科研 | Diabetes Care：儿童肥胖症中胰岛素抗性的类固醇代谢组学特征
编译：小鹿同学，编辑：Emma、江舜尧。
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非综合征性儿童肥胖症与胰岛素抗性（IR）相关，这意味着在细胞水平上对胰岛素的代谢降低，或在全生物水平上胰岛素对血糖的降低作用减弱。但是，许多肥胖者（尤其指皮下脂肪多而非内脏脂肪多的肥胖者）似乎不存在IR以及不利的代谢反应。作者先前的研究已表明，儿童肥胖者亚型的类固醇代谢组学特征反映了肥胖症和非酒精性脂肪肝疾病中类固醇的代谢紊乱，其中包括糖皮质激素水平的升高、雄激素和盐皮质激素水平的紊乱以及IR。
本文中使用先前报道的研究概念来论证一个人的尿液类固醇代谢产物图谱，其代表了个体独特的代谢组指纹。研究者分析了87例表型良好的非综合征性儿童肥胖患者的临床数据，并定义了非IR组和IR组患者。研究者不仅生成了非IR组和IR组的类固醇疾病特征（其有助于临床诊断），还阐明了儿童肥胖症中IR的类固醇相关代谢后遗症。
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实验设计
本研究利用作者先前研究中的“类固醇代谢组学特征”这一新概念，通过气相色谱-质谱法（GC-MS）分析了87名肥胖儿童（BMI>97%，其中44名为女孩）尿液中的31种类固醇代谢产物；接着，研究者根据这87名肥胖儿童的临床表型和生化表型，将其分为胰岛素抗性（IR）组和非IR组；最后，研究者将非IR组和IR组患者的类固醇代谢物图谱进行了比较，从而描述出肥胖儿童中IR的类固醇代谢组学特征。
实验结果
1. 临床表型和生化表型
在87名肥胖儿童中，有20名（23％）被诊断患有胰岛素抗性（IR）。表1展示了IR组和非IR组的临床表型比较。
显著性使用t检验。BP：血压；GGTP：γ-谷氨酰转肽酶；GLU：葡萄糖；HDL-C：高密度脂蛋白胆固醇；INS：胰岛素；NS：不显著；TG：甘油三酯。*z得分BMI依据国际肥胖项目小组的数据。
非IR组和IR组患者之间的平均年龄、BMI、z得分BMI和血压值均无显著差异。IR组的腰臀比（WHR）而非身高比（WHtR）要显著高于非IR组的情况（表1）。在生化水平上，与非IR组相比，IR组患者的空腹胰岛素（而非葡萄糖）、丙氨酸转氨酶（ALT）、天门冬氨酸氨基转移酶（AST）以及餐后葡萄糖和胰岛素的平均值均较高（表1）。
2. IR组患者的类固醇特征
非IR组和IR组患者表现出相似的昼行性皮质醇谱（即早晨和午夜的血浆皮质醇浓度并无差异）。当比较类固醇代谢物的z-转换值时，研究者在IR组患者中发现DHEA代谢物5-雄烯-3β和17α-二醇；皮质醇代谢物皮质醇（F）、5α-孕烷-3α,17α-二醇-20-one（Po-5α、3α）、5β-孕烷-3α,11β,17α,21-呋喃-20-one（THF）、5α-孕烷-3α,11β,17α,21-呋喃-20-one（5α-THF）和6β-OH-F；可的松代谢物5β-孕烯-3α,17α,21-三醇-11,20-二酮（THE）、α-皮质酮（αCl）和β-皮质酮（βCl）；皮质酮代谢物四氢-11-脱氢皮质酮（THA）和TH-皮质酮（THB）的浓度均明显更高（图1）。IR组中的主要皮质醇代谢物（5α-THF+ THF + THE）和全部皮质醇代谢物的分泌物（5α-THF+ THF + THE +αC+β-皮质醇[βC] +αCl+βCl）的总和要比非IR组中的更高（分别为11,376.5±5,568 vs. 7,822.9±3,506 μg/天[P<0.001]以及16,706.9±7,850vs. 11,741.8±5,032 μg/天[P=0.013]）。
