运动干预妊娠糖尿病机制研究进展

刘云峰,乔玉成

妊娠糖尿病(GDM)是指妇女在妊娠期间首次发生或发现的糖耐量异常[1]。权威观点认为孕期胎盘生乳素、催乳素、糖皮质激素及孕激素等激素水平升高所致的胰岛素抵抗状态是其主要原因。危险因素包括GDM家族史、2型糖尿病、多囊卵巢综合征、高龄、孕前超重与肥胖、孕期体重增加过多、高脂高糖低纤维饮食、久坐不动的生活方式等[2～4]。GDM孕妇及其后代未来患2型糖尿病、肥胖症和代谢综合征的风险升高[5,6]，还可能增加流产、胎儿畸形、巨大儿、新生儿窒息、早产、死胎、羊水过多、剖宫产、妊娠期高血压等风险[7]。研究表明，适度运动可以通过多种机制干预胰岛素抵抗并改善葡萄糖稳态[8]，使其患GDM的风险显著降低[9,10]。另外，美国糖尿病协会(ADA)、国际妇科和产科联合会(FIGO)建议，将包括体力活动在内的生活方式干预列为治疗GDM的首选[11]。这表明运动是一种很有前景的干预策略。然而，目前对其干预机制尚不完全清楚。本综述旨在概述运动在防治GDM方面的潜在作用和机制，为有效对抗GDM的发生和发展提供参考，以降低GDM对孕妇和胎儿、新生儿的危害。

1 补偿胰岛素信号通路缺陷

GDM是一种以胰岛素抵抗和糖脂代谢改变为特征的代谢紊乱，而胰岛素信号异常在其发病机制中起关键作用。胰岛素信号通路首先由胰岛素与其受体α-亚基结合激活受体β-亚基的酪氨酸激酶，导致自身磷酸化，进而诱导胰岛素受体底物(IRS)的酪氨酸磷酸化，引起磷酸肌醇3-激酶(PI3K)激活，并刺激蛋白激酶B(Akt)和蛋白激酶C亚型的激活[12]，激发其对靶器官的作用。其中，PI3通路主要与胰岛素促进骨骼肌和脂肪细胞葡萄糖摄取、糖原合成和抑制肝脏糖异生等有关[13]。而在Akt底物被磷酸化后，作为转运葡萄糖关键酶的葡萄糖转运蛋白同工型4(GLUT4)将定位在膜上以发挥作用[14]。研究发现，生理状态下的胰岛素、胰岛素受体(InsR)、胰岛素受体底物(IRS)、GLUT4、PI3K/Akt通路、促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路、腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)通路等密切参与机体糖脂代谢过程。任何一环节缺陷都有可能引起胰岛素抵抗(IR)，导致GDM的发生与发展[15,16]。相反，任何增强GLUT-4表达的刺激都会增加胰岛素敏感性，进而阻止GDM的发病[17]。

人类和动物研究表明：运动/身体活动诱导的胰岛素信号改善不仅限于增加GLUT4蛋白表达，更重要的机制是增加受体后胰岛素信号，特别是在胰岛素PI3K-激酶级联的远端步骤[18,19]，通过不同的分子机制补偿胰岛素信号通路缺陷，进而增加肌肉细胞对葡萄糖的吸收，减轻胰岛素抵抗[20]。动物实验发现，运动可以通过替代分子途径诱导胰岛素信号增加[12]。有研究表明，运动后立即检测到的肌肉葡萄糖摄取增加是由质膜上不依赖PI3K的GLUT4募集介导的[21]；急性运动可增强MAPK成员的活性[22]。人类研究表明，单次运动能够增加健康受试者以及胰岛素抵抗受试者胰岛素介导的葡萄糖摄取。然而，通过肌肉活检获得的信号分析表明，急性运动后胰岛素作用的增强并不是由于胰岛素级联反应的早期步骤增强所致。其信号通路远端下游激酶比近端信号分子更早被激活[23]。Benton等[24]研究发现，运动不仅可以直接增加GLUT4的生物合成，还可以通过激活160kDa(AS160)和aPKC的Akt底物来加强胰岛素信号传导，特别是在胰岛素PI3K级联的远端步骤[25]。Jessen等[26]研究发现，与运动相关的肌肉收缩可激活5'-磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)，诱导TBC1结构域家族成员4(TBC1D4)和1(TBC1D1)在关键丝氨酸/苏氨酸残基中的磷酸化[27]，进而增强细胞表面膜上GLUT4的表达，以刺激葡萄糖转运。因此，可以合理地断言，急性运动可以通过与分子缺陷平行或远离分子缺陷的不同途径改善胰岛素信号传导[12]。

