畢建成，安翠平(綜述)，李寶全，許順江(審校)(1.河北醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院中心實驗室，河北 石家莊 05001；2.河北省中醫(yī)院檢驗科，河北 石家莊 050011；.河北省石家莊市第一醫(yī)院(中心醫(yī)院院區(qū))檢驗科，河北 石家莊 050011)

·綜述·

肉堿缺乏癥的研究進(jìn)展

畢建成1，2，安翠平3(綜述)，李寶全3，許順江1*(審校)
(1.河北醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院中心實驗室，河北 石家莊 050031；2.河北省中醫(yī)院檢驗科，河北 石家莊 050011；3.河北省石家莊市第一醫(yī)院(中心醫(yī)院院區(qū))檢驗科，河北 石家莊 050011)

肉堿；原發(fā)性肉堿缺乏癥；繼發(fā)性肉堿缺乏癥；基因突變

10.3969/j.issn.1007-3205.2014.08.047

肉堿(carnitine)是一種小分子水溶性化合物，在能量產(chǎn)生和脂肪酸代謝方面具有重要作用，其廣泛存在于動物源性食物中，但在植物源性食物中則含量比較少，人體內(nèi)75%的肉堿來自于膳食[1]。在人體內(nèi)左旋肉堿是具有生物活性的肉堿異構(gòu)體，主要通過腸道上皮細(xì)胞膜進(jìn)行主動轉(zhuǎn)運或被動轉(zhuǎn)運兩種形式吸收。左旋肉堿的生物利用度可因食物組成成分的不同而變化，如食用低肉堿含量食物的素食者，其肉堿生物利用度(66%～86%)高于經(jīng)常食用肉類食物的人群(54%～72%)[2]。人體內(nèi)部分不能從食物中獲得的內(nèi)源性肉堿則主要由兩種必需氨基酸——賴氨酸和甲硫氨酸在肝臟、腎臟和腦內(nèi)合成[3]。心肌和骨骼肌內(nèi)肉堿含量最高，但卻不能自身合成，所以必須從血液里吸收。未被吸收的肉堿大部分由大腸內(nèi)的微生物降解。體內(nèi)近99%的肉堿位于細(xì)胞內(nèi)，對糖代謝具有重要影響[3]。臨床研究發(fā)現(xiàn)肉堿的吸收和調(diào)節(jié)異常涉及多種疾病，包括神經(jīng)退行性疾病、糖尿病、外傷、營養(yǎng)不良、心肌病、肥胖等，甚至?xí)绊懙剿幬镏g的相互作用[4]?，F(xiàn)將肉堿在人體營養(yǎng)和疾病中的作用及肉堿缺乏性疾病的研究進(jìn)展綜述如下。

1 肉堿的生物合成與代謝

1.1 肉堿的生物合成：肉堿，作為一種支鏈非必需氨基酸，在體內(nèi)由必需氨基酸——賴氨酸和甲硫氨酸合成，但需要抗壞血酸、二價鐵離子、維生素B6和煙酸等輔助因子共同參與，其中任何一種物質(zhì)缺乏均可導(dǎo)致肉堿合成障礙[4]。在哺乳動物，合成肉堿的唯一途徑是利用結(jié)合蛋白的賴氨酸經(jīng)過甲基化生成三甲基賴氨酸，然后再經(jīng)過4個酶促反應(yīng)形成內(nèi)源性左旋肉堿。其中的關(guān)鍵酶之一是γ-丁基甜菜堿羥化酶，在心肌和骨骼肌細(xì)胞中缺乏表達(dá)，但在人肝臟、睪丸和腎臟等器官中高度表達(dá)[4]。素食者左旋肉堿的生物合成速率大約為1.2μmol·kg-1·d-1，而雜食者每天可攝取2～12μmol/kg，相當(dāng)于體內(nèi)肉堿來源的75%[5]。腎臟的重吸收和日常飲食中肉堿攝入量的變化都不會影響內(nèi)源性肉堿的生物合成的速率。日常飲食來源的肉堿，其生物利用率只有14%～18%，未被吸收的肉堿主要由大腸內(nèi)的微生物降解[5]。

