王 堯 邊艷新

（1 山東第一醫(yī)科大學(xué)（山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院），山東 濟(jì)南 250062；2 山東第一醫(yī)科大學(xué)附屬省立醫(yī)院，山東 濟(jì)南 250062）

甲基乙二醛（methylglyoxal，MG）是通過人體內(nèi)糖酵解過程產(chǎn)生的一種有毒的副產(chǎn)物，屬于羰基化合物且活性較高，經(jīng)非酶催化過程而產(chǎn)生，是磷酸二羥丙酮和甘油醛-3-磷酸的中間體。MG參與蛋白質(zhì)和核酸的修飾過程以及參與誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡過程，其通過結(jié)合DNA瞇基的殘基端發(fā)生關(guān)聯(lián)反應(yīng)，形成DNA-蛋白質(zhì)產(chǎn)物，致使DNA的雙鏈斷裂、抑制DNA合成，產(chǎn)生強(qiáng)烈的細(xì)胞毒性，從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡和組織損傷[1-2]。近年來，許多研究者發(fā)現(xiàn)MG已經(jīng)與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展有密切的聯(lián)系，成為當(dāng)前國際學(xué)術(shù)界的熱門課題和研究方向。越來越多的研究證實(shí)MG和糖尿病的發(fā)生存在一定的關(guān)聯(lián)性，但目前國內(nèi)在研究MG領(lǐng)域方面學(xué)術(shù)成果較少，少有MG的研究論文及評述，因此本文就目前國內(nèi)研究MG的現(xiàn)狀與多種疾病的關(guān)系進(jìn)行綜述。

1 MG的產(chǎn)生來源和基本代謝途徑

MG也稱為丙酮醛，其含有兩個(gè)羰基，因此性質(zhì)較為活躍，易被氧化。其產(chǎn)生于糖酵解的過程中，作為非酶糖化反應(yīng)中間體廣泛的存在于人體各個(gè)組織和器官中。MG的產(chǎn)生主要有兩種方式：①通過外源性攝取食物獲得MG。目前很多食物都含有較豐富的MG，如高糖食物、咖啡以及奶酪等均含有較高的MG，通過人體攝入進(jìn)入到組織器官和血液當(dāng)中，改變體內(nèi)的MG含量；此外在食物的加工和制作過程中由于生產(chǎn)工藝或者儲存條件不當(dāng)引起一些食品變質(zhì)，同樣也會增加MG的產(chǎn)生。②通過內(nèi)源性自身代謝產(chǎn)生MG。糖酵解所產(chǎn)生的磷酸丙糖是MG代謝途徑的中間體，其經(jīng)非酶催化反應(yīng)自發(fā)的脫掉磷酸后，可產(chǎn)生MG[3]。③MG的產(chǎn)生還可通過其他途徑產(chǎn)生。有文獻(xiàn)報(bào)道稱，氨基酸降解途徑、細(xì)胞色素P4502EI氧化丙酮途徑、脂質(zhì)過氧化途徑和Amadori重排反應(yīng)途徑等均可產(chǎn)生MG[4-5]。

人體內(nèi)的MG是通過固有的代謝途徑將其降解從而達(dá)到解毒的目的。乙二醛酶系統(tǒng)參與代謝MG是其中最重要的一條途徑。乙二醛酶系統(tǒng)包含3種酶：乙二醛酶Ⅰ（glyoxalase Ⅰ，GLO Ⅰ）、乙二醛酶Ⅱ（glyoxalase Ⅱ，GLOⅡ）以及還原性谷胱甘肽（GSH）。其中GLO Ⅰ為反應(yīng)過程中的限速酶，也是MG代謝過程中的關(guān)鍵酶，在MG的代謝途徑中起主導(dǎo)作用。在GLOⅠ的催化調(diào)節(jié)下，MG與谷胱甘肽發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生硫代半縮醛，隨之生成SD-乳酰谷胱甘肽。SD-乳酰谷胱甘肽在GLOⅡ酶的催化作用下被水解成D-乳酸，同時(shí)還原了谷胱甘肽，從而實(shí)現(xiàn)解毒功能[6-9]。

