二甲雙胍在神經(jīng)退行性疾病預(yù)防和治療中的研究進(jìn)展

李 喆，張振坤，李 亞，方家瑞，馬珊珊，關(guān)方霞

1)鄭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 鄭州 450001 2)鄭州大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究院 鄭州 450052

隨著人口老齡化的加劇，神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病率逐年增加，給個(gè)人、家庭乃至社會(huì)帶來沉重的負(fù)擔(dān)。神經(jīng)退行性疾病是由于神經(jīng)元壞死或功能喪失而導(dǎo)致的神經(jīng)功能障礙，進(jìn)而表現(xiàn)出不同臨床病癥的疾病譜系，主要包括阿爾茲海默癥(Alzheimer disease，AD)、帕金森癥(Parkinson disease，PD)、亨廷頓舞蹈癥(Huntington disease，HD)等。隨著醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)家們一直致力于揭示神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機(jī)制。研究[1]發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病的原因可能包括氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙、神經(jīng)興奮性毒性和神經(jīng)炎癥等。但是由于神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，神經(jīng)退行性疾病的治療和功能重建是各國(guó)普遍關(guān)注和亟待解決的醫(yī)學(xué)難題，但迄今為止臨床上無切實(shí)有效的治療方法。近年來的研究[2]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍在多種衰老相關(guān)疾病中具有較好的治療和預(yù)防作用，如癌癥、心血管疾病以及神經(jīng)退行性疾病等。二甲雙胍是一種來源于法國(guó)紫丁香的胍類化合物，在過去近百年的時(shí)間里一直被用于糖尿病的治療[3]。越來越多的證據(jù)[4-6]表明二甲雙胍可通過激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMP activated protein kinase,AMPK)信號(hào)通路調(diào)節(jié)自噬，預(yù)防線粒體功能障礙，減輕神經(jīng)炎癥，對(duì)多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)和神經(jīng)修復(fù)作用。本文旨在總結(jié)二甲雙胍在AD、PD等多種神經(jīng)退行性疾病治療和預(yù)防中的研究進(jìn)展，為其進(jìn)一步的應(yīng)用研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 二甲雙胍

二甲雙胍是一種被廣泛應(yīng)用于2型糖尿病的天然化合物，是一線的口服降糖藥[7]。二甲雙胍的主要作用是減少腸道葡萄糖的吸收、改善外周葡萄糖的攝取、降低空腹血漿胰島素水平和增加胰島素敏感性，從而降低血糖濃度，但又不會(huì)引起明顯的低血糖癥[8-9]。近年來，有研究[1]表明二甲雙胍在其他疾病的預(yù)防與治療中有著意想不到的表現(xiàn)，如二甲雙胍可以顯著降低心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)、恢復(fù)多囊卵巢綜合征患者的卵巢功能、控制肝臟中脂肪的生成和促進(jìn)非乙醇性脂肪肝的治療以及癌癥的預(yù)防和治療。同時(shí)，研究者[10]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可以延長(zhǎng)動(dòng)物的壽命并對(duì)衰老相關(guān)疾病具有明顯的治療作用。雖然二甲雙胍的作用機(jī)制尚未完全確定，但是已有的研究[11-12]發(fā)現(xiàn)除了調(diào)控血糖水平外，二甲雙胍還具有減少血清中的脂質(zhì)、抗炎、抗凋亡以及抗氧化等作用。

2 二甲雙胍與衰老

衰老指的是“受損組織再生能力的下降”[13]以及“隨著時(shí)間的推移，體內(nèi)穩(wěn)態(tài)發(fā)生惡化，導(dǎo)致功能下降，增加疾病和死亡的風(fēng)險(xiǎn)”[14]。衰老作為每一個(gè)人都要經(jīng)歷的生命過程，影響著生命和生活各個(gè)方面的發(fā)展。冠狀動(dòng)脈疾病、腦血管疾病、2型糖尿病、骨質(zhì)疏松癥和神經(jīng)退行性疾病是常見的年齡相關(guān)性疾病，隨著年齡的增長(zhǎng)，這些疾病的發(fā)病率和病死率逐步上升。研究[15-16]表明二甲雙胍通過激活A(yù)MPK信號(hào)通路阻斷炎癥因子介導(dǎo)的DNA翻譯，抑制mTOR信號(hào)通路來防止由于超氧化物的過量產(chǎn)生而造成的DNA損傷。研究[17]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍不僅可以降低秀麗隱桿線蟲的老化速度，而且能夠持久維持線蟲的健康狀態(tài)。使用二甲雙胍進(jìn)行治療的小鼠壽命較對(duì)照組增加，骨質(zhì)也更為強(qiáng)壯[18]。研究[19]表明二甲雙胍可抑制果蠅中氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的DNA損傷并延緩干細(xì)胞衰老。研究[20-21]證實(shí)二甲雙胍可延緩生物的衰老，降低人類衰老相關(guān)疾病(如神經(jīng)退行性疾病和癌癥)的發(fā)病率。

