阿爾茨海默病與胰島素抵抗的研究進展

王沙，周小杰，潘偉

作者單位： 321017浙江省金華，金華市中醫院（王沙）；浙江中醫藥大學（周小杰）；浙江省醫學科學院（潘偉）

阿爾茨海默病（AD）是一種中樞神經系統退行性疾病，臨床主要表現為記憶和認知功能障礙、行為及人格異常改變。病理表現為神經元萎縮和丟失、神經膠質細胞過多、細胞外A蛋白沉積形成淀粉樣沉淀和細胞內由TAU蛋白過度磷酸化形成的神經纖維纏結（NFT）。AD是癡呆最主要的發病類型，約占所有癡呆患者的70%，65歲后發病率每5年增加1倍，超過85歲的老人一半以上患不同程度 AD。AD的病因至今未完全清楚，一般認為其是復雜的異質性疾病，遺傳因素、免疫因素和環境因素等可能參與致病。臨床試驗和流行病學均研究表明，AD與代謝性疾病密切相關，患者腦內的胰島素信號通路及糖代謝發生了功能紊亂，因此又被稱為3型糖尿病[1]。

1 AD與腦內胰島素抵抗（IR）

腦內胰島素可由胰腺 細胞分泌入血液穿透血腦屏障進入中樞神經系統，也可在腦中自發合成，腦內胰島素在代謝、神經營養、神經調節、神經內分泌以及學習和記憶中都發揮著重要作用。腦中胰島素含量遠高于血漿，腦內胰島素受體（InsR）廣泛分布于大腦皮層、海馬、下丘腦及杏仁核中，且在神經元和突觸后分布濃度更高[2]。InsR及腦脊液胰島素水平與認知能力密切相關，降低胰島素信號通路中相關酶的活性或胰島素受體底物（IRS）的表達都將加速癡呆進程。破壞中樞胰島素信號通路會使中樞神經元更易受代謝應激損傷，加速神經系統紊亂，從而降低認知能力，漸而發展為癡呆[3]。因此，腦中胰島素通路受損在AD患者認知功能減退中具有重要的影響。

IR是指胰島素信號通路對胰島素不敏感，導致胰島素促進葡萄糖攝取和利用的效率下降，機體代償性的分泌過多胰島素產生高胰島素血癥，以維持血糖的穩定。研究表明，T2DM患者的脂肪和骨骼肌中Akt信號通路顯著降低，Akt2基因敲除小鼠在肝臟和骨骼肌表現出明顯的胰島素信號受損反應進而發展為具有高血糖、高胰島素血癥糖尿病[4]，因此，PI3K-Akt信號通路的改變是IR最主要特點。Pugazhenthi等[5]研究認為，腦內IR的出現是發生AD的病理前兆。動物實驗也證實，IR能促進AD病理特征產物的產生[6]，并且和A 蛋白相互影響，A蛋白可以進一步加劇IR的形成[7]，其機制除了與PI3K-Akt信號通路還與JNK等信號通路相關。

