二甲雙胍在脊髓損傷中的實(shí)驗(yàn)性研究進(jìn)展

董金玉 龔星源 馬躍 胡忠波 劉晟 劉永良

濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院神經(jīng)外科，濱州 256603

脊髓損傷是一種嚴(yán)重致殘和致命的臨床疾病，治療困難，給患者和社會帶來了巨大的負(fù)擔(dān)［1-2］。二甲雙胍是治療2型糖尿?。╰ype 2 diabetes mellitus，T2DM）最常用的降血糖藥物。二甲雙胍因其顯著降低血糖水平的能力而成為治療T2DM的首選藥物［3-4］。近年來，隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)了許多其他意想不到但有效的二甲雙胍作用。研究表明，二甲雙胍對多種癌癥、心血管疾病、肝臟疾病、肥胖癥和腎臟疾病有很強(qiáng)的作用［5-7］。單一藥物或與其他藥物聯(lián)合治療已被證明可有效治療不同的疾病。二甲雙胍還對各種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病有治療作用，包括帕金森病、亨廷頓病和缺血性腦損傷［8-9］。二甲雙胍對于治療和改善脊髓損傷有重要的作用。筆者對二甲雙胍在脊髓損傷中的作用作一綜述為脊髓損傷的研究和臨床治療提供參考。

二甲雙胍及其作用

二甲雙胍是一種合成的雙胍類藥物，它作為一種抗糖尿病藥物，其發(fā)展可以追溯到17世紀(jì)的南歐和東歐民間醫(yī)學(xué)知識，當(dāng)時(shí)法國丁香（galega officinalis）的提取物被用于治療患有“甜尿”的人［4］。直到1950年，法國醫(yī)生讓·斯特恩（Jean Sterne）描述了二甲雙胍對糖尿病患者的益處，自此二甲雙胍的臨床應(yīng)用拉開一個(gè)新的序幕［10］。隨著比二甲雙胍更有效的雙胍類藥物苯乙雙胍被用于臨床，人們對二甲雙胍的興趣逐漸減低［11］。1978年，由于越來越關(guān)注肝毒性和乳酸酸中毒，苯乙雙胍和另一種雙胍類藥物丁雙胍在大多數(shù)國家都停止使用。但隨著美國多中心二甲雙胍研究的陽性數(shù)據(jù)于1995年發(fā)表，人們對二甲雙胍的作用以及血糖控制的重要性重新產(chǎn)生了興趣［12］。1998年更大規(guī)模的英國前瞻性糖尿病研究的結(jié)果進(jìn)一步加強(qiáng)了1995年研究的結(jié)論［13-14］。目前，二甲雙胍仍然是大多數(shù)T2DM患者的首選藥物。使用胍類和雙胍類藥物治療多種疾病的興趣由來已久，最近再次引起人們的注意。具體來說，二甲雙胍的再利用已被研究用于多囊卵巢綜合征、癌癥、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、瘧疾、寄生蟲感染，以及用于治療新型冠狀病毒感染［15-16］?？偟膩碚f，這些多用途意味著二甲雙胍確實(shí)是一種能針對所有疾病的多用途藥物，但也飽受爭議。

