胰島素/胰島素樣生長因子信號通路：“整合效應”治療阿爾茨海默病潛在途徑及人參的治療特點及優勢

吳宿慧 李寒冰 陳曉暉 李根林

(河南中醫藥大學藥學院，河南 鄭州 450046)

阿爾茨海默病(AD)是一種起病隱匿的神經系統退行性疾病，是老年人最常見的癡呆類型，我國60歲以上人群中發病率為3%～5%，臨床以記憶障礙、認知功能障礙及人格和行為改變等癡呆表現為特征，其發病機制復雜，病因尚不明確，雖有眾多假說，但臨床中尚缺乏治療AD的特效藥物。AD是一種代謝性疾病，與大腦內葡萄糖代謝異常有關〔1〕，衰老、肥胖、代謝綜合征等都可能是導致AD的潛在因素〔2〕。AD全基因組關聯研究表明AD神經彈性變化可能主要受非遺傳效應的影響〔3〕間接證明了該觀點。線粒體作為葡萄糖代謝的主要場所、胰島素/胰島素樣生長因子(IGF)信號通路作為調控葡萄糖代謝的主要因素備受關注〔4〕。AD相關的胰島素/IGF信號通路異常主要原因是胰島素/IGF抵抗與缺失所致。因此，AD被認為是“腦部特異的2型糖尿病”，具有胰島素抵抗(IR)及胰島素缺失的雙重特征〔5，6〕，被稱為3型糖尿病(T3DM)〔7〕。若胰島素/IGF信號通路障礙導致糖代謝異常會促使β淀粉樣蛋白(Aβ)沉積，Aβ沉積導致線粒體功能失調，進一步使線粒體對淀粉樣前體蛋白(APP)的降解減少，Aβ沉積增多，形成惡性循環，加速T3DM病情的發生發展〔8〕。因此，腦部能量代謝失調、胰島素/IGF信號通路障礙及線粒體功能調節在AD與糖尿病之間的相關性研究中成為了必不可少的紐帶。也成為中醫藥“整合效應〔9，10〕”治療AD的潛在途徑。本文將對胰島素/IGF信號通路的研究進展及中醫藥的治療理念與優勢做一綜述。

1 胰島素/IGF信號通路是聯系T2DM與AD的紐帶

胰島素/IGF信號通路是機體中調控葡萄糖代謝、脂肪酸氧化，維持能量平衡的重要途徑〔11〕，在中樞，對大腦的結構與功能亦至關重要，可影響髓鞘的完整性、神經可塑性調節及神經細胞的生長發育，也參與機體的學習和記憶等。中樞的葡萄糖主要在外周生成，經葡萄糖轉運蛋白(Gluts)介導跨過血腦屏障(BBB)轉運至大腦發揮作用〔12〕。占體重2%的大腦消耗全身18%～30%的葡萄糖給幾乎所有神經系統提供能量〔13〕。有研究表明，AD 患者腦內存在著糖與能量代謝障礙，并隨疾病發展而進行性加重，與腦Gluts減少及IR有關，和T2DM具有共同病理學基礎及特征〔14〕。二者又互為致病因素，互相影響。因此，胰島素/IGF信號通路被認為是聯系T2DM與AD的紐帶〔15〕，在研究中被廣泛認同。胰島素/IGF受體胞內機制相似〔16〕，激活后的信號通路主要有3種：磷脂酰肌醇-3蛋白激酶(PI3K)、絲裂原激活蛋白激酶(MAPK)和磷酯酶(PL)C信號通路，其中PI3K/蛋白激酶(PK)B(Akt)級聯途徑是主要的信號轉導通路，是促細胞存活信息轉導的重要途徑之一，主要成分為Akt/PKB和磷酸化的環磷酸腺苷反應元件結合蛋白(P-CREB)，調控著mTORC1，糖原合酶激酶(GSK)-3及FoxO家族功能的活化〔17〕，使mTORC1介導的蛋白合成增加，神經元中mTORC1依賴的突觸可塑性調節、自噬功能激活、折疊錯誤蛋白及受損細胞器的降解途徑激活；同時GSK-3α受抑制，使APP降解為Aβ減少；GSK-3β受抑制，減少磷酸化tau蛋白的生成，共同防止神經細胞死亡及神經退行性疾病的發生〔16〕。