为了支持运动对补偿胰岛素信号通路缺陷的潜在作用，研究报告了怀孕期间定期运动后外源性胰岛素需求和血糖控制的变化[28,29]。例如，经过6周的适度运动后，需要外源性胰岛素给药的GDM患者数量显著减少[29]。在另一项试点研究中，GDM患者在进行为期6周的步行计划(包括每周3—4次训练)后，其空腹和1小时毛细血管血糖水平降低。此外，与妊娠期间久坐的GDM女性相比，患有GDM女性每天需要的胰岛素单位显著减少[28]。

2 调节脂肪因子分泌和表达

脂肪细胞因子是由脂肪组织分泌的一类生物活性物质，包括瘦素、脂联素、抵抗素、内脂素等。越来越多的证据表明，脂肪细胞因子参与了妊娠期妇女各种生理和病理过程，包括胰岛素敏感性、能量消耗、糖脂代谢、炎症反应等[30,31]，并在GDM发病机制中发挥作用。例如，瘦素可通过多种机制抑制胰岛素分泌，降低β细胞中胰岛素原信使RNA水平，抑制葡萄糖转运至β细胞中[32]。脂联素与其受体结合可作用于AMPK、p38丝裂原激活蛋白激酶(MAPK)、过氧化物酶体增殖物激活受体-α(PPAR-α)、Ras激活相关蛋白Rab5、PI3K和Akt，进而发挥其胰岛素增敏作用(抑制糖异生酶的基因表达、上调IRS表达和增加葡萄糖摄取)[33]。内脂素可通过与胰岛素受体-1结合而发挥胰岛素样作用[34]，并具有改善胰岛素状态的效应。

研究表明，GDM病理过程中的胰岛素抵抗与多种脂肪细胞因子分泌和表达异常有关。改变瘦素、脂联素、内脂素等脂肪因子的分泌和表达，可以降低胰岛素抵抗程度，进而影响GDM的发生和发展。前瞻性队列研究的荟萃分析表明，增加身体活动水平可以改变脂肪因子水平并降低全因死亡率[35]。此外，运动还可以通过改变个体的脂肪因子谱来降低胰岛素抵抗[36]。例如，抑制瘦素表达[37]，提高血清脂联素水平[38]，增强脂肪氧化与参与调节跨质膜(FAT/CD36)和跨线粒体膜(CPTI)FA摄取的基因表达[39]，激活AMPK，刺激脂肪酸氧化、葡萄糖摄取和线粒体生物发生[36]，改善胰腺β-细胞质量和功能[40]等机制降低发生GDM的风险。

3 抑制炎症反应

近年来，GDM被视为一种“慢性低度炎症性疾病”，而且低度炎症状态在GDM胰岛素抵抗发病机制中的作用变得越来越重要[41～43]。研究发现，循环中的IL-6、IL-1β和TNF-α等细胞因子表达失调既可阻止胰岛素信号传导，又会抑制β细胞释放胰岛素，还会导致GLUT4表达降低，并影响胰岛细胞增殖、存活、分化和凋亡，与GDM胰岛素抵抗的潜在病理生理机制密切相关。

