酰基肉碱可以对2型糖尿病及早期的胰岛素抵抗进行预测

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近日,Scientific Report杂志发表了题为“Glucose challenge metabolomics implicates medium-chain acylcarnitines in insulin resistance”的文章,进一步表明了酰基肉碱(acylcarnitines),尤其是中链脂肪酰侧链相连的酰基肉碱在2型糖尿病(T2DM)前期胰岛素抵抗状态时的标志性作用。

 

胰岛素抵抗是各种原因导致的胰岛素促进葡萄糖摄取和利用的效率下降,进而影响系统性的糖脂代谢。关于胰岛素抵抗的诱因及机制有很多理论与实验支持,其中之一是脂毒性(lipotoxicity)诱导的胰岛素抵抗。在骨骼肌、肝脏等胰岛素敏感的组织中,过量的脂质供应及积累会干扰胰岛素相关的代谢通路。其中,已有的多项研究表明多种类脂质及脂质代谢物,包括脂肪酸、神经酰胺、二酰甘油、溶血磷脂、神经节苷脂等,都在胰岛素抵抗,进而在发展为T2DM的过程中起关键作用。我们之前的文章也对这些脂类在T2DM中的作用进行过总结(原文链接:脂质组学,让我们更清晰地认识糖尿病)。

肉碱及酰基肉碱的主要作用是脂肪酸的运输及线粒体内氧化。为保证持续的能量供给,人体需要在葡萄糖之外氧化分解大量的脂类。L-肉碱主要将长链脂肪酸从细胞质内转运到线粒体中,进而进行脂肪酸氧化。肉碱主要来源与饮食,一部分也可以通过生物合成在体内生成。一些蛋白质中的赖氨酸可以被甲基化成为三甲基赖氨酸,之后经过四种酶的催化而转化为肉碱,其中最后一步需要的—丁基甜菜碱双加氧酶(BBD)是关键酶。进入细胞的脂肪酸通过辅酶CoA酯化而激活,形成酰基辅酶A(acyl-CoAs),之后通过肉碱棕榈酰转移酶1(CPT1)形成酰基肉碱转运至线粒体进行氧化分解。

酰基肉碱也可以转运至细胞膜外而进入循环系统。血液中的酰基肉碱根据不同脂肪酰侧链(碳链长短、不同饱和度以及是否羟基化),可以通过基于现代质谱技术的检测方法同时检测到几十种。在胰岛素抵抗及T2DM人群中,由于营养过量等原因导致的脂肪酸累积及其氧化受损,会造成包括酰基肉碱在内的脂肪酸不完全氧化产物的异常,并且进一步加剧胰岛素抵抗的程度。

前期的研究已经显示酰基肉碱与胰岛素抵抗及T2DM具有一定的相关性[1, 2]。过往胰岛素抵抗或T2DM人群的代谢组学研究多数是针对禁食状态下静态的个体血浆或血清中代谢物进行检测和筛选。然而,胰岛素主要是在餐后进食状态下起作用的。因此,空腹禁食状态时可能会掩盖一些应有的代谢变化。在这篇研究中,通过对470位非糖尿病个体进行口服葡萄糖耐受实验,在糖摄入后的三个时间点(0min,30min,120min)分别取血,利用非靶标代谢组学平台(Waters Acquity UPLC and Xevo G2-qTOF spectrometer)筛选胰岛素抵抗相关的重要代谢物。

通过运用年龄校正后的线性回归模型,筛选到9个代谢的物浓度随胰岛素抵抗程度的变化而改变,并且与之密切相关。其中,与胰岛素抵抗相关性最强的代谢物是酰基肉碱C10-acylcarnitine和C12-acylcarnitine。进一步对不同的酰基肉碱进行分析,发现虽然所有的酰基肉碱随着OGTT时间的推移下降,只有中链酰基肉碱(C10-,C12- acylcarnitine)与胰岛素抵抗有显著的相关性,其在胰岛素抵抗个体中的下降受到明显的阻碍。而游离肉碱、短链酰基肉碱(C2-, C8-acylcarnitine)和长链酰基肉碱(C14-,C16-acylcarnitine)与胰岛素抵抗没有显著相关性(图1)。

 

图1.不同胰岛素敏感性人群在OGTT不同时间点的血浆酰基肉碱含量

Abundance of plasma acylcarnitines during OGTT according to insulin sensitivity. (A) Log2-scaled, normalized UPLC-TOF-MS signal intensity of detected carnitine species according to quartile of insulin sensitivity (M/I) in boxplots (n = 470) (insulin sensitivity index M/I was calculated by dividing the glucose disposal index M by the mean insulin concentration during the corresponding period.) (B) Difference in signal change 30–120 min between highest IR (M/I quartile 1, n = 117) and lowest IR (M/I quartile 4, n = 117) for different acylcarnitines.