1.2 肉堿的代謝途徑：來自食物中攝入或經(jīng)肝臟、腎臟合成的游離肉堿，首先進(jìn)入血液，然后被運輸至各組織的細(xì)胞外液，進(jìn)入組織細(xì)胞內(nèi)的肉堿含量由其各自的吸收能力所決定。血漿內(nèi)乙?；鈮A和游離肉堿的濃度處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)，而且二者之比≤0.4被認(rèn)為是正常[6]。正常代謝過程中在細(xì)胞內(nèi)形成乙酰化肉堿酯，長鏈乙酰化肉堿酯可以將脂肪?；\輸?shù)骄€粒體內(nèi)，在線粒體和過氧化物酶體內(nèi)合成的短鏈和中鏈乙酰酯參與有機(jī)酸的清除。乙?；笮鈮A是主要的乙?；鈮A酯，既參與細(xì)胞的合成代謝,也參與其分解代謝。

1.3 肉堿的生物學(xué)功能：肉堿在維持細(xì)胞跨膜能量平衡以及主要靠脂肪酸氧化供能的組織能量代謝中發(fā)揮重要作用，如心肌和骨骼肌。肉堿不僅在游離脂肪酸代謝方面發(fā)揮主要作用，同時也促進(jìn)了碳水化合物的利用。心肌和骨骼肌對肉堿的攝入是通過逆濃度梯度的主動轉(zhuǎn)運方式吸收的，并且具有飽和性[7]。

實驗研究[8]表明在脂肪酸氧化過程中，將長鏈脂肪酸轉(zhuǎn)運至線粒體內(nèi)是限速步驟。在持續(xù)的低到中等強(qiáng)度運動過程中，脂肪酸的氧化將逐步提高，并且成為機(jī)體肌肉能量的主要來源。肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶Ⅰ(carnitine palmitoyltransferase Ⅰ，CPT-Ⅰ)是脂肪酸氧化過程中的限速酶，在高強(qiáng)度運動時，體內(nèi)肉堿水平的降低和酸中毒將減少脂肪酸的氧化供能。在體內(nèi)缺少肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶Ⅱ(carnitine palmitoyltransferase Ⅱ，CPT-Ⅱ)時，由于不能隨運動量的加大而增加脂肪酸的氧化供能，將導(dǎo)致肌肉損傷。

肉堿參與了維持細(xì)胞的體積與內(nèi)液的平衡，這種平衡受到細(xì)胞外環(huán)境張力(等張、高張、低張)的影響。資料顯示盡管肉堿的濃度可以因生理和病理狀態(tài)下滲透壓的變化而有所波動，但卻可以利用滲透壓梯度來維持機(jī)體的能量供應(yīng)[9]，如人們嘗試應(yīng)用非對稱動力學(xué)原理調(diào)節(jié)生理狀態(tài)下的滲透壓，在滴眼液里加入一定量的左旋肉堿，通過增加角(結(jié))膜上皮細(xì)胞對肉堿的攝入，調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透壓，用以治療干眼癥，取得一定療效[10]。

2 原發(fā)性肉堿缺乏癥(primary carnitine deficiency syndromes，PCD)

2.1 PCD發(fā)病機(jī)制：盡管臨床上有些患者很難嚴(yán)格診斷為原發(fā)性或繼發(fā)性肉堿缺乏，但目前已報道幾種明確的PCD[4]。PCD是一種少見的常染色體隱性遺傳疾病，由于細(xì)胞膜上肉堿轉(zhuǎn)運體OCTN2的表達(dá)缺陷導(dǎo)致肉堿攝入減少，從而影響到脂肪酸的氧化供能。肉堿轉(zhuǎn)運體表達(dá)缺陷致使組織攝取肉堿持續(xù)減少，降低了心肌和骨骼肌內(nèi)的肉堿貯存量，同時腎臟對游離肉堿的重吸收減少，大量肉堿由尿液排出，最終使體內(nèi)肉堿嚴(yán)重減少甚至耗竭[11]。臨床上PCD患者組織內(nèi)肉堿濃度可下降至正常濃度的10%以下[12]。肉堿轉(zhuǎn)運體活性的遺傳性缺陷是目前已知的PCD惟一病因[13]。

