阿尔茨海默病与胰岛素抵抗的研究进展

王沙，周小杰，潘伟

作者单位： 321017浙江省金华，金华市中医院（王沙）；浙江中医药大学（周小杰）；浙江省医学科学院（潘伟）

阿尔茨海默病（AD）是一种中枢神经系统退行性疾病，临床主要表现为记忆和认知功能障碍、行为及人格异常改变。病理表现为神经元萎缩和丢失、神经胶质细胞过多、细胞外A蛋白沉积形成淀粉样沉淀和细胞内由TAU蛋白过度磷酸化形成的神经纤维缠结（NFT）。AD是痴呆最主要的发病类型，约占所有痴呆患者的70%，65岁后发病率每5年增加1倍，超过85岁的老人一半以上患不同程度 AD。AD的病因至今未完全清楚，一般认为其是复杂的异质性疾病，遗传因素、免疫因素和环境因素等可能参与致病。临床试验和流行病学均研究表明，AD与代谢性疾病密切相关，患者脑内的胰岛素信号通路及糖代谢发生了功能紊乱，因此又被称为3型糖尿病[1]。

1 AD与脑内胰岛素抵抗（IR）

脑内胰岛素可由胰腺 细胞分泌入血液穿透血脑屏障进入中枢神经系统，也可在脑中自发合成，脑内胰岛素在代谢、神经营养、神经调节、神经内分泌以及学习和记忆中都发挥着重要作用。脑中胰岛素含量远高于血浆，脑内胰岛素受体（InsR）广泛分布于大脑皮层、海马、下丘脑及杏仁核中，且在神经元和突触后分布浓度更高[2]。InsR及脑脊液胰岛素水平与认知能力密切相关，降低胰岛素信号通路中相关酶的活性或胰岛素受体底物（IRS）的表达都将加速痴呆进程。破坏中枢胰岛素信号通路会使中枢神经元更易受代谢应激损伤，加速神经系统紊乱，从而降低认知能力，渐而发展为痴呆[3]。因此，脑中胰岛素通路受损在AD患者认知功能减退中具有重要的影响。

IR是指胰岛素信号通路对胰岛素不敏感，导致胰岛素促进葡萄糖摄取和利用的效率下降，机体代偿性的分泌过多胰岛素产生高胰岛素血症，以维持血糖的稳定。研究表明，T2DM患者的脂肪和骨骼肌中Akt信号通路显著降低，Akt2基因敲除小鼠在肝脏和骨骼肌表现出明显的胰岛素信号受损反应进而发展为具有高血糖、高胰岛素血症糖尿病[4]，因此，PI3K-Akt信号通路的改变是IR最主要特点。Pugazhenthi等[5]研究认为，脑内IR的出现是发生AD的病理前兆。动物实验也证实，IR能促进AD病理特征产物的产生[6]，并且和A 蛋白相互影响，A蛋白可以进一步加剧IR的形成[7]，其机制除了与PI3K-Akt信号通路还与JNK等信号通路相关。

