二甲双胍的临床应用及抗衰延寿生化药理机制的深层思考

周福洋 印大中

(湖南师范大学生命科学学院，湖南 长沙 410081)

二甲双胍作为治疗2型糖尿病(T2DM)的一线药物目前已被广泛应用于防治多种老年退行性疾病。本文通过对二甲双胍在防治老年疾病与抗衰老的研究现状进行归纳分析，探讨二甲双胍在抵抗氧应激和糖应激过程中的生化反应机制及其在抗老年病过程中的共性本质。

1 二甲双胍及其理化特性

二甲双胍属于一种双胍类药物，易溶于水、稀酸和乙醇，微溶于氯仿，不溶于冷碱溶液和苯、乙醚、氯仿等有机溶剂。常温下二甲双胍的水溶液在煮沸和长时间放置时会产生分解并放出氨气。二甲双胍在水溶液中有强碱性(pKb 2.8)，临床上通常应用盐酸二甲双胍〔1〕。据报道二甲双胍可以改善糖代谢、脂肪代谢、胰岛素抵抗，同时具有抗衰老、具有控制体重、降血压、抑制血小板凝聚、降低纤溶酶原活化抑制剂(PAI-1)活性和保护心血管系统等作用，对多囊卵巢综合征、非酒精性脂肪肝、高脂血症也起到一定的治疗作用〔2,3〕。

二甲双胍在生物体内不经过肝和肾代谢改变就会以原型排到体外，有50%～60%的口服剂量被吸收到体循环中去，剩下的大部分存在于胃肠道、肝、肾中，小部分在其他人体组织中，此外年龄、性别、营养状况、生活方式、遗传区别也会影响到二甲双胍的敏感性和精准性〔4,5〕，例如膜转运蛋白的多态性就是二甲双胍药动力学特征的一个关键因素〔5〕。

2 二甲双胍在防治老年退行性疾病方面的研究

2.1糖尿病(DM) 二甲双胍作为DM的主要用药是治疗T2DM的第一选择，尤其是在超重和肥胖的病人中。现已被认可在10岁以上DM儿童中使用，美国的糖尿病学会(ADA)已允许其用于妊娠期高血糖患者，在孕期的安全性级别等同于胰岛素。

二甲双胍降糖作用的机制：(1)主要是通过抑制线粒体呼吸链复合物Ⅰ来减少三磷酸腺苷(ATP)同时积累磷酸腺苷(AMP)，从而介导AMP依赖的蛋白激酶(AMPK)抑制肝脏糖异生来减少肝糖的产生：①二甲双胍能激活LKB1-AMPK信号通路从而降低环单磷酸腺苷(c-AMP)反应要素结合蛋白(CRTC)2，抑制肝脏糖异生有关的基因表达，降低肝脏葡萄糖的输出；②AMPK能增加肝脏去乙酰化酶(SIRT1)的活性，下调CRTC2，从而抑制下游糖异生基因转录；③AMPK还能激活孤儿核受体(SHP)或抑制Kruppel样转录因子(KLF)15，降低糖异生相关基因的表达水平。(2)通过增强胰岛素受体的表达和胰岛素信号通路上还原酶的能力从而增加骨骼肌的糖摄取〔6,7〕，此外二甲双胍能增加胰高血糖素样肽(GLP)-1的敏感性，GLP-1又能增加胰岛素的分泌和减少胰高血糖素的分泌〔8〕，从而改变胰腺的内分泌功能而发挥降糖作用〔9〕，在DM患者中，二甲双胍是唯一不会引发心血管并发症的药物，可以减少低密度脂蛋白和三酰甘油水平。

2.2心血管疾病 心血管疾病是T2DM患者死亡的主要原因，研究证明〔10,11〕，二甲双胍具有血管保护作用，能够降低心血管事件的发病率和死亡率，能够直接影响到T2DM血管系统来降低大血管并发症、微血管并发症和血栓性并发症的发生，此外还能减少胰岛素抵抗且有利于对糖脂代谢的调控。此外，二甲双胍对心脏也有保护作用，可使心肌梗死面积降低，还能改善心肌能量代谢、抑制心肌细胞凋亡及心脏纤维化，同时对心肌缺血-再灌注损伤也具有保护效应，延缓心力衰竭的进展，改善心功能〔12〕。

