二甲雙胍的臨床應(yīng)用及抗衰延壽生化藥理機(jī)制的深層思考

周福洋 印大中

(湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410081)

二甲雙胍作為治療2型糖尿病(T2DM)的一線藥物目前已被廣泛應(yīng)用于防治多種老年退行性疾病。本文通過(guò)對(duì)二甲雙胍在防治老年疾病與抗衰老的研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納分析，探討二甲雙胍在抵抗氧應(yīng)激和糖應(yīng)激過(guò)程中的生化反應(yīng)機(jī)制及其在抗老年病過(guò)程中的共性本質(zhì)。

1 二甲雙胍及其理化特性

二甲雙胍屬于一種雙胍類(lèi)藥物，易溶于水、稀酸和乙醇，微溶于氯仿，不溶于冷堿溶液和苯、乙醚、氯仿等有機(jī)溶劑。常溫下二甲雙胍的水溶液在煮沸和長(zhǎng)時(shí)間放置時(shí)會(huì)產(chǎn)生分解并放出氨氣。二甲雙胍在水溶液中有強(qiáng)堿性(pKb 2.8)，臨床上通常應(yīng)用鹽酸二甲雙胍〔1〕。據(jù)報(bào)道二甲雙胍可以改善糖代謝、脂肪代謝、胰島素抵抗，同時(shí)具有抗衰老、具有控制體重、降血壓、抑制血小板凝聚、降低纖溶酶原活化抑制劑(PAI-1)活性和保護(hù)心血管系統(tǒng)等作用，對(duì)多囊卵巢綜合征、非酒精性脂肪肝、高脂血癥也起到一定的治療作用〔2,3〕。

二甲雙胍在生物體內(nèi)不經(jīng)過(guò)肝和腎代謝改變就會(huì)以原型排到體外，有50%～60%的口服劑量被吸收到體循環(huán)中去，剩下的大部分存在于胃腸道、肝、腎中，小部分在其他人體組織中，此外年齡、性別、營(yíng)養(yǎng)狀況、生活方式、遺傳區(qū)別也會(huì)影響到二甲雙胍的敏感性和精準(zhǔn)性〔4,5〕，例如膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的多態(tài)性就是二甲雙胍藥動(dòng)力學(xué)特征的一個(gè)關(guān)鍵因素〔5〕。

2 二甲雙胍在防治老年退行性疾病方面的研究

2.1糖尿病(DM) 二甲雙胍作為DM的主要用藥是治療T2DM的第一選擇，尤其是在超重和肥胖的病人中?，F(xiàn)已被認(rèn)可在10歲以上DM兒童中使用，美國(guó)的糖尿病學(xué)會(huì)(ADA)已允許其用于妊娠期高血糖患者，在孕期的安全性級(jí)別等同于胰島素。

二甲雙胍降糖作用的機(jī)制：(1)主要是通過(guò)抑制線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ來(lái)減少三磷酸腺苷(ATP)同時(shí)積累磷酸腺苷(AMP)，從而介導(dǎo)AMP依賴(lài)的蛋白激酶(AMPK)抑制肝臟糖異生來(lái)減少肝糖的產(chǎn)生：①二甲雙胍能激活LKB1-AMPK信號(hào)通路從而降低環(huán)單磷酸腺苷(c-AMP)反應(yīng)要素結(jié)合蛋白(CRTC)2，抑制肝臟糖異生有關(guān)的基因表達(dá)，降低肝臟葡萄糖的輸出；②AMPK能增加肝臟去乙?；?SIRT1)的活性，下調(diào)CRTC2，從而抑制下游糖異生基因轉(zhuǎn)錄；③AMPK還能激活孤兒核受體(SHP)或抑制Kruppel樣轉(zhuǎn)錄因子(KLF)15，降低糖異生相關(guān)基因的表達(dá)水平。(2)通過(guò)增強(qiáng)胰島素受體的表達(dá)和胰島素信號(hào)通路上還原酶的能力從而增加骨骼肌的糖攝取〔6,7〕，此外二甲雙胍能增加胰高血糖素樣肽(GLP)-1的敏感性，GLP-1又能增加胰島素的分泌和減少胰高血糖素的分泌〔8〕，從而改變胰腺的內(nèi)分泌功能而發(fā)揮降糖作用〔9〕，在DM患者中，二甲雙胍是唯一不會(huì)引發(fā)心血管并發(fā)癥的藥物，可以減少低密度脂蛋白和三酰甘油水平。

