運(yùn)動(dòng)改善2型糖尿病患者乳酸代謝的研究進(jìn)展

沈麗婷 張俊龍 朱慧 袁孝強(qiáng) 魏雨清 張媛，2，3

(1南京體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)健康學(xué)院運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)系，江蘇 南京 210014；上海交通大學(xué) 2系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)研究院運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心)

乳酸是細(xì)胞在無(wú)氧環(huán)境下維持能量生成的副產(chǎn)物。1984年Brooks提出的乳酸穿梭理論再次證實(shí)乳酸不僅是細(xì)胞無(wú)氧代謝的產(chǎn)物，同時(shí)可作為機(jī)體重要的能源底物。乳酸穿梭包括“肌纖維間乳酸穿梭”和“血管間乳酸穿梭”兩種模式，乳酸經(jīng)穿梭機(jī)制，可進(jìn)入骨骼肌、心肌等組織被徹底氧化或通過(guò)血液循環(huán)進(jìn)入肝臟作為糖異生底物，同時(shí)，乳酸也可作為細(xì)胞信號(hào)物質(zhì)對(duì)調(diào)節(jié)細(xì)胞糖脂代謝發(fā)揮重要作用。乳酸是機(jī)體在無(wú)氧與有氧環(huán)境下能量代謝的核心樞紐。中老年2型糖尿病(T2DM)患者體內(nèi)糖代謝異常，加之長(zhǎng)期服用藥物，糖原合成缺陷、葡萄糖氧化受限，雖然肝臟糖異生水平較高，但通過(guò)糖異生途徑清除乳酸僅占機(jī)體乳酸清除總量的20%，因此，中老年T2DM患者易發(fā)生機(jī)體乳酸代謝障礙，血乳酸水平偏高，更有甚者會(huì)出現(xiàn)乳酸酸中毒。運(yùn)動(dòng)干預(yù)是防治T2DM的有效手段，其不僅在提高機(jī)體胰島素敏感性、上調(diào)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白表達(dá)、提高肌肉利用葡萄糖水平等方面發(fā)揮積極作用，而且在調(diào)節(jié)機(jī)體乳酸代謝方面也具有重要調(diào)節(jié)作用，可能在一定程度上規(guī)避中老年T2DM患者乳酸堆積、低血糖的風(fēng)險(xiǎn)，為T(mén)2DM防治提供有效的干預(yù)策略。

1 乳酸代謝

1.1乳酸的生成 乳酸由葡萄糖和糖原通過(guò)糖酵解作用在細(xì)胞質(zhì)中生成〔1〕。糖酵解是細(xì)胞廣泛存在的代謝途徑，尤其在耗能較多的組織細(xì)胞(如神經(jīng)細(xì)胞、骨髓細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞和血紅細(xì)胞)內(nèi)更加活躍〔2〕。正常生理狀態(tài)下，糖分解速率較慢，生成少量乳酸。運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著細(xì)胞內(nèi)三磷酸腺苷(ATP)、磷酸肌酸(CP)不斷消耗，胞質(zhì)中二磷酸腺苷(ADP)、單磷酸腺苷(AMP)、磷酸基團(tuán)(Pi)和肌酸含量大大增加，糖分解過(guò)程被激活，產(chǎn)生大量丙酮酸和還原型輔酶(NADH)Ⅰ，其生成速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)線粒體內(nèi)的氧化速率，NADH在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中大量積累，使細(xì)胞內(nèi)生成較多乳酸〔3，4〕。此外，缺氧亦是引起乳酸增加的重要原因。當(dāng)人處于劇烈運(yùn)動(dòng)短暫性缺氧時(shí)，細(xì)胞供氧不足，線粒體內(nèi)丙酮酸和NADH的氧化分解過(guò)程受抑制，在胞質(zhì)中大量積累，加快乳酸生成〔5〕。因此，機(jī)體乳酸水平會(huì)因細(xì)胞狀態(tài)及氧供給情況的不同而存在差異。

1.2乳酸的清除 乳酸大部分在骨骼肌、心肌等組織被氧化為二氧化碳(CO2)和水，部分乳酸在肝和骨骼肌內(nèi)重新合成葡萄糖和糖原，即糖異生作用〔6〕。正常生理?xiàng)l件下，肝臟是糖異生的主要器官，而在饑餓和酸中毒時(shí)，腎臟也具備糖異生作用。大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)，骨骼肌經(jīng)糖酵解產(chǎn)生大量乳酸，可進(jìn)入血液循環(huán)運(yùn)輸至肝臟，經(jīng)糖異生合成肝糖原或葡萄糖〔7〕。因此肝糖異生對(duì)于調(diào)控機(jī)體血糖水平具有重要意義。其次，乳酸還可經(jīng)由丙酮酸、乙酰輔酶A途徑轉(zhuǎn)變?yōu)橹舅?、膽固醇、酮體和乙酸等物質(zhì)，亦可經(jīng)由丙酮酸，通過(guò)氨基轉(zhuǎn)換作用生成丙氨酸，參與蛋白質(zhì)代謝。最后，少量乳酸還會(huì)隨尿液和汗液直接排出〔1〕。

