麥角硫因機體內的分布與代謝和其在疾病中的作用研究進展

潘虹余，郭麗瓊,2，林俊芳,2,

（1.華南農業大學食品學院，廣東 廣州 510642；2.廣東省微生態制劑工程技術研究中心，廣東 廣州 510640）

1909年，有學者在研究麥角真菌Claviceps purpurea時分離出一種獨特的白色結晶含硫化合物，后來被確定為2-硫基-L-組氨酸三甲基內鹽[1]，隨后其被命名為麥角硫因（ergothioneine，EGT）。EGT可由非酵母真菌、放線菌目和某些藍細菌合成[1]。動物機體自身不能合成EGT，只能從食物中攝取并積累在組織和細胞中。EGT具有很強的抗氧化性，在機體內扮演著重要的角色。隨著人們對抗氧化劑研究的不斷深入，EGT作為一種天然的生物活性物質受到人們廣泛的關注，國外已有相關報道，而國內對其研究還處于探索階段[2]。目前為止，鮮有研究探討EGT在人類受試者中的藥代動力學[2]。

1 EGT的結構、性質和生物合成

EGT是一種無味、無色化合物，分子式為C9H16N3O2S，25 ℃時水溶解度極限值為0.9 mol/L[3]，分子結構中含有咪唑-2-硫酮基團。EGT在溶解狀態下存在硫醇和硫酮兩種結構的互變異構體（圖1）。在生理pH值條件下EGT主要以硫酮形式存在于水溶液中，因此與其他天然存在的硫醇（例如谷胱甘肽、N-乙酰半胱氨酸）相比，EGT是非常穩定的抗氧化劑，在生理pH值下不易發生自氧化。在pH值為7時，EGT的標準氧化還原電勢為-60 mV，其他天然存在的硫醇氧化還原電勢在-200～-320 mV之間[4]。硫酮硫醇互變異構體和高氧化還原電位是EGT具有更高穩定性的原因，這種特性可防止EGT在生理pH值下像其他硫醇（如谷胱甘肽（glutathione，GSH））一樣進行自氧化[4]。

圖1 EGT的硫醇和硫酮的互變異構體Fig. 1 Structures of thione-thiol tautomers of EGT

Seebeck首次探討了合成EGT的基因簇（egt A/B/C/D/E）在分枝桿菌屬中的應用[10]，并且在許多真核生物和細菌中發現了EGT合成的關鍵基因，表明能夠產生EGT的微生物不僅限于上文所述[10-11]。Seebeck[10]推測這5 個基因簇（egt A/B/C/D/E）主要負責分枝桿菌中EGT的生物合成（圖2）。EGT的生物合成從L-組氨酸開始，通過中間體前體組氨酸三甲基內鹽，分別從半胱氨酸和蛋氨酸獲取硫和甲基以形成最終產物EGT[12]。EGT生物合成中存在兩個主要反應，即氧化C—S鍵的形成和C—S鍵的裂解反應，使硫原子從半胱氨酸或c-谷氨酰半胱氨酸完全轉移至組氨酸的咪唑側鏈[13]。2018年，Osawa等[14]在大腸桿菌中成功表達了恥垢分枝桿菌中的EGT合成酶基因egt A、egt B、egt C、egt D、egt E，使重組菌的EGT產量達到了24 mg/L。

圖2 EGT在分枝桿菌中的生物合成路徑[10]Fig. 2 Biosynthetic pathway of EGT in mycobacteria[10]

2 EGT在體內的攝取、分布和代謝

2.1 EGT的攝取和分布

盡管EGT存在于許多細胞中，但其本身不能跨越細胞質膜，需要特定的載體將其運輸至細胞內[15]。2005年，Gründemann等[16]在動物組織中發現了一種Na+依賴型EGT轉運蛋白——有機陽離子轉運蛋白1型（organic cation transporter novel type-1，OCTN1），并使用液相色譜-質譜差異著色法確定了EGT是OCTN1的關鍵底物。OCTN1的特異性表現在除了EGT外對其他有機陽離子攝取和轉運率均很低，包括與EGT結構相似的化合物，例如甲巰咪唑和組氨酸三甲基內鹽[17-18]。OCTN1對EGT的轉運米氏常數（Km）很低（約為21 mmol/L），說明EGT是其特殊的結合底物[17-18]。