2 IR、Aβ與線粒體之間的惡性循環導致T2DM與AD的發生發展

胰島素/IGF信號通路異常導致機體IR是T2DM與AD發生發展的共同因素之一。據此，AD被認為是一種“IR的腦狀態”，亦被稱為“T3DM”〔5～7〕。Aβ沉積作為T2DM與AD的共同病理基礎之一與IR相互影響。生理情況下，胰島素與Aβ是胰島素降解酶(IDE)的底物，兩者以競爭性的形式與IDE結合并存在負反饋調節：當胰島素水平降低，IDE活性下降，Aβ降解減少；胰島素水平升高，可與Aβ競爭結合IDE，Aβ降解亦減少〔17〕。IR發生時，一方面，高胰島素血癥可使腦內Aβ降解減少，另一方面，使胰島素/IGF信號通路介導的GSK3α受抑制減弱，使APP降解產物Aβ生成增加，另外GSK3β受抑制減弱，使tau蛋白過度磷酸化，造成神經纖維纏結(NFTs)。皮摩爾濃度的Aβ激活PI3K與MAPK、增加海馬內乙酰膽堿生成、激活N膽堿受體，是記憶的增強子，微摩爾濃度的Aβ則產生完全相反的功能〔18～20〕。故Aβ降解減少，生成增多，會導致記憶力喪失，形成AD。同時，Aβ的主要形式為Aβ40及Aβ42。與胰島素受體競爭性結合，影響受體介導的級聯反應，加劇IR〔21，22〕。線粒體作為糖、脂代謝的主要場所，除了基質內進行氧化磷酸化過程生成大量ATP給機體提供能量之外，也參與IR、細胞生存和死亡。每個線粒體具有5～10個自主遺傳的線粒體基因拷貝〔23〕，與機體疾病產生關系密切。Aβ與線粒體之間存在交互作用。若環境、飲食、遺傳等因素導致疾病使Aβ在大腦中集聚過多時，多余的Aβ與低密度脂蛋白受體相關蛋白(LRP)1結合流出BBB，被線粒體外膜類似物轉移酶(Tommo40)轉運至線粒體內〔8〕。線粒體功能失調導致APP生成增多，使Tommo40功能減弱，Aβ轉運減少。神經細胞、星形膠質細胞和神經膠質細胞內質網中多余的Aβ就激活核因子(NF)κB，使線粒體DNA功能改變導致促炎癥因子釋放引起炎癥〔24〕，進而導致復合物Ⅰ功能受到抑制，氧化態輔酶Ⅰ(NAD)+/還原態輔酶Ⅰ(NADH)比率降低，ATP生成減少，細胞色素C氧化酶活性下降，氧耗減少，葡萄糖利用降低〔25〕，細胞處于饑餓狀態〔1〕。線粒體電子傳遞鏈功能改變會導致過多的氧自由基(ROS)及氮自由基(RNS)產生，造成氧化損傷加劇，使tau蛋白磷酸化程度增加及線粒體傳遞減弱〔26〕。最終導致線粒體片段化，功能喪失，形成惡性循環。而增強線粒體蛋白穩態可減少Aβ 毒性〔27〕，使線粒體成為防治AD的潛在靶點。見圖1。

圖1 Aβ與線粒體之間的交互作用〔8〕

3 Aβ-線粒體惡性循環假說的提出

為了更好地闡明胰島素/IGF信號通路、Aβ與線粒體功能之間的關系，有學者提出了現代淀粉樣蛋白級聯假說即Aβ-線粒體惡性循環的觀點。該假說在原有淀粉樣蛋白級聯假說的基礎上進行了補充與修正，認為：Aβ形成的斑塊沉積是機體生成的垃圾，不再是形成AD的元兇，而過多Aβ尤其是Aβ42則是關鍵因子，與PI3K/Akt通路和線粒體相互作用，形成網狀交聯。最終使Aβ生成進一步增多，造成機體記憶力減退、氧化損傷加劇、BBB損傷、NFTs及老年斑，同時tau蛋白磷酸化加劇，錯誤折疊增多，共同形成AD。另外機體炎癥因子生成增多通過PI3K/Akt信號通路中下游因子核因子(NF)-κB的作用，造成IR，形成T2DM。反過來，IR加速AD與T2DM的形成。該假說的提出可能為理解AD提供了更好的病理學基礎，并給全面認識Aβ的重要作用提供了一定的幫助〔8,22〕。見圖2。

