甲基乙二醛與糖尿病及其并發癥發病機制的研究現狀

王 堯 邊艷新

（1 山東第一醫科大學（山東省醫學科學院），山東 濟南 250062；2 山東第一醫科大學附屬省立醫院，山東 濟南 250062）

甲基乙二醛（methylglyoxal，MG）是通過人體內糖酵解過程產生的一種有毒的副產物，屬于羰基化合物且活性較高，經非酶催化過程而產生，是磷酸二羥丙酮和甘油醛-3-磷酸的中間體。MG參與蛋白質和核酸的修飾過程以及參與誘導細胞凋亡過程，其通過結合DNA瞇基的殘基端發生關聯反應，形成DNA-蛋白質產物，致使DNA的雙鏈斷裂、抑制DNA合成，產生強烈的細胞毒性，從而導致細胞凋亡和組織損傷[1-2]。近年來，許多研究者發現MG已經與多種疾病的發生、發展有密切的聯系，成為當前國際學術界的熱門課題和研究方向。越來越多的研究證實MG和糖尿病的發生存在一定的關聯性，但目前國內在研究MG領域方面學術成果較少，少有MG的研究論文及評述，因此本文就目前國內研究MG的現狀與多種疾病的關系進行綜述。

1 MG的產生來源和基本代謝途徑

MG也稱為丙酮醛，其含有兩個羰基，因此性質較為活躍，易被氧化。其產生于糖酵解的過程中，作為非酶糖化反應中間體廣泛的存在于人體各個組織和器官中。MG的產生主要有兩種方式：①通過外源性攝取食物獲得MG。目前很多食物都含有較豐富的MG，如高糖食物、咖啡以及奶酪等均含有較高的MG，通過人體攝入進入到組織器官和血液當中，改變體內的MG含量；此外在食物的加工和制作過程中由于生產工藝或者儲存條件不當引起一些食品變質，同樣也會增加MG的產生。②通過內源性自身代謝產生MG。糖酵解所產生的磷酸丙糖是MG代謝途徑的中間體，其經非酶催化反應自發的脫掉磷酸后，可產生MG[3]。③MG的產生還可通過其他途徑產生。有文獻報道稱，氨基酸降解途徑、細胞色素P4502EI氧化丙酮途徑、脂質過氧化途徑和Amadori重排反應途徑等均可產生MG[4-5]。

人體內的MG是通過固有的代謝途徑將其降解從而達到解毒的目的。乙二醛酶系統參與代謝MG是其中最重要的一條途徑。乙二醛酶系統包含3種酶：乙二醛酶Ⅰ（glyoxalase Ⅰ，GLO Ⅰ）、乙二醛酶Ⅱ（glyoxalase Ⅱ，GLOⅡ）以及還原性谷胱甘肽（GSH）。其中GLO Ⅰ為反應過程中的限速酶，也是MG代謝過程中的關鍵酶，在MG的代謝途徑中起主導作用。在GLOⅠ的催化調節下，MG與谷胱甘肽發生反應產生硫代半縮醛，隨之生成SD-乳酰谷胱甘肽。SD-乳酰谷胱甘肽在GLOⅡ酶的催化作用下被水解成D-乳酸，同時還原了谷胱甘肽，從而實現解毒功能[6-9]。

此外，MG代謝分解途徑還有其他3種：①醛糖還原酶途徑。MG與谷胱甘肽結合，生成半硫代縮醛，在醛糖還原酶作用下催化生成Lct Aldehyde，而該物質成為另外一個醛糖還原酶的反應底物，并且在醛糖還原酶催化下生成丙二醇，從而將MG降解[10-12]。②三甲基甘氨醛脫氫酶途徑。三甲基甘氨醛脫氫酶也稱醛脫氫酶，不僅可以將三甲基甘氨醛催化后進行氧化，而且能夠將MG通過催化NAHP后氧化變成丙酮酸，進而轉化成丙酮醛和丙酮醇，達到降解[12]。③2-氧醛脫氫酶途徑。2-氧醛脫氫酶主要存在與肝臟組織并發揮作用，將MG氧化成丙酮酸鹽[12]。

2 MG的細胞毒性及AGEs的形成

在人體正常情況下，MG的含量較低，并且隨著糖酵解的發生，通過乙二醛酶系統將MG代謝為D-乳酸，隨之排出體外。但在高糖環境或者攝入高MG含量食物情況下，糖酵解過程發生異常變化，GLO Ⅰ的活性受到抑制，MG分解收到阻礙，導致體內MG含量逐漸升高，從而引起代謝途徑發生障礙，形成惡性循環，造成組織器官的嚴重損傷和細胞毒性的增強。

