糖尿病相关认知障碍发生机制的研究进展

浦苏颖 赵玉武

近年来，糖尿病并发中枢神经系统的损害引起了人们的广泛关注。业已证实，糖尿病可以导致中枢神经系统的代谢、神经化学、形态学、电生理及神经行为等多方面的改变。研究显示，糖尿病大鼠海马CA1区锥体细胞的超微结构发生了异常变化，为糖尿病可导致认知功能障碍提供了形态学依据。最近研究表明，约有10%的糖尿病患者可能并发认知功能障碍［1］，而且糖尿病可能是阿尔兹海默病（Alzheimer disease，AD）的危险因素之一［2］。但关于糖尿病相关认知障碍的发病机制尚不十分清楚。本文就目前糖尿病相关认知障碍发病机制的研究进展做一综述。

1 脑血管相关机制

1.1 脑白质病变（white matter lesions，WMLs）WMLs是指一种大脑的结构性改变，以中枢神经细胞的髓鞘损害为主要特征，病变累及白质束。WMLs发生机制极为复杂，涉及到细胞内信号转导过程和细胞外信号分子调节异常等。糖尿病微血管病变是WMLs的危险因素之一，最新证据显示WMLs在认知障碍中非常普遍并且与脑血管淀粉样变相关［3］。因此，认为 WMLs与糖尿病相关认知障碍是密切相关的，可能是正常认知功能到糖尿病相关认知障碍的过渡阶段。然而，它们之间的确切关系还不清楚，尚待进一步研究。

1.2 脑血管内皮细胞功能障碍 Deepti等［4］发现，脑血管内皮细胞能分泌一种具有神经保护作用的物质——大脑神经保护因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF），BDNF能保护神经元抵抗晚期醣基化终产物（advanced glycation end products，AGEs）的氧化损伤。

有研究者在链脲霉素诱导的糖尿病小鼠模型中观察到，大脑皮质小动脉的内皮细胞和平滑肌细胞分别在14周和16周开始衰退变性［5］；4～8个月后发现毛细血管基底膜厚度增加，外膜细胞衰退变性，皮质容量减少［6］；1年后，大脑新皮层中神经元显著减少［7］。将人脑血管内皮细胞放置在醣基化牛血清白蛋白（AGE－bovine serum albumin，AGE－BSA）中48h，发现内皮细胞分泌BDNF的作用受到了抑制，同时细胞裂解物中磷酸化胞外信号调节激酶（extracellular signal－regulated kinase，ERK）的量显著升高，由此推测糖尿病小鼠可以通过活化ERK／丝裂原激活蛋白激酶（mitogen－activation protein，MAP）信号肽途径，使脑血管内皮细胞受损，分泌BDNF减少［4］。缺少BDNF保护的内皮细胞直接暴露在AGEs下，AGEs通过晚期醣基化终产物受体（receptor for advanced glycation end products，RAGE）在微血管中积累，微血管中AGEs－RAGE介导的慢性炎性反应导致神经元发生与AD相似的病理过程。因此，BDNF减少可能是导致潜在神经元功能障碍的分子机制，这在糖尿病相关认知障碍的发病过程中至关重要。

2 神经细胞相关机制

2.1 神经胶质细胞代谢紊乱 有研究发现，在糖尿病动物大脑组织中三氟乙酸对谷氨酸盐、谷氨酰胺和氨酪酸（GABA）的抑制作用非常大，可以抑制97%谷氨酰胺的合成，大大超过正常血糖动物组的70%［8］。该结果表明在正常血糖动物大脑中神经胶质细胞参与活跃的三羧酸循环，对谷氨酰胺合成、循环及谷氨酸能神经传递所需能量的提供起到主导作用，而这一作用在糖尿病动物中更大。

糖尿病动物中，蛋白质分解代谢加速，氨产生量增多。氨是有毒物质，一旦血氨过高可能抑制丙酮酸脱氢酶活性，从而影响乙酰辅酶A的生成，干扰脑中三羧酸循环。血液中大量的氨需要以谷氨酰胺这种无毒的方式运输到肝、肾排出体外，这就使神经胶质细胞对谷氨酰胺循环的依赖增加，对缺血损伤敏感度增加［9］。神经胶质细胞表面分布有多种高效的神经递质转运体，谷氨酸和GABA转运体，通过这些递质转运体，神经胶质细胞可以有效清除神经元突触间隙内的神经递质，快速终止突触传递。谷氨酸生成增多超出胶质细胞清除能力是可以影响神经元之间的突触功能。氨与谷氨酸在谷氨酰胺合成酶的催化下合成谷氨酰胺，谷氨酰胺合成酶存在于神经胶质细胞中，谷氨酰胺是一种有机渗透质，合成过多可导致神经胶质细胞肿胀，不能维持正常功能。总之，糖尿病可以诱导神经胶质细胞谷氨酰胺循环出现异常，导致神经元机能障碍和细胞凋亡，干扰大脑功能，造成认知功能损伤。

