1.2.1. Cấu trúc phân tử của homocystein
Homocystein (Hcy) là một acid amin có chứa nhóm sulfur trong phân tử, được tạo thành trong q trình chuyển hóa methionin (một acid amin cần thiết cho cơ thể) thành cysteine trong chu trình metyl [46].
Trong huyết tương Hcy tồn phần tồn tại dưới các dạng: - Homocystein tự do: chiếm khoảng 1%
HOOC CH CH2 CH2 SH NH2
- Homocystein kết hợp:
Homocystein - Homocystein: chiếm 5-10%
NH2 HOOC CH CH2 CH2 S HOOC CH2 CH2 CH2 S NH2 Homocystein - Cystein NH2 HOOC CH CH2 CH2 S HOOC CH CH2 S NH2 Homocystein – Albumin HOOC CH CH2 CH2 S Albumin NH2
Hcy được chuyển hóa chủ yếu ở thận, chỉ khoảng 1% được lọc qua cầu thận ra nước tiểu [46], [61].
Nồng độ Hcy trong huyết tương thay đổi theo tuổi, giới. Trẻ em ở cả hai giới có Hcy như nhau (khoảng 5 µmol/l). Đến tuổi dậy thì, Hcy tăng cao rõ rệt và ở nam cao hơn ở nữ. Đến giai đoạn 40 - 42 tuổi, Hcy ở hai giới chênh nhau khoảng 2 µmol/l (trung bình ở nam là 11 µmol/l, ở nữ 9 µmol/l) [46]. Ở phụ nữ có thai, nồng độ Hcy giảm xuống một nửa và trở lại bình thường sau khi sinh 2 - 4 ngày. Ở người cao tuổi Hcy tăng cao hơn có thể do hậu quả của giảm chuyển hóa, giảm bài tiết, chức năng thận suy giảm, thiếu vitamin B6, B12. Folate...cũng như thay đổi sinh lý liên quan đến tuổi sẽ dẫn tới tăng Hcy máu [46]. Ở phụ nữ mãn kinh, sự giảm estrogen cũng góp phần làm gia tăng nồng độ Hcy máu [41].
1.2.2. Quá trình chuyển hóa homocystein
* Sự tạo thành Hcy [46, 76]
Hcy được tạo thành từ methionin (Met) bằng cách loại bỏ nhóm metyl của methionin. Q trình này gồm 3 giai đoạn:
- Hoạt hóa nhóm metyl của Met bằng phản ứng tạo S-adenosylmethionin (SAM) từ ATP và Met dưới tác dụng của methionin adenosyl transferase (MAT):
ATP + Met S-adenosyl methionin
- SAM là chất cung cấp nhóm metyl sinh học cho nhiều q trình metyl hóa như metyl hóa phospholipid, protein, catecholamin, myelin, polysaccarid [43]. Sản phẩm của q trình metyl hóa là S-adenosyl homocystein (SAH):
SAM + R SAH + RCH3 - SAH bị thủy phân tạo Hcy. Đây là phản ứng thuận nghịch: SAH + H2O Adenosin + Hcy
Hcy được chuyển hóa theo 2 con đường chính: vận chuyển nhóm sulfur và metyl hóa. Bình thường, khoảng 50% Hcy được chuyển hóa theo con đường chuyển đổi nhóm sulfur với serin tạo cystathionin, sau đó cystathionin tách thành cystein và α-ketobutyrate. 50% cịn lại đi vào chu trình metyl hóa để tái tạo Met.
* Sự tái tạo Met từ Hcy
Trong phần lớn các mơ, Hcy được gắn lại nhóm metyl tạo thành Met nhờ enzym methionin synthase (MS), enzym này có cofactor là vitamin B12. Ở gan, quá trình này được thực hiện bởi enzym betain homocystein methyltransferase (BHMT). Như vậy, q trình chuyển hóa methyl-Hcy hay vịng methyl hóa này phụ thuộc chủ yếu vào enzym MS.
* Sự chuyển hóa Hcy [76]
* Sự biến đổi Hcy thành cystein
Hcy kết hợp với serin dưới tác dụng xúc tác của enzym cystathionin β synthase (CBS) tạo thành cystathionin, sau đó chuyển hóa thành cystein và α- ketobutyrate. Hai phản ứng này đều phụ thuộc vào vitamin B6
* Điều hịa chuyển hóa Hcy [76].
