苯丙氨酸与急性缺血性脑卒中关系的研究进展

吴玲玉 曹琳 汤永红 王穆， 张平

急性缺血性脑卒中，俗称中风，是指各种脑血管病变致使脑部血流灌注障碍，责任血管如颈内动脉、椎动脉/基底动脉发生血栓性或栓塞性闭塞[1]，脑组织在缺血缺氧情况下导致一系列级联的复杂反应，如能量衰退、细胞内Ca2+水平升高、酸中毒、氧化应激等，最终细胞损伤坏死并迅速出现相应的神经功能缺损症状。在我国，脑卒中具有高患病率、高死亡率、高致残率等特点，且地域分布、城乡分布不均，总体而言，农村地区脑卒中患病率高于城市地区，严重影响家庭幸福指数[2]；其中，急性缺血性脑卒中约占所有脑卒中病例的87%，是脑卒中中最常见的一种类型[3]。近年来科研人员对代谢组学的研究愈发深入，苯丙氨酸及苯丙氨酸代谢在急性缺血性脑卒中中起着重大影响作用。

1 苯丙氨酸结构与功能

苯丙氨酸化学式为C9H11NO2，分子量为165.19，是人体和动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，苯丙氨酸可抑制细胞增殖，其作用机制可能与以下三种方式相关：通过参与Fas 受体（FasR）-介导的细胞死亡受体通路[4]、Rho/ROCK通路激活线粒体介导的细胞凋亡[5，6]或通过溶酶体相关膜蛋白2（LAMP2）在颗粒酶B 信号介导的细胞凋亡[7]；第二，苯丙氨酸浓度差异影响免疫介导过程，10mmol/L 苯丙氨酸仅可抑制细胞增殖，对自噬或凋亡没有影响；第三，苯丙氨酸构型不同，其功能亦有差别，郭易华等[8]研究表明，L、DL、L 构型的苯丙氨酸其抗肿瘤效果有优劣之分；第四，苯丙氨酸代谢反应影响着细胞的常见电感应和自我修复生物功能[9]，但目前关于细胞水平的电生理学相关主题仍在探索阶段，其更深层次的作用机制有待进一步发掘。

苯丙氨酸参与多种代谢反应，代谢网络较复杂，许多关键代谢节点的紊乱会导致严重的代谢性疾病，如苯丙酮尿症，如未治疗将会对神经系统造成不可逆损伤。其代谢网络还参与甲状腺激素、肾上腺激素等物质生成，苯丙氨酸作为多种化合物合成的前体物质，调控着生物体内其他许多代谢进程，因此，苯丙氨酸含量、结构的轻微改变将导致代谢的不同转归，并且不同的疾病状态也影响苯丙氨酸的含量。

2 病理情况下苯丙氨酸含量改变

现将从多个系统分析苯丙氨酸的含量变化。首先，在内分泌系统，在糖尿病小鼠模型中测得包括苯丙氨酸在内的多种氨基酸发生改变。Floegel等[10]研究发现，较高的苯丙氨酸水平致使老年人2 型糖尿病发病风险升高，然而，另一项研究结果显示在每人每日摄入10g 苯丙氨酸的情况下，可降低餐后血糖达2.5h[11]，可见在不同浓度下的苯丙氨酸调节血糖情况明显不同，由此可验证苯丙氨酸浓度差异与疾病发展转归相关；在高脂血症大鼠模型中，运用质谱法检测大鼠血清中的氨基酸代谢谱，结果发现苯丙氨酸、蛋氨酸等氨基酸为高脂血症潜在的生物标志物，在临床上，高脂血症是许多老年性疾病发生、发展的病因及诱因，因此，该检测可为临床实现高脂血症的早发现、早治疗以及预防心脑血管疾病等提供实验室基础。在消化系统方面，肠易激综合征大鼠模型血清中测得苯丙氨酸浓度显著升高。在血液、体液系统方面，动物性实验验证了苯丙氨酸代谢通路影响深静脉血栓形成，可为深静脉血栓形成发病机制的深入研究提供依据。最近有研究表明，在脑血管病患者泪液中测得苯丙氨酸浓度与正常人群有显著差异[12]。

3 苯丙氨酸与急性缺血性脑卒中

在代谢组学研究进展中发现，氨基酸是最重要的受干扰代谢物[13]，Qi 等[14]在112 个检测到的代谢物中发现苯丙氨酸显著富集，该研究认为苯丙氨酸的生物合成与急性缺血性脑卒中相关；并且有一项9 584 人参与长达12.3 年的随访研究也发现苯丙氨酸与缺血性脑卒中发生相关[15]。

