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本文系统梳理了肌肽（Carnosine）这一具有pH缓冲、抗氧化和金属螯合作用的组氨酸二肽的研究进展。文章指出，尽管肌肽在运动补充剂和多种疾病辅助治疗中展现出潜力，但其对多数组织（包括大脑）的作用，尤其在发育早期，仍存争议。综述强调了影响肌肽生物学效应的多种变量（如浓度、暴露时间、靶组织、生物性别、代谢状态和发育阶段），并特别关注了肌肽代谢随生命进程的变化及其在肌肽血症（Carnosinaemia）等病理条件下的意义。作者主张重新思考肌肽的应用，以充分挖掘这个前景广阔的分子在细胞存活、氧化还原稳态、信号传导和代谢等层面的调控潜力。
肌肽（Carnosine）是一种由β-丙氨酸和L-组氨酸构成的组氨酸二肽，自1900年被发现以来，其pH缓冲、抗氧化和金属螯合能力已得到广泛认同。科学界对其在治疗人类疾病方面的潜力，特别是在作为运动补充剂和多种疾病的辅助治疗方面，进行了大量探索。然而，肌肽对大多数组织（包括大脑）的作用和影响，尤其是在发育的早期阶段，仍然存在争议。越来越多的证据表明，肌肽可能影响大量的生理参数，包括作为细胞存活、氧化还原稳态、信号传导和代谢等的潜在调节剂。值得注意的是，许多变量似乎会影响肌肽作用的结果，例如肌肽浓度、暴露时间、靶细胞/组织、生物性别、代谢状态和发育阶段。考虑到组氨酸二肽的生理和代谢在整个生命过程中会发生变化，肌肽在发育过程中的影响应被仔细考量。这一点在肌肽血症的背景下显得尤为重要，这是一种肌肽分解代谢的遗传性疾病，以肌肽积累和出现神经精神运动功能障碍为特征。因此，重新思考肌肽的应用对于充分实现这个有前景分子的潜力至关重要。
肌肽：分布与代谢
肌肽在啮齿动物和人类中分布广泛，在肌肉、大脑、肾脏、心脏、脂肪组织、肝脏和肺中以不同的浓度被检测到。在人类中，肌肽是肌肉中最丰富的组氨酸二肽。肌肽或其组成氨基酸可以从饮食中摄取，主要来自牛肉、家禽或鱼类。肌肽也可以通过由CARNS1基因编码的肌肽合成酶在体内内源性合成。该酶存在于多种组织的细胞质中，包括大脑、肌肉、肾脏和肝脏。另一方面，血清肌肽酶（CN1）和胞质非特异性二肽酶（CN2）是催化肌肽分解为其组成氨基酸的酶。与CN2相比，CN1对肌肽的水解活性在生理pH下显著更高。在人类中，CN1在大脑和肝脏中表达，而CN2则普遍表达。在啮齿动物中，CN1的表达仅限于肾脏。肌肽的摄取可以由不同的转运蛋白介导。肽转运蛋白2（PEPT2）在多种哺乳动物组织中表达，包括肾脏、皮肤、肺和心脏。在大脑中，PEPT2存在于脉络丛细胞、星形胶质细胞和神经元中。肽转运蛋白1（PEPT1）是小肠中肌肽的主要转运蛋白。肽/组氨酸转运蛋白（PHT1和PHT2）也被证明可以摄取肌肽，并在哺乳动物的肌肉、肠道以及胶质母细胞瘤中表达。有趣的是，PHTs（尤其是PHT1）可能是肌肉中主要的肌肽转运蛋白，因为该组织几乎不表达PEPT1/2的mRNA。
肌肽的生理作用
大多数研究将pH缓冲确定为肌肽的主要生理作用。这得到了其咪唑环质子化的pKa值（pKa= 6.72）以及肌肉肌肽含量与组织缓冲能力之间相关性的支持。肌肽也被认为是一种有效的抗氧化剂。它与活性氧和羰基相互作用，并在多种条件下提供对抗脂质氧化的保护。肌肽的抗氧化作用也可部分归因于其作为金属离子螯合剂的作用，因为二价金属阳离子（如Cu2+、Zn2+和Fe2+）可能通过多种机制导致活性氧的形成。肌肽对骨骼肌和心肌中钙离子（Ca2+）处理的调节作用也被归因于它。