二甲雙胍在神經(jīng)系統(tǒng)中的作用

二甲雙胍在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的潛在作用也越來越讓研究者感興趣。二甲雙胍通過激活腺苷酸活化蛋白激酶（AMP activated protein kinase，AMPK）來保護(hù)神經(jīng)元存活而免受損傷［17-19］。Ashabi等［20］研究表明，二甲雙胍通過激活A(yù)MPK/過氧化物酶體增殖物活化受體γ協(xié)同刺激因子-1α（peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1α，PGC-1α）通路和下游線粒體生物合成來減少全腦缺血誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。血清叉頭轉(zhuǎn)錄因子O亞家族成員3（forkhead box O3，F(xiàn)OXO3）是一種與長壽相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，是AMPK的下游靶標(biāo)。體外和體內(nèi)試驗(yàn)表明，二甲雙胍可促進(jìn)AMPK-FOXO3通路發(fā)揮抗氧化應(yīng)激作用［17］。二甲雙胍上調(diào)AMPK-FOXO3蛋白并降低魚藤酮誘發(fā)的帕金森模型中的血管內(nèi)皮生長因子和裂解的半胱天冬酶3水平［17，21］。細(xì)胞核因子-κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）的核因子kappa-輕鏈增強(qiáng)子的激活是神經(jīng)炎癥的標(biāo)志，并且存在于大多數(shù)神經(jīng)系統(tǒng)疾病中［22］。由于神經(jīng)炎癥是公認(rèn)的與神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)的事件，例如阿爾茨海默病、帕金森病和亨廷頓病以及癲癇，二甲雙胍可能對這些疾病產(chǎn)生積極影響［19，23］。二甲雙胍激活A(yù)MPK可抑制NF-κB的信號傳導(dǎo)，以及促炎細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-1β（interleukin -1β，IL-1β）、IL-6、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、趨化因子CC基序配體2［chemokine（C-C motif）ligand 2，CCL2］在不同細(xì)胞類型中的作用，表明AMPK激活可以防止神經(jīng)炎癥［19，24-25］。NF-κB水平的下調(diào)抑制了核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域和富含亮氨酸的重復(fù)家族和pyrin結(jié)構(gòu)域3（nucleotide-binding oligomerization domain and leucine-rich repeat and pyrin domain 3，NLRP3）炎癥小體的激活，同時(shí)降低了血清半胱氨酸蛋白酶-1的激活并減少了IL-1β的產(chǎn)生［26］。這些機(jī)制在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中特別重要。在星形膠質(zhì)細(xì)胞中，AMPK抑制升高的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（endoplasmic reticulum，ER）和高血糖誘導(dǎo)的炎癥［27］。此外，二甲雙胍還可以抑制A1樣星形膠質(zhì)細(xì)胞，即星形膠質(zhì)細(xì)胞的過度活化表型，促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞極化為M2表型，防止吸入異氟醚引起的認(rèn)知衰退。這些來自外圍和中心的證據(jù)證實(shí)了二甲雙胍在小膠質(zhì)細(xì)胞M1/M2極化中的重要作用。二甲雙胍抑制小膠質(zhì)細(xì)胞活化并促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞極化向M2樣表型。這些事件有助于緩解阻礙神經(jīng)炎癥發(fā)展的炎性反應(yīng)［21，28-29］。由此可見，二甲雙胍對神經(jīng)炎癥、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞活動、神經(jīng)退行性病變具有顯著的調(diào)節(jié)作用。

