2型糖尿病与阿尔兹海默症的相关性研究

李佳，欧思琳，李茹冰

(1.中国人民解放军南部战区总医院 内分泌科，广东 广州 510010；2.中国人民解放军南部战区总医院 药剂科，广东 广州 510010)

大量研究表明2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus, T2DM)和阿尔兹海默症(Alzheimer′s disease, AD)之间有密切的关联，T2DM被认为是AD的加速器，而大多数AD患者都合并早期糖尿病或临床糖尿病.但二者是否存在共同发病机制是目前研究的热点[1]，其中T2DM和AD的发病机制都与蛋白构象病有关，即都与蛋白结构的错误折叠导致的蛋白质聚集体沉积有关.AD患者脑内会沉积β淀粉样蛋白(amyloid β protein, Aβ)和tau蛋白，而T2DM患者胰岛中发现大量胰岛淀粉样多肽(human islet amyloid polypeptide, hIAPP)的沉积[2].相较于糖耐量正常的人群，T2DM患者患AD的风险会加倍[2].随着人口老龄化进程的加速，全球痴呆和糖尿病发病率不断上升，迫切需要了解导致这两种疾病的高风险分子机制.

胰岛素在大脑发育和功能中起着至关重要的作用，因此胰岛素作用障碍或胰岛素缺乏可能导致认知缺陷[3].有报道称AD患者存在外周高胰岛素血症和胰岛素敏感性下降，且该变化与记忆障碍相关[4].而促进胰岛素分泌、改善胰岛素敏感性或胰岛素信号转导通路类治疗糖尿病的药物，如二甲双胍、过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ, PPARγ)激动剂、肠道促进胰岛素分泌激素(glucogon like peptide-1, GLP-1)均能够预防神经系统变性[5].Ciudin[6]通过显微镜检查评估T2DM患者的视网膜光敏感度，认为其下降与大脑神经退行性病变有关，提示视网膜光敏感度可能是识别T2DM患者发生AD风险的标志之一.只有大脑胰岛素水平降低时，脑功能可能不会受到直接影响，但是若同时存在Aβ，AD病理学相关的突触功能障碍和丧失就会加重[7].此外，胰岛素和葡萄糖已被证明可调节脑内Aβ水平[8].

本综述从T2DM和AD这两种类型疾病的核心病理生理机制着手，分别从Aβ与hIAPP的结构、胰岛素信号在中枢神经系统和外周系统的作用、胰岛素信号传导障碍对AD的影响、炎症与氧化应激和胰岛素降解酶等方面，探讨可能作用T2DM和AD的共同影响因素，从而为寻找新的AD治疗手段提供依据.

1 糖尿病

糖尿病是一种慢性代谢性疾病，其特征为胰岛素分泌不足，或胰岛素抵抗，或两者同时存在而导致的高血糖症.国际糖尿病联盟报告指出，T2DM患病人数占所有糖尿病患病人数的90%以上，影响全球约4.15亿人[9].胰岛素调节身体能量代谢的各个方面，包括葡萄糖稳态、肝脏糖脂代谢和脂肪储存[10]，是体内唯一可以降低血糖的激素.高热量饮食、缺乏体力活动和/或遗传倾向导致T2DM的特征病变及伴发病，如高血糖、胰岛素抵抗、高血压、血脂异常和腹型肥胖等；反过来，代偿性胰岛素若分泌过多，随着病程延长，长期处于过度分泌状态的胰岛β细胞功能逐渐衰竭，以致出现高血糖，最终导致高血糖和高胰岛素血症的恶性循环.hIAPP与胰岛素共存于胰岛β细胞中，与胰岛素相伴释放，因此胰岛素分泌过多会使hIAPP积聚在胰腺内，形成具有细胞毒性的细胞外淀粉样蛋白沉积，最终导致β细胞功能障碍和死亡[2].