肌肽补充对细胞生理的影响
除了其生理作用外，肌肽还可以产生许多其他效应，包括脂肪细胞的褐变、星形胶质细胞反应性形态的诱导以及C2C12成肌细胞的分化。有趣的是，肌肽暴露可能导致测试参数的可变结果。例如，尽管有其广泛报道的抗氧化作用，但肌肽在某些条件下也可以作为促氧化剂。类似的变异性在细胞存活、细胞增殖、代谢和其他参数方面也有观察到。有许多因素可以改变肌肽引发的效应。例如，氧化还原和代谢环境的改变，以及衰老，都可能触发这种二肽效应的明显双重性。在这种情况下，培养基中过氧化氢的存在会将肌肽对培养星形胶质细胞的作用从促氧化转变为抗氧化。在成肌细胞中也观察到类似情况：在稳态培养基中添加肌肽会降低细胞存活率，而肌肽可改善暴露于过氧化氢的成肌细胞的细胞存活率。肌肽对星形胶质细胞线粒体功能的影响在葡萄糖/氧剥夺条件存在或不存在时也有所不同。在体内也观察到类似的双重性：虽然肌肽对成年大鼠血清或肝脏中的氧化还原参数没有影响，但它能降低老年动物脂质过氧化标记物并增加抗氧化水平。这些数据表明，氧化还原状态、代谢状态和年龄等生物变量可以调节肌肽的作用。在此背景下，其他生物变量也可能影响肌肽的作用结果。
治疗人类疾病的潜力
肌肽的治疗潜力长期以来一直是人们感兴趣的话题。临床和临床前研究探索了使用肌肽（及其前体β-丙氨酸）作为不同人类疾病的治疗/辅助手段的可能性，包括糖尿病、心血管疾病、肥胖、癌症、COVID-19、精神疾病以及阿尔茨海默病和其他衰老相关疾病。例如，一项双盲随机对照试验测试了肌肽作为2型糖尿病的治疗方法。肌肽每天给药两次（每次1克，每天2克，持续14周）。接受口服肌肽补充的糖尿病前期或糖尿病成人表现出改善的葡萄糖耐量，但其心血管和心脏代谢风险因素并未因肌肽而改善。其他测试类似肌肽给药方案的研究表明，肌肽并不影响大多数血浆/血清和尿液生化指标，但可能改善特定参数，并改善超重患者的胰岛素敏感性。有趣的是，最近一项单中心、开放标签的剂量递增研究表明，肌肽在单次剂量高达10克时似乎是安全且耐受良好的。然而，在较高剂量（15克肌肽）时，参与者会出现副作用，包括头痛、恶心和感觉异常。
肌肉肌肽与运动表现
多项研究评估肌肽或β-丙氨酸补充是否影响运动表现。由于肌肽经典的pH缓冲和抗氧化能力，它被提出可以改善运动表现。在运动期间，由于肌肉收缩的能量需求增加，血液和肌肉中的pH值和活性物质产生可能增加。在专业男性皮划艇运动员运动后，补充肌肽可防止血浆中氧化损伤标志物水平的增加。补充肌肽的前体β-丙氨酸也被提出。其依据是人体内存在高CN1活性，这有利于膳食中获取的大部分肌肽快速降解。事实上，补充β-丙氨酸可以增加健康成年人的肌肉肌肽含量。补充β-丙氨酸与血液中更好的pH缓冲能力、血液乳酸增加以及骑行能力测试中力竭时间延迟有关。在久坐人群中进行的随机、安慰剂对照试验也报告了补充β-丙氨酸后运动后氧化还原稳态的改善。然而，其他研究并未报告β-丙氨酸对运动表现有益。
肌肽与生物性别
