GLP-1的神經(jīng)保護作用

韓麗萍 陳莉明

·綜述·

GLP-1的神經(jīng)保護作用

韓麗萍 陳莉明

流行病學研究表明，2型糖尿病和神經(jīng)變性疾病，包括阿爾茨海默病和帕金森病及缺血性腦血管病存在緊密聯(lián)系。這些疾病都存在共同的病理生理學特征，包括氧化應激、胰島素抵抗、異常蛋白的處理、認知功能的減退，目前尚無有效的治療方案干預上述疾病。近年來，以胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)為基礎的降糖藥物備受關注。體內和體外研究表明，激活GLP-1受體可以促進神經(jīng)細胞的增殖、分化和突起的生長、提高突觸的可塑性和記憶的生成、調節(jié)神經(jīng)細胞鈣穩(wěn)態(tài)，對于改善記憶功能障礙、神經(jīng)運動障礙、缺血性腦血管損傷、氧化應激及視網(wǎng)膜退化等神經(jīng)病變發(fā)揮重要作用。

胰高血糖素樣肽-1；胰高血糖素樣肽-1受體；阿爾茨海默??；帕金森?。?型糖尿病

流行病學資料表明，2型糖尿病與神經(jīng)變性疾病包括阿爾茨海默病(AD)、帕金森病(PD)及缺血性腦血管病存在顯著相關性。2型糖尿病與AD互為發(fā)病的風險因子，在各自發(fā)病之初即有共同的病理變化，表現(xiàn)為大腦組織中tau蛋白的過度磷酸化，大腦與胰腺組織中β淀粉樣蛋白(Aβ)水平增加以及胰島素信號的異常。2型糖尿病和AD的相似之處引發(fā)一系列假說，甚至用新的術語描述AD為“3型糖尿病”[1]。因此，治療2型糖尿病的藥物可能對AD患者有益。

近年來，胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)及其特異性受體(GLP-1R)成為糖尿病研究領域的新熱點，有望為糖尿病及其并發(fā)癥的治療提供全新的選擇。最新研究表明，激活GLP-1R可產生神經(jīng)營養(yǎng)和神經(jīng)保護作用。神經(jīng)元-腸促胰素通路被激活，產生的細胞應答與胰島β細胞存在驚人的相似之處，表現(xiàn)為神經(jīng)細胞保護、增殖，前體細胞向神經(jīng)元分化[2]。本綜述重點討論GLP-1及GLP-1R與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的聯(lián)系及潛在益處。

1 GLP-1及GLP-1R概述

GLP-1是由小腸L細胞分泌的一種多肽激素，可通過多環(huán)節(jié)機制發(fā)揮降糖作用[3]。GLP-1可以高效地通過血-腦屏障，進入相應腦區(qū)發(fā)揮作用，而且腦組織也產生少量GLP-1，尤其是孤束核、后區(qū)和尾腦干[4]。研究發(fā)現(xiàn)，GLP-1R不僅存在于胰島細胞中，在心臟、胃、肺和周圍及中樞神經(jīng)系統(tǒng)許多區(qū)域，包括人和嚙齒類動物的大腦皮層、腦干、海馬、黑質紋狀體、周圍神經(jīng)的軸突和施旺細胞等中也都有表達。GLP-1R在體內的廣泛分布決定了GLP-1生理作用的多樣性。研究發(fā)現(xiàn)，GLP-1R的激活顯示出一定的神經(jīng)保護作用[5]。因此，近年來對GLP-1的研究焦點已經(jīng)從2型糖尿病轉移到神經(jīng)變性疾病。

2 GLP-1R的激活與神經(jīng)保護

2.1 神經(jīng)細胞的增殖 原代成年小鼠下丘腦細胞培養(yǎng)顯示，應用GLP-1類似物exendin-4(Ex-4)處理可使細胞分裂增殖的標志物增加，且該作用是依賴睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子(CNTF)實現(xiàn)的[6]。體內給予CNTF可誘導成年野生型小鼠下丘腦GLP-1免疫反應性表達增加，表明GLP-1R信號通路在CNTF調節(jié)的細胞增殖中發(fā)揮作用。這種反應在GLP-1R基因敲除小鼠中不會出現(xiàn)，進一步表明GLP-1R信號通路在CNTF依賴的細胞增殖過程中的必要性。Hamilton等[7]給予糖尿病小鼠GLP-1類似物治療4～10周，發(fā)現(xiàn)齒狀回原始祖細胞和幼神經(jīng)細胞數(shù)量明顯增加。相反，給予GLP-1R拮抗劑exendin-(9-39)可減少原始祖細胞增殖，同樣證實GLP-1R介導神經(jīng)細胞的增殖。

