二甲雙胍在神經退行性疾病預防和治療中的研究進展

李 喆，張振坤，李 亞，方家瑞，馬珊珊，關方霞

1)鄭州大學生命科學學院 鄭州 450001 2)鄭州大學神經科學研究院 鄭州 450052

隨著人口老齡化的加劇，神經退行性疾病的發病率逐年增加，給個人、家庭乃至社會帶來沉重的負擔。神經退行性疾病是由于神經元壞死或功能喪失而導致的神經功能障礙，進而表現出不同臨床病癥的疾病譜系，主要包括阿爾茲海默癥(Alzheimer disease，AD)、帕金森癥(Parkinson disease，PD)、亨廷頓舞蹈癥(Huntington disease，HD)等。隨著醫學和生物技術的不斷發展，科學家們一直致力于揭示神經退行性疾病的發病機制。研究[1]發現導致神經退行性疾病的原因可能包括氧化應激、線粒體功能障礙、神經興奮性毒性和神經炎癥等。但是由于神經系統結構的復雜性，神經退行性疾病的治療和功能重建是各國普遍關注和亟待解決的醫學難題，但迄今為止臨床上無切實有效的治療方法。近年來的研究[2]發現二甲雙胍在多種衰老相關疾病中具有較好的治療和預防作用，如癌癥、心血管疾病以及神經退行性疾病等。二甲雙胍是一種來源于法國紫丁香的胍類化合物，在過去近百年的時間里一直被用于糖尿病的治療[3]。越來越多的證據[4-6]表明二甲雙胍可通過激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMP activated protein kinase,AMPK)信號通路調節自噬，預防線粒體功能障礙，減輕神經炎癥，對多種神經系統疾病發揮神經保護和神經修復作用。本文旨在總結二甲雙胍在AD、PD等多種神經退行性疾病治療和預防中的研究進展，為其進一步的應用研究提供科學依據。

1 二甲雙胍

二甲雙胍是一種被廣泛應用于2型糖尿病的天然化合物，是一線的口服降糖藥[7]。二甲雙胍的主要作用是減少腸道葡萄糖的吸收、改善外周葡萄糖的攝取、降低空腹血漿胰島素水平和增加胰島素敏感性，從而降低血糖濃度，但又不會引起明顯的低血糖癥[8-9]。近年來，有研究[1]表明二甲雙胍在其他疾病的預防與治療中有著意想不到的表現，如二甲雙胍可以顯著降低心血管疾病的風險、恢復多囊卵巢綜合征患者的卵巢功能、控制肝臟中脂肪的生成和促進非乙醇性脂肪肝的治療以及癌癥的預防和治療。同時，研究者[10]發現二甲雙胍可以延長動物的壽命并對衰老相關疾病具有明顯的治療作用。雖然二甲雙胍的作用機制尚未完全確定，但是已有的研究[11-12]發現除了調控血糖水平外，二甲雙胍還具有減少血清中的脂質、抗炎、抗凋亡以及抗氧化等作用。

2 二甲雙胍與衰老

衰老指的是“受損組織再生能力的下降”[13]以及“隨著時間的推移，體內穩態發生惡化，導致功能下降，增加疾病和死亡的風險”[14]。衰老作為每一個人都要經歷的生命過程，影響著生命和生活各個方面的發展。冠狀動脈疾病、腦血管疾病、2型糖尿病、骨質疏松癥和神經退行性疾病是常見的年齡相關性疾病，隨著年齡的增長，這些疾病的發病率和病死率逐步上升。研究[15-16]表明二甲雙胍通過激活AMPK信號通路阻斷炎癥因子介導的DNA翻譯，抑制mTOR信號通路來防止由于超氧化物的過量產生而造成的DNA損傷。研究[17]發現二甲雙胍不僅可以降低秀麗隱桿線蟲的老化速度，而且能夠持久維持線蟲的健康狀態。使用二甲雙胍進行治療的小鼠壽命較對照組增加，骨質也更為強壯[18]。研究[19]表明二甲雙胍可抑制果蠅中氧化應激誘導的DNA損傷并延緩干細胞衰老。研究[20-21]證實二甲雙胍可延緩生物的衰老，降低人類衰老相關疾病(如神經退行性疾病和癌癥)的發病率。