MG可與蛋白質殘基不可逆的發生交聯反應，引起蛋白質的理化功能改變及部分蛋白質的發生降解，并最終形成了晚期糖基化終末產物（advanced glycosylation end products，AGEs）[13-14]。有研究報道稱，糖尿病及并發癥的產生和老化進程的加快是由于體內產生的AGEs不斷聚集所致。AGEs與其細胞表面受體（receptor for advanced glycosylation end products，RAGE）結合后，細胞內的炎性因子被高效激活，引起下游基因的轉錄效率的提高，從而進一步提升信號通路的傳導效率以及大量活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產生，誘發炎癥和凋亡等一系列反應[15]。由于糖尿病患者體內的MG含量較高，且MG又是AGEs產生的前提和來源，研究和掌握他們在人體內發揮其毒性作用以及降解毒性的機制機制，避免代謝途徑紊亂導致細胞凋亡和器官損傷有著十分重要的作用。

3 MG參與糖尿病及其并發癥的發生與發展過程

伴隨著高糖高脂飲食的攝入以及自身體產生異常情況，MG在體內大量集聚，隨著MG含量的不斷積累，最終會引發代謝異常及障礙，這成為很多慢性疾病產生的重要誘因，因此MG與糖尿病及多種并發癥之間存在緊密的聯系。

3.1 MG與糖尿病的發生 糖尿病是以高血糖為主要特征的代謝性疾病，在病理狀態下，糖酵解的過程產生異常，導致糖代謝收到阻礙，引起血漿和細胞中的MG含量大量增加，由于代謝途徑異常，因此MG長期處于較高狀態，高濃度MG促使AGEs持續產生并積累。有研究表明，胰島素抵抗指數與血漿中AGEs水平及總羰基水平存在顯著性關聯[16-17]。在合成加工過程中胰島素與胰島素原可以發生糖基化反應，并且MG通過糖基化位點的精氨酸殘基及苯丙氨酸殘基對胰島素β鏈進行修飾[18-19]。糖化后的胰島素產生了一點的抵抗作用，只有高于正常的胰島素0.70，相同劑量的葡萄糖才能被誘導吸收[20]。此外MG通過糖基化反應對胰島素修飾后，糖基化的胰島素在胰島β細胞中對胰島素受體中的酪氨酸位點的磷酸化過程進行抑制，同時降低了磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidyl inositol 3-kinase，PI3K）活性，導致了其信號通路受到阻遏[21]。因此，糖基化反應是MG能夠阻遏胰島素信號通路，修飾和改變胰島素結構和功能的主要因素之一，從而抑制和破壞胰島素降糖功能，而AGEs通過激活RAGE引起胰島細胞的氧化應激作用和炎癥環境來實現對胰島細胞的損傷和破壞而阻礙降糖，從而引起糖尿病的發生。

3.2 MG可以誘發胰島素抵抗 胰島素抵抗（insulin resistance，IR）指胰島素對葡萄糖的攝取和利用效率下降，導致機體代償性的分泌過多胰島素以維持血糖穩定。很多外國報道提示MG可以誘發胰島素抵抗。Di Loreto等[22]研究表明，在氧化應激作用下，高濃度的MG可以降低信號調節激酶的磷酸化的水平，減弱信號傳導和調節的強度，從而增加胰島β細胞凋亡的頻率，引起胰島素抵抗的發生。Bansilal等[23]研究表明，MG的存在改變了胰島素功能，不僅能夠對PI3K信號途徑產生抵抗作用，而且能夠同時激活MAPK途徑，致使內皮細胞損傷加重，加劇動脈粥樣硬化的發生，從而導致胰島素產生抵抗。Jia等[19]和Randell等[24]研究結果表明，MG通過與胰島素β鏈精氨酸殘基交聯，改變蛋白質特性，引起骨骼肌細胞和脂細胞攝取葡萄糖的效率下降十分顯著，同時減弱了肝細胞清除功能，從而出現胰島素自分泌異常情況。

AGEs也是導致胰島素抵抗的重要誘因。研究人員在2型糖尿病小鼠中觀察到，AGEs還能夠通過受體RAGE，激活細胞內的NF-κB信號轉導通路并釋放RAGE的其他配體，誘發炎癥環境并刺激產生ROS，從而抑制胰島素信號轉導系統，然而ROS的產生又會反過來刺激AGEs的產生和積累，進而損傷胰島β細胞[25]。此外，受體RAGE的激活還會抑制GLO Ⅰ活性，GLO Ⅰ是代謝MG途徑的關鍵酶，因此MG的含量會增減累積，導致AGEs含量的進一步產生和積累并引起多種炎性因子的高效表達，形成了胰島素抵抗和損傷胰島細胞的惡性循環。

3.3 MG與阿爾茨海默病 文獻報道研究證實，MG能夠導致多種糖尿病并發癥的發生，其中包括阿爾茨海默病[26-28]。阿爾茨海默癥（Alzheimer's disease，AD）主要表現為記憶喪失、認知功能減退，主要是由于在大腦皮質和海馬中產生了病灶，包括Tau蛋白異常聚集形成的神經纖維纏結、β淀粉樣蛋白（β-amyloid peptide，Aβ）聚集形成的老年斑，以及神經元缺失和神經突觸數量減少等。