IL-6既是促炎细胞因子，又是抗炎细胞因子。由T细胞和巨噬细胞分泌的IL-6会刺激免疫反应并促进炎症反应，而由肌细胞分泌的IL-6则可通过其对TNF-α和IL-1β的抑制作用发挥抗炎作用[44,45]。这一发现为理解骨骼肌收缩如何与其他器官(如脂肪组织、肝脏、胰腺、骨骼和大脑)建立通信联系，影响全身激素和炎症环境，提供了概念基础和新的范式。IL-1是由活化的单核-巨噬细胞产生的淋巴细胞刺激因子，有IL-1α和IL-1β两种存在形式，其中IL-1β是胰岛β细胞损伤和胰岛素抵抗的关键促炎介质[46]。TNF-α是一种由多种细胞(脂肪细胞、活化的单核细胞、巨噬细胞、B细胞、T细胞和成纤维细胞)分泌的多向性的促炎性细胞因子。作为炎症因子，它可诱导其他细胞因子(如IL-6和IL-1β)的释放，还可通过增加IRS-1的丝氨酸磷酸化和降低胰岛素受体酪氨酸激酶活性来损害胰岛素信号传导，并降低GLUT-4表达，从而减少葡萄糖进入细胞，导致胰岛素抵抗[47]。

目前炎症因子与GDM发病密切相关的证据主要来源于临床流行病学研究。例如，Korkmazer和Solak[48]根据孕妇口服葡萄糖耐量试验评估其炎症状态时发现，与正常组相比，GDM组血清TNF-α浓度显著升高(P<0.000 1)。Hassiakos等[49]研究表明，11—14孕周期间的血清IL-6浓度对妊娠后期GDM的发展具有预测作用(OR=1.85、P=0.003)。Oztop等[50]报道，GDM患者的IL-1β水平显著高于正常孕妇。因此，控制TNF-α、IL-6等炎症因子的释放和活性可能有助于降低胰岛素抵抗。

有确凿的证据表明，增加体力活动和/或体育锻炼可以改善疾病人群血浆中的炎症标志物，降低全身炎症状态[51]。经常锻炼与较低水平的C反应蛋白(CRP)、IL-6和TNF-α相关，同时与抗炎物质(如IL-4和IL-10)的增加有关[52]。人体研究表明，运动引起的IL-6升高不但可以直接通过抑制TNF-α、刺激IL-1ra(IL-1受体拮抗剂)、限制IL-1β信号传导发挥抗炎作用，而且对糖脂代谢也会产生直接影响，进而通过抑制内脏脂肪堆积发挥抗炎效用[53]。为期12周的有氧训练计划会下调单核细胞的细胞因子释放[54]，即使是闲暇时间的体育活动(例如，步行、慢跑或跑步等)也会以分级的方式降低hs-CRP浓度[55]。此外，运动还可以通过调节固有的先天免疫系统来减少身体的炎症状态，例如通过减少Toll样受体(TLR)通路的激活[56]。一项评估运动干预对成年2型糖尿病患者炎症标志物/细胞因子影响的荟萃分析[57]结果表明，运动与CRP和IL-6水平的显著降低有关[57]。尽管迄今为止，很少有研究关注运动对怀孕期间炎症水平的影响，但由于GDM与2型糖尿病有着相似的发病机制，由此推测，运动干预2型糖尿病患者表现出的良好抗炎效应，同样也会在GDM患者身上存在[58]。

4 上调机体抗氧化能力

氧化应激是细胞内活性氧(ROS)或活性氮(RNS)积累超过一定阈值所诱导的细胞应激反应。当细胞内ROS或RNS积累过多时，细胞内的氧化系统与抗氧化系统失衡，导致包括DNA、蛋白质、脂质等在内的生物大分子氧化损伤[59]。过度氧化应激会降低胰岛素刺激磷酸化蛋白激酶B(P-PKB)、糖原合酶激酶3(GSK-3)和叉头框蛋白O1(FOXO1)的磷酸化[60]，以及IRS-1丝氨酸307位点的丝氨酸磷酸化，影响GLUT-4表达，导致胰岛素抵抗[61]。