2.2 神經(jīng)細胞的分化和突起的生長 成年小鼠接受Ex-4治療顯示，內側紋狀體和室下區(qū)(已知的神經(jīng)干細胞池)神經(jīng)細胞分化和增殖增加。Isacson等[8]研究表明，成年嚙齒類動物應用Ex-4治療2周后，標志海馬神經(jīng)生長的基因轉錄明顯增加。Li等[9]同樣顯示，GLP-1促進小鼠齒狀回神經(jīng)母細胞分化和神經(jīng)再生。

應用Ex-4處理人神經(jīng)母細胞瘤細胞，可使細胞突起數(shù)量明顯增加[10]。同樣在PC12細胞中觀察到刺激GLP-1R可誘發(fā)突起生長，類似于神經(jīng)生長因子的作用方式。但是從形態(tài)學來看，與神經(jīng)生長因子的作用相比，無論是人神經(jīng)母細胞瘤細胞還是PC12細胞，Ex-4誘導的突起長度更短，數(shù)量和分支更少。

2.3 突觸的可塑性和記憶的生成 長時程增強作用(LTP)是發(fā)生在兩個神經(jīng)元信號傳輸中的一種持久的增強現(xiàn)象，能夠同步的刺激兩個神經(jīng)元，與突觸可塑性-突觸改變強度的能力相關。由于記憶被認為是由突觸強度的改變來編碼的，LTP被普遍視為構成學習與記憶基礎的主要分子機制之一。正常生理條件下，刺激GLP-1R會促進海馬LTP，利拉魯肽及其他GLP-1R激動劑也會提高LTP[11]。研究顯示，GLP-1R基因敲除小鼠(Glp-1r-/-)神經(jīng)元LTP受損；而應用Ex-4治療可以提高野生型嚙齒類動物記憶參數(shù)[8]。Glp-1r-/-小鼠水迷宮實驗能力差，且在認知評估中不能區(qū)分新的和熟悉的物品，表明記憶生成受損，與雜合子和野生型小鼠相比存在明顯的海馬功能缺失[12]。Isacson等[8]給予野生型Sprague-Dawley大鼠GLP-1和腸促胰素類似物，可改善其被動回避和Morris水迷宮實驗行為能力，提示大鼠海馬相關的認知功能和空間學習能力得到提高，但這一現(xiàn)象可以被GLP-1拮抗劑逆轉，說明這種改善是依賴GLP-1R信號通路實現(xiàn)的。

2.4 鈣穩(wěn)態(tài)的調節(jié) 細胞內適量的Ca2+參與神經(jīng)系統(tǒng)的信號傳輸及整合，而Ca2+超載又是導致細胞變性壞死的主要原因，因此Ca2+穩(wěn)態(tài)的維持對于細胞功能正常的發(fā)揮至關重要。Ca2+介導神經(jīng)細胞對生理性刺激產生多種反應。其通過谷氨酸受體通道或電壓依賴性通道的內流，在神經(jīng)軸突的生長、突觸形成、神經(jīng)遞質從突觸前膜的釋放、以及與學習記憶相關的突觸重塑過程中發(fā)揮重要作用[13]。GLP-1與GLP-1R結合后，可激活腺苷酸環(huán)化酶，催化ATP生成cAMP，提高細胞內cAMP水平，觸發(fā)Ca2+內流，增加神經(jīng)遞質的釋放，加快神經(jīng)興奮性傳導，進而增強學習、認知和記憶。cAMP還可以激活蛋白激酶A，使細胞核內轉錄因子cAMP應答元件結合蛋白的133位絲氨酸殘基磷酸化，從而調節(jié)Bcl-2、c-Fos的表達，這條通路的激活能減輕細胞內鈣超載導致的興奮性毒性[14]。

