2型糖尿病與阿爾茲海默癥的相關(guān)性研究

李佳，歐思琳，李茹冰

(1.中國人民解放軍南部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院 內(nèi)分泌科，廣東 廣州 510010；2.中國人民解放軍南部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院 藥劑科，廣東 廣州 510010)

大量研究表明2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus, T2DM)和阿爾茲海默癥(Alzheimer′s disease, AD)之間有密切的關(guān)聯(lián)，T2DM被認(rèn)為是AD的加速器，而大多數(shù)AD患者都合并早期糖尿病或臨床糖尿病.但二者是否存在共同發(fā)病機(jī)制是目前研究的熱點(diǎn)[1]，其中T2DM和AD的發(fā)病機(jī)制都與蛋白構(gòu)象病有關(guān)，即都與蛋白結(jié)構(gòu)的錯誤折疊導(dǎo)致的蛋白質(zhì)聚集體沉積有關(guān).AD患者腦內(nèi)會沉積β淀粉樣蛋白(amyloid β protein, Aβ)和tau蛋白，而T2DM患者胰島中發(fā)現(xiàn)大量胰島淀粉樣多肽(human islet amyloid polypeptide, hIAPP)的沉積[2].相較于糖耐量正常的人群，T2DM患者患AD的風(fēng)險(xiǎn)會加倍[2].隨著人口老齡化進(jìn)程的加速，全球癡呆和糖尿病發(fā)病率不斷上升，迫切需要了解導(dǎo)致這兩種疾病的高風(fēng)險(xiǎn)分子機(jī)制.

胰島素在大腦發(fā)育和功能中起著至關(guān)重要的作用，因此胰島素作用障礙或胰島素缺乏可能導(dǎo)致認(rèn)知缺陷[3].有報(bào)道稱AD患者存在外周高胰島素血癥和胰島素敏感性下降，且該變化與記憶障礙相關(guān)[4].而促進(jìn)胰島素分泌、改善胰島素敏感性或胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路類治療糖尿病的藥物，如二甲雙胍、過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ, PPARγ)激動劑、腸道促進(jìn)胰島素分泌激素(glucogon like peptide-1, GLP-1)均能夠預(yù)防神經(jīng)系統(tǒng)變性[5].Ciudin[6]通過顯微鏡檢查評估T2DM患者的視網(wǎng)膜光敏感度，認(rèn)為其下降與大腦神經(jīng)退行性病變有關(guān)，提示視網(wǎng)膜光敏感度可能是識別T2DM患者發(fā)生AD風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)志之一.只有大腦胰島素水平降低時(shí)，腦功能可能不會受到直接影響，但是若同時(shí)存在Aβ，AD病理學(xué)相關(guān)的突觸功能障礙和喪失就會加重[7].此外，胰島素和葡萄糖已被證明可調(diào)節(jié)腦內(nèi)Aβ水平[8].

本綜述從T2DM和AD這兩種類型疾病的核心病理生理機(jī)制著手，分別從Aβ與hIAPP的結(jié)構(gòu)、胰島素信號在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周系統(tǒng)的作用、胰島素信號傳導(dǎo)障礙對AD的影響、炎癥與氧化應(yīng)激和胰島素降解酶等方面，探討可能作用T2DM和AD的共同影響因素，從而為尋找新的AD治療手段提供依據(jù).

