連紅強(qiáng) 趙常紅 張麗蓉
西北師范大學(xué)體育學(xué)院,甘肅 蘭州 730030
骨骼肌是胰島素作用最重要的靶器官之一,胰島素抵抗(insulin resistance,IR)可引起骨骼肌萎縮、功能喪失[1]。葡萄糖在骨骼肌細(xì)胞內(nèi)氧化或酵解生成三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)供機(jī)體利用。如葡萄糖不能立即用于供能,將轉(zhuǎn)化為糖原儲(chǔ)存在骨骼肌細(xì)胞,當(dāng)骨骼肌需要能量時(shí),肌糖原生成葡萄糖供機(jī)體利用。骨骼肌是機(jī)體維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵組織之一,進(jìn)食后骨骼肌攝取的葡萄糖占機(jī)體攝入總量的大部分[2],骨骼肌胰島素抵抗是2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)發(fā)病的主要因素。骨骼肌約占成人體重的40 % (男性) 與30 % (女性),因此,骨骼肌質(zhì)量是機(jī)體葡萄糖和能量穩(wěn)態(tài)重要決定因素,骨骼肌質(zhì)量由骨骼肌組織中蛋白質(zhì)合成和分解平衡決定。2型糖尿病患者骨骼肌主要氧化I型纖維數(shù)量減少,主要糖酵解II型纖維數(shù)量增加,I型纖維比例與胰島素敏感性呈正相關(guān)[3]。胰島素刺激葡萄糖進(jìn)入骨骼肌受抑制對(duì)機(jī)體葡萄糖穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生嚴(yán)重影響,誘發(fā)骨骼肌萎縮加劇。胰島素抵抗引起骨骼肌中脂肪異常生成、骨骼肌細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)沉積。
研究表明骨骼肌萎縮在2型糖尿病患者中發(fā)病率高達(dá)15%[4]。2型糖尿病由于胰島素抵抗、炎癥因子異常釋放引發(fā)骨骼肌信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)異常,引起肌細(xì)胞蛋白質(zhì)合成減少、分解增加導(dǎo)致骨骼肌萎縮。研究發(fā)現(xiàn)糖尿病患者骨骼肌再生纖維和肌衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量下降,肌衛(wèi)星細(xì)胞轉(zhuǎn)化為脂肪細(xì)胞,最終引起骨骼肌萎縮、功能下降[5]。骨骼肌脂肪浸潤(rùn)加重胰島素抵抗,影響葡萄糖、脂肪代謝,促使骨骼肌萎縮。2型糖尿病對(duì)骨骼肌的影響主要發(fā)生在糖尿病早期,早期糖尿病患者肌肉質(zhì)量下降最顯著,發(fā)生骨骼肌萎縮的風(fēng)險(xiǎn)更高。
胰島素通過Akt信號(hào)通路誘導(dǎo)雷帕霉素(mammalian target of rapamycin,mTOR)激活并促進(jìn)蛋白質(zhì)合成,胰島素抵抗mTOR激活減弱導(dǎo)致骨骼肌蛋白質(zhì)合成減少、分解增加[6]。胰島素抵抗與骨骼肌線粒體功能障礙進(jìn)一步抑制了胰島素信號(hào)通路,加重胰島素抵抗。骨骼肌組織中脂肪增加,胰島素信號(hào)傳導(dǎo)受影響,引起胰島素生成增加,后期胰島素敏感性降低,骨骼肌蛋白合成下降,誘發(fā)骨骼肌萎縮。