氧化应激是GDM的重要发病机制之一。研究发现，GDM患者胎盘、母体及胎儿的氧化应激反应均有所增强，超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)等抗氧化酶活性降低，维生素C、维生素E等抗氧化剂水平下降，抗氧化防御能力降低，清除自由基能力减弱，提示氧化应激参与了GDM的发生与发展。Peuchant等[62]报告发现，GDM患者血浆丙二醛(MDA)水平显著升高，而维生素E、维生素A、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)显著降低。Grissa等[63]发现，与正常妊娠妇女相比，GDM患者维生素E和SOD水平降低，硫代巴比妥酸反应物质水平升高，抗氧化能力下调。Karacay等[64]研究显示，GDM患者血清MDA和高级氧化蛋白产物(AOPP)水平更高[65]。Toescu等[66]的纵向研究表明，糖尿病女性(1型、2型和GDM)在整个妊娠期间血浆脂质和脂质过氧化氢水平较高，抗氧化能力较低。

运动能激活细胞抗氧化系统的表达，上调机体各组织的抗氧化防御能力。动物研究发现，自愿锻炼可显著降低妊娠肥胖大鼠的肥胖指数和睾丸氧化应激标志物(MDA和GPX)[67,68]。妊娠期间运动(游泳)可显著降低患有缺氧缺血大鼠后代的脑氧化应激[69]。人类研究发现，有氧运动可显著增加抗氧化/氧化损伤修复酶的活性，增加人主动脉内皮细胞中Cu/ZnSOD的表达[70]，诱导Mn-SOD表达[71]。还有研究显示，在整个怀孕期间定期锻炼可能会显著增加抗氧化标志物的表达，例如SOD、GSH-Px和CAT[72,73]，表明怀孕期间的运动会增加孕妇的抗氧化剂水平，上调机体的抗氧化能力。

5 改变肠道菌群的结构和丰度

人体肠道是一个复杂的微生态系统，栖息着数量、种类繁多的微生物，其中数目最庞大的微生物为肠道菌群。正常情况下，人体肠道菌群结构比例相对稳定，对维持人体代谢平衡，调节能量吸收、肠道蠕动、食欲、糖脂代谢以及肝脏脂肪储存具有重要作用。若其结构比例和丰度遭到破坏，则可能导致全身性炎症和IR[2]。

研究表明，妊娠及糖尿病均有可能影响肠道菌群的结构变化，导致肠道菌群紊乱——有益菌群的减少或有害菌群和条件致病性菌群的增多，进而诱发宿主胰岛细胞功能受损、胰岛素敏感性降低、胰岛素抵抗，并与GDM的发生发展密切相关[74]。目前人类已知的肠道菌群主要涉及厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门、放线菌门、疣微菌门和梭杆菌门，其中以厚壁菌门和拟杆菌门占绝对优势(>98%)。Koren等报告[75]，从妊娠早期到晚期母体肠道微生物的α多样性呈下降趋势，β多样性呈上升趋势。孕早期肠道菌群组成与未孕状态相似，到妊娠晚期肠道菌群差异显著，变形菌和放线菌的丰度相对更高，厚壁菌门和拟杆菌门的比例明显减少。Ferrocino等[76]报告，GDM孕妇厚壁菌门数量显著增加，拟杆菌门及放线菌门数量显著减少，并且布劳特氏菌与胰岛素抵抗呈显著负相关，拟杆菌和糖化血红蛋白水平之间存在显著负相关。Cortez等[77]研究发现，与健康妊娠者相比，GDM患者的厚壁菌门/拟杆菌门的比例更高。Mokkala等[78,79]研究发现，与正常孕妇相比，GDM孕妇肠道菌群中厚壁菌门、瘤胃球菌、大肠杆菌丰度增加，而拟杆菌、双歧杆菌、乳酸杆菌丰度减少。舒明月等[80]发现，在相同孕期，GDM孕妇与健康孕妇的核心肠道菌群结构与功能是相对稳定的，但GDM孕妇肠道中艾克曼菌的相对丰度要显著低于健康孕妇，推测此菌种丰度的变化可能与GDM的发生密切相关。而张凯楠等[81]研究发现，球形梭菌与多形拟杆菌的结构改变可能与GDM发病存在关联。上述研究结果提示，肠道菌群的结构比例和丰度改变可能是GDM发病的潜在机制之一。其中，厚壁菌门/拟杆菌门(F/B)比率、短链脂肪酸(SCFA)产生菌、具有益生菌特性的细菌和革兰氏阴性脂多糖(LPS)产生菌的改变在GDM的发病原因中起着至关重要的作用[82]。

