同型半胱氨酸與動脈粥樣硬化的研究進展

劉 洋 袁向珍

1.內蒙古醫科大學第一臨床學院，內蒙古呼和浩特 010000；2.內蒙古醫科大學附屬醫院體檢中心，內蒙古呼和浩特 010000

據統計，心血管疾病是我國城鄉居民死亡的首要原因，推算我國心血管疾病現患人數3.30 億，其中腦卒中1300 萬，冠心病1139 萬[1]。動脈粥樣硬化（atherosclerosis，AS）是一種發生于血管壁的慢性炎癥性病理變化，以脂質沉積和免疫細胞浸潤為特征，所導致的冠心病、心肌梗死、腦卒中等心腦血管急性事件嚴重威脅人類生命健康[2]。1969 年Mccully 從同型半胱氨酸尿癥死亡兒童尸檢中發現，血管內存在廣泛的動脈血栓及AS 的病理表現，由此提出同型半胱氨酸（homocysteine，Hcy）升高可導致動脈粥樣硬化性心血管疾病（atherosclerotic cardiovascular diseases，ASCVD）的假說[3]。因此，Hcy 作為一種與心血管疾病相關的生物標志物被廣泛研究。

1 同型半胱氨酸概述

1.1 Hcy 的來源及高同型半胱氨酸血癥

Hcy 是蛋氨酸在體內去甲基化所產生的一種含巰基的非蛋白氨基酸[4]。健康人血漿中總同型半胱氨酸（total homocysteine，tHcy）的最佳總濃度為5.0～15.0μmol/L（高效液相色譜法）或5.0～12.0μmol/L（免疫法）[5]。病理條件下，tHcy 濃度升高并超過正常水平，稱之為高同型半胱氨酸血癥（hyperhomocysteinemia，HHcy），根據其濃度可分為輕度（15～30μmol/L）、中度（30～100μmol/L）和重度（＞100μmol/L）[6]。

1.2 Hcy 的代謝途徑

Hcy 是蛋氨酸代謝、葉酸循環兩種重要代謝途徑交匯處的共同中間體。蛋氨酸在腺苷轉移酶的作用下轉化為S–腺苷蛋氨酸，為DNA、蛋白質和其他生物分子甲基化提供甲基，并生成S–腺苷同型半胱氨酸，再被水解為Hcy 和腺苷，這種水解是可逆的，與其水解相比，S–腺苷同型半胱氨酸的合成更為迅速[7]。因此，在正常生理情況下，Hcy 被迅速代謝消除，從而保證水解方向。Hcy 通過蛋氨酸合成酶，并以5–甲基四氫葉酸作為甲基供體，維生素B12作為輔助因子，重新甲基化為蛋氨酸和四氫葉酸；四氫葉酸在5，10–亞甲基四氫葉酸還原酶的催化下以維生素B2和維生素B6為輔酶合成5–甲基四氫葉酸以此循環往復[7]。

除以上循環代謝外，Hcy 還可通過兩個途徑代謝。Hcy 在甜菜堿–同型半胱氨酸甲基轉移酶催化下也可重新甲基化為蛋氨酸；或通過轉硫途徑，由胱硫醚β 合成酶催化，最終形成半胱氨酸[8]。以上代謝過程中如有任何一環出現障礙或代謝過程中各種酶缺乏均可導致Hcy 堆積，引起一系列相關疾病。

2 動脈粥樣硬化的形成發展

膽固醇、脂質的沉積和慢性炎癥是AS 發病機制中的兩個關鍵因素。動脈壁中膽固醇和脂質積累的主要來源是修飾的脂蛋白，如氧化低密度脂蛋白（oxidized low–density lipoprotein，ox–LDL）和血漿低密度脂蛋白膽固醇（low–density lipoprotein cholesterol，LDL–C）與血管內膜中細胞外基質的蛋白聚糖結合，刺激血管內皮細胞（endothelial cell，EC），誘導趨化因子、細胞因子和黏附分子表達，這些分子吸引和促進免疫細胞外滲，介導循環單核細胞募集，浸潤到內膜后，單核細胞被激活為巨噬細胞，內化修飾脂蛋白，最終形成泡沫細胞和脂肪條紋，這是AS 發生、發展的標志[9]。

