二甲雙胍抗皮膚老化研究進展

賴惠君 楊 嵐 郭紅衛(wèi)

1廣東醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院皮膚病科,廣東湛江,524003;2廣州市紅十字會醫(yī)院,廣東廣州,510000

2019年世界衛(wèi)生組織在國際疾病分類(ICD-11)中將衰老歸為與內(nèi)在老化(自然老化)和外在老化有關(guān)的疾病[1］,這大大推動了衰老及其相關(guān)疾病的研究和治療策略的發(fā)展。皮膚作為人體最大的器官,直接反映著個體身體健康和年齡。隨著年齡的增長和環(huán)境的影響,皮膚會經(jīng)歷自然衰老和光老化兩種類型的衰老。自然衰老是由內(nèi)在因素(如時間、遺傳因素和激素水平的改變)引起的生理變化的必然過程,引起細紋、皮膚干燥和松弛[2］。而光老化則是外部環(huán)境因素如紫外線、污染和吸煙等誘導(dǎo)氧化應(yīng)激對細胞造成損害,從而加速細胞衰老(cellular senescence),表現(xiàn)為皮膚皺紋增加、真皮變薄、皮膚彈性喪失、不規(guī)則色素沉著和脂溢性角化[3］。細胞衰老以永久性的增殖停滯為特征,而細胞增殖能力的逐漸喪失最終會導(dǎo)致組織的老化,氧化應(yīng)激在細胞老化中發(fā)揮重要作用[4］。

如何延緩皮膚老化,提高皮膚健康水平,一直都是皮膚科研究的熱點問題之一?？顾ダ纤幬飳τ谘泳徠つw自然或者光老化具有重要的作用[5］。二甲雙胍(metformin)是一種口服降糖藥物,已被廣泛應(yīng)用于2型糖尿病的治療[6］。近年發(fā)現(xiàn)還具有抗衰老作用,包括對皮膚老化的保護作用,降低多種與年齡相關(guān)的疾病的發(fā)病率和總死亡率[7,8］。一系列針對不同的細胞系和模型生物的研究表明,二甲雙胍可以通過靶向與衰老相關(guān)的關(guān)鍵分子來延緩衰老和減輕衰老相關(guān)疾病[9-11］。本文旨在綜述二甲雙胍抗衰老作用及其機制研究進展,以期為抗衰老藥物的相關(guān)研究和開發(fā)提供新思路。

1 二甲雙胍的細胞水平轉(zhuǎn)運

二甲雙胍在生理條件下帶正電荷,是一種親水性化合物,需要載體轉(zhuǎn)運到靶細胞內(nèi)發(fā)揮藥理作用。二甲雙胍的細胞內(nèi)轉(zhuǎn)運或者攝取是通過SLC22A基因編碼的多特異性細胞膜有機陽離子轉(zhuǎn)運蛋白(organic cation transporters,OCT)以及SLC47A1基因編碼的多藥和毒素外排轉(zhuǎn)運蛋白(multidrug and toxin extrusion protein,MATE-1)實現(xiàn)的[12］。轉(zhuǎn)運蛋白削弱堿基,以促進二甲雙胍的細胞內(nèi)攝取。研究表明,質(zhì)子泵抑制劑(PPIs)如蘭索拉唑通過抑制OCT1、OCT2和OCT3來抑制二甲雙胍的細胞內(nèi)攝取[13］?？诜堤撬幦鸶窳心魏土_格列酮也可抑制OCT1介導(dǎo)的二甲雙胍細胞內(nèi)轉(zhuǎn)運[14］。因此,質(zhì)子泵抑制劑與降糖藥瑞格列奈和羅格列酮會降低二甲雙胍藥效,而成骨細胞可以通過激活OCT1將二甲雙胍轉(zhuǎn)運到細胞中[15］。