3 二甲雙胍與神經退行性疾病

大腦是人體最復雜的器官，健康成年人的大腦中有1 000億個神經元和100萬億個神經突觸。衰老的大腦中神經元數量減少、干細胞活性降低、神經突觸信號傳遞出現障礙，進而導致年齡相關的神經退行性疾病的發生[22]。此外，隨著時間的推移，衰老細胞無法將蛋白質維持在正確的折疊狀態，從而導致大腦中蛋白質穩態開始下降[23]、DNA甲基化等表觀遺傳修飾失衡、細胞間信號傳導異常、炎癥反應以及大腦內胰島素功能失調等均會進一步加劇神經退行性疾病的發展[24]。越來越多的證據[25-26]表明，除了作為降糖藥物，二甲雙胍在多種神經退行性疾病中表現出較好的治療和預防效果。

3.1二甲雙胍與ADAD是一種常見的神經退行性疾病，主要表現為不可逆的認知功能障礙、行為能力失調，并常伴有焦慮、抑郁等癥狀，嚴重影響患者的生活質量。年齡是AD發生最重要的危險因素，65 歲以上人群患病率達7.2%，80 歲后將上升到 15%～20%[27]。研究[28-29]表明Tau 蛋白過度磷酸化、膽堿能神經遞質衰減、免疫炎癥、代謝紊亂、線粒體功能障礙等都會導致AD的發生。細胞衰老是組織和器官功能下降的主要原因[30]。研究[31]已證實，給年輕小鼠移植一定數量的衰老細胞會導致組織和器官功能障礙,而靶向清除衰老的神經細胞能改善炎性環境和認知障礙。

近年來人們開始使用二甲雙胍在細胞和動物水平開展AD防治研究。研究[32]發現二甲雙胍可以降低小鼠原代神經元細胞中Tau蛋白磷酸化水平，并通過調控蛋白磷酸酶2A(protein phosphatase 2A，PP2A)活性，進而促進小鼠神經元的增殖。二甲雙胍可降低GFAP、Iba-1、p-IKB、IL-1和VEGF的表達，同時增強p-AMPK和eNOS的水平，進而增加神經元存活率[33]。研究[34]證實二甲雙胍通過激活非典型PKC-CBP途徑增強人類和嚙齒動物神經元培養物中的神經發生和空間記憶形成。此外，二甲雙胍可以顯著改善db/db模型小鼠的空間記憶和學習能力，抑制神經細胞凋亡并減少海馬區的Aβ沉積[35]。研究[36]發現長期服用二甲雙胍可改善糖尿病大鼠的認知能力，并降低腦內氧化應激和乙酰膽堿酯酶E活性。二甲雙胍可以有效抑制戊四氮誘導的氧化應激水平，從而對小鼠發揮認知保護作用[37]。

3.2二甲雙胍與PDPD是另一種常見的神經退行性疾病，在60歲以上人群中發病率為1%，在80歲以上人群中發病率為4%[38]。PD的臨床特點主要是運動問題的組合，即運動遲緩、靜息性震顫、僵硬、姿勢彎曲和姿勢反射消失[39]。與其他神經退行性疾病一樣，PD在臨床診斷和病理上存在異質性，在疾病的發生和進展方面有很大的差異[40-41]。

二甲雙胍對PD具有一定的神經保護和神經修復作用。Lu等[6]發現二甲雙胍通過激活AMPK抑制α-突觸核蛋白(α-Synuclein，α-Syn)磷酸化和聚集并減輕氧化應激，從而改善PD小鼠的運動和認知功能障礙。Yimer等[42]發現二甲雙胍可以改善氟哌啶醇誘導的PD小鼠的運動和認知能力。還有學者[43]發現使用二甲雙胍治療可以降低脂多糖誘導的PD大鼠外周血中TNF-α、IL-1β、IL-6的表達水平，同時對TLR激活的小膠質細胞表現出較強的絲裂原活化蛋白激酶依賴的抗炎作用。此外，二甲雙胍通過激活AMPK信號通路誘導PP2A激活和α-Syn的去磷酸化，對神經母細胞瘤SH-SY5Y細胞發揮保護作用[44]。Patil等[4]發現二甲雙胍以AMPK依賴的方式促進線粒體自噬，減輕氧化應激，促進小鼠的神經功能恢復。同時，二甲雙胍還可以激活AMPK通路抑制mTORC1活性進而促進自噬，對PD發揮神經保護作用。研究[6]發現二甲雙胍可以促進1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine, MPTP)模型小鼠LC3-Ⅱ的表達并降低P62的表達，進而降低小鼠的多巴胺能神經元的死亡。雖然二甲雙胍對PD的神經保護效果十分顯著，但是仍然存在一些不良反應，如長期使用會導致維生素B12缺乏與嚴重的胃腸道反應[45]。