3 高同型半胱氨酸血癥致血管損傷的可能機制

研究表明，氧化應激和炎癥是相互關聯的過程，它們形成一個強大的前饋循環，促進AS 斑塊的形成、發展和破裂[10]。HHcy 可通過增加氧化應激，使線粒體功能障礙，激發內質網應激（endoplasmic reticulum stress，ERs），影響生物表觀遺傳修飾，蛋白質同型半胱氨酸化及干擾脂質代謝的方式引起血管損傷[11]。

3.1 HHcy 與氧化應激

氧化應激的特征是氧化劑和抗氧化系統之間的不平衡，導致活性氧增加，實驗性AS 動物組織中可見自由基過氧化產物水平升高，抗氧化酶活性降低[12]。HHcy 誘導血管損傷的主要機制是活性氧積累引起的氧化應激反應，其產生的活性氧自由基非常不穩定，可迅速與鄰近分子反應，產生更多自由基，最終保護性抗氧化系統失效，導致氧化應激[13]。研究表明，HHcy 可通過不同機制及通路誘導氧化應激致血管損傷。

3.1.1 Hcy 與金屬離子結合 Hcy 與大多數含有硫醇的氨基酸一樣，在氧和某些金屬離子存在下可氧化形成氧自由基。Sharma 等[14]針對Hcy 對含鐵蛋白質的影響進行系統研究，發現Hcy 的氧化應激與以鐵為輔因子的蛋白質功能喪失有關。然而，近期我國學者評估多種金屬（包括準金屬砷和硒）的暴露與Hcy 水平的關聯性，結果發現鉬、鍶和鋅等離子與Hcy 水平呈正相關，而硒與Hcy 水平呈負相關，說明硒作為潛在的可調節因素對個性化預防Hcy 水平升高和ASCVD 的重要性[15]。

3.1.2 Hcy 與一氧化氮 一氧化氮（nitric oxide，NO）是內皮型一氧化氮合酶（endothelial nitric oxide synthase，eNOS）催化精氨酸產生的信使分子，具有誘導血管舒張、抗氧化、抗炎和抗血小板聚集活性等廣泛的血管功能，在控制心血管內穩態中發揮重要作用[16]。研究表明HHcy 可造成eNOS 解耦聯、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）上調，導致活性氧增加、NO 下降，各種黏附分子上調促進內皮活化和炎癥反應，致使血管內皮障礙[17]。

3.1.3 Hcy 與抗氧化系統 細胞抗氧化系統包括抗氧化酶（如超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶等）和抗氧化劑（如谷胱甘肽，維生素A、C、E 等）[18]。Hcy 通過減弱細胞抗氧化系統活性從而引起血管內皮損傷，致使AS 風險增加，相關實驗結果表明，HHcy 的機體中抗氧化酶及抗氧化劑較正常普遍偏低，但具體分子機制尚不明確[19,20]。

3.2 HHcy 與線粒體功能障礙和ERs

線粒體通過電子傳遞鏈與氧化磷酸化、三羧酸循環和脂肪酸代謝等途徑產生能量，對維持細胞穩態和功能至關重要[21]。ERs 是一種細胞內的適應性反應，其特點是分子伴侶表達增加和未折疊蛋白聚集，Hcy 通過未折疊蛋白反應誘導ERs 持續產生[22]。

Wang 等[23]在患有急性心肌缺血再灌注損傷的大鼠中發現tHcy 升高可增加細胞色素C 的釋放、刺激活性氧產生和ERK1/2 信號通路誘導的線粒體功能障礙和氧化應激，進一步加重心臟血管的損傷，導致心臟功能障礙。Zhang 等[24]通過觀察敲除載脂蛋白E 的HHcy 小鼠發現，Hcy 通過上調內質網氧化還原酶1α（endoplasmic reticulum oxidoreductase 1α，Ero1α）表達，激活ERs 依賴性巨噬細胞凋亡，促進AS 易損斑塊的形成。研究發現HHcy 誘導的線粒體功能障礙的關鍵在于改變細胞凋亡并促進人臍靜脈內皮細胞（human umbilical vein endothelial cell，HUVEC）中ERs 的激活，其下游蛋白激酶R 樣內質網激酶通路的過度激活，加速HUVEC 凋亡和核因子–κB（nuclear factor kappa B，NF–κB）磷酸化，使內皮細胞受損，促進炎性反應，導致血管內皮依賴性舒張功能降低，從而導致血管功能障礙[25]。因此，阻斷蛋白激酶R 樣內質網激酶通路，減輕HHcy 誘導的HUVEC 凋亡和NF–κB 激活可能為治療或預防AS 的新方向。