3 二甲雙胍與神經(jīng)退行性疾病

大腦是人體最復(fù)雜的器官，健康成年人的大腦中有1 000億個(gè)神經(jīng)元和100萬億個(gè)神經(jīng)突觸。衰老的大腦中神經(jīng)元數(shù)量減少、干細(xì)胞活性降低、神經(jīng)突觸信號(hào)傳遞出現(xiàn)障礙，進(jìn)而導(dǎo)致年齡相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生[22]。此外，隨著時(shí)間的推移，衰老細(xì)胞無法將蛋白質(zhì)維持在正確的折疊狀態(tài)，從而導(dǎo)致大腦中蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)開始下降[23]、DNA甲基化等表觀遺傳修飾失衡、細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)異常、炎癥反應(yīng)以及大腦內(nèi)胰島素功能失調(diào)等均會(huì)進(jìn)一步加劇神經(jīng)退行性疾病的發(fā)展[24]。越來越多的證據(jù)[25-26]表明，除了作為降糖藥物，二甲雙胍在多種神經(jīng)退行性疾病中表現(xiàn)出較好的治療和預(yù)防效果。

3.1二甲雙胍與ADAD是一種常見的神經(jīng)退行性疾病，主要表現(xiàn)為不可逆的認(rèn)知功能障礙、行為能力失調(diào)，并常伴有焦慮、抑郁等癥狀，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。年齡是AD發(fā)生最重要的危險(xiǎn)因素，65 歲以上人群患病率達(dá)7.2%，80 歲后將上升到 15%～20%[27]。研究[28-29]表明Tau 蛋白過度磷酸化、膽堿能神經(jīng)遞質(zhì)衰減、免疫炎癥、代謝紊亂、線粒體功能障礙等都會(huì)導(dǎo)致AD的發(fā)生。細(xì)胞衰老是組織和器官功能下降的主要原因[30]。研究[31]已證實(shí)，給年輕小鼠移植一定數(shù)量的衰老細(xì)胞會(huì)導(dǎo)致組織和器官功能障礙,而靶向清除衰老的神經(jīng)細(xì)胞能改善炎性環(huán)境和認(rèn)知障礙。

近年來人們開始使用二甲雙胍在細(xì)胞和動(dòng)物水平開展AD防治研究。研究[32]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可以降低小鼠原代神經(jīng)元細(xì)胞中Tau蛋白磷酸化水平，并通過調(diào)控蛋白磷酸酶2A(protein phosphatase 2A，PP2A)活性，進(jìn)而促進(jìn)小鼠神經(jīng)元的增殖。二甲雙胍可降低GFAP、Iba-1、p-IKB、IL-1和VEGF的表達(dá)，同時(shí)增強(qiáng)p-AMPK和eNOS的水平，進(jìn)而增加神經(jīng)元存活率[33]。研究[34]證實(shí)二甲雙胍通過激活非典型PKC-CBP途徑增強(qiáng)人類和嚙齒動(dòng)物神經(jīng)元培養(yǎng)物中的神經(jīng)發(fā)生和空間記憶形成。此外，二甲雙胍可以顯著改善db/db模型小鼠的空間記憶和學(xué)習(xí)能力，抑制神經(jīng)細(xì)胞凋亡并減少海馬區(qū)的Aβ沉積[35]。研究[36]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期服用二甲雙胍可改善糖尿病大鼠的認(rèn)知能力，并降低腦內(nèi)氧化應(yīng)激和乙酰膽堿酯酶E活性。二甲雙胍可以有效抑制戊四氮誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激水平，從而對(duì)小鼠發(fā)揮認(rèn)知保護(hù)作用[37]。