此外，MG代謝分解途徑還有其他3種：①醛糖還原酶途徑。MG與谷胱甘肽結(jié)合，生成半硫代縮醛，在醛糖還原酶作用下催化生成Lct Aldehyde，而該物質(zhì)成為另外一個(gè)醛糖還原酶的反應(yīng)底物，并且在醛糖還原酶催化下生成丙二醇，從而將MG降解[10-12]。②三甲基甘氨醛脫氫酶途徑。三甲基甘氨醛脫氫酶也稱醛脫氫酶，不僅可以將三甲基甘氨醛催化后進(jìn)行氧化，而且能夠?qū)G通過催化NAHP后氧化變成丙酮酸，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成丙酮醛和丙酮醇，達(dá)到降解[12]。③2-氧醛脫氫酶途徑。2-氧醛脫氫酶主要存在與肝臟組織并發(fā)揮作用，將MG氧化成丙酮酸鹽[12]。

2 MG的細(xì)胞毒性及AGEs的形成

在人體正常情況下，MG的含量較低，并且隨著糖酵解的發(fā)生，通過乙二醛酶系統(tǒng)將MG代謝為D-乳酸，隨之排出體外。但在高糖環(huán)境或者攝入高M(jìn)G含量食物情況下，糖酵解過程發(fā)生異常變化，GLO Ⅰ的活性受到抑制，MG分解收到阻礙，導(dǎo)致體內(nèi)MG含量逐漸升高，從而引起代謝途徑發(fā)生障礙，形成惡性循環(huán)，造成組織器官的嚴(yán)重?fù)p傷和細(xì)胞毒性的增強(qiáng)。

MG可與蛋白質(zhì)殘基不可逆的發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，引起蛋白質(zhì)的理化功能改變及部分蛋白質(zhì)的發(fā)生降解，并最終形成了晚期糖基化終末產(chǎn)物（advanced glycosylation end products，AGEs）[13-14]。有研究報(bào)道稱，糖尿病及并發(fā)癥的產(chǎn)生和老化進(jìn)程的加快是由于體內(nèi)產(chǎn)生的AGEs不斷聚集所致。AGEs與其細(xì)胞表面受體（receptor for advanced glycosylation end products，RAGE）結(jié)合后，細(xì)胞內(nèi)的炎性因子被高效激活，引起下游基因的轉(zhuǎn)錄效率的提高，從而進(jìn)一步提升信號通路的傳導(dǎo)效率以及大量活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產(chǎn)生，誘發(fā)炎癥和凋亡等一系列反應(yīng)[15]。由于糖尿病患者體內(nèi)的MG含量較高，且MG又是AGEs產(chǎn)生的前提和來源，研究和掌握他們在人體內(nèi)發(fā)揮其毒性作用以及降解毒性的機(jī)制機(jī)制，避免代謝途徑紊亂導(dǎo)致細(xì)胞凋亡和器官損傷有著十分重要的作用。

3 MG參與糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)生與發(fā)展過程

伴隨著高糖高脂飲食的攝入以及自身體產(chǎn)生異常情況，MG在體內(nèi)大量集聚，隨著MG含量的不斷積累，最終會引發(fā)代謝異常及障礙，這成為很多慢性疾病產(chǎn)生的重要誘因，因此MG與糖尿病及多種并發(fā)癥之間存在緊密的聯(lián)系。