2.2 PCD主要表現(xiàn)：PCD的發(fā)病率為1～5/萬人，發(fā)病年齡多在1～7歲，其最常見的臨床表現(xiàn)為低酮癥低血糖性腦病，也可有心肌病的表現(xiàn)，致病基因為SLC22A5，目前已發(fā)現(xiàn)100多個突變位點[11]。PCD主要影響3種組織或器官，即心肌，表現(xiàn)為進(jìn)展性心肌病；中樞神經(jīng)系統(tǒng)，表現(xiàn)為低血糖低酮癥腦??；骨骼肌，表現(xiàn)為肌肉疾病[14]。對于上述患者，臨床補(bǔ)充左旋肉堿則是挽救生命的治療。目前臨床發(fā)現(xiàn)PCD主要出現(xiàn)在成人、嬰幼兒和圍生期3類人群，呈常染色體陰性遺傳[11]。SLC22A5的不同位點突變引起的發(fā)病形式和嚴(yán)重程度也不同，因此，測定血漿內(nèi)游離肉堿和總?cè)鈮A的含量對此類疾病的診斷尤其重要。

2.3 克羅恩氏病(Crohn′s disease)：克羅恩病患者肉堿轉(zhuǎn)運體的突變包括發(fā)生在OCTN1(SLC22A4)編碼區(qū)的錯義突變和OCTN2(SLC22A5)基因啟動子區(qū)域的突變[15]。這些突變導(dǎo)致熱休克蛋白結(jié)合元件結(jié)構(gòu)紊亂，引起OCTN1轉(zhuǎn)運功能下降及OCTN2表達(dá)量降低，從而出現(xiàn)肉堿缺乏。這些突變呈現(xiàn)強(qiáng)烈的連鎖不平衡，并產(chǎn)生兩對等位基因單體型，由此增加了此種疾病的整體風(fēng)險[16]。

3 繼發(fā)性肉堿缺乏癥(secondary carnitine deficiency,SCD)

3.1 SCD發(fā)病機(jī)制：由于體內(nèi)有機(jī)酸的蓄積，繼發(fā)性肉堿缺乏以腎臟通過尿液排泄乙?；鈮A增多為特征[17]。引起SCD的原因通常包括肉堿流失增多、化學(xué)藥物治療、遺傳性代謝性疾病的并發(fā)癥、節(jié)食、肉堿吸收不良、游離肉堿經(jīng)腎小管排泄增加(Fancony綜合征)、血液透析、腹膜透析治療以及?；鈮A伴隨某種藥物排泄增加等[18]。據(jù)報道，目前至少有15種肉堿缺乏癥是繼發(fā)于某種中間代謝物的遺傳缺陷或其他疾病。SCD患者體內(nèi)有機(jī)酸的積累會引起乙?；鈮A在尿液中的排泄更加增多，從而形成惡性循環(huán)[17]。

