四氫生物蝶呤性質(zhì)、用途與生產(chǎn)工藝
四氫生物蝶呤（tetrahydrobiopterin，BH4）屬于芳香族氨基酸羥化酶的輔酶，是一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）三種同工酶-內(nèi)皮型-氧化氮合酶（endothelial nitric oxide synthase，eNOS），神經(jīng)元型一氧化氮合酶（neuronal nitric oxide synthase，nNOS）和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）的輔因子。BH4在酶促反應(yīng)中作為電子載體起還原劑的作用，是8個(gè)重要的加單氧酶的必需輔助因子，包括4個(gè)芳香族氨基酸羥化酶（AAAH）、3個(gè)NOS和1個(gè)烷基甘油加單氧酶（AGMO），并存在于高等動(dòng)物每個(gè)細(xì)胞和組織參與多個(gè)生理和病理過(guò)程。AAAH包括苯丙氨酸羥化酶（PAH）、酪氨酸羥化酶（TH）和色氨酸羥化酶（TPH）。BH4氧化型為二氫生物蝶呤，后者在二氫生物蝶呤還原酶催化下以NADPH為供氫體還原再生成為四氫生物蝶呤。在正常生理狀況下，BH4水平充足，NOS催化L-精氨酸產(chǎn)生一氧化氮（nitric oxide，NO），并參與下游部分通路的調(diào)節(jié) BH4不僅參與NO的合成等許多生理過(guò)程，同時(shí)也參與如炎癥血管內(nèi)皮功能障礙糖尿病心血管疾病等病理過(guò)程；當(dāng)其缺乏時(shí)，其催化產(chǎn)物是過(guò)氧化物，將導(dǎo)致以兒茶酚胺、血清素（單胺類神經(jīng)遞質(zhì)）缺乏為病理生理特點(diǎn)，伴有或不伴有高苯丙氨酸血癥的一系列罕見的遺傳性神經(jīng)系統(tǒng)疾病，可能導(dǎo)致高血壓等一系列心血管活動(dòng)的改變，并可能參與心臟肥厚、心臟結(jié)構(gòu)重建和缺血/再灌注的病理和生理過(guò)程。治療方法為單純補(bǔ)充BH4或聯(lián)合補(bǔ)充BH4、L-多巴卡比多巴和5-羥色氨酸。
1.BH4與糖尿病 糖尿病中，BH4水平的下降與血管內(nèi)皮功能障礙有著密切聯(lián)系。BH4被氧化和eNOS脫偶聯(lián)所導(dǎo)致的NO合成減少是血管內(nèi)皮功能障礙的重要原因，同時(shí)eNOS脫偶聯(lián)導(dǎo)致超氧化物的產(chǎn)生會(huì)加劇BH4的氧化。胰島素有刺激活化eNOS的作用胰島素與其血管內(nèi)皮細(xì)胞的受體結(jié)合引起胰島素受體底1（IRS-1）磷酸化，并隨后通過(guò)PI3K /Akt的磷酸化激活eNOS 2型糖尿病Zucker大鼠模型中，可檢測(cè)到PI3K /Akt系統(tǒng)的缺陷和NO生物利用度的下降。同時(shí)糖尿病引起的自主神經(jīng)功能紊亂會(huì)導(dǎo)致內(nèi)皮的NO生物利用度降低，加重內(nèi)皮功能的障礙。在糖尿病時(shí)發(fā)生的上述改變，可導(dǎo)致eNOS的活性下降，NO合成或/和利用減少，致使血管內(nèi)皮功能障礙，而血管內(nèi)皮功能障礙會(huì)最終導(dǎo)致BH4水平下降，從而導(dǎo)致NO合成減少，再次加重血管內(nèi)皮功能障礙，形成惡性循環(huán)許多研究致力于改善糖尿病所導(dǎo)致的血管內(nèi)皮功能障礙。一些離體實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用高糖處理自發(fā)性遺傳糖尿病BB大鼠內(nèi)皮細(xì)胞，會(huì)引起eNOS蛋白水平的增加，eNOS脫偶聯(lián)和內(nèi)皮功能障礙等，用墨蝶呤孵育細(xì)胞可起到恢復(fù)BH4水平從而恢復(fù)內(nèi)皮細(xì)胞功能的作用；而用腺病毒將GTPCH轉(zhuǎn)染至細(xì)胞內(nèi)則可同樣起到治療作用。