二甲雙胍不經(jīng)歷肝臟代謝,腎臟中活躍的腎小管分泌是二甲雙胍排泄的主要途徑。二甲雙胍到達腎臟后,由于其親水性,二甲雙胍不能通過質(zhì)膜擴散進入細胞質(zhì),它通過位于近端小管基底外側(cè)膜的OCT-2從血液中進入近端腎小管腎細胞,隨后通過位于近端小管管腔膜的MATE-1轉(zhuǎn)運蛋白分泌到尿液中,在尿液中以未改變的形式排泄[16］。因此通過調(diào)控OCT轉(zhuǎn)運蛋白可以修飾二甲雙胍藥物作用,為臨床藥物相互作用提供依據(jù)。

2 二甲雙胍增強細胞自噬抵抗細胞老化

自噬(autophagy)是細胞利用溶酶體降解自身細胞質(zhì)蛋白和受損細胞器的分解代謝過程,是一種保守的細胞存活、發(fā)育和細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)平衡調(diào)控程序[17］。自噬系統(tǒng)靶向受損的線粒體,并將其遞送到溶酶體中進行降解,這種分解代謝過程稱為線粒體自噬(mitophagy),有助于維持線粒體的質(zhì)量控制[18］。線粒體是一種被稱為細胞“動力源”的細胞器,線粒體功能受損可導(dǎo)致細胞能量水平降低,伴隨的電子泄漏促進活性氧(ROS)的形成,從而破壞蛋白質(zhì)、膜脂質(zhì)和核酸[19］。同時,受損的線粒體還可以通過釋放細胞色素c來激活半胱天冬酶-9啟動細胞凋亡[20］。最近的研究表明,線粒體自噬受損與神經(jīng)退行性疾病(如帕金森病和阿爾茨海默癥)以及衰老過程密切相關(guān)[21］。

衰老細胞通常伴隨著線粒體特異性自噬的減少,導(dǎo)致衰老和功能失調(diào)的線粒體積累,而功能失調(diào)的線粒體是衰老細胞中活性氧(ROS)升高的主要來源[22］,這是衰老細胞的另一個重要標志。值得注意的是,與ROS相關(guān)的線粒體損傷與光老化之間也存在密切聯(lián)系[23］,并且重復(fù)的UVA暴露可導(dǎo)致線粒體DNA突變的增加[24］。而二甲雙胍可通過增強線粒體自噬來減弱UVA誘導(dǎo)的皮膚光老化[25］。

二甲雙胍對蛋白質(zhì)平衡的穩(wěn)定作用主要是通過直接和間接抑制mTOR信號傳導(dǎo)增強自噬和抑制蛋白質(zhì)合成[26］。mTOR是一種非典型絲氨酸/蘇氨酸激酶,屬于磷酸肌醇3激酶(PI3K)相關(guān)激酶家族,mTOR通過與多種伴侶蛋白結(jié)合形成兩種不同的信號復(fù)合物,分別稱為mTOR復(fù)合物1(mTORC1)和mTOR復(fù)合物2(mTORC2)。mTORC1的失調(diào)與自噬缺陷相關(guān)的疾病有關(guān)[27］。TFEB是溶酶體和自噬基因的主要轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子,mTORC1通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子EB(TFEB)的定位、抑制TFEB活性調(diào)節(jié)自噬[28］。高mTORC1活性促進生物分子合成,同時抑制自噬。

Chen等觀察到老年小鼠造血干細胞mTORC1表達升高,PI3K/AKT/mTOR信號通路的上游分子Tsc1(tuberous sclerosis complex 1)的丟失導(dǎo)致該信號通路抑制解除,參與造血干細胞衰老的發(fā)生。重要的是,mTOR抑制劑可恢復(fù)造血干細胞自我更新和造血功能,提高小鼠免疫力并延長壽命[29］。研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可通過激活A(yù)MPK從而抑制mTOR途徑和降低糖尿病心肌病中的焦亡[30］,增強線粒體自噬[31］。因此,二甲雙胍發(fā)揮抗衰老作用的一個重要分子生物學(xué)機制是增強自噬以緩解皮膚老化進程[32,33］。