①Aβ生成增多后與PI3K/AKT信號通路的交互作用，GSK-3作為橋梁把T2DM與AD聯系起來，箭頭所指為虛線框內效應的全過程；②Aβ生成增多后造成線粒體氧化損傷加劇，細胞因子釋放增多，通過PI3K/AKT信號通路中NFκB的效應，產生T2DM，箭頭所指為虛線框內效應的全過程;PDK：3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶圖2 胰島素/IGF信號通路與Aβ-線粒體惡性循環假說的關系〔8,22〕

4 以胰島素/IGF信號通路為靶點的藥物研究現狀

治療AD的藥物研究進展緩慢，且臨床治療效果欠佳，并不能很好控制病情發展。從T2DM與AD相關性研究中受到啟發，最近從IR角度或以胰島素/IGF信號通路為靶點治療AD的動物實驗及臨床報道開始日益增多。降糖藥的“老藥新用”成為了競相研究的熱點。在研究中發現：雙胍類通過AMPK使得β位點APP剪切酶1功能上調導致APP在其作用下的Aβ生成增加，而增加糖尿病患者發生AD的風險。噻唑烷二酮類(TZD)通過增加胰島素敏感性，緩解IR，但羅格列酮潛在的嚴重副反應較多〔28〕，而吡格列酮是當前認為治療AD的潛力藥物〔29〕。有研究經鼻腔吸入胰島素的方式治療AD，可改善患者的注意力及陳述性記憶能力〔28〕，對輕度認知障礙(MCI)和早期AD有益，但制劑工藝有待完善且價格昂貴，且是否對中后期重度AD具有治療作用仍需進一步的臨床研究。

