蘇小偉 周華

(1.山西醫(yī)科大學(xué)研究生院,山西 太原 030000; 2.山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院心內(nèi)科,山西 太原030000)

纈氨酸、異亮氨酸和亮氨酸是3種關(guān)鍵的蛋白質(zhì)生成氨基酸,也是哺乳動(dòng)物生長(zhǎng)所需的必需氨基酸,具有重要的生理和生物學(xué)功能。由于其碳鏈中的支鏈結(jié)構(gòu),它們被稱為支鏈氨基酸(branched chain amino acid,BCAA)[1]。過(guò)去幾十年的大量研究已確定了一系列心血管疾病公認(rèn)的危險(xiǎn)因素,包括男性、高血壓、高總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇水平、吸煙和2型糖尿病,以及增加個(gè)人罹患心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)的許多遺傳因素[2]。目前越來(lái)越多的證據(jù)表明循環(huán)BCAA水平升高與心血管疾病呈正相關(guān),并可作為心血管疾病的潛在診斷和預(yù)后標(biāo)志物。本文就BCAA與心血管疾病研究進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述。

1 BCAA概述

1.1 BCAA的來(lái)源與生物學(xué)作用

BCAA屬于必需氨基酸,在細(xì)菌、植物和真菌中合成,但不能在人體及動(dòng)物體內(nèi)合成[3]。作為最豐富的必需氨基酸,BCAA不僅是合成含氮化合物的底物,還通過(guò)特殊的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)作為調(diào)節(jié)葡萄糖、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)合成代謝、腸道健康和免疫的信號(hào)分子,尤其是哺乳動(dòng)物PI3K/PKB/mTOR信號(hào)通路的靶點(diǎn)。BCAA循環(huán)水平的升高與胰島素抵抗、2型糖尿病、心血管疾病有密切關(guān)系[4]。目前的證據(jù)支持BCAA及其衍生物作為胰島素抵抗、2型糖尿病和心血管疾病等的潛在生物標(biāo)志物[5]。

1.2 BCAA的代謝

BCAA被高度可逆的酶分解代謝,作用于這些氨基酸的酶可同時(shí)使用3種BCAA作為底物。因此,1種BCAA水平變化伴隨著其他2種BCAA水平變化,具有相同的方向性和幅度,反映了這些氨基酸相似的化學(xué)性質(zhì)和代謝[6]。支鏈氨基轉(zhuǎn)移酶催化BCAA分解代謝途徑中第一個(gè)反應(yīng),這是一種可逆的轉(zhuǎn)氨作用,可將BCAA轉(zhuǎn)化為支鏈酮酸[7]。BCAA分解代謝的前兩個(gè)步驟由所有3種BCAA共享,后續(xù)步驟對(duì)每種BCAA都是獨(dú)一無(wú)二的。后續(xù)由支鏈α-酮酸脫氫酶復(fù)合體(branched-chain α-ketoacid dehydrogenase complex,BCKDH)脫羧和脫氫,BCKDH是BCAA分解代謝的限速酶。纈氨酸最終生成丙酰輔酶A,從而增強(qiáng)三羧酸循環(huán),而亮氨酸生成乙酰輔酶A,異亮氨酸同時(shí)生成丙酰輔酶A和乙酰輔酶A。由于BCKDH位于線粒體內(nèi)膜的內(nèi)側(cè),因此所有BCAA分解代謝都發(fā)生在線粒體基質(zhì)中[8]。

