苯丙氨酸與急性缺血性腦卒中關系的研究進展

吳玲玉 曹琳 湯永紅 王穆， 張平

急性缺血性腦卒中，俗稱中風，是指各種腦血管病變致使腦部血流灌注障礙，責任血管如頸內動脈、椎動脈/基底動脈發生血栓性或栓塞性閉塞[1]，腦組織在缺血缺氧情況下導致一系列級聯的復雜反應，如能量衰退、細胞內Ca2+水平升高、酸中毒、氧化應激等，最終細胞損傷壞死并迅速出現相應的神經功能缺損癥狀。在我國，腦卒中具有高患病率、高死亡率、高致殘率等特點，且地域分布、城鄉分布不均，總體而言，農村地區腦卒中患病率高于城市地區，嚴重影響家庭幸福指數[2]；其中，急性缺血性腦卒中約占所有腦卒中病例的87%，是腦卒中中最常見的一種類型[3]。近年來科研人員對代謝組學的研究愈發深入，苯丙氨酸及苯丙氨酸代謝在急性缺血性腦卒中中起著重大影響作用。

1 苯丙氨酸結構與功能

苯丙氨酸化學式為C9H11NO2，分子量為165.19，是人體和動物不能靠自身自然合成的必需氨基酸之一；苯丙氨酸是具有生理活性的芳香族氨基酸，第一，苯丙氨酸可抑制細胞增殖，其作用機制可能與以下三種方式相關：通過參與Fas 受體（FasR）-介導的細胞死亡受體通路[4]、Rho/ROCK通路激活線粒體介導的細胞凋亡[5，6]或通過溶酶體相關膜蛋白2（LAMP2）在顆粒酶B 信號介導的細胞凋亡[7]；第二，苯丙氨酸濃度差異影響免疫介導過程，10mmol/L 苯丙氨酸僅可抑制細胞增殖，對自噬或凋亡沒有影響；第三，苯丙氨酸構型不同，其功能亦有差別，郭易華等[8]研究表明，L、DL、L 構型的苯丙氨酸其抗腫瘤效果有優劣之分；第四，苯丙氨酸代謝反應影響著細胞的常見電感應和自我修復生物功能[9]，但目前關于細胞水平的電生理學相關主題仍在探索階段，其更深層次的作用機制有待進一步發掘。

苯丙氨酸參與多種代謝反應，代謝網絡較復雜，許多關鍵代謝節點的紊亂會導致嚴重的代謝性疾病，如苯丙酮尿癥，如未治療將會對神經系統造成不可逆損傷。其代謝網絡還參與甲狀腺激素、腎上腺激素等物質生成，苯丙氨酸作為多種化合物合成的前體物質，調控著生物體內其他許多代謝進程，因此，苯丙氨酸含量、結構的輕微改變將導致代謝的不同轉歸，并且不同的疾病狀態也影響苯丙氨酸的含量。

2 病理情況下苯丙氨酸含量改變

現將從多個系統分析苯丙氨酸的含量變化。首先，在內分泌系統，在糖尿病小鼠模型中測得包括苯丙氨酸在內的多種氨基酸發生改變。Floegel等[10]研究發現，較高的苯丙氨酸水平致使老年人2 型糖尿病發病風險升高，然而，另一項研究結果顯示在每人每日攝入10g 苯丙氨酸的情況下，可降低餐后血糖達2.5h[11]，可見在不同濃度下的苯丙氨酸調節血糖情況明顯不同，由此可驗證苯丙氨酸濃度差異與疾病發展轉歸相關；在高脂血癥大鼠模型中，運用質譜法檢測大鼠血清中的氨基酸代謝譜，結果發現苯丙氨酸、蛋氨酸等氨基酸為高脂血癥潛在的生物標志物，在臨床上，高脂血癥是許多老年性疾病發生、發展的病因及誘因，因此，該檢測可為臨床實現高脂血癥的早發現、早治療以及預防心腦血管疾病等提供實驗室基礎。在消化系統方面，腸易激綜合征大鼠模型血清中測得苯丙氨酸濃度顯著升高。在血液、體液系統方面，動物性實驗驗證了苯丙氨酸代謝通路影響深靜脈血栓形成，可為深靜脈血栓形成發病機制的深入研究提供依據。最近有研究表明，在腦血管病患者淚液中測得苯丙氨酸濃度與正常人群有顯著差異[12]。

3 苯丙氨酸與急性缺血性腦卒中

在代謝組學研究進展中發現，氨基酸是最重要的受干擾代謝物[13]，Qi 等[14]在112 個檢測到的代謝物中發現苯丙氨酸顯著富集，該研究認為苯丙氨酸的生物合成與急性缺血性腦卒中相關；并且有一項9 584 人參與長達12.3 年的隨訪研究也發現苯丙氨酸與缺血性腦卒中發生相關[15]。

