二甲双胍在神经退行性疾病预防和治疗中的研究进展

李 喆，张振坤，李 亚，方家瑞，马珊珊，关方霞

1)郑州大学生命科学学院 郑州 450001 2)郑州大学神经科学研究院 郑州 450052

随着人口老龄化的加剧，神经退行性疾病的发病率逐年增加，给个人、家庭乃至社会带来沉重的负担。神经退行性疾病是由于神经元坏死或功能丧失而导致的神经功能障碍，进而表现出不同临床病症的疾病谱系，主要包括阿尔兹海默症(Alzheimer disease，AD)、帕金森症(Parkinson disease，PD)、亨廷顿舞蹈症(Huntington disease，HD)等。随着医学和生物技术的不断发展，科学家们一直致力于揭示神经退行性疾病的发病机制。研究[1]发现导致神经退行性疾病的原因可能包括氧化应激、线粒体功能障碍、神经兴奋性毒性和神经炎症等。但是由于神经系统结构的复杂性，神经退行性疾病的治疗和功能重建是各国普遍关注和亟待解决的医学难题，但迄今为止临床上无切实有效的治疗方法。近年来的研究[2]发现二甲双胍在多种衰老相关疾病中具有较好的治疗和预防作用，如癌症、心血管疾病以及神经退行性疾病等。二甲双胍是一种来源于法国紫丁香的胍类化合物，在过去近百年的时间里一直被用于糖尿病的治疗[3]。越来越多的证据[4-6]表明二甲双胍可通过激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMP activated protein kinase,AMPK)信号通路调节自噬，预防线粒体功能障碍，减轻神经炎症，对多种神经系统疾病发挥神经保护和神经修复作用。本文旨在总结二甲双胍在AD、PD等多种神经退行性疾病治疗和预防中的研究进展，为其进一步的应用研究提供科学依据。

1 二甲双胍

二甲双胍是一种被广泛应用于2型糖尿病的天然化合物，是一线的口服降糖药[7]。二甲双胍的主要作用是减少肠道葡萄糖的吸收、改善外周葡萄糖的摄取、降低空腹血浆胰岛素水平和增加胰岛素敏感性，从而降低血糖浓度，但又不会引起明显的低血糖症[8-9]。近年来，有研究[1]表明二甲双胍在其他疾病的预防与治疗中有着意想不到的表现，如二甲双胍可以显著降低心血管疾病的风险、恢复多囊卵巢综合征患者的卵巢功能、控制肝脏中脂肪的生成和促进非乙醇性脂肪肝的治疗以及癌症的预防和治疗。同时，研究者[10]发现二甲双胍可以延长动物的寿命并对衰老相关疾病具有明显的治疗作用。虽然二甲双胍的作用机制尚未完全确定，但是已有的研究[11-12]发现除了调控血糖水平外，二甲双胍还具有减少血清中的脂质、抗炎、抗凋亡以及抗氧化等作用。

2 二甲双胍与衰老

衰老指的是“受损组织再生能力的下降”[13]以及“随着时间的推移，体内稳态发生恶化，导致功能下降，增加疾病和死亡的风险”[14]。衰老作为每一个人都要经历的生命过程，影响着生命和生活各个方面的发展。冠状动脉疾病、脑血管疾病、2型糖尿病、骨质疏松症和神经退行性疾病是常见的年龄相关性疾病，随着年龄的增长，这些疾病的发病率和病死率逐步上升。研究[15-16]表明二甲双胍通过激活AMPK信号通路阻断炎症因子介导的DNA翻译，抑制mTOR信号通路来防止由于超氧化物的过量产生而造成的DNA损伤。研究[17]发现二甲双胍不仅可以降低秀丽隐杆线虫的老化速度，而且能够持久维持线虫的健康状态。使用二甲双胍进行治疗的小鼠寿命较对照组增加，骨质也更为强壮[18]。研究[19]表明二甲双胍可抑制果蝇中氧化应激诱导的DNA损伤并延缓干细胞衰老。研究[20-21]证实二甲双胍可延缓生物的衰老，降低人类衰老相关疾病(如神经退行性疾病和癌症)的发病率。

