二甲双胍治疗慢性神经精神疾病的研究进展

卢明芬，付 强，胡贞贞

(1.南昌大学基础医学院病理生理学教研室；2.江西省肿瘤病原学和分子病理学重点实验室；3.江西省人民医院呼吸科二部，南昌330006)

随着人口老龄化以及个人、家庭和社会的负担日益增加，阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)、帕金森病(Parkinson’s disease，PD)、抑郁症等慢性神经精神疾病的发病率增高，而且这些疾病尚无特效药，主要是对症治疗。因此，寻找更有效的慢性神经精神疾病的治疗方法迫在眉睫。二甲双胍作为2型糖尿病(Type 2 diabetes mellitus，T2DM)的治疗药物已受到广泛关注。除降糖作用外，二甲双胍还具有改善血清脂质谱、减少炎症细胞与内皮的粘附、抗凋亡和抗氧化的特性，通过不同的信号通路对其它各种疾病发挥治疗作用。有研究[1]发现，二甲双胍对神经细胞具有保护作用。此外，有研究[2]显示，T2DM与AD、PD、抑郁症等神经精神疾病有相似的病理特征，且可增加这些神经精神疾病的患病风险。这些研究提示，二甲双胍可能对慢性神经精神疾病也具有治疗作用。本文就慢性神经精神疾病与糖尿病之间的相关性及二甲双胍对AD、PD和抑郁症等疾病的治疗进展进行综述，旨在为深入研究二甲双胍用于治疗慢性神经精神疾病提供参考。

1 糖尿病与慢性神经精神疾病的关联

1.1 糖尿病与AD的关联研究

临床研究[3]表明，T2DM患者可增加罹患AD的风险。例如，ZHANG等[3]研究表明，糖尿病患者的AD发病率明显高于没有这种代谢疾病的患者(RR：1.53，95%CI：1.42～1.63)。此外，糖尿病与AD之间存在相似的病理特征。AD的主要病理特征是β淀粉样蛋白(β-Amyloid protein，Aβ)和神经原纤维缠结(Neurofibrillary tangle，NFTs)斑块在脑中积累[4]。在糖尿病患者胰腺中发现了胰岛淀粉样蛋白沉积，这与AD脑中的淀粉样蛋白斑块相似[5]。在糖尿病中，这些胰岛淀粉样蛋白的形成与β细胞量减少有关。LUCA等[6]研究表明，胰腺中人胰岛淀粉样多肽(hIAPP)的分子结构和形态与AD中的Aβ原纤维十分相似。进一步研究[7]发现，hIAPP寡聚体会导致β细胞死亡，就像可溶性Aβ寡聚体会导致神经元丢失一样。AD患者脑中发现的NFTs是由tau过度磷酸化所引起的。胰岛素受体信号通路受损导致糖原合成酶激酶3β(GSK3β)激活增加，从而导致tau蛋白过度磷酸化。因此，抑制GSK3β激活会减少过度磷酸化的tau相关神经元减少[8]。

认知障碍是糖尿病与AD共同的临床表现，其发病机制与大脑中受损的胰岛素介导的信号通路相关[9]。胰岛素、胰岛素受体及其底物存在于整个中枢神经系统，它参与调节神经递质释放和突触可塑性，因此在学习和记忆中发挥重要作用。糖尿病患者通过增加晚期糖基化终产物(AGEs)的形成而导致神经退行性变，其机理在于AGEs激活晚期糖基化终产物(RAGE)的特定受体，从而产生活性氧(ROS)和炎症反应，最终导致神经元减少的发生[10]。早在1994年就发现AD患者中AGEs与神经原纤维缠结和Aβ斑块共定位，与健康对照组相比，AGEs水平高出3倍[11]，还发现AGEs通过加速Aβ在大脑不同区域的沉积来促进疾病进展。AGEs的积累通过下调AMPK及其下游信号通路增强人类神经干细胞死亡和线粒体功能障碍。线粒体及其功能障碍也被认为是AD和糖尿病之间的另一个联系[9]。