2 BCAA與心血管疾病

2.1 BCAA與高血壓

一項(xiàng)前瞻性人群隊(duì)列研究[9]發(fā)現(xiàn)BCAA的血漿濃度與新發(fā)高血壓的風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)。其機(jī)制可能為BCAA能減少大腦色氨酸和酪氨酸攝取,影響5-羥色胺和兒茶酚胺合成,從而影響中樞血壓調(diào)節(jié)[10]。另一方面,循環(huán)BCAA水平升高也可通過(guò)促進(jìn)氨基酸殘基與血管緊張素轉(zhuǎn)換酶結(jié)合而增強(qiáng)血管緊張素轉(zhuǎn)換酶活性,從而導(dǎo)致血壓升高[11]。有大量證據(jù)表明,高濃度BCAA會(huì)導(dǎo)致活性氧產(chǎn)生和線粒體功能障礙,其與高血壓的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。BCAA還可通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子核因子κB誘導(dǎo)促炎反應(yīng),導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)黏附分子-1和E選擇素釋放,從而導(dǎo)致高血壓[12]。上述研究表明高濃度BCAA與高血壓之間存在密切關(guān)系,未來(lái)循環(huán)BCAA水平可作為新的生物標(biāo)志物評(píng)估高血壓發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。此外,可研究降低BCAA水平的干預(yù)措施,對(duì)預(yù)防和管理高血壓提供新策略。

2.2 BCAA與動(dòng)脈粥樣硬化

Wang等[13]通過(guò)測(cè)定個(gè)體血漿氨基酸水平并評(píng)估其與血脂成分的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)血漿BCAA水平升高與動(dòng)脈粥樣硬化性脂質(zhì)譜風(fēng)險(xiǎn)增加顯著相關(guān)。其機(jī)制可能為高BCAA水平會(huì)通過(guò)mTORC1通路在內(nèi)皮細(xì)胞中產(chǎn)生炎癥和氧化應(yīng)激,從而促進(jìn)炎癥細(xì)胞黏附,最終導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化[14]。然而,有研究證明外源性補(bǔ)充BCAA對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化可能有改善作用。一項(xiàng)關(guān)于兔主動(dòng)脈粥樣硬化模型的研究[15]報(bào)告了血漿BCAA可改善細(xì)胞代謝過(guò)程,影響巨噬細(xì)胞并改變脂質(zhì)代謝。在動(dòng)脈粥樣硬化載脂蛋白E缺陷的小鼠中,補(bǔ)充亮氨酸可通過(guò)改善血漿脂質(zhì)譜(降低低密度脂蛋白和極低密度脂蛋白,增加高密度脂蛋白),下調(diào)ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白5和ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白8,導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化病變面積減少[16]。以上研究關(guān)于BCAA水平對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化的影響有相互矛盾的報(bào)道,目前關(guān)于BCAA水平如何影響動(dòng)脈粥樣硬化以及潛在分子機(jī)制有待更多循證醫(yī)學(xué)證據(jù)進(jìn)一步說(shuō)明。

2.3 BCAA與冠心病

有研究[17]聲稱BCAA主要在肝外組織尤其在心肌中分解代謝,并將其確定為冠心病風(fēng)險(xiǎn)的生物標(biāo)志物。Xu等[18]發(fā)現(xiàn)攝入BCAA顯著促進(jìn)人血小板活化和小鼠動(dòng)脈血栓形成。纈氨酸分解代謝產(chǎn)物α-酮異戊酸和最終氧化產(chǎn)物丙酰輔酶A對(duì)血小板活化的促進(jìn)作用最強(qiáng),表明纈氨酸/α-酮異戊酸分解代謝途徑在BCAA促進(jìn)血小板活化中起主要作用。美國(guó)女性循環(huán)BCAA濃度與心血管疾病的前瞻性隊(duì)列研究[19]中通過(guò)測(cè)定女性的血漿BCAA代謝物,并在隨訪中對(duì)心血管事件分析發(fā)現(xiàn):基線BCAA的單次隨機(jī)血漿測(cè)定與心血管事件呈正相關(guān),并且獨(dú)立于多個(gè)已確定的危險(xiǎn)因素。上述研究表明BCAA及其分解代謝產(chǎn)物均可作為血小板活化的重要調(diào)節(jié)因子,與動(dòng)脈血栓形成風(fēng)險(xiǎn)及心血管事件的發(fā)生呈正相關(guān)。未來(lái)可通過(guò)降低BCAA水平與靶向其分解代謝途徑來(lái)作為冠心病一級(jí)預(yù)防新策略。