2 糖尿病患者乳酸代謝特征

2.1糖代謝異常導(dǎo)致乳酸生成增多 糖尿病患者比正常人更易出現(xiàn)乳酸水平增高，存在肝腎功能不全的糖尿病患者易發(fā)生乳酸酸中毒。呂鶯等〔8〕研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病患者中體重指數(shù)越大、三酰甘油水平越高、糖化血紅蛋白值越高，血乳酸水平越高?？梢?jiàn)，糖尿病患者機(jī)體糖代謝異常是導(dǎo)致乳酸生成增加的主要原因。與健康個(gè)體相比，T2DM患者的全身糖酵解速率有所提高〔9〕，在高血糖癥患者和高胰島素血癥患者中，非氧化性糖酵解水平較高〔10〕。同樣發(fā)現(xiàn)，T2DM患者餐后狀態(tài)下，糖酵解顯著上調(diào)，血乳酸濃度增加〔11〕。其次，由于糖原合酶被胰島素激活，而T2DM患者胰島素刺激糖原合酶活性的能力受損〔12〕，因此T2DM患者餐后合成和儲(chǔ)存糖原的能力明顯降低〔13〕，肌糖原存儲(chǔ)量減少〔14〕。此外，葡萄糖氧化缺陷也是T2DM患者糖異生受限的原因之一。研究發(fā)現(xiàn)，T2DM患者的基礎(chǔ)全身葡萄糖氧化率和CO2生成率顯著降低〔15〕。采用高胰島素治療的T2DM患者，葡萄糖攝取水平有所提高，同時(shí)糖原合成得以恢復(fù)〔16〕。

2.2藥物干預(yù)對(duì)乳酸水平的影響 雙胍類藥物是目前廣泛應(yīng)用的糖尿病口服藥物，其中苯乙雙胍由于其相關(guān)的高乳酸性酸中毒死亡率而基本退出市場(chǎng)。二甲雙胍作為T(mén)2DM患者的基礎(chǔ)用藥，美國(guó)糖尿病協(xié)會(huì)(ADA)、國(guó)際糖尿病聯(lián)盟(IDF)、歐洲糖尿病研究學(xué)會(huì)(EASD)均將其列為治療T2DM的一線藥物。目前研究認(rèn)為：二甲雙胍通過(guò)細(xì)胞膜上OCT家族轉(zhuǎn)運(yùn)體進(jìn)入細(xì)胞后作用于線粒體，抑制Complex Ⅰ依賴性線粒體呼吸同時(shí)增加線粒體呼吸解偶聯(lián)，阻止丙酮酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)(TCA)氧化，以致丙酮酸轉(zhuǎn)化成乳酸增加，因此細(xì)胞糖酵解增加，導(dǎo)致乳酸生成增多〔17〕。二甲雙胍同時(shí)抑制肝臟糖異生酶，使乳酸異生途徑受阻。因此，二甲雙胍一方面增加乳酸生成，一方面阻止乳酸代謝，導(dǎo)致在某些特定病理情況下可引起血乳酸水平的升高，從而易出現(xiàn)高乳酸血癥〔18〕，甚至發(fā)生乳酸酸中毒，一般被稱為二甲雙胍相關(guān)性乳酸酸中毒(MALA)〔19〕。糖尿病腎病為T(mén)2DM的常見(jiàn)并發(fā)癥，隨著T2DM患者的衰老及病程發(fā)展，腎臟功能逐漸衰退，延緩藥物排泄，導(dǎo)致藥物在體內(nèi)蓄積，加重腎臟損傷，引起乳酸堆積，乳酸酸中毒發(fā)生率增大。雖然臨床上二甲雙胍治療T2DM引發(fā)乳酸酸中毒的可能性并不是很高，但其MALA的死亡率達(dá)30%～50%〔20〕。

