大脑胰岛素信号通路在AD中的作用及潜在降糖药治疗的研究进展

章占娜，邵德翠，徐爱萍

(皖南医学院 1.临床医学院;2.细胞电生理研究室,安徽 芜湖 241002)

阿尔兹海默症(Alzheimer's disease，AD)是一种临床表现为渐进性认知缺陷和执行功能障碍的神经退行性疾病[1]，占痴呆症的60%～80%。2016年全球有近5 000万痴呆症患者，预计到本世纪中叶患病人数将达到1.52亿。老年斑和神经原纤维缠结是AD脑组织病理学的特征性改变，前者是神经细胞外β淀粉样蛋白(amyloid Aβ-protein，Aβ)异常沉积所构成，后者是过度磷酸化的tau蛋白在神经细胞内异常聚集而产生。目前已有多种关于AD发病机理的假说，如β淀粉样蛋白沉淀假说、tau蛋白磷酸化假说、神经炎症假说等，但仍缺乏明确的定论。流行病学证据表明[2]，2型糖尿病(Type2 diabetes mellitus，T2DM)会加速神经系统退行性变，使痴呆症的发生率增加1.2～1.5倍。胰岛素抵抗是T2DM的重要发病机制，即靶器官的胰岛素受体下调，胰岛素与受体结合能力下降或胰岛素信号通路受损，导致胰岛素的生理效应降低。近年来，中枢胰岛素抵抗与认知功能障碍的关系受到研发人员的密切关注，越来越多关于AD的研究围绕大脑胰岛素信号通路展开。

目前临床治疗AD的主流药物(乙酰胆碱酯酶抑制剂类和美金刚)无法阻断病情恶化[3]，只能减轻AD患者的认知和行为功能障碍程度。因此，研发AD的特效药物是当今的热门课题之一。探讨大脑胰岛素信号通路对认知能力的影响机理和利用降糖药治疗AD的研究进展，可能有助于为拟订防治AD的干预措施提供参考。

1 胰岛素信号通路

胰岛素是51个氨基酸残基构成的肽类激素[4]。胰岛β细胞合成的胰岛素被释放入血液循环，经受体调控的转运蛋白透过血脑屏障(blood brain barrier，BBB)到中枢神经系统。然而，肥胖、衰老和炎症反应等因素会下调转运蛋白对胰岛素的转运。胰岛素不仅调节能量代谢和摄食活动，同时介导神经系统的正常功能，选择性结合广泛分布在中枢神经系统中的胰岛素受体(insulin receptor，IR)而发挥生理作用。IR是异四聚体跨膜糖蛋白，主要表达于海马、下丘脑、嗅球以及与认知功能相关的皮质脑区等。IR由α亚基和β亚基构成，胰岛素经细胞膜表面的α亚基与IR特异性结合，将信息传递给膜内侧的β亚基，使IR磷酸化，进而激活胰岛素受体底物(insulin receptor substrate，IRS)和下游蛋白质分子。胰岛素可激活神经元内PI3K/Akt和RAS/MAPK信号通路等[5]。PI3K/Akt信号通路能调节不同细胞内的下游底物：(1)葡萄糖转运蛋白4(glucose transporter4，GLUT4)，促使部分神经组织摄取和利用葡萄糖；(2)哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)，其活性水平与学习和记忆功能相关；(3)糖原合成酶激酶3β(GSK-3β)，是调节糖原合成和血糖平衡的重要激酶。RAS/MAPK信号通路参与细胞生存、分化和凋亡等。ERK是MAPK主要的信号转导通路之一，在突触形成和可塑性中起重要作用，参与神经系统发育和神经系统受损。

2 大脑胰岛素信号通路与AD

2.1 大脑胰岛素信号通路与认知神经元突触中富含IR，胰岛素通过IR调控突触结构和功能。学习和记忆等高级智能活动的神经系统生物学基础是海马突触的可塑性，包括长时程增强和长时程抑制。大鼠侧脑室内注射链脲佐菌素会异常激活脑内磷酸酪氨酸磷酸酶[6]，导致IR自身磷酸化程度减弱，破坏胰岛素信号逐级传递，使空间记忆功能受损，同时观察到突触后膜的Na+内向电流和长时程增强作用减弱。Zhao F等对小鼠海马离体脑片进行细胞外记录发现[7]，胰岛素经PI3K/Akt信号通路促进突触前膜释放谷氨酸神经递质，增强NMDA受体活性和Ca2+内向电流。可见海马体对胰岛素含量的变化甚为敏感，胰岛素信号通路通过海马突触长时程增强作用，促进突触的构成和修复过程，使海马体更易发挥记忆处理和储存功能。