3 二甲双胍与神经退行性疾病

大脑是人体最复杂的器官，健康成年人的大脑中有1 000亿个神经元和100万亿个神经突触。衰老的大脑中神经元数量减少、干细胞活性降低、神经突触信号传递出现障碍，进而导致年龄相关的神经退行性疾病的发生[22]。此外，随着时间的推移，衰老细胞无法将蛋白质维持在正确的折叠状态，从而导致大脑中蛋白质稳态开始下降[23]、DNA甲基化等表观遗传修饰失衡、细胞间信号传导异常、炎症反应以及大脑内胰岛素功能失调等均会进一步加剧神经退行性疾病的发展[24]。越来越多的证据[25-26]表明，除了作为降糖药物，二甲双胍在多种神经退行性疾病中表现出较好的治疗和预防效果。

3.1二甲双胍与ADAD是一种常见的神经退行性疾病，主要表现为不可逆的认知功能障碍、行为能力失调，并常伴有焦虑、抑郁等症状，严重影响患者的生活质量。年龄是AD发生最重要的危险因素，65 岁以上人群患病率达7.2%，80 岁后将上升到 15%～20%[27]。研究[28-29]表明Tau 蛋白过度磷酸化、胆碱能神经递质衰减、免疫炎症、代谢紊乱、线粒体功能障碍等都会导致AD的发生。细胞衰老是组织和器官功能下降的主要原因[30]。研究[31]已证实，给年轻小鼠移植一定数量的衰老细胞会导致组织和器官功能障碍,而靶向清除衰老的神经细胞能改善炎性环境和认知障碍。

近年来人们开始使用二甲双胍在细胞和动物水平开展AD防治研究。研究[32]发现二甲双胍可以降低小鼠原代神经元细胞中Tau蛋白磷酸化水平，并通过调控蛋白磷酸酶2A(protein phosphatase 2A，PP2A)活性，进而促进小鼠神经元的增殖。二甲双胍可降低GFAP、Iba-1、p-IKB、IL-1和VEGF的表达，同时增强p-AMPK和eNOS的水平，进而增加神经元存活率[33]。研究[34]证实二甲双胍通过激活非典型PKC-CBP途径增强人类和啮齿动物神经元培养物中的神经发生和空间记忆形成。此外，二甲双胍可以显著改善db/db模型小鼠的空间记忆和学习能力，抑制神经细胞凋亡并减少海马区的Aβ沉积[35]。研究[36]发现长期服用二甲双胍可改善糖尿病大鼠的认知能力，并降低脑内氧化应激和乙酰胆碱酯酶E活性。二甲双胍可以有效抑制戊四氮诱导的氧化应激水平，从而对小鼠发挥认知保护作用[37]。

3.2二甲双胍与PDPD是另一种常见的神经退行性疾病，在60岁以上人群中发病率为1%，在80岁以上人群中发病率为4%[38]。PD的临床特点主要是运动问题的组合，即运动迟缓、静息性震颤、僵硬、姿势弯曲和姿势反射消失[39]。与其他神经退行性疾病一样，PD在临床诊断和病理上存在异质性，在疾病的发生和进展方面有很大的差异[40-41]。

二甲双胍对PD具有一定的神经保护和神经修复作用。Lu等[6]发现二甲双胍通过激活AMPK抑制α-突触核蛋白(α-Synuclein，α-Syn)磷酸化和聚集并减轻氧化应激，从而改善PD小鼠的运动和认知功能障碍。Yimer等[42]发现二甲双胍可以改善氟哌啶醇诱导的PD小鼠的运动和认知能力。还有学者[43]发现使用二甲双胍治疗可以降低脂多糖诱导的PD大鼠外周血中TNF-α、IL-1β、IL-6的表达水平，同时对TLR激活的小胶质细胞表现出较强的丝裂原活化蛋白激酶依赖的抗炎作用。此外，二甲双胍通过激活AMPK信号通路诱导PP2A激活和α-Syn的去磷酸化，对神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞发挥保护作用[44]。Patil等[4]发现二甲双胍以AMPK依赖的方式促进线粒体自噬，减轻氧化应激，促进小鼠的神经功能恢复。同时，二甲双胍还可以激活AMPK通路抑制mTORC1活性进而促进自噬，对PD发挥神经保护作用。研究[6]发现二甲双胍可以促进1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine, MPTP)模型小鼠LC3-Ⅱ的表达并降低P62的表达，进而降低小鼠的多巴胺能神经元的死亡。虽然二甲双胍对PD的神经保护效果十分显著，但是仍然存在一些不良反应，如长期使用会导致维生素B12缺乏与严重的胃肠道反应[45]。