2型糖尿病患者骨骼肌線粒體含量降低,胰島線粒體膜電位改變、線粒體腫脹ATP生成減少,引起β細(xì)胞胰島素分泌功能受影響[7]。胰島素在胰腺β細(xì)胞中合成并儲(chǔ)存在分泌囊泡中,胰島素分泌受血糖水平、氨基酸和其他循環(huán)激素的調(diào)控。當(dāng)血糖濃度升高時(shí),β細(xì)胞對(duì)葡萄糖攝取增加,β細(xì)胞線粒體對(duì)氧攝取增加。ATP與ADP比值升高抑制細(xì)胞膜上ATP敏感鉀通道,使質(zhì)膜去極化引起鈣流入細(xì)胞,胞漿鈣升高刺激含有胰島素的囊泡胞吐,胰島素分泌到循環(huán)血液中發(fā)揮作用[8]。高血糖引起線粒體形狀變化可能改變膜內(nèi)呼吸鏈復(fù)合物的組織結(jié)構(gòu)和排列,引起電子傳遞鏈(electron transport chain,ETC)活性變化,導(dǎo)致活性氧過量產(chǎn)生。β細(xì)胞中線粒體自由基過量產(chǎn)生與β細(xì)胞衰竭有關(guān),導(dǎo)致胰島素分泌減少。
2型糖尿病患者線粒體蛋白質(zhì)合成速率和酶活性下降,骨骼肌中糖原合成酶活性受損糖原儲(chǔ)存減少,引起葡萄糖代謝紊亂。線粒體活性氧(reactive oxygen species,ROS)大量產(chǎn)生,缺乏抗氧化能力產(chǎn)生過量ROS導(dǎo)致氧化應(yīng)激,造成骨骼肌細(xì)胞核和線粒體DNA損傷。線粒體含量由線粒體融合蛋白調(diào)控,糖尿病患者線粒體融合蛋白1(mitofusin-1,MFN1)和線粒體融合蛋白2(mitofusin-2,MFN2)減少引起骨骼肌線粒體功能障礙[9]。
健康成人肌衛(wèi)星細(xì)胞處于靜止?fàn)顟B(tài),骨骼肌受損時(shí)激活轉(zhuǎn)化成骨骼肌細(xì)胞,大多數(shù)增殖成骨骼肌細(xì)胞隨后進(jìn)行肌源性分化,融合到肌纖維中[10]。糖尿病環(huán)境中肌衛(wèi)星細(xì)胞成肌能力受損可導(dǎo)致骨骼肌萎縮。2型糖尿病引起肌衛(wèi)星細(xì)胞功能障礙由Notch和Wnt信號(hào)通路改變引起,Notch信號(hào)調(diào)節(jié)肌衛(wèi)星細(xì)胞激活和增殖[11]。小鼠發(fā)育過程中Notch信號(hào)消除引起肌源性祖細(xì)胞早期分化,形成非常小的肌肉群。Notch信號(hào)控制肌衛(wèi)星細(xì)胞,刺激它們對(duì)自身微環(huán)境做出反應(yīng)并粘附到肌纖維上。研究表明Wnt信號(hào)活性下調(diào)導(dǎo)致肌衛(wèi)星細(xì)胞肌源性分化受損[11]。Wnt蛋白在創(chuàng)傷愈合反應(yīng)期間調(diào)節(jié)成人骨骼肌纖維中肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖速率,Wnt蛋白是一種分泌型細(xì)胞外配體,與質(zhì)膜中受體結(jié)合,并穩(wěn)定β-連環(huán)蛋白,β-連環(huán)蛋白與T細(xì)胞因子、白細(xì)胞因子形成復(fù)合物,轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞核激活靶基因轉(zhuǎn)錄[12]。Wnt信號(hào)通過調(diào)節(jié)MyoD表達(dá)調(diào)節(jié)肌生成。
胰島素生長(zhǎng)因子1(insulin-like growth factor 1,IGF-1)影響許多合成代謝過程、細(xì)胞生長(zhǎng)、分化和存活。IGF-1與胰島素具有結(jié)構(gòu)同源性下游信號(hào)通路,促進(jìn)骨骼肌對(duì)葡萄糖和游離脂肪酸代謝。IGF-1誘導(dǎo)蛋白質(zhì)合成、抑制蛋白質(zhì)分解、刺激肌衛(wèi)星細(xì)胞肌增殖與現(xiàn)有肌纖維融合[13]。研究發(fā)現(xiàn)IGF-1過度表達(dá)可誘導(dǎo)骨骼肌肥大、蛋白質(zhì)合成增加、蛋白質(zhì)分解減少,促進(jìn)肌衛(wèi)星細(xì)胞激活。骨骼肌再生過程中,成肌細(xì)胞和肌管的細(xì)胞質(zhì)以及肌衛(wèi)星細(xì)胞中檢測(cè)到IGF-1的表達(dá),IGF-1參與運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖[14]。2型糖尿病患者IGF-1水平下降,因此,對(duì)骨骼肌細(xì)胞及肌衛(wèi)星細(xì)胞的生成、生長(zhǎng)及新陳代謝起著一定阻礙作用。