3.1 MG與糖尿病的發(fā)生 糖尿病是以高血糖為主要特征的代謝性疾病，在病理狀態(tài)下，糖酵解的過程產(chǎn)生異常，導(dǎo)致糖代謝收到阻礙，引起血漿和細(xì)胞中的MG含量大量增加，由于代謝途徑異常，因此MG長期處于較高狀態(tài)，高濃度MG促使AGEs持續(xù)產(chǎn)生并積累。有研究表明，胰島素抵抗指數(shù)與血漿中AGEs水平及總羰基水平存在顯著性關(guān)聯(lián)[16-17]。在合成加工過程中胰島素與胰島素原可以發(fā)生糖基化反應(yīng)，并且MG通過糖基化位點(diǎn)的精氨酸殘基及苯丙氨酸殘基對胰島素β鏈進(jìn)行修飾[18-19]。糖化后的胰島素產(chǎn)生了一點(diǎn)的抵抗作用，只有高于正常的胰島素0.70，相同劑量的葡萄糖才能被誘導(dǎo)吸收[20]。此外MG通過糖基化反應(yīng)對胰島素修飾后，糖基化的胰島素在胰島β細(xì)胞中對胰島素受體中的酪氨酸位點(diǎn)的磷酸化過程進(jìn)行抑制，同時(shí)降低了磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidyl inositol 3-kinase，PI3K）活性，導(dǎo)致了其信號通路受到阻遏[21]。因此，糖基化反應(yīng)是MG能夠阻遏胰島素信號通路，修飾和改變胰島素結(jié)構(gòu)和功能的主要因素之一，從而抑制和破壞胰島素降糖功能，而AGEs通過激活RAGE引起胰島細(xì)胞的氧化應(yīng)激作用和炎癥環(huán)境來實(shí)現(xiàn)對胰島細(xì)胞的損傷和破壞而阻礙降糖，從而引起糖尿病的發(fā)生。

3.2 MG可以誘發(fā)胰島素抵抗 胰島素抵抗（insulin resistance，IR）指胰島素對葡萄糖的攝取和利用效率下降，導(dǎo)致機(jī)體代償性的分泌過多胰島素以維持血糖穩(wěn)定。很多外國報(bào)道提示MG可以誘發(fā)胰島素抵抗。Di Loreto等[22]研究表明，在氧化應(yīng)激作用下，高濃度的MG可以降低信號調(diào)節(jié)激酶的磷酸化的水平，減弱信號傳導(dǎo)和調(diào)節(jié)的強(qiáng)度，從而增加胰島β細(xì)胞凋亡的頻率，引起胰島素抵抗的發(fā)生。Bansilal等[23]研究表明，MG的存在改變了胰島素功能，不僅能夠?qū)I3K信號途徑產(chǎn)生抵抗作用，而且能夠同時(shí)激活MAPK途徑，致使內(nèi)皮細(xì)胞損傷加重，加劇動脈粥樣硬化的發(fā)生，從而導(dǎo)致胰島素產(chǎn)生抵抗。Jia等[19]和Randell等[24]研究結(jié)果表明，MG通過與胰島素β鏈精氨酸殘基交聯(lián)，改變蛋白質(zhì)特性，引起骨骼肌細(xì)胞和脂細(xì)胞攝取葡萄糖的效率下降十分顯著，同時(shí)減弱了肝細(xì)胞清除功能，從而出現(xiàn)胰島素自分泌異常情況。

AGEs也是導(dǎo)致胰島素抵抗的重要誘因。研究人員在2型糖尿病小鼠中觀察到，AGEs還能夠通過受體RAGE，激活細(xì)胞內(nèi)的NF-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路并釋放RAGE的其他配體，誘發(fā)炎癥環(huán)境并刺激產(chǎn)生ROS，從而抑制胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，然而ROS的產(chǎn)生又會反過來刺激AGEs的產(chǎn)生和積累，進(jìn)而損傷胰島β細(xì)胞[25]。此外，受體RAGE的激活還會抑制GLO Ⅰ活性，GLO Ⅰ是代謝MG途徑的關(guān)鍵酶，因此MG的含量會增減累積，導(dǎo)致AGEs含量的進(jìn)一步產(chǎn)生和積累并引起多種炎性因子的高效表達(dá)，形成了胰島素抵抗和損傷胰島細(xì)胞的惡性循環(huán)。

