D-絲氨酸與腎功能不全關系的研究進展

梁艷 金娟 龔建光 何強

絲氨酸是組成蛋白質(zhì)的非必需氨基酸之一，L-絲氨酸（L-Serine,L-Ser）是其存在的天然形式，是葡萄糖通過一系列氧化和磷酸化反應合成的，參與蛋白質(zhì)、核苷酸、脂肪酸、糖異生等代謝過程。D-絲氨酸（DSer）是L-Ser的對映異構(gòu)體，內(nèi)源性D-Ser是一種神經(jīng)遞質(zhì)，在神經(jīng)元發(fā)育和突觸傳遞中發(fā)揮重要作用。對D-Ser研究最多的是在神經(jīng)系統(tǒng)，它與精神分裂癥、抑郁癥、創(chuàng)傷后應激障礙、睡眠調(diào)節(jié)等[1-3]神經(jīng)精神性疾病密切相關。有研究發(fā)現(xiàn)，高D-Ser水平與腎功能不全之間有密切的關系，它可能參與了腎臟損傷進程。本文就D-Ser與引起腎功能不全的關系研究進展作一綜述。

1 D-Ser在體內(nèi)的代謝特點

1.1 D-Ser的合成代謝 內(nèi)源性D-Ser主要富集在大腦Ⅱ型星形膠質(zhì)細胞中，是由L-Ser經(jīng)過絲氨酸消旋酶（serine racemase,SR）消旋化形成的一種神經(jīng)遞質(zhì)，是N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartate,NMDA）谷氨酸受體的激動劑[4-6]。SR含有磷酸吡哆醛，對LSer有高度特異性[6-7]。大腦中合成的D-Ser經(jīng)過體循環(huán)運輸，是全身某些組織器官中D-Ser的主要來源[8]。另一方面，腸道菌群代謝也可產(chǎn)生D-Ser[9]。血漿中的L-Ser濃度是D-Ser的 20倍左右[10]。

1.2 D-Ser的分解代謝 D-Ser在血液中微量存在，主要由腎臟排泄。在體內(nèi)由D-氨基酸氧化酶（D-amino acid oxidases,DAAO）進行氧化脫氨，生成羥基丙酮酸鹽、過氧化氫和氨，最終能夠減輕D-Ser在某些器官內(nèi)蓄積所產(chǎn)生的毒性。DAAO在真菌、嚙齒類動物和哺乳動物等真核生物中廣泛分布，在人的嗜中性粒細胞、腎臟、大腦中都有表達，在腎臟中含量最高[11]。人體內(nèi)的L-Ser通過一碳單位代謝參與三羧酸循環(huán)，是人體的重要營養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)腎小球濾過后，約99%被近端小管重吸收[12]，來維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。D-Ser與L-ser有很大的區(qū)別，在正常人中，D-Ser的排泄分數(shù)達到62.1%[13]，只有小部分在近端小管直部重吸收后，被腎小管上皮細胞內(nèi)的DAAO降解[14]，因此，血漿D-Ser水平只達到體內(nèi)D-Ser總量的3%[15]，說明腎臟能夠以手性來選擇性區(qū)分D型和L型氨基酸。

2 D-Ser與腎臟疾病

2.1 慢性腎臟病（chronic kidney disease,CKD） 中國成人的CKD患病率達到10.8%[16]，特別在農(nóng)村地區(qū)，CKD的知曉率和控制率不容樂觀，已成為我國的一個公共衛(wèi)生問題。患者一旦進入終末期腎病（end stage renal disease,ESRD），只能靠腎臟替代治療來維持生命，帶來極大的痛苦和經(jīng)濟負擔。目前，主要通過腎小球濾過率（glomerular filtration rate,GFR）和蛋白尿來對可疑患者進行篩查和管理[17]，因此，尋找新的生物標志物來早期診斷和預防CKD尤為關鍵。