2.2 肌球蛋白轻链激酶表达异常 研究者通过双向电泳和免疫组化技术把糖尿病和正常小鼠大脑中的蛋白质进行比较分析，发现两组动物有8个蛋白质的表达明显不同。其中，变化最大的是肌球蛋白轻链激酶（myosin light chain kinase，MLCK）［10］。

MLCK在糖尿病小鼠大脑中表达显著升高，并且主要存在于神经胶质细胞核和神经元中。它是一种多功能蛋白，参与多种细胞生命过程，如平滑肌的收缩、非肌肉细胞收缩、胞质分裂以及应力纤维的合成和活动等。MLCK过度表达一方面可以使血管平滑肌过度收缩而造成严重缺血，另一方面可以调节生长孔的移动和神经轴突的延伸，活化突触囊泡，促进神经递质释放，改变神经突触的正常功能。这两种途径改变了神经元的血供和正常的神经递质代谢而使神经元受损，最终使认知能力下降［11］。

3 血－脑脊液屏障相关机制

血－脑脊液屏障是调节分子进出中枢神经系统的门户，其破坏后脑脊液中白蛋白含量增加，可以导致血管性痴呆或 AD［12］。Skoog等［13］发现，在85岁老年人中，痴呆患者脑脊液与血清白蛋白比值高于非痴呆患者，但与痴呆的严重程度无关。Starr等［14］通过 MRI检测发现65～70岁的糖尿病患者中血－脑脊液屏障通透性增高。WMLs是T2加权像检测到的高信号区域，Farrall等［15］在实验中发现WMLs不仅与脑卒中、认知损害和痴呆的发生风险成正相关，而且与血－脑脊液屏障的功能障碍有关联。糖尿病患者血－脑脊液屏障通透性随着WMLs数量的增多而增加，其大脑影像学显示WMLs越多，神经心理学测验分值越低，患者认知功能损害也越严重。这些都说明在认知损害和痴呆患者中血－脑脊液屏障破坏几率升高，但是，糖尿病如何破坏血－脑脊液屏障从而影响认知功能，尚需进一步研究阐明。

4 外周代谢产物相关机制

4.1 C肽 C肽又称连接肽，是胰岛β细胞的分泌产物。胰岛β细胞最初合成的多肽称前胰岛素原，在信号肽酶作用下，前胰岛素原的信号肽被切除而成为胰岛素原。最后胰岛素原通过蛋白酶的水解作用，生成胰岛素和1个C肽。新的证据表明，糖尿病相关认知障碍发病的主要起始事件是胰岛素信号肽受损。C肽对细胞表面有高度亲和力，能特异性结合并激活胰岛素受体，调节胰岛素信号肽，其在胰岛素分泌增加时减少，胰岛素分泌减少时增加［16］。C肽下降可以影响胰岛素信号肽表达而增加神经递质合成，提高非特异炎性因子活性，增加氧化和细胞凋亡事件发生。细胞凋亡介导神经元的程序自然死亡，是中枢神经系统成熟过程中的重要生理过程。然而，过早凋亡和／或细胞凋亡调控失常将引起神经元坏死增加，如海马中灰质神经元消亡，白质中少突胶质细胞的早期脱髓鞘病变。这些改变导致大脑组织损伤并破坏局部脑内通路，最终引起储存信息、回忆信息及长期记忆的功能下降。C肽虽不能纠正高血糖症，但能使胰岛素信号肽级联正常化，减少炎性应答、氧化以及抵抗细胞凋亡对神经元的损伤，从而改善认知功能和纠正行为缺陷。另外，C肽不足可以增加受损内皮细胞中一氧化氮合酶（eNOS）的表达和一氧化氮（nitric oxide，NO）的生物活性，造成神经内膜的低氧血症，使神经元发生氧化损伤，促进糖尿病相关认知障碍发生［17］。

