大腦胰島素信號(hào)通路在AD中的作用及潛在降糖藥治療的研究進(jìn)展

章占娜，邵德翠，徐愛萍

(皖南醫(yī)學(xué)院 1.臨床醫(yī)學(xué)院;2.細(xì)胞電生理研究室,安徽 蕪湖 241002)

阿爾茲海默癥(Alzheimer's disease，AD)是一種臨床表現(xiàn)為漸進(jìn)性認(rèn)知缺陷和執(zhí)行功能障礙的神經(jīng)退行性疾病[1]，占癡呆癥的60%～80%。2016年全球有近5 000萬癡呆癥患者，預(yù)計(jì)到本世紀(jì)中葉患病人數(shù)將達(dá)到1.52億。老年斑和神經(jīng)原纖維纏結(jié)是AD腦組織病理學(xué)的特征性改變，前者是神經(jīng)細(xì)胞外β淀粉樣蛋白(amyloid Aβ-protein，Aβ)異常沉積所構(gòu)成，后者是過度磷酸化的tau蛋白在神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)異常聚集而產(chǎn)生。目前已有多種關(guān)于AD發(fā)病機(jī)理的假說，如β淀粉樣蛋白沉淀假說、tau蛋白磷酸化假說、神經(jīng)炎癥假說等，但仍缺乏明確的定論。流行病學(xué)證據(jù)表明[2]，2型糖尿病(Type2 diabetes mellitus，T2DM)會(huì)加速神經(jīng)系統(tǒng)退行性變，使癡呆癥的發(fā)生率增加1.2～1.5倍。胰島素抵抗是T2DM的重要發(fā)病機(jī)制，即靶器官的胰島素受體下調(diào)，胰島素與受體結(jié)合能力下降或胰島素信號(hào)通路受損，導(dǎo)致胰島素的生理效應(yīng)降低。近年來，中樞胰島素抵抗與認(rèn)知功能障礙的關(guān)系受到研發(fā)人員的密切關(guān)注，越來越多關(guān)于AD的研究圍繞大腦胰島素信號(hào)通路展開。

目前臨床治療AD的主流藥物(乙酰膽堿酯酶抑制劑類和美金剛)無法阻斷病情惡化[3]，只能減輕AD患者的認(rèn)知和行為功能障礙程度。因此，研發(fā)AD的特效藥物是當(dāng)今的熱門課題之一。探討大腦胰島素信號(hào)通路對(duì)認(rèn)知能力的影響機(jī)理和利用降糖藥治療AD的研究進(jìn)展，可能有助于為擬訂防治AD的干預(yù)措施提供參考。

1 胰島素信號(hào)通路

胰島素是51個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成的肽類激素[4]。胰島β細(xì)胞合成的胰島素被釋放入血液循環(huán)，經(jīng)受體調(diào)控的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白透過血腦屏障(blood brain barrier，BBB)到中樞神經(jīng)系統(tǒng)。然而，肥胖、衰老和炎癥反應(yīng)等因素會(huì)下調(diào)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)胰島素的轉(zhuǎn)運(yùn)。胰島素不僅調(diào)節(jié)能量代謝和攝食活動(dòng)，同時(shí)介導(dǎo)神經(jīng)系統(tǒng)的正常功能，選擇性結(jié)合廣泛分布在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的胰島素受體(insulin receptor，IR)而發(fā)揮生理作用。IR是異四聚體跨膜糖蛋白，主要表達(dá)于海馬、下丘腦、嗅球以及與認(rèn)知功能相關(guān)的皮質(zhì)腦區(qū)等。IR由α亞基和β亞基構(gòu)成，胰島素經(jīng)細(xì)胞膜表面的α亞基與IR特異性結(jié)合，將信息傳遞給膜內(nèi)側(cè)的β亞基，使IR磷酸化，進(jìn)而激活胰島素受體底物(insulin receptor substrate，IRS)和下游蛋白質(zhì)分子。胰島素可激活神經(jīng)元內(nèi)PI3K/Akt和RAS/MAPK信號(hào)通路等[5]。PI3K/Akt信號(hào)通路能調(diào)節(jié)不同細(xì)胞內(nèi)的下游底物：(1)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4(glucose transporter4，GLUT4)，促使部分神經(jīng)組織攝取和利用葡萄糖；(2)哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)，其活性水平與學(xué)習(xí)和記憶功能相關(guān)；(3)糖原合成酶激酶3β(GSK-3β)，是調(diào)節(jié)糖原合成和血糖平衡的重要激酶。RAS/MAPK信號(hào)通路參與細(xì)胞生存、分化和凋亡等。ERK是MAPK主要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路之一，在突觸形成和可塑性中起重要作用，參與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和神經(jīng)系統(tǒng)受損。