二甲雙胍與脊髓損傷的研究進(jìn)展

1.二甲雙胍在脊髓損傷程序性死亡（programmed cell death，PCD）的調(diào)控

PCD是多種生理環(huán)境中必不可少的過程，可由多個(gè)主動介導(dǎo)的細(xì)胞自殺程序發(fā)生［30］。隨著對細(xì)胞PCD的研究，除了傳統(tǒng)認(rèn)知中的細(xì)胞凋亡及壞死性凋亡外，還包括自噬、細(xì)胞焦亡、鐵死亡等多種PCD方式［31-32］。越來越多的研究表明，PCD在脊髓損傷后發(fā)揮了重要作用。自噬是脊髓損傷后應(yīng)對壓力的細(xì)胞過程，被認(rèn)為是脊髓損傷的治療靶點(diǎn)［33］。在體內(nèi)和體外二甲雙胍干預(yù)下檢測到AMPK的激活及其下游哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信號傳導(dǎo)的抑制，表明AMPK信號參與二甲雙胍對自噬調(diào)節(jié)的影響［34］。張迪［35］研究顯示，二甲雙胍的自噬調(diào)節(jié)功能與其激活A(yù)MPK的功能有關(guān)。二甲雙胍的治療可以緩解急性脊髓損傷誘導(dǎo)的自噬紊亂，從而減少損傷脊髓細(xì)胞凋亡的發(fā)生，以及保護(hù)損傷脊髓的結(jié)構(gòu)完整性，促進(jìn)脊髓損傷后運(yùn)動功能的恢復(fù)［35-36］。在脊髓損傷后用二甲雙胍，mTOR/P70S6激酶降低，而自噬標(biāo)志物的表達(dá)增加，凋亡標(biāo)志物下降從而在脊髓損傷后起到神經(jīng)保護(hù)劑的作用［37］。Yuan等［38］的研究表明，二甲雙胍通過AMPK/NLRP3信號通路抑制脊髓損傷后神經(jīng)元細(xì)胞焦亡，通過二甲雙胍激活A(yù)MPK和減少促炎細(xì)胞因子釋放，減少脊髓前角運(yùn)動神經(jīng)元的損失，改善了脊髓損傷后大鼠的運(yùn)動功能恢復(fù)。二甲雙胍調(diào)節(jié)了炎癥因子的水平，激活了核因子E2相關(guān)的因子2（nuclear factor E2 related factor 2，Nrf2）信號通路，并通過改善脊髓損傷誘導(dǎo)的運(yùn)動缺陷改善長期預(yù)后。體外研究進(jìn)一步證實(shí)了二甲雙胍的有益和抗鐵死亡作用，部分通過激活Nrf2信號傳導(dǎo)［39］。國內(nèi)研究報(bào)道二甲雙胍能促進(jìn)10-11易位的甲基胞嘧啶雙加氧酶2和Foxo3a的相互作用，提升整體DNA的5-羥甲基胞嘧啶水平，從而抑制相關(guān)凋亡基因的表達(dá)，改善脊髓損傷后的組織損傷及神經(jīng)功能恢復(fù)［40］。二甲雙胍可以抑制大鼠脊髓損傷后細(xì)胞凋亡，促進(jìn)后肢運(yùn)動功能恢復(fù)，其機(jī)制可能與抑制ER有關(guān)［41］。

2.二甲雙胍在脊髓損傷神經(jīng)炎癥的調(diào)控

神經(jīng)炎癥源于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的先天免疫。研究顯示神經(jīng)炎癥在脊髓損傷中發(fā)揮著重要作用［42］。炎癥不僅對壞死組織和細(xì)胞有清除作用，而且隨著炎癥標(biāo)志物的增加，毒性微環(huán)境導(dǎo)致空洞和膠質(zhì)瘢痕的形成，抑制神經(jīng)功能的恢復(fù)。在初始損傷后數(shù)小時(shí)內(nèi)，小膠質(zhì)細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞被激活，巨噬細(xì)胞浸潤發(fā)生在12 h，炎性反應(yīng)在72 h達(dá)到峰值。巨噬細(xì)胞誘導(dǎo)膠質(zhì)細(xì)胞增殖、神經(jīng)元凋亡、脫髓鞘和吞噬作用細(xì)胞碎片［43］。在亞急性期用二甲雙胍治療能顯著改善小鼠運(yùn)動功能，對病變部位小膠質(zhì)細(xì)胞/巨噬細(xì)胞活化和星形膠質(zhì)細(xì)胞增生的顯著抑制，減少中性粒細(xì)胞浸潤。這些發(fā)現(xiàn)表明，低劑量二甲雙胍治療亞急性脊髓損傷可通過抗炎和神經(jīng)保護(hù)作用有效改善功能恢復(fù)［44］。二甲雙胍促進(jìn)脊髓損傷后大鼠運(yùn)動功能恢復(fù)，通過Wnt/β-catenin信號通路增加β-catenin和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子的表達(dá)，抑制神經(jīng)元凋亡和炎性反應(yīng)，改善術(shù)后病理形態(tài)的恢復(fù)［45］。Afshari等［46］的研究結(jié)果表明，二甲雙胍還顯著降低了脊髓損傷大鼠脊髓組織中神經(jīng)炎癥的組織病理學(xué)跡象以及TNF-α和IL-1β炎性細(xì)胞因子的水平，顯著改善行為反應(yīng)。