3.2 SCD主要表現(xiàn)：在臨床上常見，并且短期內(nèi)對身體不會造成嚴(yán)重影響。與PCD相比，SCD的發(fā)病通常與其他多種疾病或因素相關(guān)，如肝病、腎病、脂肪酸代謝缺陷或某些藥物(青霉素和丙戊酸等)的應(yīng)用[19]。臨床SCD多見于伴有肉堿排泄增加的腎小管疾病和血液透析患者；透析患者由于沒有足夠的肉堿合成及通過透析膜的丟失過多，導(dǎo)致肉堿缺乏。在某些病例甚至引起肉堿耗竭并伴發(fā)酯化肉堿含量的相對增加。因此，臨床補(bǔ)充左旋肉堿可以改善尿毒癥患者的多種并發(fā)癥，如改善心功能、提高患者的心功能儲備、增加肌肉張力、恢復(fù)血壓以及通過使紅細(xì)胞內(nèi)CPT活性恢復(fù)正常來減少促紅細(xì)胞生成素抵抗引起的貧血等[20]。Argani等[20]報道血液透析患者每天口服500mg肉堿，連續(xù)2月，可以降低血漿三酰甘油和極低密度脂蛋白的水平，同時升高高密度脂蛋白和白蛋白的水平。

4 基因突變引起的繼發(fā)性肉堿缺乏SCD

4.1 CPT-Ⅰ缺乏：研究[21-22]發(fā)現(xiàn)CPT-Ⅰ缺乏可以引起嚴(yán)重的脂肪酸代謝障礙，并已明確編碼人類CPT-Ⅰ的DNA序列及cDNA的核苷酸序列，但人類CPT-Ⅰ基因突變與臨床疾病的關(guān)系目前尚未見報道。

4.2 CPT-Ⅱ缺乏：成人CPT-Ⅱ缺乏癥臨床表現(xiàn)相對較輕，其癥狀加重大多由于高強(qiáng)度運動所誘發(fā)，多表現(xiàn)為肌無力等癥狀。圍產(chǎn)期和嬰幼兒的CPT-Ⅱ缺乏則涉及多器官損傷，以圍產(chǎn)期發(fā)病的癥狀最為嚴(yán)重，病死率近100%[23]。肌肉CPT-Ⅱ缺乏臨床最常見癥狀是運動誘發(fā)的肌肉疼痛，傳統(tǒng)上認(rèn)為該病臨床上出現(xiàn)肌紅蛋白尿，但有一項研究[4]發(fā)現(xiàn)大約21%的患者沒有出現(xiàn)肌紅蛋白尿。本病典型的臨床表現(xiàn)為兒童期即出現(xiàn)肌肉疼痛，青春期或成年初期開始出現(xiàn)肌紅蛋白尿。近來病例研究發(fā)現(xiàn)幾個CPT-Ⅱ基因新的突變位點，患者具有常染色體隱性遺傳疾病的獨特表型[24]。1例僅有2d的新生兒由于嚴(yán)重的肝病和心肌病死亡，隨后其妹妹也未能幸免。尸檢發(fā)現(xiàn)哥哥死于大面積肺不張、肺泡內(nèi)出血及心臟、肝臟的水腫；妹妹則死于因長鏈(C16-18)酰基肉堿的含量增高引起的呼吸心跳驟停，同時檢測發(fā)現(xiàn)，其肝臟、心臟和腎臟的CPT-Ⅱ活性明顯下降，最終死于新生兒CPT-Ⅱ缺乏[25]。

5 肉堿缺乏癥的治療

肉堿缺乏癥的診斷一旦確立，首先要做一系列的檢查進(jìn)行基線評估，如用超聲心動圖檢查有無心肌病，做心電圖檢查觀察有無心律失常，還有檢測肌酸激酶、轉(zhuǎn)氨酶以及空腹血糖的濃度觀察是否累及肌肉、肝功能或患有低血糖癥[11]。自上世紀(jì)60年代以來，肉堿作為一種營養(yǎng)補(bǔ)充劑，臨床一直用于治療多種肉堿缺乏性疾病，從而糾正脂肪酸的氧化供能。提示從營養(yǎng)和藥物角度補(bǔ)充肉堿并維持血液內(nèi)正常肉堿水平可能對一些疾病有益[26]。