为了进一步证实中链酰基肉碱可以特异性地抑制胰岛素诱导的血糖变化,研究者还对小鼠3T3-L1脂肪细胞进行了实验。将C2-, C10-, C12-以及 C16-carnitine分别加入小鼠3T3-L1脂肪细胞,观察其是否对胰岛素刺激的葡萄糖吸收以及脂解作用有影响。结果表明,只有C10-, C12-carnitine处理的3T3-L1细胞对胰岛素刺激的葡萄糖摄取有显著的抑制,以及对异丙肾上腺素诱导的脂解作用有明显的增强。因此,中链酰基肉碱能够特异性的引起胰岛素抵抗。

 

图2.不同碳链长度的酰基肉碱对小鼠3T3-L1脂肪细胞葡萄糖吸收和脂解作用的影响

Glucose uptake and lipolysis in murine 3T3-L1 adipocytes.

 

早在2013年的一篇研究就对2型糖尿病及其发病前的高风险组的线粒体功能异常相关的酰基肉碱变化进行了较全面的分析比较[3]。研究者分别对正常血糖组(NGT)、空腹血糖受损组(IFG)与血糖耐受受损组(IGT)以及2型糖尿病组(T2D)的血清短链、中链、长链酰基肉碱进行检测与比较。结果表明,长链酰基肉碱C14:1,C14:2,C18:1 acylcanitine以及一种短链酰基肉碱C3DC/C4OH acylcarnitine在T2D及之前的血糖不耐受状态均有显著变化。

此外,2016年中国科学院上海生命科学研究院的吴家睿老师与林旭老师组在Diabetes Care杂志共同发表了一篇针对中国北京和上海人群的6年的追踪[4]。结果表明,6年的追踪研究后,该人群患T2DM的风险与游离carnitine、短链酰基肉碱中的C3DC acylcarnitine、中链酰基肉碱中的C8:1, C10, C14OH, C14:1OH acylcarnitine及长链酰基肉碱中的C16:1, C16:2, C18, C18OH, C18:1, C18:2, C20, C20:4acylcarnitine呈正相关;而与肉碱前体物质(3-dehydroxycarnitine 和 3-dehydrocarnitine),中链酰基肉碱C10DC,C12DC,C12,C12:1,C12OH acylcarnitines 均呈现显著的负相关性,因此也是对这篇Scientific Report研究的印证。与通过传统的风险因子(空腹血糖、BMI等)对T2DM风险进行预测相比,选择性增加了酰基肉碱的预测模型很大地提高了预测能力(AUCs: 0.89 vs. 0.73)。

因此,特定的酰基肉碱可以作为T2DM早期预测的标志物之一,使得原有的预测模型进一步得到优化。

参考文献:

[1] Adams SH, Hoppel CL, Lok KH, Zhao L, Wong SW, Minkler PE, et al. Plasma Acylcarnitine Profiles Suggest Incomplete Long-Chain Fatty Acid β-Oxidation and Altered Tricarboxylic Acid Cycle Activity in Type 2 Diabetic African-American Women. The Journal of Nutrition. 2009;139:1073-81.

[2] McCoin CS, Knotts TA, Adams SH. Acylcarnitines--old actors auditioning for new roles in metabolic physiology. Nat Rev Endocrinol. 2015;11:617-25.

[3] Mai M, Tönjes A, Kovacs P, Stumvoll M, Fiedler GM, Leichtle AB. Serum levels of acylcarnitines are altered in prediabetic conditions.  PloS one2013. p. e82459.

[4] Sun L, Liang L, Gao X, Zhang H, Yao P, Hu Y, et al. Early Prediction of Developing Type 2 Diabetes by Plasma Acylcarnitines: A Population-Based Study. Diabetes care. 2016;39:1563-70.