脑组织对葡萄糖的转运和摄取过程受损会导致大脑能量代谢紊乱，胰岛素信号通路调节中枢神经系统中葡萄糖转运蛋白表达而参与AD病理改变。胰岛素反应性的GLUT4蛋白定位于认知功能相关脑区，给糖尿病大鼠的下丘脑腹内侧核注射胰岛素[8]，激活PI3K/Akt信号通路，促进GLUT4表达，使损伤的葡萄糖代谢得到恢复，提示胰岛素信号通路与葡萄糖的调节存在相关性。给大鼠侧脑室内注射链脲佐菌素会造成脑内葡萄糖代谢紊乱[9]、海马神经元丢失和学习记忆能力缺陷，而鼻腔胰岛素治疗可以阻断这些变化。胰岛素信号通路异常会抑制脑组织表达葡萄糖转运蛋白和降低葡萄糖利用效率，诱发氧化损伤，破坏线粒体和突触功能，造成神经元坏死及认知相关脑区的萎缩。T2DM老年患者罹患痴呆症的风险显著增加，而利用二甲双胍改善胰岛素信号通路则能减轻认知功能受损的程度[10]。

2.2 大胰岛素信号通路与β淀粉样蛋白老年斑由淀粉样前体蛋白逐步被β-和γ-分泌酶裂解产生的Aβ在神经细胞外异常沉积所构成[11]，而PI3K/Akt信号通路调节α-分泌酶的活性，α-分泌酶活性随GSK-3β活性减弱而增强，使sAPPα分泌增加，减少神经元分泌Aβ。AD转基因小鼠脑内GSK-3β被异常活化[12]，老年斑沉积加快，使突触丢失和功能破坏，加重AD小鼠的认知损伤。研究发现[5]，阿托伐他汀通过上调PI3K/Akt和下调MAPK/ERK信号通路，减少Aβ1-42诱导的SH-SY5Y细胞(AD细胞模型)死亡，改善AD大鼠的认知障碍，说明胰岛素信号通路保护神经系统功能。Aβ与IR结合会改变胰岛素与IR结合的活性中心构象，导致胰岛素信号通路无法发挥正常生理作用，淀粉样前体蛋白不能被水解成可溶性降解产物，提示Aβ与胰岛素信号通路受损陷入恶性循环，而利用药物改善胰岛素信号通路可以缓解AD病理改变。

胰岛素降解酶(insulin degrading enzyme，IDE)可以降解脑组织内的Aβ，而胰岛素信号通路经调节IDE能够介导AD的病理变化。AD转基因小鼠脑组织中IDE的含量和活性明显下调而Aβ生成量增加[13]，二甲双胍通过MAPK/ERK信号通路，促进AD转基因小鼠脑组织表达IDE蛋白，加速降解Aβ，减少IR被Aβ无效占用，改善胰岛素抵抗，延缓小鼠认知功能衰退的进程。通过靶向药物改善该通路，则可以提高中枢神经系统中IDE的表达水平，减弱Aβ对神经元的毒性作用，保护大脑的认知功能。

2.3 大脑胰岛素信号通路与tau蛋白磷酸化tau蛋白是构成神经细胞骨架的微管相关蛋白，通过稳定微管网状结构，保证神经元胞体与轴突末梢间物质和信号传递的有效进行。然而，AD脑内过度磷酸化的tau蛋白会扰乱轴突运输机制，破坏突触结构与功能。GSK-3β是诱导tau蛋白磷酸化的关键激酶，故很可能是胰岛素信号受损导致tau蛋白磷酸化反应异常的关键分子。AD转基因小鼠脑内GSK-3β活性水平和磷酸化tau蛋白的浓度显著提高[12]，并伴随神经元凋亡和认知缺陷。链脲佐菌素诱导的糖尿病小鼠海马内Akt下游的mTOR蛋白质分子和核糖体激酶磷酸化水平增加[14]，随后出现类似AD的病理改变以及认知功能衰退，通过注射抑制剂选择性遏制mTOR的磷酸化，可以削减tau蛋白的磷酸化水平。胰岛素样生长因子(insulin like growth factor,IGF)和胰岛素属于同一蛋白家族，维持和影响脑组织的基本结构和生理功能。研究人员用IGF-1干预Aβ1-40诱导的PC12细胞(AD细胞模型)[15]，观察到GSK-3β活性减弱，过度磷酸化的tau蛋白含量下降，坏死神经元的数目减少。利拉鲁肽治疗通过上调ERK和抑制JNK表达[16]，可以抑制tau蛋白磷酸化，对AD转基因小鼠的学习和记忆功能产生积极影响。由此可见，大脑胰岛素信号通路受损与tau蛋白的过度磷酸化可相互加重，尤其GSK-3β被异常激活后，若能选择性地改善PI3K/Akt信号通路，则能缓解tau的磷酸化，保护大脑结构和功能。