1 糖尿病

糖尿病是一種慢性代謝性疾病，其特征為胰島素分泌不足，或胰島素抵抗，或兩者同時(shí)存在而導(dǎo)致的高血糖癥.國際糖尿病聯(lián)盟報(bào)告指出，T2DM患病人數(shù)占所有糖尿病患病人數(shù)的90%以上，影響全球約4.15億人[9].胰島素調(diào)節(jié)身體能量代謝的各個方面，包括葡萄糖穩(wěn)態(tài)、肝臟糖脂代謝和脂肪儲存[10]，是體內(nèi)唯一可以降低血糖的激素.高熱量飲食、缺乏體力活動和/或遺傳傾向?qū)е耇2DM的特征病變及伴發(fā)病，如高血糖、胰島素抵抗、高血壓、血脂異常和腹型肥胖等；反過來，代償性胰島素若分泌過多，隨著病程延長，長期處于過度分泌狀態(tài)的胰島β細(xì)胞功能逐漸衰竭，以致出現(xiàn)高血糖，最終導(dǎo)致高血糖和高胰島素血癥的惡性循環(huán).hIAPP與胰島素共存于胰島β細(xì)胞中，與胰島素相伴釋放，因此胰島素分泌過多會使hIAPP積聚在胰腺內(nèi)，形成具有細(xì)胞毒性的細(xì)胞外淀粉樣蛋白沉積，最終導(dǎo)致β細(xì)胞功能障礙和死亡[2].

2 阿爾茲海默癥

癡呆癥也是一個嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題，影響全球近5 000萬人.AD是最普遍的癡呆形式，迄今還沒有能夠逆轉(zhuǎn)或延緩疾病進(jìn)展的治療方法[11].AD的淀粉樣蛋白級聯(lián)假說認(rèn)為，漸進(jìn)性的神經(jīng)元丟失與Aβ聚集物在腦實(shí)質(zhì)中的蓄積相關(guān).Aβ是β分泌酶-1(β-amyloid cleaving enzyme-1, BACE-1)和γ分泌酶依次蛋白水解切割A(yù)β前體蛋白(amyloid β precursor protein，AβPP)后形成的[12].過量表達(dá)的Aβ可刺激BACE-1的表達(dá).Aβ1- 40和Aβ1- 42是最常見的Aβ亞型.可溶性中間體Aβ1- 42寡聚體比實(shí)際的原纖維更具神經(jīng)毒性，與突觸可塑性和記憶喪失相關(guān)性更高[13].AD的特征還包括由Aβ組成的細(xì)胞外淀粉樣蛋白斑塊和含有超磷酸化tau蛋白的神經(jīng)原纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangles, NFTs)，這些tau蛋白可導(dǎo)致氧化應(yīng)激、炎癥損傷、腦血管損傷、血腦屏障功能障礙和神經(jīng)元死亡[14].

3 阿爾茲海默癥與糖尿病

3.1 Aβ與hIAPP的結(jié)構(gòu)

Aβ和hIAPP聚集形成淀粉樣蛋白原纖維在大腦及胰腺組織中沉積，將AD和T2DM兩種疾病聯(lián)系起來，這種聯(lián)系可能起源于Aβ聚集體和hIAPP之間的結(jié)構(gòu)相似性.hIAPP又叫胰淀素，由37個氨基酸組成的肽激素；而Aβ則是由39～42個氨基酸組成的多肽.AD表現(xiàn)為Aβ和超磷酸化tau蛋白沉積于大腦，而hIAPP沉積在胰島中是T2DM的特征，會進(jìn)一步導(dǎo)致胰腺β細(xì)胞死亡和胰島炎癥[1].通過cryoEM微電子衍射方法測定來自Aβ和hIAPP的11個殘基片段的原子結(jié)構(gòu)，即Aβ24-34WT和hIAPP19-29S20G，發(fā)現(xiàn)兩者具有64%序列相似性，且其骨架原子之間具有高度的結(jié)構(gòu)相似性.并且，這些片段的原纖維通過自交和雜交可誘導(dǎo)形成淀粉狀蛋白.此外，針對一個片段的抑制劑對全長Aβ和hIAPP也具有交叉效力，并可降低兩種蛋白質(zhì)的細(xì)胞毒性.Aβ24-34 WT和hIAPP 19-29 S20G的原子結(jié)構(gòu)的相似性提供了Aβ與hIAPP之間交叉接種的分子模型[15].