2.4 BCAA與心力衰竭

Zaric等[15]發(fā)現(xiàn)BCAA水平長(zhǎng)期升高及其分解代謝失調(diào)可通過(guò)抑制BCKDH影響葡萄糖代謝,導(dǎo)致心肌缺血損傷,從而引起心力衰竭。Du等[20]通過(guò)對(duì)ST段抬高型心肌梗死患者經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療后入院時(shí)血漿代謝物濃度與院內(nèi)不良心血管事件發(fā)生之間的相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn),ST段抬高型心肌梗死患者入院時(shí)高循環(huán)BCAA濃度與經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療后出現(xiàn)的心臟破裂、惡性心律失常和心力衰竭相關(guān)。在BCAA分解代謝缺陷心臟中,葡萄糖攝取、氧化、糖原含量和蛋白質(zhì)糖基化顯著降低。通過(guò)激活BCKDH從而促進(jìn)BCAA分解代謝或部分抑制脂肪酸氧化來(lái)增加葡萄糖代謝,可減輕缺血再灌注損傷[21]。Chen等[22]發(fā)現(xiàn)有明顯心臟功能障礙的小鼠用化合物3,6-二氯苯并[b]噻吩-2-羧酸(3,6-dichlorobenzo[b]thiophene-2-carboxylic acid,BT2)治療后,小鼠心臟收縮力和舒張力得到改善。因此可知,高循環(huán)BCAA濃度與各種主要不良心血管事件發(fā)生相關(guān)并最終導(dǎo)致心臟泵功能衰竭,通過(guò)研究BCAA分解代謝特點(diǎn)及導(dǎo)致心力衰竭機(jī)制,未來(lái)可通過(guò)激活BCKDH從而加速BCAA代謝,降低其濃度,是治療心力衰竭的一個(gè)新的潛在有效靶點(diǎn)。

2.5 BCAA與心律失常

最近研究[23]表明來(lái)自人類多能干細(xì)胞的心肌細(xì)胞暴露于高BCAA環(huán)境時(shí),會(huì)出現(xiàn)鈣調(diào)節(jié)失調(diào)和心律失常。其機(jī)制為mTOR途徑在BCAA水平升高時(shí)激活導(dǎo)致活性氧產(chǎn)生增加,增加的活性氧驅(qū)動(dòng)氧化應(yīng)激可誘導(dǎo)心肌細(xì)胞中鈣調(diào)節(jié)失調(diào),此外,mTOR分子通路的激活也與心臟肥大和結(jié)構(gòu)重構(gòu)有關(guān)[24]。Yu等[25]也發(fā)現(xiàn),由于BCAA分解代謝缺陷導(dǎo)致支鏈α-酮酸代謝物的積累,直接抑制了線粒體復(fù)合物Ⅰ的活性并促進(jìn)了心臟線粒體中活性氧的過(guò)量產(chǎn)生,同時(shí)以mTOR途徑加重心房重構(gòu),從而導(dǎo)致心房顫動(dòng)的發(fā)生。綜上研究可知,血漿BCAA水平升高與心律失常的發(fā)生有顯著相關(guān)性,而mTOR途徑在BCAA水平升高引發(fā)的電生理功能障礙中起著中心作用。降低BCAA水平或干預(yù)mTOR途徑有望成為治療心律失常的新方法。

3 BCAA水平升高的原因討論

臨床上將BCAA作為生物標(biāo)志物預(yù)測(cè)疾病風(fēng)險(xiǎn)時(shí),應(yīng)明確導(dǎo)致BCAA水平升高的原因并針對(duì)性制定降低BCAA水平的策略。BCAA水平升高主要受其分解代謝、膳食攝入及腸道微生態(tài)影響。

