Khoảng trống glycat hóa

1 3 1 Sự glycat hóa các protein trong đái tháo đường

Hình 1 5 Sự glycat hóa protein và q trình hình thành liên kết chéo giữa

các phân tử protein tạo sản phẩm glycat hóa bền vững AGEs Nguồn: Kennelly PJ (2018) [51]

Glycat hóa là q trình gắn phân tử đường vào nhóm amino của protein, cũng như các phân tử DNA và lipid, mà khơng cần có enzyme xúc tác Trong đó, phản ứng glycat hóa giữa carbohydrate với các gốc amino trên protein đã được biết đến từ năm 1910 và đặt tên là phản ứng Maillard Trong trường hợp tương tác cụ thể giữa glucose và các gốc amin, phản ứng này có tên gọi là phản ứng Schiff

Sản phẩm aldimine từ kết quả của phản ứng Schiff là dạng khơng bền, có thể trải qua một quá trình sắp xếp chậm chạp và thuận nghịch để tạo thành sản phẩm Amadori (ketoamine) Mức độ tạo thành sản phẩm Schiff phụ thuộc nồng độ glucose của môi trường chứa phân tử protein, trong khi mức độ tạo thành ketoamine phụ thuộc cả vào nồng độ glucose lẫn thời gian tiếp xúc của protein với glucose Nối đôi carbon trong các sản phẩm Amadori này có thể phản ứng tạo liên kết chéo với phân tử protein khác thơng qua phản ứng với nhóm amino, hình thành nên đại phân tử Những đại phân tử này có thể tiếp tục bị glycat hóa và hình thành nên mạng lưới của nhiều liên kết chéo Những đại phân tử này được gọi là sản phẩm glycat hóa bền vững (AGEs) [19], [41], [51] (Hình 1 5)

Hình 1 6 Con đường hình thành sản phẩm glycat hóa bền vững AGEs

Trong điều kiện bình thường, AGEs hình thành trong cơ thể từ nhiều nguồn khác nhau (Hình 1 6) Tuy nhiên, khi có tình trạng tăng đường huyết nội bào, mức độ tạo thành AGEs cao hơn, nhờ có các tiền chất của AGEs Các tiền chất này là các sản phẩm chuyển hóa từ glucose chứa nhóm dicarbonyl, bao gồm: glyoxal (sản phẩm từ sự tự oxy hóa glucose), sản phẩm Amadori, methylglyoxal (hình thành từ glyceraldehyde-3-phosphate trong quá trình đường phân) [23], [74] (Hình 1 7)

Hình 1 7 Các con đường hình thành sản phẩm glycat hóa bền vững AGEs từ

Các tiền chất AGE nội bào này gây tổn hại tế bào qua ba cơ chế: (1) ảnh hưởng chức năng protein nội bào; (2) thay đổi protein chất nền ngoại bào; (3) tác động thông qua thụ thể AGEs (RAGE) [22], [23] (Hình 1 8)

Hình 1 8 Những cơ chế qua đó sản phẩm glycat hóa bền vững nội bào có

thể gây tổn hại tế bào Nguồn: Brownlee M và cộng sự (2015) [23]

AGEs và các tiền chất nội bào gây thay đổi biểu hiện gen, dẫn đến nhiều hậu quả ở các loại mô khác nhau Tại võng mạc, chúng gây mất cân bằng giữa các yếu tố tân sinh và tái cấu trúc mạch máu (chẳng hạn như angiopoietin-2 và VEGF), dẫn đến suy giảm lượng tế bào ngoại mạch (pericyte), từ đó gây ra những thay đổi hình thái cơ bản trong bệnh lí võng mạc ĐTĐ Tại mô thần kinh, AGEs và các tiền chất làm thay đổi chức năng kênh natri điện thế tại các neuron không myelin, gây triệu chứng tăng cảm giác đau trong bệnh lí thần kinh ĐTĐ

Tại thận, hậu quả gây ra là cấu trúc các protein bị thay đổi và stress oxy hóa, dẫn đến biến đổi hình thái học mơ thận [20], [23], [42], [44]

