胰岛素抵抗机制及其营养干预作用研究

孙智媛，谷雪玲，范志勇*

(1.湖南农业大学 动物科学技术学院，湖南 长沙410128；2.湖南省畜禽安全生产协同创新中心，湖南 长沙 410128；3. 湖南家禽安全生产工程技术研究中心，湖南 长沙 410128；4. 饲料安全与高效利用教育部工程研究中心，湖南 长沙 410128)

胰岛素抵抗(Insulin resistance, IR)是指组织对胰岛素(Insulin，INS)的敏感性下降，机体葡萄糖摄取和处理能力下降，从而需要高水平INS来控制血糖的状态。发生IR后，机体正常的血糖代谢和脂质代谢功能容易出现异常，并易引发炎症反应和氧化应激[1-2]。IR主要发生部位为骨骼肌、肝脏和脂肪，是非酒精性脂肪肝、肥胖症、Ⅱ型糖尿病(Type 2 diabetes, T2D)、高血压等的常见并发症。鉴于此，本文综述了有关IR作用机制、营养干预研究的文献资料，围绕几种诱导畜禽IR的影响因素进行阐述，探讨IR的病理后果，以及可缓解IR的有效营养物质。

1 IR的诱发因素

1.1 氧化还原状态与IR

IR与氧化应激具有正反馈关系，氧化应激是导致胰岛素敏感性降低的主要原因。Chaudhuri等[3]利用脂肪细胞氧化应激模型，通过抑制谷胱甘肽(Glutathione, GSH)和硫氧还蛋白(Thioredoxin, Trx)的循环，测定了细胞在不同时刻对葡萄糖类似物2-脱氧-D-葡萄糖(2-deoxy-D-glucose,2-DG)的摄取量，证实了细胞INS敏感性与应激的关联性，其结果表明氧化应激状态下，细胞INS敏感性下降，这提示氧化应激可导致IR的发生。氧化应激会造成体内活性氧自由基(Reactive oxygen species, ROS)大量产生，过量的ROS可通过激活炎症小体介导的免疫反应，进而诱发IR[4]。研究发现，Cys/CySS Eh变化会导致核因子E-2-相关因子2(Nuclear Faetor-E2-related factor 2, Nrf2)表达发生改变，造成培养基中细胞对葡萄糖摄取能力下降[5]。进一步研究证明，氧化应激诱导IR加剧可能与胰岛素受体(Insulin receptor, INSR)和蛋白激酶B(Protein kinase B, Akt)的磷酸化受到抑制有关[6]。这说明，氧化应激损伤可能是导致葡萄糖吸收力及血糖稳定性降低的重要因素。

1.2 体脂代谢与IR

体脂代谢紊乱与脂肪组织分泌脂肪因子密切相关，脂肪因子可通过分泌神经酰胺(Ceramide, Cer)和fet-A代谢产物或直接影响IRS磷酸化途径诱导IR发生。在动物妊娠和育肥过程中易出现肥胖和脂肪组织代谢异常现象，脂肪细胞大量聚集促进了游离脂肪酸(free fat acid, FFA)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、白介素-6(interleukin-6, IL-6)及视黄醇结合蛋白4(retinol-binding protein 4, RBP4)等脂肪因子的分泌[7]，导致胰岛素敏感性降低并且引起组织慢性炎症[8]。研究表明，FFA可以通过促进Cer的分泌[9]，影响肌肉对胰岛素的敏感性[10]。在短期模式下，FFA可通过激活蛋白磷酸酶(Protein phosphatase type 2A, PP2A)和蛋白激酶C ζ(Protein kinase C ζ, PKCζ)使Akt失活，降低胰岛素敏感性，而在长期模式下，Cer通过PKR/JNK或Prep1-p160通路影响IRS1活性。此外，，FFA可以通过促进胎球蛋白A(Fetuin-A, Fet-A)表达，激活Toll样受体4(Toll-like receptor-4, TLR4)介导的炎症反应，影响胰岛素信号的转导[11]。

脂肪细胞分泌的TNF-α、IL-6及RBP4作用于c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase, JNK)和诱导激酶/IκB激酶途径(NF-kB-inducing kinase / I-Kappa-B kinase, NIK/IKK)，通过抑制丝氨酸激酶活性和IRS1磷酸化，降低体内葡萄糖摄取量，最终导致机体发生IR[10-13]。以上脂肪因子的作用机制如下：(1)脂肪组织中TNF-α会抑制胰岛素受体(Insulin receptor, INSR)活性，使IRS1酪氨酸磷酸化减弱，这可能与TNF-α诱导的骨骼肌胰岛素抵抗的发展有关[14]；(2)脂肪细胞中的IL-6发挥促炎的作用，抑制葡萄糖转运蛋白4(Glucose transporter 4，GLUT4)和IRS1表达，进而减弱胰岛素信号转导功能[15]。