蛋白錯誤折疊障礙病是由蛋白錯誤折疊聚集體的形成和積累引起的疾病.錯誤折疊的hIAPP可在T2DM和AD患者的大腦中聚集和沉積，而在T2DM患者的胰腺中也發(fā)現(xiàn)了Aβ和超磷酸化tau蛋白(ptau)[16].在腦內(nèi)積累的錯誤折疊的蛋白質(zhì)，即Aβ聚集體和含有ptau的NFTs，是氧化和炎癥損傷的關(guān)鍵觸發(fā)因素，會最終導(dǎo)致突觸功能障礙和神經(jīng)元死亡[14].Moreno-Gonzalez等[17]研究表明，與健康對照組相比，腦內(nèi)注射含有hIAPP聚集物的胰腺勻漿的APP小鼠的大腦中Aβ沉積明顯增加，表明hIAPP和Aβ可能通過交叉接種相互作用，為T2DM患者發(fā)生AD的風(fēng)險(xiǎn)增加提供了一個潛在的新機(jī)制.

3.2 胰島素信號在中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)的作用

胰島素信號傳導(dǎo)是通過胰島素對跨膜酪氨酸激酶受體(insulin receptor, IR)的識別和結(jié)合而啟動的.胰島素與其受體結(jié)合后，胰島素受體底物(insulin receptor substrate, IRS)1～4(IRS-1,IRS-2,IRS-3,IRS- 4)的蛋白質(zhì)家族的酪氨酸殘基會發(fā)生磷酸化[18].當(dāng)IRS-1和IRS-2的絲氨酸殘基被磷酸化時(shí)，它們會從IR分離，導(dǎo)致IRS的酪氨酸磷酸化減少[19]，從而使下游胰島素信號傳導(dǎo)受到抑制.此外，蛋白酪氨酸磷酸酶1B(protein tyrosine phosphatase1B, PTP1B)可使IR和IRS-1中的酪氨酸殘基去磷酸化，是胰島素信號下調(diào)的另一重要機(jī)制[20].IR在腦中廣泛分布，并富集于下丘腦、海馬、大腦皮質(zhì)、小腦和嗅球[21].De Felice[22]的研究結(jié)果表明，神經(jīng)元胰島素抵抗可由Aβ肽的寡聚體(Aβ oligos, AβOs)引起，如暴露于AβOs的原代海馬神經(jīng)元很快就會出現(xiàn)胰島素不敏感現(xiàn)象.Forny-Germano等[23]在小鼠的側(cè)腦室內(nèi)注射AβOs后發(fā)現(xiàn)，AβOs在原代海馬神經(jīng)元中抑制了IRS-1酪氨酸磷酸化，從而引起了胰島素抵抗.因此，De等[24]提出用胰島素或胰島素增敏劑改善胰島素信號傳導(dǎo)是使神經(jīng)元和突觸免于受AβOs毒性影響的有效策略.Hamilton[25]在糖尿病小鼠模型中證實(shí)了GLP-1在改善認(rèn)知功能和神經(jīng)毒性中的積極作用.雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)作為一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，是一個相對分子量為289的蛋白質(zhì)，其C端含有600個氨基酸殘基，其中110個氨基酸殘基與哺乳動物磷脂酰肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase, PI3K)同源[26]，而激酶S6K1(S6 kinase 1, S6K1)是它的效應(yīng)器.mTOR是PI3K途徑中的關(guān)鍵蛋白，可調(diào)節(jié)細(xì)胞生長和代謝所需的蛋白質(zhì)合成以及營養(yǎng)攝取[27].Khamzina等[28]的多個胰島素抵抗模型研究均表現(xiàn)為mTOR/S6K1通路被激活和IRS-1磷酸化被抑制，此外缺乏S6K1基因的小鼠不會出現(xiàn)年齡和飲食誘發(fā)的肥胖，胰島素敏感性也得到了改善.Norambuena等[29]發(fā)現(xiàn)，AβOs通過激活位于質(zhì)膜中的mTORC1和mTORC1依賴性tau蛋白磷酸化來誘導(dǎo)細(xì)胞周期事件，由AβOs誘導(dǎo)的胰島素信號傳導(dǎo)下調(diào)可引起神經(jīng)元細(xì)胞周期折返.