3.二甲雙胍在脊髓損傷膠質(zhì)細(xì)胞的調(diào)控

中樞神經(jīng)系統(tǒng)的疾病和損傷幾乎總是伴隨著某種程度的反應(yīng)性神經(jīng)膠質(zhì)增生、炎癥和瘢痕。脊髓損傷是一個(gè)特別引人注目的例子，其中傷口修復(fù)效率低下，損傷引起的病理變化是不可克服的［47］。二甲雙胍促進(jìn)了小膠質(zhì)細(xì)胞M1表型向M2表型極化的轉(zhuǎn)變，從而極大促進(jìn)了髓鞘碎片的清除并保護(hù)了脊髓損傷大鼠的髓鞘。此外，二甲雙胍通過抑制AMPK-mTOR信號通路改善脊髓損傷誘導(dǎo)的脊髓自噬通量阻斷，并增強(qiáng)自噬體和溶酶體的融合，顯著減弱脊髓的炎性反應(yīng)［48］。研究證明高脂肪高糖飲食（HFHS）小鼠脊髓的胰島素樣生長因子1及其受體表達(dá)減少，并顯示三羧酸循環(huán)功能受損、髓鞘蛋白脂蛋白減少和星形膠質(zhì)細(xì)胞增生增加，所有這些都發(fā)生在脊髓損傷之前。脊髓損傷后，HFHS損害了感覺運(yùn)動和膀胱的恢復(fù)，增加了小膠質(zhì)細(xì)胞增生，加劇了少突膠質(zhì)細(xì)胞的損失并減少了軸突發(fā)芽，改善神經(jīng)保護(hù)和修復(fù)［49］。

4.二甲雙胍在脊髓損傷神經(jīng)修復(fù)的調(diào)控

二甲雙胍可以促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞的增殖，分化和成熟，二甲雙胍與神經(jīng)干細(xì)胞移植聯(lián)合使用的方案可用于治療脊髓損傷，并可能通過激活A(yù)MPK發(fā)揮作用［50］。同時(shí)，二甲雙胍可以減少神經(jīng)元細(xì)胞凋亡和通過PI3K/Akt信號通路穩(wěn)定微管來修復(fù)神經(jīng)突來改善脊髓損傷后的功能恢復(fù)。還通過激活Nrf2的轉(zhuǎn)錄和與抗氧化反應(yīng)元件（antioxidant response element，ARE）的結(jié)合來減弱氧化應(yīng)激的過度激活并改善線粒體功能。此外，用Nrf2抑制劑ML385治療，部分消除了其抗氧化作用。研究還發(fā)現(xiàn)Nrf2轉(zhuǎn)錄在體外被LY294002（一種特定的PI3K抑制劑）部分降低?？傊?，這些結(jié)果表明二甲雙胍在脊髓損傷后神經(jīng)再生中的作用可能與微管的穩(wěn)定和抑制Akt介導(dǎo)的Nrf2/ARE通路調(diào)節(jié)的氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙的過度激活有關(guān)，對于脊髓損傷后神經(jīng)修復(fù)發(fā)揮作用［51］。二甲雙胍還可以通過調(diào)控小鼠脊髓損傷后mTOR和IL-6的表達(dá)水平，促進(jìn)脊髓損傷的修復(fù)［52］。