3.1 分解代謝

脂肪組織和肝臟BCAA分解代謝抑制可能是血漿BCAA水平升高的主要驅(qū)動(dòng)因素[8]。BCKDH活性在糖尿病狀態(tài)下降低,其機(jī)制可能為肝臟中脂聯(lián)素-AMP活化蛋白激酶-線粒體基質(zhì)絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶信號(hào)受損使BCKDH活性降低,從而導(dǎo)致BCAA水平升高[26]。有證據(jù)[27]表明,肥胖個(gè)體BCAA水平升高部分是由于肝臟和脂肪組織中分解代謝比率降低所致,此外還包括多種BCAA代謝酶協(xié)同下調(diào)。因此糖尿病、肥胖等代謝綜合征患者BCAA分解代謝途徑中BCKDH活性及代謝比率降低更容易使循環(huán)BCAA水平升高,臨床上可通過(guò)對(duì)危險(xiǎn)因素的早期控制以減少BCAA水平升高帶來(lái)的不利影響。

3.2 膳食攝入

在嚙齒動(dòng)物研究[28]中,循環(huán)BCAA水平被證明與總蛋白攝入量呈正相關(guān)。膳食攝入BCAA通常來(lái)源于蛋白質(zhì),主要由短肽載體而不是單個(gè)氨基酸載體在腸道中吸收。富含蛋白質(zhì)膳食攝入后,循環(huán)BCAA水平上升2～3倍[3]。然而其他研究[29]存在不同看法,飲食中BCAA攝入量與血漿中測(cè)定的BCAA水平之間相關(guān)性很低。薈萃分析[30]表明,口服BCAA補(bǔ)充劑對(duì)循環(huán)異亮氨酸和纈氨酸水平無(wú)影響,對(duì)亮氨酸水平有適度影響。Rousseau等[31]表明,總蛋白質(zhì)攝入量與血漿BCAA水平的差異無(wú)顯著相關(guān)性。目前研究關(guān)于膳食攝入BCAA與循環(huán)BCAA水平的相關(guān)性尚有爭(zhēng)議。仍需大量研究進(jìn)一步證實(shí)富含蛋白質(zhì)膳食攝入量與血漿BCAA水平的相關(guān)性。

3.3 腸道微生態(tài)

眾所周知,氨基酸吸收是由蛋白質(zhì)分解后在小腸內(nèi)進(jìn)行的。腸道微生物在腸道內(nèi)的生物利用度非常重要。在小腸內(nèi),BCAA的生物合成涉及普氏菌菌株,普氏菌提高了腸道中BCAA的吸收,升高了循環(huán)BCAA水平[32]。此外,腸道微生物群具有豐富的BCAA生物合成潛力。在小鼠中,銅綠普生菌已被證明可升高循環(huán)BCAA水平[33]。Mesnage等[34]發(fā)現(xiàn)腸道微生物群中,糖化鐮刀菌和果膠拉氏螺旋體豐度與BCAA水平呈負(fù)相關(guān)。相比之下,擬桿菌及變形桿菌豐度與BCAA水平呈正相關(guān)。這說(shuō)明BCAA的吸收與腸道微生物群相關(guān),臨床可通過(guò)糞菌移植改變腸道微生態(tài)環(huán)境,進(jìn)而調(diào)控BCAA水平的高低。

4 降低BCAA水平的策略

4.1 小分子抑制劑介導(dǎo)BCAA水平降低

支鏈α-酮酸脫氫酶激酶(branched-chain α-ketoacid dehydrogenase kinase,BDK)抑制劑BT2已被證明可通過(guò)增強(qiáng)BCAA分解代謝降低體內(nèi)BCAA水平[22]。它可在肝臟、肌肉、腎臟及心臟等組織或器官內(nèi)減少BDK表達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)此作用。其機(jī)制為BT2與BDK結(jié)合觸發(fā)N末端結(jié)構(gòu)域的螺旋運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致BDK與BCKDH分離,同時(shí)加速體內(nèi)釋放的激酶降解,從而使血漿BCAA水平降低[35]。因此,BT2作為BDK抑制劑有助于治療由BCAA引起的代謝性疾病。此外,BCAA 攝入可加劇心臟組織脂質(zhì)過(guò)氧化毒性并惡化心肌對(duì)缺血再灌注損傷的脆弱性,依托莫昔作為一種脂肪酸氧化途徑的特異性抑制劑,可降低BCAA水平,從而減輕缺血再灌注損傷的有害影響[36]。另一類小分子抑制劑KLF15屬于Cys2His2鋅指DNA結(jié)合蛋白亞類,可調(diào)節(jié)包括BCAA在內(nèi)的多種營(yíng)養(yǎng)素代謝,它能抑制脂肪生成,并增加BCAA分解代謝,為增強(qiáng)糖異生提供底物,從而降低BCAA水平[37]。未來(lái)有待針對(duì)BCAA分解代謝途徑關(guān)鍵酶為靶點(diǎn),開(kāi)發(fā)更多小分子抑制劑來(lái)干擾BCAA代謝過(guò)程,以期實(shí)現(xiàn)心血管系統(tǒng)保護(hù)作用。