研究表明，调节、改变肠道菌群对于GDM的预防和改善可以起到积极的作用。例如，补充益生菌可显著降低GDM孕妇的胰岛素抵抗[83]，饮食结合益生菌干预使GDM发生率降低64%[84]。有趣的是，运动也被认为是一项对宿主健康有益的环境因素。它可以影响宿主的肠道菌群的组成和多样性，增加肠道菌群丰度和有益菌的数目，进而影响GDM的发生和发展。

动物实验研究发现，运动可以增加肠道微生物α多样性并改变微生物的整体组成，重新平衡肠道主要菌群的水平[85]，保持小鼠肠道微生物的丰度[86]。低强度跑台运动干预后，糖尿病大鼠乳杆菌属、普拉梭菌属、产气荚膜梭菌属、罗氏菌属丰度增加，肠杆菌科、双歧杆菌属、普雷沃氏菌属、甲烷短杆菌属、梭状芽孢杆菌属丰度降低，空腹血糖、胰岛素抵抗等改善[87]。高强度间歇训练可改善胰岛素耐受性，增加饮食诱导肥胖小鼠肠道菌群的多样性以及拟杆菌的数量，降低厚壁菌与拟杆菌的比例[88]。

目前，有关运动对宿主肠道菌群影响的研究仍处于起步阶段。报告体育锻炼对肠道微生物群组成、多样性和代谢活动影响的人类研究仍然十分有限，尤其运动是对GDM患者肠道微生物结构和丰度的有益影响还缺乏直接证据。不过，Clarke等[89]的开创性研究结果显示，与对照组相比，职业橄榄球运动员的肠道微生物群具有更大的α多样性和40种不同细菌分类群的相对丰度。Bressa等[90]研究发现，与久坐的对照组相比，每周至少锻炼3小时女性的普拉梭菌、罗斯拜瑞氏菌和阿克曼菌水平升高。Evans等[85]提出体育锻炼可以改变肠道中的细菌平衡，改变主要细菌门的水平，并增加产丁酸细菌(梭状芽孢杆菌科、毛螺菌科和瘤胃球菌科)的相对比例。上述研究提示，肠道菌群可能是运动干预GDM的一个靶点。接下来我们还需要做更多的工作来证明运动是否会对GDM患者肠道菌群结构和丰度产生直接影响，以进一步阐明运动干预GDM的机制。

6 影响基因的表观遗传学调控

GDM是受遗传、表观遗传和环境(如饮食营养、身体活动、子宫内环境、化学暴露和压力)共同调控的一种代谢性疾病。全基因组关联研究表明，GDM易感基因既与2型糖尿病易感基因之间存在高度重叠，又有其自身特有，表明2型糖尿病与GDM有共同的遗传基础[91]。同时，2型糖尿病出现的表观遗传学变化，例如DNA甲基化、组蛋白修饰和microRNA基因沉默，也在GDM患者身上得到了呈现[91]。

研究表明，糖尿病及其并发症不仅是DNA序列变异的组合，而且是环境对我们遗传物质的影响，导致细胞表型发生变化[92]。环境因素引起的DNA甲基化、组蛋白修饰和microRNA基因沉默等表观遗传机制可导致GDM相关基因的激活和/或失活，影响胰腺β细胞的发育和功能，进而导致胰岛素抵抗和糖代谢紊乱。因此，表观遗传因素可能在与胰岛素抵抗、2型糖尿病和GDM相关基因和环境之间的复杂相互作用中扮演着极其重要的角色[93]。