2.4 大脑胰岛素信号通路与神经炎症反应T2DM患者的外周胰岛素抵抗会诱发炎症反应，释放的炎症因子(TNF-α,IL-6,IL-12和IL-1β)可以透过BBB，结合脑组织上相应受体，激活神经元内JNK，IKK和PKR等蛋白激酶,使IRS-1丝氨酸残基磷酸化，抑制酪氨酸残基磷酸化，损伤IRS-1介导的胰岛素信号通路，导致脑组织对胰岛素的生物学反应下降。中枢胰岛素抵抗使小胶质细胞和星形胶质细胞被过度激活[17]，进而释放炎症因子，破坏神经元活性、突触可塑性和加速神经元凋亡。此外，外周胰岛素抵抗还会下调BBB上胰岛素转运蛋白转运胰岛素，中枢神经系统的胰岛素水平下降，胰岛素的神经元保护作用丢失，加快AD疾病进展。研究人员给高脂饮食诱导的认知障碍小鼠的海马内注射胰岛素[18]，能够抑制神经炎症反应，改善空间记忆功能。虾青素通过上调PI3K/Akt信号通路[19]，减轻糖尿病脑病大鼠海马的炎症反应，实现神经保护作用，改善认知功能损伤。这些结果提示大脑胰岛素信号通路受损与神经炎症反应密切相关，但其影响认知功能的分子机制还需进一步探究。

3 以胰岛素信号通路为靶点治疗AD

大脑胰岛素信号通路受损会加重AD的病理变化，而降糖药可以恢复受损的大脑胰岛素信号转导通路，以此为着手点，可为治疗AD寻找新的药物。经鼻腔胰岛素给药可以使胰岛素沿着三叉神经和嗅神经的轴浆运输路径绕过BBB，迅速到达中枢神经系统。AD转基因小鼠接受鼻腔胰岛素治疗后[20]，海马内p-Akt水平显著提高，短期和长期记忆得到保存。AD患者接受鼻内胰岛素治疗12个月后[21]，脑脊液中p-tau和Aβ1-42含量降低，但认知障碍未见明显的改善。二甲双胍是一种具有神经保护作用胰岛素增敏剂，通过激活海马组织PI3K/Akt信号通路，降低海马组织Aβ和p-tau蛋白的含量，改善AD大鼠的认知障碍[22]。格列苯脲属于磺胺类降糖药[23]，可以减轻AD大鼠海马内炎症反应和胰岛素抵抗，改善记忆障碍。胰高血糖素样肽-1受体激动剂是一类肠促胰素类降糖药，如利拉鲁肽，能够透过BBB，保护中枢神经系统的胰岛素受体和神经元的突触可塑性，增强胰岛素信号，改善认知功能。临床试验显示[24]，同安慰剂组相比，连续26周每天接受利拉鲁肽治疗的AD患者的葡萄糖代谢异常和认知功能障碍有所改善。二肽基肽酶-4抑制剂是一类口服降糖药，如阿格列汀，可以提高胰岛素和活性形式的肠促胰岛素水平。阿格列汀除了改善海马内胰岛素抵抗[25]，还可以降低Aβ1-42含量，减弱GSK-3β活性，恢复AD大鼠的学习记忆功能。

目前，利用降糖药防治AD的策略大多停留于动物实验阶段，临床试验结果显示，降糖药可以降低AD患者脑脊液中Aβ和过度磷酸化tau蛋白水平，但对于记忆力减退和执行能力障碍等临床症状的改善情况并不显著，反映老年斑和神经原纤维缠结只是导致AD患者认知功能障碍的部分病因，胰岛素信号通路与AD发病机制的联系还需要进一步探索。

4 总结与展望

越来越多的研究揭示胰岛素信号通路在AD病理变化中的重要作用。首先，T2DM会增加AD的发病风险；其次，大脑胰岛素信号通路参与调控Aβ代谢和tau蛋白磷酸化，并在能量代谢，神经炎症反应及改善学习和记忆功能等方面发挥重要作用；另外，降糖药显示出良好的AD治疗前景。因此，深入了解代谢性疾病与AD的关系，阐明胰岛素信号通路受损与AD发病机理的联系，尤其是探究MAPK/ERK信号通路对神经系统功能的影响机制，有助于研发人员找到潜在的药物靶点和设计特异性药物防治AD。