特定轉運蛋白的存在表明動物（包括人類）可以從飲食中攝取EGT并通過在組織中積累而獲益。EGT有自己的選擇性轉運蛋白用于腸道的攝取和輸送到各組織[19]。早期研究揭示了EGT在組織中的積累具有性別差異[20]（可能與睪酮水平有關）和年齡差異，EGT在體內組織中的水平具有與年齡增長相關的下降趨勢[21-22]。盡管EGT在人體組織中分布較廣泛，但它目前不被認為是必需的營養成分，因為沒有研究發現其缺乏會引起不良反應。最近研究發現EGT的基線水平在肝臟和血細胞中最高，比腦和眼睛中高約10～20 倍，表明這些組織可能是體內EGT積累的主要部位[23]。對體內EGT分布的研究表明，EGT優先積聚在易受高水平氧化應激和炎癥影響的器官、細胞和分泌物中，如肝臟、腎臟、紅細胞[2,23]、眼晶狀體和精液[15]，這可能是一種適應性的細胞保護機制[17,24]。

2.2 EGT的代謝

EGT的代謝轉換率相對緩慢，在禁食1 周的大鼠中觀察到其在血液和肝臟中的水平沒有明顯下降[25]，EGT的這種高積累和緩慢代謝的特征歸因于腎臟重吸收和EGT的低尿排泄[2,26]。人體研究顯示，尿液中EGT的排泄量很小，表明EGT在口服后主要在體內保留[2]。

Servillo等[27]研究了EGT的可能氧化產物，并提出組氨酸三甲基內鹽和EGT-磺酸是EGT的穩定氧化產物。Cheah等[2]測定了組織中3 種與EGT相關代謝物（組氨酸三甲基內鹽、EGT-磺酸、S-甲基-EGT）的分布水平，發現僅能檢測到組氨酸三甲基內鹽，并且其含量與各組織中的EGT濃度顯著相關[23]。這可能表明組氨酸三甲基內鹽確實是體內EGT的代謝產物。研究發現EGT的積累并不總是與上述氧化產物的水平相關，例如肝臟中EGT含量最高，但檢測不出EGT-磺酸，而肺中EGT的含量處于中等水平，卻檢測出較高水平的EGT-磺酸[2]。

3 EGT的抗氧化特性

EGT的強抗氧化性可能與以下4 種分子活動有關：直接清除活性氧（reactive oxygen species，ROS）[28]；有效螯合各種二價金屬陽離子[29]；激活抗氧化酶（如谷胱甘肽過氧化物酶和符胱什肽過氧化物酶），并抑制超級氧化激酶，如NADPH-細胞色素c還原酶；抑制各種血紅素蛋白（如血紅素和肌紅蛋白）的氧化作用。

EGT與二價金屬陽離子例如Cu2+、Hg2+、Co2+、Fe2+形成無氧化還原活性的絡合物[30]，其中最穩定的是銅，其具有最高的絡合物形成常數[29]。這些金屬離子在體內的結合可能有助于防止它們參與ROS的產生。

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EGT具有調節炎癥[31]、防止紫外線輻射誘導的損傷[32-33]以及其他保護細胞活動的功能[34]。與其他硫醇相比，EGT還顯示出更高的速率（速率常數為2.3×107L/（mol·s）從而使單線態氧失活[35]。相比之下，EGT與超氧化物和H2O2不能很快地進行反應，與超氧化物反應的速率常數通常低于103L/（mol·s）[36]。EGT對由亞硝基鐵氰化鈉（硝普鈉）產生的NO·誘導的細胞死亡沒有影響，表明它與NO·的反應很緩慢或沒有反應[37]。

研究表明，EGT可能作為適應性抗氧化劑在體內發揮抗氧化作用。EGT在健康動物中的抗氧化作用有限，但是在由組織損傷引起的自由基活性物質水平升高、存在ROS/活性氮（reactive nitrogen species，RNS）產生的毒素或涉及氧化應激引起的疾病程度加重時，EGT會發揮強有力的抗氧化作用[15-16]。通過檢測血漿和尿液中的氧化損傷標準生物指標水平，發現EGT的攝入可減少由不同物質引起的氧化損傷，包括尿囊素（尿酸鹽氧化）、8-羥基脫氧鳥苷（DNA損傷）、8-iso-PGF2a（脂質過氧化）、蛋白質羰基化和C-反應蛋白（蛋白質氧化），但減少程度不明顯[2]。EGT的這種特性可能具有重要意義，即在不干擾ROS/RNS在健康組織中重要作用的情況下發揮抗氧化作用[38-40]；當氧化損傷變得嚴重時，EGT則在體內組織中大量積累并發揮抗氧化作用[41]。

研究發現某些在體外具有強大抗氧化活性的物質在體內不發揮作用，例如許多類黃酮[42]。EGT在細菌、真菌[5-6,14,43]、秀麗隱桿線蟲和動物體內也具有抗氧化作用。例如，缺乏EGT轉運蛋白的秀麗隱桿線蟲表現出較高的蛋白質羰基化水平（蛋白質氧化損傷的生物指標）[42,44]；在缺乏EGT的斑馬魚中，8-羥基-2-多氧鳥苷和8-二氫鳥嘌呤（一種核酸氧化損傷的生物標志物）的水平增加[42,45]。

