糖尿病脑病的发生机制

穆继英 吕丹丹 宋焱峰 景玉宏 (兰州大学基础医学院神经科学研究所，甘肃 兰州 730000)

根据世界卫生组织公布的资料，2005年全球因糖尿病(DM)及其并发症导致的死亡人数大约为110万，而2015年可能会达到180万，到2025年全球DM患病人数将达到3亿，每年因DM导致死亡的人数将超过300万，占所有死亡人数的9%。这一持续增长的患病率和现代化生活方式(食物摄取增多，运动减少，能量过剩，肥胖严重)及世界人口构成(老年人口的比例逐渐增加)关系密切。

1 DM的概述

DM是多种原因导致的胰岛素水平低下及胰岛素抵抗(IR)而出现的糖、脂肪、蛋白质、水和电解质的代谢紊乱综合征。DM主要病理表现为血糖持续升高、胰岛素水平下降或IR、脂质代谢紊乱、水盐平衡失调、能量代谢障碍，波及机体的许多重要器官，引发诸如心脏病、失明、肾衰竭、下肢坏疽及周围神经系统损伤等多种复杂的慢性并发症，其中常见DM视网膜病变(DR)、DM肾病(DN)及DM神经病变。DN又包括了DM中枢神经病变(即DM脑损伤)和DM周围神经病变。临床表现以高血糖为主要特征，典型病人可出现多饮、多尿、多食、消瘦等“三多一少”的症状。DM可分为1型和2型，而1型DM(T1DM)多发生于青少年，多属自身免疫性疾病，T1DM患者的血液中可查出多种自身免疫抗体，如谷氨酸脱羧酶(GAD)抗体、胰岛细胞(ICA)抗体等，这些异常的自身抗体可以损伤胰岛β细胞，使之不能正常分泌胰岛素，因此需要依赖外源性胰岛素的补充来维持生命。2型DM(T2DM)多见于中、老年人，多与遗传因素、肥胖等有关，其胰岛素的分泌量并不低，有的甚至还偏高，IR是其最主要的表现。在DM患病率中，T2DM所占的比例约为95%。

2 DM脑损伤的发病及发生机制

DM性脑病是由于糖脂代谢异常导致大脑在结构、生理及精神等方面出现一系列病理性的改变。DM引发的脑损伤主要临床表现是记忆力减退、注意力下降、抽象思维及推理能力下降、视觉功能障碍〔1〕，重者可发展为痴呆〔2〕，伴发的神经心理学变化主要是抑郁，心理适应能力，情绪控制能力下降〔3〕，病理机制除细胞内高浓度葡萄糖的直接损伤外，氧化压力及慢性炎症反应也是重要的致病原因〔4，5〕，同时在DM病人脑内出现β-淀粉样蛋白(Aβ)沉积〔6〕，干数管结合(Tau)蛋白的磷酸化增多〔7〕。上述一系列功能变化及病理特征和脑老化的机制非常相似，而日渐增多的实验研究也表明长期持续的高血糖可以加速脑的老化〔8〕，导致脑的形态结构、神经化学构筑出现改变，刺激反应能力及下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴功能低下，可塑性下降，胰岛素-胰岛素受体，胰岛素样生长因子及受体信号通路障碍，最终导致神经行为和认知功能缺陷〔2，9〕。DM脑损伤的发病机制目前还不完全明确，但与IR、Aβ沉积、神经细胞突触改变、氧化应激、血管病变等有着密切的关系。

2.1 IR与DM脑损伤 研究〔10〕表明DM记忆力减退和胰岛素信号有密切联系。T2DM患者最基本的病理变化是IR。近年来在脑内也发现有胰岛素及其受体的广泛存在。胰岛素受体的表达主要在神经元，尚没有证据表明它在胶质细胞有表达，胰岛素受体除了在神经元胞体和突起有高表达外，也出现在突触结构上，这可能是胰岛素信号参与突触可塑性调控的重要证据〔11〕。胰岛素在脑内的作用除了参与葡萄糖代谢，很重要的一点可能具有类似神经营养子的作用。