糖尿病和AD的发病机制与氧化应激和炎症反应密切相关。有临床和实验证据[12]表明，氧化应激反应在糖尿病患者体内增强从而介导糖尿病神经病变，同样在AD中氧化损伤也增加。糖尿病的发展与炎症标志物和炎症介质水平的增加有关。例如，C反应蛋白和白细胞介素6(Interleukin 6，IL-6)。AD与广泛的炎症和免疫途径的激活有关，在AD大脑中，促炎症细胞因子、趋化因子和补体蛋白水平显著上调，而且慢性炎症的程度与认知能力下降和脑萎缩相关[13]，在AD动物模型中也观察到小胶质细胞活化和炎症增加。

1.2 糖尿病与PD的关联研究

糖尿病与PD之间存在关联。PANAGO等[14]的报道表明，T2DM与PD风险增加有关，与患有PD的非糖尿病受试者相比，患有T2DM和PD的患者出现运动症状加重、认知障碍程度更高和运动并发症发生更早。T2DM诱导PD并发症发生。例如：T2DM小鼠加剧急性1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(MPTP)用药的多巴胺能神经元变性，其发生机制与T2DM中受损的胰岛素信号传导相关；糖尿病导致大鼠中黑质纹状体通路中多巴胺能神经元变性和α-突触核蛋白淀粉样蛋白原纤维的形成[15]。在PD中可以观察到α-突触核蛋白聚集体的形成，而由胰岛淀粉样蛋白多肽(IAPP)形成的胰腺淀粉样蛋白斑块存在于T2DM中。当α-突触核蛋白与IAPP相互作用时，它的聚集速度更高，表明在T2DM病例中发生PD的倾向增加[16]。T2DM患者的过度糖基化过程，蛋白质经历翻译后修饰，这会影响α-突触核蛋白结构并增加其聚集。这些因素对PD的发生来说都是危险因素。

1.3 糖尿病与抑郁症的关联研究

糖尿病患者发生抑郁症的风险增高，这提示抑郁症和T2DM可能共享生物学途径[17]。一项流行病学研究[18]发现：患有DM会增加随后患上抑郁症的风险。11项流行病学研究的荟萃分析显示，基线时没有抑郁症的T2DM个体在随后几年中发生或复发抑郁症的风险增加了1.24倍(95%CI：1.09～1.40)[19]。女性糖尿病患者的抑郁症患病率(23.8%)高于男性(12.8%)；然而，T2DM患者与非DM患者相比，男性患抑郁症的优势比(OR=1.9，95%CI：1.7～2.1)高于女性(OR=1.3，95%：1.2～1.4)[20]。一项全国妇女健康协会的研究[21]表明，患有DM会导致其在2年后患抑郁症的概率增加2.8倍(95%CI：1.2～6.4)。因此，DM是抑郁症的危险因素。

2 二甲双胍在慢性神经精神疾病治疗中的作用及机制

2.1 二甲双胍治疗AD的研究

二甲双胍能改善AD患者的认知障碍和记忆丧失。例如，ZHAO等[22-23]评估了戊四唑诱导的AD动物模型中二甲双胍对AD的治疗效果，发现其减少脑内氧化应激标志物水平，改善癫痫发作和认知障碍，抑制病情发展。有流行病学调查研究[24]发现，与使用其他抗糖尿病药物的参与者相比，只有单独使用二甲双胍的参与者具有更好的认知功能(语言学习、工作记忆和执行功能)，这表明二甲双胍可能是一种潜在的认知障碍预防剂。二甲双胍在改善记忆方面亦有明显效果。例如，二甲双胍可防止大鼠与高脂肪饮食相关的空间参考记忆受损[25]。口服二甲双胍36 d，老年大鼠在水迷宫测试中记忆表现有明显提高。CHEN等[26]研究结果表明，二甲双胍治疗6周可显著改善小鼠记忆障碍，其机制与突触之间长时程增强的恢复相关。

