γ-氨基丁酸能信號系統(tǒng)與胰島素抵抗

陳琦 袁莉

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院內(nèi)分泌科，武漢 430022

γ-氨基丁酸(GABA)是一種具有多種生理效應(yīng)的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)，除了神經(jīng)系統(tǒng)外，胰島β細(xì)胞也能產(chǎn)生和分泌大量的GABA。胰島內(nèi)源性GABA一方面通過自分泌的方式作用于胰島β細(xì)胞，誘導(dǎo)膜的去極化，促進(jìn)胰島素分泌；一方面通過局部旁分泌作用于鄰近的胰島α細(xì)胞，誘導(dǎo)膜的超極化，抑制胰高血糖素分泌[1-3]。GABA對血糖的雙相調(diào)節(jié)作用，使其成為治療糖尿病新的靶點(diǎn)。近年來大量研究發(fā)現(xiàn)，除了對胰島局部發(fā)揮重要作用外，GABA還廣泛分布于胰島素敏感的外周組織，可以通過對糖脂代謝、炎性反應(yīng)、免疫應(yīng)答、腸道菌群等的調(diào)控，恢復(fù)外周組織胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而改善胰島素抵抗。本文主要對GABA的生理特征及其對胰島素抵抗的機(jī)制進(jìn)行簡要概述。

1 GABA概述

GABA是一種內(nèi)源性氨基酸，最初在哺乳動(dòng)物大腦中發(fā)現(xiàn)，被定義為一種主要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)。隨著對GABA的深入研究，發(fā)現(xiàn)其除了作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)外，在周圍神經(jīng)系統(tǒng)和一些非神經(jīng)元組織中也具有不同的調(diào)控功能。外周的GABA是自主神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)遞質(zhì)或神經(jīng)調(diào)節(jié)劑，或者作為激素或營養(yǎng)因子存在于非神經(jīng)組織中，其作用的發(fā)揮依賴于GABA能信號系統(tǒng)，該系統(tǒng)由谷氨酸脫羧酶(GAD)、GABA、GABA轉(zhuǎn)運(yùn)體、GABA受體(GABAR)4部分組成[4-5]。首先由GAD65/67催化谷氨酸脫羧產(chǎn)生，再通過GABA轉(zhuǎn)運(yùn)體與GABAR結(jié)合發(fā)揮作用。根據(jù)對特定激動(dòng)劑和拮抗劑的親和力以及作用模式的不同，GABAR分為離子型受體(GABAA-R、GABAC-R)和代謝型受體(GABAB-R)，前者屬于電壓門控氯離子通道，后者屬于G蛋白耦聯(lián)受體，其受體亞型的多樣性也決定了其在臨床上藥理作用的多樣性[6-7]。大量研究發(fā)現(xiàn)，除大腦外，GABAR在周圍組織如肝臟、胰腺、脂肪、腸道、脾臟等組織中廣泛表達(dá)[6, 8-9]。GABA通過與其受體結(jié)合，在外周組織具有重要的生理作用。