對于大部分健康人群，包括素食主義者，可以通過自身合成或者從飲食中獲得足夠的肉堿，因此，肉堿被認(rèn)為是一種“條件性”必需營養(yǎng)素，在某種特定疾病狀態(tài)下，個體對肉堿的需要量可能要高于飲食中的攝入量。左旋肉堿的吸收和生物利用度很低，在腎臟中的清除率較高，并且要通過主動轉(zhuǎn)運的方式攝入組織中，因此，如果通過口服肉堿來提高血漿內(nèi)肉堿濃度，每天通常的劑量在50～400mg/kg，分3次服用，確切的劑量需要根據(jù)血液內(nèi)肉堿的水平做相應(yīng)的調(diào)整[11]。通過靜脈輸入左旋肉堿可能會更有效，然而，一旦肉堿轉(zhuǎn)運體功能飽和，在腎功能正常情況下，雖然95%的左旋肉堿經(jīng)腎小球濾過，但過量的外源性左旋肉堿會被排泄掉。

作為普通的營養(yǎng)物質(zhì)，肉堿的應(yīng)用還存在許多分歧和爭論。肉堿是一種天然化合物，口服劑量達(dá)到幾克水平也不會產(chǎn)生毒性作用，因此，常常被推薦用于治療PCD和SCD患者。但也有個別患者出現(xiàn)不良反應(yīng)，如胃腸蠕動增強(qiáng)、腹瀉、腸道不適等，一般減小劑量即可緩解[11]。一般來講，肉堿可以很容易被排泄掉，機(jī)體對補(bǔ)充肉堿有很好的耐受性。來自動物實驗和臨床研究的證據(jù)均表明治療性補(bǔ)充肉堿有益于機(jī)體健康[26]。

[1] ZHANG R,ZHANG H,ZHANG Z,et al.Neuroprotective effects of pre-treament with l-carnitine and acetyl-l-carnitine on ischemic injury in vivo and in vitro[J].Int J Mol Sci,2012,13(2):2078-2090.

[2] REUTER SE,EVANS AM.Carnitine and acylcarnitines: pharmacokinetic,pharmacological and clinical aspects[J].Clin Pharmacokinet,2012,51(9):553-572.

[3] CAVE MC,HURT RT,FRAZIER TH,et al.Obesity,inflammation,and the potential application of pharmaconutrition[J].Nutr Clin Pract,2008,23(1):16-34.

[4] FLANAGAN JL,SIMMONS PA,VEHIGE J,et al.Role of carnitine in disease[J].Nutr Metab (Lond),2010,7:30.

[5] REBOUCHE CJ.Kinetics,pharmacokinetics and regulation of L-carnitine and acetyl-L-carnitine metabolism[J].Ann N Y Acad Sci,2004,1033:30-41.

[6] BELLINGHIERI G,SANTORO D,CALVANI M,et al.Carnitine and hemodialysis[J].Am J Kidney Dis,2003,41(3 Suppl 1):S116-122.

[7] SRINIVAS SR,PRASAD PD,UMAPATHY NS,et al.Transport of butyryl-L-carnitine,a potential prodrug,via the carnitine transporter OCTN2 and the amino acid transporter ATB(0,+) [J].Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol,2007,293(5):G1046-1053.

[8] SAHLIN K,SALLSTEDT EK,BISHOP D,et al.Turning down lipid oxidation during heavy exercise--what is the mechanism? [J].J Physiol Pharmacol,2008,59(Suppl 7):19-30.

[9] NEBBIOSO M,EVANGELISTA M,LIBRANDO A,et al.Iatrogenic dry eye disease: an eledoisin/carnitine and osmolyte drops study[J].Biomed Pharmacother,2013,67(7):659-663.

[10] XU S,FLANAGAN JL,SIMMONS PA,et al.Transport of L-carnitine in human corneal and conjunctival epithelial cells[J].Mol Vis,2010,16:1823-1831.

[11] MAGOULAS PL,El-HATTAB AW.Systemic primary carnitine deficiency: an overview of clinical manifestations,diagnosis,and management[J].Orphanet J Rare Dis,2012,7:68.