3.3二甲雙胍與HDHD是一種致命的腦部疾病，可導致嚴重的情緒障礙、行動不便和癡呆癥。該疾病的發生是由于亨廷頓蛋白(Huntingtin,HTT)基因的突變導致神經元緩慢死亡，同時有研究[46]報道線粒體功能障礙也會導致HD發生。研究[47]表明二甲雙胍可以干擾HTT結構從而延緩HD的病程。Arnoux 等[48]發現二甲雙胍治療可以挽救PolyQ介導的秀麗隱桿線蟲模型的運動功能障礙并逆轉癥狀前小鼠的病理神經網絡活動和行為異常。Ma等[49]指出，二甲雙胍通過激活紋狀體中AMPK信號通路延長HD轉基因小鼠的存活時間，但是其確切的作用部位尚不清楚。體外研究[50]表明二甲雙胍可以維持神經細胞中線粒體的正常結構同時防止HTT誘導的線粒體斷裂，從而發揮神經保護作用。

4 二甲雙胍的作用機制

4.1激活AMPK信號通路AMPK是調節細胞能量平衡的“傳感器”。ADP或AMP分子能夠結合AMPK的γ亞基進而活化AMPK，使細胞從消耗ATP的合成代謝狀態轉換為產生ATP的分解代謝狀態，響應細胞能量的下降狀態[51]。AMPK的激活可抑制mTOR和PI3K-Akt信號傳導。已有研究[52]證實AMPK既可調節Aβ生成又可調節Tau蛋白磷酸化。二甲雙胍能夠抑制線粒體呼吸所需的電子傳遞鏈復合物Ⅰ，從而導致能量不足，間接激活AMPK通路[1]。研究[53]發現二甲雙胍在AD小鼠中能夠激活AMPK、減少Aβ的產生，從而對神經干細胞發揮神經保護作用。Gupta等[54]發現二甲雙胍通過mTOR/PP2A途徑減少Tau蛋白的磷酸化。此外，二甲雙胍還可以激活AMPK信號通路，減少神經元中BACE1蛋白的產生，從而減少大腦中Aβ的生成[55]。

盡管已經證明二甲雙胍能夠通過激活AMPK途徑發揮神經保護作用，但是造成神經退行性疾病的原因是異質性的，并且在整個疾病發生過程中分子傳遞途徑并非是固定的單一狀態，因此還要考慮激活AMPK途徑可能產生的不良反應。如有報道[56]顯示二甲雙胍可以上調神經元中BACE1的表達水平，并增加Aβ的生成，提示了二甲雙胍激活AMPK可能對神經元產生負面作用。同時AMPK的過度活化會導致α-Syn與PIKE-L結合并導致多巴胺能神經細胞死亡[57]。因此，將二甲雙胍作為AMPK激活劑用于治療神經退行性疾病時，應注意二甲雙胍的使用劑量，避免AMPK過量激活對神經細胞的負面影響。

4.2調控胰島素信號傳導胰島素在大腦代謝穩態中發揮重要作用，它可以用作激素信號來控制體重、食物攝取和代謝穩態。胰島素信號代謝紊亂與多種神經退行性疾病的發生密切相關，如AD、PD和HD[58]。研究[59]表明，體外注射胰島素可以保護Aβ誘導的神經細胞死亡。二甲雙胍可以激活AMPK進而抑制肝臟糖異生作用，降低血糖水平[60-61]。此外，二甲雙胍也被證明可以不依賴AMPK作用于胰島素信號轉導。據報道[62]二甲雙胍還可以下調胰島素和IGF-1受體的表達，減少胰島素受體的磷酸化。服用二甲雙胍的小鼠與人表現為GLP-1激素水平的增加，進而改善PD的運動癥狀[63]。