2.2心血管疾病 心血管疾病是T2DM患者死亡的主要原因，研究證明〔10,11〕，二甲雙胍具有血管保護(hù)作用，能夠降低心血管事件的發(fā)病率和死亡率，能夠直接影響到T2DM血管系統(tǒng)來(lái)降低大血管并發(fā)癥、微血管并發(fā)癥和血栓性并發(fā)癥的發(fā)生，此外還能減少胰島素抵抗且有利于對(duì)糖脂代謝的調(diào)控。此外，二甲雙胍對(duì)心臟也有保護(hù)作用，可使心肌梗死面積降低，還能改善心肌能量代謝、抑制心肌細(xì)胞凋亡及心臟纖維化，同時(shí)對(duì)心肌缺血-再灌注損傷也具有保護(hù)效應(yīng)，延緩心力衰竭的進(jìn)展，改善心功能〔12〕。

2.3抗腫瘤 2001年Schneider等〔13〕首次在倉(cāng)鼠動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)二甲雙胍具有抗腫瘤活性，且能降低T2DM患者的癌癥發(fā)病率，此外流行病學(xué)表明二甲雙胍能在分子、細(xì)胞及整體水平上減少癌癥的發(fā)生和改善預(yù)后〔14,15〕，而二甲雙胍的抗腫瘤機(jī)制會(huì)根據(jù)不同的腫瘤類(lèi)型涉及到不同的機(jī)制，其中主要涉及兩個(gè)機(jī)制；①間接作用：通過(guò)改變體內(nèi)胰島素和血糖水平影響腫瘤細(xì)胞的存活〔16〕；②直接作用：主要通過(guò)激活A(yù)MPK來(lái)抑制細(xì)胞內(nèi)多種高度依賴(lài)充足ATP供應(yīng)的代謝過(guò)程(如膽固醇合成、蛋白質(zhì)和脂肪酸的合成、糖酵解、脂肪酸氧化、糖異生等)和抑制可以阻止腫瘤細(xì)胞蛋白質(zhì)合成與增殖的雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路〔17,18〕。此外可能還有其他機(jī)制如二甲雙胍能抑制腫瘤細(xì)胞上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)〔19〕、激活免疫系統(tǒng)〔20〕、殺死腫瘤干細(xì)胞〔21〕、促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的衰老〔22〕、抑制血管內(nèi)皮因子(VEGF)的表達(dá)和腫瘤新生血管的生成〔23,24〕、改變microRNAs的表達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)癌細(xì)胞的凋亡和增殖〔25〕。有研究發(fā)現(xiàn)糖尿病治療藥物二甲雙胍抑制胰腺癌進(jìn)展的新機(jī)制，并表示，深入理解二甲雙胍抑制癌癥進(jìn)展的機(jī)制能夠幫助發(fā)現(xiàn)潛在生物學(xué)標(biāo)志物，幫助癌癥患者更好地選擇藥物〔26〕。目前，在美國(guó)臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)(Clinical Trials)上有大量有關(guān)二甲雙胍治療各類(lèi)腫瘤的研究正在進(jìn)行。

2.4阿爾茨海默病(AD) 流行病學(xué)研究顯示DM患者有更大的風(fēng)險(xiǎn)得AD〔27,28〕，可能是由于DM治療中的藥物增加了患AD的風(fēng)險(xiǎn)〔28〕。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍能夠預(yù)防AD和保護(hù)認(rèn)知功能，新加坡的衰老縱向研究中，二甲雙胍長(zhǎng)期用藥的患者降低了認(rèn)知損傷風(fēng)險(xiǎn)〔29〕，還有一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)給患有抑郁癥的DM患者用二甲雙胍會(huì)減輕抑郁的癥狀和改善認(rèn)知水平〔30〕，Cheng等〔31〕發(fā)現(xiàn)T2DM患者服用二甲雙胍患癡呆癥的概率小于其他DM用藥的概率，此外如Kickstein等〔32〕發(fā)現(xiàn)了二甲雙胍能夠介導(dǎo)AMPK和蛋白磷酸酶(PP)2A的活性來(lái)減少tau蛋白磷酸化，從而減少AD的發(fā)生，這一觀點(diǎn)在Matthes等〔33〕的研究中得以證實(shí)，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)二甲雙胍能夠降低轉(zhuǎn)基因小鼠腦內(nèi)的淀粉樣蛋白-β的水平，Luchsinger等〔34〕研究顯示，通過(guò)對(duì)80例有遺忘型輕度認(rèn)知損害的中老年非DM患者進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在二甲雙胍治療12個(gè)月后有一部分認(rèn)知區(qū)域得到了有效改善。