Các tiền chất AGE nội bào có thể thốt khỏi tế bào, gây thay đổi chức năng của các protein chất nền ngoại bào, ảnh hưởng đến sự tương tác giữa các phân tử chất nền với nhau (collagen típ I tại thành mạch, collagen típ IV và laminin màng đáy) và cả tương tác giữa phân tử chất nền với tế bào (sự kết dính giữa collagen típ IV với tế bào nội mô mạch máu) Những biến đổi này là cơ sở thúc đẩy cho q trình hình thành xơ vữa mạch máu, dày hóa màng đáy và thay đổi tính thấm chọn lọc tại cầu thận [23], [51]

Cuối cùng, AGEs gắn kết lên các thụ thể AGEs (RAGE) tại bề mặt tế bào (có nhiều ở đại thực bào, tế bào gian mạch cầu thận, tế bào nội mô mạch máu) làm thay đổi biểu hiện gen, tăng phiên mã tổng hợp các cytokine, yếu tố tăng trưởng, yếu tố tiền đơng máu và yếu tố tiền viêm (ví dụ: IL-1, IGF-1, TNF-α, TGF-β, thrombomodulin) [19], [21], [23], [40]

1 3 2 Sự glycat hóa hemoglobin và HbA1c

Định lượng chính xác đường huyết bằng các xét nghiệm đáng tin cậy là một thách thức trong lịch sử y học Tình trạng tăng đường huyết trong ĐTĐ luôn kết hợp với sự gia tăng phản ứng glycat hóa các gốc amin tự do nằm trên các protein của cơ thể Hiện tượng glycat hóa protein chính là chìa khóa dẫn đến các biến chứng mạch máu Khi xảy ra tại các protein trong hồng cầu, hiện tượng này tạo ra một chỉ số được sử dụng rộng rãi trong ước đoán đường huyết trung bình là HbA1c hay glycohemoglobin (GHb) Như vậy, phản ứng gắn phân tử đường vào Hb không cần enzyme được xem là ví dụ điển hình của sự glycat hóa Vị trí xảy ra phản ứng chủ yếu là nhóm amino của valine tại đầu tận N chuỗi β Ngoài ra, glucose cũng có thể phản ứng với các nhóm ε-amino của lysine và valine tại những vị trí khác trên phân tử Hb GHb là tên gọi chung cho

tất cả những sản phẩm được glycat hóa của Hb, trong khi HbA1c để chỉ những phân tử Hb được gắn phân tử glucose tại valine ở đầu tận N của chuỗi β [41]

Từ năm 1964, loại huyết sắc tố bất thường HbA1c đã được xác định bằng phương pháp sắc ký Vào giữa thập niên 1970, HbA1c đã được hiểu là một biến thể “glycosyl hóa”, tăng lên gấp đơi ở những bệnh nhân mắc ĐTĐ cùng với các biến thể khác (như HbA1a và HbA1b) so với những người không mắc ĐTĐ Sau đó, HbA1c được khám phá là thành phần chính trong tổng số các loại hemoglobin bị glycat hóa, kết quả từ phản ứng khơng enzyme xúc tác tại đầu tận valine (N-terminal valine) trên chuỗi β của hemoglobin A Bên cạnh đó, phản ứng glycat hóa bởi các chất trung gian fructose-1,6-bisphosphate và glucose-6-phosphate sẽ tạo ra các biến thể khác là HbA1a và HbA1b Sự glycat hóa các gốc amino của lysine bên trong chuỗi β cũng xảy ra nhưng không ảnh hưởng đến sự thay đổi của hemoglobin qua sắc ký Như vậy, lúc đầu HbA1c được gọi là hemoglobin bị “glycosyl hóa” (glycosylated hemoglobin) Tuy nhiên, thuật ngữ hemoglobin bị “glycat hóa” (glycated hemoglobin) đã được đưa ra thay thế vào năm 1983, nhằm đề cập đến phản ứng không cần enzyme xúc tác giữa glucose và các gốc amino tự do nằm trên protein, phân biệt với khái niệm glycosyl hóa protein sau phiên mã Đây là kết quả từ phản ứng Schiff/Maillard thuận nghịch và sự sắp xếp lại sản phẩm Amadori thành ketoamine glycat hóa ổn định hơn, chứa nhóm fructosyl-(N-terminal) Sau đó, nhiều nghiên cứu lâm sàng đã nhấn mạnh vai trị của HbA1c trong kiểm sốt đường huyết Hiện tại, xét nghiệm đo lường HbA1c đã được chuẩn hóa và sử dụng rộng rãi trên thế giới, được xem là tiêu chuẩn vàng trong đánh giá đường huyết trung bình 3 tháng trước đó, cũng như có mối liên quan chặt chẽ với các biến chứng mạch máu nhỏ đặc trưng trong đái tháo đường Nguy cơ biến chứng trên các bệnh nhân giảm đáng kể khi HbA1c cải thiện trở về giá trị của người bình thường