图1 非IR组与IR组中肥胖患者的类固醇生成比较
延伸的类固醇途径中的血液代谢产物（用蓝色突出显示）和尿液终产物（以棕褐色突出显示）。三角形和菱形分别对应于单向和双向的血液酶促反应。尿液终产物的颜色饱和度（从浅棕褐色到深棕褐色）对应于类固醇代谢产物的浓度，颜色较深意味着IR组的浓度明显高于非IR组。箭头的方向反映了IR组中的酶活性。DHF：二氢可的松；THS：四氢-11-脱氧皮质醇。
与非IR组相比，IR组患者显示出5α-还原酶和21-羟化酶活性的显著增强，而11βHSD1的活性则较低（表2）。两组之间类固醇代谢物的比率（用于计算17-羟化酶/17,20-裂解酶、17α-羟化酶、17,20-裂解酶、11β-羟化酶和3βHSD的活性）没有显著差异（P> 0.05）。
表2 类固醇代谢物的比率（酶活性）：非IR组和IR组之间的差异
数据表示为平均值±SD。图中仅展示了显著不同的比率。显著性使用t检验。*根据类固醇代谢物浓度计算。#相对21-羟化酶缺乏症的比例。
儿童肥胖症中IR的类固醇代谢组学特征是非IR组和IR组患者中类固醇代谢物的平均z-转换浓度差异（图2）。
图2. 儿童肥胖症中IR的类固醇代谢组学特征表示为非IR组和IR组患者中类固醇代谢物的平均z-转换浓度差异（蓝色）
[-]：减号；THS：四氢-11-脱氧皮质醇。* IR组与非IR组之间的差异（z得分）P<0.05。
结论
基于研究者先前通过定量尿液类固醇的GC-质谱数据对类固醇代谢组学疾病特征的定义，研究者阐明了非综合征性儿童肥胖中IR的类固醇特征。在临床水平上，非IR组和IR组儿童的平均年龄和z得分BMI均相当。但是，正如其他人的研究所述，内脏脂肪的脂肪分布不同，当以腰臀比测量时，研究者发现IR组的更大。正如其他人和研究者先前报道的那样，成人和儿童肥胖人群中IR组的肝酶活性都较高。
尽管正常体重的人也可能发生原发性IR，但导致IR的最常见原因还是中心性肥胖。已有研究显示过量的腹部脂肪组织能够释放更多的游离脂肪酸，这些游离脂肪酸直接影响胰岛素的信号传导，减少肌肉中葡萄糖的吸收，驱动甘油三酯的过度合成并在肝脏中诱导糖异生。IR的主要特征是去抑制脂肪组织中的脂解作用，损害肌肉对葡萄糖的吸收以及糖异生作用的去抑制。Kinyua等人发表的结果表明胰岛素直接上调类固醇生成因子-1（转录因子SF-1）和类固醇生成基因，从而直接增加肾上腺素的产生，且该过程与CRH-ACTH-MC2R-PKA途径无关。
本文中显示的IR类固醇特征似乎与之相符，因为其特征就是肾上腺雄激素、糖皮质激素和盐皮质激素的代谢物较高。先前已有研究报道，称前者与多囊卵巢综合征有关。受体的信号传导中存在结合后缺陷，这可能是由于受体和胰岛素受体底物1的丝氨酸磷酸化的增加所致，选择性地影响典型的胰岛素靶组织和卵巢中的代谢途径，但不影响有丝分裂途径。MAPK-ERK途径中丝氨酸激酶的组成性激活可能有助于抵抗骨骼肌中胰岛素的代谢作用。