在大脑神经元生长发育过程中，Ca2+和细胞外信号调节激酶（ERK）是重要的信号分子，苯丙氨酸代谢网络生成酪氨酸途径受阻，体内蓄积大量的苯丙氨酸，虽然部分可转化成苯丙酮酸随尿液排出，但大脑皮层神经元的胞质内Ca2+和ERK 水平在高浓度苯丙氨酸影响下仍然抑制神经元的突触生长、延展等，在临床通常表现为患者智力异常、言语障碍，甚至死亡，这种对脑损伤的影响大多是慢性进展，但也有研究发现苯丙氨酸可以产生瞬时性级联反应从而损伤神经元；在体外实验中，Christine Hartwig 等[16]研究发现，高浓度苯丙氨酸会干扰神经元细胞黏附分子L1 刺激的神经元生长，体内外实验均验证苯丙氨酸影响大脑神经元，但是目前尚未明确论述苯丙氨酸在临床和小鼠两种模型中有相同或相反的变化趋势。在基因工程研究中发现，苯丙氨酸在微生物porA 基因作用下可转化为苯乙酸，随后宿主生成苯乙酰谷氨酰胺和苯乙酰甘氨酸，在动脉损伤的动物模型中，苯乙酰谷氨酰胺可以增强血小板活化相关的表型和血栓形成[17]，是诱导脑卒中的重要因素，并且有研究指出，高血清苯乙酰谷氨酰胺是影响心血管疾病总体死亡率的独立危险因素[18]，而苯乙酰谷氨酰胺几乎完全来源于苯丙氨酸的微生物转化[19]，故而苯丙氨酸及其代谢反应影响着心脑血管疾病的发生发展。苯丙氨酸作为单胺类递质的前体物质，其代谢紊乱在一定程度上反映了中枢神经递质的失衡[20]；脑卒中发生时，谷氨酸过量释放，造成大脑神经毒性损害，苯丙氨酸可抑制兴奋性谷氨酸能突触传递，达到降低毒性反应的作用，这种抑制作用是通过独特的突触前和突触后机制，并且具有可逆性，但是，过量的苯丙氨酸进入血液循环后，可穿过血脑屏障阻断前体氨基酸的NAAT 转运蛋白，导致血清素（5-HT）和多巴胺（DA）水平降低[21]。在急性缺血性脑卒中受试者的一项试点研究中发现，利用代谢组学方式检测患者血清及尿液发现了包括苯丙氨酸代谢在内的6 个急性期上调的重要途径，由此推测苯丙氨酸及苯丙氨酸代谢可做为潜在的生物学标志物，但仍需要充分的证据证实。在永久性和短暂性大脑中动脉闭塞模型中虽共有14 条代谢途径，但苯丙氨酸生物合成和代谢只存在于永久性大脑中动脉闭塞模型。最后，在急性缺血性脑卒中患者中，苯丙氨酸独特的代谢动力学异常可能涉及急性缺血性脑卒中的遗传性机制，有待于进一步研究。

4 苯丙氨酸与卒中后抑郁

在所有芳香族氨基酸中，诱导炎症最重要的氨基酸是苯丙氨酸，而炎症与抑郁症有着密切关联[22]；抑郁症是一种以显著且持续的情绪低落、思维迟缓、认知障碍为特征的精神障碍意志活动和躯体症状下降[23]，在急性缺血性脑卒中发生后，抑郁也有一定的发生几率，近年来，关于色氨酸代谢产物的研究、苯丙氨酸和谷氨酸代谢所致抑郁症引起相关学者的极大兴趣[24～26]；在一项基于核磁共振波谱分析的研究中发现，苯丙氨酸被认定为脑卒中后抑郁的潜在生物学标志物；另外，Ogawa[27]等发现苯丙氨酸在外周和中枢中的浓度水平被认为与抑郁症的发病机制有关，当下关于抑郁症的发病机制为多巴胺能被证实其在动机中的关键作用行为及其对认知过程的调节，但是上述相关氨基酸及氨基酸代谢途径、中间代谢产物等在抑郁症中的作用仍在探索。

5 苯丙氨酸与脑缺血再灌注脑损伤

目前对于脑缺血再灌注损伤的研究涉及多个研究领域，如基因组学的LncRNA SNHG12、中药学的黄芪桂枝五物汤等皆提出通过相关机制调节可保护损伤组织；Chen 等[28]在脑缺血再灌注损伤小鼠模型中发现苯丙氨酸的含量显著升高，结果显示抑制苯丙氨酸代谢可以有效减轻脑缺血再灌注损伤；张春兵等[29]研究发现，在大脑中动脉栓塞的大鼠模型血清中苯丙氨酸含量显著升高，然而在大鼠脑组织中苯丙氨酸含量并没有显著改变，虽然苯丙氨酸可作为脑卒中的一项炎性指标，但这种差异性改变是否与脑组织内代谢相关尚不明确；Feng 等[30]研究发现4-Trifluoromethyl-（E）-cinnamoyl]-L-4-F-phenylalanine Acid（AE-18）可以在极低剂量下（1或2mg/kg）就具有较强的神经保护作用，其作用机制可能是AE-18 拮抗NMDAR 2B 亚基、抑制兴奋性毒性诱导的神经元损伤，AE-18 还可以通过激活P13K/AKT/CREB 信号通路修复受损神经元以减少再灌注诱导的血脑屏障的破坏，改善缺血性脑卒中的再灌注损伤。

综上，苯丙氨酸作为具有生理活性的芳香族氨基酸之一，参与免疫调节、诱导炎症等生理病理机制发展，代谢产物苯乙酰谷氨酰胺诱导血栓形成，导致脑卒中发生，苯丙氨酸参与神经损害、卒中后抑郁、缺血后再灌注损伤等。急性缺血性脑卒中具有起病急、进展快、病情严重等特点，漏诊及误诊会导致严重后果，因此寻找一种生物标志物并能灵敏且精确地诊断脑卒中显得尤为重要。