2 大腦胰島素信號(hào)通路與AD

2.1 大腦胰島素信號(hào)通路與認(rèn)知神經(jīng)元突觸中富含IR，胰島素通過IR調(diào)控突觸結(jié)構(gòu)和功能。學(xué)習(xí)和記憶等高級(jí)智能活動(dòng)的神經(jīng)系統(tǒng)生物學(xué)基礎(chǔ)是海馬突觸的可塑性，包括長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)和長(zhǎng)時(shí)程抑制。大鼠側(cè)腦室內(nèi)注射鏈脲佐菌素會(huì)異常激活腦內(nèi)磷酸酪氨酸磷酸酶[6]，導(dǎo)致IR自身磷酸化程度減弱，破壞胰島素信號(hào)逐級(jí)傳遞，使空間記憶功能受損，同時(shí)觀察到突觸后膜的Na+內(nèi)向電流和長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)作用減弱。Zhao F等對(duì)小鼠海馬離體腦片進(jìn)行細(xì)胞外記錄發(fā)現(xiàn)[7]，胰島素經(jīng)PI3K/Akt信號(hào)通路促進(jìn)突觸前膜釋放谷氨酸神經(jīng)遞質(zhì)，增強(qiáng)NMDA受體活性和Ca2+內(nèi)向電流。可見海馬體對(duì)胰島素含量的變化甚為敏感，胰島素信號(hào)通路通過海馬突觸長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)作用，促進(jìn)突觸的構(gòu)成和修復(fù)過程，使海馬體更易發(fā)揮記憶處理和儲(chǔ)存功能。

腦組織對(duì)葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)和攝取過程受損會(huì)導(dǎo)致大腦能量代謝紊亂，胰島素信號(hào)通路調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)中葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)而參與AD病理改變。胰島素反應(yīng)性的GLUT4蛋白定位于認(rèn)知功能相關(guān)腦區(qū)，給糖尿病大鼠的下丘腦腹內(nèi)側(cè)核注射胰島素[8]，激活PI3K/Akt信號(hào)通路，促進(jìn)GLUT4表達(dá)，使損傷的葡萄糖代謝得到恢復(fù)，提示胰島素信號(hào)通路與葡萄糖的調(diào)節(jié)存在相關(guān)性。給大鼠側(cè)腦室內(nèi)注射鏈脲佐菌素會(huì)造成腦內(nèi)葡萄糖代謝紊亂[9]、海馬神經(jīng)元丟失和學(xué)習(xí)記憶能力缺陷，而鼻腔胰島素治療可以阻斷這些變化。胰島素信號(hào)通路異常會(huì)抑制腦組織表達(dá)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和降低葡萄糖利用效率，誘發(fā)氧化損傷，破壞線粒體和突觸功能，造成神經(jīng)元壞死及認(rèn)知相關(guān)腦區(qū)的萎縮。T2DM老年患者罹患癡呆癥的風(fēng)險(xiǎn)顯著增加，而利用二甲雙胍改善胰島素信號(hào)通路則能減輕認(rèn)知功能受損的程度[10]。

2.2 大胰島素信號(hào)通路與β淀粉樣蛋白老年斑由淀粉樣前體蛋白逐步被β-和γ-分泌酶裂解產(chǎn)生的Aβ在神經(jīng)細(xì)胞外異常沉積所構(gòu)成[11]，而PI3K/Akt信號(hào)通路調(diào)節(jié)α-分泌酶的活性，α-分泌酶活性隨GSK-3β活性減弱而增強(qiáng)，使sAPPα分泌增加，減少神經(jīng)元分泌Aβ。AD轉(zhuǎn)基因小鼠腦內(nèi)GSK-3β被異常活化[12]，老年斑沉積加快，使突觸丟失和功能破壞，加重AD小鼠的認(rèn)知損傷。研究發(fā)現(xiàn)[5]，阿托伐他汀通過上調(diào)PI3K/Akt和下調(diào)MAPK/ERK信號(hào)通路，減少Aβ1-42誘導(dǎo)的SH-SY5Y細(xì)胞(AD細(xì)胞模型)死亡，改善AD大鼠的認(rèn)知障礙，說明胰島素信號(hào)通路保護(hù)神經(jīng)系統(tǒng)功能。Aβ與IR結(jié)合會(huì)改變胰島素與IR結(jié)合的活性中心構(gòu)象，導(dǎo)致胰島素信號(hào)通路無法發(fā)揮正常生理作用，淀粉樣前體蛋白不能被水解成可溶性降解產(chǎn)物，提示Aβ與胰島素信號(hào)通路受損陷入惡性循環(huán)，而利用藥物改善胰島素信號(hào)通路可以緩解AD病理改變。