二甲双胍可以提高AD患者脑内Aβ清除[27]。一方面，二甲双胍可通过减少Aβ相关分泌酶(ADAM10、BACE1和PS1)和Aβ-相关转运体(LRP1和RAGE)的mRNA表达水平，从而减少APP/PS1小鼠脑中的Aβ沉积。另一方面，胰岛素降解酶(Insulin Degrading Enzyme，IDE)可影响Aβ清除率，IDE基因突变可导致Aβ降解受损。而二甲双胍有效提高了IDE的蛋白质水平，从而增加Aβ的降解。

二甲双胍缓解AD脑内氧化应激和炎症反应的发生。例如：二甲双胍降低了APP/PS1小鼠的白介素1β(IL-1β)和白介素6(IL-6)的水平。其机制与二甲双胍特异性激活AMPK依赖的信号通路相关[28]。进一步研究证实，二甲双胍可通过AMPK信号通路增加脑源性神经因子(BDNF)的表达，从而发挥神经保护作用。

2.2 二甲双胍治疗PD的研究

二甲双胍可以减少多巴胺能神经元死亡和α-突触核蛋白的病理性包涵体的形成。例如，在MPTP用药的小鼠中，二甲双胍降低了α-突触核蛋白的表达和α-突触核蛋白阳性细胞的数量[29]。此外，在秀丽隐杆线虫中，二甲双胍减少6-羟基多巴胺诱导的多巴胺能神经元的损失和α-突触核蛋白聚集[30]。二甲双胍治疗PD的机制与其抗炎机制相关。例如：二甲双胍抑制了黑质中小胶质细胞的活化，减低炎症相关蛋白NLRP3，caspase-1，IL-1β的表达，减少多巴胺(DA)能神经元死亡。与生理盐水处理的1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶/丙磺舒(MPTP/p)诱导的PD小鼠相比，二甲双胍抑制促炎基因TNF-α和IL-6 mRNA的表达[29]。这些结果表明二甲双胍可抑制MPTP/p PD小鼠小胶质细胞介导的神经炎症。

二甲双胍治疗PD的作用机制与抑制ATP缺失的能量代谢紊乱和线粒体功能障碍有关[31]。AMPK作为一种丝氨酸-苏氨酸异源三聚体激酶，在调节细胞内代谢级联信号和细胞能量状态中发挥核心作用。AMPK通过增加AMP/ATP比率，在Thr 172处磷酸化被激活，最后调控ATP的保存和生成。在MPTP诱导的人神经母细胞瘤细胞(SH-SY5Y)中，二甲双胍激活AMPK，清除功能失调的线粒体和抑制ROS的产生。在MPTP/p诱导的PD小鼠模型中经二甲双胍5周治疗后，可显著改善黑质致密部多巴胺能神经元的退化，提高纹状体多巴胺能水平[29]。

二甲双胍在调节神经元自噬过程也起关键作用。例如：二甲双胍在MPTP/p的PD小鼠中，增加自噬相关蛋白LC3-II表达和降低p62表达，最终，保护DA能神经元[32]。体外实验[29]证实，二甲双胍在SH-SY5Y细胞中激活AMPK，进而诱导微管相关蛋白LC3-II介导的自噬并消除线粒体活性氧来保护SH-SY5Y细胞。