4.3抑制神經炎癥神經炎癥是造成神經退行性疾病的主要原因，錯誤折疊的蛋白質或異常定位的核酸可以激活大腦中的小膠質細胞和其他免疫細胞，持續釋放促炎因子，誘導神經炎癥[64]。研究[65]發現二甲雙胍可以抑制NF-κB信號通路和促炎細胞因子如IL-1β、IL-6和iNOS的表達，顯著降低神經炎癥水平。此外，二甲雙胍可以減少MPTP誘導的PD小鼠模型中小膠質細胞標記物Iba-1的表達，改善小鼠的行為學表現[66]。值得注意的是，已有研究[67]顯示小膠質細胞中AMPK途徑的激活可抑制神經炎癥。由于二甲雙胍可以激活AMPK，我們可以推測二甲雙胍對PD的抗炎作用可能是AMPK依賴性的[68]。

4.4激活自噬自噬參與聚集蛋白的降解和清除，自噬的抑制可導致中樞神經系統的神經變性[30,69]。在AD中，自噬反應的下調會導致錯誤折疊的蛋白質積累，造成Aβ沉積以及神經纖維纏結的形成[70]。Chen等[71]發現，二甲雙胍的長期治療可以在體內和體外恢復受損的自噬水平，顯著降低神經元中p-Tau蛋白的表達，并改善db/db小鼠的學習記憶能力。此外，二甲雙胍可促進LC3Ⅱ的表達，進而降低Aβ25～35誘導的SH-SY5Y細胞凋亡[72]。研究[73]發現，MPTP/p誘導的PD小鼠的黑質致密部中α-Syn表達升高。二甲雙胍治療能夠消除α-Syn的積累，并誘導自噬伴侶LC3-Ⅱ的表達增加；自噬抑制劑3MA預處理可阻止LC3-Ⅱ的產生，并抵消二甲雙胍的細胞保護作用[6]。研究[74]顯示魚藤酮可促進P62和α-Syn的表達，進而誘導PD病變，但是二甲雙胍治療可以激活AMPK信號通路恢復自噬活性，改善α-Syn的積累，并降低魚藤酮的細胞毒性。有趣的是，自噬是一把雙刃劍，過度激活自噬同樣會造成神經病變。例如，二甲雙胍會在體內外引起自噬小體積累，導致γ-分泌酶活性增加和Aβ產生[75]。

4.5調控能量代謝線粒體是產生能量并執行中央代謝和細胞信號轉導的重要細胞器。線粒體功能障礙導致的神經元能量代謝失調是造成神經退行性疾病的重要原因。研究[76]表明二甲雙胍的主要作用位點是線粒體，它能夠降低氧化磷酸化水平，最終導致ATP合成減少。二甲雙胍能夠短暫抑制線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ以及激活途徑，進而抑制肝臟糖異生、脂質和膽固醇的生物合成[77]。研究[78]表明，腫瘤壞死因子受體相關蛋白1(tumor necrosis factor receptor-associated protein 1,TRAP1)是一種與二甲雙胍相關的線粒體ATP酶，可減輕α-Syn造成的神經毒性。在健康人體內，PINK1-HtrA2-TRAP1通路可調節線粒體的能量代謝進而減少細胞氧化負荷，二甲雙胍可在體外模擬這一效果，并對散發性PD模型有益[78]。

5 結語

已有的研究[1]表明二甲雙胍具有延緩衰老和改善神經退行性疾病神經功能的作用。有學者[21]指出，二甲雙胍和其他相關藥物可以使我們健康無病的壽命延長數十年。但是，值得注意的是二甲雙胍治療或預防人類和動物神經退行性疾病可能產生不同的效果，這種結果可能取決于物種、性別、細胞類型以及代謝狀態。由于缺乏良好的臨床試驗模型，二甲雙胍在延緩神經衰老這一過程中的確切作用仍是一個急需解決的問題，這也阻礙了二甲雙胍預防治療神經退行性疾病的臨床應用。另一方面，已有證據[79]表明，非糖尿病患者使用二甲雙胍后會出現明顯的維生素B12缺乏癥，這會對神經遞質代謝紊亂的患者和接受其他藥物治療的患者產生很大的影響。因此，雖然已有研究表明二甲雙胍具有較好的神經保護和神經修復效果，但是二甲雙胍是否作為治療神經退行性疾病的臨床藥物還需要進一步的研究。