3 激活GLP-1R在神經(jīng)疾病中的作用

3.1 改善記憶功能障礙 體外和AD轉基因大鼠模型研究證實，Aβ的生成和沉積促進中樞神經(jīng)系統(tǒng)細胞代謝異常、功能紊亂，而激活GLP-1R可以改變細胞產物和Aβ沉積物蓄積，減輕毒性作用[15]。給予Ex-4和GLP-1預處理，可減少體外培養(yǎng)的海馬神經(jīng)細胞Aβ及Fe2+誘導的細胞死亡。在正常血糖和高血糖條件下，激活GLP-1R也會減少SH-SY5Y細胞Aβ分泌水平[16]。Ex-4還可以保護嚙齒類動物原代皮質神經(jīng)元免于Aβ和氧化應激誘導的毒性損傷。鏈脲佐菌素誘導嚙齒類動物不但產生糖尿病病理改變，同時增加腦組織β淀粉樣蛋白前體蛋白和可溶性Aβ、tau蛋白水平，類似于AD轉基因小鼠及人AD病理改變。側腦室緩慢注入Ex-4可完全改善腦組織上述蛋白水平改變，減少海馬Aβ斑塊的數(shù)量。長效GLP-1激動劑Val(8)GLP-1同樣可減少AD轉基因小鼠淀粉樣蛋白斑塊并激活小神經(jīng)膠質細胞，也能有效降低鏈脲佐菌素誘導大鼠腦tau蛋白水平，改善與之相關的學習功能損傷[17-18]。

3.2 改善神經(jīng)運動障礙 PD是中老年最常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，其特征是紋狀體多巴胺能神經(jīng)元的損失和細胞變性，與運動功能的缺陷相關聯(lián)。甲基苯基四氫吡啶(MPTP)是一種神經(jīng)毒素，可代謝為有毒性的陽離子1-甲基-4-苯基吡啶，并選擇性轉運至多巴胺能神經(jīng)元軸突，通過抑制線粒體復合物1導致細胞死亡及活性氧簇生成，產生類似于PD的癥狀，因而廣泛應用于人類和各種動物PD模型的研究中。給予大鼠或小鼠MPTP，均可見多巴胺能神經(jīng)元減少，伴隨炎性應答增強，導致運動功能嚴重損傷。Ex-4可完全逆轉MPTP的毒性作用，增加多巴胺能神經(jīng)元數(shù)量，調節(jié)炎性反應水平，恢復運動功能缺失[19-20]。酪氨酸羥化酶(TH)是人體合成多巴胺的關鍵酶之一，體外研究顯示，MPTP減少TH陽性神經(jīng)元，以及多巴胺及其代謝產物濃度，但這些效應可被Ex-4完全抑制。Ex-4可以提高初級多巴胺能神經(jīng)元內源性TH水平，誘導TH基因表達。這些研究表明，激活GLP-1R可使神經(jīng)毒素衍生的PD模型受益，多巴胺能神經(jīng)元幸存，異常行為得到改善，進一步證實，激活GLP-1R對于人類PD具有重要的治療價值。

對糖尿病周圍神經(jīng)病變的研究表明，Ex-4治療可改善鏈脲佐菌素誘導的糖尿病小鼠運動神經(jīng)傳導速度減慢和掌爪表皮內的神經(jīng)纖維密度[21]。還有研究證實，Ex-4治療明顯改善糖尿病多發(fā)性神經(jīng)病變及維生素B6缺乏導致的神經(jīng)功能及行為的異常，使坐骨神經(jīng)及脊髓背根神經(jīng)節(jié)形態(tài)恢復正常[22]。

亨廷頓舞蹈病(Huntington′s Disease, HD)是一種遺傳性疾病，歸因于huntingtin蛋白質基因內CAG三核苷酸重復序列的擴展。這一突變導致胰腺和中樞神經(jīng)系統(tǒng)細胞內蛋白異常聚集，后者導致運動協(xié)調的喪失。Huntingtin蛋白突變的HD小鼠模型，不但出現(xiàn)運動功能障礙，還顯示血糖控制失調。伴隨著突變huntingtin蛋白聚集增加，運動功能不斷減退，動物出現(xiàn)年齡依賴性平衡功能減退。Ex-4治療不但改善HD小鼠異常的血糖水平，還可抑制胰腺和腦組織細胞的病理改變，減少突變huntingtin蛋白聚集。Ex-4治療使HD小鼠運動功能明顯提高，并延長存活時間，與對照組相比，動物存活率提高18%[23]。

