骨骼肌细胞外基质重塑与胰岛素抵抗的研究进展

杨亚南，吕君君，王柯，刘冬梅

骨骼肌细胞外基质重塑与胰岛素抵抗的研究进展

杨亚南，吕君君，王柯，刘冬梅

骨骼肌细胞外基质(ECM)是肌细胞生存和活动的微环境，其组成成分和结构直接影响肌细胞的活动和功能。在胰岛素抵抗的病理过程中，骨骼肌ECM发生病理性重塑，如胶原蛋白沉积、透明质酸增多、ECM膜蛋白整合素信号通路激活、基质金属蛋白酶和基质金属蛋白酶抑制剂平衡失调。这些病理性变化都会导致胰岛素敏感性下降。

胰岛素抵抗；细胞外基质；骨骼肌；纤维化；整合素；综述

[本文著录格式]杨亚南，吕君君，王柯，等.骨骼肌细胞外基质重塑与胰岛素抵抗的研究进展[J].中国康复理论与实践, 2017,23(4)：398-401.

CITED AS：Yang YN,Lü JJ,Wang K,et al.Remodeling of skeletal muscle extracellular matrix and insulin resistance(review)[J]. Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2017,23(4)：398-401.

胰岛素抵抗(insulin resistance,IR)是指靶器官对正常浓度胰岛素的生理利用度下降，主要发生在骨骼肌、脂肪、肝脏等外周组织，是导致2型糖尿病及其并发症的主要因素[1]。骨骼肌约占全身质量的40%，在胰岛素介导葡萄糖吸收过程中起重要作用[2]。骨骼肌是餐后胰岛素介导葡萄糖摄取的主要位点，在正常血糖高胰岛素状态下，80%的血糖摄取发生在骨骼肌[2]。骨骼肌IR是机体系统出现IR的主要原因。相应地，改善骨骼肌IR可以提高机体的糖代谢水平。

关于肥胖相关的骨骼肌IR发病的生物学机制，已有许多研究。这些研究支持如下理论：①骨骼肌线粒体功能缺陷；②骨骼肌脂肪代谢有害产物堆积；③肥胖引起的慢性低水平炎性反应。近年来研究表明，IR与骨骼肌细胞外基质(extracellular matrix,ECM)重塑之间存在密切联系。在IR病理过程中，ECM发生病理性重塑，如胶原蛋白沉积、透明质酸增多等[3-4]。通过药物或运动干预改善ECM病理性重塑，机体胰岛素敏感性提高[5-6]。

1 骨骼肌ECM

ECM是骨骼肌的主要组成部分，是肌细胞生存和活动的微环境，其组成成分和结构的改变(即性状改变)直接影响肌细胞的活动和功能[7]。ECM主要成分包括胶原蛋白、蛋白聚糖、链接蛋白、层粘连蛋白，以及在ECM生成和分解动态平衡中起重要作用的基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases, MMPs)和基质金属蛋白酶抑制剂(tissue inhibitors of metalloproteinases,TIMPs)。ECM各成分相互作用，对ECM的结构和功能有重要的调节作用。ECM通过基底膜上的链接蛋白与细胞内骨架产生联系，并对细胞内信号转导实施调控[7-8]。

2胶原蛋白

胶原蛋白是骨骼肌ECM最丰富的结构成分，不仅支持组织结构，而且为肌细胞生长、分化和形变提供黏附和迁移的结构基础。骨骼肌胶原蛋白主要(超过90%)包括三种亚型，即胶原蛋白Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ。Ⅰ型和Ⅲ型胶原蛋白属于纤维类胶原，Ⅳ型胶原蛋白是基底膜最丰富的结构成分[5]。在IR的病理过程中，胶原蛋白沉积是骨骼肌ECM病变的主要特征[9]。

研究发现，肥胖和/或高脂饮食不仅抑制胰岛素信号通路，而且破坏骨骼肌的结构和功能，包括纤维化。纤维化主要是ECM的过度沉积，而胶原蛋白是最主要的沉积蛋白[10]。人和动物肌肉IR病理过程中，胶原蛋白发生沉积[5,11]。Kang等[5]通过基因手段使线粒体靶向过氧化氢酶过度表达，或通过药理学手段用磷酸二酯酶5抑制剂西地那非治疗高脂喂养所致的IR小鼠，均发现伴随IR的改善，ECM胶原蛋白表达下降。这些研究表明胶原蛋白沉积与IR之间存在联系。