而一些在體實(shí)驗(yàn)表明過(guò)表GPTCH可促進(jìn)BH4水平的增加，糖尿病血管內(nèi)皮功能恢復(fù)，同時(shí)我們的工作證實(shí)過(guò)表達(dá)GPTCH也可改善內(nèi)皮祖細(xì)胞功能，并促進(jìn)1型糖尿病小鼠傷口愈合。近期研究還發(fā)現(xiàn)，將腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）的激活劑-二甲雙胍給予鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的1型糖尿病小鼠，可以降低由糖尿病引起的26S蛋白酶體對(duì)GTPCH的降解，抑制BH4水平的下降，同時(shí)二甲雙胍還可以改善Ins2+ /Akita糖尿病小鼠內(nèi)皮功能障礙等癥狀。綜上所述，BH4的水平變化不是在糖尿病中導(dǎo)致血管內(nèi)皮功能紊亂的唯一因素，而是由BH4 NO和PI3K /Akt通路以及一些其他的分子共同作用導(dǎo)致，并已發(fā)現(xiàn)包括直接給藥誘導(dǎo)激活外界刺激等許多方法能夠緩解內(nèi)皮功能紊亂。
2.BH4與心肌保護(hù) BH4在心肌保護(hù)方面扮演重要角色。在發(fā)生心臟負(fù)荷過(guò)重時(shí)，線粒體功能障礙誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡，并最終導(dǎo)致心肌肥厚和功能障礙。當(dāng)給予BH4后可改善心肌功能 在小鼠心肌壓力負(fù)荷模型中，即C57 /BL6小鼠主動(dòng)脈弓縮窄4周后，心臟質(zhì)量增加，舒張內(nèi)徑增加，心臟射血分?jǐn)?shù)降至50%以下，引發(fā)NOS脫偶聯(lián)和氧化應(yīng)激，給予BH4可以抑制NOS脫偶聯(lián)，抑制心肌纖維化，改善心室功能障礙。此外，BH4還可以預(yù)防缺血再灌注引起的損傷 研究表明，BH4可在缺血再灌注時(shí)阻止血管緊張素II浸入心肌，并阻止由此引起的心肌肥厚。BH4還可通過(guò)抑制NOS脫偶聯(lián)，促進(jìn)NO的合成，與激活的PI3K /Akt通路共同影響對(duì)心肌起保護(hù)作用的cGMP /PKG通路，抑制心肌的缺血再灌注損傷在離體實(shí)驗(yàn)中，使用BH4可以緩解心臟驟停所帶來(lái)的心肌缺血再灌注損傷，而使用抗壞血酸和N-乙酰半胱氨酸維持BH4水平和BH4 /BH2比率，也可起到緩解心肌缺血再灌注損傷的作用。
3.BH4與肺動(dòng)脈高壓 肺動(dòng)脈高壓（PH）是一種以肺動(dòng)脈肺靜脈和肺毛細(xì)血管血壓一同升高，并導(dǎo)致呼吸短促暈厥等癥狀的嚴(yán)重疾病，并伴有心力衰竭和運(yùn)動(dòng)耐受力下降。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)BH4與肺動(dòng)脈高壓有著密切關(guān)系首先，研究發(fā)現(xiàn)BH4的氧化和消耗，會(huì)使eNOS的活性劑量依賴性地降低，同時(shí)在BH4水平較低時(shí)，Ang II可以降低DHFR的表達(dá)促進(jìn)GTPCH的降解，導(dǎo)致肺動(dòng)脈高壓的發(fā)生。這說(shuō)明，BH4缺乏與肺動(dòng)脈高壓有著聯(lián)系。