2.3 二甲双胍治疗抑郁症的研究

二甲双胍可有效作为非糖尿病性重度抑郁症(MDD)患者的抗抑郁药的辅助治疗。有研究[33]表明，长期暴露于高脂饮食的雄性C57BL/6J小鼠，提高血浆支链氨基酸的浓度，限制色氨酸被吸收至大脑中，减少神经元5-HT的合成和神经末梢的释放，最终，在啮齿动物中诱发抑郁样症状，如焦虑或快感缺乏症；二甲双胍还可以通过降低支链氨基酸循环(Branched chain amino acid cycle，BCAA)水平促进大脑中色氨酸的可用性，增加5-HT的合成和释放，改善抑郁样症状。此外，二甲双胍可以通过激活AMPK/CREB介导的组蛋白乙酰化增强BDNF的表达，从而改善C57BL/6J小鼠慢性社交失败应激(SDS)模型所致的抑郁样行为的发展，例如：减少强迫游泳实验和悬尾实验中的不动时间，提高社会互动和蔗糖偏好[34]。二甲双胍通过调节CREB/BDNF和Akt/GSK3信号通路可以抑制甲基苯丙胺诱导的氧化应激和炎症以及行为改变如焦虑、抑郁、认知障碍和运动活动障碍[35]。在脂多糖诱导的抑郁症小鼠模型[36]中，二甲双胍可改善脂多糖导致的谷氨酸能传递升高和强迫游泳、悬尾实验中增加的静止时间。二甲双胍还可以通过抑制外周和中枢NLRP3炎症小体激活而产生抗抑郁作用。可见，二甲双胍对抑郁症的治疗作用已日渐显露。

二甲双胍治疗抑郁症的机制主要依赖α亚单位激酶结构域内的T172磷酸化，激活AMPK信号通路。至少2种磷酸化T172的上游激酶，即肝激酶B1(L-Hepatic kinase B1，LKB1)复合物和钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶2(Calcium/calmodulin dependent protein kinase kinase 2，CaMKK2)都在中枢神经系统中高度表达。LKB1复合物具有组成型活性，并提供恒定的低水平T172磷酸化，此外，CaMKK2的磷酸化是由Ca2+的升高触发的，并且可以在AMPK没有任何增加的情况下发生。另一方面，AMPK是γ-氨基丁酸(Gamma aminobutyric acid B2 receptor，GABAB2R)的丝氨酸783(S783)位点磷酸化的关键。AMPK由Ca2+激活CaMKK2的升高激活的，这触发AMPK的磷酸化，或由代谢应激消耗ATP和增加AMP，导致AMPK去磷酸化的抑制，这与LKB1或CaMKK2的作用相反。激活的AMPK使GABAB2R上S783位点磷酸化，从而使GABAB2R上膜，增加GABAB2R的膜表达。笔者已发表的文章[37]表明，在慢性精神类药物成瘾过程中，其发病机制与通过Ca2+激活抑制代谢型抑制性受体多巴胺D3受体和GABAB2R表达相关。而且，笔者尚未发表结果显示，腹腔注射二甲双胍对抑郁症样的行为有改善作用，同时在大鼠脑内海马腹侧区和伏隔核区，慢性压力性抑郁刺激导致神经元膜上GABAB2R表达明显减少，二甲双胍导致AMPK和GABAB2R表达增加，但具体的机制还未完全明确。笔者认为二甲双胍改善抑郁症的发生发展可能通过激活Ca2+/CaMKK2-AMPK信号通路影响伏隔核-海马环路中GABAB2R表达水平和功能，这需要深入研究。

3 小结

综上，糖尿病与AD、PD和抑郁症等慢性神经精神疾病之间有着密切的联系，而治疗T2DM的一线药物二甲双胍具有改善这些疾病症状的作用。基于现有研究，二甲双胍治疗这些疾病的分子机制包括：1)激活AMPK调节自噬相关蛋白LC3-II、P62的表达发挥神经元保护作用，通过AMPK/NF-κB通路发挥抗炎症和抗氧化特性；2)通过激活AMPK/CREB/BNDF通路发挥神经保护作用，通过调节Akt/GSK3信号通路抑制氧化应激和炎症反应；3)有效提高了IDE的蛋白质水平，从而增加AD中Aβ的降解；4)减少PD中的α-突触核蛋白；5)在抑郁症中可以降低BCAA水平，从而增加5-HT的合成和释放，改善抑郁样症状。此外，笔者认为二甲双胍可能通过激活Ca2+/CaMKK2-AMPK信号通路影响伏隔核-海马环路中GABAB2R表达水平和功能而改善抑郁症的症状。总之，二甲双胍可通过多种不同的机制改善慢性神经精神疾病的症状，是一种很有前途的治疗慢性神经精神疾病的候选药物。