Do đời sống hồng cầu là khoảng 120 ngày, HbA1c được xem là sự phản ảnh glucose huyết trung bình trong khoảng thời gian tương ứng HbA1c được dùng như một cơng cụ theo dõi glucose huyết trong q trình điều trị ĐTĐ, và từ năm 2010, HbA1c đã được ADA chính thức chọn là một trong những tiêu chuẩn chẩn đoán ĐTĐ [15] So với một số cơng cụ như glucose huyết đói, nghiệm pháp dung nạp glucose bằng đường uống, trị số trung bình của glucose huyết theo dõi liên tục thì HbA1c có một số ưu điểm như là tiện lợi hơn (khơng cần nhịn đói), kết quả ổn định ít phụ thuộc vào kĩ thuật xử lí mẫu trước phân tích (xét nghiệm glucose huyết cần có bước xử lí mẫu trước phân tích), khơng chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố gây dao động glucose huyết ngắn hạn HbA1c được xem là cơng cụ hữu ích để đánh giá hiệu quả kiểm sốt glucose huyết, và có giá trị tiên đốn cao đối với các biến chứng mạn tính của ĐTĐ [16], [17], [41], [52], [71] Với nhiều ưu điểm như trên, hiện nay HbA1c được xem như là tiêu chuẩn vàng trong theo dõi bệnh nhân ĐTĐ, và đã được chuẩn hóa quốc tế về phương pháp đo [14]

Tuy nhiên, HbA1c chỉ là một cách đo gián tiếp glucose huyết trung bình Glycat hóa Hb là một q trình xảy ra bên trong tế bào hồng cầu, vì vậy, tất cả những yếu tố hoặc tình trạng nào ảnh hưởng đến nồng độ glucose trong hồng cầu cũng như số lượng, đời sống, khả năng chuyển hóa đường của hồng cầu đều ảnh hưởng đến độ chính xác của HbA1c, chẳng hạn như tán huyết, thiếu máu, thiếu men G6PD, truyền máu, sử dụng erythropoietin, mang thai, bệnh thận mạn giai đoạn cuối [16], [17], [41], [79] Đặc biệt, ở bệnh thận mạn giai đoạn cuối, bên cạnh biến chứng thiếu máu thì tình trạng tăng ure huyết cũng ảnh hưởng đáng kể đến kết quả HbA1c, vì ure huyết thanh cao làm tăng mức độ hình thành các phân tử HbA1c Ngồi ra, chất chuyển hóa từ ure cũng có thể phản ứng carbamyl hóa với Hb và tạo ra scác ản phẩm làm tăng giả giá trị HbA1c đo được trên xét nghiệm [32], [41]