2 GABA對胰島素抵抗作用機(jī)制

2.1 改善糖脂代謝 在胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)下，體內(nèi)脂質(zhì)循環(huán)水平升高、脂肪酸代謝水平改變及血清甘油三酯與非必需氨基酸代謝產(chǎn)物水平升高，影響了細(xì)胞內(nèi)胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和糖脂代謝[10-11]。Shang等[12]在高脂飲食誘導(dǎo)胰島素抵抗的大鼠模型中發(fā)現(xiàn)，與單純高脂對照組相比，加入15%富含GABA的麥麩干預(yù)8周后，大鼠血糖和血清胰島素水平降低，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，高脂飲食可以使糖原合成酶(GS)1、GS2基因表達(dá)下調(diào)，肝臟合成糖原能力下降，血糖水平升高。同時(shí)，該研究發(fā)現(xiàn)高脂飲食使肝臟胰島素誘導(dǎo)基因1和胰島素誘導(dǎo)基因2表達(dá)下調(diào)，導(dǎo)致肝臟胰島素敏感性下降，通過在高脂飼料中加入富含GABA的麥麩干預(yù)可使上述基因表達(dá)上調(diào)，降低血糖水平，改善高胰島素血癥。磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)和葡萄糖-6-磷酸酶是糖異生途徑的關(guān)鍵酶，高脂飲食可誘導(dǎo)其基因表達(dá)上調(diào)，GABA飲食干預(yù)可以下調(diào)這些基因的表達(dá)，改善糖異生和維持血糖穩(wěn)態(tài)[12-13]。GABA干預(yù)還可以上調(diào)高脂飲食誘導(dǎo)胰島素抵抗大鼠葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4基因表達(dá)，促進(jìn)肝臟和肌肉對葡萄糖的攝取和利用，降低血糖水平[12-14]。有文獻(xiàn)表明，GABA也可通過作用于過氧化物酶體增殖物活化受體通路，促進(jìn)脂肪酸β氧化，降低血清總膽固醇和甘油三酯水平[12]。Patterson等[15]通過在飲水中加入能夠產(chǎn)生GABA的乳酸桿菌凍干粉干預(yù)高脂飲食誘導(dǎo)代謝紊亂的小鼠，也證實(shí)GABA可以影響脂肪的沉積及餐后膽固醇的代謝，降低血清膽固醇水平。以上研究表明，GABA可以通過調(diào)節(jié)糖脂代謝相關(guān)基因的表達(dá)，增強(qiáng)胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，改善胰島素抵抗，維持血糖水平的穩(wěn)態(tài)。

2.2 抑制代謝性炎性反應(yīng) 肥胖患者處于一種慢性低度炎性反應(yīng)狀態(tài)，伴隨著炎性因子[如單核細(xì)胞趨化蛋白-1、白細(xì)胞介素(IL)-6、腫瘤壞死因子(TNF)-α和IL-1β等]釋放增加及免疫細(xì)胞浸潤，導(dǎo)致脂肪組織、骨骼肌和肝臟等發(fā)生胰島素抵抗[16-17]。在肥胖狀態(tài)下，脂肪細(xì)胞分泌脂肪因子(如IL-6、IL-1β、TNF-α、抵抗素)增多，這些因子大多都是炎性蛋白。其中某些脂肪因子如抵抗素還可通過內(nèi)分泌的方式作用于單核/巨噬細(xì)胞，誘導(dǎo)其分泌炎性因子，因此，脂肪細(xì)胞與單核/巨噬細(xì)胞之間持續(xù)的循環(huán)作用可能會刺激和維持與肥胖相關(guān)的促炎狀態(tài)[17]。

為了研究圍產(chǎn)期母體環(huán)境對后代胰島素抵抗的影響，Adamu等[18]用高劑量GABA提取物按200 mg/(kg·d)口服干預(yù)高脂飲食誘導(dǎo)的胰島素抵抗妊娠大鼠，與單純高脂飲食組相比，GABA干預(yù)組大鼠后代血清炎性因子及氧化應(yīng)激水平顯著下降，其后代患胰島素抵抗的風(fēng)險(xiǎn)顯著下降。同樣，Tian等[19]對高脂飲食誘導(dǎo)胰島素抵抗小鼠模型研究發(fā)現(xiàn)，用2 mg/ml的GABA飲水干預(yù)可以顯著減輕高脂飲食誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞在脂肪組織的浸潤。對其機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，GABA可以直接作用于巨噬細(xì)胞上的GABAA-R，誘導(dǎo)膜發(fā)生超極化，抑制巨噬細(xì)胞的活性和遷徙，減輕脂肪組織的慢性炎性反應(yīng)。GABA也可通過抑制脂肪組織的生成，減少脂肪因子產(chǎn)生，從而減輕脂肪因子對炎性細(xì)胞的募集，間接抑制巨噬細(xì)胞對脂肪組織的浸潤。另有研究發(fā)現(xiàn)，在肥胖狀態(tài)下，內(nèi)臟脂肪組織的促炎因子迅速增多，而皮下脂肪組織的炎性反應(yīng)相對較低。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，GABA可選擇性的作用于皮下脂肪組織中脂肪來源干細(xì)胞上的GABAB-R，抑制脂肪組織巨噬細(xì)胞浸潤，減輕皮下脂肪組織炎性反應(yīng)，增強(qiáng)脂肪組織胰島素作用，改善血糖穩(wěn)態(tài)[20]。由此可見，GABA不僅可以通過降低機(jī)體炎性細(xì)胞因子的水平直接發(fā)揮抗炎作用；而且可通過對脂代謝的調(diào)控改善肥胖患者脂質(zhì)介導(dǎo)的慢性炎性反應(yīng)，間接發(fā)揮抗炎作用。