3.3 胰島素信號傳導(dǎo)障礙對AD的影響

共表達(dá)hIAPP的AD轉(zhuǎn)基因小鼠會出現(xiàn)外周胰島素抵抗、糖耐量異常，甚至糖尿病.Mosconi等[30]利用18F-氟化脫氧葡萄糖標(biāo)記的正電子發(fā)射斷層掃描，發(fā)現(xiàn)AD患者的能量利用率和葡萄糖攝取率持續(xù)下降，腦葡萄糖代謝進(jìn)行性減少.胰島素和胰島素樣生長因子-1(insulin like growth factor-1, IGF-1)及其受體廣泛表達(dá)于腦中，特別是在AD靶向結(jié)構(gòu)中.AβPP/Aβ寡聚物通過脫敏和減少IR的表達(dá)來抑制胰島素刺激的信號的神經(jīng)元傳遞.此外，AβPP/Aβ會干擾胰島素對其自身受體的結(jié)合親和力，阻礙胰島素信號傳導(dǎo)并加重胰島素抵抗[31].胰島素信號傳導(dǎo)障礙破壞了AβPP加工，以及AβPP/Aβ清除[32]，也阻止了AβPP/Aβ的細(xì)胞內(nèi)降解.細(xì)胞內(nèi)AβPP/Aβ直接干擾蛋白激酶B(protein kinase B, PKB)/PI3K活化，損害神經(jīng)元存活，并增加糖原合成酶激酶-3b(glycogen synthase kinase-3b, GSK-3b)以及tau蛋白的超磷酸化.在AD患者大腦中，胰島素/IGF-1抵抗通過調(diào)節(jié)PI3K，PKB和Wnt /β-連環(huán)蛋白使tau的超磷酸化[33].抑制胰島素和IGF-1信號傳導(dǎo)會抑制tau基因的表達(dá)，進(jìn)一步誘導(dǎo)AD的發(fā)生.

在大腦中，胰島素/IGF途徑是細(xì)胞存活、生長、分化、蛋白質(zhì)合成、能量代謝及神經(jīng)遞質(zhì)功能等必不可少的[34].腦內(nèi)Aβ沉積和磷酸化水平升高，胰島素水平下降和信號減弱會導(dǎo)致突觸丟失和神經(jīng)元數(shù)量廣泛減少.而Aβ免疫即特異性抑制Aβ活性，能夠改善外周胰島素抵抗和高血糖，提示Aβ可能參與胰島素抵抗和T2DM的發(fā)生，可能是AD和T2DM的共同病理生理機(jī)制.總之，Aβ介導(dǎo)外周胰島素抵抗已被證實(shí)，并且在hIAPP存在的情況下會加劇胰島淀粉樣蛋白形成和β細(xì)胞死亡.這些影響導(dǎo)致腦內(nèi)胰島素缺乏，引起更嚴(yán)重的神經(jīng)變性[35].此外，特異性抗Aβ的抗體可抑制Aβ的表達(dá)或活性，繼而抑制Aβ導(dǎo)致的JAK2/STAT3-SOCS1信號通路激活，而改善胰島素抵抗，提示Aβ免疫可能是外周Aβ升高個體的一種降糖策略.因此，干擾胰島素/IGF信號傳導(dǎo)會損害大腦的結(jié)構(gòu)和功能完整性[36].腦中胰島素抵抗或缺乏會損害葡萄糖代謝并加劇腦能量失衡，并導(dǎo)致活性氧(reactive oxygen species, ROS)生成，線粒體功能障礙和DNA損傷增加[37].接受高脂/低碳水化合物食物的動物腦中可溶性Aβ的水平會增加[38].APPswe/早老素(presenilin, PS)PS1dE9雙轉(zhuǎn)基因鼠同時(shí)攜帶具有瑞典型突變位點(diǎn)(Swedish KM594/595NL)的人鼠嵌合型APP基因(Mo/Hu APP695)和具有第9個外顯子(dE9)突變的人PS1基因(這兩種突變基因共同作用，加速Aβ的產(chǎn)生和沉積，在老年期出現(xiàn)認(rèn)知功能障礙等行為學(xué)異常，較好地模擬了AD的病理特征和漸進(jìn)性的病程)，是常用的AD轉(zhuǎn)基因動物模型，經(jīng)過高脂飼養(yǎng)，該轉(zhuǎn)基因動物模型小鼠的學(xué)習(xí)和記憶會發(fā)生障礙[39].鏈脲佐菌素腦室內(nèi)給藥可誘導(dǎo)一系列AD病理生理學(xué)變化，包括認(rèn)知障礙、腦膽堿能信號缺陷、氧化應(yīng)激、Aβ負(fù)荷和tau蛋白超磷酸化[40].由鏈脲佐菌素腦室內(nèi)給藥誘導(dǎo)的胰島素脫敏的大鼠的腦膜血管中呈現(xiàn)蛋白質(zhì)過度磷酸化和Aβ樣聚集[41]，胰島素治療可緩解鏈脲佐菌素引起的認(rèn)知能力下降，同時(shí)可改善學(xué)習(xí)記憶；此外，胰島素已被證明可降低Aβ水平，同時(shí)增加海馬胰島素降解酶、IR、PKB和生長抑素的水平[42].Alagiakrishnan等[43]回顧分析了糖尿病治療藥物對早期AD和輕度認(rèn)知障礙患者的保護(hù)作用.二甲雙胍具有神經(jīng)保護(hù)作用，并可預(yù)防依托泊苷或氧-葡萄糖剝奪誘導(dǎo)的神經(jīng)元凋亡，而這種效應(yīng)的一個可能分子機(jī)制就是二甲雙胍可逆轉(zhuǎn)IRS磷酸化并因此改善神經(jīng)元的存活情況[44].