2 IR与TAU蛋白

TAU蛋白异常磷酸化被认为是AD主要的发病机制之一。在AD中，TAU蛋白有超过80个丝/苏氨酸位点可被磷酸化，神经元轴突TAU蛋白过度磷酸化形成 NFT会影响正常的轴突传递和损伤突触可塑性导致细胞丢失。胰岛素可以调控TAU蛋白磷酸化和NFT的形成，GSK3、CDK5、微管亲和调节激酶及TAU蛋白磷酸化蛋白激酶PP2A等均受胰岛素信号调控[8]。IR在脑内受损影响最大的也是PI3K-Akt信号通路，其能够激活GSK3增加TAU蛋白磷酸化，而胰岛素和 IGF-1能通过PI3K-Akt信号通路抑制GSK3降低TAU蛋白磷酸化，对大脑皮层神经元长期高血糖培养则能阻碍Akt磷酸化，促进TAU蛋白磷酸化，IGF-1和IRS-2基因敲除小鼠中，脑内TAU蛋白均明显增加[9]，因此Akt信号通路在ADTAU蛋白形成中具有关键作用。GSK3活性增加还能增加 A蛋白沉积[10]，A 蛋白能激活TNG-/JNK通路磷酸化IRS-1丝氨酸，阻断胰岛素信号通路，诱发IR，进一步激活GSK3。IR还可以通过 O-GlcNAc糖基化影响TAU磷酸化，O-GlcNAc糖基化是指在蛋白质的丝/苏氨酸残基的羟基氧原子上连接单个N-乙酰葡糖胺（O-GlcNAc），O-GlcNAc糖基化的修饰机制类似于磷酸化，参与了基因转录、信号转导和细胞生长与分化等多个重要的生物学过程。O-GlcNAc糖基化受细胞中ATP的浓度影响，肥胖和IR产生过多的能量积累导致O-GlcNAc糖基化紊乱，一些情况下，O-GlcNAc糖基化同时还可以磷酸化。TAU蛋白至少有12个O-GlcNAc糖基化位点，降低脑内的能量代谢和 OGlcNAc糖基化能降低 TAU蛋白磷酸化，增加O-GlcNAc糖基化能防止TAU蛋白堆积[11]。

3 IR与A蛋白

不溶性 A蛋白沉积形成老年斑是AD另一个主要病理表现。A蛋白来源于淀粉样前体蛋白（A PP），正常情况下A PP由 -分泌酶裂解成可溶性的APP片段（sAPP），AD病理情况下则由 -分泌酶和 -分泌酶裂解成不溶性A沉淀。胰岛素信号通路调节着 A蛋白形成的多个环节，在体外原代大鼠大脑皮层神经元培养中胰岛素和IGF均能抑制A聚合降低A的神经毒性，通过链脲霉素（STZ）抑制老鼠脑内星形瘤细胞胰岛素信号发现，A PP、BACE-1以及A 42均有明显增加[12]。胰岛素和IGF-1能通过调节A转运体进入脑内清除A蛋白，还能够通过增加神经元胰岛素降解酶（IDE）和 -分泌酶表达减少淀粉样蛋白的形成。在正常生理情况下，小胶质细胞分泌的IDE除了降解胰岛素外还可以降解细胞外 A蛋白，胰岛素可通过PI3K通路增加IDE来调节细胞外A的降解。在IDE敲除小鼠模型中，大脑的A 明显增加，相反，在A PP转基因小鼠中，IDE过表达则会降低脑中A水平，甚至完全阻断老年斑的形成[13]。相反，A蛋白能反馈作用于胰岛素信号通路，A蛋白能竞争性的和InsR结合调节其细胞内信号传导，A蛋白在海马神经元中能与 InsR结合抑制其磷酸化从而阻碍了PI3K-Akt信号传导，A 派生扩散性配体（ADDL）能诱发InsR的异常表达干扰胰岛素信号传递，从而促进了中枢系统的IR[14]。另外，A 蛋白可以通过JNK信号磷酸化IRS丝氨酸抑制胰岛素信号传递，在转基因AD大鼠模型中也同样发现IRS-1受到抑制，在原代海马神经元体外实验中发现，A蛋白能激活TNG-/JNK通路磷酸化IRS-1丝氨酸[15]，阻断胰岛素信号通路，诱发IR。因此，在IR情况下脑内 A蛋白和胰岛素信号间的相互作用加速了AD的病理进程。