Dayeh等[94]在研究人胰岛全基因组DNA甲基化模式时，已鉴定出1 649个CpG位点和853个具有差异DNA甲基化的基因。其中，显示出差异甲基化的102个基因也出现了基因表达的改变。功能分析表明这些基因可直接影响胰岛β细胞的胰岛素分泌。Zhu等[95]采用计算机方法确定了用于GDM诊断和治疗的microRNA和DNA甲基化的表观遗传改变，共获得了184个低miRNA靶向上调基因、234个高miRNA靶向下调基因、364个低甲基化高表达基因和541个高甲基化低表达基因。其中115个基因(67个上调和48个下调)受miRNA的异常改变和DNA甲基化的调节，并认为四个基因(IGF1R、ATG7、DICER1和RANBP2)的表观遗传改变可能在GDM的发生发展中发挥着重要作用。Park等[96]已通过表观遗传机制将宫内发育迟缓、β细胞功能受损和2型糖尿病与Pdx-1(Pdx-1是一种胰腺同源盒转录因子，可调节胰腺发育和β细胞分化)的沉默联系起来。此外，McGee and Hargreaves[97]研究发现，Glut4的表达受转录因子肌细胞增强因子2(MEF2)与组蛋白去乙酰化酶5(HDAC5)相互作用的进一步调节，HDAC5可使Glut4的组蛋白尾部脱乙酰，导致染色质结构凝聚，随后降低Glut4表达。

与稳定的基因序列相比,表观遗传是一个动态可逆的过程。通过饮食、运动、药物等干预手段,可以诱导或控制表观遗传学变化，进而影响其表型发生改变，达到预防和干预GDM发生、发展的目标。一项为期6个月的运动干预诱导了肥胖和2型糖尿病患者脂肪组织中全基因组DNA甲基化谱和基因表达的改变[98]。对非妊娠人群的研究报告表明，循环中的miR-146、miR-222和miR-21水平会随着身体活动水平变化而变化。持续的有氧运动与miR-21的下调和miR-146a的上调有关；急性和持续的有氧运动都与miR-222的上调有关[99,100]。

一项针对雌性小鼠的研究调查了母体在怀孕期间的运动是否可以保护后代免受母体高脂饮食的不利影响，结果发现运动可防止母体高脂饮食诱导的Pgc-1a高甲基化，并增强Pgc-1a及其靶基因表达，改善后代9个月大时与年龄相关的代谢功能障碍[101]。对孕期母亲身体活动和新生儿脐带血表观遗传调控的研究发现，怀孕期间母体总身体活动水平与胎儿生长相关的PLAG1印记区域的甲基化之间存在关联[102]。有关孕期休闲性身体活动(LTPA)与DNA甲基化和miRNA的关联研究发现，孕前休闲时间的身体活动与C1orf212位点的高甲基化和妊娠早期-中期母体外周血中较高的miR-146b-5p循环水平相关。怀孕早期的LTPA与NOS2A和HSD11B2位点高甲基化之间存在低度关联，并且在分娩女性后代的孕妇中，怀孕早期身体活动与较高的miR-21-3p循环水平存在显著着关联。在生育男性后代的孕妇中，早孕身体活动与较低的miR-146b-5p和miR-517-5p循环水平之间存在关联[103]。

7 小结与展望

GDM发病机制复杂，可能与糖脂代谢紊乱、氧化应激、炎症、肠道菌群失调、表观遗传调控等多种因素诱导的胰岛素分泌缺陷和胰岛素抵抗有关，涉及多种细胞因子和胰岛素信号传导通路，并通过各自作用及相互交叉作用共同导致GDM的发生和发展。运动可通过调节脂肪因子分泌与表达，抑制炎症反应，上调抗氧化能力，改变肠道菌群结构与丰度，影响基因的表观遗传学调控，促进葡萄糖转运蛋白4表达，补偿胰岛素信号通路缺陷等机制，干预GDM发病机制中形成胰岛素抵抗和胰岛细胞分泌障碍的各个环节和靶点，改善胰岛素抵抗和控制GDM的发生与发展。然而，由于运动干预的靶点众多，不同类型、持续时间、强度和频度的运动与GDM干预效果之间又存在着不同的“量效关系”，尽管近年来诸多学者做了大量的研究，但仍缺乏对相关作用靶点针对性、系统性的深入研究。因此，针对GDM发病机制中信号通路的各个环节进行干预机制研究，进一步明确运动干预的多靶点、多方位机制有着广阔的研究前景。另外，妊娠期运动的最佳类型、持续时间和强度等问题也需进一步深入细致的研究。相信在不久的将来，会有更清晰的理论形成，进而为GDM的预防和治疗提供新的思路。