糖尿病相關(guān)認(rèn)知障礙發(fā)生機(jī)制的研究進(jìn)展

浦蘇穎 趙玉武

近年來，糖尿病并發(fā)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損害引起了人們的廣泛關(guān)注。業(yè)已證實(shí)，糖尿病可以導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)的代謝、神經(jīng)化學(xué)、形態(tài)學(xué)、電生理及神經(jīng)行為等多方面的改變。研究顯示，糖尿病大鼠海馬CA1區(qū)錐體細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)發(fā)生了異常變化，為糖尿病可導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙提供了形態(tài)學(xué)依據(jù)。最近研究表明，約有10%的糖尿病患者可能并發(fā)認(rèn)知功能障礙［1］，而且糖尿病可能是阿爾茲海默病（Alzheimer disease，AD）的危險(xiǎn)因素之一［2］。但關(guān)于糖尿病相關(guān)認(rèn)知障礙的發(fā)病機(jī)制尚不十分清楚。本文就目前糖尿病相關(guān)認(rèn)知障礙發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展做一綜述。

1 腦血管相關(guān)機(jī)制

1.1 腦白質(zhì)病變（white matter lesions，WMLs）WMLs是指一種大腦的結(jié)構(gòu)性改變，以中樞神經(jīng)細(xì)胞的髓鞘損害為主要特征，病變累及白質(zhì)束。WMLs發(fā)生機(jī)制極為復(fù)雜，涉及到細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程和細(xì)胞外信號分子調(diào)節(jié)異常等。糖尿病微血管病變是WMLs的危險(xiǎn)因素之一，最新證據(jù)顯示W(wǎng)MLs在認(rèn)知障礙中非常普遍并且與腦血管淀粉樣變相關(guān)［3］。因此，認(rèn)為 WMLs與糖尿病相關(guān)認(rèn)知障礙是密切相關(guān)的，可能是正常認(rèn)知功能到糖尿病相關(guān)認(rèn)知障礙的過渡階段。然而，它們之間的確切關(guān)系還不清楚，尚待進(jìn)一步研究。

1.2 腦血管內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙 Deepti等［4］發(fā)現(xiàn)，腦血管內(nèi)皮細(xì)胞能分泌一種具有神經(jīng)保護(hù)作用的物質(zhì)——大腦神經(jīng)保護(hù)因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF），BDNF能保護(hù)神經(jīng)元抵抗晚期醣基化終產(chǎn)物（advanced glycation end products，AGEs）的氧化損傷。

有研究者在鏈脲霉素誘導(dǎo)的糖尿病小鼠模型中觀察到，大腦皮質(zhì)小動脈的內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞分別在14周和16周開始衰退變性［5］；4～8個月后發(fā)現(xiàn)毛細(xì)血管基底膜厚度增加，外膜細(xì)胞衰退變性，皮質(zhì)容量減少［6］；1年后，大腦新皮層中神經(jīng)元顯著減少［7］。將人腦血管內(nèi)皮細(xì)胞放置在醣基化牛血清白蛋白（AGE－bovine serum albumin，AGE－BSA）中48h，發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細(xì)胞分泌BDNF的作用受到了抑制，同時(shí)細(xì)胞裂解物中磷酸化胞外信號調(diào)節(jié)激酶（extracellular signal－regulated kinase，ERK）的量顯著升高，由此推測糖尿病小鼠可以通過活化ERK／絲裂原激活蛋白激酶（mitogen－activation protein，MAP）信號肽途徑，使腦血管內(nèi)皮細(xì)胞受損，分泌BDNF減少［4］。缺少BDNF保護(hù)的內(nèi)皮細(xì)胞直接暴露在AGEs下，AGEs通過晚期醣基化終產(chǎn)物受體（receptor for advanced glycation end products，RAGE）在微血管中積累，微血管中AGEs－RAGE介導(dǎo)的慢性炎性反應(yīng)導(dǎo)致神經(jīng)元發(fā)生與AD相似的病理過程。因此，BDNF減少可能是導(dǎo)致潛在神經(jīng)元功能障礙的分子機(jī)制，這在糖尿病相關(guān)認(rèn)知障礙的發(fā)病過程中至關(guān)重要。

2 神經(jīng)細(xì)胞相關(guān)機(jī)制

2.1 神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞代謝紊亂 有研究發(fā)現(xiàn)，在糖尿病動物大腦組織中三氟乙酸對谷氨酸鹽、谷氨酰胺和氨酪酸（GABA）的抑制作用非常大，可以抑制97%谷氨酰胺的合成，大大超過正常血糖動物組的70%［8］。該結(jié)果表明在正常血糖動物大腦中神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞參與活躍的三羧酸循環(huán)，對谷氨酰胺合成、循環(huán)及谷氨酸能神經(jīng)傳遞所需能量的提供起到主導(dǎo)作用，而這一作用在糖尿病動物中更大。

