠酶相關(guān)脂質(zhì)運(yùn)載蛋白（neutrophil gelatinase-associated lipocalin,NGAL）更敏感，可以成為AKI的早期診斷標(biāo)志物。Nakade等[9]進(jìn)一步研究了D-Ser在腸-腎軸中的作用，IRI后，小鼠腸道中的微生物種群發(fā)生改變，并且糞便中的D-/L-Ser失衡，口服給予一定濃度D-Ser溶液后能夠減輕腎小管損傷，并且一定濃度的D-Ser可以對缺氧后的腎小管細(xì)胞起到保護(hù)作用，促進(jìn)增殖。這與其他學(xué)者的研究[12，14，17-18]中表現(xiàn)出的D-Ser與腎功能不全有關(guān)的結(jié)果有差別，可能與腎小管細(xì)胞對D-Ser濃度的敏感性有關(guān)[9]。

2.3 急進(jìn)性腎小球腎炎（rapidly progressive glomerulonephritis,RPGN） Hesaka等[24]的一項(xiàng)病例報(bào)告中，對1例由抗中性粒細(xì)胞胞質(zhì)抗體相關(guān)性腎炎和系統(tǒng)性紅斑狼瘡腎炎引起的RPGN患者病程中的D-Ser水平進(jìn)行觀察，在急性期，患者血漿中的D-Ser水平異常升高，尿液排泄分?jǐn)?shù)為0%，在強(qiáng)化治療過程中，該患者血漿和尿液中的D-Ser水平值逐漸恢復(fù)正常，與肌酐水平變化基本吻合。由此可見，體液中的D-Ser水平可以用來反映GFR的下降和恢復(fù)情況。該項(xiàng)病例研究真正將體內(nèi)D-Ser水平的監(jiān)測用于指導(dǎo)臨床治療，為D-Ser的臨床應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2.4 其他繼發(fā)性腎臟病 在一項(xiàng)前瞻性橫斷面研究中，Iwakawa等[25]對有高血壓、糖尿病、血脂異常、吸煙等心血管事件和CKD危險(xiǎn)因素的65例對象進(jìn)行隨訪研究發(fā)現(xiàn)，用酶法檢測的晨尿D-Ser水平與GFR呈正相關(guān)，與腎小管損傷標(biāo)志物肝型脂肪酸結(jié)合蛋白（liver-type fatty acid-binding protein,L-FABP）和N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶（N-acetyl-β-D-glucosaminidase,NAG）無相關(guān)性，并且在校正了低左心室射血分?jǐn)?shù)和使用利尿劑等一系列危險(xiǎn)因素后，尿低水平DSer仍是這些患者腎功能惡化的獨(dú)立預(yù)測因子，靈敏度和特異度均為0.74。由此可見，尿液D-Ser水平檢測由于標(biāo)本留取方便和非侵入性的優(yōu)點(diǎn)，可能成為具有心血管危險(xiǎn)因素患者的腎臟事件預(yù)測標(biāo)志物。

3 高水平D-Ser引起腎功能不全的可能機(jī)制

在GFR下降初期，腎臟通過代償，增加尿液中DSer的排泄，來維持D-Ser在血液中的低濃度，隨著GFR的進(jìn)一步下降，D-Ser會在血液中蓄積[13]。而隨著腎功能的恢復(fù)，腎臟同樣通過增加D-Ser的尿液排泄來降低其血液水平[24]。綜上所述，D-Ser在腎臟內(nèi)存在一定的平衡機(jī)制。當(dāng)D-Ser水平在體內(nèi)發(fā)生紊亂時(shí)，會對腎功能產(chǎn)生不良影響，損傷腎小管[26-27]。

3.1 氧化應(yīng)激損傷 D-Ser主要在近端小管直部被特異性重吸收，那里也是DAAO主要分布的區(qū)域，D-Ser可通過DAAO的代謝來損傷大鼠近端小管直部，出現(xiàn)氨基酸尿和蛋白尿[14]。Zhang等[28]證明了大鼠發(fā)生急性缺血性腎損傷后，腎臟的DAAO活性降低。同時(shí)，DAAO能夠降低腎臟中谷胱甘肽活性[29]，使其對活性氧簇（reactive oxygen species,ROS）的清除減少，再加上D-Ser代謝產(chǎn)物羥基丙酮酸鹽和過氧化氫的累積，導(dǎo)致腎小管氧化損傷，出現(xiàn)壞死。然而，Orozco-Ibarra等[30]用D-Ser誘導(dǎo)大鼠產(chǎn)生腎功能損傷，檢測腎臟中的血紅素氧合酶-1、丙二醛、ROS等氧化應(yīng)激標(biāo)志物水平，結(jié)果顯示并無改變，因此，他們認(rèn)為D-Ser誘導(dǎo)腎小管損傷與氧化應(yīng)激無關(guān)，至少在腎臟損傷早期不發(fā)揮作用，但是并沒有否定谷胱甘肽的作用。這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)都是動物實(shí)驗(yàn)，均為研究D-Ser的腎臟損傷機(jī)制提供了很好的參考價(jià)值，仍需要在具體的腎病模型中進(jìn)行大量研究。