胰島素降解酶(insulin degrading enzyme，IDE)可以降解腦組織內(nèi)的Aβ，而胰島素信號(hào)通路經(jīng)調(diào)節(jié)IDE能夠介導(dǎo)AD的病理變化。AD轉(zhuǎn)基因小鼠腦組織中IDE的含量和活性明顯下調(diào)而Aβ生成量增加[13]，二甲雙胍通過MAPK/ERK信號(hào)通路，促進(jìn)AD轉(zhuǎn)基因小鼠腦組織表達(dá)IDE蛋白，加速降解Aβ，減少IR被Aβ無效占用，改善胰島素抵抗，延緩小鼠認(rèn)知功能衰退的進(jìn)程。通過靶向藥物改善該通路，則可以提高中樞神經(jīng)系統(tǒng)中IDE的表達(dá)水平，減弱Aβ對(duì)神經(jīng)元的毒性作用，保護(hù)大腦的認(rèn)知功能。

2.3 大腦胰島素信號(hào)通路與tau蛋白磷酸化tau蛋白是構(gòu)成神經(jīng)細(xì)胞骨架的微管相關(guān)蛋白，通過穩(wěn)定微管網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，保證神經(jīng)元胞體與軸突末梢間物質(zhì)和信號(hào)傳遞的有效進(jìn)行。然而，AD腦內(nèi)過度磷酸化的tau蛋白會(huì)擾亂軸突運(yùn)輸機(jī)制，破壞突觸結(jié)構(gòu)與功能。GSK-3β是誘導(dǎo)tau蛋白磷酸化的關(guān)鍵激酶，故很可能是胰島素信號(hào)受損導(dǎo)致tau蛋白磷酸化反應(yīng)異常的關(guān)鍵分子。AD轉(zhuǎn)基因小鼠腦內(nèi)GSK-3β活性水平和磷酸化tau蛋白的濃度顯著提高[12]，并伴隨神經(jīng)元凋亡和認(rèn)知缺陷。鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病小鼠海馬內(nèi)Akt下游的mTOR蛋白質(zhì)分子和核糖體激酶磷酸化水平增加[14]，隨后出現(xiàn)類似AD的病理改變以及認(rèn)知功能衰退，通過注射抑制劑選擇性遏制mTOR的磷酸化，可以削減tau蛋白的磷酸化水平。胰島素樣生長(zhǎng)因子(insulin like growth factor,IGF)和胰島素屬于同一蛋白家族，維持和影響腦組織的基本結(jié)構(gòu)和生理功能。研究人員用IGF-1干預(yù)Aβ1-40誘導(dǎo)的PC12細(xì)胞(AD細(xì)胞模型)[15]，觀察到GSK-3β活性減弱，過度磷酸化的tau蛋白含量下降，壞死神經(jīng)元的數(shù)目減少。利拉魯肽治療通過上調(diào)ERK和抑制JNK表達(dá)[16]，可以抑制tau蛋白磷酸化，對(duì)AD轉(zhuǎn)基因小鼠的學(xué)習(xí)和記憶功能產(chǎn)生積極影響。由此可見，大腦胰島素信號(hào)通路受損與tau蛋白的過度磷酸化可相互加重，尤其GSK-3β被異常激活后，若能選擇性地改善PI3K/Akt信號(hào)通路，則能緩解tau的磷酸化，保護(hù)大腦結(jié)構(gòu)和功能。

2.4 大腦胰島素信號(hào)通路與神經(jīng)炎癥反應(yīng)T2DM患者的外周胰島素抵抗會(huì)誘發(fā)炎癥反應(yīng)，釋放的炎癥因子(TNF-α,IL-6,IL-12和IL-1β)可以透過BBB，結(jié)合腦組織上相應(yīng)受體，激活神經(jīng)元內(nèi)JNK，IKK和PKR等蛋白激酶,使IRS-1絲氨酸殘基磷酸化，抑制酪氨酸殘基磷酸化，損傷IRS-1介導(dǎo)的胰島素信號(hào)通路，導(dǎo)致腦組織對(duì)胰島素的生物學(xué)反應(yīng)下降。中樞胰島素抵抗使小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞被過度激活[17]，進(jìn)而釋放炎癥因子，破壞神經(jīng)元活性、突觸可塑性和加速神經(jīng)元凋亡。此外，外周胰島素抵抗還會(huì)下調(diào)BBB上胰島素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)胰島素，中樞神經(jīng)系統(tǒng)的胰島素水平下降，胰島素的神經(jīng)元保護(hù)作用丟失，加快AD疾病進(jìn)展。研究人員給高脂飲食誘導(dǎo)的認(rèn)知障礙小鼠的海馬內(nèi)注射胰島素[18]，能夠抑制神經(jīng)炎癥反應(yīng)，改善空間記憶功能。蝦青素通過上調(diào)PI3K/Akt信號(hào)通路[19]，減輕糖尿病腦病大鼠海馬的炎癥反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)保護(hù)作用，改善認(rèn)知功能損傷。這些結(jié)果提示大腦胰島素信號(hào)通路受損與神經(jīng)炎癥反應(yīng)密切相關(guān)，但其影響認(rèn)知功能的分子機(jī)制還需進(jìn)一步探究。