血中D-氨基酸水平升高與腎功能不全之間的關系早有報道，當血肌酐升高時，血漿中D-Ser濃度可升高至20%以上，并與血肌酐和血尿素氮濃度呈正相關[18-20]。Kimura等[21]的一項隊列研究中，使用二維-高效液相色譜技術對晚期CKD患者進行代謝組學分析，發(fā)現(xiàn)了血漿中的16種D-氨基酸，但是只有D-Ser和D-天冬酰胺（D-asparagine,D-Asn）水平的升高與GFR下降呈負相關，并與生存結(jié)局（腎臟替代治療和全因死亡）密切相關，表明高水平D-Ser和D-Asn是CKD預后不良的生物標志物。最近，Hesaka等[13]用2D-HPLC技術檢測患有不同腎臟基礎病的CKD患者血漿中的D-Ser水平，發(fā)現(xiàn)其升高與菊粉清除率的下降呈顯著負相關。D-Ser與肌酐不同，不受年齡、性別、肌肉量等的影響，它在人體內(nèi)的分布比較穩(wěn)定，這也是它可以用來反應腎功能受損的最大優(yōu)勢。眾所周知，菊粉清除率是用來評估GFR的“金標準”，因此，D-Ser可能成為估計GFR的標志物，在對D-Ser的血漿水平和尿液排泄分數(shù)進行聯(lián)合分析后發(fā)現(xiàn)，在非CKD的正常人中，D-Ser水平在一定范圍內(nèi)波動，而CKD患者由于GFR下降導致D-Ser尿液排泄顯著降低，血液水平升高，因此能有效區(qū)分CKD患者與腎功能正常者，靈敏度和特異度可分別達到0.727和1.000。

2.2 急性腎損傷（acute kidney injury,AKI） AKI是指短期內(nèi)腎小球功能急劇下降，可使ESRD的發(fā)病率增加13倍[22]，對于進展迅速的患者，尤其是ICU患者，死亡率極高[23]。Sasabe等[15]對缺血-再灌注損傷（ischemia-reperfusion injury,IRI）誘導的AKI小鼠進行研究后發(fā)現(xiàn)，在正常小鼠尿液中，D-Ser含量是L-Ser含量的3倍；但在IRI小鼠的血液和隨機尿樣本中，D-Ser與L-Ser的比例（D-/L-Ser）發(fā)生了紊亂，腎衰竭患者體液中的的D-/L-Ser與IRI后發(fā)生嚴重腎功能不全的小鼠相似，證明了尿液中的D-/L-Ser可以更早的檢測到腎臟損傷，比腎臟損傷分子-1（kidney injury molecule-1,KIM-1）和中性粒細胞明膠酶相關脂質(zhì)運載蛋白（neutrophil gelatinase-associated lipocalin,NGAL）更敏感，可以成為AKI的早期診斷標志物。Nakade等[9]進一步研究了D-Ser在腸-腎軸中的作用，IRI后，小鼠腸道中的微生物種群發(fā)生改變，并且糞便中的D-/L-Ser失衡，口服給予一定濃度D-Ser溶液后能夠減輕腎小管損傷，并且一定濃度的D-Ser可以對缺氧后的腎小管細胞起到保護作用，促進增殖。這與其他學者的研究[12，14，17-18]中表現(xiàn)出的D-Ser與腎功能不全有關的結(jié)果有差別，可能與腎小管細胞對D-Ser濃度的敏感性有關[9]。

2.3 急進性腎小球腎炎（rapidly progressive glomerulonephritis,RPGN） Hesaka等[24]的一項病例報告中，對1例由抗中性粒細胞胞質(zhì)抗體相關性腎炎和系統(tǒng)性紅斑狼瘡腎炎引起的RPGN患者病程中的D-Ser水平進行觀察，在急性期，患者血漿中的D-Ser水平異常升高，尿液排泄分數(shù)為0%，在強化治療過程中，該患者血漿和尿液中的D-Ser水平值逐漸恢復正常，與肌酐水平變化基本吻合。由此可見，體液中的D-Ser水平可以用來反映GFR的下降和恢復情況。該項病例研究真正將體內(nèi)D-Ser水平的監(jiān)測用于指導臨床治療，為D-Ser的臨床應用奠定了基礎。