2.3抗肿瘤 2001年Schneider等〔13〕首次在仓鼠动物模型中发现二甲双胍具有抗肿瘤活性，且能降低T2DM患者的癌症发病率，此外流行病学表明二甲双胍能在分子、细胞及整体水平上减少癌症的发生和改善预后〔14,15〕，而二甲双胍的抗肿瘤机制会根据不同的肿瘤类型涉及到不同的机制，其中主要涉及两个机制；①间接作用：通过改变体内胰岛素和血糖水平影响肿瘤细胞的存活〔16〕；②直接作用：主要通过激活AMPK来抑制细胞内多种高度依赖充足ATP供应的代谢过程(如胆固醇合成、蛋白质和脂肪酸的合成、糖酵解、脂肪酸氧化、糖异生等)和抑制可以阻止肿瘤细胞蛋白质合成与增殖的雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路〔17,18〕。此外可能还有其他机制如二甲双胍能抑制肿瘤细胞上皮间质转化(EMT)〔19〕、激活免疫系统〔20〕、杀死肿瘤干细胞〔21〕、促进肿瘤细胞的衰老〔22〕、抑制血管内皮因子(VEGF)的表达和肿瘤新生血管的生成〔23,24〕、改变microRNAs的表达来调节癌细胞的凋亡和增殖〔25〕。有研究发现糖尿病治疗药物二甲双胍抑制胰腺癌进展的新机制，并表示，深入理解二甲双胍抑制癌症进展的机制能够帮助发现潜在生物学标志物，帮助癌症患者更好地选择药物〔26〕。目前，在美国临床试验数据库(Clinical Trials)上有大量有关二甲双胍治疗各类肿瘤的研究正在进行。

2.4阿尔茨海默病(AD) 流行病学研究显示DM患者有更大的风险得AD〔27,28〕，可能是由于DM治疗中的药物增加了患AD的风险〔28〕。相关研究发现二甲双胍能够预防AD和保护认知功能，新加坡的衰老纵向研究中，二甲双胍长期用药的患者降低了认知损伤风险〔29〕，还有一项研究发现给患有抑郁症的DM患者用二甲双胍会减轻抑郁的症状和改善认知水平〔30〕，Cheng等〔31〕发现T2DM患者服用二甲双胍患痴呆症的概率小于其他DM用药的概率，此外如Kickstein等〔32〕发现了二甲双胍能够介导AMPK和蛋白磷酸酶(PP)2A的活性来减少tau蛋白磷酸化，从而减少AD的发生，这一观点在Matthes等〔33〕的研究中得以证实，并进一步发现二甲双胍能够降低转基因小鼠脑内的淀粉样蛋白-β的水平，Luchsinger等〔34〕研究显示，通过对80例有遗忘型轻度认知损害的中老年非DM患者进行试验，发现在二甲双胍治疗12个月后有一部分认知区域得到了有效改善。

3 二甲双胍在抗衰老方面的分子机制研究

1980年Dilman等〔35〕开始研究双胍类药物的延寿作用，并发现苯乙双胍、丁双胍能够延长鼠类的寿命。随后Anisimov等〔36,37〕研究发现二甲双胍延长了小鼠平均寿命和最大寿命，在生命早期使用二甲双胍益处更多，Martin-Montalvo等〔38〕也发现二甲双胍使老鼠平均寿命增加5.83%，Cabreiro等〔39〕发现二甲双胍能使线虫延长近36%的寿命，英国的卡迪夫大学有一个研究通过18万例的大样本惊人的发现服用二甲双胍的DM患者生存时间比非DM患者平均长15%，尽管理论上DM应该让他们平均减寿 8 年〔40〕。

关于抗衰老的分子机制研究都涉及了胰岛素/胰岛素样生长因子(IGF)信号通路和能量代谢途径上，如mTOR在蠕虫、酵母、昆虫、哺乳动物中能延缓衰老和抵抗老年疾病〔41～43〕。而关于二甲双胍延长寿命的分子机制中比较清楚的是通过AMPK和mTOR间接调控细胞，从而起到抵抗疾病和衰老的作用：①二甲双胍能通过抑制电子传递链复合物Ⅰ来激活AMPK,AMPK激活后可抑制细胞的合成代谢，促进分解代谢，关闭消耗ATP的信号通路，恢复细胞能量平衡，AMPK除了与能量代谢有关，与热量限制也有联系〔44〕,AMPK下游靶分子PGC-1α、pha-4/FOXA、核因子(NF)-E2相关转录因子Nrf1和Nrf2都能在热量限制中发挥重要作用〔45〕。②二甲双胍能够抑制mTOR,mTOR可以与Wnt信号、生长因子、能量代谢等多种胞外的信号发生相互作用〔46〕，同时mTOR又参与很多细胞活动，如脂质、线粒体和核糖体的合成，蛋白质的翻译，抑制自我吞噬，调节细胞周期和分化〔47〕，激活mTOR还能引起衰老、T2DM〔48〕。除了这两点以外，还包括二甲双胍对胰岛素/IGF的作用间接影响了寿命的延长〔49〕，二甲双胍能抑制线粒体电子传递链复合物Ⅰ减少内源性活性氧(ROS)的产生〔50〕、减少DNA损害〔51〕，二甲双胍还可能影响到内分泌的过程、细胞炎症〔52〕、细胞自噬〔53〕、细胞衰老〔54〕等。