4.2 血胰岛素水平升高 高胰岛素血症是糖尿病发病进程中的一个核心机制，它也是认知功能障碍不依赖脑血管疾病的危险因素之一。外周血管内皮细胞表面和血－脑脊液屏障内皮表面存在胰岛素受体，胰岛素与内皮细胞受体结合后，通过胞饮、胞内降解、基底膜侧胞吐释放完整的胰岛素，完成跨内皮转运。胰岛素受体也广泛存在于中枢神经系统的各个区域，嗅球的胰岛素受体水平最高，其次是大脑皮质、海马、下丘脑、杏仁核、隔核等，小脑、丘脑含量较少，垂体最少。在认知功能障碍患者中，胰岛素受体密集区域神经元出现典型退行性变［18］。胰岛素降解酶与大脑中淀粉样蛋白β（Aβ）的清除有关，可以影响Aβ水平。胰岛素和Aβ都是胰岛素降解酶的竞争底物［19］。高胰岛素血症使大脑中胰岛素量增加，导致参与竞争胰岛素降解酶的底物增加，间接增加了大脑中Aβ的量。于是，不被降解的Aβ在大脑中沉积和积累增加，并使Tau蛋白磷酸化，影响能量代谢和乙酰胆碱合成。这些改变与AD的病理过程非常相似，因此推测这可能是加速认知功能受损发生的关键步骤。

4.3 AGEs 糖尿病患者和痴呆患者的大脑组织中，脑血管中AGEs均显著增加［20］。AGEs是体内醣基化反应的终末产物，是一种大分子交联物，生成后沉积在血浆和组织中，对酶稳定，不易被机体清除。若体内生成醣基化产物过多，则会影响机体组织器官的正常功能，导致疾病发生。高血糖状态能够使脑内葡萄糖水平增高，引起脑神经元蛋白非酶醣基化反应，促进AGEs及其受体增多。所谓蛋白质醣基化是指体内还原性糖与蛋白质氨基端进行共价结合，此过程无需酶的催化，故又称为非酶促蛋白醣基化反应［21］。

在血管壁堆积的AGEs可干扰内源性NO合成和血管扩张作用，AGEs受体表达增加血管附近区域Aβ沉积，这在启动、加速动脉硬化、神经元损伤、认知功能障碍和微血管并发症方面都起着重要作用，造成机体疾病和衰老。

4.4 热休克蛋白（heat shock proteins，HSPs）HSPs是一类热应激蛋白质。1962年，有人发现将果蝇的培养温度从25℃提高到30℃，30min后可在多丝染色体上看到蓬松现象，提示这些区带基因转录加强并可能有某些蛋白质合成增加。至1974年人们成功分离出这种蛋白质，即HSP。之后人们发现除环境高温以外，其他应激原如缺氧、寒冷、感染、饥饿、创伤、中毒等也能诱导细胞生成HSP。HSPs在应激条件下，可以通过合成、调节、修复蛋白质来防止组织损伤并促进损伤组织愈合。此外，HSPs也可以减轻糖尿病、缺血再灌注等病理过程对中枢神经系统造成的损伤。Jani等［22］对小鼠进行跑台运动的耐力训练，训练终点为小鼠体力耗尽，以翻正反射的消失为鉴定标准。经过耐力训练后，正常小鼠大脑中HSP90及其基因水平均有所上升，而糖尿病动物脑组织中HSP90及其基因水平保持不变。HSP90在胞质溶浆中有丰富的表达，并且参与催化几种底物蛋白质与细胞调节和细胞内信号相关分子伴侣的相互作用。这提示非糖尿病动物具有保护作用的应答，而在糖尿病动物中这一应答反应受到了抑制。延长因子eEF－2对新生肽在核糖体内的转位和翻译过程有至关重要的作用。耐力训练试验中发现小鼠eEF－2蛋白水平下降，这提示糖尿病可能通过降低小鼠体内eEF－2水平减弱应激蛋白的应答反应来削弱机体的保护机制。另外，有缺陷的mRNA翻译也能减少HSPs合成［23］。因此，在糖尿病小鼠中，由于延长因子受到抑制，使mRNA翻译成保护性蛋白质的诱导过程也受到抑制，从而不能发挥保护神经元的作用。遗憾的是，目前还没有发现糖尿病小鼠通过何种途径来影响体内eEF－2水平。

糖尿病相关认知障碍是糖尿病慢性并发症之一，由于其累及认知和记忆等重要功能，必将受到越来越多的关注。近年来，国外科学界又提出一个新术语——糖尿病性脑病，此概念的提出进一步促进了对糖尿病相关认知障碍领域的研究［24］。糖尿病所致脑功能损害和老年性脑病损害常并存，而且老年患者常合并其他脏器慢性疾病，这些因素均增加了糖尿病相关认知障碍发病机制的复杂性。目前认为，蛋白质组学是一种很好的研究方法，通过分析在糖尿病大脑中蛋白质表达的异常，可以为进一步研究糖尿病相关认知障碍发病机制提供有价值的线索。

［1］Sima AA.Encephalopathies:the emerging diabetic complications［J］.Acta Diabetol，2010，47:279－293.

［2］Luchsinger JA.Type 2diabetes and cognitive impairment:linking mechanisms［J］.J Alzheimers Dis，2012，30:S185－S198.

