二甲双胍抗皮肤老化研究进展

赖惠君 杨 岚 郭红卫

1广东医科大学附属第二医院皮肤病科,广东湛江,524003;2广州市红十字会医院,广东广州,510000

2019年世界卫生组织在国际疾病分类(ICD-11)中将衰老归为与内在老化(自然老化)和外在老化有关的疾病[1］,这大大推动了衰老及其相关疾病的研究和治疗策略的发展。皮肤作为人体最大的器官,直接反映着个体身体健康和年龄。随着年龄的增长和环境的影响,皮肤会经历自然衰老和光老化两种类型的衰老。自然衰老是由内在因素(如时间、遗传因素和激素水平的改变)引起的生理变化的必然过程,引起细纹、皮肤干燥和松弛[2］。而光老化则是外部环境因素如紫外线、污染和吸烟等诱导氧化应激对细胞造成损害,从而加速细胞衰老(cellular senescence),表现为皮肤皱纹增加、真皮变薄、皮肤弹性丧失、不规则色素沉着和脂溢性角化[3］。细胞衰老以永久性的增殖停滞为特征,而细胞增殖能力的逐渐丧失最终会导致组织的老化,氧化应激在细胞老化中发挥重要作用[4］。

如何延缓皮肤老化,提高皮肤健康水平,一直都是皮肤科研究的热点问题之一。抗衰老药物对于延缓皮肤自然或者光老化具有重要的作用[5］。二甲双胍(metformin)是一种口服降糖药物,已被广泛应用于2型糖尿病的治疗[6］。近年发现还具有抗衰老作用,包括对皮肤老化的保护作用,降低多种与年龄相关的疾病的发病率和总死亡率[7,8］。一系列针对不同的细胞系和模型生物的研究表明,二甲双胍可以通过靶向与衰老相关的关键分子来延缓衰老和减轻衰老相关疾病[9-11］。本文旨在综述二甲双胍抗衰老作用及其机制研究进展,以期为抗衰老药物的相关研究和开发提供新思路。

1 二甲双胍的细胞水平转运

二甲双胍在生理条件下带正电荷,是一种亲水性化合物,需要载体转运到靶细胞内发挥药理作用。二甲双胍的细胞内转运或者摄取是通过SLC22A基因编码的多特异性细胞膜有机阳离子转运蛋白(organic cation transporters,OCT)以及SLC47A1基因编码的多药和毒素外排转运蛋白(multidrug and toxin extrusion protein,MATE-1)实现的[12］。转运蛋白削弱碱基,以促进二甲双胍的细胞内摄取。研究表明,质子泵抑制剂(PPIs)如兰索拉唑通过抑制OCT1、OCT2和OCT3来抑制二甲双胍的细胞内摄取[13］。口服降糖药瑞格列奈和罗格列酮也可抑制OCT1介导的二甲双胍细胞内转运[14］。因此,质子泵抑制剂与降糖药瑞格列奈和罗格列酮会降低二甲双胍药效,而成骨细胞可以通过激活OCT1将二甲双胍转运到细胞中[15］。

二甲双胍不经历肝脏代谢,肾脏中活跃的肾小管分泌是二甲双胍排泄的主要途径。二甲双胍到达肾脏后,由于其亲水性,二甲双胍不能通过质膜扩散进入细胞质,它通过位于近端小管基底外侧膜的OCT-2从血液中进入近端肾小管肾细胞,随后通过位于近端小管管腔膜的MATE-1转运蛋白分泌到尿液中,在尿液中以未改变的形式排泄[16］。因此通过调控OCT转运蛋白可以修饰二甲双胍药物作用,为临床药物相互作用提供依据。

2 二甲双胍增强细胞自噬抵抗细胞老化

自噬(autophagy)是细胞利用溶酶体降解自身细胞质蛋白和受损细胞器的分解代谢过程,是一种保守的细胞存活、发育和细胞内稳态平衡调控程序[17］。自噬系统靶向受损的线粒体,并将其递送到溶酶体中进行降解,这种分解代谢过程称为线粒体自噬(mitophagy),有助于维持线粒体的质量控制[18］。线粒体是一种被称为细胞“动力源”的细胞器,线粒体功能受损可导致细胞能量水平降低,伴随的电子泄漏促进活性氧(ROS)的形成,从而破坏蛋白质、膜脂质和核酸[19］。同时,受损的线粒体还可以通过释放细胞色素c来激活半胱天冬酶-9启动细胞凋亡[20］。最近的研究表明,线粒体自噬受损与神经退行性疾病(如帕金森病和阿尔茨海默症)以及衰老过程密切相关[21］。