有证据表明，肌肽的代谢和分布可能存在性别差异。雌性小鼠肾脏和心脏中的肌肽含量较低。在小鼠中，肾脏中Carns1和Pept2的表达在雌性中高于雄性，而Cndp1表达在雄性中更高。衰老仅降低雌性小鼠肾脏中的肌肽和鹅肌肽水平。在人类中，女性肌肉、红细胞和尿液中的生理性肌肽和β-丙氨酸含量较低。在青春期，男性受试者的肌肉肌肽水平比女性受试者增加得更多。补充肌肽后，女性红细胞中肌肽含量的增加不如男性明显，并且女性受试者的肌肽排泄更高。
生命不同阶段的肌肽
肌肽代谢在人类发育过程中发生显著变化，CN1似乎在这一过程中扮演着非常重要的角色。在新生儿中，血清中几乎检测不到CN1；CN1水平从1岁起逐渐增加直至青春期。在大约15岁时，血浆/血清CN1水平与成人相当。在衰老过程中，血清和脑脊液中的CN1活性增加，而肌肉和血液中的肌肽浓度下降。有趣的是，儿童脑脊液中的高肌肽水平高于成人，在大约5岁时达到峰值。肌肽和其他组氨酸二肽的水平和代谢与年龄相关的模式也发生在其他物种中，包括啮齿动物、马和牛。有趣的是，PEPT2在发育和衰老过程中也可能有不同的表达。肌肽在发育早期的生理作用尚未确定。对幼年啮齿动物的补充似乎不会改变体重、食物和水摄入量，以及生化参数或社交行为。然而，在幼年动物中补充这种二肽可能对肌肉产生有害影响，如对大鼠和猪的研究所示。在小鼠中，妊娠期间给母鼠补充肌肽可改善后代的运动技能测试表现。然而，幼鼠也表现出较低的本体感觉评分，以及血清中氧化还原参数的改变。在非哺乳动物物种中，斑马鱼胚胎暴露于高浓度肌肽会导致发育延迟。缺乏肌肽合成酶的动物模型检测不到组氨酸二肽水平。尽管直到成年，其嗅球发育和功能未受影响，但肌肽合成酶敲除动物在衰老时表现出嗅觉敏感性降低。这些动物在心肌功能以及骨骼肌发育和功能方面也存在缺陷。此外，肌肽合成酶敲除小鼠对神经炎症更敏感。肌肽代谢的改变也在生命不同阶段的一些病理状况中有所描述。在影响成年患者的脱髓鞘病变中报告了较低的肌肽合成酶表达。在患有自闭症谱系障碍儿童的血液样本中，肌肽高于年龄匹配的对照组。在帕金森病和阿尔茨海默病患者的脑脊液中发现CN1含量增加。在接受痴呆症药物治疗的个体以及经常锻炼的痴呆症患者中，肌肽酶活性增加。有趣的是，痴呆症患者血清中的CN1活性与疾病持续时间呈负相关。导致血清CN1活性降低的突变与预防糖尿病肾病相关，但不影响寿命或冠心病。然而，CN1降低是肌肽血症的标志，也在其他中枢神经系统疾病、肌肉营养不良症和严重心力衰竭患者中检测到。在Zucker糖尿病肥胖大鼠中，与对照相比，心脏中的肌肽水平较低，但血浆中较高。
肌肽与大脑：来自动物研究的启示
人们对肌肽及相关化合物在大脑中的作用越来越感兴趣。大脑肌肽代谢可能因发育阶段而异。在大鼠嗅球中，肌肽在胚胎第15天时不存在，但在E17和E20时在神经元中表现出逐渐增加的分散阳性。与此同时，小鼠全脑肌肽含量在E15.5和E19.5之间略有下降。在发育中的出生后大鼠大脑中，肌肽样免疫反应性的分布始于后部区域，然后向前扩散。另一方面，较早的证据表明，肌肽在胚胎和新生儿阶段可能已经存在于嗅球中。有趣的是，在成年小鼠大脑中，高肌肽是大多数结构中最丰富的组氨酸二肽，但嗅球除外，那里肌肽占主导地位。大脑中肌肽的代谢区室化已被提出。在嗅觉系统中，肌肽仅限于成熟的神经元。最初描述的非嗅觉肌肽仅限于神经胶质细胞，主要是星形胶质细胞和伯格曼胶质细胞。