目前已知的胰岛素信号转导途径至少有两条:一是通过胰岛素受体底物(IRS)激活磷酯酰肌醇3激酶(PI3K)途径，另一条是通过Grb2和原癌基因c-ras表达产物(RAS)蛋白活化丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)途径。若PI3K途径出现障碍则会导致糖原合成酶激酶(GSK-3β)活性增加，而GSK-3β已被证实可通过调节-分泌酶的活性而促进Aβ40及Aβ42的合成，导致了Aβ合成增加〔12〕。通过注射链脲佐菌素(STZ)联合高脂饮食诱导的T2DM小鼠模型已经证实海马神经元存在结构的改变及胰岛素信号转导途径障碍，主要表现为海马神经元胰岛素受体以及 IRS-1 表达下调〔13〕。

2.2 Aβ沉积与DM脑损伤 流行病学结果显示T2DM是阿尔茨海默病(AD)发生的重要危险因素。AD和年龄密切相关，其主要的病理学特征是大脑皮质和海马区神经纤维缠结(NFT)、老年斑(SP)的形成及神经元丢失，AD的发病机制可能非常复杂，其中Aβ沉积导致神经元退化和死亡可能是AD发生和发展的关键因素。以往的研究〔14〕表明细胞外的Aβ沉积是导致神经细胞毒性的主要原因，但近年来很多有关细胞、转基因模型鼠及对AD患者大脑的研究表明，细胞内Aβ早期沉积在神经细胞内，导致细胞毒性，在AD发病中起关键作用。有证据表明，细胞内Aβ沉积可能发生在早期的AD病人，并且与认知缺失和行为障碍有关〔15〕。

细胞内 Aβ毒性首先是由 Wertkin等〔16〕提出，最先在NT2N细胞实验中观察到，NT2N细胞是人畸胎瘤细胞，能够在视黄酸的存在下分化为神经细胞和非神经细胞，其中分化的神经细胞命名为NT2N细胞。在分化的过程中，随着淀粉样肽前体蛋白(APP)基因的改变，细胞内产生大量的Aβ。以后又有学者〔17〕在原代培养的海马神经细胞、鼠神经母细胞瘤细胞Neuro 2a等发现细胞内Aβ。研究发现细胞内Aβ的产生主要在内质网〔18〕、高尔基体〔19〕、内涵体/溶酶体系统中，因此细胞内Aβ沉积可导致内质网应激、氧化应激、线粒体损伤、细胞凋亡、突触障碍，并可影响细胞信号转导。

因为胰岛素和Aβ在结构上的相似性，因此Aβ可以和胰岛素受体竞争性结合导致脑内胰岛素信号下降，进而抑制下游的 PI3K，蛋白激酶 B(PKB)等信号分子〔20，21〕，加重神经细胞对Aβ损伤的敏感性，导致神经细胞死亡。同时胰岛素降解酶(IDE)既可以降解胰岛素，也可以降解Aβ，在脑老化及AD患者脑内胰岛素水平下降，胰岛素信号减弱，同时也伴随IDE的表达减少及活性下降。

在胰岛素信号异常的情况下，脑内Aβ沉积就变得更易发生，而DM的主要病变就是胰岛素相对或绝对不足所致，因此推测，DM所致的中枢神经系统损伤和脑内Aβ沉积有直接或间接的关系。

2.3 突触可塑性与DM脑损伤 DM的主要表现为高血糖、高血脂、伴随胆固醇代谢障碍。胆固醇是神经细胞胞膜和髓鞘的主要成分，并对突触可塑性和神经元功能起重要的作用。很多研究〔22〕表明异常的胆固醇代谢能够导致很多神经退行性疾病，包括亨廷顿病和AD。电生理实验发现DM大鼠海马突触可塑性下降，短期学习记忆的形成和海马关系异常密切，长时程突触增强是学习记忆形成过程中重要的电生理机制〔23〕。已有研究结果表明DM大鼠海马区可见长时程增强抑制〔24〕，长时程增强抑制现象的维持和突触构造关系密切，而树突棘是形成突触的关键部位，树突棘的动态变化是突触可塑性的重要结构基础。有研究认为海马区存在胰岛素敏感性的葡萄糖转运体(GLUT)4，GLUT4在海马区的作用除了经典的促进葡萄糖利用外，也参与了突触效能的调节，这一作用可能和N-甲基-D-天冬氨酸受体(DMDA)受体的分布有关〔25〕。