先前已有研究观察到肥胖与醛固酮的浓度升高有关。Goodfriend等人提出内脏脂肪能够刺激肾上腺类固醇的生成。他们的研究结果证实了血浆醛固酮与内脏肥胖和IR的测量指标相关。此外，他们发现某些脂肪酸在体外的大鼠肾上腺细胞（与大鼠肝细胞一起培养）中刺激了醛固酮的产生，但在单独的肾上腺细胞却没有这样的效果。这些结果表明，内脏脂肪细胞中的脂肪酸诱导了肾上腺促分泌素/醛固酮-刺激因子在肝脏中的形成，这可能解释了血浆类固醇与内脏型肥胖之间的关系。一项意大利的研究证实，在非高血压和高血压患者中，胰岛素不仅与BMI相关，而且与血浆醛固酮相关。
肾素-血管紧张素-醛固酮系统和盐皮质激素受体的拮抗作用意味着停靠蛋白、胰岛素受体底物出现了过度的丝氨酸磷酸化以及蛋白酶体的降解，并通过混合型胰岛素/IGF-I受体来增强信号传导，这是醛固酮介导的扰乱下游胰岛素信号传导的重要机制。相应地，Huby及其同事的动物研究中指出，瘦素是脂肪细胞衍生出的一种醛固酮分泌因子，这与其他报道相矛盾。
皮质醇/糖皮质激素的代谢会根据产物的变化、不同的周围间隙以及组织特异的11βHSD1活性而变化。肥胖患者中可以观察到皮质醇的产生增加，其在本文的研究人群中表现为较高的尿液皮质醇代谢产物。
肥胖和2型糖尿病的动物模型不仅表现出类固醇激素浓度的升高，还证实了肾上腺（而非脂肪组织）中类固醇生成酶基因表达的增加。更具体地说，儿童肥胖患者中IR的特征是较高的5α-还原酶（An/Et）活性和21-羟化酶活性，以及较低的11βHSD1活性。在本研究中也同时观察到了相似的发现，且它们共同构成了类固醇代谢组学疾病的特征。正如本研究中所观察到的，研究者在肥胖患者的肝脏组织中观察到11βHSD1的活性降低（但在内脏脂肪中未发现该现象），从而导致尿液中可的松代谢产物的浓度更高。它可以通过下丘脑-垂体-肾上腺轴的激活来补偿，并且其是糖皮质激素和雄激素产生的第二诱发因素。
最后，基于非综合征性儿童肥胖中IR的类固醇特征以及相关文献，研究者提出了一个恶性循环的模型，其中糖皮质激素诱导了IR，进而（甚至直接）刺激了类固醇的生成。毋庸置疑地是，通过减肥的方式（营养疗法和/或生活方式的调整）降低IR/改善胰岛素的敏感性将会有帮助，因为它可以中断该恶性循环。在这种情况下，影响11βHSD1表达和活性的药物治疗效果仍不清楚。因此，需要更多的研究来验证本文的发现，从而可以为每一个存在代谢疾病风险的肥胖患者制定个性化的治疗方案。
评论
胰岛素抗性（IR）与非综合征性儿童肥胖症相关。已有研究发现，人网膜脂肪细胞的葡萄糖摄取率是皮下脂肪细胞的两倍，而糖皮质激素对网膜中的葡萄糖摄取和胰岛素信号蛋白的表达有明显抑制作用，但对皮下脂肪细胞则没有抑制作用。这些发现可能与IR形成过程中内源性糖皮质激素和内脏脂肪之间的双向相互作用相关。
本研究基于尿液类固醇的气相色谱-质谱（GC-MS）数据以及作者先前研究中的“类固醇代谢组学特征”概念，描述了肥胖儿童中IR的类固醇特征，即来自所有肾上腺途径的类固醇分泌增加了。研究者还提出了一个恶性循环模型，其中糖皮质激素诱导了IR，甚至可以直接刺激类固醇的生成，而该恶性循环可以通过减肥的方式来中断。本研究为肥胖患者制定个性化的代谢疾病治疗方案奠定了基础！