3.2二甲雙胍與PDPD是另一種常見的神經(jīng)退行性疾病，在60歲以上人群中發(fā)病率為1%，在80歲以上人群中發(fā)病率為4%[38]。PD的臨床特點(diǎn)主要是運(yùn)動(dòng)問題的組合，即運(yùn)動(dòng)遲緩、靜息性震顫、僵硬、姿勢(shì)彎曲和姿勢(shì)反射消失[39]。與其他神經(jīng)退行性疾病一樣，PD在臨床診斷和病理上存在異質(zhì)性，在疾病的發(fā)生和進(jìn)展方面有很大的差異[40-41]。

二甲雙胍對(duì)PD具有一定的神經(jīng)保護(hù)和神經(jīng)修復(fù)作用。Lu等[6]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍通過激活A(yù)MPK抑制α-突觸核蛋白(α-Synuclein，α-Syn)磷酸化和聚集并減輕氧化應(yīng)激，從而改善PD小鼠的運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知功能障礙。Yimer等[42]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可以改善氟哌啶醇誘導(dǎo)的PD小鼠的運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知能力。還有學(xué)者[43]發(fā)現(xiàn)使用二甲雙胍治療可以降低脂多糖誘導(dǎo)的PD大鼠外周血中TNF-α、IL-1β、IL-6的表達(dá)水平，同時(shí)對(duì)TLR激活的小膠質(zhì)細(xì)胞表現(xiàn)出較強(qiáng)的絲裂原活化蛋白激酶依賴的抗炎作用。此外，二甲雙胍通過激活A(yù)MPK信號(hào)通路誘導(dǎo)PP2A激活和α-Syn的去磷酸化，對(duì)神經(jīng)母細(xì)胞瘤SH-SY5Y細(xì)胞發(fā)揮保護(hù)作用[44]。Patil等[4]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍以AMPK依賴的方式促進(jìn)線粒體自噬，減輕氧化應(yīng)激，促進(jìn)小鼠的神經(jīng)功能恢復(fù)。同時(shí)，二甲雙胍還可以激活A(yù)MPK通路抑制mTORC1活性進(jìn)而促進(jìn)自噬，對(duì)PD發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。研究[6]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可以促進(jìn)1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine, MPTP)模型小鼠LC3-Ⅱ的表達(dá)并降低P62的表達(dá)，進(jìn)而降低小鼠的多巴胺能神經(jīng)元的死亡。雖然二甲雙胍對(duì)PD的神經(jīng)保護(hù)效果十分顯著，但是仍然存在一些不良反應(yīng)，如長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致維生素B12缺乏與嚴(yán)重的胃腸道反應(yīng)[45]。

3.3二甲雙胍與HDHD是一種致命的腦部疾病，可導(dǎo)致嚴(yán)重的情緒障礙、行動(dòng)不便和癡呆癥。該疾病的發(fā)生是由于亨廷頓蛋白(Huntingtin,HTT)基因的突變導(dǎo)致神經(jīng)元緩慢死亡，同時(shí)有研究[46]報(bào)道線粒體功能障礙也會(huì)導(dǎo)致HD發(fā)生。研究[47]表明二甲雙胍可以干擾HTT結(jié)構(gòu)從而延緩HD的病程。Arnoux 等[48]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍治療可以挽救PolyQ介導(dǎo)的秀麗隱桿線蟲模型的運(yùn)動(dòng)功能障礙并逆轉(zhuǎn)癥狀前小鼠的病理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)和行為異常。Ma等[49]指出，二甲雙胍通過激活紋狀體中AMPK信號(hào)通路延長(zhǎng)HD轉(zhuǎn)基因小鼠的存活時(shí)間，但是其確切的作用部位尚不清楚。體外研究[50]表明二甲雙胍可以維持神經(jīng)細(xì)胞中線粒體的正常結(jié)構(gòu)同時(shí)防止HTT誘導(dǎo)的線粒體斷裂，從而發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。