3 二甲雙胍在抗衰老方面的分子機(jī)制研究

1980年Dilman等〔35〕開(kāi)始研究雙胍類(lèi)藥物的延壽作用，并發(fā)現(xiàn)苯乙雙胍、丁雙胍能夠延長(zhǎng)鼠類(lèi)的壽命。隨后Anisimov等〔36,37〕研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍延長(zhǎng)了小鼠平均壽命和最大壽命，在生命早期使用二甲雙胍益處更多，Martin-Montalvo等〔38〕也發(fā)現(xiàn)二甲雙胍使老鼠平均壽命增加5.83%，Cabreiro等〔39〕發(fā)現(xiàn)二甲雙胍能使線蟲(chóng)延長(zhǎng)近36%的壽命，英國(guó)的卡迪夫大學(xué)有一個(gè)研究通過(guò)18萬(wàn)例的大樣本驚人的發(fā)現(xiàn)服用二甲雙胍的DM患者生存時(shí)間比非DM患者平均長(zhǎng)15%，盡管理論上DM應(yīng)該讓他們平均減壽 8 年〔40〕。

關(guān)于抗衰老的分子機(jī)制研究都涉及了胰島素/胰島素樣生長(zhǎng)因子(IGF)信號(hào)通路和能量代謝途徑上，如mTOR在蠕蟲(chóng)、酵母、昆蟲(chóng)、哺乳動(dòng)物中能延緩衰老和抵抗老年疾病〔41～43〕。而關(guān)于二甲雙胍延長(zhǎng)壽命的分子機(jī)制中比較清楚的是通過(guò)AMPK和mTOR間接調(diào)控細(xì)胞，從而起到抵抗疾病和衰老的作用：①二甲雙胍能通過(guò)抑制電子傳遞鏈復(fù)合物Ⅰ來(lái)激活A(yù)MPK,AMPK激活后可抑制細(xì)胞的合成代謝，促進(jìn)分解代謝，關(guān)閉消耗ATP的信號(hào)通路，恢復(fù)細(xì)胞能量平衡，AMPK除了與能量代謝有關(guān)，與熱量限制也有聯(lián)系〔44〕,AMPK下游靶分子PGC-1α、pha-4/FOXA、核因子(NF)-E2相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子Nrf1和Nrf2都能在熱量限制中發(fā)揮重要作用〔45〕。②二甲雙胍能夠抑制mTOR,mTOR可以與Wnt信號(hào)、生長(zhǎng)因子、能量代謝等多種胞外的信號(hào)發(fā)生相互作用〔46〕，同時(shí)mTOR又參與很多細(xì)胞活動(dòng)，如脂質(zhì)、線粒體和核糖體的合成，蛋白質(zhì)的翻譯，抑制自我吞噬，調(diào)節(jié)細(xì)胞周期和分化〔47〕，激活mTOR還能引起衰老、T2DM〔48〕。除了這兩點(diǎn)以外，還包括二甲雙胍對(duì)胰島素/IGF的作用間接影響了壽命的延長(zhǎng)〔49〕，二甲雙胍能抑制線粒體電子傳遞鏈復(fù)合物Ⅰ減少內(nèi)源性活性氧(ROS)的產(chǎn)生〔50〕、減少DNA損害〔51〕，二甲雙胍還可能影響到內(nèi)分泌的過(guò)程、細(xì)胞炎癥〔52〕、細(xì)胞自噬〔53〕、細(xì)胞衰老〔54〕等。

另外，有研究發(fā)現(xiàn)用二甲雙胍給果蠅飼養(yǎng)雖然激活了AMPK和減少了脂質(zhì)儲(chǔ)蓄，但并沒(méi)有延長(zhǎng)壽命〔55〕，是由于二甲雙胍的高劑量濃度呈現(xiàn)出了毒性。高濃度的二甲雙胍會(huì)增加死亡率，這種情況也出現(xiàn)在哺乳類(lèi)動(dòng)物中，當(dāng)出現(xiàn)了增壽效果后，在食物中放大10倍二甲雙胍的量會(huì)增加小鼠的死亡率〔38〕。Smith等〔56〕同樣證明了通過(guò)高劑量二甲雙胍的處理也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)提升小鼠壽命的現(xiàn)象。

4 二甲雙胍分子內(nèi)在的抗氧應(yīng)激和抗羰基應(yīng)激生化功能

氧化應(yīng)激中的自由基在體內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)面作用是導(dǎo)致衰老和疾病的一個(gè)重要因素，而羰基應(yīng)激中的毒性羰基化合物就是來(lái)自于自由基氧化、過(guò)氧化反應(yīng)、氧化應(yīng)激、生物酶和糖脂氨基酸的氧化反應(yīng)，此外還有一部分是外源性的如工業(yè)污染等〔57〕。毒性羰基化合物是活潑的生化產(chǎn)物，特別是那些能夠造成生物大分子和組織交聯(lián)的α，β-不飽和醛酮，其中兩種毒性醛酮就是丙二醛、4-羥基壬烯醛〔58,59〕。這類(lèi)醛酮在體內(nèi)生成后，能穿透膜結(jié)構(gòu)，進(jìn)入組織細(xì)胞發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生細(xì)胞和基因的毒性，導(dǎo)致機(jī)體功能異常，見(jiàn)圖1。