1.3 碳水化合物代谢与IR

碳水化合物可通过Akt信号通路，调节胰岛素信号转导，从而诱导IR。研究表明，日粮中长期添加过高的果糖不仅不会显著提高饲料摄入量[16]，还会通过抑制Akt激酶磷酸化和糖皮质激素释放抑制胰岛素信号的传导[17]。Yuruk等[18]进一步指出，游离果糖与结合果糖相比更能促进慢性疾病的发生，使得胰岛素信号抑制。Liu等[19]研究发现，高糖高脂会显著降低小型猪胰岛素敏感性(24.8%)和骨骼肌中PI3K/Akt信号通路中p-Akt(S473)和GLUT4表达水平，提高胰岛素抵抗指数(HOMA Insulin resistance index, HOMA-IR)(2.9倍)。Hsu等[20]研究发现，高水平脂质摄入会诱导猪血脂异常、葡萄糖耐受不良以及骨骼肌胰岛素抵抗现象出现。

1.4 肠道微生物与IR

目前，越来越多的研究表明，肠道微生物及其代谢产物与IR的发生有关。革兰氏阴性菌为肠道中常见的微生物，其细胞壁内的脂多糖(Lipopolysaccharide, LPS)是诱发IR的主要因素。Saad等[21]发现，肠道中过量的LPS促使肠道通透性增加，继而发生LPS易位以及与TLR4识别结合，激活髓样分化因子(Myeloiddifferentiationfactor88, MyD88)及其下游的肿瘤坏死因子受体相关因子6(TNF receptor-associated factor 6, TRAF6)、转化生长因子激酶1(TGF beta-Activated Kinase 1, TAK1)和JNK-IKK复合物，诱导胰岛素受体底物(Insulin receptor substrate, IRS)丝氨酸磷酸化，最终引发IR。肠道微生物的代谢产物如短链脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFA)一方面可以通过预防或减少脂肪的异位沉积、提高骨骼肌氧化能力来预防IR[22]；另一方面，SCFA可以通过抑制核因子κB(Nuclear factor kappa-B, NF-κB)以活化宿主的免疫细胞，刺激短链脂肪酸受体43和41(G protein-coupled receptor43, GPR43和G protein-coupled receptor41, GPR41)改善醋酸盐诱导的抗炎反应[23]，从而改善IR。

2 IR发生对畜禽健康的影响

2.1 IR对母猪繁殖性能的影响

IR会促使妊娠后期和早期哺乳期的母猪胰岛素敏感性逐渐下降，加剧围产期母猪代谢紊乱和脂肪沉积，不利于繁殖性能的提高。Cheng等[24]研究发现妊娠后期母猪背膘过厚和肠道菌群失衡导致肠道通透性增加，加剧了胰岛素抵抗，减少了活仔数和产仔重量，对母猪生产性能有着显著影响。Xu等[25]提到妊娠期胰岛素敏感性下降可能导致母猪饲料摄入量减少，从而直接影响到母猪的整体生产力。Miller等[26]通过对比怀孕母猪和未怀孕母猪的蛋白质沉积水平发现，母猪在妊娠后期蛋白质沉积率会显著降低，并推测这与外周组织中雌激素刺激产生的IR及葡萄糖代谢紊乱有关。

2.2 IR对机体免疫功能的影响

Pan等[27]研究发现，高脂饲喂的西藏小型猪表现出IR后，其非特异性免疫机制受到影响，表现为C反应蛋白(C-reactive protein, CRP)水平显著增加。此外，妊娠母体发生IR后可使体液免疫指标CRP浓度显著增加[28]。Backman等[29]研究发现，糖尿病猪Akt信号激活受到影响，抑制TLR介导的PI3K-Akt-mTOR信号传导途径，从而影响先天性免疫稳态。Marin-juez等[30]通过向斑马鱼注射高浓度INS诱发其发生IR，与免疫系统相关差异表达基因(Differentially expressed genes, DEGs)转录水平显著下降，在基因水平上证明了IR对免疫系统的普遍抑制。这说明，IR通过影响CRP水平和TLR介导的免疫通路影响机体的免疫稳态。

2.3 引发其他代谢综合征

IR会增加动物患高血糖伴高血脂症、高胰岛素血症和糖耐量异常等代谢综合征的几率[31-32]，是多种代谢类疾病的病理学基础。许多患T2D的前期个体已经存在IR及糖脂代谢功能障碍，且会随着病情严重程度增加而增强[33-34]。IR是奶牛脂肪肝的病理学基础，可引起高非酯化脂肪酸血症、高酮血症等能量代谢性疾病[35]，给奶牛场带来一定经济损失。王朋贤等[36]也证明了奶牛IR导致的葡萄糖利用障碍和奶牛酮病存在一定的关联性。