3.3 MG與阿爾茨海默病 文獻(xiàn)報(bào)道研究證實(shí)，MG能夠?qū)е露喾N糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生，其中包括阿爾茨海默病[26-28]。阿爾茨海默癥（Alzheimer's disease，AD）主要表現(xiàn)為記憶喪失、認(rèn)知功能減退，主要是由于在大腦皮質(zhì)和海馬中產(chǎn)生了病灶，包括Tau蛋白異常聚集形成的神經(jīng)纖維纏結(jié)、β淀粉樣蛋白（β-amyloid peptide，Aβ）聚集形成的老年斑，以及神經(jīng)元缺失和神經(jīng)突觸數(shù)量減少等。

大腦是糖代謝極其活躍的器官，消耗大量的能量。隨著年齡不斷增長，即使在非病理狀態(tài)下，MG在腦內(nèi)會少量累積，但在病理狀態(tài)下的患者腦內(nèi)，MG含量會明顯增加。研究發(fā)現(xiàn)，MG的過量累積會刺激海馬神經(jīng)元引發(fā)氧化應(yīng)激，導(dǎo)致神經(jīng)生長因子和白細(xì)胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）的過量表達(dá)，從而引發(fā)神經(jīng)鞘細(xì)胞的損傷。該結(jié)果提示，對于糖尿病患者來說，由于糖酵解代謝途徑異常，體內(nèi)積累了較高濃度的MG，因此MG的存在與神經(jīng)性病變的發(fā)生可能有緊密的聯(lián)系[29]。由于AD患者大腦聚集較多的MG，因此與長壽蛋白反應(yīng)可產(chǎn)生AGEs，并聚集于大腦的皮質(zhì)淀粉樣斑塊以及纖維狀結(jié)構(gòu)。Yan等[30]研究發(fā)現(xiàn)，AGEs在腦內(nèi)聚集是促進(jìn)了大腦的老化進(jìn)程并且參與了AD病理機(jī)制的發(fā)生。Kuhla等[31]和Kayed等[32]研究證明，細(xì)胞內(nèi)葡萄糖代謝水平的降低、線粒體的活性以及ATP利用率的降低都與AGEs存在顯著相關(guān)性，同時(shí)還能引起小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生大量的自由基以及諸多有害的細(xì)胞因子，導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙甚至神經(jīng)細(xì)胞的凋亡。

此外，糖基化反應(yīng)誘導(dǎo)的中樞神經(jīng)病變是引起AD病理機(jī)制的原因之一。Hardy等[33]首次提出了Aβ級聯(lián)假說，認(rèn)為大腦中神經(jīng)元細(xì)胞損傷其主要原因是淀粉樣斑塊的產(chǎn)生和沉積。體外試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，病理狀態(tài)下，Aβ通過糖基化作用與腦中MG反應(yīng)生成Aβ-AGE，該物質(zhì)的產(chǎn)生引起神經(jīng)元表面受體RAGE被過度激活且釋放大量自由基，加劇神經(jīng)細(xì)胞的毒性作用[34]。此外，其通過信號通路傳導(dǎo)還可引起多種炎性因子的表達(dá)上調(diào)，如白細(xì)胞介素-1、白細(xì)胞介素-6和TNF-α的表達(dá)水平均升高，并且高表達(dá)的炎性因子進(jìn)入細(xì)胞核后可以啟動RAGE的轉(zhuǎn)錄，增強(qiáng)了受體RAGE表達(dá)水平，從而加劇了細(xì)胞毒性作用，導(dǎo)致AD病理進(jìn)程呈現(xiàn)惡性循環(huán)[17,35]。