2.3 調(diào)控免疫反應(yīng) 自然免疫應(yīng)答與炎性反應(yīng)密切相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)，用GABA(2 mg/ml)口服干預(yù)可使小鼠脾臟調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Tregs細(xì)胞)數(shù)量明顯升高。研究表明，Tregs細(xì)胞是炎性反應(yīng)信號的負(fù)性調(diào)控因子，可以抑制肥胖相關(guān)的炎性反應(yīng)，并改善胰島素抵抗，而在糖尿病狀態(tài)下，Tregs細(xì)胞出現(xiàn)異常[21-22]。該研究推測,GABA可能通過作用于免疫細(xì)胞上的GABAA-R，開放電壓依賴性鈣通道，誘導(dǎo)膜發(fā)生去極化，促進(jìn)鈣離子依賴性下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，增加小鼠脾臟中Tregs細(xì)胞數(shù)量，抑制巨噬細(xì)胞浸潤，減少炎性因子的釋放[19]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，GABA存在時(shí)，外周血單核細(xì)胞及CD4+T細(xì)胞數(shù)量明顯減少，表明GABA對體外激活的輔助性T細(xì)胞1型功能具有快速抑制作用，且其抑制作用呈濃度依賴性。并且，GABA作為外周血單核細(xì)胞及CD4+T細(xì)胞分泌細(xì)胞因子的有效調(diào)控分子，可顯著減少TNF-α、IL-13、IL-6等炎性細(xì)胞因子的釋放[23-24]。同樣，Bhat等[25]體外研究也證實(shí)，GABA可直接作用于抗原呈遞細(xì)胞上的GABAR，減少絲裂原活化蛋白激酶信號通路活性，抑制T細(xì)胞免疫應(yīng)答介導(dǎo)的炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生。

2.4 調(diào)控腸道菌群 近年來研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群失調(diào)與胰島素抵抗密切相關(guān)。腸道菌群紊亂可能通過介導(dǎo)慢性炎性反應(yīng)、自身免疫應(yīng)答及對糖脂代謝的影響誘發(fā)胰島素抵抗[26]。因此，調(diào)節(jié)腸道菌群平衡可能成為改善胰島素抵抗的潛在靶點(diǎn)。腸道內(nèi)源性GABA能細(xì)胞包括神經(jīng)元細(xì)胞和內(nèi)分泌樣細(xì)胞，提示GABA可能作為腸道神經(jīng)及內(nèi)分泌介質(zhì)對胃腸道運(yùn)動(dòng)和分泌起調(diào)節(jié)作用[27]。Kootte等[28]將瘦的健康志愿者的糞便菌群移植到代謝紊亂的肥胖受試者腸道中，發(fā)現(xiàn)其可以明顯改善肥胖受試者的胰島素抵抗，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，受試者血漿GABA水平顯著升高，與腸道Lactobacillus brevis(短乳酸桿菌)的變化密切相關(guān)。大量研究表明，丙酸和丁酸對腸道激素有刺激作用，可以調(diào)節(jié)食欲和能量消耗，它們也可以通過腸道上皮細(xì)胞進(jìn)入血液循環(huán)，對身體其他組織產(chǎn)生作用，影響機(jī)體糖脂代謝。Si等[14]對高脂誘導(dǎo)胰島素抵抗模型大鼠研究發(fā)現(xiàn)，用富含GABA的米糠(占高脂飲食15%)干預(yù)可以通過改變腸道菌群的組成，影響腸道短鏈脂肪酸(SCFAs)的分布，導(dǎo)致產(chǎn)生丙酸和丁酸細(xì)菌種類及酶活性增加，并減少乙酸水平，血循環(huán)中增加的丁酸和丙酸對神經(jīng)酰胺生物合成和脂代謝的調(diào)節(jié)也具有積極作用，使血清甘油三酯、膽固醇、葡糖神經(jīng)酰胺、乳糖神經(jīng)酰胺和神經(jīng)節(jié)苷脂水平顯著下降，而且明顯下調(diào)與神經(jīng)酰胺發(fā)揮作用密切相關(guān)的神經(jīng)酰胺激活蛋白磷酸酶和蛋白激酶C的表達(dá)，有效抑制神經(jīng)酰胺對胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的阻斷作用，降低組織胰島素抵抗。此外，增加的丙酸和乙酸也可刺激腸道分泌瘦素，瘦素作為一種脂肪因子，能夠刺激機(jī)體產(chǎn)熱，增加脂肪酸氧化，抑制食欲，從而減輕體重。同樣，Xie等[29]研究發(fā)現(xiàn)，口服不同劑量的GABA干預(yù)小鼠的確可以增加SCFAs的產(chǎn)生，且呈濃度依賴性，SCFAs可通過抑制致病菌的生長，減少炎性反應(yīng)等效應(yīng)促進(jìn)腸道健康。