SAM là chất điều hịa 2 con đường chuyển hóa của Hcy. Khi nồng độ SAM thấp, Hcy chuyển hóa trực tiếp theo con đường methyl hóa tạo Met dưới tác dụng của enzym MS có cofactor là vitamin B12. Khi nồng độ SAM cao, Hcy sẽ được chuyển hóa trực tiếp theo con đường tạo cystathionin và cystein [43].
Sự mất cân bằng trong q trình chuyển hóa của Hcy đều dẫn đến tăng nồng độ Hcy trong máu. Nguyên nhân tăng Hcy máu là lối sống khơng giữ gìn sức khỏe (hút thuốc lá, uống rượu, cà phê…), tình trạng thiếu vitamin, tuổi và giới, sử dụng thuốc và một số tình trạng bệnh lý như: bệnh tuyến giáp, bệnh tim mạch, bệnh thận giai đoạn cuối [43].
1.2.3 Tác động gây hại của homocystein
Hcy có khả năng phá hủy thành mạch theo 3 cách: gây độc trực tiếp, phá hủy màng trong thành mạch, ảnh hưởng đến các yếu tố đơng máu và oxy hóa lipoprotein tỷ trọng thấp.
* Gây độc tế bào
Nhiều nghiên cứu cho thấy có sự bất thường tế bào nội mô, phá hủy tế bào nội mô sau tiêm Hcy [42]. Hcy làm tăng sinh tế bào cơ trơn, gây tổn thương tế bào. Tế bào nội mơ và cơ trơn thành mạch có tác dụng kiểm soát trương lực của thành mạch và dòng máu chảy qua. Nồng độ cao cũng như thời gian tồn tại của Hcy trong máu gây ra sự suy giảm chức năng của tế bào nội mô và tế bào cơ trơn [42].
* Tạo gốc tự do
Nhóm (-SH) của Hcy có thể phản ứng với ion sắt và đồng trong hệ thống oxy hóa khử tạo ra hydrogen peroxid (H2O2), gốc hydroxyl và gốc homocystein. Các gốc tự do này gây ra tình trạng bệnh lý qua các cơ chế: gây độc trực tiếp tế bào, oxy hóa lipid hoặc phản ứng với ocid nitro (NO). Nồng độ Hcy trong máu cao sẽ gây ra tình trạng tự oxy hoá tạo ra H2O2 và anion superoxid (O2‾). Các gốc tự do và các chất oxy hóa được sinh ra trong tế bào sẽ đe dọa chức năng của các tế bào đó [42]. Hcy là chất ức chế glutathion peroxidase làm cho phản ứng chuyển H2O2 thành H2O khơng được thực hiện, vì vậy Hcy cao sẽ gây tăng quá trình phá hủy màng [43].
Tăng stress oxy hóa và Hcy thường gặp ở BN suy thận mạn giai đoạn cuối. Tăng Hcy có thể là nguyên nhân của tổn thương oxy hóa do tăng tạo ra các nhóm oxy hoạt động. Đồng thời với việc sử dụng một số thuốc cũng ảnh hưởng đến tạo ra
các nhóm oxy hoạt động làm tăng trạng thái stress oxy hóa [43].
Hâ ̣u quả của tởn thương do tăng stress oxy hóa có thể đánh giá được bằng viê ̣c đi ̣nh lươ ̣ng MDA.
* Tạo huyết khối
Nồng độ Hcy tăng cao trong máu làm tăng hoạt hóa yếu tố V và VII, giảm hoạt động của protein phản ứng C (CRP), ngăn chặn tác dụng của heparin dẫn đến tạo huyết khối do làm tăng quá trình ngưng kết tiểu cầu, thúc đẩy sự kết hợp giữa fibrinogen và lipoprotein A cũng như làm thay đổi tế bào nội mô, một yếu tố quan trọng trong hệ thống đông máu [46]. Để đánh giá tình tra ̣ng này có thể xác định nồng độ fibrinogen trong máu.