過量的MG不僅能夠誘導(dǎo)體外培養(yǎng)的大腦皮質(zhì)神經(jīng)元產(chǎn)生ROS，而且能夠誘導(dǎo)其神經(jīng)元細(xì)胞的凋亡。有研究結(jié)果表明，伴隨著MG含量的不斷累積，細(xì)胞內(nèi)的ROS水平不斷升高，而原代培養(yǎng)的海馬細(xì)胞存活率卻不斷降低，引起海馬神經(jīng)元的壞死和凋亡，導(dǎo)致學(xué)習(xí)記憶等功能的受損和缺失，從而引發(fā)大腦認(rèn)知功能障礙[35-37]。除誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生之外，還可以通過抑制MG解毒酶及抗氧化應(yīng)激酶等ROS清除酶的活性，加劇神經(jīng)元細(xì)胞的損傷。有研究結(jié)果進(jìn)一步表明，神經(jīng)細(xì)胞經(jīng)高濃度MG處理后，產(chǎn)生大量的ROS，同時(shí)谷胱甘肽也被大量消耗，從而引起超氧化物歧化酶等活性顯著降低，最終導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞凋亡，造成神經(jīng)元丟失[28]。

上述研究結(jié)果提示，MG和AGEs在阿爾茨海默癥中均起到十分重要作用，這可能是糖尿病患者易于發(fā)生阿爾茨海默癥的原因之一。

3.4 MG直接參與動脈粥樣硬化的發(fā)生 動脈粥樣硬化（arthero sclerosis，AS）是一種普遍的全球性疾病，其發(fā)病率和病死率較高，其中AS患者中較高比例的屬于糖尿病患者，二者之間存在一定的關(guān)系。臨床研究表明，高血糖是引發(fā)AS的主要因素之一，與AS的發(fā)生率及嚴(yán)重程度均有密切聯(lián)系[38]。而在糖尿病患者中，糖酵解途徑發(fā)生異?；蚴艿阶璧K，直接導(dǎo)致了患者體內(nèi)的MG含量顯著增加。MG通過非酶促反應(yīng)產(chǎn)生AGEs，當(dāng)AGEs與受體RAGE結(jié)合后，使細(xì)胞中的蛋白功能發(fā)生改變，引起內(nèi)皮損傷、炎性反應(yīng)和氧化應(yīng)激，最終導(dǎo)致動脈粥樣硬化的發(fā)生和發(fā)展。因此，AS的發(fā)生與發(fā)展是MG直接參與和作用的結(jié)果[39]。其途徑過程主要為[39-40]高濃度的MG與細(xì)胞外的基質(zhì)蛋白發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的AGEs，引起動脈血管壁的增厚和硬化，阻礙血管重建，同時(shí)AGEs與受體RAGE結(jié)合，導(dǎo)致炎性因子和黏附因子的表達(dá)上調(diào)，信號傳遞被放大，從而引發(fā)AS的發(fā)生。此外，NO生成減少是內(nèi)皮功能損傷的主要標(biāo)志。Rojas等[41]研究發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)皮細(xì)胞中，氮氧化物合酶活性可以被AGEs所抑制，從而減少內(nèi)皮細(xì)胞中一氧化氮的含量，然而一氧化氮生成量的減少又是內(nèi)皮細(xì)胞功能損傷的主要標(biāo)志，因此AGEs的大量生成最終引起內(nèi)皮細(xì)胞功能損傷，導(dǎo)致AS的形成和發(fā)展。

4 總結(jié)

糖尿病患者在全球的發(fā)病率逐年升高，與之相關(guān)的并發(fā)癥也逐漸增多。其主要原因在于體內(nèi)攝入大量的高脂和高糖，從而引發(fā)體內(nèi)糖代謝途徑的紊亂和損傷。MG是這個(gè)過程中的毒性副產(chǎn)物，已經(jīng)受到全球的廣泛關(guān)注，如何更好地研究MG的存在與糖尿病的發(fā)生和發(fā)展之間的關(guān)系，如何利用好MG清除劑清除體內(nèi)過高的MG在預(yù)防和治療諸多疾病過程中有著十分重要的臨床意義。