4 二甲雙胍的作用機(jī)制

4.1激活A(yù)MPK信號(hào)通路AMPK是調(diào)節(jié)細(xì)胞能量平衡的“傳感器”。ADP或AMP分子能夠結(jié)合AMPK的γ亞基進(jìn)而活化AMPK，使細(xì)胞從消耗ATP的合成代謝狀態(tài)轉(zhuǎn)換為產(chǎn)生ATP的分解代謝狀態(tài)，響應(yīng)細(xì)胞能量的下降狀態(tài)[51]。AMPK的激活可抑制mTOR和PI3K-Akt信號(hào)傳導(dǎo)。已有研究[52]證實(shí)AMPK既可調(diào)節(jié)Aβ生成又可調(diào)節(jié)Tau蛋白磷酸化。二甲雙胍能夠抑制線粒體呼吸所需的電子傳遞鏈復(fù)合物Ⅰ，從而導(dǎo)致能量不足，間接激活A(yù)MPK通路[1]。研究[53]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍在AD小鼠中能夠激活A(yù)MPK、減少Aβ的產(chǎn)生，從而對(duì)神經(jīng)干細(xì)胞發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。Gupta等[54]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍通過mTOR/PP2A途徑減少Tau蛋白的磷酸化。此外，二甲雙胍還可以激活A(yù)MPK信號(hào)通路，減少神經(jīng)元中BACE1蛋白的產(chǎn)生，從而減少大腦中Aβ的生成[55]。

盡管已經(jīng)證明二甲雙胍能夠通過激活A(yù)MPK途徑發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用，但是造成神經(jīng)退行性疾病的原因是異質(zhì)性的，并且在整個(gè)疾病發(fā)生過程中分子傳遞途徑并非是固定的單一狀態(tài)，因此還要考慮激活A(yù)MPK途徑可能產(chǎn)生的不良反應(yīng)。如有報(bào)道[56]顯示二甲雙胍可以上調(diào)神經(jīng)元中BACE1的表達(dá)水平，并增加Aβ的生成，提示了二甲雙胍激活A(yù)MPK可能對(duì)神經(jīng)元產(chǎn)生負(fù)面作用。同時(shí)AMPK的過度活化會(huì)導(dǎo)致α-Syn與PIKE-L結(jié)合并導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)細(xì)胞死亡[57]。因此，將二甲雙胍作為AMPK激活劑用于治療神經(jīng)退行性疾病時(shí)，應(yīng)注意二甲雙胍的使用劑量，避免AMPK過量激活對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的負(fù)面影響。

4.2調(diào)控胰島素信號(hào)傳導(dǎo)胰島素在大腦代謝穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用，它可以用作激素信號(hào)來控制體重、食物攝取和代謝穩(wěn)態(tài)。胰島素信號(hào)代謝紊亂與多種神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生密切相關(guān)，如AD、PD和HD[58]。研究[59]表明，體外注射胰島素可以保護(hù)Aβ誘導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞死亡。二甲雙胍可以激活A(yù)MPK進(jìn)而抑制肝臟糖異生作用，降低血糖水平[60-61]。此外，二甲雙胍也被證明可以不依賴AMPK作用于胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。據(jù)報(bào)道[62]二甲雙胍還可以下調(diào)胰島素和IGF-1受體的表達(dá)，減少胰島素受體的磷酸化。服用二甲雙胍的小鼠與人表現(xiàn)為GLP-1激素水平的增加，進(jìn)而改善PD的運(yùn)動(dòng)癥狀[63]。

4.3抑制神經(jīng)炎癥神經(jīng)炎癥是造成神經(jīng)退行性疾病的主要原因，錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)或異常定位的核酸可以激活大腦中的小膠質(zhì)細(xì)胞和其他免疫細(xì)胞，持續(xù)釋放促炎因子，誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥[64]。研究[65]發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可以抑制NF-κB信號(hào)通路和促炎細(xì)胞因子如IL-1β、IL-6和iNOS的表達(dá)，顯著降低神經(jīng)炎癥水平。此外，二甲雙胍可以減少M(fèi)PTP誘導(dǎo)的PD小鼠模型中小膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)記物Iba-1的表達(dá)，改善小鼠的行為學(xué)表現(xiàn)[66]。值得注意的是，已有研究[67]顯示小膠質(zhì)細(xì)胞中AMPK途徑的激活可抑制神經(jīng)炎癥。由于二甲雙胍可以激活A(yù)MPK，我們可以推測(cè)二甲雙胍對(duì)PD的抗炎作用可能是AMPK依賴性的[68]。