3.3二甲双胍与HDHD是一种致命的脑部疾病，可导致严重的情绪障碍、行动不便和痴呆症。该疾病的发生是由于亨廷顿蛋白(Huntingtin,HTT)基因的突变导致神经元缓慢死亡，同时有研究[46]报道线粒体功能障碍也会导致HD发生。研究[47]表明二甲双胍可以干扰HTT结构从而延缓HD的病程。Arnoux 等[48]发现二甲双胍治疗可以挽救PolyQ介导的秀丽隐杆线虫模型的运动功能障碍并逆转症状前小鼠的病理神经网络活动和行为异常。Ma等[49]指出，二甲双胍通过激活纹状体中AMPK信号通路延长HD转基因小鼠的存活时间，但是其确切的作用部位尚不清楚。体外研究[50]表明二甲双胍可以维持神经细胞中线粒体的正常结构同时防止HTT诱导的线粒体断裂，从而发挥神经保护作用。

4 二甲双胍的作用机制

4.1激活AMPK信号通路AMPK是调节细胞能量平衡的“传感器”。ADP或AMP分子能够结合AMPK的γ亚基进而活化AMPK，使细胞从消耗ATP的合成代谢状态转换为产生ATP的分解代谢状态，响应细胞能量的下降状态[51]。AMPK的激活可抑制mTOR和PI3K-Akt信号传导。已有研究[52]证实AMPK既可调节Aβ生成又可调节Tau蛋白磷酸化。二甲双胍能够抑制线粒体呼吸所需的电子传递链复合物Ⅰ，从而导致能量不足，间接激活AMPK通路[1]。研究[53]发现二甲双胍在AD小鼠中能够激活AMPK、减少Aβ的产生，从而对神经干细胞发挥神经保护作用。Gupta等[54]发现二甲双胍通过mTOR/PP2A途径减少Tau蛋白的磷酸化。此外，二甲双胍还可以激活AMPK信号通路，减少神经元中BACE1蛋白的产生，从而减少大脑中Aβ的生成[55]。

尽管已经证明二甲双胍能够通过激活AMPK途径发挥神经保护作用，但是造成神经退行性疾病的原因是异质性的，并且在整个疾病发生过程中分子传递途径并非是固定的单一状态，因此还要考虑激活AMPK途径可能产生的不良反应。如有报道[56]显示二甲双胍可以上调神经元中BACE1的表达水平，并增加Aβ的生成，提示了二甲双胍激活AMPK可能对神经元产生负面作用。同时AMPK的过度活化会导致α-Syn与PIKE-L结合并导致多巴胺能神经细胞死亡[57]。因此，将二甲双胍作为AMPK激活剂用于治疗神经退行性疾病时，应注意二甲双胍的使用剂量，避免AMPK过量激活对神经细胞的负面影响。

4.2调控胰岛素信号传导胰岛素在大脑代谢稳态中发挥重要作用，它可以用作激素信号来控制体重、食物摄取和代谢稳态。胰岛素信号代谢紊乱与多种神经退行性疾病的发生密切相关，如AD、PD和HD[58]。研究[59]表明，体外注射胰岛素可以保护Aβ诱导的神经细胞死亡。二甲双胍可以激活AMPK进而抑制肝脏糖异生作用，降低血糖水平[60-61]。此外，二甲双胍也被证明可以不依赖AMPK作用于胰岛素信号转导。据报道[62]二甲双胍还可以下调胰岛素和IGF-1受体的表达，减少胰岛素受体的磷酸化。服用二甲双胍的小鼠与人表现为GLP-1激素水平的增加，进而改善PD的运动症状[63]。