1 3 3 Sự glycat hóa các protein huyết thanh và Fructosamine

Tương tự như Hb, các protein huyết thanh đều có thể bị glycat hóa, tạo thành các sản phẩm bền gọi chung là fructosamine (FA) Trong đó, albumin chiếm khoảng 90% protein huyết thanh bị glycat hóa [35] Như vậy, q trình glycat hóa khơng có enzym xúc tác tương tự cũng xảy ra tại khu vực ngoại bào đối với các protein huyết tương, chủ yếu là albumin Fructosamine là một chỉ dấu bao gồm tất cả các sản phẩm ketoamine do sự glycat hóa các protein huyết thanh và được đo bằng xét nghiệm “nitroblue tetrazolium” Tương tự như HbA1c, fructosamine cũng đã được chứng minh là một chỉ số đáng tin cậy về kiểm soát glucose máu, giúp đánh giá đường huyết trung bình trong thời gian ngắn hơn so với HbA1c (do thời gian bán hủy của protein huyết thanh ngắn hơn), cũng như có mối liên quan với các biến chứng mạch máu nhỏ trong đái tháo đường Các kỹ thuật mới sử dụng trong đo lường fructosamine dựa trên phản ứng oxy hóa ketoamine bởi enzyme có tính đặc hiệu hơn so với phản ứng khử “nitroblue tetrazolium” vì khả năng bị nhiễu bởi các chất khử nội sinh và các yếu tố khác Xét nghiệm đo lường trực tiếp albumin bị glycat hóa được đưa vào sử dụng tại một số quốc gia, phản ánh tình trạng kiểm sốt đường huyết trong vài tuần, cũng cho thấy có mối liên quan đến các biến chứng mạch máu nhỏ trên bệnh nhân đái tháo đường

Fructosamine huyết thanh phản ánh gián tiếp glucose huyết trung bình trong khoảng thời gian 2-3 tuần Fructosamine huyết thanh không bị ảnh hưởng bởi các tình trạng hay bệnh lí liên quan đến hồng cầu, và hữu ích trong việc đánh giá kiểm soát đường huyết ở các bệnh nhân bệnh thận mạn giai đoạn cuối Nhược điểm của fructosamine là chưa được chuẩn hóa quốc tế về phương pháp đo như HbA1c Bên cạnh đó, những tình trạng làm thay đổi nồng độ protein huyết thanh cũng như cân bằng sinh tổng hợp và thanh thải protein có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của fructosamine [30], [41], [77]

1 3 4 Khoảng trống glycat hóa GG

Ngày nay, HbA1c đã trở thành cơng cụ hướng dẫn hữu ích trong chẩn đốn và điều trị, cũng như đo lường kết quả từ các nghiên cứu lâm sàng về ĐTĐ Tuy nhiên, một số chuyên gia đầu ngành vẫn còn nghi ngờ về giá trị thật sự của HbA1c trong suốt 30 năm qua và ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy cách tiếp cận bệnh nhân theo phương thức cá nhân hóa là phù hợp hơn Nói cách khác, việc sử dụng đơn thuần HbA1c để hướng dẫn chẩn đốn và điều trị có thể dẫn đến các sai sót lâm sàng quan trọng Do đó, sự bất tương xứng giữa HbA1c và các phương tiện đánh giá kiểm soát glucose huyết khác là một vấn đề nhận được nhiều quan tâm của các nhà lâm sàng

Những chiến lược hiện tại trong việc kiểm soát đường huyết trên bệnh nhân ĐTĐ phụ thuộc rất nhiều vào HbA1c Mặc dù đã được tiêu chuẩn hóa nhưng sự khác biệt giữa HbA1c và các xét nghiệm đánh giá đường huyết khác vẫn được ghi nhận, có thể ảnh hưởng đến việc giải thích chính xác về tình trạng kiểm sốt glucose máu trên bệnh nhân Nhiều yếu tố khác nhau có thể tác động lên tuổi thọ và sự thay thế hồng cầu, cũng như sự chênh lệch glucose qua màng tế bào hồng cầu đã được biết là có ảnh hưởng đến kết quả HbA1c độc lập với glucose máu Những thay đổi về vấn đề kiểm soát đường huyết trong một thời gian gần có thể được phản ánh một cách quá mức qua đo lường HbA1c, nghĩa là HbA1c không thực sự thể hiện nồng độ glucose máu bằng nhau trong suốt 120 ngày trước đó