其次，研究者在eNOS基因敲除小鼠低氧誘導(dǎo)的肺動(dòng)脈高壓發(fā)生時(shí)，發(fā)現(xiàn)增加eNOS蛋白水平并不能增加NO的生物學(xué)活性；這說(shuō)明肺動(dòng)脈高壓時(shí)BH4確實(shí)是缺乏的隨后通過(guò)對(duì)缺氧性肺動(dòng)脈高壓易感的BH4合成缺乏的hph-1小鼠觀察，發(fā)現(xiàn)增加內(nèi)皮中BH4的合成可以阻止低氧誘導(dǎo)的肺動(dòng)脈高壓；這說(shuō)明BH4可以抑制肺動(dòng)脈高壓的發(fā)生近期研究顯示eNOS脫偶聯(lián)和NADPH氧化酶的活性增加導(dǎo)致NO生物利用度下降，受損血管的修復(fù)再生能力減弱，在給予墨蝶呤后可以改善該種情況；提示BH4的減少所導(dǎo)致的NO生成減少和血管內(nèi)皮功能的障礙是肺動(dòng)脈高壓發(fā)生的途徑之一，并且在補(bǔ)充BH4后可以緩解該情況。
4.BH4與高膽固醇血癥 eNOS產(chǎn)生的NO是一種抗血栓形成和抗動(dòng)脈粥樣硬化的分子。在高膽固醇血癥發(fā)生時(shí)，NADPH氧化酶介導(dǎo)的氧化應(yīng)激導(dǎo)致BH4的氧化，eNOS功能障礙和活性降低，并導(dǎo)致血管NO的生物利用度的降低，最終參與誘導(dǎo)動(dòng)脈粥樣硬化形成 目前人們已經(jīng)使用多種方法證明高膽固醇血癥中BH4的缺乏所導(dǎo)致的NO產(chǎn)生減少導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生無(wú)論是通過(guò)ApoE-KO小鼠和ApoE-KO /TgGCH小鼠模型，還是通過(guò)血流介導(dǎo)的血管舒張功能檢測(cè)，或是通過(guò)BH4直接給藥的方法，都發(fā)現(xiàn)給予BH4可以維持NOS的偶聯(lián)狀態(tài)，降低氧化應(yīng)激，保護(hù)血管內(nèi)皮的功能，減緩動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)展血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑AT1 受體拮抗藥他汀類藥物奈必洛爾和白藜蘆醇等藥物及活性化合物已被證明可以抑制eNOS的脫偶聯(lián)，并同時(shí)增強(qiáng)eNOS活性。
5.BH4與生物節(jié)律性 研究顯示BH4以及GTPCH在體內(nèi)的表達(dá)水平也存在著節(jié)律性 當(dāng)節(jié)律基因如Bmal1和Per2失活時(shí)，小鼠的血管內(nèi)皮細(xì)胞功能將會(huì)受到明顯抑制，引起O2 的累積和血管正常舒張功能的減弱，主要原因可能是BH4晝夜節(jié)律性失調(diào)和表達(dá)水平紊亂而導(dǎo)致eNOS的脫偶聯(lián)同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧酶非選擇性抑制劑吲哚美辛可以一定程度上緩解Bmal1基因失活導(dǎo)致的血管內(nèi)皮細(xì)胞功能抑制，但是對(duì)于Per2基因失活所引起的血管內(nèi)皮細(xì)胞功能抑制沒(méi)有緩解效果，原理目前尚不清楚。
6.輔助BH4的利用 BH4的不穩(wěn)定性使得其應(yīng)用的推廣并不順利，隨著對(duì)BH4利用的研究不斷深入，一些新的思路涌現(xiàn)出來(lái)：1）使用葉酸：葉酸可以增加BH4和eNOS的結(jié)合緊密度，促進(jìn)BH2向BH4的轉(zhuǎn)化，穩(wěn)定BH4；2）使用5-甲基四氫葉酸：5-甲基四氫葉酸可以模仿BH4的定位，并可以與NOS的活性位點(diǎn)緊密結(jié)合，達(dá)到模仿BH4生理作用的作用；3）使用維生素C：維生素C作為還原劑可以直接降低血管系統(tǒng)的氧化應(yīng)激，還可以通過(guò)穩(wěn)定BH4的化學(xué)結(jié)構(gòu)，升高BH4細(xì)胞內(nèi)水平，使得eNOS的活性增強(qiáng)。