[12] RASMUSSEN J,NIELSEN OW,JANZEN N,et al.Carnitine levels in 26,462 individuals from the nationwide screening program for primary carnitine deficiency in the Faroe Islands[J].J Inherit Metab Dis,2013[Epub ahead of print].

[13] KILIC M,OZGülL RK,COSKUN T,et al.Identification of mutations and evaluation of cardiomyopathy in Turkish patients with primary carnitine deficiency[J].JIMD Rep,2012,3:17-23.

[14] DE BOER L,KLUIJTMANS LA,MORAVA E.Primary carnitine (OCTN2) deficiency without neonatal carnitine deficiency[J].JIMD Rep,2013,10:39-40.

[15] GIRARDIN M,DIONNE S,GOYETTE P,et al.Expression and functional analysis of intestinal organic cation/L-carnitine transporter (OCTN) in Crohn's disease[J].J Crohns Colitis,2012,6(2):189-197.

[16] XUAN C,ZHANG BB,YANG T,et al.Association between OCTN1/2 gene polymorphisms (1672C-T,207G-C) and susceptibility of Crohn's disease: a meta-analysis[J].Int J Colorectal Dis,2012,27(1):11-19.

[17] RINALDO P,MATERN D,BENNETT MJ.Fatty acid oxidation disorders[J].Annu Rev Physiol,2002,64:477-502.

[18] WINTER SC.Treatment of carnitine deficiency[J].J Inherit Metab Dis,2003,26(2/3):171-180.

[19] REUTER SE,FAULL RJ,EVANS AM.L-carnitine supplementation in the dialysis population: are Australian patients missing out? [J].Nephrology (Carlton)，2008,13(1)：3-16.

[20] ARGANI H,RAHBANINOUBAR M,GHORBANIHAGIO A,et al.Effect of L-carnitine on the serum lipoproteins and HDL-C subclasses in hemodialysis patients[J].Nephron Clin Pract,2005,101(4):C174-179.

[21] YAMAZAKI N,MATSUO T,KURATA M,et al.Substitutions of three amino acids in human heart/muscle type carnitine palmitoyltransferase Ⅰ caused by single nucleotide polymorphisms[J].Biochem Genet,2008,46(1/2):54-63.

[22] HE L,KIM T,LONG Q,et al.Carnitine palmitoyltransferase-1b deficiency aggravates pressure overload-induced cardiac hypertrophy caused by lipotoxicity[J].Circulation,2012,126(14):1705-1716.

[23] ROE CR,YANG BZ,BRUNENGRABER H,et al.Carnitine palmitoyltransferase Ⅱ deficiency: successful anaplerotic diet therapy[J].Neurology,2008,71(4):260-264.

[24] ISACKSON PJ,SUTTON KA,HOSTETLER KY,et al.Novel mutations in the gene encoding very long-chain acyl-CoA dehydrogenase identified in patients with partial carnitine palmitoyltransferase Ⅱ deficiency[J].Muscle Nerve,2013,47(2):224-229.

[25] SEMBA S,YASUJIMA H,TAKANO T,et al.Autopsy case of the neonatal form of carnitine palmitoyltransferase-Ⅱ deficiency triggered by a novel disease-causing mutation del1737C[J].Pathol Int,2008,58(7):436-441.

[26] STANLEY CA.Carnitine deficiency disorders in children[J].Ann N Y Acad Sci,2004,1033:42-51.

(本文編輯：許卓文)

2013-11-18；

2013-12-24

河北省醫(yī)學(xué)科學(xué)研究重點課題計劃(20130136)

畢建成(1974-)，男，河北深澤人，河北醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院檢驗師，醫(yī)學(xué)學(xué)士，從事臨床檢驗研究。

*通訊作者。E-mail:sjxu66@sina.com

R735.7

A

1007-3205(2014)08-0989-04