2 IR與TAU蛋白

TAU蛋白異常磷酸化被認為是AD主要的發病機制之一。在AD中，TAU蛋白有超過80個絲/蘇氨酸位點可被磷酸化，神經元軸突TAU蛋白過度磷酸化形成 NFT會影響正常的軸突傳遞和損傷突觸可塑性導致細胞丟失。胰島素可以調控TAU蛋白磷酸化和NFT的形成，GSK3、CDK5、微管親和調節激酶及TAU蛋白磷酸化蛋白激酶PP2A等均受胰島素信號調控[8]。IR在腦內受損影響最大的也是PI3K-Akt信號通路，其能夠激活GSK3增加TAU蛋白磷酸化，而胰島素和 IGF-1能通過PI3K-Akt信號通路抑制GSK3降低TAU蛋白磷酸化，對大腦皮層神經元長期高血糖培養則能阻礙Akt磷酸化，促進TAU蛋白磷酸化，IGF-1和IRS-2基因敲除小鼠中，腦內TAU蛋白均明顯增加[9]，因此Akt信號通路在ADTAU蛋白形成中具有關鍵作用。GSK3活性增加還能增加 A蛋白沉積[10]，A 蛋白能激活TNG-/JNK通路磷酸化IRS-1絲氨酸，阻斷胰島素信號通路，誘發IR，進一步激活GSK3。IR還可以通過 O-GlcNAc糖基化影響TAU磷酸化，O-GlcNAc糖基化是指在蛋白質的絲/蘇氨酸殘基的羥基氧原子上連接單個N-乙酰葡糖胺（O-GlcNAc），O-GlcNAc糖基化的修飾機制類似于磷酸化，參與了基因轉錄、信號轉導和細胞生長與分化等多個重要的生物學過程。O-GlcNAc糖基化受細胞中ATP的濃度影響，肥胖和IR產生過多的能量積累導致O-GlcNAc糖基化紊亂，一些情況下，O-GlcNAc糖基化同時還可以磷酸化。TAU蛋白至少有12個O-GlcNAc糖基化位點，降低腦內的能量代謝和 OGlcNAc糖基化能降低 TAU蛋白磷酸化，增加O-GlcNAc糖基化能防止TAU蛋白堆積[11]。

3 IR與A蛋白

不溶性 A蛋白沉積形成老年斑是AD另一個主要病理表現。A蛋白來源于淀粉樣前體蛋白（A PP），正常情況下A PP由 -分泌酶裂解成可溶性的APP片段（sAPP），AD病理情況下則由 -分泌酶和 -分泌酶裂解成不溶性A沉淀。胰島素信號通路調節著 A蛋白形成的多個環節，在體外原代大鼠大腦皮層神經元培養中胰島素和IGF均能抑制A聚合降低A的神經毒性，通過鏈脲霉素（STZ）抑制老鼠腦內星形瘤細胞胰島素信號發現，A PP、BACE-1以及A 42均有明顯增加[12]。胰島素和IGF-1能通過調節A轉運體進入腦內清除A蛋白，還能夠通過增加神經元胰島素降解酶（IDE）和 -分泌酶表達減少淀粉樣蛋白的形成。在正常生理情況下，小膠質細胞分泌的IDE除了降解胰島素外還可以降解細胞外 A蛋白，胰島素可通過PI3K通路增加IDE來調節細胞外A的降解。在IDE敲除小鼠模型中，大腦的A 明顯增加，相反，在A PP轉基因小鼠中，IDE過表達則會降低腦中A水平，甚至完全阻斷老年斑的形成[13]。相反，A蛋白能反饋作用于胰島素信號通路，A蛋白能競爭性的和InsR結合調節其細胞內信號傳導，A蛋白在海馬神經元中能與 InsR結合抑制其磷酸化從而阻礙了PI3K-Akt信號傳導，A 派生擴散性配體（ADDL）能誘發InsR的異常表達干擾胰島素信號傳遞，從而促進了中樞系統的IR[14]。另外，A 蛋白可以通過JNK信號磷酸化IRS絲氨酸抑制胰島素信號傳遞，在轉基因AD大鼠模型中也同樣發現IRS-1受到抑制，在原代海馬神經元體外實驗中發現，A蛋白能激活TNG-/JNK通路磷酸化IRS-1絲氨酸[15]，阻斷胰島素信號通路，誘發IR。因此，在IR情況下腦內 A蛋白和胰島素信號間的相互作用加速了AD的病理進程。