2 阿尔兹海默症

痴呆症也是一个严重的公共卫生问题，影响全球近5 000万人.AD是最普遍的痴呆形式，迄今还没有能够逆转或延缓疾病进展的治疗方法[11].AD的淀粉样蛋白级联假说认为，渐进性的神经元丢失与Aβ聚集物在脑实质中的蓄积相关.Aβ是β分泌酶-1(β-amyloid cleaving enzyme-1, BACE-1)和γ分泌酶依次蛋白水解切割Aβ前体蛋白(amyloid β precursor protein，AβPP)后形成的[12].过量表达的Aβ可刺激BACE-1的表达.Aβ1- 40和Aβ1- 42是最常见的Aβ亚型.可溶性中间体Aβ1- 42寡聚体比实际的原纤维更具神经毒性，与突触可塑性和记忆丧失相关性更高[13].AD的特征还包括由Aβ组成的细胞外淀粉样蛋白斑块和含有超磷酸化tau蛋白的神经原纤维缠结(neurofibrillary tangles, NFTs)，这些tau蛋白可导致氧化应激、炎症损伤、脑血管损伤、血脑屏障功能障碍和神经元死亡[14].

3 阿尔兹海默症与糖尿病

3.1 Aβ与hIAPP的结构

Aβ和hIAPP聚集形成淀粉样蛋白原纤维在大脑及胰腺组织中沉积，将AD和T2DM两种疾病联系起来，这种联系可能起源于Aβ聚集体和hIAPP之间的结构相似性.hIAPP又叫胰淀素，由37个氨基酸组成的肽激素；而Aβ则是由39～42个氨基酸组成的多肽.AD表现为Aβ和超磷酸化tau蛋白沉积于大脑，而hIAPP沉积在胰岛中是T2DM的特征，会进一步导致胰腺β细胞死亡和胰岛炎症[1].通过cryoEM微电子衍射方法测定来自Aβ和hIAPP的11个残基片段的原子结构，即Aβ24-34WT和hIAPP19-29S20G，发现两者具有64%序列相似性，且其骨架原子之间具有高度的结构相似性.并且，这些片段的原纤维通过自交和杂交可诱导形成淀粉状蛋白.此外，针对一个片段的抑制剂对全长Aβ和hIAPP也具有交叉效力，并可降低两种蛋白质的细胞毒性.Aβ24-34 WT和hIAPP 19-29 S20G的原子结构的相似性提供了Aβ与hIAPP之间交叉接种的分子模型[15].

蛋白错误折叠障碍病是由蛋白错误折叠聚集体的形成和积累引起的疾病.错误折叠的hIAPP可在T2DM和AD患者的大脑中聚集和沉积，而在T2DM患者的胰腺中也发现了Aβ和超磷酸化tau蛋白(ptau)[16].在脑内积累的错误折叠的蛋白质，即Aβ聚集体和含有ptau的NFTs，是氧化和炎症损伤的关键触发因素，会最终导致突触功能障碍和神经元死亡[14].Moreno-Gonzalez等[17]研究表明，与健康对照组相比，脑内注射含有hIAPP聚集物的胰腺匀浆的APP小鼠的大脑中Aβ沉积明显增加，表明hIAPP和Aβ可能通过交叉接种相互作用，为T2DM患者发生AD的风险增加提供了一个潜在的新机制.