IR与骨骼肌ECM胶原蛋白沉积之间的内在机制，目前还不明了，可能与巨噬细胞有关。研究发现[11]，肥胖患者骨骼肌巨噬细胞增加，巨噬细胞可分泌转化生长因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)，TGFβ1激活或使Smad3磷酸化，刺激Ⅰ型胶原蛋白表达。与正常人相比，肥胖患者骨骼肌活检Smad3磷酸化和总蛋白水平升高[12]。敲除小鼠Smad3基因可以减少骨骼肌纤维化和IR[13]。Pincu等发现，12周有氧运动可以降低高脂膳食引起小鼠骨骼肌巨噬细胞的增加，同时伴随TGFβ1-Smad3信号通路减弱和胶原蛋白沉积降低[11]。

3 透明质酸

透明质酸是大分子非支链阴离子糖胺聚糖，是ECM的重要成分，具有支持细胞和促进细胞迁移等的多重功能[3]。

透明质酸在IR的病理过程中发挥重要作用。透明质酸沉积增加葡萄糖和胰岛素的扩散距离，阻碍底物向肌肉组织传递，同时损害新生血管生长和功能。

ECM与内皮细胞间存在密切联系，血流量和毛细血管的募集对血糖和胰岛素向肌肉正确传递起关键作用[14]。肌肉血流量降低与IR相关，肌肉血管密度与外周胰岛素作用呈正相关[15]。研究发现[14]，在IR动物骨骼肌、主动脉和肾脏，以及2型糖尿病患者血液中，透明质酸含量增多。骨骼肌透明质酸含量增多与肥胖状态骨骼肌IR有关。Kang等[3]应用聚乙二醇重组变体PH20(PEGPH20)降解骨骼肌ECM透明质酸，肌肉葡萄糖摄取提高，同时改善肝脏和脂肪等组织IR。PEGPH20降解透明质酸，增加高脂喂养小鼠的血管生成和内皮细胞增殖。毛细血管网的扩增可以增加葡萄糖和胰岛素向骨骼肌细胞转移，同时降低组织炎症，提高胰岛素敏感性[3]。

遗传关联研究发现，CD44(透明质酸的主要膜受体)与2型糖尿病之间存在密切联系[16]。CD44是细胞膜糖蛋白，参与细胞间相互作用、细胞黏附、迁移、血管增生调控和内皮细胞增殖[17]。慢性炎症反应在IR的病理过程中发挥重要作用[18]。通过特异性基因敲除CD44或抗CD44抗体处理小鼠，可缓解高脂喂养小鼠引起的IR和脂肪组织炎症[16]。透明质酸与CD44相互作用可能通过影响内皮或者血管功能来调节组织胰岛素敏感性。动脉壁透明质酸水平增加，被公认为糖尿病大血管病变的特征[17]。

4 整合素

ECM重塑与膳食引起的代谢组织IR相关。整合素是ECM的膜受体，参与胰岛素作用的调节[14]。整合素是由α和β亚基构成的异质二聚体。目前发现的24种哺乳动物整合素只有4种结合胶原蛋白，它们共享β1亚基，分别与α1、α2、α10、α11形成二聚体[5]。整合素在介导细胞内外信号传递方面起重要作用。如含β1亚基的整合素受体参与胰岛素刺激胰岛素受体底物(insulin receptor substrate,IRS)的磷酸化，以及IRS相关磷脂酰肌醇3激酶和蛋白激酶B/Akt的活性。特异性敲除肌肉整合素β1基因可引起普通饲料喂养小鼠全身胰岛素敏感性下降[19]。

研究发现[3-5]，整合素α2β1在IR的病理过程中发挥重要作用。整合素相关激酶(integrin-linked kinase,ILK)是ILKPINCH-parvin(IPP)复合物的核心成分[20]。IPP复合物作为整合素下游信号传导的枢纽，通过与整合素α2β1胞浆结构域结合，参与许多信号通路的调节[21]。Kang等通过特异性敲除骨骼肌ILK，发现可以改善高脂诱导的骨骼肌IR，同时伴随Akt磷酸化和骨骼肌毛细血管的增加[20]。

黏着斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)是细胞膜非受体络氨酸激酶，整合素下游信号分子，同时作为磷酸肌醇3激酶(phosphoinositide 3-kinase,PI3K)通路的激活剂，在外周组织胰岛素信号传导方面起重要作用[22]。FAK可以调节肝组织和骨骼肌中胰岛素刺激的糖原合成和葡萄糖转运[19]。Viglino等[23]发现，药物或siRNA抑制FAK，可以降低游离脂肪酸刺激心肌细胞葡萄糖的转运，重新激活FAK可以缓解葡萄糖转运。

5 MMPs

MMPs属于锌依赖蛋白酶家族，负责几乎所有ECM蛋白的降解[24]。由于潜在的广泛蛋白降解能力，在生理或IR等病理过程中，MMPs在调节ECM周转和重塑、血管生成等方面起重要作用[4]。