［3］Gurol ME，Irizarry MC，Smith EE，et al.Plasma｛beta｝－amyloid and white matter lesions in AD，MCI，and cerebral amyloid angiopathy［J］.Neurology，2006，66:23－29.

［4］Deepti N，Shu－zhen G，Kazhuhide H，et al.Decreased cerebrovascular brain－derived neurotrophic factor—mediated neuroprotection in the diabetic brain［J］.Diabetes，2011，60:1789－1796.

［5］Moore SA，Bohlen HG，Miller BG，et al.Cellular and vessel wallmorphology of cerebral cortical arterioles after short－term diabetes inadult rats［J］.Blood Vessels，1985，22:265－277.

［6］Junker U，Jaggi C，Bestetti G，et al.Basement membrane of hypothalamusand cortex capillaries from normotensive and spontaneously hypertensive rats with streptozotocin－induced diabetes［J］.Acta Neuropathol，1985，65:202－208.

［7］Jakobsen J，Sidenius P，Gundersen HJ，et al.Quantitative changes of cerebral neocortical structure in insulin－treated long－term streptozocin－induced diabetes in rats［J］.Diabetes，1987，36:597－601.

［8］Maria A，Maria L，Sebastian C.Role of glial metabolism in diabetic encephalopathy as detected by high resolution 13C NMR［J］.NMR Biomed，2003，16:440－449.

［9］Lebon V，Petersen KF，Cline GW，et al.Astroglial contribution to brain energy metabolism in humans revealed by 13C nuclear magnetic resonance spectroscopy:elucidation of the dominantpathway for neurotransmitter glutamate repletion and measurement of astrocytic oxidative metabolism［J］.J Neurosci，2002，22:1523－1531.

［10］Li X，Pan W，Yang GZ，et al.Proteome analysis of differential protein expression in brain of rats with type 1diabetes mellitus［J］.Exp Clin Endocrinol Diabetes，2011，119:265－270.

［11］Pasquier F，Boulogne A，Leys D，et al.Diabetes mellitus and dementia［J］.Diabetes Metab，2006，32（5Pt1）:403－414.

［12］Palmer AM.The blood－brain barrier［J］.Neurobiol Dis，2010，37:1－2.

［13］Skoog I，Wallin A，Fredman P，et al.A population study on blood－brain barrier function in 85－yearolds:Relation to Alzheimer’s disease and vascular dementia［J］.Neurology，1998，50:966－971.

［14］Starr JM，Wardlaw J，Ferguson K，et al.Increased bloodbrain barrierpermeability in typeⅡdiabetes demonstratedby gadolinium magnetic resonance imaging［J］.J Neurol Neuro－surg Psychiatry，2003，74:70－76.

［15］Farrall AJ，Wardlaw JM.Blood－brain barrier:Ageing and microvascular disease—systematic review and meta－analysis［J］.Neurobiol Aging，2009，30:337－352.

［16］Cai XJ，Xu HQ，Lu Y.C－peptide and Diabetic Encephalopathy［J］.Chin Med Sci J，2011，26:119－125.

［17］Wahren J，Ekberg K，Jörnvall H.C－peptide is a bioactive peptide［J］.Diabetologia，2007，50:503－509.

［18］李瑞晟，王蓬文.胰岛素及其信号转导通路与AD相关生物标记物的关系［J］.中国神经免疫学和神经病学杂志，2010，17:294－296.

［19］Farris W，Mansourian S，Chang Y，et al.Insulin－degrading enzyme regulates the levels of insulin，amyloid beta－protein and the beta－amyloid precursor protein intracellular domain in vivo［J］.Proc Natl Acad Sci US A，2003，100:4162－4167.

［20］Negrean M，Stirban A，Stratmann B，et al.Effects of lowand high－advanced glycation endproduct meals on macro－and microvascular endothelial function and oxidative stress in patients with type 2diabetes mellitus［J］.Am J Clin Nutr，2007，85:1236－1243.

［21］Hu JS，Ma XY，Sheng SL.Hyperglycemia induces protein non enzym eatic glycosylation in brain neurons of diabetic rats at early stage［J］.Neural Regen Res，2007，2:42－45.

［22］Jani L，Zekine L，Niku KJ，et al.Alpha－lipoic acid does not alter stress protein response to acute exercise in diabetic brain［J］.Cell Biochem Funct，2010，28:644－650.

［23］Sataranatarajan K，Mariappan MM，Lee MJ，et al.Regulation of elongation phase of mRNA translation in diabetic nephropathy:ameliorationby rapamycin［J］.Am J Pathol，2007，171:1733－1742.

［24］Mijnhout GS，Scheltens P，Diamant，et al.Diabetic encephalopathy:a con cept in need of a defin ition［J］.Diabetologia，2006，49:1447－1448.