在大腦神經元生長發育過程中，Ca2+和細胞外信號調節激酶（ERK）是重要的信號分子，苯丙氨酸代謝網絡生成酪氨酸途徑受阻，體內蓄積大量的苯丙氨酸，雖然部分可轉化成苯丙酮酸隨尿液排出，但大腦皮層神經元的胞質內Ca2+和ERK 水平在高濃度苯丙氨酸影響下仍然抑制神經元的突觸生長、延展等，在臨床通常表現為患者智力異常、言語障礙，甚至死亡，這種對腦損傷的影響大多是慢性進展，但也有研究發現苯丙氨酸可以產生瞬時性級聯反應從而損傷神經元；在體外實驗中，Christine Hartwig 等[16]研究發現，高濃度苯丙氨酸會干擾神經元細胞黏附分子L1 刺激的神經元生長，體內外實驗均驗證苯丙氨酸影響大腦神經元，但是目前尚未明確論述苯丙氨酸在臨床和小鼠兩種模型中有相同或相反的變化趨勢。在基因工程研究中發現，苯丙氨酸在微生物porA 基因作用下可轉化為苯乙酸，隨后宿主生成苯乙酰谷氨酰胺和苯乙酰甘氨酸，在動脈損傷的動物模型中，苯乙酰谷氨酰胺可以增強血小板活化相關的表型和血栓形成[17]，是誘導腦卒中的重要因素，并且有研究指出，高血清苯乙酰谷氨酰胺是影響心血管疾病總體死亡率的獨立危險因素[18]，而苯乙酰谷氨酰胺幾乎完全來源于苯丙氨酸的微生物轉化[19]，故而苯丙氨酸及其代謝反應影響著心腦血管疾病的發生發展。苯丙氨酸作為單胺類遞質的前體物質，其代謝紊亂在一定程度上反映了中樞神經遞質的失衡[20]；腦卒中發生時，谷氨酸過量釋放，造成大腦神經毒性損害，苯丙氨酸可抑制興奮性谷氨酸能突觸傳遞，達到降低毒性反應的作用，這種抑制作用是通過獨特的突觸前和突觸后機制，并且具有可逆性，但是，過量的苯丙氨酸進入血液循環后，可穿過血腦屏障阻斷前體氨基酸的NAAT 轉運蛋白，導致血清素（5-HT）和多巴胺（DA）水平降低[21]。在急性缺血性腦卒中受試者的一項試點研究中發現，利用代謝組學方式檢測患者血清及尿液發現了包括苯丙氨酸代謝在內的6 個急性期上調的重要途徑，由此推測苯丙氨酸及苯丙氨酸代謝可做為潛在的生物學標志物，但仍需要充分的證據證實。在永久性和短暫性大腦中動脈閉塞模型中雖共有14 條代謝途徑，但苯丙氨酸生物合成和代謝只存在于永久性大腦中動脈閉塞模型。最后，在急性缺血性腦卒中患者中，苯丙氨酸獨特的代謝動力學異常可能涉及急性缺血性腦卒中的遺傳性機制，有待于進一步研究。

4 苯丙氨酸與卒中后抑郁

在所有芳香族氨基酸中，誘導炎癥最重要的氨基酸是苯丙氨酸，而炎癥與抑郁癥有著密切關聯[22]；抑郁癥是一種以顯著且持續的情緒低落、思維遲緩、認知障礙為特征的精神障礙意志活動和軀體癥狀下降[23]，在急性缺血性腦卒中發生后，抑郁也有一定的發生幾率，近年來，關于色氨酸代謝產物的研究、苯丙氨酸和谷氨酸代謝所致抑郁癥引起相關學者的極大興趣[24～26]；在一項基于核磁共振波譜分析的研究中發現，苯丙氨酸被認定為腦卒中后抑郁的潛在生物學標志物；另外，Ogawa[27]等發現苯丙氨酸在外周和中樞中的濃度水平被認為與抑郁癥的發病機制有關，當下關于抑郁癥的發病機制為多巴胺能被證實其在動機中的關鍵作用行為及其對認知過程的調節，但是上述相關氨基酸及氨基酸代謝途徑、中間代謝產物等在抑郁癥中的作用仍在探索。

5 苯丙氨酸與腦缺血再灌注腦損傷

目前對于腦缺血再灌注損傷的研究涉及多個研究領域，如基因組學的LncRNA SNHG12、中藥學的黃芪桂枝五物湯等皆提出通過相關機制調節可保護損傷組織；Chen 等[28]在腦缺血再灌注損傷小鼠模型中發現苯丙氨酸的含量顯著升高，結果顯示抑制苯丙氨酸代謝可以有效減輕腦缺血再灌注損傷；張春兵等[29]研究發現，在大腦中動脈栓塞的大鼠模型血清中苯丙氨酸含量顯著升高，然而在大鼠腦組織中苯丙氨酸含量并沒有顯著改變，雖然苯丙氨酸可作為腦卒中的一項炎性指標，但這種差異性改變是否與腦組織內代謝相關尚不明確；Feng 等[30]研究發現4-Trifluoromethyl-（E）-cinnamoyl]-L-4-F-phenylalanine Acid（AE-18）可以在極低劑量下（1或2mg/kg）就具有較強的神經保護作用，其作用機制可能是AE-18 拮抗NMDAR 2B 亞基、抑制興奮性毒性誘導的神經元損傷，AE-18 還可以通過激活P13K/AKT/CREB 信號通路修復受損神經元以減少再灌注誘導的血腦屏障的破壞，改善缺血性腦卒中的再灌注損傷。

綜上，苯丙氨酸作為具有生理活性的芳香族氨基酸之一，參與免疫調節、誘導炎癥等生理病理機制發展，代謝產物苯乙酰谷氨酰胺誘導血栓形成，導致腦卒中發生，苯丙氨酸參與神經損害、卒中后抑郁、缺血后再灌注損傷等。急性缺血性腦卒中具有起病急、進展快、病情嚴重等特點，漏診及誤診會導致嚴重后果，因此尋找一種生物標志物并能靈敏且精確地診斷腦卒中顯得尤為重要。