3.3 HHcy 與表觀遺傳修飾

表觀遺傳調控通過DNA 甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA 的作用引起基因表達的改變，有學者認為，HHcy 誘導表觀遺傳和遺傳改變也是造成AS 的原因[26]。Hcy 水平升高可改變DNA 甲基轉移酶活性，并通過干擾甲基轉移代謝、影響組蛋白去乙酰化等方式促進AS[27，28]。

近年來，微RNA（microRNA，miRNA）作為一種表觀遺傳學修飾，在AS 中的作用備受關注，它通過抑制信使RNA（messenger RNA，mRNA）的翻譯或促進mRNA 降解來調節轉錄后的基因表達[29]。miR–195 是miR–15 家族成員，Xiong 等[30]研究發現，Hcy 介導的miR–195–3p 通過靶向刺激白細胞介素–31 促進巨噬細胞介導的炎癥產生和AS 的進展，DNA 甲基轉移酶–3a 和組蛋白去乙酰化酶–11 催化的DNA 甲基化和組蛋白–H3–賴氨酸–9 去乙酰化是miR–195–3p 下調的原因，轉錄因子特異性蛋白–1 與DNA 甲基轉移酶–3a 相互作用是組蛋白去乙酰化酶–11 與miR–195–3p 啟動子結合所必需的。因此，根據表觀遺傳變化的可逆性，恢復miR–195–3p 的表達對HHcy 相關的AS 患者可能有益。SWI/SNF（switch/sucrose non–fermentable）是一種進化上保守的多亞基染色質重塑復合物，SNF5 是SWI/SNF 復合物的亞基之一[31]。Xie 等[32]發現Hcy 通過賴氨酸特異性組蛋白去甲基化酶–1A上調SNF5 表達，導致巨噬細胞中組蛋白–H3–賴氨酸–4 甲基化和白細胞介素–1β 水平升高，進而促進AS 的形成。

3.4 HHcy 與蛋白質同型半胱氨酸化

Hcy 硫代內酯是Hcy 的一種反應性代謝物，可與蛋白質中賴氨酸殘基共價結合，這種修飾稱為N–同型半胱氨酸化（N–homocysteine，N–Hcy），研究表明N–Hcy 會導致血管損傷，促進AS 進展[33]。與Hcy 硫代內酯相反，Hcy 本身與蛋白質中的半胱氨酸殘基結合，形成穩定的共價二硫鍵，這一過程稱為S–同型半胱氨酸化(S–homocysteine，S–Hcy)，也可能改變蛋白質的結構和功能，這可能是HHcy 致病的一種新的毒性機制[34]。高密度脂蛋白（high–density lipoprotein，HDL）的主要蛋白質成分是載脂蛋白A–Ⅰ（apolipoprotein A–Ⅰ，apoA–Ⅰ），具有愈合內皮的功能，然而在心血管疾病中，HDL 被髓過氧化物酶和N–Hcy 修飾，導致apoA–Ⅰ/apoA–Ⅱ異二聚體和N–Hcy 與apoA–Ⅰ的復合物形成，減弱HDL 介導的內皮愈合[35]。阻斷蛋白質同型半胱氨酸化通路有可能對HDL 形成保護，加強其對內皮功能的愈合作用，在此方面可進行更進一步的探討與研究。

3.5 HHcy 與脂質代謝紊亂

血漿LDL–C 升高是AS 最重要的危險因素，而修飾的LDL–C 在巨噬細胞中的蓄積和泡沫細胞的形成是AS 的特征性改變[36]。EC 損傷后，脂質，特別是ox–LDL 在內皮下層積聚，促進AS 形成；凝集素樣氧化低密度脂蛋白受體1（lectin–like oxidized–low density lipoprotein receptor–1，LOX–1）是一種血管清道夫受體，可介導EC 識別、內化和降解氧化修飾的ox–LDL，而LOX–1 與ox–LDL 結合亦可誘導NF–κB 激活[37]。