大腦是糖代謝極其活躍的器官，消耗大量的能量。隨著年齡不斷增長，即使在非病理狀態下，MG在腦內會少量累積，但在病理狀態下的患者腦內，MG含量會明顯增加。研究發現，MG的過量累積會刺激海馬神經元引發氧化應激，導致神經生長因子和白細胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）的過量表達，從而引發神經鞘細胞的損傷。該結果提示，對于糖尿病患者來說，由于糖酵解代謝途徑異常，體內積累了較高濃度的MG，因此MG的存在與神經性病變的發生可能有緊密的聯系[29]。由于AD患者大腦聚集較多的MG，因此與長壽蛋白反應可產生AGEs，并聚集于大腦的皮質淀粉樣斑塊以及纖維狀結構。Yan等[30]研究發現，AGEs在腦內聚集是促進了大腦的老化進程并且參與了AD病理機制的發生。Kuhla等[31]和Kayed等[32]研究證明，細胞內葡萄糖代謝水平的降低、線粒體的活性以及ATP利用率的降低都與AGEs存在顯著相關性，同時還能引起小膠質細胞產生大量的自由基以及諸多有害的細胞因子，導致神經元功能障礙甚至神經細胞的凋亡。

此外，糖基化反應誘導的中樞神經病變是引起AD病理機制的原因之一。Hardy等[33]首次提出了Aβ級聯假說，認為大腦中神經元細胞損傷其主要原因是淀粉樣斑塊的產生和沉積。體外試驗結果證實，病理狀態下，Aβ通過糖基化作用與腦中MG反應生成Aβ-AGE，該物質的產生引起神經元表面受體RAGE被過度激活且釋放大量自由基，加劇神經細胞的毒性作用[34]。此外，其通過信號通路傳導還可引起多種炎性因子的表達上調，如白細胞介素-1、白細胞介素-6和TNF-α的表達水平均升高，并且高表達的炎性因子進入細胞核后可以啟動RAGE的轉錄，增強了受體RAGE表達水平，從而加劇了細胞毒性作用，導致AD病理進程呈現惡性循環[17,35]。

過量的MG不僅能夠誘導體外培養的大腦皮質神經元產生ROS，而且能夠誘導其神經元細胞的凋亡。有研究結果表明，伴隨著MG含量的不斷累積，細胞內的ROS水平不斷升高，而原代培養的海馬細胞存活率卻不斷降低，引起海馬神經元的壞死和凋亡，導致學習記憶等功能的受損和缺失，從而引發大腦認知功能障礙[35-37]。除誘導ROS產生之外，還可以通過抑制MG解毒酶及抗氧化應激酶等ROS清除酶的活性，加劇神經元細胞的損傷。有研究結果進一步表明，神經細胞經高濃度MG處理后，產生大量的ROS，同時谷胱甘肽也被大量消耗，從而引起超氧化物歧化酶等活性顯著降低，最終導致神經元細胞凋亡，造成神經元丟失[28]。

上述研究結果提示，MG和AGEs在阿爾茨海默癥中均起到十分重要作用，這可能是糖尿病患者易于發生阿爾茨海默癥的原因之一。

3.4 MG直接參與動脈粥樣硬化的發生 動脈粥樣硬化（arthero sclerosis，AS）是一種普遍的全球性疾病，其發病率和病死率較高，其中AS患者中較高比例的屬于糖尿病患者，二者之間存在一定的關系。臨床研究表明，高血糖是引發AS的主要因素之一，與AS的發生率及嚴重程度均有密切聯系[38]。而在糖尿病患者中，糖酵解途徑發生異常或受到阻礙，直接導致了患者體內的MG含量顯著增加。MG通過非酶促反應產生AGEs，當AGEs與受體RAGE結合后，使細胞中的蛋白功能發生改變，引起內皮損傷、炎性反應和氧化應激，最終導致動脈粥樣硬化的發生和發展。因此，AS的發生與發展是MG直接參與和作用的結果[39]。其途徑過程主要為[39-40]高濃度的MG與細胞外的基質蛋白發生交聯反應，產生大量的AGEs，引起動脈血管壁的增厚和硬化，阻礙血管重建，同時AGEs與受體RAGE結合，導致炎性因子和黏附因子的表達上調，信號傳遞被放大，從而引發AS的發生。此外，NO生成減少是內皮功能損傷的主要標志。Rojas等[41]研究發現，在內皮細胞中，氮氧化物合酶活性可以被AGEs所抑制，從而減少內皮細胞中一氧化氮的含量，然而一氧化氮生成量的減少又是內皮細胞功能損傷的主要標志，因此AGEs的大量生成最終引起內皮細胞功能損傷，導致AS的形成和發展。

4 總結

糖尿病患者在全球的發病率逐年升高，與之相關的并發癥也逐漸增多。其主要原因在于體內攝入大量的高脂和高糖，從而引發體內糖代謝途徑的紊亂和損傷。MG是這個過程中的毒性副產物，已經受到全球的廣泛關注，如何更好地研究MG的存在與糖尿病的發生和發展之間的關系，如何利用好MG清除劑清除體內過高的MG在預防和治療諸多疾病過程中有著十分重要的臨床意義。