圖1 毒性羰基化合物在體內(nèi)致病過(guò)程

雖然氧應(yīng)激與諸多老年退行性疾病和衰老關(guān)系比較密切，氧應(yīng)激并不直接影響動(dòng)物的最大壽命。Yin等〔60〕提出了廣義衰老學(xué)說(shuō)，認(rèn)為氧自由基引起的脂質(zhì)過(guò)氧化和非酶糖基化反應(yīng)中生成的活性中間產(chǎn)物-不飽和醛酮及其與體內(nèi)生物大分子發(fā)生的“羰-氨交聯(lián)反應(yīng)”造成的生物垃圾堆積，才是緩慢衰老的本質(zhì)。體內(nèi)的不飽和醛酮與蛋白質(zhì)、核酸、脂類(lèi)形成難以降解、難以排除的熵增性聚合物，會(huì)導(dǎo)致生物組織膠原交聯(lián)、血管硬化，而且會(huì)使細(xì)胞膜通透性降低、細(xì)胞物質(zhì)交換受阻，然后發(fā)生破裂、死亡。

二甲雙胍具有抗氧應(yīng)激的能力，在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中,Chakraborty等〔61〕發(fā)現(xiàn)二甲雙胍治療24 w后能明顯降低血漿中終末氧化蛋白(AOPP)水平，減少細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生，Hou等〔62〕發(fā)現(xiàn)二甲雙胍通過(guò)AMPK-FOXO3途徑上調(diào)硫氧還蛋白來(lái)減少ROS的產(chǎn)生，Gallo等〔63〕研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍可通過(guò)增加抗氧化酶的產(chǎn)生抑制高糖誘導(dǎo)的臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞ROS生成。

5 二甲雙胍抗毒性羰基(活性醛類(lèi))的研究進(jìn)展

研究顯示二甲雙胍能減少羰基活性化合物如四羥基壬烯醛、丙二醛、乙醇醛、乙二醛、甲基乙二醛、3-脫氧葡萄糖酮醛等，從而減少體內(nèi)自發(fā)的美拉德反應(yīng)〔64,65〕。Correia等〔66〕研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍能作為大腦神經(jīng)的保護(hù)劑減少來(lái)自MDA的傷害，Ruggiero-Lopez等〔67〕研究表明二甲雙胍能夠與丙酮醛和乙二醛生成含氮的環(huán)狀物質(zhì)，二甲雙胍能與這些醛類(lèi)直接發(fā)生羰-氨反應(yīng)，且能夠抑制白蛋白的終末糖基化產(chǎn)物的相關(guān)熒光性。Ahmad等〔68〕也發(fā)現(xiàn)二甲雙胍在1.0 mmol/L濃度時(shí)能夠減輕將近73.8% Amadori化合物的糖基化并能抑制二羥基丙酮和血清蛋白的反應(yīng)及AGEs的形成。此外，本研究室最近通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了二甲雙胍于37℃和pH7.4的條件下能夠和毒性醛類(lèi)物質(zhì)生成環(huán)狀化合物和一些不穩(wěn)定的脂褐素樣熒光化合物，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)此反應(yīng)產(chǎn)物中一些結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的會(huì)發(fā)生降解。不飽和醛酮物質(zhì)的積累會(huì)加速相關(guān)體系的羰-氨交聯(lián)反應(yīng)，事實(shí)表明，二甲雙胍能夠和這些活潑的羰基物質(zhì)發(fā)生緩慢的親核反應(yīng)，從而減少這些不飽和的醛酮物質(zhì)積累，緩解或改善羰基應(yīng)激對(duì)機(jī)體的傷害〔69〕。

二甲雙胍分子結(jié)構(gòu)中的氨基是發(fā)生生化反應(yīng)的關(guān)鍵藥效功能團(tuán)。二甲雙胍的結(jié)構(gòu)類(lèi)似氨基胍、牛磺酸等氨基類(lèi)抗衰抗病藥物，而此類(lèi)藥物作為AGE的抑制劑很早就開(kāi)始被研究且其抑制效果明顯〔70〕，該氨基功能團(tuán)與毒性羰基化合物或者氧自由基的羰氨反應(yīng)是唯一可能的藥理過(guò)程〔60〕。二甲雙胍抵抗衰老和老年疾病的藥效作用也應(yīng)該與這個(gè)分子機(jī)制相關(guān)?？傊纂p胍對(duì)于抗衰老及預(yù)防衰老相關(guān)疾病的發(fā)生已顯示出了重要的應(yīng)用價(jià)值。

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