4.2 膳食物質(zhì)介導(dǎo)BCAA水平降低

代謝組學(xué)分析表明,素食者循環(huán)BCAA水平顯著低于雜食者,其機(jī)制可能與腸道微生物群的調(diào)節(jié)顯著相關(guān)[38]。傳統(tǒng)飼養(yǎng)的飲食誘導(dǎo)型小鼠喂養(yǎng)絲瓜,可降低循環(huán)BCAA水平,其機(jī)制可能為絲瓜上調(diào)BCAA分解代謝酶組織特異性表達(dá),并且抑制腸道微生物BCAA的生物合成,從而減少BCAA補(bǔ)充[39]。在一項(xiàng)隨機(jī)雙盲對(duì)照研究[40]中,與安慰劑組相比,食用核桃5 d后,空腹纈氨酸和異亮氨酸水平降低。核桃可能通過(guò)改善胰島素抵抗增強(qiáng)了BCAA的排泄。因此,膳食的調(diào)整可通過(guò)多種途徑降低循環(huán)BCAA水平,適量增加植物蛋白攝入、減少動(dòng)物蛋白攝入,從而降低心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 天然藥物介導(dǎo)BCAA水平降低

鼠尾草和三七中草藥長(zhǎng)期以來(lái)被廣泛應(yīng)用于中醫(yī)藥防治冠心病,Tao等[41]發(fā)現(xiàn)高劑量鼠尾草和三七中草藥可通過(guò)激活BCKDH促進(jìn)急性心肌梗死大鼠心肌BCAA分解代謝,顯著降低急性心肌梗死后BCAA的水平。對(duì)糖尿病小鼠使用梭形鏈球菌乙醇提取物可降低脂肪和心臟組織的病理變化程度,改變腸道微生物群的組成,降低BCAA水平,最終減輕高血脂癥狀以及心臟組織損傷[42]。Yue等[43]發(fā)現(xiàn)小檗堿可通過(guò)激活BCKDH,促進(jìn)高脂飲食喂養(yǎng)小鼠的肝臟和附睪白色脂肪組織中BCAA分解代謝。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí),小檗堿可增加肝細(xì)胞和脂肪細(xì)胞中BCAA分解代謝。關(guān)于更多介導(dǎo)BCAA水平降低的天然藥物有待通過(guò)更多的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究來(lái)證實(shí)其有效性。

5 小結(jié)

本文綜述了BCAA水平升高與多種心血管疾病呈正相關(guān),并且BCAA主要通過(guò)調(diào)節(jié)神經(jīng)激素合成、誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)、改變糖脂代謝、促進(jìn)血小板活化、引起心肌鈣失調(diào)等多種原因?qū)е滦难芗膊〉陌l(fā)生發(fā)展。討論了引起B(yǎng)CAA水平升高的原因,包括分解代謝過(guò)程中關(guān)鍵酶下調(diào)、過(guò)量動(dòng)物蛋白攝入和腸道菌群失調(diào)。針對(duì)其原因制定了降低BCAA水平的策略,包括分解代謝途徑中酶的抑制劑的使用、膳食結(jié)構(gòu)的調(diào)整和天然藥物的使用。關(guān)于高循環(huán)BCAA水平引起心血管疾病的更多機(jī)制需通過(guò)大量基礎(chǔ)及臨床研究進(jìn)一步探索,未來(lái)通過(guò)干預(yù)循環(huán)中BCAA水平有望成為治療心血管疾病的新策略。