Hình 1.3. Cơ chế gây xơ vữa mạch, tạo huyết khối của homocystein
Chú thích: TF: Tissue Factor - Yếu tố tổ chức
AG: Antithrombin Anticoagulant - Yếu tố đông máu Antithrombin tPa: Tissue Plasminogen Activator – Yếu tố hoạt hóa plasminogen
Nhóm (-SH) của Hcy có thể phản ứng với ion sắt và đồng trong hệ thống oxy hóa khử tạo ra hydrogen peroxid (H2O2) và gốc hydroxyl. Các gốc tự do này gây độc trực tiếp tế bào, oxy hóa lipid hoặc phản ứng với oxid nitric. Nồng độ Hcy trong máu cao sẽ gây ra tình trạng tự oxy hố tạo ra H2O2 và anion superoxid, các gốc tự do này sẽ phá hủy hoặc gây rối loạn chức năng tế bào nội mạc [46]. Hcy là chất ức chế glutathion peroxidase làm cho H2O2 không được biến đổi thành H2O, vì vậy nồng độ cao của Hcy huyết tương sẽ gây tăng quá trình phá hủy màng [46]. Tăng Hcy có thể là nguyên nhân của tổn thương oxy hóa do tăng tạo ra các nhóm oxy hoạt động làm tăng trạng thái stress oxy hóa , hiện tượng này có thể đánh giá được bằng viê ̣c đi ̣nh lượng malondialdehyd (MDA) trong huyết tương [46].
Nồng độ Hcy huyết tương tăng cao làm tăng q trình hoạt hóa yếu tố V và Va, giảm hoạt động của CRP, giảm tác dụng của heparin dẫn đến tạo huyết khối. Tăng Hcy còn gây tổn thương tế bào nội mạc, cho phép hình thành các mảng bám, đồng thời Hcy cản trở hiệu quả giãn mạch của oxid nitric nội mạc, dẫn đến huyết khối [46].
Như vậy, Hcy huyết tương là một chỉ số có giá trị theo dõi, đánh giá tổn thương mạch máu và bệnh tim mạch. Tăng Hcy huyết tương là yếu tố nguy cơ độc lập của bệnh tim mạch do rối loạn chức năng tế bào nội mô, tăng sinh tế bào cơ trơn, thay đổi hệ thống đông máu và tăng q trình oxy hóa [46].
*Cơ chế gây xơ vữa mạch máu do tăng homocystein máu
Cơ chế ở mức độ phân tử gây tổn thương mạch máu do Hcy vẫn chưa được xác định đầy đủ mặc dù các tổn thương stress oxy hóa sinh ra do nồng độ Hcy máu cao đã được đề cập.
NO của nitrogen được giải phóng từ lớp tế bào nội mạc mạch máu, có chức năng bảo vệ lớp tế bào nội mạc mạch máu chống lại các tác nhân bất lợi do Hcy, ngồi ra nó cịn ức chế sự hình thành peroxide hydrogen. Khi Hcy máu tăng, cơ chế bảo vệ này bị phá vỡ, dẫn đến tổn thương nội mạc mạch máu. Bởi vai trò của các hợp chất sulfate trong sự hình thành các đường amin cần thiết cho màng cơ bản của các mạch máu. Nồng độ Hcy cao gây tổn thương mạch máu bởi các phản
ứng oxy hóa. Kết quả cuối cùng là sự kết hợp giữa phản ứng oxy hóa có hại và tình trạng khơng ổn định của các sợi collagen nội mạc mạch máu trong sự hình thành mảng xơ vữa [13, 41].