糖尿病動物中，蛋白質(zhì)分解代謝加速，氨產(chǎn)生量增多。氨是有毒物質(zhì)，一旦血氨過高可能抑制丙酮酸脫氫酶活性，從而影響乙酰輔酶A的生成，干擾腦中三羧酸循環(huán)。血液中大量的氨需要以谷氨酰胺這種無毒的方式運(yùn)輸?shù)礁?、腎排出體外，這就使神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞對谷氨酰胺循環(huán)的依賴增加，對缺血損傷敏感度增加［9］。神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞表面分布有多種高效的神經(jīng)遞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)體，谷氨酸和GABA轉(zhuǎn)運(yùn)體，通過這些遞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)體，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞可以有效清除神經(jīng)元突觸間隙內(nèi)的神經(jīng)遞質(zhì)，快速終止突觸傳遞。谷氨酸生成增多超出膠質(zhì)細(xì)胞清除能力是可以影響神經(jīng)元之間的突觸功能。氨與谷氨酸在谷氨酰胺合成酶的催化下合成谷氨酰胺，谷氨酰胺合成酶存在于神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中，谷氨酰胺是一種有機(jī)滲透質(zhì)，合成過多可導(dǎo)致神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞腫脹，不能維持正常功能?？傊?，糖尿病可以誘導(dǎo)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞谷氨酰胺循環(huán)出現(xiàn)異常，導(dǎo)致神經(jīng)元機(jī)能障礙和細(xì)胞凋亡，干擾大腦功能，造成認(rèn)知功能損傷。

2.2 肌球蛋白輕鏈激酶表達(dá)異常 研究者通過雙向電泳和免疫組化技術(shù)把糖尿病和正常小鼠大腦中的蛋白質(zhì)進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)兩組動物有8個蛋白質(zhì)的表達(dá)明顯不同。其中，變化最大的是肌球蛋白輕鏈激酶（myosin light chain kinase，MLCK）［10］。

MLCK在糖尿病小鼠大腦中表達(dá)顯著升高，并且主要存在于神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞核和神經(jīng)元中。它是一種多功能蛋白，參與多種細(xì)胞生命過程，如平滑肌的收縮、非肌肉細(xì)胞收縮、胞質(zhì)分裂以及應(yīng)力纖維的合成和活動等。MLCK過度表達(dá)一方面可以使血管平滑肌過度收縮而造成嚴(yán)重缺血，另一方面可以調(diào)節(jié)生長孔的移動和神經(jīng)軸突的延伸，活化突觸囊泡，促進(jìn)神經(jīng)遞質(zhì)釋放，改變神經(jīng)突觸的正常功能。這兩種途徑改變了神經(jīng)元的血供和正常的神經(jīng)遞質(zhì)代謝而使神經(jīng)元受損，最終使認(rèn)知能力下降［11］。

3 血－腦脊液屏障相關(guān)機(jī)制

血－腦脊液屏障是調(diào)節(jié)分子進(jìn)出中樞神經(jīng)系統(tǒng)的門戶，其破壞后腦脊液中白蛋白含量增加，可以導(dǎo)致血管性癡呆或 AD［12］。Skoog等［13］發(fā)現(xiàn)，在85歲老年人中，癡呆患者腦脊液與血清白蛋白比值高于非癡呆患者，但與癡呆的嚴(yán)重程度無關(guān)。Starr等［14］通過 MRI檢測發(fā)現(xiàn)65～70歲的糖尿病患者中血－腦脊液屏障通透性增高。WMLs是T2加權(quán)像檢測到的高信號區(qū)域，F(xiàn)arrall等［15］在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)WMLs不僅與腦卒中、認(rèn)知損害和癡呆的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)成正相關(guān)，而且與血－腦脊液屏障的功能障礙有關(guān)聯(lián)。糖尿病患者血－腦脊液屏障通透性隨著WMLs數(shù)量的增多而增加，其大腦影像學(xué)顯示W(wǎng)MLs越多，神經(jīng)心理學(xué)測驗(yàn)分值越低，患者認(rèn)知功能損害也越嚴(yán)重。這些都說明在認(rèn)知損害和癡呆患者中血－腦脊液屏障破壞幾率升高，但是，糖尿病如何破壞血－腦脊液屏障從而影響認(rèn)知功能，尚需進(jìn)一步研究闡明。