5.二甲雙胍在脊髓損傷的藥物研究

在脊髓損傷治療中，一種有效的藥物制劑能否穿過血脊髓屏障（blood spinal cord barrier，BSCB）到達(dá)損傷部位與其治療效果密切相關(guān)［53-54］。二甲雙胍是一種降糖藥物，對治療脊髓損傷顯示出良好的效果。但是，它不能跨越BSCB，這限制了它的應(yīng)用。通過制備包裹二甲雙胍納米凝膠（Met-CNG-GSH）的谷胱甘肽修飾的巨噬細(xì)胞衍生細(xì)胞膜來解決這個(gè)問題。藥物釋放和藥代動力學(xué)研究結(jié)果表明，Met-CNG-GSH具有緩釋作用，體內(nèi)成像顯示Met-CNG-GSH在損傷部位蓄積，具有良好的靶向作用，在緩解氧化應(yīng)激、炎癥和細(xì)胞凋亡方面具有良好的治療作用。結(jié)果顯示Met-CNG-GSH代表了一種潛在的脊髓損傷治療方法［53］。還有研究建立了一種基于玉米醇溶蛋白的二甲雙胍納米藥物系統(tǒng)（CAQK-Met-NPs），用于脊髓損傷的靶向藥物遞送。CAQK-Met-NPs表現(xiàn)出緩釋和長期治療作用，還可以有效通過BSCB并有效積聚在脊髓損傷大鼠的病變部位［55］。Zhang等［56］的研究顯示，二甲雙胍可以通過抑制中性粒細(xì)胞浸潤和基質(zhì)金屬蛋白酶-9產(chǎn)生來阻止BSCB的分解，但不是通過上調(diào)腦水腫及緊密連接蛋白表達(dá)來發(fā)揮治療脊髓損傷的作用。BSCB破壞是脊髓損傷繼發(fā)性損傷的主要過程，也被認(rèn)為是脊髓損傷的治療靶點(diǎn)［56］。

改善損傷部位的微環(huán)境是加速軸突再生和突觸形成的關(guān)鍵策略，也是藥物治療脊髓損傷的重要突破口［57］。Han等［57］的研究表示，隨著二甲雙胍濃度的升高，絲素微球上單個(gè)皮質(zhì)細(xì)胞的擴(kuò)散面積增加。結(jié)果表明負(fù)載二甲雙胍的絲素微球可以明顯改善皮質(zhì)神經(jīng)元的生長和擴(kuò)散行為。該研究可為開發(fā)用于治療脊髓損傷的載藥可注射生物材料支架提供重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，并具有很大的促進(jìn)脊髓再生潛力［57］。

總結(jié)與展望

長期以來，脊髓損傷的治療一直是研究重點(diǎn)。目前，臨床上主要采用手術(shù)減壓、藥物治療、自體外周神經(jīng)移植等手段對脊髓損傷患者進(jìn)行綜合性治療，但效果并不理想。這主要是由于損傷后病理過程十分復(fù)雜且參與因素眾多。目前，臨床尚無完全恢復(fù)受損神經(jīng)的治療方法，因此，實(shí)現(xiàn)新療法的臨床轉(zhuǎn)化非常重要。為了轉(zhuǎn)化為臨床，治療必須有效、安全且不良反應(yīng)較小，并且需要確定明確的分子機(jī)制。二甲雙胍是一種很有前途的脊髓損傷治療候選藥物。脊髓損傷后采用適量二甲雙胍治療，可抑制神經(jīng)元凋亡，減輕炎性反應(yīng)，減少中性粒細(xì)胞聚集，抑制損傷部位小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞過度增生，從而抑制膠質(zhì)瘢痕擴(kuò)大，促進(jìn)修復(fù)脊髓損傷，同時(shí)還可促進(jìn)運(yùn)動功能恢復(fù)。根據(jù)2項(xiàng)薈萃分析，結(jié)果顯示二甲雙胍有助于脊髓損傷大鼠運(yùn)動功能的恢復(fù)［58-59］。盡管來自不同的研究機(jī)構(gòu)、不同劑量的二甲雙胍和脊髓損傷模型，但都有良好的效果，二甲雙胍將是一種有前途的脊髓損傷治療藥物。但目前的研究大多停留于動物實(shí)驗(yàn)，并未開展相關(guān)臨床試驗(yàn)，還需要在臨床試驗(yàn)中對二甲雙胍進(jìn)行進(jìn)一步研究。

作者貢獻(xiàn)聲明董金玉：文章撰寫；龔星源、馬躍、胡忠波、劉晟：文獻(xiàn)收集與整理；劉永良：研究思路