3.4 炎癥與氧化應(yīng)激

T2DM和AD具有許多共同的病理生理學(xué)特征，除了胰島素抵抗、淀粉樣蛋白聚集和沉積，炎癥和氧化應(yīng)激也在其中發(fā)揮重要作用.AD患者血漿中檢測到炎性細(xì)胞因子水平升高[45].而炎癥細(xì)胞因子會阻礙胰島素信號傳導(dǎo)，從而導(dǎo)致外周胰島素抵抗[8].Ledo等[46]的研究表明在小鼠模型中，AβOs可促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞激活和分泌促炎細(xì)胞因子.高血漿葡萄糖水平會使蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸發(fā)生非酶促糖基化，從而干擾其生理功能，隨后形成晚期糖基化終產(chǎn)物(advanced glycosylation end products, AGEs)，導(dǎo)致糖尿病視網(wǎng)膜病變、糖尿病腎病、糖尿病神經(jīng)病變等并發(fā)癥發(fā)生.AGEs還可與其受體相互作用而在AD患者的腦中引發(fā)炎癥反應(yīng)和ROS的生成[47].參與脂質(zhì)代謝的氧化酶如磷脂酶A2和脂氧合酶有助于炎癥的進(jìn)展[12].T2DM會導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙，減少或阻斷血液流入大腦，長時(shí)間灌注不足會導(dǎo)致神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)出現(xiàn)缺血性損傷，甚至可能加速Aβ的過度生成和聚集，最終引起AD進(jìn)展[48].Clarke等[49]在AD大鼠模型中發(fā)現(xiàn)AβOs能夠與下丘腦神經(jīng)元結(jié)合，并以腫瘤壞死因子α依賴的方式誘導(dǎo)生成ROS，真核細(xì)胞翻譯起始因子(eukaryotic initiation factor 2α, eIF2α)磷酸化和胰島素信號通路受損.合并T2DM的AD患者的大腦中合成白細(xì)胞介素-1β的神經(jīng)元內(nèi)有hIAPP沉積，并且還可與4-羥基壬烯形成過氧化物復(fù)合物損傷的標(biāo)志物[50].在表達(dá)hIAPP或注射聚集hIAPP的小鼠體中也可觀察到這些現(xiàn)象，由此表明hIAPP的循環(huán)水平升高直接與氧化應(yīng)激和異常炎癥應(yīng)答誘導(dǎo)的神經(jīng)元損傷相關(guān)[50].降糖藥之一的長效GLP-1受體激動劑利拉魯肽可改善空間學(xué)習(xí)和記憶障礙，被認(rèn)為與其可減少大腦中Aβ聚集，促進(jìn)細(xì)胞增殖并分化為神經(jīng)元，減少突觸喪失，減輕大腦炎癥反應(yīng)有關(guān)[51].