3.2 胰岛素信号在中枢和外周神经系统的作用

胰岛素信号传导是通过胰岛素对跨膜酪氨酸激酶受体(insulin receptor, IR)的识别和结合而启动的.胰岛素与其受体结合后，胰岛素受体底物(insulin receptor substrate, IRS)1～4(IRS-1,IRS-2,IRS-3,IRS- 4)的蛋白质家族的酪氨酸残基会发生磷酸化[18].当IRS-1和IRS-2的丝氨酸残基被磷酸化时，它们会从IR分离，导致IRS的酪氨酸磷酸化减少[19]，从而使下游胰岛素信号传导受到抑制.此外，蛋白酪氨酸磷酸酶1B(protein tyrosine phosphatase1B, PTP1B)可使IR和IRS-1中的酪氨酸残基去磷酸化，是胰岛素信号下调的另一重要机制[20].IR在脑中广泛分布，并富集于下丘脑、海马、大脑皮质、小脑和嗅球[21].De Felice[22]的研究结果表明，神经元胰岛素抵抗可由Aβ肽的寡聚体(Aβ oligos, AβOs)引起，如暴露于AβOs的原代海马神经元很快就会出现胰岛素不敏感现象.Forny-Germano等[23]在小鼠的侧脑室内注射AβOs后发现，AβOs在原代海马神经元中抑制了IRS-1酪氨酸磷酸化，从而引起了胰岛素抵抗.因此，De等[24]提出用胰岛素或胰岛素增敏剂改善胰岛素信号传导是使神经元和突触免于受AβOs毒性影响的有效策略.Hamilton[25]在糖尿病小鼠模型中证实了GLP-1在改善认知功能和神经毒性中的积极作用.雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)作为一种丝氨酸/苏氨酸激酶，是一个相对分子量为289的蛋白质，其C端含有600个氨基酸残基，其中110个氨基酸残基与哺乳动物磷脂酰肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase, PI3K)同源[26]，而激酶S6K1(S6 kinase 1, S6K1)是它的效应器.mTOR是PI3K途径中的关键蛋白，可调节细胞生长和代谢所需的蛋白质合成以及营养摄取[27].Khamzina等[28]的多个胰岛素抵抗模型研究均表现为mTOR/S6K1通路被激活和IRS-1磷酸化被抑制，此外缺乏S6K1基因的小鼠不会出现年龄和饮食诱发的肥胖，胰岛素敏感性也得到了改善.Norambuena等[29]发现，AβOs通过激活位于质膜中的mTORC1和mTORC1依赖性tau蛋白磷酸化来诱导细胞周期事件，由AβOs诱导的胰岛素信号传导下调可引起神经元细胞周期折返.

3.3 胰岛素信号传导障碍对AD的影响

共表达hIAPP的AD转基因小鼠会出现外周胰岛素抵抗、糖耐量异常，甚至糖尿病.Mosconi等[30]利用18F-氟化脱氧葡萄糖标记的正电子发射断层扫描，发现AD患者的能量利用率和葡萄糖摄取率持续下降，脑葡萄糖代谢进行性减少.胰岛素和胰岛素样生长因子-1(insulin like growth factor-1, IGF-1)及其受体广泛表达于脑中，特别是在AD靶向结构中.AβPP/Aβ寡聚物通过脱敏和减少IR的表达来抑制胰岛素刺激的信号的神经元传递.此外，AβPP/Aβ会干扰胰岛素对其自身受体的结合亲和力，阻碍胰岛素信号传导并加重胰岛素抵抗[31].胰岛素信号传导障碍破坏了AβPP加工，以及AβPP/Aβ清除[32]，也阻止了AβPP/Aβ的细胞内降解.细胞内AβPP/Aβ直接干扰蛋白激酶B(protein kinase B, PKB)/PI3K活化，损害神经元存活，并增加糖原合成酶激酶-3b(glycogen synthase kinase-3b, GSK-3b)以及tau蛋白的超磷酸化.在AD患者大脑中，胰岛素/IGF-1抵抗通过调节PI3K，PKB和Wnt /β-连环蛋白使tau的超磷酸化[33].抑制胰岛素和IGF-1信号传导会抑制tau基因的表达，进一步诱导AD的发生.