骨骼肌微血管是胰島素作用重要靶點(diǎn),嚴(yán)格調(diào)節(jié)胰島素信號(hào)向骨骼肌傳導(dǎo),影響胰島素介導(dǎo)的葡萄糖代謝[15]。胰島素通過激活內(nèi)皮細(xì)胞中信號(hào)反應(yīng),增加骨骼肌微血管灌注,引起血管內(nèi)皮交換表面積擴(kuò)大,阻斷胰島素介導(dǎo)的骨骼肌微血管灌注可減少骨骼肌對(duì)葡萄糖的攝取。微血管內(nèi)皮功能障礙導(dǎo)致活性氧生成增加,一氧化氮利用降低,微血管內(nèi)皮屏障功能改變導(dǎo)致血管胰島素反應(yīng)受損。血管內(nèi)單層上皮細(xì)胞表達(dá)豐富的胰島素受體以及IGF-1受體。生理濃度下,胰島素僅結(jié)合并激活胰島素受體,但在較高的胰島素濃度下如在胰島素抵抗?fàn)顟B(tài),胰島素也刺激IGF-1受體,通過磷酸肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(Protein kinase B,Akt)途徑導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,eNOS)磷酸化,并產(chǎn)生一氧化氮[16]。在基礎(chǔ)狀態(tài)下,胰島素通過這兩種信號(hào)通路平衡、微調(diào)血管張力和影響骨骼肌血流灌注,但在高生理水平下,胰島素血管舒張作用占主導(dǎo)地位。
骨骼肌負(fù)責(zé)約80 %胰島素介導(dǎo)的葡萄糖攝取[17]。胰島素刺激NO產(chǎn)生,引起毛細(xì)血管前小動(dòng)脈松弛,骨骼肌微血管灌注增加,胰島素介導(dǎo)的微血管募集在5~10 min內(nèi)迅速發(fā)生[18]。骨骼肌中胰島素刺激葡萄糖釋放延遲發(fā)生在胰島素受體結(jié)合之前,血漿胰島素發(fā)揮作用所需的時(shí)間在2型糖尿病患者與正常人群對(duì)比,胰島素介導(dǎo)骨骼肌葡萄糖攝取明顯延遲[19]。
2型糖尿病患者胰島素抵抗與慢性炎癥有關(guān),糖尿病患者血液中腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、C-反應(yīng)蛋白和游離脂肪酸(free fatty acid,FFA)水平升高[20]。脂肪組織分泌的促炎細(xì)胞因子和釋放的FFA可導(dǎo)致骨骼肌胰島素抵抗。骨骼肌細(xì)胞能夠分泌多種細(xì)胞因子,如白細(xì)胞介素(intertleukin,IL-6,18,15)、肌肉生長(zhǎng)抑制素等,它們可通過自分泌作用影響骨骼肌細(xì)胞,并通過旁分泌作用影響局部免疫細(xì)胞和微血管。骨骼肌收縮后IL-6分泌顯著增加,運(yùn)動(dòng)期間IL-6明顯增加了骨骼肌葡萄糖攝取、脂肪氧化、肝臟葡萄糖生成以適應(yīng)骨骼肌能量增加需求[21],IL-6水平較高對(duì)骨骼肌具有分解代謝作用。免疫細(xì)胞如巨噬細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞骨骼肌浸潤(rùn)主要位于骨骼肌細(xì)胞間脂肪組織,激活后可分泌炎性細(xì)胞因子,它們通過細(xì)胞膜作用于骨骼肌細(xì)胞和局部微血管誘導(dǎo)胰島素抵抗。