4 IR与脑神经血管血流量

神经元依靠脑血管提供氧气和营养成分并带走二氧化碳和其他代谢产物。研究表明脑血管功能紊乱会导致神经元损伤和退变，AD表现为区域脑血流下降，脑部氧气和营养成分得不到充分供应。胰岛素信号调节着神经血管的舒张和收缩，IR通过PI3K-Akt阻断脑内内皮型一氧化氮合酶（eNOS）产生一氧化氮（NO）影响神经血管舒张[16]。同样，IR能调节神经血管收缩，导致Shc蛋白磷酸化，Shc磷酸化产物和Grb-2结合激活Sos蛋白，进一步激活Ras蛋白导致Raf蛋白激酶磷酸化，最终激活MAPK信号通路。MAPK信号通路的激活会刺激释放血管收缩剂内皮素 1（ET-1）[17]。因此，在IR状态下，PI3K-Akt通路受损导致NO下降，Ras/MAPK通路激活ET-1升高，都将使脑血管收缩，影响脑部氧气和营养的供应。另外，NO的降低还会导致氧化应激和炎症反应的增加，导致血管并发症。

5 AD可能的治疗新靶点—胰岛素信号通路

鉴于脑内IR与认知损伤的密切关系，一些治疗糖尿病的药物被用来尝试治疗AD，研究证实噻唑烷二酮类通过增强胰岛素功能改善认知功能，早期给予噻唑烷二酮类能有效的预防 STZ引起的神经功能减退[18]。罗格列酮类似物能降低Tg2576 AD小鼠IDE mRNA表达提高小鼠的学习和记忆能力，长期给予罗格列酮也利于A清除，降低淀粉样沉淀，减少TAU蛋白磷酸化，提高AD模型大鼠认知功能[19]。大鼠侧脑室注射胰岛素能提高大鼠的空间学习和记忆能力并且能逆转 STZ导致的认知功能减退，鼻腔内注射胰岛素能减少由高脂饲料喂养引起的TAU磷酸化，而皮下注射胰岛素所起效果甚微[20]。尽管全身系统性的给予胰岛素被证实有利于提高记忆功能，但长期给予胰岛素易引起低血糖副作用导致认知障碍和神经细胞死亡，因此并不适合作为长期治疗 AD的方法。鼻腔内给予胰岛素能安全有效的增加脑脊液胰岛素水平避免全身性给药的副作用。AD患者早期连续21 d鼻腔内给予胰岛素能明显增加患者陈述性记忆和选择注意力，增加患者血浆 A 40/A 42比例，这表明能降低A淀粉样沉积[21]。胰高血糖素样肽1（GLP-1）是由肠上皮细胞分泌调节全身葡萄糖摄取的肠道激素，GLP-1受体广泛分布于全身各组织器官，包括中枢和外周神经系统。激动 GLP-1受体有利于血糖的充分利用和各组织器官抗凋亡作用，长效GLP-1类似物艾塞那肽（Byetta）和利拉鲁肽（Victoza）已经被批准用来治疗T2DM，更重要的是 GLP-1能透过血脑屏障进入脑内增强脑内胰岛素信号通路。在体外培养的神经元细胞中[22]，GLP-1类似物Excendin-4能有效预防由高血糖引起的TAU蛋白过度磷酸化和A的神经毒性，在STZ诱导的糖尿病小鼠皮下注射利拉鲁肽1个月能明显减少TAU磷酸化，提高小鼠的学习和记忆能力[23]。最近，利用艾塞那肽和利拉鲁肽治疗AD早期 MCI的临床试验正在如火如荼进行中。

6 结语

随着世界肥胖人数的不断增加，代谢性疾病出现的概率也不断提升，AD为脑内代谢疾病也在不断的被证实。在AD患者脑内，胰岛素信号通路调节着TAU蛋白表达和神经血管血流量，并且和A蛋白互相影响，多种T2DM治疗药物都可以用来治疗改善 AD认知功能，鼻腔内给予胰岛素以及GLP-1类似物治疗AD目前也在如火如荼临床试验中。利用TAU总蛋白、TAU的过度磷酸化、脑脊液中A 40/A 42比值能诊断辨别出80%AD，但仍需要更为敏感的早期临床生物标记物来预防诊断AD，AD脑内IR现象为患者的早期预防诊断以及改善治疗提供了新的途径。