5 中醫藥對AD的認識及人參“整合效應”的治療特點及優勢

祖國醫學認為腦為“髓之海”、“清竅之府”、“精明之府”、“元神之府”，與五臟功能密切，以心、腎、肝、脾為甚。若臟腑功能失調，腦功能也隨之受損，或為精氣血虧損，腦失所養，或為風、火、痰、瘀諸邪內阻，清竅受蒙，使機靈記性俱乏，遂致癡呆發生，屬呆病、文癡、善忘、郁證、癲證等范疇，最早于《內經》有載，后在眾多醫學論著中具有記載，如《靈樞·海論》：髓海不足，腦轉耳鳴、脛酸眩冒，目無所見，懈怠安臥。清·王清任《醫林改錯·腦髓說》：“靈機記憶，不在心在腦”，“高年無記憶者，腦髓漸空”。清·陳士鐸在《辯證錄》中有“呆病門”，認為“人之聰明，非生于心腎，而生于心腎之交也，夫心腎交而智慧生，心腎離而智慧失”；“痰積于腸中，盤踞于心外，使神明不清，而成癡呆矣”。結合現代醫家對AD的認識，可歸納為①腎虛精不生髓，腦失所養。②氣血虧虛，腦髓失養。③痰瘀阻滯，清竅失靈〔30〕。以火、痰、瘀為因，虛實為證，且相互影響，相兼為病。 針對病因復雜的AD，中藥具有起效方式多樣性，能通過多靶點、多方式、多途徑作用于多種神經傳遞機制的優勢，療效頗顯。經過高頻次中藥的頻次頻率統計、性味歸經及類別分析顯示〔31〕，常見的用于治療AD的中藥如人參、淫羊藿、薏苡仁、肉蓯蓉、銀杏葉、酸棗仁、墨旱蓮、補骨脂、附子、山茱萸等，主要歸臟以心、腎、肝、脾為主，其中補益藥中補益腎臟的藥物最多，驗證了AD與五臟功能的密切關系及補益腎臟在治療中的重要地位。中醫中藥的治療理念中，“整合效應〔9,10〕”被認為是最大特色之一，如人參為五加科植物人參Panax ginseng C.A.Mey.的干燥根，具有補氣、固脫、生津、益智、安神等功效，由于其廣泛而悠久的應用歷史及確切的臨床療效，被認為是補益類中藥(甚至是整個中藥)的典型代表藥，故有“百草之王”的美稱。人參除了功效顯著的補益作用外，亦具有生津、安神、益智等多種功效，眾多學者認為其生津作用主要體現在對糖尿病尤其是T2DM(消渴癥)的治療中，而安神、益智則表現在對失眠、記憶減退等如AD的確切療效上，因此受到廣泛關注，并成為研究的熱點。人參及其主要活性成分具有降血糖、擴血管、改善記憶力、調節機體功能穩態等多方面的作用。人參及有關成分的藥理作用與影響胰島素/IGF信號通路、激活PI3K/Akt等有關〔32，33〕，可通過胰島素/IGF信號通路調節機體血糖異常而對IR與T2DM有一定治療作用，在對于AD的防治研究中，大多數的研究集中在人參皂苷單體中，如人參皂苷Rg1可增加APP代謝途徑中α-分泌酶中ADAM9和ADAM10基因表達，增強APP的α-分泌酶代謝途徑間接減少AD發生發展過程中的關鍵因子Aβ42的產生〔34～37〕，且可下調APP基因的表達，提高體內催化Aβ降解的關鍵酶即神經內肽酶(NEP)的表達，調節NEP酶活性，從而達到抑制Aβ增加的目的〔38〕。也可通過抑制PKA的活性降低大鼠腦片AD模型P-Tau的表達水平，從而減緩NFTs形成，還可通過抑制凋亡效應蛋白半胱氨酸天冬氨酸酶(caspase)-3的表達，從而抑制神經元凋亡發揮抗癡呆作用，減輕腦內Tau蛋白的異常過度磷酸化，減少NFTs的形成〔39～41〕。人參皂苷Rg1能通過抑制GSK-3β活性，降低Tau蛋白的磷酸化水平，減少癡呆模型動物Aβ25～35的增加而激活GSK-3β誘導的Tau蛋白異常磷酸化造成的神經元微管系統破壞〔40〕。此外，人參皂苷Rg1還可以通過多種途徑和機制增加神經可塑性〔42〕：(1)提高突觸效能和結構可塑性，顯著降低誘發最大胞外群峰電位(PS)的閾值，提高突觸傳遞效能，包括基礎突觸傳遞的增強，長時程增強(LTP)的誘導和高頻電刺激引起的LTP幅度進一步增加，或者包括新突觸的形成，苔蘚纖維末梢發芽數增加，腦重和腦皮層厚度的增加等；清醒自由活動的大鼠停藥3 d后，LTP仍可維持；同時齒狀回顆粒細胞層及齒狀回門區突觸生長相關因子神經生長相關蛋白(GAP)-43表達顯著增加。(2)中樞內乙酰膽堿含量和M-膽堿受體密度增加。(3)FOS蛋白和腦源性神經營養因子(BDNF)表達增加。(4)具有清除氧自由基、抗炎、調節端粒系統的作用〔43〕，還能通過調節c-Jun氨基末端激酶(JNK)信號通路，抑制Aβ1～42引起的細胞凋亡，發揮對神經元的保護作用〔44〕。也可以通過改變腦內主要神經遞質乙酰膽堿、多巴胺、谷氨酸的量、MAPK信號通路的抑制作用及信號轉導途徑中的蛋白分子等，改善動物的學習記憶行為能力〔45〕。其他人參皂苷如Rg2對Aβ25～35致AD大鼠海馬神經元結構及突觸素表達具有保護作用〔46〕，Rg3能增強H2O2損傷海馬神經元內超氧化物歧化酶(SOD)活性，降低丙二醛(MDA)水平，提高海馬神經元細胞活性〔47〕，Rb1易透過BBB，能通過改善腦缺血、抑制神經元細胞凋亡、維持神經元微管結構的穩定、干擾Aβ形成和沉積等作用，又可作用于L型鈣離子通道，可降低海馬神經元內鈣離子濃度，維持鈣穩態抑制細胞凋亡的發生，有效改善智力、提高學習記憶功能〔48～50〕，Rd能減少Aβ25～35致AD大鼠海馬內Tau蛋白的異常磷酸化〔51〕。

6 總結與展望

胰島素/IGF-1信號通路代謝異常導致的IR及缺失可能在AD 疾病進程中加速了Aβ 產生而成為治療AD 重要的潛在靶點〔52〕，雖然從目前的科學研究來看，至今尚無徹底治療AD的藥物，只是防治或者延緩病情的惡化，但相比西藥通過單一靶點療效有限的現狀，中藥具有多靶點、整合效應等優勢，是當前防治AD藥物開發中重點關注的對象。雖有眾多豐富的實驗研究報道，但也缺乏中醫特色，無法體現中醫獨有的辨證論治思想精髓。如中藥成分復雜，提取分離技術的不同導致成分的差異影響療效的穩定性，還有中藥在不合理用藥時具有的潛在不良反應。網絡藥理學“整合效應”的出現，可結合中醫辨證與辨病相結合的理論，將線粒體和突觸作為早期治療靶點〔27〕，運用現代科學技術，通過科學的研究方法，突出中醫整體思維的特色，發揮中醫藥優勢，將為防治老年癡呆藥物的開發開創新的局面。