Cơ chế gây xơ vữa động mạch do tăng Hcy máu liên quan đến sự tạo thành sản phẩm có tính oxy hóa. Trong máu, Hcy nhanh chóng tự oxy hóa khi nồng độ Hcy tăng cao hình thành cysteine-Hcy disulfide, sản sinh ra anion superoxid, H2O2 có tính oxy hóa cao và gây giảm hoạt độ enzym superoxide dismutase và glutathion peroxidase tế bào (đây là hai enzym chống oxy hóa của cơ thể). Các sản phẩm có tính oxy hóa mạnh gây xơ vữa động mạch qua nhiều cơ chế: gây tổn thương và rối loạn chức năng tế bào nội mạc mạch máu, kích thích sự tăng sinh của tế bào cơ trơn mạch máu, thúc đẩy peroxid hóa lipid và oxy hóa LDL- C. Tác giả Lentz và cộng sự khi nghiên cứu trên động vật linh trưởng ghi nhận tình trạng tăng Hcy làm suy giảm chức năng điều hòa vận mạch và chức năng chống huyết khối của nội mạc mạch máu ngoài cơ thể [72]. Kết quả nghiên cứu của Woo và cộng sự nhận thấy khi tăng Hcy máu sẽ làm chức năng giãn mạch của nội mạc bị suy giảm [63]. Tăng Hcy máu gây xơ vữa động mạch qua cơ chế kích thích q trình tăng sinh các tế bào cơ trơn mạch máu [60]. Hcy làm bộc lộ chất nền dưới nội mạc mạch máu, gây ra hiện tượng hoạt hóa và ngưng tập tiểu cầu [41]. Nghiên cứu của Meng và cộng sự chỉ ra rằng Hcy là một acid amin tiền viêm và gây ra các con đường tín hiệu gây viêm, đáng chú ý là Hcy là giảm sự biểu hiện của 2 gen kháng viêm Peroxisome Proliferator Activated Receptors (PPAR) α và PPARɣ [85]. Hcy có khả năng hoạt hóa NF-Kb [70] (yếu tố đóng vai trị trung gian truyền tín hiệu của quá trình viêm) kích thích sản sinh các cytokin, inteferon, các phần tử kết dính bạch cầu, chemokin gây viêm mạch và cuối cùng dẫn tới xơ vữa động mạch [70]. Hcy-thiolacton phản ứng mạnh với các sản phẩm phẩm phụ oxy hóa của Hcy, thường là lipoprotin tỷ trọng thấp (LDL-C) tạo thành hỗn hợp thu hút màng nội mạc và kết hợp với tế bào bọt ở các mảng xơ vữa mới sinh [69].
Độ thấm sự di trú sự bám vào sự bám Lớp nội mạc bạch cầu lớp nội mạc vào bạch cầu
Hình 1.4. Rối loạn chức năng nội mạc mạch máu trong xơ vữa ĐM [69]
Một trong những phát hiện quan trọng nhất đã được quan sát trong các nghiên cứu tăng Hcy trên thực nghiệm là làm suy yếu giãn mạch gián tiếp do NO xuất phát từ lớp nội mạc mạch máu. NO có tác dụng gây giãn mạch và khử hoạt tính gây hịa tan vịng guanyl trong cơ trơn mạch máu, kết quả tích tụ GMP vịng và giãn mạch. NO tạo ra sự đồng dạng tổ chức nội mạc mạch máu do tổng hợp NO nội sinh (eNOS), đây là yếu tố chính làm giãn nội mạc trong các mạch máu. Khi thiếu arginin, eNOS sử dụng các phân tử oxygen làm chất nên thay thế, tạo thành các gốc O2. [62]. Nghiên cứu của tác giả Isiklar và cộng sự chỉ ra rằng có mối tương quan thuận giữa Hcy với ADMA (Asymmetric Dimethylarginine- Dimethylarginine bất đối xứng), chất đối vận cạnh tranh với eNOS. Dẫn đến hậu quả cuối cùng là gây huyết khối động mạch, xơ vữa động mạch [67].
1.2.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến nồng độ homocysteine máu
* Các yếu tố về sinh lý
Tuổi và giới có ảnh hưởng quan trọng đến nồng độ Hcy máu. Trẻ em cả hai giới có nồng độ Hcy thấp và tương tự nhau (khoảng 5 µmol/l). Đến tuổi thiếu niên, trưởng thành nam tăng nhiều hơn nữ, tăng dần theo tuổi, nồng độ Hcy máu có tương quan thuận với nồng độ creatinin máu [78].
Stress, hút thuốc lá, uống nhiều rượu, uống cà phê có chứa cafein đều gắn liền với sự gia tăng nồng độ Hcy máu. Việc sử dụng bia cũng làm giảm Hcy máu, có thể do trong bia có chứa folate [52].