4.3抑制神经炎症神经炎症是造成神经退行性疾病的主要原因，错误折叠的蛋白质或异常定位的核酸可以激活大脑中的小胶质细胞和其他免疫细胞，持续释放促炎因子，诱导神经炎症[64]。研究[65]发现二甲双胍可以抑制NF-κB信号通路和促炎细胞因子如IL-1β、IL-6和iNOS的表达，显著降低神经炎症水平。此外，二甲双胍可以减少MPTP诱导的PD小鼠模型中小胶质细胞标记物Iba-1的表达，改善小鼠的行为学表现[66]。值得注意的是，已有研究[67]显示小胶质细胞中AMPK途径的激活可抑制神经炎症。由于二甲双胍可以激活AMPK，我们可以推测二甲双胍对PD的抗炎作用可能是AMPK依赖性的[68]。

4.4激活自噬自噬参与聚集蛋白的降解和清除，自噬的抑制可导致中枢神经系统的神经变性[30,69]。在AD中，自噬反应的下调会导致错误折叠的蛋白质积累，造成Aβ沉积以及神经纤维缠结的形成[70]。Chen等[71]发现，二甲双胍的长期治疗可以在体内和体外恢复受损的自噬水平，显著降低神经元中p-Tau蛋白的表达，并改善db/db小鼠的学习记忆能力。此外，二甲双胍可促进LC3Ⅱ的表达，进而降低Aβ25～35诱导的SH-SY5Y细胞凋亡[72]。研究[73]发现，MPTP/p诱导的PD小鼠的黑质致密部中α-Syn表达升高。二甲双胍治疗能够消除α-Syn的积累，并诱导自噬伴侣LC3-Ⅱ的表达增加；自噬抑制剂3MA预处理可阻止LC3-Ⅱ的产生，并抵消二甲双胍的细胞保护作用[6]。研究[74]显示鱼藤酮可促进P62和α-Syn的表达，进而诱导PD病变，但是二甲双胍治疗可以激活AMPK信号通路恢复自噬活性，改善α-Syn的积累，并降低鱼藤酮的细胞毒性。有趣的是，自噬是一把双刃剑，过度激活自噬同样会造成神经病变。例如，二甲双胍会在体内外引起自噬小体积累，导致γ-分泌酶活性增加和Aβ产生[75]。

4.5调控能量代谢线粒体是产生能量并执行中央代谢和细胞信号转导的重要细胞器。线粒体功能障碍导致的神经元能量代谢失调是造成神经退行性疾病的重要原因。研究[76]表明二甲双胍的主要作用位点是线粒体，它能够降低氧化磷酸化水平，最终导致ATP合成减少。二甲双胍能够短暂抑制线粒体呼吸链复合物Ⅰ以及激活途径，进而抑制肝脏糖异生、脂质和胆固醇的生物合成[77]。研究[78]表明，肿瘤坏死因子受体相关蛋白1(tumor necrosis factor receptor-associated protein 1,TRAP1)是一种与二甲双胍相关的线粒体ATP酶，可减轻α-Syn造成的神经毒性。在健康人体内，PINK1-HtrA2-TRAP1通路可调节线粒体的能量代谢进而减少细胞氧化负荷，二甲双胍可在体外模拟这一效果，并对散发性PD模型有益[78]。

5 结语

已有的研究[1]表明二甲双胍具有延缓衰老和改善神经退行性疾病神经功能的作用。有学者[21]指出，二甲双胍和其他相关药物可以使我们健康无病的寿命延长数十年。但是，值得注意的是二甲双胍治疗或预防人类和动物神经退行性疾病可能产生不同的效果，这种结果可能取决于物种、性别、细胞类型以及代谢状态。由于缺乏良好的临床试验模型，二甲双胍在延缓神经衰老这一过程中的确切作用仍是一个急需解决的问题，这也阻碍了二甲双胍预防治疗神经退行性疾病的临床应用。另一方面，已有证据[79]表明，非糖尿病患者使用二甲双胍后会出现明显的维生素B12缺乏症，这会对神经递质代谢紊乱的患者和接受其他药物治疗的患者产生很大的影响。因此，虽然已有研究表明二甲双胍具有较好的神经保护和神经修复效果，但是二甲双胍是否作为治疗神经退行性疾病的临床药物还需要进一步的研究。