3 以胰島素信號(hào)通路為靶點(diǎn)治療AD

大腦胰島素信號(hào)通路受損會(huì)加重AD的病理變化，而降糖藥可以恢復(fù)受損的大腦胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，以此為著手點(diǎn)，可為治療AD尋找新的藥物。經(jīng)鼻腔胰島素給藥可以使胰島素沿著三叉神經(jīng)和嗅神經(jīng)的軸漿運(yùn)輸路徑繞過BBB，迅速到達(dá)中樞神經(jīng)系統(tǒng)。AD轉(zhuǎn)基因小鼠接受鼻腔胰島素治療后[20]，海馬內(nèi)p-Akt水平顯著提高，短期和長(zhǎng)期記憶得到保存。AD患者接受鼻內(nèi)胰島素治療12個(gè)月后[21]，腦脊液中p-tau和Aβ1-42含量降低，但認(rèn)知障礙未見明顯的改善。二甲雙胍是一種具有神經(jīng)保護(hù)作用胰島素增敏劑，通過激活海馬組織PI3K/Akt信號(hào)通路，降低海馬組織Aβ和p-tau蛋白的含量，改善AD大鼠的認(rèn)知障礙[22]。格列苯脲屬于磺胺類降糖藥[23]，可以減輕AD大鼠海馬內(nèi)炎癥反應(yīng)和胰島素抵抗，改善記憶障礙。胰高血糖素樣肽-1受體激動(dòng)劑是一類腸促胰素類降糖藥，如利拉魯肽，能夠透過BBB，保護(hù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的胰島素受體和神經(jīng)元的突觸可塑性，增強(qiáng)胰島素信號(hào)，改善認(rèn)知功能。臨床試驗(yàn)顯示[24]，同安慰劑組相比，連續(xù)26周每天接受利拉魯肽治療的AD患者的葡萄糖代謝異常和認(rèn)知功能障礙有所改善。二肽基肽酶-4抑制劑是一類口服降糖藥，如阿格列汀，可以提高胰島素和活性形式的腸促胰島素水平。阿格列汀除了改善海馬內(nèi)胰島素抵抗[25]，還可以降低Aβ1-42含量，減弱GSK-3β活性，恢復(fù)AD大鼠的學(xué)習(xí)記憶功能。

目前，利用降糖藥防治AD的策略大多停留于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，臨床試驗(yàn)結(jié)果顯示，降糖藥可以降低AD患者腦脊液中Aβ和過度磷酸化tau蛋白水平，但對(duì)于記憶力減退和執(zhí)行能力障礙等臨床癥狀的改善情況并不顯著，反映老年斑和神經(jīng)原纖維纏結(jié)只是導(dǎo)致AD患者認(rèn)知功能障礙的部分病因，胰島素信號(hào)通路與AD發(fā)病機(jī)制的聯(lián)系還需要進(jìn)一步探索。

4 總結(jié)與展望

越來越多的研究揭示胰島素信號(hào)通路在AD病理變化中的重要作用。首先，T2DM會(huì)增加AD的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)；其次，大腦胰島素信號(hào)通路參與調(diào)控Aβ代謝和tau蛋白磷酸化，并在能量代謝，神經(jīng)炎癥反應(yīng)及改善學(xué)習(xí)和記憶功能等方面發(fā)揮重要作用；另外，降糖藥顯示出良好的AD治療前景。因此，深入了解代謝性疾病與AD的關(guān)系，闡明胰島素信號(hào)通路受損與AD發(fā)病機(jī)理的聯(lián)系，尤其是探究MAPK/ERK信號(hào)通路對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)功能的影響機(jī)制，有助于研發(fā)人員找到潛在的藥物靶點(diǎn)和設(shè)計(jì)特異性藥物防治AD。