4 外周代謝產(chǎn)物相關(guān)機(jī)制

4.1 C肽 C肽又稱連接肽，是胰島β細(xì)胞的分泌產(chǎn)物。胰島β細(xì)胞最初合成的多肽稱前胰島素原，在信號肽酶作用下，前胰島素原的信號肽被切除而成為胰島素原。最后胰島素原通過蛋白酶的水解作用，生成胰島素和1個C肽。新的證據(jù)表明，糖尿病相關(guān)認(rèn)知障礙發(fā)病的主要起始事件是胰島素信號肽受損。C肽對細(xì)胞表面有高度親和力，能特異性結(jié)合并激活胰島素受體，調(diào)節(jié)胰島素信號肽，其在胰島素分泌增加時(shí)減少，胰島素分泌減少時(shí)增加［16］。C肽下降可以影響胰島素信號肽表達(dá)而增加神經(jīng)遞質(zhì)合成，提高非特異炎性因子活性，增加氧化和細(xì)胞凋亡事件發(fā)生。細(xì)胞凋亡介導(dǎo)神經(jīng)元的程序自然死亡，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)成熟過程中的重要生理過程。然而，過早凋亡和／或細(xì)胞凋亡調(diào)控失常將引起神經(jīng)元壞死增加，如海馬中灰質(zhì)神經(jīng)元消亡，白質(zhì)中少突膠質(zhì)細(xì)胞的早期脫髓鞘病變。這些改變導(dǎo)致大腦組織損傷并破壞局部腦內(nèi)通路，最終引起儲存信息、回憶信息及長期記憶的功能下降。C肽雖不能糾正高血糖癥，但能使胰島素信號肽級聯(lián)正?；?，減少炎性應(yīng)答、氧化以及抵抗細(xì)胞凋亡對神經(jīng)元的損傷，從而改善認(rèn)知功能和糾正行為缺陷。另外，C肽不足可以增加受損內(nèi)皮細(xì)胞中一氧化氮合酶（eNOS）的表達(dá)和一氧化氮（nitric oxide，NO）的生物活性，造成神經(jīng)內(nèi)膜的低氧血癥，使神經(jīng)元發(fā)生氧化損傷，促進(jìn)糖尿病相關(guān)認(rèn)知障礙發(fā)生［17］。

4.2 血胰島素水平升高 高胰島素血癥是糖尿病發(fā)病進(jìn)程中的一個核心機(jī)制，它也是認(rèn)知功能障礙不依賴腦血管疾病的危險(xiǎn)因素之一。外周血管內(nèi)皮細(xì)胞表面和血－腦脊液屏障內(nèi)皮表面存在胰島素受體，胰島素與內(nèi)皮細(xì)胞受體結(jié)合后，通過胞飲、胞內(nèi)降解、基底膜側(cè)胞吐釋放完整的胰島素，完成跨內(nèi)皮轉(zhuǎn)運(yùn)。胰島素受體也廣泛存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的各個區(qū)域，嗅球的胰島素受體水平最高，其次是大腦皮質(zhì)、海馬、下丘腦、杏仁核、隔核等，小腦、丘腦含量較少，垂體最少。在認(rèn)知功能障礙患者中，胰島素受體密集區(qū)域神經(jīng)元出現(xiàn)典型退行性變［18］。胰島素降解酶與大腦中淀粉樣蛋白β（Aβ）的清除有關(guān)，可以影響Aβ水平。胰島素和Aβ都是胰島素降解酶的競爭底物［19］。高胰島素血癥使大腦中胰島素量增加，導(dǎo)致參與競爭胰島素降解酶的底物增加，間接增加了大腦中Aβ的量。于是，不被降解的Aβ在大腦中沉積和積累增加，并使Tau蛋白磷酸化，影響能量代謝和乙酰膽堿合成。這些改變與AD的病理過程非常相似，因此推測這可能是加速認(rèn)知功能受損發(fā)生的關(guān)鍵步驟。

4.3 AGEs 糖尿病患者和癡呆患者的大腦組織中，腦血管中AGEs均顯著增加［20］。AGEs是體內(nèi)醣基化反應(yīng)的終末產(chǎn)物，是一種大分子交聯(lián)物，生成后沉積在血漿和組織中，對酶穩(wěn)定，不易被機(jī)體清除。若體內(nèi)生成醣基化產(chǎn)物過多，則會影響機(jī)體組織器官的正常功能，導(dǎo)致疾病發(fā)生。高血糖狀態(tài)能夠使腦內(nèi)葡萄糖水平增高，引起腦神經(jīng)元蛋白非酶醣基化反應(yīng)，促進(jìn)AGEs及其受體增多。所謂蛋白質(zhì)醣基化是指體內(nèi)還原性糖與蛋白質(zhì)氨基端進(jìn)行共價(jià)結(jié)合，此過程無需酶的催化，故又稱為非酶促蛋白醣基化反應(yīng)［21］。

