干货分享丨儿茶酚胺的功能、代谢与应用
01 儿茶酚胺的功能与合成代谢
儿茶酚胺是一类含儿茶酚和胺基的神经类物质，最重要的儿茶酚胺是肾上腺素、去甲肾上腺素和多巴胺。这三种儿茶酚胺由酪氨酸转化而来，经代谢后转变成相应的代谢产物如甲氧基肾上腺素、甲氧基去甲肾上腺素、3-甲氧酪胺。儿茶酚胺及其代谢产物在神经系统、心血管系统、内分泌等组织系统中起着重要的调节作用。多巴胺是中枢神经递质，是合成去甲肾上腺素和肾上腺素的前体。去甲肾上腺素是肾上腺素能神经的传递介质，还参与中枢神经系统的化学传递，它和肾上腺素都是肾上腺髓质分泌的重要激素。由于儿茶酚胺是一类化学神经递质和激素，在生理过程的调节以及神经、精神、内分泌和心血管疾病的发生发展中占据关键地位，已引起多领域研究者的共同兴趣（Eisenhofer et al, 2004）。
图1：儿茶酚胺的共同结构特点
儿茶酚胺均由酪氨酸及苯丙氨酸衍生而来，合成的第一步是通过限速酶酪氨酸羟化酶将酪氨酸转化为3,4-二羟苯丙氨酸（DOPA）。L-芳香氨基酸脱羧酶将多巴转化为多巴胺（DA）。之后，囊泡单胺转运体将多巴胺转运到储存囊泡中，在储存囊泡中，多巴胺β-羟化酶将多巴胺转化为去甲肾上腺素（NE）。去甲肾上腺素从合成去甲肾上腺素的内囊泡释放到细胞质，主要存在于肾上腺嗜铬细胞中的苯乙醇胺N-甲基转移酶（PNMT）将去甲肾上腺素转化为肾上腺素（E）。由于PNMT存在于细胞质，因此肾上腺素的合成依赖于去甲肾上腺素的代谢（Liu Y et al, 2020）。
图2：儿茶酚胺的合成路径
02 儿茶酚胺的应用
通常情况下儿茶酚胺及其代谢物在体内含量微少，但在一些疾病的发生和发展过程中，其水平会出现异常变化。异常的儿茶酚胺水平可能预示着肾上腺髓质肿瘤，如嗜铬细胞瘤，副神经节瘤等，因此可通过检测儿茶酚胺水平来进行辅助诊断。
嗜铬细胞瘤（PCC）和副神经节瘤（PGL）筛查
嗜铬细胞瘤和副神经节瘤（PPGL）是起源于肾上腺髓质或肾上腺外交感神经节的神经内分泌肿瘤，会分泌大量儿茶酚胺（肾上腺素、去甲肾上腺素、多巴胺）作用于肾上腺素能受体。会引发阵发性或持续性高血压、反复头痛、出汗、心悸等临床症状，严重者甚至可引起休克、心力衰竭、颅内出血等并发症。也容易与原发性高血压、颅内疾病等混淆，因此如果不及时诊断，延误治疗会造成心脏、血管和脑部的严重损害，甚至死亡。（Liu Y et al, 2020）
如下图所示，儿茶酚胺合成步骤中酪氨酸羟化酶（TH）、L -芳香族氨基酸脱羧酶（AAAD）和多巴胺β-羟化酶（DBH）的活性升高，这可能是嗜铬细胞瘤中儿茶酚胺过量产生的原因（Yasunari et al, 2000）。大多数嗜铬细胞瘤主要产生过量去甲肾上腺素，部分产生过量去甲肾上腺素和肾上腺素，少数产生过量肾上腺素。也有一些较罕见的病例已被报告会产生过量多巴胺（Eisenhofer et al, 2001）。总之与儿茶酚胺的浓度变化密切相关，因此可通过儿茶酚胺及其代谢产物的测定来诊断PPGL。
图3：儿茶酚胺的合成途径
肥胖及伴随症状
肥胖会增加如动脉粥样硬化、2型糖尿病和心血管疾病的发病率。许多研究表明，与正常体重的受试者相比，肥胖者的交感神经系统（SNS）活性降低，血浆中儿茶酚胺浓度降低，尿液中去甲肾上腺素排泄率升高（Zouhal et al, 2013）。
儿茶酚胺是促脂解激素，正常禁食情况下儿茶酚胺可通过CA-β3AR-HSL途径促进脂肪分解，而肥胖会造成脂肪细胞对儿茶酚胺的刺激产生抵抗。儿茶酚胺抵抗通过减少脂肪分解、增加脂肪生成和阻碍游离脂肪酸运输，导致脂肪蓄积。儿茶酚胺抵抗是儿童肥胖的特征且这一特征在肥胖早期阶段就已出现（Li et al, 2019），儿茶酚胺抵抗可能是儿童肥胖相对于胰岛素抵抗的上游机制，脂肪组织中儿茶酚胺抵抗可能促进胰岛素信号传导，从而导致肥胖早期的脂质蓄积（Qi and Ding, 2016）。
图4：肥胖和运动与儿茶酚胺关系
03 儿茶酚胺的检测
目前儿茶酚胺及其代谢物的测定方法主要有电化学法、免疫测定法和液相色谱串联质谱法等。由于肾上腺素、去甲肾上腺素和多巴胺以及其代谢产物甲氧基肾上腺素、甲氧基去甲肾上腺素、3-甲氧酪胺均极性较高，且分子结构相近，多数现有技术方法不能将6种化合物一次性有效分离。
运用液相色谱串联质谱法能够高效地从生物样本中一次性检测出多种儿茶酚胺及其代谢产物。另外儿茶酚胺及其代谢物在体内浓度一般较低，通常为pg/mL级别，所以对仪器的灵敏度要求较高。液相色谱串联质谱法具有灵敏度高，特异性强，分析时间短，且能对大量样本快速筛选的优势，成为儿茶酚胺及其代谢物准确检测的主要方法。例如，“嗜铬细胞瘤和副神经节瘤诊断治疗专家共识（2020 版）”中推荐使用液相色谱串联质谱法，首选血浆游离或尿液中的甲氧基肾上腺素、甲氧基去甲肾上腺素测定，可同时检测血或尿的去甲肾上腺素、肾上腺素、多巴胺及代谢产物3-甲氧酪胺、高香草酸和香草扁桃酸的浓度以辅助诊断。
图5：儿茶酚胺可用于疾病伴随诊断
目前儿茶酚胺类的试剂盒多为液质联用直接检测，且需要进行固相萃取等前处理方式，直接检测的缺陷在于需要大量样本且对仪器性能尤其是灵敏度要求高，然而用高灵敏度的质谱探针对儿茶酚胺进行衍生化可能会降低对以上两个条件的要求，对不管是LDT还是IVD类试剂盒的开发来说都是一个良好的策略。
04 总结
通过检测儿茶酚胺及其代谢物不仅可以反映体内儿茶酚胺的代谢情况，有助于甲状腺功能异常、高血压、肾上腺髓质增生等疾病诊断，还对于PPGL、神经退行性疾病等中枢神经系统疾病的早期诊断及鉴别具有重要临床意义。已有研究表明儿茶酚胺也与癌症的发生密切相关（Wackerhage et al, 2022）。液相色谱串联质谱作为儿茶酚胺及代谢物分析检测中准确且可靠的工具，未来方法的不断开发可更好的助力临床上的应用。