腸道菌群紊亂介導(dǎo)的慢性炎性反應(yīng)及免疫反應(yīng)也在胰島素抵抗的發(fā)生、發(fā)展中扮演重要角色。Chen等[30]對健康仔豬研究發(fā)現(xiàn)，GABA可能作為腸道菌群調(diào)節(jié)劑，進(jìn)一步調(diào)控宿主的生長、代謝和免疫系統(tǒng)。該研究發(fā)現(xiàn)，GABA通過腸道免疫系統(tǒng)的調(diào)控，可以抑制IL-22、促炎細(xì)胞因子(IL-1和IL-18)等基因表達(dá)，并促進(jìn)抗炎細(xì)胞因子(干擾素-γ、IL-4和IL-10)、Toll樣受體6等基因表達(dá)而發(fā)揮免疫抑制作用。Aggarwal等[31]發(fā)現(xiàn)，用脂多糖刺激HT-29細(xì)胞(人結(jié)腸癌細(xì)胞)可以顯著升高IL-1β、IL-8和TNF-α等促炎細(xì)胞因子的水平，而預(yù)先用100 μmol/L GABA處理2 h可明顯減少促炎細(xì)胞因子的表達(dá)。反之，使用100 μmol/L BMI(GABA-A受體拮抗劑)預(yù)處理2 h，可進(jìn)一步上調(diào)促炎細(xì)胞因子的表達(dá)，說明GABA可直接抑制腸道細(xì)胞的炎性反應(yīng)。但是目前對于GABA調(diào)節(jié)腸道炎性反應(yīng)改善胰島素抵抗的直接研究尚少，還有待進(jìn)一步證明。因此，GABA也可能通過抑制腸道慢性炎性反應(yīng)和免疫反應(yīng)，減少炎性因子對胰島素信號通路的抑制作用，改善胰島素抵抗。

綜上所述，GABA能信號系統(tǒng)在體內(nèi)廣泛分布，為GABA作用的發(fā)揮奠定了生理基礎(chǔ)。GABA通過作用于其受體，對多組織、器官發(fā)揮重要的調(diào)控作用，改善機(jī)體糖脂代謝，同時(shí)具有抑制炎性反應(yīng)及調(diào)控免疫的作用，并可通過對腸道菌群的調(diào)控影響機(jī)體能量代謝，從而改善胰島素抵抗，維持血糖穩(wěn)態(tài)。大量研究表明，GABA幾乎沒有穿過血腦屏障的能力，因此，口服GABA與外周GABAR結(jié)合發(fā)揮作用的同時(shí)不會產(chǎn)生任何中樞神經(jīng)系統(tǒng)不良反應(yīng)，這也為GABA的藥物治療提供了安全依據(jù)。由此可見，促進(jìn)體內(nèi)GABA信號產(chǎn)生或增強(qiáng)的藥物可能會成為改善胰島素抵抗新的方向，深入研究將會為探討胰島素抵抗的發(fā)病機(jī)制和干預(yù)措施提供新的思路。