4 EGT的藥代動力學

4.1 皮膚保護功能

EGT在皮膚細胞和離體皮膚的表皮細胞中呈現時間和濃度依賴性積累[46]。與具有較高氧化自由基吸收能力但生物利用度低和易被快速清除的抗氧化劑（如白藜蘆醇）相比，EGT具有較好的生物利用度[47]。EGT不僅可以防止氧化損傷[32]，還可對經紫外線照射的細胞進行DNA修復，防止單鏈DNA斷裂[48]，抑制細胞凋亡的發生，并使細胞活力增加[46,48]。細胞吸收、積累和利用L-EGT的能力使EGT及其受體/轉運蛋白OCTN1成為皮膚抗氧化防御系統的重要組成部分[46]。

4.2 抗抑郁癥

最近的研究發現，口服攝入的EGT可通過血腦屏障轉運到大腦中，并在小鼠體內發揮類似抗抑郁藥的作用。對小鼠進行強迫游泳實驗（forced swimming test，FST）和懸尾實驗（tail suspension test，TST），發現與正常飲食對照組小鼠相比，EGT顯著縮短了處理組小鼠在FST和TST中的不動時間[49]。口服攝入EGT后，腦內EGT濃度呈劑量依賴性增加[49]。EGT有兩種作用：抑制神經干細胞的增殖和促進神經元分化[49-50]。抗抑郁藥物如氟西汀、丙咪嗪和瑞波西汀可促進神經新生，表明神經新生和抗抑郁作用之間可能存在關聯[49,51]。EGT可能是通過促進神經元的分化來發揮其在體內的抗抑郁作用，但這一點需要進一步的研究來證實[49]。

4.3 眼部疾病

研究表明，EGT可以保護角膜內皮細胞免受氧化應激和未折疊蛋白反應[52]。最近發現EGT在人類淚液和房水樣本中具有較高的積累水平（分別為約0.35 μmol/L和約28 μmol/L），并且證明EGT很容易在小鼠眼內積累[23]。早期研究發現在患有白內障的生物機體中，晶狀體和角膜中的EGT水平顯著降低；隨著白內障程度的增加，EGT水平持續下降[53]。另一項研究發現用EGT治療可以有效地保護小雞免受糖皮質激素誘導的白內障損傷[54]。

4.4 心血管疾病

已知心肌缺血-再灌注損傷（ischemia-reperfusion injury，IR）可產生ROS/RNS，而ROS/RNS過度形成會加劇IR，導致氧化肌細胞損傷[55-56]。EGT在IR期間可保護心臟和肝臟組織免受損傷[57-58]。EGT保護心臟的機制之一可能是防止ROS/RNS氧化肌紅蛋白，形成具有細胞毒性的鐵蛋白肌紅蛋白；EGT還能降低組織丙二醛水平并調節熱休克蛋白70和促炎細胞因子（腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）和白細胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β））[58]。此外，EGT作為鐵和銅的螯合物可通過減少IR期間自由基的產生來保護機體組織，這可能是EGT的另一種保護機制[59]。在小鼠體內，EGT容易在血液中累積并進入心臟，因此它可以發揮保護心臟的作用[2,23]。

4.5 腎臟疾病與糖尿病

最近一項研究發現，敲除編碼OCTN1基因的慢性腎病（chronic kidney disease，CKD）小鼠模型出現腎纖維化惡化的癥狀，同時CKD患者的血液中EGT水平較低[60]。CKD會增加氧化損傷[61]，EGT可能通過在腎臟中的積累來減少這種損害。

糖尿病和糖尿病并發癥與氧化和糖化應激增加密切相關，部分原因是高血糖的促氧化作用[62]。EGT能夠保護內皮細胞和大鼠嗜鉻細胞瘤（PC12）細胞免受高葡萄糖水平引起的損傷[63-64]；對患糖尿病的妊娠大鼠補充EGT后減少了畸形胚胎的發生率[65]，這歸因于EGT對高血糖依賴性氧化應激的調節[65]。

4.6 慢性炎癥疾病

EGT在炎癥中的作用頗有爭議。研究發現，輕度類風濕性關節炎（rheumatoid arthritis，RA）患者體內的紅細胞和單核細胞EGT水平顯著升高，并且其與CD14+細胞中OCTN1 mRNA的表達密切相關[66]。在由膠原誘導的關節炎小鼠發炎關節的血液和免疫組織中也發現了高度表達的OCTN1[67]。與RA類似，對克羅恩病（Crohn's disease，CD）患者發炎回腸黏膜的分析中發現EGT水平顯著升高；相應地，與非CD受試者相比，CD患者的OCTN1 mRNA表達也有增加[68]。