3 二甲雙胍抑制氧化應(yīng)激抵抗細胞衰老

越來越多的研究表明,氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙在皮膚老化的發(fā)病機制中起著核心作用[17,34］。二甲雙胍通過調(diào)節(jié)線粒體發(fā)揮生物學(xué)作用,其作用機制的核心是改變細胞的能量代謝[35,36］。該作用機制涉及多個分子生物學(xué)機制,其中包括對線粒體呼吸鏈復(fù)合物I (mitochondrial complex I)的下調(diào)和AMPK磷酸化的上調(diào)[37］。

線粒體是細胞功能的重要支點,是調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激、能量產(chǎn)生、細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和細胞凋亡的關(guān)鍵。線粒體的主要功能是產(chǎn)生釋放能量,合成三磷酸腺苷(ATP),同時通過三羧酸循環(huán)氧化代謝產(chǎn)物,產(chǎn)生煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADH)和還原黃素腺嘌呤二核苷酸(FADH2)[38］。線粒體呼吸鏈復(fù)合物I是線粒體氧化呼吸鏈的第一個復(fù)合物,電子傳遞鏈的關(guān)鍵酶[39］。它通過氧化還原反應(yīng)將NADH轉(zhuǎn)化為能夠用于ATP合成的能量,并在過程中產(chǎn)生質(zhì)子梯度。過度活化的線粒體呼吸鏈復(fù)合物I會對線粒體電子傳遞鏈造成實質(zhì)性損傷,導(dǎo)致線粒體損傷,從而加速細胞老化和皮膚老化[40］。而二甲雙胍可以通過下調(diào)線粒體呼吸鏈復(fù)合物I的表達和活性,抑制其過度活化,并通過選擇性抑制線粒體呼吸鏈復(fù)合物I的反向電子流顯著減少線粒體內(nèi)ROS的產(chǎn)生[41］,而細胞內(nèi)ATP濃度下降以及ADP/ATP和AMP/ATP比值增加,從而激活細胞內(nèi)AMPK信號通路[42］。AMPK是細胞能量穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵能量傳感器,也是一種重要的代謝調(diào)節(jié)因子,能夠調(diào)節(jié)細胞內(nèi)多個代謝途徑,包括糖原合成、脂肪酸合成和葡萄糖攝取等[43］。AMPK在皮膚細胞中也扮演著重要的角色,對皮膚細胞老化具有保護作用[44］。二甲雙胍能夠促進AMPK的磷酸化,激活其功能,從而促進皮膚細胞的代謝和生長,減緩皮膚老化的進程。

當線粒體功能障礙,ROS產(chǎn)生過多,膜電位降低,呼吸功能下降,ATP產(chǎn)生減少。過量的ROS還會進一步加劇線粒體功能障礙,這是氧化應(yīng)激無休止循環(huán)的基礎(chǔ)[45］。高水平的ROS有可能觸發(fā)線粒體介導(dǎo)的細胞凋亡和線粒體DNA的降解并加速胰島素抵抗[46］。ROS的過度產(chǎn)生導(dǎo)致氧化應(yīng)激,與皮膚老化的發(fā)病機制相關(guān)[47］。Nakashima等的一項研究表明,藍光誘導(dǎo)的線粒體損傷可導(dǎo)致皮膚氧化應(yīng)激,表現(xiàn)為類似于UVA的皮膚老化[48］。二甲雙胍已被證明可促進線粒體分裂,修復(fù)受損的三羧酸循環(huán),改善線粒體呼吸,恢復(fù)線粒體生命周期,穩(wěn)定線粒體功能,消除ROS的過度產(chǎn)生導(dǎo)致的氧化應(yīng)激。此外,由于二甲雙胍?guī)в姓姾刹⑶铱梢源┻^線粒體內(nèi)膜(響應(yīng)線粒體膜電位),導(dǎo)致線粒體內(nèi)二甲雙胍濃度比細胞外環(huán)境中的二甲雙胍濃度高1000倍[49］,提示二甲雙胍靶向線粒體調(diào)節(jié)線粒體呼吸鏈復(fù)合物I、調(diào)控氧化應(yīng)激發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)。