7.BH4與高血壓 BH4可改善內(nèi)皮依賴性血管舒張功能，使內(nèi)皮依賴性血管舒張明顯改善，高血壓進(jìn)展延緩；還可以保護(hù)內(nèi)皮祖細(xì)胞（EPC）功能。長(zhǎng)期外源性補(bǔ)充BH4可明顯抑制SHR的高血壓進(jìn)展，機(jī)制包括直接增加eNOS源性一氧化氮間接減少O2-，生成抗氧化活性保護(hù)內(nèi)皮功能等。
BH4可通過(guò)從頭合成和補(bǔ)救途徑兩條途徑在細(xì)胞的胞漿內(nèi)合成。在生理?xiàng)l件下，I 型三磷酸鳥苷環(huán)化水解酶（GTP cyclohydrolase I，GTPCH）是BH4從頭合成的限速酶，該酶催化三磷酸鳥苷（guanosine triphosphate，GTP）形成7，8-三磷酸二氫新蝶呤（7，8-dihydroneopterinTriphosphate），隨后被6-丙酮四氫蝶呤合成酶（6-pyruvoyl -tetrahydropterin synthase，PTPS）轉(zhuǎn)化為6 -丙酮-5，6，7，8-四氫蝶呤，最后在墨蝶呤還原酶（sepiapterin reductase，SR）的作用下被還原為BH4。
BH4也可通過(guò)補(bǔ)救途徑合成：即在墨蝶呤還原酶的作用下，以墨蝶呤為底物轉(zhuǎn)化為7,8-二氫生物蝶呤（7,8-Dihydrobiopterin，BH2），再進(jìn)一步被二氫葉酸還原酶（dihydrofolate reductase，DHFR）還原為BH4，而2,4-二氨基-6-羥基嘧啶（2,4-Diamino-6-hydroxypyrimidin，DAHP）和N-乙酰-5-羥色氨（Nacetylserotonin，NAS）分別為GTPCH和墨蝶呤還原酶的抑制劑，能夠阻斷BH4的合成。
圖1為四氫生物蝶呤生物合成的兩條途徑( 從頭合成和補(bǔ)救途徑)
從頭合成途徑( 右側(cè)) 從GTP 起經(jīng)過(guò)3 個(gè)步驟合成至BH4，由GCH1 基因所編碼的I 型三磷酸鳥苷環(huán)化水解酶( GTPCH) 限制其合成速率。BH4 也可經(jīng)過(guò)補(bǔ)救措施( 左側(cè)) 從墨蝶呤起經(jīng)過(guò)2 個(gè)步驟合成
BH4 缺乏癥是一種極少見的常染色體隱性遺傳代謝病。其特點(diǎn)是血 Phe 增高及進(jìn)行性神經(jīng)系統(tǒng)癥狀，即使用低 Phe飲食將血 Phe 控制在正常范圍仍無(wú)法改善癥狀。這是因?yàn)?BH4 不僅是苯丙氨酸羥化酶的輔因子，BH4 缺乏損害3種芳香族氨基酸羥化反應(yīng)，而導(dǎo)致腦內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)左旋多巴和 5-羥色胺的生成減少。除造成高苯丙氨酸血癥（HPA）外，還影響到腦細(xì)胞中髓鞘蛋白的合成，造成神經(jīng)介質(zhì)的減少。BH4 缺乏癥占總 HPA 的比例存在地區(qū)差異，高加索人中 1 .5 %～2%的 HPA 為 BH4 缺乏癥；沙特阿拉伯為66 %。
1. 表現(xiàn)：由于患者存在 HPA，故晚治患兒有經(jīng)典型疹、鼠尿味等，除此之外，BH4 缺乏癥突出的臨床表現(xiàn)是肌張力低下和難以控制的抽搐。早期正規(guī)的低 phe 飲食治療后，血 phe 控制在理想范圍，但上述神經(jīng)系統(tǒng)癥狀未趨向好轉(zhuǎn) , 且進(jìn)行性加重。故臨床醫(yī)生應(yīng)高度警惕是否為 BH4 缺乏癥，并給予相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室檢查。新生兒篩查發(fā)現(xiàn)的HPA患兒，因早期臨床表現(xiàn)不典型，難與BH4缺乏癥相鑒別，故也應(yīng)做實(shí)驗(yàn)室檢查以協(xié)助診斷。