2.4 氧化应激与DM脑损伤 在正常情况下，机体处于氧化-抗氧化的平衡状态，当机体遭受各种有害刺激时，活性氧(ROS)的生成增加，氧化程度超出氧化物的清除，氧化系统和抗氧化系统失衡，氧化应激就会出现，从而导致组织的损伤〔26〕。氧化应激目前已经被认为是DM脑病发生的重要机制之一。研究〔27〕表明在高糖条件下观察到氧化应激增加导致氧化损伤发生于线粒体，而线粒体是ROS产生的主要场所。在高糖环境中，葡萄糖的氧化能力增强，当超过呼吸链处理能力时，就会发生单电子的传递，导致线粒体内ROS产生增加。脂质过氧化也是ROS的重要来源，在DM状态下，“原始”低密度脂蛋白(LDL)成为氧化型LDL(ox-LDL)，减弱了被其受体的识别，从而减少了对LDL的清除，导致血浆LDL水平增高。研究〔28〕表明，脑组织对氧化应激尤为敏感，主要原因:①脑组织耗氧量大，并需要大量的三磷酸腺苷(ATP)循环供代谢所需。据估计脑细胞耗氧量的2% ～3%被还原成ROS，因此脑组织可产生相对多的ROS。②脑组织含有较多ROS损伤的多不饱和脂肪酸;③脑组织几乎不含有过氧化氢酶，只含少量的维生素E和谷胱甘肽等抗氧化物质;④脑组织中含有少量铁，铁离子可促进自由基的形成;⑤神经元是非再生细胞，ROS对脑组织的损伤逐渐积累会导致神经细胞变性、坏死，进而会发生中枢神经系统慢性、进行性、退行性疾病，最终导致DM脑损伤，并会在大脑发生结构、神经生理及神经精神等方面的病理改变。

2.5 脑血管改变与DM脑损伤 血管病变是DM最严重的并发症，DM时可引起微血管和大血管的病变，后者涉及脑血管、外周血管疾病及DM性心脏病。DM已经成为脑血管病的独立危险因素，发病率较高，其中88%是脑梗死。DM高血糖可导致血管内皮功能紊乱和血小板凝集功能障碍，导致血液黏稠度增加，从而出现血管狭窄、阻塞，组织器官缺血缺氧损害，发展为腔隙性脑梗死等严重的并发症〔29〕。DM病人长期处于持续性高血糖状态时，体内的一些蛋白与糖发生非酶促反应，例如血红蛋白、血清蛋白、晶体蛋白等，生成糖基化蛋白，最终转化成为糖基化终末产物(AGEs)〔30〕。AGEs在血管壁逐渐沉积并与受体结合，不仅干扰了NO的合成及其血管扩张作用，还释放大量细胞因子，诱导组织因子样前凝血因子的释放，从而抑制抗凝血蛋白C途径，纤维溶酶原激活因子的合成和产生受到抑制，使局部血小板聚集，最终促进了血栓的形成〔31〕，诱发脑卒中。研究〔32〕表明DM鼠脑内组成血脑屏障的微血管出现了不同程度的病变，血管通透性增加，这可能成为脑内代谢异常的基础，血脑屏障结构和功能异常，直接影响神经细胞的能量利用，这可能是DM神经细胞功能障碍的因素之一。

2.6 神经细胞凋亡与DM脑损伤 相关实验研究〔33〕显示DM大鼠海马区锥体细胞出现不同程度的核固缩，细胞器排列紊乱、体积缩小、并发现海马CA1和CA2区细胞密度明显降低，提示神经细胞凋亡参与了DM脑病的发病过程。

3 DM与脑内胆固醇代谢障碍

胆固醇在脑内发挥极其重要的作用。脂蛋白酯酶是脂质代谢过程中的关键酶，在神经系统的多个区域中表达，以海马最为丰富。其次脂蛋白酯酶在神经系统中还可作为一种载体向神经元中转运胆固醇等，对维持正常的神经系统功能具有重要的作用。因此，脑内正常的脂质代谢对于维持整个机体的稳态起到极其重要的作用。DM不但引起代谢异常，也导致脂代谢紊乱，胆固醇代谢异常，DM状态下胆固醇代谢障碍是加重脑损伤的关键因素。

