干貨分享丨兒茶酚胺的功能、代謝與應用
01 兒茶酚胺的功能與合成代謝
兒茶酚胺是一類含兒茶酚和胺基的神經類物質，最重要的兒茶酚胺是腎上腺素、去甲腎上腺素和多巴胺。這三種兒茶酚胺由酪氨酸轉化而來，經代謝后轉變成相應的代謝產物如甲氧基腎上腺素、甲氧基去甲腎上腺素、3-甲氧酪胺。兒茶酚胺及其代謝產物在神經系統、心血管系統、內分泌等組織系統中起著重要的調節作用。多巴胺是中樞神經遞質，是合成去甲腎上腺素和腎上腺素的前體。去甲腎上腺素是腎上腺素能神經的傳遞介質，還參與中樞神經系統的化學傳遞，它和腎上腺素都是腎上腺髓質分泌的重要激素。由于兒茶酚胺是一類化學神經遞質和激素，在生理過程的調節以及神經、精神、內分泌和心血管疾病的發生發展中占據關鍵地位，已引起多領域研究者的共同興趣（Eisenhofer et al, 2004）。
圖1：兒茶酚胺的共同結構特點
兒茶酚胺均由酪氨酸及苯丙氨酸衍生而來，合成的第一步是通過限速酶酪氨酸羥化酶將酪氨酸轉化為3,4-二羥苯丙氨酸（DOPA）。L-芳香氨基酸脫羧酶將多巴轉化為多巴胺（DA）。之后，囊泡單胺轉運體將多巴胺轉運到儲存囊泡中，在儲存囊泡中，多巴胺β-羥化酶將多巴胺轉化為去甲腎上腺素（NE）。去甲腎上腺素從合成去甲腎上腺素的內囊泡釋放到細胞質，主要存在于腎上腺嗜鉻細胞中的苯乙醇胺N-甲基轉移酶（PNMT）將去甲腎上腺素轉化為腎上腺素（E）。由于PNMT存在于細胞質，因此腎上腺素的合成依賴于去甲腎上腺素的代謝（Liu Y et al, 2020）。
圖2：兒茶酚胺的合成路徑
02 兒茶酚胺的應用
通常情況下兒茶酚胺及其代謝物在體內含量微少，但在一些疾病的發生和發展過程中，其水平會出現異常變化。異常的兒茶酚胺水平可能預示著腎上腺髓質腫瘤，如嗜鉻細胞瘤，副神經節瘤等，因此可通過檢測兒茶酚胺水平來進行輔助診斷。
嗜鉻細胞瘤（PCC）和副神經節瘤（PGL）篩查
嗜鉻細胞瘤和副神經節瘤（PPGL）是起源于腎上腺髓質或腎上腺外交感神經節的神經內分泌腫瘤，會分泌大量兒茶酚胺（腎上腺素、去甲腎上腺素、多巴胺）作用于腎上腺素能受體。會引發陣發性或持續性高血壓、反復頭痛、出汗、心悸等臨床癥狀，嚴重者甚至可引起休克、心力衰竭、顱內出血等并發癥。也容易與原發性高血壓、顱內疾病等混淆，因此如果不及時診斷，延誤治療會造成心臟、血管和腦部的嚴重損害，甚至死亡。（Liu Y et al, 2020）
如下圖所示，兒茶酚胺合成步驟中酪氨酸羥化酶（TH）、L -芳香族氨基酸脫羧酶（AAAD）和多巴胺β-羥化酶（DBH）的活性升高，這可能是嗜鉻細胞瘤中兒茶酚胺過量產生的原因（Yasunari et al, 2000）。大多數嗜鉻細胞瘤主要產生過量去甲腎上腺素，部分產生過量去甲腎上腺素和腎上腺素，少數產生過量腎上腺素。也有一些較罕見的病例已被報告會產生過量多巴胺（Eisenhofer et al, 2001）。總之與兒茶酚胺的濃度變化密切相關，因此可通過兒茶酚胺及其代謝產物的測定來診斷PPGL。
圖3：兒茶酚胺的合成途徑
肥胖及伴隨癥狀
肥胖會增加如動脈粥樣硬化、2型糖尿病和心血管疾病的發病率。許多研究表明，與正常體重的受試者相比，肥胖者的交感神經系統（SNS）活性降低，血漿中兒茶酚胺濃度降低，尿液中去甲腎上腺素排泄率升高（Zouhal et al, 2013）。
兒茶酚胺是促脂解激素，正常禁食情況下兒茶酚胺可通過CA-β3AR-HSL途徑促進脂肪分解，而肥胖會造成脂肪細胞對兒茶酚胺的刺激產生抵抗。兒茶酚胺抵抗通過減少脂肪分解、增加脂肪生成和阻礙游離脂肪酸運輸，導致脂肪蓄積。兒茶酚胺抵抗是兒童肥胖的特征且這一特征在肥胖早期階段就已出現（Li et al, 2019），兒茶酚胺抵抗可能是兒童肥胖相對于胰島素抵抗的上游機制，脂肪組織中兒茶酚胺抵抗可能促進胰島素信號傳導，從而導致肥胖早期的脂質蓄積（Qi and Ding, 2016）。
圖4：肥胖和運動與兒茶酚胺關系
03 兒茶酚胺的檢測
目前兒茶酚胺及其代謝物的測定方法主要有電化學法、免疫測定法和液相色譜串聯質譜法等。由于腎上腺素、去甲腎上腺素和多巴胺以及其代謝產物甲氧基腎上腺素、甲氧基去甲腎上腺素、3-甲氧酪胺均極性較高，且分子結構相近，多數現有技術方法不能將6種化合物一次性有效分離。
運用液相色譜串聯質譜法能夠高效地從生物樣本中一次性檢測出多種兒茶酚胺及其代謝產物。另外兒茶酚胺及其代謝物在體內濃度一般較低，通常為pg/mL級別，所以對儀器的靈敏度要求較高。液相色譜串聯質譜法具有靈敏度高，特異性強，分析時間短，且能對大量樣本快速篩選的優勢，成為兒茶酚胺及其代謝物準確檢測的主要方法。例如，“嗜鉻細胞瘤和副神經節瘤診斷治療專家共識（2020 版）”中推薦使用液相色譜串聯質譜法，首選血漿游離或尿液中的甲氧基腎上腺素、甲氧基去甲腎上腺素測定，可同時檢測血或尿的去甲腎上腺素、腎上腺素、多巴胺及代謝產物3-甲氧酪胺、高香草酸和香草扁桃酸的濃度以輔助診斷。
圖5：兒茶酚胺可用于疾病伴隨診斷
目前兒茶酚胺類的試劑盒多為液質聯用直接檢測，且需要進行固相萃取等前處理方式，直接檢測的缺陷在于需要大量樣本且對儀器性能尤其是靈敏度要求高，然而用高靈敏度的質譜探針對兒茶酚胺進行衍生化可能會降低對以上兩個條件的要求，對不管是LDT還是IVD類試劑盒的開發來說都是一個良好的策略。
04 總結
通過檢測兒茶酚胺及其代謝物不僅可以反映體內兒茶酚胺的代謝情況，有助于甲狀腺功能異常、高血壓、腎上腺髓質增生等疾病診斷，還對于PPGL、神經退行性疾病等中樞神經系統疾病的早期診斷及鑒別具有重要臨床意義。已有研究表明兒茶酚胺也與癌癥的發生密切相關（Wackerhage et al, 2022）。液相色譜串聯質譜作為兒茶酚胺及代謝物分析檢測中準確且可靠的工具，未來方法的不斷開發可更好的助力臨床上的應用。