BH4 缺乏癥的臨床表現(xiàn)具有高度異質(zhì)性，故又分為 3 種類型：① 中樞型，以腦脊液中神經(jīng)遞質(zhì)代謝產(chǎn)物的濃度低和嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)癥狀為特征；② 周圍型（溫和型），腦脊液中神經(jīng)遞質(zhì)代謝產(chǎn)物的水平正常；③ 短暫型，表現(xiàn)為一過(guò)性的新生兒 HPA。中樞型患者表現(xiàn)為軀干、 四肢肌張力低下，雙上肢內(nèi)旋。嬰兒出現(xiàn)抬頭困難，吸吮力低下，吞咽困難，至幼兒或兒童期表現(xiàn)為軟弱無(wú)力、眼瞼下垂、嗜睡、反應(yīng)極差、激惹、口水增多，難以控制的抽搐，不明原因的高熱，嚴(yán)重的發(fā)育遲緩。
2. BH4 缺乏癥的診斷及治療：尿蝶呤分析是BH4 缺乏癥常用的篩查方法。BH4負(fù)荷試驗(yàn)是臨床上較可靠而迅速的鑒別診斷方法。BH4 缺乏者在補(bǔ)充 BH4 后苯丙氨酸羥化酶活性恢復(fù)正常，血 Phe很快下降。而經(jīng)典型PKU因苯丙氨酸羥化酶缺乏，故對(duì)BH4無(wú)反應(yīng)。對(duì)血Phe 增高的患兒應(yīng)同時(shí)做尿蝶呤分析和 BH4 負(fù)荷試驗(yàn)，以明確診斷、及早治療，阻止神經(jīng)系統(tǒng)損害癥狀的發(fā)生。治療越早，神經(jīng)系統(tǒng)癥狀得到改善越早，預(yù)后越好。
一經(jīng)診斷應(yīng)立即給予BH4和神經(jīng)遞質(zhì)前質(zhì)多巴（L-DOPA），5-羥色氨酸 （5-HTP）聯(lián)合治療。每日口服BH42～5mg/kg以控制血Phe濃度達(dá)正常水平; DHPR缺乏者BH4量更大些。給予L-DOPA 5～15 mg/kg·d和5-HTP 3～ 13mg/kg·d以改善神經(jīng)系統(tǒng)癥狀，L-DOPA和5-HTP藥物開始治療劑量從 1mg/kg·d，每周逐漸增加1mg/kg，至治療劑量，并將總量分3～4次。多巴制劑有息寧和美多巴，每片含左旋多巴200 mg。定期進(jìn)行生長(zhǎng)和智能發(fā)育評(píng)價(jià)。由于個(gè)體適應(yīng)性不同，藥物開始劑量宜小，約 3～4 周后達(dá)到足夠劑量。同時(shí)注意用藥期間仍需嚴(yán)格控制血 Phe 濃度，因?yàn)檠狿he濃度不穩(wěn)定會(huì)影響治療效果。另外需注意觀察藥物的副作用如皮疹等。
有關(guān)四氫生物蝶呤的芳香族氨基酸羥化酶的輔酶、生物學(xué)功能、生物合成 、四氫生物蝶呤缺乏與治療是由Chemicalbook的王旭艷編輯整理。（2016-6-13）
化學(xué)性質(zhì)
Pk’5.05。UV最大吸收(0.1mol/L鹽酸)：265nm(ε14000)。
二鹽酸沙丙蝶呤(Sapropterin Dihydrochloride)：C9H15N5O3?2HCl。[69056-38-8]。白色結(jié)晶或結(jié)晶性粉末，無(wú)臭，味略酸。極易溶于水，較難溶于甲醇，極難溶于乙醇，幾不溶于乙醚。熔點(diǎn)245～246℃(分解)。[α]
D25-6.81。(C=0.665，0.1mol/L鹽酸)。UV最大吸收(2mol/L鹽酸)：264nm(ε16770)。
用途
可引起多巴胺釋放。用于識(shí)別障礙。
生產(chǎn)方法
往水中加入L-赤式-生蝶呤(Biopterin，[22150-76-1])和鉑黑，再用四乙銨氫氧化物調(diào)至Ph值12。然后-5℃或以下和9.81MPa的氫壓下催化氫化，結(jié)束后加入鹽酸，得到二鹽酸沙丙蝶呤，收率85%。
四氫生物蝶呤
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