3.1 脑与胆固醇代谢 在中枢神经系统，胆固醇主要分布于髓鞘、胶质细胞及神经元的细胞膜上，由于血脑屏障的存在，脑内的胆固醇几乎全是自身合成的，胆固醇对细胞膜内镶嵌的转运蛋白、信号分子及酶蛋白的功能和活性的维持也有影响〔34〕。此外，在内质网、高尔基体等细胞器中还有少量的胆固醇，这些较活跃的代谢胆固醇池在调节细胞胆固醇的浓度方面也起着较关键的作用〔35〕。脑胆固醇除了具备上述基本功能外，还在中枢神经系统中发挥了其他组织器官所没有的特殊功能，位于髓鞘的胆固醇还能够提高动作电位沿神经元轴突传导的速度，从而降低动作电位沿轴突传导所需能量来维持髓鞘的绝缘特性，对促进神经元突触的形成及维持其结构的稳定性等方面具有重要作用〔36〕。胆固醇代谢的转运方式有3个:①脑胆固醇向外周血转运 通过24S-羟胆固醇及载脂蛋白(Apo)-E排出。②血胆固醇转运至脑27-羟胆固醇可以作为胆固醇的氧化形式从血进入脑〔37〕。③胆固醇在脑细胞之间的转运。现在研究认为神经元所需的胆固醇是由星形胶质细胞提供，胶质细胞将自身合成的胆固醇通过胞膜上的转运蛋白转至胞外，同时合成并分泌大量的apo-E，apo-E将胆固醇转运至神经元〔38〕。

3.2 神经退行性疾病与脑内胆固醇代谢 流行病学研究表明，胆固醇代谢异常是AD发生的危险因素〔38〕。高胆固醇血症可以视为早期AD发生的危险因子。胆固醇代谢与AD的发生机制可能有以下几方面:①许多实验表明，高胆固醇血症能够加速脑内Aβ的沉积，而降低胆固醇可以减少Aβ的沉积〔39〕。通常认为胆固醇代谢异常可以直接影响APP的代谢而促进Aβ生成，影响APP代谢途径是由两条途径和3个关键酶α-、β-及γ-分泌酶参与。第一条途径是β-淀粉样前体蛋白先由α-和γ-分泌酶先后切割产生各种多肽，但不产生Aβ，大部分β-淀粉样前体蛋白的分解是通过这条途径的。而一小部分β-淀粉样前体蛋白是通过第二条途径分解的，同时由β-和γ-分泌酶切割产生各种肽段及Aβ。实验研究〔40〕表明，在胆固醇浓度升高的环境中，细胞膜表面有利于脂筏的形成，脂筏中丰富的胆固醇可抑制α-分泌酶，但却可以增强β-分泌酶和γ-分泌酶的作用，因此，APP在脂筏内可被β-分泌酶裂解，产生更多的Aβ。②在中枢神经系统中，星形胶质细胞生成的胆固醇转运到神经元的任务则是由Apo-E来承担，如果Apo-E活性增加，转运到神经元的胆固醇也会相应增加。高胆固醇可引起Aβ水平的增加从而诱发AD，长期的高胆固醇也会导致Apo-E出现多态性，据研究认为Apo-E的多态性和AD发病有密切关系〔41〕。研究认为，Apo-E4的存在可能与SP及神经原纤维缠结(NFT)增加有关，由此可见在AD发生发展中，胆固醇、Aβ及Apo-E三者相互协同、相互作用、诱发 AD〔42〕。③腺苷三磷酸结合盒转运体 A1(ABCA1)可作为膜蛋白载体将胆固醇从细胞内转运到细胞外形成HDL。有研究表明ABCA1可在脑细胞中影响APP的分解及Aβ的分泌。在帕金森病(PD)转基因小鼠中发现ABCA1过表达是可减少Aβ的沉积，在中枢神经系统，遗传变异的ABCA1调节脑脊液(CSF)中胆固醇的水平而影响了胆固醇内环境的稳定，且ABCA1基因多态性也是AD发生的危险因素，并且与Aβ的代谢有关〔43〕。以上几方面证明了胆固醇是AD发生发展的一个重要因素。

DM会引发高血压、心血管疾病、脂质代谢障碍(TG增高，HDL 降低)、高胆固醇及内脏肥胖等代谢综合征〔44，45〕，不但会影响心脏、肝脏、骨骼肌及脂肪组织等外周器官，也会影响中枢神经系统，导致中枢神经系统胰岛素信号障碍、血糖持续升高、AGEs 蓄积、氧化胁迫、神经细胞代谢紊乱、加速脑老化〔7，46，47〕。因此开展DM脑病的临床及基础方面的研究具有重要的现实意义，也为年龄相关的神经退行性疾病的治疗提供新的策略。

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