4 IR與腦神經血管血流量

神經元依靠腦血管提供氧氣和營養成分并帶走二氧化碳和其他代謝產物。研究表明腦血管功能紊亂會導致神經元損傷和退變，AD表現為區域腦血流下降，腦部氧氣和營養成分得不到充分供應。胰島素信號調節著神經血管的舒張和收縮，IR通過PI3K-Akt阻斷腦內內皮型一氧化氮合酶（eNOS）產生一氧化氮（NO）影響神經血管舒張[16]。同樣，IR能調節神經血管收縮，導致Shc蛋白磷酸化，Shc磷酸化產物和Grb-2結合激活Sos蛋白，進一步激活Ras蛋白導致Raf蛋白激酶磷酸化，最終激活MAPK信號通路。MAPK信號通路的激活會刺激釋放血管收縮劑內皮素 1（ET-1）[17]。因此，在IR狀態下，PI3K-Akt通路受損導致NO下降，Ras/MAPK通路激活ET-1升高，都將使腦血管收縮，影響腦部氧氣和營養的供應。另外，NO的降低還會導致氧化應激和炎癥反應的增加，導致血管并發癥。

5 AD可能的治療新靶點—胰島素信號通路

鑒于腦內IR與認知損傷的密切關系，一些治療糖尿病的藥物被用來嘗試治療AD，研究證實噻唑烷二酮類通過增強胰島素功能改善認知功能，早期給予噻唑烷二酮類能有效的預防 STZ引起的神經功能減退[18]。羅格列酮類似物能降低Tg2576 AD小鼠IDE mRNA表達提高小鼠的學習和記憶能力，長期給予羅格列酮也利于A清除，降低淀粉樣沉淀，減少TAU蛋白磷酸化，提高AD模型大鼠認知功能[19]。大鼠側腦室注射胰島素能提高大鼠的空間學習和記憶能力并且能逆轉 STZ導致的認知功能減退，鼻腔內注射胰島素能減少由高脂飼料喂養引起的TAU磷酸化，而皮下注射胰島素所起效果甚微[20]。盡管全身系統性的給予胰島素被證實有利于提高記憶功能，但長期給予胰島素易引起低血糖副作用導致認知障礙和神經細胞死亡，因此并不適合作為長期治療 AD的方法。鼻腔內給予胰島素能安全有效的增加腦脊液胰島素水平避免全身性給藥的副作用。AD患者早期連續21 d鼻腔內給予胰島素能明顯增加患者陳述性記憶和選擇注意力，增加患者血漿 A 40/A 42比例，這表明能降低A淀粉樣沉積[21]。胰高血糖素樣肽1（GLP-1）是由腸上皮細胞分泌調節全身葡萄糖攝取的腸道激素，GLP-1受體廣泛分布于全身各組織器官，包括中樞和外周神經系統。激動 GLP-1受體有利于血糖的充分利用和各組織器官抗凋亡作用，長效GLP-1類似物艾塞那肽（Byetta）和利拉魯肽（Victoza）已經被批準用來治療T2DM，更重要的是 GLP-1能透過血腦屏障進入腦內增強腦內胰島素信號通路。在體外培養的神經元細胞中[22]，GLP-1類似物Excendin-4能有效預防由高血糖引起的TAU蛋白過度磷酸化和A的神經毒性，在STZ誘導的糖尿病小鼠皮下注射利拉魯肽1個月能明顯減少TAU磷酸化，提高小鼠的學習和記憶能力[23]。最近，利用艾塞那肽和利拉魯肽治療AD早期 MCI的臨床試驗正在如火如荼進行中。

6 結語

隨著世界肥胖人數的不斷增加，代謝性疾病出現的概率也不斷提升，AD為腦內代謝疾病也在不斷的被證實。在AD患者腦內，胰島素信號通路調節著TAU蛋白表達和神經血管血流量，并且和A蛋白互相影響，多種T2DM治療藥物都可以用來治療改善 AD認知功能，鼻腔內給予胰島素以及GLP-1類似物治療AD目前也在如火如荼臨床試驗中。利用TAU總蛋白、TAU的過度磷酸化、腦脊液中A 40/A 42比值能診斷辨別出80%AD，但仍需要更為敏感的早期臨床生物標記物來預防診斷AD，AD腦內IR現象為患者的早期預防診斷以及改善治療提供了新的途徑。