Ma 等[37]發現HHcy 誘導ox–LDL 水平升高，并下調DNA 甲基轉移酶1 表達，使LOX–1 DNA 低甲基化并升高LOX–1 表達，促進AS 發展。研究發現，前蛋白轉換酶枯草溶菌素9（proprotein convertase subtilisin kexin 9，PCSK9）通過抑制巨噬細胞中ATP結合盒轉運蛋白A1 和G1 介導的膽固醇流出來促進脂質積累，并在HHcy 誘導下加速AS 病變[38]。最新研究表明，利拉魯肽通過抑制PCSK9/低密度脂蛋白受體可阻斷HHcy 誘導的血管平滑肌細胞的增殖、遷移和表型轉換[39]。這一發現為未來應用利拉魯肽作為靶向治療AS 的有效藥物奠定了基礎。

4 高同型半胱氨酸血癥的治療

4.1 葉酸和B 族維生素對HHcy 的治療

Hcy 的代謝離不開葉酸、維生素B12、維生素B6的輔助，而葉酸和B 族維生素也成為目前治療HHcy的主流手段，但其是否可改善AS、降低ASCVD 的發病風險仍存在許多疑問。2019 年，一項Mate 分析納入11 項前瞻性隊列研究，針對一般人群中葉酸、維生素B6和維生素B12的攝入與冠心病風險之間的關系進行分析。結果顯示，當分析僅限于膳食維生素攝入時，結果并無實質性變化，而非線性劑量反應薈萃分析則表明葉酸和維生素B6攝入量與冠心病風險之間存在負相關[40]。Lu 等[41]研究發現馬來酸依那普利葉酸片對Hcy 誘導的高血壓大鼠血管平滑肌細胞GRP78、CHOP 的表達及血管重構有干預作用，通過減輕ERs 和血管損傷、降低Hcy 和動脈中層厚度、改善血管重構來維持細胞的正常狀態。

雖然葉酸及B 族維生素對降低Hcy 水平、預防ASCVD 有積極作用，但也有其他研究顯示，過度補充葉酸對健康有一定負面影響。葉酸可通過其在單碳代謝中的作用及對DNA 復制和細胞分裂中的作用影響癌癥的發展；且葉酸攝入過多和二氫葉酸還原酶活性降低可導致進入體循環的未代謝的葉酸水平異常[42]。這種現象的潛在風險似乎在很大程度上被忽視。Vezzoli 等[43]對32 例中度HHcy 患者進行90d隨機試驗，分別采用5–甲基四氫葉酸15mg/d、羥脯氨酸5ml/d+300μg 葉酸、單用羥脯氨酸5ml/d 三種不同方式進行葉酸補充，結果發現每種方式均顯著降低Hcy 水平和半胱氨酸濃度，而聯合補充羥脯氨酸和葉酸組的谷胱甘肽濃度顯著增加。羥脯氨酸與葉酸的整合為傳統療法帶來一種有趣的替代方案，整合劑中葉酸的比例降低后，也降低了因過度補充葉酸而可能帶來的長期健康風險。

4.2 天然生物化學物與HHcy

研究表明，一些天然化學物質對Hcy 引起的血管損傷具有保護作用，在通過抑制EC 凋亡以治療AS 方面有巨大潛力。紅景天苷具有多種藥理活性，包括抗炎、抗癌、抗氧化和抗纖維化特性，且可通過調節KLF4/eNOS 信號通路來抑制Hcy 誘導的內間質轉化[44]。表沒食子兒茶素沒食子酸酯是綠茶中眾所周知的抗氧化劑，對代謝和心血管疾病有益，其通過增強SIRT1/AMPK 及Akt/eNOS 信號通路以防止HHcy 誘導的EC 凋亡[45]。Li 等[46]發現柚皮素是一種具有生物活性的黃烷酮化合物，可防止線粒體損傷和ERs，通過激活AMPKα/Sirt1 信號通路增加活性氧清除，減少eNOS 解耦聯，進而上調NO 生物利用度和內皮功能，最終改善AS。

5 總結與展望

Hcy 作為一種反映ASCVD 的生物學標志物，它的代謝障礙可引起HHcy，并通過多種途徑損傷血管內皮，從而促進AS 的發生發展，最終導致ASCVD。雖然HHcy 致病機制紛繁復雜，但通過研究可找到一些治療突破口，目前發現利拉魯肽對改善Hcy 誘導的AS 有積極作用；傳統的葉酸、B 族維生素治療HHcy 的相關研究也在進一步完善；一些具有抑制Hcy 毒性的天然化合物具有強烈的抗氧化性質，這為研究新藥降低Hcy 水平、改善AS、預防ASCVD 的發生發展提供努力的方向。