* Yếu tố di truyền
Sự thiếu hụt các enzym tham gia vào q trình chuyển hóa Hcy (CBS, MTHFR, methyonin synthase, rối loạn chuyển hóa vitamin B12) gây gia tăng nồng độ Hcy máu, trong đó thiếu CBS chiếm tỷ lệ cao nhất [13]. Ngoài ra đột biến gen C667 cũng là một nguyên nhân gây tăng Hcy trong dân số [77].
* Thiếu hụt dinh dưỡng
Sự thiếu hụt bất kỳ một enzym hoặc một đồng yếu tố liên quan đến quá trình trao đổi chất của Hcy đều có thể dẫn đến sự tích tụ Hcy huyết tương. Thiếu hụt folate và vitamin B12 dẫn đến giảm q trình methyl hóa của homocystein tạo thành methionin và làm tăng Hcy huyết tương được thấy ở bệnh nhân suy dinh dưỡng do thiếu vitamin B12 và folate. Vitamin B2 là một đồng yếu tố cho MTHFR và sự thiếu hụt vitamin12 liên quan đến sự tăng Hcy huyết tương, đặc biệt ở những người có nồng độ folate thấp kết hợp với đồng hợp tử C667T đột biến [84].
* Do thuốc
Các thuốc chống động kinh (phenytoin, phenobarbital, primidone, valproate), methotrexate, trimethoprim, thuốc lợi tiểu, thuốc ngừa thai đường uống chứa estrogen, metfomin và cyclosporin là những thuốc làm tăng Hcy máu [34].
* Các bệnh lý làm tăng homocystein huyết tương
Suy thận, suy giáp, ĐTĐ. Ngồi ra cịn gặp trong bệnh bạch cầu cấp, ung thư vú, ung thư buồng trứng, ung thư tụy, vẩy nến, đột quỵ [10, 16, 27].
Cơ chế tăng homocysteine ở bệnh nhân đái tháo đường.
Cơ chế tăng Hcy ở bệnh nhân ĐTĐ týp 2 rất phức tạp. Cho dù 80% lượng Hcy lưu thơng là dạng kết hợp, phần tự do cịn lại được lọc ở cầu thận. Sau khi được lọc ở cầu thận, Hcy gần như được tái hấp thu hoàn toàn ở ống thận và thối
hóa ở mơ thận bởi chu trình sulfur hay metyl hóa. Tăng Hcy máu mạn tính làm cho động mạch và các tiểu động mạch dày lên, làm tổn thương biểu mô kẽ và tế bào nội mô [57]. Hcy gây kích hoạt MAP kinase và gây stress lưới nội nguyên sinh chất trong tế bào nuôi cấy mesangial [47]. Sự đề kháng insulin là một giả thuyết cho sự tăng Hcy ở bệnh nhân ĐTĐ týp 2. Cơ chế đề xuất cho sự tăng Hcy là do giảm mức lọc cầu thận [71]. Ngoài ra sự gia tăng Hcy được xem là yếu tố gây tăng nguy cơ xuất hiện microalbumin niệu, chất chỉ điểm cho tổn thương thận giai đoạn sớm ở bệnh nhân ĐTĐ týp 2 [49].
1.2.5. Tình hình nghiên cứu homocysteine trên thế giới và trong nƣớc
1.2.5.1. Trên thế giới
Nghiên cứu đầu tiên về Hcy được McCully thực hiện vào năm 1969 ở bệnh lý mạch máu như tăng sinh tế bào cơ trơn, tiến triển của hẹp động mạch và thay đổi hệ thống đông - cầm máu. Tiếp sau đó có rất nhiều các nghiên cứu bệnh chứng, các nghiên cứu theo dõi dọc về mối liên quan giữa tăng nồng độ Hcy với các bệnh lý khác nhau như các biến chứng khi mang thai, dị tật ống thần kinh...đặc biệt là các bệnh lý về mạch máu [46]
Nghiên cứu đầu tiên về nồng độ Hcy huyết tương ở bệnh nhân ĐTĐ được thực hiện bởi Buysschaert (2000) trên 122 bệnh nhân ĐTĐ có các biến chứng