在血管壁堆積的AGEs可干擾內(nèi)源性NO合成和血管擴(kuò)張作用，AGEs受體表達(dá)增加血管附近區(qū)域Aβ沉積，這在啟動、加速動脈硬化、神經(jīng)元損傷、認(rèn)知功能障礙和微血管并發(fā)癥方面都起著重要作用，造成機(jī)體疾病和衰老。

4.4 熱休克蛋白（heat shock proteins，HSPs）HSPs是一類熱應(yīng)激蛋白質(zhì)。1962年，有人發(fā)現(xiàn)將果蠅的培養(yǎng)溫度從25℃提高到30℃，30min后可在多絲染色體上看到蓬松現(xiàn)象，提示這些區(qū)帶基因轉(zhuǎn)錄加強(qiáng)并可能有某些蛋白質(zhì)合成增加。至1974年人們成功分離出這種蛋白質(zhì)，即HSP。之后人們發(fā)現(xiàn)除環(huán)境高溫以外，其他應(yīng)激原如缺氧、寒冷、感染、饑餓、創(chuàng)傷、中毒等也能誘導(dǎo)細(xì)胞生成HSP。HSPs在應(yīng)激條件下，可以通過合成、調(diào)節(jié)、修復(fù)蛋白質(zhì)來防止組織損傷并促進(jìn)損傷組織愈合。此外，HSPs也可以減輕糖尿病、缺血再灌注等病理過程對中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成的損傷。Jani等［22］對小鼠進(jìn)行跑臺運(yùn)動的耐力訓(xùn)練，訓(xùn)練終點(diǎn)為小鼠體力耗盡，以翻正反射的消失為鑒定標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過耐力訓(xùn)練后，正常小鼠大腦中HSP90及其基因水平均有所上升，而糖尿病動物腦組織中HSP90及其基因水平保持不變。HSP90在胞質(zhì)溶漿中有豐富的表達(dá)，并且參與催化幾種底物蛋白質(zhì)與細(xì)胞調(diào)節(jié)和細(xì)胞內(nèi)信號相關(guān)分子伴侶的相互作用。這提示非糖尿病動物具有保護(hù)作用的應(yīng)答，而在糖尿病動物中這一應(yīng)答反應(yīng)受到了抑制。延長因子eEF－2對新生肽在核糖體內(nèi)的轉(zhuǎn)位和翻譯過程有至關(guān)重要的作用。耐力訓(xùn)練試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)小鼠eEF－2蛋白水平下降，這提示糖尿病可能通過降低小鼠體內(nèi)eEF－2水平減弱應(yīng)激蛋白的應(yīng)答反應(yīng)來削弱機(jī)體的保護(hù)機(jī)制。另外，有缺陷的mRNA翻譯也能減少HSPs合成［23］。因此，在糖尿病小鼠中，由于延長因子受到抑制，使mRNA翻譯成保護(hù)性蛋白質(zhì)的誘導(dǎo)過程也受到抑制，從而不能發(fā)揮保護(hù)神經(jīng)元的作用。遺憾的是，目前還沒有發(fā)現(xiàn)糖尿病小鼠通過何種途徑來影響體內(nèi)eEF－2水平。

糖尿病相關(guān)認(rèn)知障礙是糖尿病慢性并發(fā)癥之一，由于其累及認(rèn)知和記憶等重要功能，必將受到越來越多的關(guān)注。近年來，國外科學(xué)界又提出一個新術(shù)語——糖尿病性腦病，此概念的提出進(jìn)一步促進(jìn)了對糖尿病相關(guān)認(rèn)知障礙領(lǐng)域的研究［24］。糖尿病所致腦功能損害和老年性腦病損害常并存，而且老年患者常合并其他臟器慢性疾病，這些因素均增加了糖尿病相關(guān)認(rèn)知障礙發(fā)病機(jī)制的復(fù)雜性。目前認(rèn)為，蛋白質(zhì)組學(xué)是一種很好的研究方法，通過分析在糖尿病大腦中蛋白質(zhì)表達(dá)的異常，可以為進(jìn)一步研究糖尿病相關(guān)認(rèn)知障礙發(fā)病機(jī)制提供有價(jià)值的線索。

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