50 %的糖尿病患者受到周圍神經(jīng)病變(diabetic peripheral neuropathy,DPN)的影響[22]。對(duì)糖尿病患者隨訪8~10年后,觀察到DPN患者肌力加速減退,足和小腿肌肉質(zhì)量加速減退,肌肉無力、動(dòng)作遲緩、步態(tài)不穩(wěn)和頻繁跌倒。運(yùn)動(dòng)單位損失與骨骼肌纖維失去神經(jīng)支配或補(bǔ)償性再生神經(jīng)支配不足有關(guān),如果失去神經(jīng)的骨骼肌纖維不能獲得神經(jīng)支配,隨后骨骼肌纖維將萎縮、死亡,骨骼肌內(nèi)出現(xiàn)脂肪沉積或由其他非肌組織取代[23]。研究發(fā)現(xiàn)2型糖尿病患者的神經(jīng)纖維密度明顯低于原始神經(jīng)纖維密度,周圍神經(jīng)功能不足表現(xiàn)為傳導(dǎo)速度減慢,軸突和感覺神經(jīng)元形態(tài)發(fā)生更明顯變化,DPN是高血糖引起的局部代謝和微血管改變的結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)有周圍神經(jīng)病變的2型糖尿病患者與無周圍神經(jīng)病變的2型糖尿病患者的血清轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)水平相比,糖尿病神經(jīng)病變患者血清TGF-β1水平顯著升高[24]。TGF-β1表達(dá)水平可能與DPN有關(guān),TGF-β1促進(jìn)了施萬細(xì)胞的分裂增殖,促進(jìn)了神經(jīng)損傷修復(fù)。
骨骼肌細(xì)胞存在不同的葡萄糖攝取機(jī)制,一種是胰島素依賴性葡萄糖攝取,休息時(shí)占主導(dǎo)地位,主要依賴胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)攝取葡萄糖,一種是非胰島素依賴性葡萄糖攝取,通過骨骼肌收縮活化蛋白激酶,誘發(fā)GLUT4轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖[25]。2型糖尿病患者運(yùn)動(dòng)后通過非胰島素依賴性機(jī)制增加了骨骼肌對(duì)葡萄糖的攝取,運(yùn)動(dòng)后糖原消耗也會(huì)刺激葡萄糖的攝取,引起機(jī)體血糖顯著降低。研究發(fā)現(xiàn)6周有氧訓(xùn)練改善了2型糖尿病患者的β細(xì)胞功能,12周有氧運(yùn)動(dòng)干預(yù)改善了老年肥胖2型糖尿病患者的β細(xì)胞功能。研究發(fā)現(xiàn)2型糖尿病患者進(jìn)行有監(jiān)督的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練會(huì)改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)、胰島素敏感性增加[26]。
有氧訓(xùn)練可提高心輸出量、毛細(xì)血管密度和骨骼肌肌紅蛋白水平,有助于增加最大攝氧量[27]。骨骼肌拉伸訓(xùn)練可增加骨骼肌血流、改善毛細(xì)血管內(nèi)皮功能。血管內(nèi)皮細(xì)胞可感知拉伸和剪切應(yīng)力,應(yīng)力刺激引起內(nèi)皮細(xì)胞形態(tài)變化和功能改善,機(jī)械拉伸可引起血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)水平升高[28]。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可改善2型糖尿病患者的微血管擴(kuò)張、胰島素敏感性、增加骨骼肌毛細(xì)血管數(shù)量,增加胰島素依賴性葡萄糖攝取。研究發(fā)現(xiàn),參與運(yùn)動(dòng)的骨骼肌微血管功能得到明顯改善,全身微血管功能提高可有效改善血糖控制[29]。胰島素抵抗或2型糖尿病患者中,運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可提高微血管對(duì)胰島素的反應(yīng)、增加微血管數(shù)量和增加毛細(xì)血管血流量,改善胰島素敏感性,激活胰島素相關(guān)信號(hào)通路,增加骨骼肌中葡萄糖和胰島素?cái)z取[30]。