2.4 其他繼發(fā)性腎臟病 在一項前瞻性橫斷面研究中，Iwakawa等[25]對有高血壓、糖尿病、血脂異常、吸煙等心血管事件和CKD危險因素的65例對象進行隨訪研究發(fā)現(xiàn)，用酶法檢測的晨尿D-Ser水平與GFR呈正相關，與腎小管損傷標志物肝型脂肪酸結(jié)合蛋白（liver-type fatty acid-binding protein,L-FABP）和N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶（N-acetyl-β-D-glucosaminidase,NAG）無相關性，并且在校正了低左心室射血分數(shù)和使用利尿劑等一系列危險因素后，尿低水平DSer仍是這些患者腎功能惡化的獨立預測因子，靈敏度和特異度均為0.74。由此可見，尿液D-Ser水平檢測由于標本留取方便和非侵入性的優(yōu)點，可能成為具有心血管危險因素患者的腎臟事件預測標志物。

3 高水平D-Ser引起腎功能不全的可能機制

在GFR下降初期，腎臟通過代償，增加尿液中DSer的排泄，來維持D-Ser在血液中的低濃度，隨著GFR的進一步下降，D-Ser會在血液中蓄積[13]。而隨著腎功能的恢復，腎臟同樣通過增加D-Ser的尿液排泄來降低其血液水平[24]。綜上所述，D-Ser在腎臟內(nèi)存在一定的平衡機制。當D-Ser水平在體內(nèi)發(fā)生紊亂時，會對腎功能產(chǎn)生不良影響，損傷腎小管[26-27]。

3.1 氧化應激損傷 D-Ser主要在近端小管直部被特異性重吸收，那里也是DAAO主要分布的區(qū)域，D-Ser可通過DAAO的代謝來損傷大鼠近端小管直部，出現(xiàn)氨基酸尿和蛋白尿[14]。Zhang等[28]證明了大鼠發(fā)生急性缺血性腎損傷后，腎臟的DAAO活性降低。同時，DAAO能夠降低腎臟中谷胱甘肽活性[29]，使其對活性氧簇（reactive oxygen species,ROS）的清除減少，再加上D-Ser代謝產(chǎn)物羥基丙酮酸鹽和過氧化氫的累積，導致腎小管氧化損傷，出現(xiàn)壞死。然而，Orozco-Ibarra等[30]用D-Ser誘導大鼠產(chǎn)生腎功能損傷，檢測腎臟中的血紅素氧合酶-1、丙二醛、ROS等氧化應激標志物水平，結(jié)果顯示并無改變，因此，他們認為D-Ser誘導腎小管損傷與氧化應激無關，至少在腎臟損傷早期不發(fā)揮作用，但是并沒有否定谷胱甘肽的作用。這兩項實驗都是動物實驗，均為研究D-Ser的腎臟損傷機制提供了很好的參考價值，仍需要在具體的腎病模型中進行大量研究。

3.2 丙氨酸-絲氨酸-半胱氨酸-1（alanine-serine-cysteine-1,Asc-1）轉(zhuǎn)運體參與 正常血液中的D-/L-Ser較低，這與近端小管對D-Ser和L-Ser的重吸收不平衡有關。發(fā)生腎損傷時，血液中的D-Ser濃度升高，表明近端小管對D-Ser重吸收增多，但腎臟的手性選擇性具體機制未明。近端小管Asc-1轉(zhuǎn)運體是一種中性氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白，主要表達于神經(jīng)系統(tǒng)[31]、腎遠端小管和集合管[32]。Suzuki等[33]用順鉑誘導小鼠近端小管特異性損傷后，血液中D-Ser濃度升高與Asc-1的mRNA表達水平上調(diào)呈正相關，同時用順鉑處理腎細胞系，細胞內(nèi)D-/L-Ser升高，說明Asc-1提高了對D-Ser的轉(zhuǎn)運能力，而對L-Ser親和力較高的中性氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白的表達下調(diào)。