4 二甲雙胍抑制生長激素-胰島素樣生長因子1軸抵抗衰老

胰島素樣生長因子-1 (insulin-like growth factor 1,IGF-1)是一種由70 個氨基酸組成的單鏈肽,主要由肝臟分泌并轉(zhuǎn)運到靶組織,在結(jié)構(gòu)上類似于胰島素。因此,IGF-1能夠與胰島素受體(insulin receptor,I-R)結(jié)合[50］。此外,IGF-1是生長激素(GH)的主要介質(zhì)。GH由垂體腺中前庭垂體細胞產(chǎn)生,隨后被釋放到血液中以刺激IGF-1的產(chǎn)生和釋放。IGF-1與細胞表面上的IGF-1受體和胰島素受體結(jié)合,進而導(dǎo)致細胞內(nèi)信號分子胰島素受體底物1(insulin receptor substrate,IRS 1)蛋白的磷酸化。一旦IRS蛋白被磷酸化,它會作為信號分子進入PI3K(磷脂酰肌醇3激酶)/Akt(蛋白激酶B)信號通路,進一步促進mTORC1的激活,抑制細胞自噬,最終導(dǎo)致壽命縮短與衰老[51,52］,提示GH和IGF-1作為mTORC1的上游調(diào)節(jié)因子,在細胞生長、自噬和代謝過程中起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用(圖1)。

IRS：胰島素受體底物;PI3K：磷酸肌醇3激酶;AKT：匯絲氨酸/蘇氨酸激酶;mTOR：哺乳動物雷帕霉素靶蛋白;IGF-1：胰島素樣生長因子;AMPK：腺苷酸活化蛋白激酶;Cyt-c：細胞色素 c;ROS：活性氧;Bcl-2：B細胞淋巴瘤2;Bax：Bcl-2 相關(guān)X蛋白

缺乏GH或GH受體的小鼠表現(xiàn)為明顯的壽命延長和衰老延緩,IGF-1的循環(huán)水平受到嚴重抑制,胰島素水平降低以及胰島素敏感性增強[53］。持續(xù)的低IGF-I水平有助于延長動物的壽命并降低與年齡相關(guān)的死亡率[54］,二甲雙胍可通過抑制生長激素-胰島素樣生長因子1軸以及通過限制飲食延長小鼠壽命[55,56］。使用二甲雙胍的糖尿病患者,可能會觀察到IGF-1水平的下降,提示二甲雙胍可通過抑制IGF-1軸抗衰老和延長壽命。

5 小結(jié)

二甲雙胍通過多種途徑發(fā)揮抗衰老效果。首先,它通過調(diào)節(jié)細胞內(nèi)自噬過程,維持線粒體質(zhì)量控制,減輕氧化應(yīng)激,延緩細胞衰老。其次,二甲雙胍能影響線粒體功能,通過調(diào)節(jié)線粒體呼吸鏈復(fù)合物I的活性,減少ROS產(chǎn)生,改善能量代謝,從而對抗線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激。此外,它還能抑制生長激素-IGF 1軸,調(diào)節(jié)mTOR信號傳導(dǎo),增強細胞代謝和自噬,降低IGF-1水平,達到延緩衰老和延長壽命的作用。二甲雙胍的抗衰老機制及其在皮膚抗衰老中的應(yīng)用研究具有重要的研究意義和臨床應(yīng)用價值。它為抗衰老藥物的相關(guān)研究和開發(fā)提供了新的思路。

值得注意的是,雖然二甲雙胍在皮膚抗衰老領(lǐng)域的研究表現(xiàn)出了一定的潛力,但目前還需要進行更多的臨床和實驗室研究,以確定其安全性和有效性。因此,在未來的研究中,需要進一步闡明二甲雙胍對線粒體呼吸鏈復(fù)合物I結(jié)構(gòu)功能的調(diào)節(jié)機制,以及其對細胞自噬和生長激素-胰島素樣生長因子1軸的影響。這將有助于更深入地了解二甲雙胍的抗衰老機制,為開發(fā)更有效的抗衰老藥物和皮膚護理策略提供新的思路和途徑。