3.2 丙氨酸-絲氨酸-半胱氨酸-1（alanine-serine-cysteine-1,Asc-1）轉(zhuǎn)運(yùn)體參與 正常血液中的D-/L-Ser較低，這與近端小管對D-Ser和L-Ser的重吸收不平衡有關(guān)。發(fā)生腎損傷時(shí)，血液中的D-Ser濃度升高，表明近端小管對D-Ser重吸收增多，但腎臟的手性選擇性具體機(jī)制未明。近端小管Asc-1轉(zhuǎn)運(yùn)體是一種中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，主要表達(dá)于神經(jīng)系統(tǒng)[31]、腎遠(yuǎn)端小管和集合管[32]。Suzuki等[33]用順鉑誘導(dǎo)小鼠近端小管特異性損傷后，血液中D-Ser濃度升高與Asc-1的mRNA表達(dá)水平上調(diào)呈正相關(guān)，同時(shí)用順鉑處理腎細(xì)胞系，細(xì)胞內(nèi)D-/L-Ser升高，說明Asc-1提高了對D-Ser的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，而對L-Ser親和力較高的中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)下調(diào)。

3.3 一般性調(diào)控阻遏蛋白激酶2（general control nonderepressible 2,GCN2）激活 細(xì)胞在面對體內(nèi)外環(huán)境變化時(shí)，通過快速調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的產(chǎn)物水平來迅速恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，這就是綜合應(yīng)激反應(yīng)（integrated stress response,ISR）。當(dāng)發(fā)生腎損傷時(shí)，近端小管對L-Ser的重吸收減少，細(xì)胞內(nèi)L-Ser水平降低，導(dǎo)致tRNA合成時(shí)不能氨基?；ヵ；痶RNA水平升高，后者能結(jié)合并激活氨基酸傳感器GCN2[34]，GCN2進(jìn)一步磷酸化真核翻譯起始因子2α，從而抑制蛋白質(zhì)翻譯，并激活活化轉(zhuǎn)錄因子4（activated transcription factor 4,ATF4）[35-36]，最后觸發(fā)了ISR。ATF4能夠激活細(xì)胞自噬[36]、衰老和凋亡[35]相關(guān)信號分子如CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白（CCAAT enhancer binding protein,C/EBP）同源蛋白[25]等的表達(dá)，分泌促炎和促纖維化等細(xì)胞因子，加重CKD進(jìn)展。此外，GCN2在真核細(xì)胞中廣泛表達(dá)，其過度激活還與多種疾病有關(guān)，比如氣道炎癥[37]、腸炎[38]、腫瘤免疫抑制[39]、艾滋[40]等免疫系統(tǒng)相關(guān)疾病。有報(bào)道通過臨床病例分析，發(fā)現(xiàn)GCN2過表達(dá)可能是乳頭狀腎細(xì)胞癌的預(yù)后不良標(biāo)志物[41]。

3.4 N-甲基-D-天冬氨酸受體（N-methyl-D-aspartic acid receptor,NMDAR）介導(dǎo) NMDAR主要分布在中樞神經(jīng)系統(tǒng)，此外，在腎臟、心臟、骨、甲狀旁腺[42]和胰腺[43]等組織器官中都有表達(dá)。NMDAR是一種陽離子通道受體，是由功能性亞單位NR1和調(diào)節(jié)性亞單位NR2A、NR2B、NR2C、NR2D或NR3A、NR3B組成的異源性四聚體[44]，對Ca2+具有高通透性，可引起與Ca2+內(nèi)流有關(guān)的膜電位事件。

D-Ser是近年來新發(fā)現(xiàn)的NMDAR的調(diào)節(jié)劑[4]，可正向調(diào)節(jié)NMDAR下游信號通路。D-Ser能夠與胰腺β細(xì)胞上的NMDAR作用，抑制胰島素分泌，引起血糖升高[43]。糖尿病腎?。╠iabetic kidney disease,DKD）是糖尿病最嚴(yán)重的并發(fā)癥之一，在美國，40%的DKD最終發(fā)展成ESRD[45]。NMDAR在腎中廣泛表達(dá)，足細(xì)胞NMDAR長時(shí)間激活會引起氧化應(yīng)激、凋亡等損傷。已有研究證明，NMDAR拮抗劑可阻止糖尿病引起的腎功能損傷[46-47]。同時(shí)，給大鼠腹腔注射一定劑量的D-Ser后，可通過過度激活NMDAR來激活下游的Ca/PKC/NOX信號通路，促進(jìn)氧化應(yīng)激對腎小管的損傷，而阻斷NMDAR的表達(dá)可以減少超氧化物的產(chǎn)生，減輕 D-Ser引起的 AKI[27]。

4 小結(jié)和展望

近幾年對氨基酸對映體的研究豐富了氨基酸代謝組學(xué)在疾病中的研究和應(yīng)用，尤其是D-Ser在腎臟疾病中的研究。D-Ser可能成為新的腎臟損傷標(biāo)志物。在CKD預(yù)后預(yù)測、AKI早期篩查和監(jiān)測疾病活動性等方面都表現(xiàn)出很高的靈敏度和特異度。同時(shí)，LSer支持療法和阻斷ISR下游信號通路可以改善D-Ser對人腎皮質(zhì)近曲小管上皮細(xì)胞的增殖抑制[35]、α-氨基異丁酸通過抑制大鼠近端小管對D-Ser的攝取來保護(hù)腎小管[29]及腸道微生物產(chǎn)生的D-Ser可促進(jìn)腎小管細(xì)胞增殖[9]等研究的發(fā)現(xiàn)，都為腎功能不全的治療提供了新策略。但是目前，D-Ser的研究多在動物模型中進(jìn)行，臨床樣本研究數(shù)量較少，引起腎功能不全的機(jī)制尚未明確，再加上高效液相色譜定量測量的條件限制，今后還需要更深入的研究來推進(jìn)D-Ser檢測的臨床應(yīng)用，使之聯(lián)合其他監(jiān)測指標(biāo)來實(shí)現(xiàn)對不同腎病類型和腎損傷程度的患者進(jìn)行精準(zhǔn)化治療，提高早期腎功能不全診斷陽性率，實(shí)現(xiàn)早期治療，改善預(yù)后。