3.3 一般性調(diào)控阻遏蛋白激酶2（general control nonderepressible 2,GCN2）激活 細胞在面對體內(nèi)外環(huán)境變化時，通過快速調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的產(chǎn)物水平來迅速恢復穩(wěn)態(tài)，這就是綜合應激反應（integrated stress response,ISR）。當發(fā)生腎損傷時，近端小管對L-Ser的重吸收減少，細胞內(nèi)L-Ser水平降低，導致tRNA合成時不能氨基酰化，去酰基化tRNA水平升高，后者能結(jié)合并激活氨基酸傳感器GCN2[34]，GCN2進一步磷酸化真核翻譯起始因子2α，從而抑制蛋白質(zhì)翻譯，并激活活化轉(zhuǎn)錄因子4（activated transcription factor 4,ATF4）[35-36]，最后觸發(fā)了ISR。ATF4能夠激活細胞自噬[36]、衰老和凋亡[35]相關信號分子如CCAAT增強子結(jié)合蛋白（CCAAT enhancer binding protein,C/EBP）同源蛋白[25]等的表達，分泌促炎和促纖維化等細胞因子，加重CKD進展。此外，GCN2在真核細胞中廣泛表達，其過度激活還與多種疾病有關，比如氣道炎癥[37]、腸炎[38]、腫瘤免疫抑制[39]、艾滋[40]等免疫系統(tǒng)相關疾病。有報道通過臨床病例分析，發(fā)現(xiàn)GCN2過表達可能是乳頭狀腎細胞癌的預后不良標志物[41]。

3.4 N-甲基-D-天冬氨酸受體（N-methyl-D-aspartic acid receptor,NMDAR）介導 NMDAR主要分布在中樞神經(jīng)系統(tǒng)，此外，在腎臟、心臟、骨、甲狀旁腺[42]和胰腺[43]等組織器官中都有表達。NMDAR是一種陽離子通道受體，是由功能性亞單位NR1和調(diào)節(jié)性亞單位NR2A、NR2B、NR2C、NR2D或NR3A、NR3B組成的異源性四聚體[44]，對Ca2+具有高通透性，可引起與Ca2+內(nèi)流有關的膜電位事件。

D-Ser是近年來新發(fā)現(xiàn)的NMDAR的調(diào)節(jié)劑[4]，可正向調(diào)節(jié)NMDAR下游信號通路。D-Ser能夠與胰腺β細胞上的NMDAR作用，抑制胰島素分泌，引起血糖升高[43]。糖尿病腎病（diabetic kidney disease,DKD）是糖尿病最嚴重的并發(fā)癥之一，在美國，40%的DKD最終發(fā)展成ESRD[45]。NMDAR在腎中廣泛表達，足細胞NMDAR長時間激活會引起氧化應激、凋亡等損傷。已有研究證明，NMDAR拮抗劑可阻止糖尿病引起的腎功能損傷[46-47]。同時，給大鼠腹腔注射一定劑量的D-Ser后，可通過過度激活NMDAR來激活下游的Ca/PKC/NOX信號通路，促進氧化應激對腎小管的損傷，而阻斷NMDAR的表達可以減少超氧化物的產(chǎn)生，減輕 D-Ser引起的 AKI[27]。

4 小結(jié)和展望

近幾年對氨基酸對映體的研究豐富了氨基酸代謝組學在疾病中的研究和應用，尤其是D-Ser在腎臟疾病中的研究。D-Ser可能成為新的腎臟損傷標志物。在CKD預后預測、AKI早期篩查和監(jiān)測疾病活動性等方面都表現(xiàn)出很高的靈敏度和特異度。同時，LSer支持療法和阻斷ISR下游信號通路可以改善D-Ser對人腎皮質(zhì)近曲小管上皮細胞的增殖抑制[35]、α-氨基異丁酸通過抑制大鼠近端小管對D-Ser的攝取來保護腎小管[29]及腸道微生物產(chǎn)生的D-Ser可促進腎小管細胞增殖[9]等研究的發(fā)現(xiàn)，都為腎功能不全的治療提供了新策略。但是目前，D-Ser的研究多在動物模型中進行，臨床樣本研究數(shù)量較少，引起腎功能不全的機制尚未明確，再加上高效液相色譜定量測量的條件限制，今后還需要更深入的研究來推進D-Ser檢測的臨床應用，使之聯(lián)合其他監(jiān)測指標來實現(xiàn)對不同腎病類型和腎損傷程度的患者進行精準化治療，提高早期腎功能不全診斷陽性率，實現(xiàn)早期治療，改善預后。