運(yùn)動(dòng)引起骨骼肌橫截面積增加、毛細(xì)血管密度增加、纖維類型轉(zhuǎn)換和線粒體數(shù)量增加,最終使骨骼肌細(xì)胞線粒體密度增加。骨骼肌收縮以及負(fù)荷刺激減少引起蛋白質(zhì)分解和細(xì)胞凋亡相關(guān)信號(hào)通路激活,蛋白質(zhì)合成減少,當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)分解超過蛋白質(zhì)合成時(shí)就造成骨骼肌萎縮,同時(shí)使線粒體功能受到影響[31]。耐力訓(xùn)練增加線粒體蛋白質(zhì)合成、氧化能力,增加ATP生成以滿足訓(xùn)練需求,較低水平的耐力訓(xùn)練也會(huì)增加線粒體蛋白質(zhì)的合成[32]。耐力運(yùn)動(dòng)增加了線粒體總蛋白質(zhì),包括參與β-氧化、三羧酸循環(huán)和電子傳遞鏈的蛋白質(zhì),提高參與運(yùn)動(dòng)的骨骼肌能量供應(yīng)能力。
運(yùn)動(dòng)抗炎作用與骨骼肌收縮后產(chǎn)生和釋放抗炎細(xì)胞因子發(fā)揮作用有關(guān)。運(yùn)動(dòng)時(shí)IL-6從骨骼肌收縮的纖維釋放到血液中,IL-6隨著運(yùn)動(dòng)而增加[33],運(yùn)動(dòng)期間IL-6明顯增加了骨骼肌的葡萄糖攝取、脂肪氧化、肝臟葡萄糖生成,降低脂毒性。長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可預(yù)防慢性炎癥反應(yīng),長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)也可能通過防止內(nèi)臟脂肪積聚發(fā)揮抗炎作用[34]。脂肪組織可分泌脂肪因子,脂肪因子可引起胰島素抵抗和慢性炎癥反應(yīng),有氧和阻力運(yùn)動(dòng)都可促進(jìn)脂肪組織氧化代謝,降低慢性炎癥反應(yīng),改善胰島素抵抗。
骨骼肌損傷再生后,運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元對(duì)重建骨骼肌支配功能至關(guān)重要。研究表明骨骼肌干細(xì)胞與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的相互作用有助于發(fā)育和再生過程中構(gòu)建功能性骨骼肌[35]。骨骼肌-神經(jīng)連接允許執(zhí)行骨骼肌功能,當(dāng)不能正常連接或被切斷時(shí),肌細(xì)胞死亡引起骨骼肌萎縮。拉伸訓(xùn)練可降低骨骼肌僵硬,減少神經(jīng)機(jī)械延遲,肌肉僵硬度降低可能是由于訓(xùn)練后招募閾值降低。力量訓(xùn)練后在特定動(dòng)作中脊神經(jīng)電信號(hào)輸出增加[36]。
研究表明有氧和阻力運(yùn)動(dòng)都能增加機(jī)體IGF-1水平[37]。IGF-1通過加速肌源性分化途徑增強(qiáng)神經(jīng)損傷后骨骼肌再生。IGF-1局部表達(dá)通過增強(qiáng)骨骼肌生成、周圍神經(jīng)生長(zhǎng)、改善神經(jīng)功能加速再生過程。IGF-1促進(jìn)肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖,骨骼肌損傷后IGF-1誘導(dǎo)肌衛(wèi)星細(xì)胞分化。IGF-1誘導(dǎo)骨骼肌中神經(jīng)纖維染色軸突數(shù)量增加[38],骨骼肌分化因子增加,神經(jīng)傳導(dǎo)速度增加,骨骼肌萎縮減少。