在大脑中，胰岛素/IGF途径是细胞存活、生长、分化、蛋白质合成、能量代谢及神经递质功能等必不可少的[34].脑内Aβ沉积和磷酸化水平升高，胰岛素水平下降和信号减弱会导致突触丢失和神经元数量广泛减少.而Aβ免疫即特异性抑制Aβ活性，能够改善外周胰岛素抵抗和高血糖，提示Aβ可能参与胰岛素抵抗和T2DM的发生，可能是AD和T2DM的共同病理生理机制.总之，Aβ介导外周胰岛素抵抗已被证实，并且在hIAPP存在的情况下会加剧胰岛淀粉样蛋白形成和β细胞死亡.这些影响导致脑内胰岛素缺乏，引起更严重的神经变性[35].此外，特异性抗Aβ的抗体可抑制Aβ的表达或活性，继而抑制Aβ导致的JAK2/STAT3-SOCS1信号通路激活，而改善胰岛素抵抗，提示Aβ免疫可能是外周Aβ升高个体的一种降糖策略.因此，干扰胰岛素/IGF信号传导会损害大脑的结构和功能完整性[36].脑中胰岛素抵抗或缺乏会损害葡萄糖代谢并加剧脑能量失衡，并导致活性氧(reactive oxygen species, ROS)生成，线粒体功能障碍和DNA损伤增加[37].接受高脂/低碳水化合物食物的动物脑中可溶性Aβ的水平会增加[38].APPswe/早老素(presenilin, PS)PS1dE9双转基因鼠同时携带具有瑞典型突变位点(Swedish KM594/595NL)的人鼠嵌合型APP基因(Mo/Hu APP695)和具有第9个外显子(dE9)突变的人PS1基因(这两种突变基因共同作用，加速Aβ的产生和沉积，在老年期出现认知功能障碍等行为学异常，较好地模拟了AD的病理特征和渐进性的病程)，是常用的AD转基因动物模型，经过高脂饲养，该转基因动物模型小鼠的学习和记忆会发生障碍[39].链脲佐菌素脑室内给药可诱导一系列AD病理生理学变化，包括认知障碍、脑胆碱能信号缺陷、氧化应激、Aβ负荷和tau蛋白超磷酸化[40].由链脲佐菌素脑室内给药诱导的胰岛素脱敏的大鼠的脑膜血管中呈现蛋白质过度磷酸化和Aβ样聚集[41]，胰岛素治疗可缓解链脲佐菌素引起的认知能力下降，同时可改善学习记忆；此外，胰岛素已被证明可降低Aβ水平，同时增加海马胰岛素降解酶、IR、PKB和生长抑素的水平[42].Alagiakrishnan等[43]回顾分析了糖尿病治疗药物对早期AD和轻度认知障碍患者的保护作用.二甲双胍具有神经保护作用，并可预防依托泊苷或氧-葡萄糖剥夺诱导的神经元凋亡，而这种效应的一个可能分子机制就是二甲双胍可逆转IRS磷酸化并因此改善神经元的存活情况[44].