另外，有研究发现用二甲双胍给果蝇饲养虽然激活了AMPK和减少了脂质储蓄，但并没有延长寿命〔55〕，是由于二甲双胍的高剂量浓度呈现出了毒性。高浓度的二甲双胍会增加死亡率，这种情况也出现在哺乳类动物中，当出现了增寿效果后，在食物中放大10倍二甲双胍的量会增加小鼠的死亡率〔38〕。Smith等〔56〕同样证明了通过高剂量二甲双胍的处理也没有发现提升小鼠寿命的现象。

4 二甲双胍分子内在的抗氧应激和抗羰基应激生化功能

氧化应激中的自由基在体内产生的负面作用是导致衰老和疾病的一个重要因素，而羰基应激中的毒性羰基化合物就是来自于自由基氧化、过氧化反应、氧化应激、生物酶和糖脂氨基酸的氧化反应，此外还有一部分是外源性的如工业污染等〔57〕。毒性羰基化合物是活泼的生化产物，特别是那些能够造成生物大分子和组织交联的α，β-不饱和醛酮，其中两种毒性醛酮就是丙二醛、4-羟基壬烯醛〔58,59〕。这类醛酮在体内生成后，能穿透膜结构，进入组织细胞发生反应，产生细胞和基因的毒性，导致机体功能异常，见图1。

图1 毒性羰基化合物在体内致病过程

虽然氧应激与诸多老年退行性疾病和衰老关系比较密切，氧应激并不直接影响动物的最大寿命。Yin等〔60〕提出了广义衰老学说，认为氧自由基引起的脂质过氧化和非酶糖基化反应中生成的活性中间产物-不饱和醛酮及其与体内生物大分子发生的“羰-氨交联反应”造成的生物垃圾堆积，才是缓慢衰老的本质。体内的不饱和醛酮与蛋白质、核酸、脂类形成难以降解、难以排除的熵增性聚合物，会导致生物组织胶原交联、血管硬化，而且会使细胞膜通透性降低、细胞物质交换受阻，然后发生破裂、死亡。

二甲双胍具有抗氧应激的能力，在细胞实验中,Chakraborty等〔61〕发现二甲双胍治疗24 w后能明显降低血浆中终末氧化蛋白(AOPP)水平，减少细胞内ROS的产生，Hou等〔62〕发现二甲双胍通过AMPK-FOXO3途径上调硫氧还蛋白来减少ROS的产生，Gallo等〔63〕研究发现，二甲双胍可通过增加抗氧化酶的产生抑制高糖诱导的脐静脉内皮细胞ROS生成。

5 二甲双胍抗毒性羰基(活性醛类)的研究进展

研究显示二甲双胍能减少羰基活性化合物如四羟基壬烯醛、丙二醛、乙醇醛、乙二醛、甲基乙二醛、3-脱氧葡萄糖酮醛等，从而减少体内自发的美拉德反应〔64,65〕。Correia等〔66〕研究发现二甲双胍能作为大脑神经的保护剂减少来自MDA的伤害，Ruggiero-Lopez等〔67〕研究表明二甲双胍能够与丙酮醛和乙二醛生成含氮的环状物质，二甲双胍能与这些醛类直接发生羰-氨反应，且能够抑制白蛋白的终末糖基化产物的相关荧光性。Ahmad等〔68〕也发现二甲双胍在1.0 mmol/L浓度时能够减轻将近73.8% Amadori化合物的糖基化并能抑制二羟基丙酮和血清蛋白的反应及AGEs的形成。此外，本研究室最近通过实验证实了二甲双胍于37℃和pH7.4的条件下能够和毒性醛类物质生成环状化合物和一些不稳定的脂褐素样荧光化合物，但随着时间的延长此反应产物中一些结构不稳定的会发生降解。不饱和醛酮物质的积累会加速相关体系的羰-氨交联反应，事实表明，二甲双胍能够和这些活泼的羰基物质发生缓慢的亲核反应，从而减少这些不饱和的醛酮物质积累，缓解或改善羰基应激对机体的伤害〔69〕。

二甲双胍分子结构中的氨基是发生生化反应的关键药效功能团。二甲双胍的结构类似氨基胍、牛磺酸等氨基类抗衰抗病药物，而此类药物作为AGE的抑制剂很早就开始被研究且其抑制效果明显〔70〕，该氨基功能团与毒性羰基化合物或者氧自由基的羰氨反应是唯一可能的药理过程〔60〕。二甲双胍抵抗衰老和老年疾病的药效作用也应该与这个分子机制相关。总之，二甲双胍对于抗衰老及预防衰老相关疾病的发生已显示出了重要的应用价值。

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