3 乳酸穩(wěn)態(tài)與機(jī)體能量代謝

乳酸在細(xì)胞內(nèi)外穿梭受單羧酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(MCTs)1～4調(diào)控，其定位與MCTs蛋白表達(dá)及活性水平密切相關(guān)。研究表明，由于MCT作用較活躍，組織與循環(huán)乳酸水平較為均衡。事實(shí)上，乳酸穩(wěn)態(tài)在一定程度上取決于丙酮酸的總含量〔2〕。糖酵解是生成丙酮酸的主要途徑，而TCA是乳酸被徹底氧化的主要途徑，因此，機(jī)體糖酵解與TCA的平衡是維持乳酸穩(wěn)態(tài)的保障〔21〕。在哺乳動(dòng)物體內(nèi)，乳酸在丙酮酸脫氫酶(PDH)的作用下生成二碳化合物乙酰輔酶A進(jìn)入TCA，此過(guò)程不可逆。因此，糖酵解和PDH含量之間的平衡是維持乳酸穩(wěn)態(tài)的決定性因素。研究發(fā)現(xiàn)：PDH可在PDH激酶(PDK 1～4)的磷酸化作用下失活，損害線粒體丙酮酸清除能力，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞乳酸生成增多。同樣，在線粒體活性或呼吸受損的患者體內(nèi)，細(xì)胞NADH含量較多，可激活PDK，抑制PDH活性，導(dǎo)致循環(huán)乳酸含量增加〔2〕。

安靜時(shí)，動(dòng)脈血中乳酸與丙酮酸比率(L/P)從10〔22〕到20〔23〕不等，然而，當(dāng)肌肉收縮達(dá)到中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)功率輸出時(shí)，肌肉靜脈血液中的L/P以數(shù)量級(jí)上升(即L/P>500)〔22〕。乳酸作為糖酵解產(chǎn)物，可調(diào)節(jié)機(jī)體糖脂代謝〔2，24〕。其可能機(jī)制為：其一，乳酸與丙酮酸對(duì)糖的利用發(fā)揮負(fù)反饋?zhàn)饔茫黄涠?，作為主要的線粒體底物，乳酸生成乙酰輔酶A，轉(zhuǎn)化為丙二酰輔酶(Malonyl-Co)A，抑制β-酮脂酰輔酶A硫解酶參與的β氧化作用，Malonyl-CoA也可通過(guò)抑制CPT1降低線粒體對(duì)FFA衍生物的攝取。此外，乳酸是糖異生的主要原料，在對(duì)小鼠、大鼠、人體等脂肪組織研究發(fā)現(xiàn)，乳酸可激活脂肪細(xì)胞中G蛋白耦聯(lián)受體(GPR)81通過(guò)環(huán)腺苷酸(cAMP)與環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB)，抑制脂肪分解〔25，26〕。

4 運(yùn)動(dòng)改善T2DM患者乳酸代謝機(jī)制

乳酸由葡萄糖和糖原通過(guò)糖酵解作用在細(xì)胞質(zhì)中生成，大部分在骨骼肌、心肌等組織被徹底氧化，部分乳酸在肝臟經(jīng)糖異生作用合成肝糖原。T2DM患者由于糖原合成缺陷、葡萄糖代謝受損，糖酵解作用增強(qiáng)使血乳酸水平較高。運(yùn)動(dòng)可提高骨骼肌(紅肌纖維)的乳酸清除能力，增強(qiáng)線粒體乳酸氧化水平，通過(guò)調(diào)節(jié)MCT1及MCT4表達(dá)促進(jìn)乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體被徹底氧化。此外，運(yùn)動(dòng)還可顯著上調(diào)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUT)4蛋白表達(dá)，提高骨骼肌對(duì)葡萄糖的攝取量。

4.1運(yùn)動(dòng)提高骨骼肌乳酸清除率 正常情況下，血乳酸含量較低(<2.0 mmol/L)，當(dāng)肌肉收縮達(dá)到一定負(fù)荷，乳酸生成增多。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，機(jī)體乳酸轉(zhuǎn)化與氧化速率較高，大多葡萄糖來(lái)源于乳酸糖異生途徑。早期研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練干預(yù)后，靜息血乳酸濃度有所下降，由于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)乳酸氧化、糖異生的作用增強(qiáng)，使得乳酸處于較高的清除率最終使循環(huán)血乳酸濃度下降〔4，27〕。在運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)期，收縮肌是清除乳酸的主要場(chǎng)所，其通過(guò)在肌肉中有氧氧化將乳酸徹底氧化分解，乳酸廓清率達(dá)到72%～76%，其余乳酸在肝臟經(jīng)糖異生途徑進(jìn)一步分解代謝〔17〕。與傳統(tǒng)有氧耐力運(yùn)動(dòng)方式不同，近些年，高強(qiáng)度間歇運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練(HIIT)備受關(guān)注，研究表明，短時(shí)間間歇行走(3 min最大攝氧量54%的慢走和3 min最大攝氧量89%的快走交替進(jìn)行)而非持續(xù)性行走(73%的最大攝氧量)，對(duì)血糖控制有效，這一現(xiàn)象與T2DM患者的身體活動(dòng)及身體成分無(wú)關(guān)。另一項(xiàng)研究顯示，在早餐過(guò)后進(jìn)行一次HIIT，不僅可以持續(xù)降低運(yùn)動(dòng)期間的血糖和胰島素濃度，并且可以抑制血乳酸濃度的增加〔28，29〕。HIIT時(shí)機(jī)體通過(guò)無(wú)氧、有氧兩種能量代謝途徑供能，有氧代謝可激活線粒體氧化磷酸化，優(yōu)化線粒體氧化應(yīng)激水平，提高恢復(fù)期收縮肌中乳酸氧化水平，而無(wú)氧代謝可快速分解葡萄糖，使乳酸生成增多，細(xì)胞氧化應(yīng)激水平增高〔30，31〕。運(yùn)動(dòng)恢復(fù)期對(duì)乳酸的清除與二甲雙胍藥效導(dǎo)致的乳酸積累呈相反變化趨勢(shì)。由此，HIIT對(duì)細(xì)胞氧化應(yīng)激水平有何影響且與血糖控制、乳酸生成的關(guān)系有待深入探究。