3.4 炎症与氧化应激

T2DM和AD具有许多共同的病理生理学特征，除了胰岛素抵抗、淀粉样蛋白聚集和沉积，炎症和氧化应激也在其中发挥重要作用.AD患者血浆中检测到炎性细胞因子水平升高[45].而炎症细胞因子会阻碍胰岛素信号传导，从而导致外周胰岛素抵抗[8].Ledo等[46]的研究表明在小鼠模型中，AβOs可促进小胶质细胞激活和分泌促炎细胞因子.高血浆葡萄糖水平会使蛋白质、脂质和核酸发生非酶促糖基化，从而干扰其生理功能，随后形成晚期糖基化终产物(advanced glycosylation end products, AGEs)，导致糖尿病视网膜病变、糖尿病肾病、糖尿病神经病变等并发症发生.AGEs还可与其受体相互作用而在AD患者的脑中引发炎症反应和ROS的生成[47].参与脂质代谢的氧化酶如磷脂酶A2和脂氧合酶有助于炎症的进展[12].T2DM会导致内皮功能障碍，减少或阻断血液流入大脑，长时间灌注不足会导致神经元和神经胶质出现缺血性损伤，甚至可能加速Aβ的过度生成和聚集，最终引起AD进展[48].Clarke等[49]在AD大鼠模型中发现AβOs能够与下丘脑神经元结合，并以肿瘤坏死因子α依赖的方式诱导生成ROS，真核细胞翻译起始因子(eukaryotic initiation factor 2α, eIF2α)磷酸化和胰岛素信号通路受损.合并T2DM的AD患者的大脑中合成白细胞介素-1β的神经元内有hIAPP沉积，并且还可与4-羟基壬烯形成过氧化物复合物损伤的标志物[50].在表达hIAPP或注射聚集hIAPP的小鼠体中也可观察到这些现象，由此表明hIAPP的循环水平升高直接与氧化应激和异常炎症应答诱导的神经元损伤相关[50].降糖药之一的长效GLP-1受体激动剂利拉鲁肽可改善空间学习和记忆障碍，被认为与其可减少大脑中Aβ聚集，促进细胞增殖并分化为神经元，减少突触丧失，减轻大脑炎症反应有关[51].

3.5 胰岛素降解酶

胰岛素降解酶(insulin degrading enzyme，IDE)是属于锌-金属内肽酶M16家族的中性锌和巯基依赖性金属肽酶，最初发现其是负责胰岛素分解代谢的酶，后来进一步研究揭示其能降解多种其他多肽，例如Aβ、hIAPP和胰高血糖素.作为T2DM标志的胰岛素抵抗会使IDE水平下降，并导致胰岛素降解减慢，进而促进T2DM进展并放大外周组织中胰岛素受体的脱敏作用[52].IDE可能参与了T2DM自我致病事件的恶性循环[53].Kochkina等[54]的研究成果支持AD和IDE单体型之间的遗传关联以及AD患者中IDE活性和表达的改变.给B6和NOD小鼠灌胃BDM44768，其通过与底物直接竞争而抑制IDE活性，表现为抑制胰岛素降解，增强外周胰岛素信号传导[31].IDE对胰岛素主要有两个切割位点，一个位于胰岛素A链残基L13和Y14之间，另一个位于B链残基S9和H10之间[55].IDE不但能降解内源性的Aβ肽和人工合成的Aβ片段，也能降解释放Aβ后的hIAPP胞内段[56].值得注意的是，这种裂解会形成不能寡聚化的Aβ-淀粉样蛋白片段，进一步说明了IDE在β-淀粉样斑块损伤中的重要作用.另外，IDE对Aβ1- 40的催化效率显著高于胰岛素[57]，也表明了IDE在AD中发挥着重要作用，同时其对β-淀粉样蛋白水平的作用独立于对胰岛素代谢的间接作用[58].通过外源分子与拓扑结构不同于活性位点的结合口袋相互作用而催化活性的调节称为“异向性”，以将其与不同亚基的催化位点之间的“同向”变构相互作用区分开来[59]，IDE通过短肽底物进行的异向调节对大分子底物如胰岛素和Aβ1- 40也同样适用.Aβ或活性物质一氧化氮、4-羟基壬醛(4-hydroxynonenal, HNE)和4-羟基-2-己烯醛(4-hydroxy-2-hexenal, HHE)的过量生成，反过来又可下调IDE对Aβ的降解，促进疾病进展[60].一氧化氮负责IDE的S-亚硝基化，其可通过酶活性的负调节来抑制Aβ降解[61].

综上所述，研究表明Aβ与hIAPP在结构上具有很高的相似度，且胰岛素信号传导对于大脑的正常运转具有重要作用.对这两种疾病的病理生理学途径、作用机制和所呈现的分子组的结构-活性关系的总结分析，可进一步促进T2DM治疗药物的开发和发展，为预防T2DM诱导的AD的发生提供理论基础.