3.5 胰島素降解酶

胰島素降解酶(insulin degrading enzyme，IDE)是屬于鋅-金屬內(nèi)肽酶M16家族的中性鋅和巰基依賴性金屬肽酶，最初發(fā)現(xiàn)其是負(fù)責(zé)胰島素分解代謝的酶，后來進(jìn)一步研究揭示其能降解多種其他多肽，例如Aβ、hIAPP和胰高血糖素.作為T2DM標(biāo)志的胰島素抵抗會使IDE水平下降，并導(dǎo)致胰島素降解減慢，進(jìn)而促進(jìn)T2DM進(jìn)展并放大外周組織中胰島素受體的脫敏作用[52].IDE可能參與了T2DM自我致病事件的惡性循環(huán)[53].Kochkina等[54]的研究成果支持AD和IDE單體型之間的遺傳關(guān)聯(lián)以及AD患者中IDE活性和表達(dá)的改變.給B6和NOD小鼠灌胃BDM44768，其通過與底物直接競爭而抑制IDE活性，表現(xiàn)為抑制胰島素降解，增強(qiáng)外周胰島素信號傳導(dǎo)[31].IDE對胰島素主要有兩個切割位點(diǎn)，一個位于胰島素A鏈殘基L13和Y14之間，另一個位于B鏈殘基S9和H10之間[55].IDE不但能降解內(nèi)源性的Aβ肽和人工合成的Aβ片段，也能降解釋放Aβ后的hIAPP胞內(nèi)段[56].值得注意的是，這種裂解會形成不能寡聚化的Aβ-淀粉樣蛋白片段，進(jìn)一步說明了IDE在β-淀粉樣斑塊損傷中的重要作用.另外，IDE對Aβ1- 40的催化效率顯著高于胰島素[57]，也表明了IDE在AD中發(fā)揮著重要作用，同時(shí)其對β-淀粉樣蛋白水平的作用獨(dú)立于對胰島素代謝的間接作用[58].通過外源分子與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同于活性位點(diǎn)的結(jié)合口袋相互作用而催化活性的調(diào)節(jié)稱為“異向性”，以將其與不同亞基的催化位點(diǎn)之間的“同向”變構(gòu)相互作用區(qū)分開來[59]，IDE通過短肽底物進(jìn)行的異向調(diào)節(jié)對大分子底物如胰島素和Aβ1- 40也同樣適用.Aβ或活性物質(zhì)一氧化氮、4-羥基壬醛(4-hydroxynonenal, HNE)和4-羥基-2-己烯醛(4-hydroxy-2-hexenal, HHE)的過量生成，反過來又可下調(diào)IDE對Aβ的降解，促進(jìn)疾病進(jìn)展[60].一氧化氮負(fù)責(zé)IDE的S-亞硝基化，其可通過酶活性的負(fù)調(diào)節(jié)來抑制Aβ降解[61].

綜上所述，研究表明Aβ與hIAPP在結(jié)構(gòu)上具有很高的相似度，且胰島素信號傳導(dǎo)對于大腦的正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要作用.對這兩種疾病的病理生理學(xué)途徑、作用機(jī)制和所呈現(xiàn)的分子組的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系的總結(jié)分析，可進(jìn)一步促進(jìn)T2DM治療藥物的開發(fā)和發(fā)展，為預(yù)防T2DM誘導(dǎo)的AD的發(fā)生提供理論基礎(chǔ).