3 营养干预对IR的缓解效应

3.1 膳食纤维对IR的缓解效应

膳食纤维是一类不能被内源性消化酶消化吸收的多糖类物质，以其低能量、促进肠胃健康和减少血糖血脂的作用被人熟知[37]。在日粮中补充膳食纤维，可以促进盲肠和结肠末菌群端产生SCFA[38-39]，保护肠道屏障，改善母猪胰岛素敏感性并降低氧化应激[25]。Wu等[40]研究发现，给猪饲喂5%菊粉(Inulin, INU)或微晶纤维素(Microcrystalline cellulose, MCC)60 d可以显著降低空腹胰高血糖素，提高胰岛素敏感性，同时，MCC还增加了结肠处SCFA。膳食纤维还可以通过提高白介素因子水平改善IR。Torquati等[41]研究发现膳食纤维摄入量与白介素-22(Interleukin-22, IL-22)水平呈显著正相关，而IL-22可以缓解炎症反应并提高胰岛素敏感性，从而减轻肥胖引起的IR。Marta等[42]利用非淀粉多糖降解酶提高纤维的消化率，添加后显著降低了猪IL-4，白介素-7(interleukin-7, IL-7)和白介素-11(interleukin-11, IL-11)的浓度，证明了较高水平的纤维有利于肠道免疫的调节，且可以通过增加过氧化物酶体增殖物激活受体(Peroxisome proliferators activate receptors, PPAR)的mRNA表达改善IR。Li等[43]研究发现，饲喂低比值膳食纤维日粮的母猪和仔猪具有更高的抗氧化酶活性和更低的炎性因子水平，证明了妊娠期母猪饮食中膳食纤维组成对自身及后代炎症反应的重要作用。此外，膳食纤维具有吸水性和膨胀性，具有理想的饱腹效果，可以通过降低能量摄入量减少脂肪沉积和肥胖的患病率。Sapkota等[44]研究发现，高膳食纤维水平的日粮可以提高猪的饱腹感，降低猪的采食量并控制能量的摄入，继而改善IR。

3.2 改善肠道菌群对IR的缓解效应

肠道菌群的正向调控与改善母猪围产期胰岛素敏感性和低度炎症有关，治疗IR可以通过添加益生元形成健康的肠道菌群实现[45-46]。Zhou等[47]研究了肠道微生物对小鼠胰岛素抵抗的影响，发现普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)、乳酸菌(Lactobacillus)和产碱杆菌科(Alcaligenaceae)类菌群含量在肠道中增加后，可显著提高胰岛素敏感性。Le等[48]研究发现在母猪围产期使用益生元补充剂后，可以使动物表现出更高的分泌胰高血糖素样肽1(glucagon-like peptide 1, GLP-1)的能力，其胰腺对葡萄糖的敏感性也得到显著改善。San等[49]发现甘露寡糖(Mannose-oligosaccharides, MOS)这类益生元可以提高断奶仔猪胰岛素样生长因子浓度，减少炎症反应。

3.3 其他营养物质对IR的缓解效应

在日粮中添加抗氧化或抗炎营养物质，包括β-胡萝卜素(β-carotene, β-C)和熊果酸(Ursolic acid, UA)，也可以发挥改善IR的作用。

β-C被广泛应用于反刍动物配合饲料生产中，研究表明，血清中β-C浓度与机体胰岛素敏感性有显著相关性，且与IR呈显著负相关，这与β-C的抗氧化和抗炎能力相关[50]。张相伦等[51]在肉牛日粮中添加不同水平的β-C，发现血清中T-AOC、GSH、总超氧化物歧化酶(Total superoxide dismutase, T-SOD)均显著高于对照组，MDA显著降低，表明β-C能够提高肉牛的抗氧化作用。刘明美等[52]在日粮中添加β-C后，发现山羊血清中SOD、过氧化氢酶(Catalase, CAT)等活性的升高，证明了β-C对山羊抗氧化能力的改善。在饮水中补充β-C可抑制腹膜中性粒细胞的聚集，同时抑制腹膜中性粒细胞和巨噬细胞产生炎症因子[53]。β-C对IR的缓解机制是以视黄醇为中间物抑制RBP4的表达，抑制其旁分泌功能，减少炎性因子的产生并改善IR[54]。此外，β-C还可以通过促进线粒体解偶联蛋白2(Uncoupling protein-2, UCP2)表达，促进白色脂肪进行非耦合呼吸和适应性产热，抑制增重[55]。

UA是存在于天然植物中的一种三萜类化合物，UA和罗格列酮(Rosiglitazone, RSG)联合可激活IRS-PI3-Akt通路，诱导GLUT4易位和增加胰岛素受体表达，改善胰岛素敏感性[56]。Zhang等[57]研究发现，UA可以降低高脂饮食诱导的胰岛素抵抗大鼠的体重，降低空腹INS水平，提高胰岛素敏感性，并推测UA是通过抑制大鼠体内蛋白酪氨酸磷酸酶1B(Protein Tyrosine Phosphatase 1B, PTP1B)表达促进IRS表达，从而实现改善大鼠胰岛素敏感性。

4 小 结

本文综述了诱导发生IR的三个主要因素，即机体异常的氧化还原状态、体脂代谢以及肠道微生物菌群，并进一步阐明了其诱发机制。动物机体发生IR后主要表现为动物繁殖性能降低、免疫力下降以及发生糖脂代谢等代谢性疾病。尽管诸多研究表明，β-C和UA等营养素可有效缓解IR，但寻找更多有效的营养途径预防或改善IR，对于提高畜禽生产具有重要意义。