4.2運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)骨骼肌線粒體乳酸氧化能力 1984年Brooks首次提出“乳酸穿梭”的概念，乳酸穿梭為乳酸被徹底氧化或轉(zhuǎn)化為其他供能物質(zhì)創(chuàng)造條件。其一，乳酸可在細(xì)胞間穿梭，主要指骨骼肌紅、白肌纖維間的穿梭及骨骼肌與心肌組織細(xì)胞間的穿梭。運(yùn)動(dòng)時(shí)乳酸生成增多，其可從酵解型肌纖維穿梭進(jìn)入氧化型肌纖維，或經(jīng)由血液循環(huán)進(jìn)入其他未被募集的氧化型骨骼肌中被氧化，或進(jìn)入肝臟通過(guò)糖異生作用轉(zhuǎn)化為葡萄糖，或進(jìn)入心肌組織及腦組織中被氧化。其二，乳酸可借助細(xì)胞膜上MCT穿梭進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，其轉(zhuǎn)化速率與MCT活性密切相關(guān)。通常，MCT1表達(dá)與骨骼肌氧化代謝高度相關(guān)，而MCT4表達(dá)與糖酵解代謝相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，耐力訓(xùn)練或高能量需求刺激下可增加MCT1表達(dá)，而MCT4表達(dá)量變化不大〔32，33〕。Thomas等〔32〕研究發(fā)現(xiàn)膜MCT1和MCT4含量在急性運(yùn)動(dòng)后45 s至10 min期間顯著下降，在運(yùn)動(dòng)后30～80 min無(wú)變化，而在運(yùn)動(dòng)2 h后MCT1的含量顯著增加。近期研究也表明：運(yùn)動(dòng)可調(diào)節(jié)MCT1及MCT4的表達(dá)水平并對(duì)乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)入細(xì)胞影響顯著〔34，35〕。其三，乳酸在胞質(zhì)與線粒體之間的穿梭是限制其被徹底代謝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。線粒體內(nèi)膜上含有線粒體乳酸氧化復(fù)合體(mLOC)，其結(jié)構(gòu)為MCT1嵌在線粒體內(nèi)膜并與內(nèi)膜伴侶堿性蛋白CD147相結(jié)合，同時(shí)與內(nèi)膜細(xì)胞色素氧化酶(COX)及內(nèi)膜外側(cè)乳酸脫氫酶(LDH)相關(guān)聯(lián)。肌肉及其他組織胞漿中生成的乳酸由于其含量、活性及胞漿LDH特征，使得乳酸被線粒體內(nèi)膜上的mLOC氧化為丙酮酸，這種由mLDH催化的乳酸能氧化反應(yīng)與線粒體電子傳遞過(guò)程中COX氧化還原變化相耦合〔4〕。由此推測(cè)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下線粒體電子傳遞的高效運(yùn)作可在一定程度上彌補(bǔ)二甲雙胍對(duì)線粒體傳遞鏈復(fù)合物Ⅰ的抑制作用，為乳酸徹底氧化提供條件。

綜上，糖原合成缺陷、糖代謝異常、葡萄糖氧化缺陷是T2DM患者乳酸生成增加的主要原因，由于T2DM患者腎臟功能逐漸衰退，在雙胍類藥物作用下，乳酸堆積現(xiàn)象會(huì)持續(xù)加重，甚至引起乳酸酸中毒。保持機(jī)體糖酵解與TCA的平衡及糖酵解和PDH含量之間的平衡是維持乳酸穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。運(yùn)動(dòng)可提高骨骼肌乳酸清除率，增強(qiáng)骨骼肌線粒體乳酸氧化能力，并通過(guò)調(diào)節(jié)MCT1及MCT4表達(dá)水平促進(jìn)乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞徹底氧化。因此，藥物結(jié)合運(yùn)動(dòng)可在一定程度上規(guī)避T2DM患者出現(xiàn)乳酸堆積、低血糖的風(fēng)險(xiǎn)，為T(mén)2DM防治提供有效的干預(yù)策略。