研究發(fā)現(xiàn)重復(fù)同一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練會(huì)導(dǎo)致骨骼肌損傷反應(yīng)減弱,增加骨骼肌運(yùn)動(dòng)也會(huì)促進(jìn)肌組織再生,通過跑步運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練誘發(fā)肌衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量增加和有絲分裂活性加強(qiáng)。在早期骨骼肌再生過程中,正常收縮負(fù)荷減少不會(huì)改變肌衛(wèi)星細(xì)胞有絲分裂活性,但會(huì)抑制肌衛(wèi)星細(xì)胞的成熟增加,包括肌纖維大小、蛋白質(zhì)濃度和肌球蛋白表達(dá)。因此正常負(fù)重活動(dòng)所需的最小負(fù)荷對(duì)于未受損肌纖維的修復(fù)和再生是必要的,對(duì)新形成的肌纖維成熟尤為重要[39]。
隨著中國(guó)人口老齡化社會(huì)的到來以及生活方式變化,2型糖尿病患病率逐年增加。2型糖尿病引起骨骼肌線粒體數(shù)量下降、ROS生成增加,引起氧化應(yīng)激、炎癥因子產(chǎn)生,誘發(fā)胰島素抵抗、微血管功能受損、肌衛(wèi)星細(xì)胞功能受限、神經(jīng)細(xì)胞功能受損、IGF-1生成減少,誘發(fā)機(jī)體葡萄糖利用下降、胰島素抵抗加重、骨骼肌萎縮肌力下降,引起2型糖尿病患者運(yùn)動(dòng)功能受限,導(dǎo)致患者生活質(zhì)量下降。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練干預(yù)糖尿病是一項(xiàng)既經(jīng)濟(jì)又有效的途徑,運(yùn)動(dòng)干預(yù)可從多方面改善2型糖尿病患者的骨骼肌萎縮。有氧和阻力運(yùn)動(dòng)可激活非胰島素依賴性葡萄糖攝取途徑,增加骨骼肌葡萄糖攝取,降低血糖。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練能夠引起骨骼肌橫截面積增加、毛細(xì)血管密度增加、纖維類型轉(zhuǎn)換和線粒體數(shù)量增加、骨骼肌細(xì)胞線粒體密度及ATP生成的增加,改善骨骼肌細(xì)胞氧化應(yīng)激;降低炎癥因子,促進(jìn)脂肪代謝,改善胰島素抵抗,預(yù)防骨骼肌萎縮;增強(qiáng)微血管對(duì)胰島素的反應(yīng),增加毛細(xì)血管密度和血流量,改善胰島素信號(hào)傳導(dǎo),增加骨骼肌葡萄糖和胰島素代謝;促進(jìn)損傷神經(jīng)修復(fù),增加運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元對(duì)骨骼肌的支配。運(yùn)動(dòng)干預(yù)可激活肌衛(wèi)星細(xì)胞,肌衛(wèi)星細(xì)胞激活后分化為骨骼肌細(xì)胞。有氧和阻力運(yùn)動(dòng)可增加IGF-1水平,促進(jìn)骨骼肌細(xì)胞和肌衛(wèi)星細(xì)胞增值,促進(jìn)糖尿病損傷神經(jīng)修復(fù),促進(jìn)蛋白合成代謝,使骨骼肌體積增加。
綜上,2型糖尿病引起的骨骼肌萎縮發(fā)病率較高,發(fā)病機(jī)制較復(fù)雜。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可有效預(yù)防2型糖尿病引起的骨骼肌萎縮,運(yùn)動(dòng)干預(yù)2型糖尿病骨骼肌萎縮的機(jī)制值得進(jìn)一步探究。