在培養的紅細胞中，對OCTN1基因的沉默抑制了EGT攝取，并促進了細胞凋亡的發生[69]。在這些慢性炎癥狀態中，可能是由于EGT的抗細胞凋亡特性可介導免疫細胞的存活并刺激炎癥的發生，進而導致EGT在體內組織中水平的增加[68]。一些研究表明，EGT水平升高的另一個原因可能是由于細胞因子介導的OCTN1表達上調。用TNF-α孵育Caco-2細胞，結果顯示通過TNF-α受體-1的激活增加了OCTN1表達，因此EGT的增加可能是通過上述提到的延長免疫細胞存活來進一步促進炎癥反應[68]。類似的，與RA相關的炎性細胞因子例如IL-1β和轉錄因子RUNX1能夠上調OCTN1的表達。然而，這種反應是否與發病機制相關或作為細胞防御的反作用反應，以及EGT的分子作用仍未確定。

4.7 神經退行性疾病

EGT在大腦中的功能尚不確定，但在腦和各種神經細胞中能夠觀察到OCTN1表達[70]。EGT滲透血腦屏障的能力表明EGT能在中樞神經系統和神經元中發揮功能性作用。EGT可通過激活p38 MAPK細胞內抗氧化途徑以保護PC12細胞免受H2O2誘導的細胞損傷[71]，還可抑制由β-淀粉樣蛋白和順鉑誘導的神經元細胞凋亡[55]。研究表明，輕度認知受損受試者和帕金森病患者的血液中EGT水平顯著低于同年齡的健康個體[72-73]。這可通過多種機制引起，例如飲食的改變和/或OCTN1活性的變化。最近有學者提出蘑菇攝入量的增加與癡呆發病率降低之間存在相關性[74-75]。然而蘑菇含有多種可能具有生物活性的化合物，不能認為是EGT發生作用。因此，仍然需要更多研究來討論EGT是否對神經退行性疾病產生有益作用。

5 EGT的安全性

迄今為止對EGT的毒理學研究未發現其有副作用[76]。然而，一些人認為在慢性炎癥中，EGT的積累會加重炎癥反應[68]。為證明發炎和受損組織是否會自發增加EGT水平使其自身受到進一步傷害，推測細胞可通過EGT的積累來進行自我保護，有助于保護組織免受氧化損傷的進一步傷害。因此，可以推斷在一些人類疾病中觀察到的EGT在組織中的積累不是病理性的，而是細胞保護性的[77-80]。例如一項代謝組學研究確定了壓力超負荷和梗塞的小鼠心臟中EGT水平顯著增加[81]，這可能反映了機體組織能通過積累EGT來保護自身免受進一步的傷害。

2017年，歐洲食品安全局發布報告提出EGT作為膳食補充劑和強化食品攝入不會加劇RA、CD和糖尿病的易感性和病癥發展；同時，其下屬的營養產品、營養及致敏科學組提出EGT的嬰兒安全每日限量為2.82 mg/kg mb，兒童為3.39 mg/kg mb，成人（包括孕婦和哺乳期婦女）為1.31 mg/kg mb[82]。因此新型合成L-EGT在安全食用水平下對成人（孕婦）、兒童和嬰兒均是安全的。

6 結 語

雖然近年來對EGT的研究不斷取得進展，并有大量研究證明EGT在體外具有多種抗氧化和細胞保護作用；但是EGT的真正生理作用尚未完全闡明，這些細胞保護作用背后的分子機制仍然未知。同時，由于體外研究中采用的條件與體內不同，體外研究結果不能完全應用于體內。因此，仍需要大量的體內研究來驗證EGT的治療潛力。

此外，不僅某些真菌，一些致病微生物、病原體也會產生EGT并利用它來保護自身免受宿主防御（包括ROS/RNS）的傷害[43,67]，例如結核分枝桿菌（人結核病的致病因子），而其EGT合成能力的喪失也會降低它們的毒力。因此，EGT生物合成途徑的抑制劑（應該是一種可行的治療方法，因為這種途徑不會在人體中發生）可能是攻擊致病性合成EGT生物的新型藥物潛在來源。

由于EGT在生物體內的作用機制及與疾病的關系還不清楚，限制了其生產和應用。因此需要對EGT作為免疫調節劑和某些疾病的治療劑開展更多的研究，探討其在體內的作用機制，以推進EGT在疾病治療上的應用。