3.3 改善缺血性腦血管疾病 應用GLP-1R激動劑Ex-4治療，可保護嚙齒類動物卒中模型缺氧誘發(fā)的大腦皮層神經(jīng)元的細胞死亡，使梗死面積顯著減小，這一益處在Glp-1r-/-小鼠中并不存在。如果共同給予GLP-1R拮抗劑exendin-(9-39)，則Ex-4治療所產生的對缺氧損傷的保護作用也隨之消失[24]。

3.4 改善氧化應激 與2型糖尿病類似，氧化應激是神經(jīng)變性疾病的共同特性，在疾病的進展中發(fā)揮重要作用。研究顯示，GLP-1和Ex-4呈劑量依賴性保護SH-SY5Y細胞、PC12細胞過氧化氫介導的細胞凋亡[25]。缺血-再灌注損傷也會引起氧化應激，導致細胞損傷和凋亡。在卒中小鼠模型中觀察到，Ex-4治療可明顯減少氧化應激標志物8-羥基脫氧鳥苷和4-羥基2-己烯醛的產生。

3.5 改善視網(wǎng)膜退化 視網(wǎng)膜被認為是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的一部分，存在GLP-1R的表達。Zhang等[26]研究顯示，糖尿病大鼠視網(wǎng)膜GLP-1R表達明顯減少，皮下或玻璃體內注射Ex-4能保護糖尿病視網(wǎng)膜病變大鼠的視網(wǎng)膜細胞。該研究應用視網(wǎng)膜電流圖評價視網(wǎng)膜功能，可見糖尿病大鼠B波波幅和振蕩電位減少，Ex-4可使之明顯改善，并減少視網(wǎng)膜神經(jīng)元的凋亡。其他研究也顯示，通過眼內植入人工細胞給予GLP-1，可提高視神經(jīng)損傷模型大鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞的存活率[27]。

綜上所述，激活GLP-1R介導的腸促胰素通路，不僅對2型糖尿病患者有益，而且還具有神經(jīng)營養(yǎng)和神經(jīng)保護作用。盡管GLP-1的中樞作用機制尚未完全明確，但在大量的生理和病理模型中均表現(xiàn)出功能上和行為上顯著獲益，對于AD、PD等神經(jīng)退行性疾病及缺血性腦血管疾病，這一新的、潛在的治療策略有希望發(fā)揮更加重要的作用。

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Neuroprotectiveactionsofglucagon-likepeptide-1

HanLiping,ChenLiming.

DepartmentofNeurology,TheMetabolicDiseaseHospitalofTianjinMedicalUniversity,Tianjin300070,China

Correspondingauthor：ChenLiming，Email:xfx22081@vip.163.com

Epidemiological data indicate an association between type 2 diabetes mellitus and most major neurodegenerative diseases, including Alzheimer′s, Parkinson′s diseases and ischemic cerebrovascular disease. Studies have revealed that these diseases have common pathophysiological features, including oxidative stress, insulin resistance, abnormal protein processing and cognitive decline. Nowadays there is no effective treatment of diseases mentioned above. Glucagon-like peptide-1 (GLP-1)-based anti-diabetic drugs have drawn particular attention in recent years.Invivoandinvitroevidences supported that stimulation of GLP-1 receptor might promote neuronal cell proliferation, differentiation and neurite outgrowth, enhance synaptic plasticity and memory formation, regulate calcium homeostasis, and play an important role in improving memory dysfunction, neuromotor impairment, ischemic cerebrovascular damage, oxidative stress，retinal degeneration and other diseases of the nervous system.

Glucagon-like peptide-1；Glucagon-like peptide-1 recepter；Alzheimer′s disease；Pakinson′s disease；Type 2 diabetes mellitus

10.3760/cma.j.issn.1673-4157.2016.05.08

300070 天津醫(yī)科大學代謝病醫(yī)院神經(jīng)內科

陳莉明，Email: xfx22081@vip.163.com

2015-10-07)