MMPs的失调与肥胖和糖尿病病理过程有关。MMP-2和MMP-9属于胶原蛋白酶，是主要的全身循环MMPs，特异性降解胶原蛋白Ⅳ。肥胖和糖尿病患者MMP-2和MMP-9浓度升高。MMPs过度激活造成胰岛素受体胞外结构域和其他受体蛋白水解，从而导致胰岛素功能受损[25-26]。

Tinahones等[27]发现，在病态肥胖状态下，脂肪组织MMP-9基因表达与HOMA稳态模型评估指数呈正相关。在高脂膳食引起IR的小鼠骨骼肌中，MMP-9活性下降；基因敲除MMP-9可以加剧高脂小鼠的IR[4]。MMP-9活性下降导致肌肉IR，一方面与胶原蛋白沉积有关，另一方面也与毛细血管合成减少相关。毛细血管密度受损是IR和2型糖尿病的发病机理之一，而MMP-9可以通过刺激血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的产生和分泌，调节血管合成[28-29]。

尽管MMP-2和MMP-9底物特异性相似，表达和转录调控模式却不同，参与的生物过程也不同。MMP-2可以被MMP-14激活，在血管形成过程中切割基底膜和ECM，为内皮幼芽迁移提供路径，形成新的毛细血管。MMP-2是否也通过调节毛细血管形成影响骨骼肌的糖代谢，还有待于进一步研究阐明[30]。

TIMPs通过直接结合MMP活性位点抑制MMP的活性，包括TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3、TIMP-4四种类型[31]。代谢综合征和糖尿病患者血中TIMP-1和TIMP-2水平升高[32]；基因敲除TIMP-2加剧高脂膳食诱导的肥胖和糖尿病，损害MMP-14(激活MMP-2)活性[33-34]。肥胖小鼠脂肪组织TIMP-3表达降低，基因敲除TIMP-3引起脂肪肝和脂肪组织炎症[35]。组织TIMPs活性增加对代谢起保护作用，但存在组织和环境依赖性。TIMPs是MMPs的重要内源性抑制剂，可应对ECM的过度降解。TIMPs活性增加的有利影响是否完全基于抑制MMPs的活性，增加ECM的稳定，有待进一步研究[24]。

6 小结

骨骼肌ECM重塑在IR和2型糖尿病的病理过程中发挥重要作用。IR病理过程中炎症反应增多和促纤维化信号通路TGF-Smad3激活，导致胶原蛋白、透明质酸等成分沉积，阻碍血管生成，损害内皮细胞，进而对葡萄糖、胰岛素等物质向肌细胞传递形成物理障碍，影响肌细胞葡萄糖摄取。ECM成分改变引起整合素下游信号通路激活，并影响胰岛素功能，从而引起骨骼肌IR。MMPs和TIMPs失调使胰岛素受体胞外结构域和其他受体蛋白水解，从而导致胰岛素功能受损。

总之，ECM在调节胰岛素作用方面起重要作用。但其作用机制还需要进一步研究。全面认识ECM在调节胰岛素作用方面的作用，将为糖尿病的预防和治疗提供新的契机。

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Remodeling of Skeletal Muscle Extracellular Matrix and Insulin Resistance(review)

YANG Ya-nan,LÜ Jun-jun,WANG Ke,LIU Dong-mei
School of Kinesiology,Shanghai University of Sport,Shanghai 200438,China

LIU Dong-mei.E-mail：liudongmei@sus.edu.cn

Skeletal muscle extracellular matrix(ECM)is the microenvironment for muscle cells to survive and function.Changes in ECM components and structure directly affect the activity and function of muscle cells.Pathological remodeling occurs to skeletal muscle ECM in insulin resistance,including collagen deposition,hyaluronan accumulation,activation of membrane protein integrin signaling pathway,and the imbalance of matrix metalloproteinases and tissue inhibitors of metalloproteinases,while all those would impair the tissue insulin sensitivity.

insulin resistance;extracellular matrix;skeletal muscle;fibrosis;integrin;review

R587

A

1006-9771(2017)04-0398-04

2016-11-10

2017-01-23)

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.04.007

1.国家自然科学基金项目(No.31470060)；2.上海体育学院研究生教育创新基金项目(No.yjscx2015070)。

上海体育学院运动科学学院，上海市200438。作者简介：杨亚南(1989-)，男，汉族，河南汝州市人，硕士研究生，主要研究方向：慢性病与骨骼肌细胞外基质重塑。通讯作者：刘冬梅(1975-)，女，内蒙古呼和浩特市人，博士，副教授，硕士研究生导师，主要研究方向：人体运动生理与慢性病的预防和治疗。E-mail：liudongmei@sus.edu.cn。