4.4激活自噬自噬參與聚集蛋白的降解和清除，自噬的抑制可導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)變性[30,69]。在AD中，自噬反應(yīng)的下調(diào)會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)積累，造成Aβ沉積以及神經(jīng)纖維纏結(jié)的形成[70]。Chen等[71]發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍的長(zhǎng)期治療可以在體內(nèi)和體外恢復(fù)受損的自噬水平，顯著降低神經(jīng)元中p-Tau蛋白的表達(dá)，并改善db/db小鼠的學(xué)習(xí)記憶能力。此外，二甲雙胍可促進(jìn)LC3Ⅱ的表達(dá)，進(jìn)而降低Aβ25～35誘導(dǎo)的SH-SY5Y細(xì)胞凋亡[72]。研究[73]發(fā)現(xiàn)，MPTP/p誘導(dǎo)的PD小鼠的黑質(zhì)致密部中α-Syn表達(dá)升高。二甲雙胍治療能夠消除α-Syn的積累，并誘導(dǎo)自噬伴侶LC3-Ⅱ的表達(dá)增加；自噬抑制劑3MA預(yù)處理可阻止LC3-Ⅱ的產(chǎn)生，并抵消二甲雙胍的細(xì)胞保護(hù)作用[6]。研究[74]顯示魚藤酮可促進(jìn)P62和α-Syn的表達(dá)，進(jìn)而誘導(dǎo)PD病變，但是二甲雙胍治療可以激活A(yù)MPK信號(hào)通路恢復(fù)自噬活性，改善α-Syn的積累，并降低魚藤酮的細(xì)胞毒性。有趣的是，自噬是一把雙刃劍，過度激活自噬同樣會(huì)造成神經(jīng)病變。例如，二甲雙胍會(huì)在體內(nèi)外引起自噬小體積累，導(dǎo)致γ-分泌酶活性增加和Aβ產(chǎn)生[75]。

4.5調(diào)控能量代謝線粒體是產(chǎn)生能量并執(zhí)行中央代謝和細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要細(xì)胞器。線粒體功能障礙導(dǎo)致的神經(jīng)元能量代謝失調(diào)是造成神經(jīng)退行性疾病的重要原因。研究[76]表明二甲雙胍的主要作用位點(diǎn)是線粒體，它能夠降低氧化磷酸化水平，最終導(dǎo)致ATP合成減少。二甲雙胍能夠短暫抑制線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ以及激活途徑，進(jìn)而抑制肝臟糖異生、脂質(zhì)和膽固醇的生物合成[77]。研究[78]表明，腫瘤壞死因子受體相關(guān)蛋白1(tumor necrosis factor receptor-associated protein 1,TRAP1)是一種與二甲雙胍相關(guān)的線粒體ATP酶，可減輕α-Syn造成的神經(jīng)毒性。在健康人體內(nèi)，PINK1-HtrA2-TRAP1通路可調(diào)節(jié)線粒體的能量代謝進(jìn)而減少細(xì)胞氧化負(fù)荷，二甲雙胍可在體外模擬這一效果，并對(duì)散發(fā)性PD模型有益[78]。

5 結(jié)語

已有的研究[1]表明二甲雙胍具有延緩衰老和改善神經(jīng)退行性疾病神經(jīng)功能的作用。有學(xué)者[21]指出，二甲雙胍和其他相關(guān)藥物可以使我們健康無病的壽命延長(zhǎng)數(shù)十年。但是，值得注意的是二甲雙胍治療或預(yù)防人類和動(dòng)物神經(jīng)退行性疾病可能產(chǎn)生不同的效果，這種結(jié)果可能取決于物種、性別、細(xì)胞類型以及代謝狀態(tài)。由于缺乏良好的臨床試驗(yàn)?zāi)Ｐ停纂p胍在延緩神經(jīng)衰老這一過程中的確切作用仍是一個(gè)急需解決的問題，這也阻礙了二甲雙胍預(yù)防治療神經(jīng)退行性疾病的臨床應(yīng)用。另一方面，已有證據(jù)[79]表明，非糖尿病患者使用二甲雙胍后會(huì)出現(xiàn)明顯的維生素B12缺乏癥，這會(huì)對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)代謝紊亂的患者和接受其他藥物治療的患者產(chǎn)生很大的影響。因此，雖然已有研究表明二甲雙胍具有較好的神經(jīng)保護(hù)和神經(jīng)修復(fù)效果，但是二甲雙胍是否作為治療神經(jīng)退行性疾病的臨床藥物還需要進(jìn)一步的研究。