Việc sử dụng HbA1c trên bệnh nhân ĐTĐ phải dựa trên sự giả định rằng nồng độ glucose nội bào trong hồng cầu phản ánh chính xác nồng độ glucose ngoại bào trong huyết tương trong điều kiện hiện diện các kênh GLUT1 (glucose transporter 1) trên màng tế bào này Tuy nhiên, giả định này có thể khơng chính xác vì một số lý do, bao gồm sự thay đổi biểu hiện hoặc hoạt động

của các kênh GLUT1, sự thối hóa các sản phẩm glycat hóa (deglycation) bởi các enzym nội bào Hơn nữa, vai trị của HbA1c như một giá trị đường huyết trung bình trong 3 tháng phải đặt trên cơ sở khơng có sự thay đổi nào nữa trong các sản phẩm tạo ra sau phản ứng glycat hóa, đồng thời thời gian bán hủy hoặc tuổi thọ trung bình của hồng cầu MRBC (mean red blood cell age) là giống nhau giữa các bệnh nhân Những vấn đề này vẫn chưa có sự minh chứng rõ ràng

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra độ lệch của HbA1c so với dữ liệu từ

fructosamine hoặc glucose máu Sự chênh lệch này được thể hiện qua khoảng trống glycat hóa GG, trong đó khoảng trống GG là sự khác biệt giữa HbA1c đo được trực tiếp trên thực tế so với HbA1c dự đoán từ nồng độ fructosamin trong huyết thanh Như vậy, HbA1c có khả năng xảy ra sai lệch hệ thống so với giá trị đường huyết do các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng glycat hóa bên trong hồng cầu Trong một số trường hợp, HbA1c có thể thấp hơn mức đường huyết, thể hiện qua khoảng trống GG âm tính, có nghĩa rằng hoạt động glycat hoá trong hồng cầu đã diễn ra ở mức độ thấp hơn so với dự đoán Ngược lại, trong những trường hợp khác, khoảng trống GG dương tính ngụ ý rằng hoạt động glycat hố trong hồng cầu đã diễn ra ở mức độ cao hơn so với dự đoán

Trong nghiên cứu của mình, tác giả Robert Cohen và các cộng sự đã đề xuất ra phép tính khoảng trống glycat hóa (Glycation gap, GG), được định nghĩa là sự chênh lệch giữa HbA1c đo được thực tế và HbA1c dự đoán dựa trên

phương trình hồi quy của HbA1c theo fructosamine (FA) [25], [26]: HbA1c dự đoán = a x FA + b

GG = HbA1c đo được – HbA1c dự đoán

(1 1) (1 2) Cơng thức tính (1 1) chính là phương trình hồi quy tuyến tính của biến số HbA1c theo FA, có được từ việc thu thập các cặp trị số HbA1c – FA được đo đồng thời từ cùng mẫu máu xét nghiệm của các cá thể trong một nhóm dân số

nghiên cứu bệnh nhân ĐTĐ Theo cách tính này, GG là một hàm tuyến tính của HbA1c và fructosamine Do đó, GG có sự tương quan có ý nghĩa với HbA1c, dẫn đến khó khăn trong việc phân tích mối liên quan với các biến chứng độc lập HbA1c Vì vậy, David R Macdonald và cộng sự đã đưa ra cách tính mới, bằng cách chuyển đổi giá trị fructosamine thành độ lệch bình thường chuẩn (standard normal deviate, SND), từ đó dự đốn giá trị HbA1c theo cơng thức như sau [53]:

SNDFA = (FA – FA trung bình) / SDFA

HbA1c dự đốn = (SNDFA x SDHbA1c) + HbA1c trung bình GG = HbA1c đo được – HbA1c dự đốn

(1 3) (1 4) (1 2) Trong đó, FA trung bình, HbA1C trung bình và độ lệch chuẩn FA (SDFA) được tính từ tất cả các giá trị của mẫu nghiên cứu Theo cách tính mới, HbA1c dự đốn khơng được tính từ phương trình hồi quy nhưng vẫn có cùng phân phối, độ lệch chuẩn như HbA1c thực tế và khơng bị thay đổi vị trí xếp hạng [57] Phương pháp tính này tiếp tục được sử dụng trong những nghiên cứu sau [55],