衰老细胞通常伴随着线粒体特异性自噬的减少,导致衰老和功能失调的线粒体积累,而功能失调的线粒体是衰老细胞中活性氧(ROS)升高的主要来源[22］,这是衰老细胞的另一个重要标志。值得注意的是,与ROS相关的线粒体损伤与光老化之间也存在密切联系[23］,并且重复的UVA暴露可导致线粒体DNA突变的增加[24］。而二甲双胍可通过增强线粒体自噬来减弱UVA诱导的皮肤光老化[25］。

二甲双胍对蛋白质平衡的稳定作用主要是通过直接和间接抑制mTOR信号传导增强自噬和抑制蛋白质合成[26］。mTOR是一种非典型丝氨酸/苏氨酸激酶,属于磷酸肌醇3激酶(PI3K)相关激酶家族,mTOR通过与多种伴侣蛋白结合形成两种不同的信号复合物,分别称为mTOR复合物1(mTORC1)和mTOR复合物2(mTORC2)。mTORC1的失调与自噬缺陷相关的疾病有关[27］。TFEB是溶酶体和自噬基因的主要转录调节因子,mTORC1通过调节转录因子EB(TFEB)的定位、抑制TFEB活性调节自噬[28］。高mTORC1活性促进生物分子合成,同时抑制自噬。

Chen等观察到老年小鼠造血干细胞mTORC1表达升高,PI3K/AKT/mTOR信号通路的上游分子Tsc1(tuberous sclerosis complex 1)的丢失导致该信号通路抑制解除,参与造血干细胞衰老的发生。重要的是,mTOR抑制剂可恢复造血干细胞自我更新和造血功能,提高小鼠免疫力并延长寿命[29］。研究发现二甲双胍可通过激活AMPK从而抑制mTOR途径和降低糖尿病心肌病中的焦亡[30］,增强线粒体自噬[31］。因此,二甲双胍发挥抗衰老作用的一个重要分子生物学机制是增强自噬以缓解皮肤老化进程[32,33］。

3 二甲双胍抑制氧化应激抵抗细胞衰老

越来越多的研究表明,氧化应激和线粒体功能障碍在皮肤老化的发病机制中起着核心作用[17,34］。二甲双胍通过调节线粒体发挥生物学作用,其作用机制的核心是改变细胞的能量代谢[35,36］。该作用机制涉及多个分子生物学机制,其中包括对线粒体呼吸链复合物I (mitochondrial complex I)的下调和AMPK磷酸化的上调[37］。

线粒体是细胞功能的重要支点,是调节氧化应激、能量产生、细胞内信号转导和细胞凋亡的关键。线粒体的主要功能是产生释放能量,合成三磷酸腺苷(ATP),同时通过三羧酸循环氧化代谢产物,产生烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADH)和还原黄素腺嘌呤二核苷酸(FADH2)[38］。线粒体呼吸链复合物I是线粒体氧化呼吸链的第一个复合物,电子传递链的关键酶[39］。它通过氧化还原反应将NADH转化为能够用于ATP合成的能量,并在过程中产生质子梯度。过度活化的线粒体呼吸链复合物I会对线粒体电子传递链造成实质性损伤,导致线粒体损伤,从而加速细胞老化和皮肤老化[40］。而二甲双胍可以通过下调线粒体呼吸链复合物I的表达和活性,抑制其过度活化,并通过选择性抑制线粒体呼吸链复合物I的反向电子流显著减少线粒体内ROS的产生[41］,而细胞内ATP浓度下降以及ADP/ATP和AMP/ATP比值增加,从而激活细胞内AMPK信号通路[42］。AMPK是细胞能量稳态的关键能量传感器,也是一种重要的代谢调节因子,能够调节细胞内多个代谢途径,包括糖原合成、脂肪酸合成和葡萄糖摄取等[43］。AMPK在皮肤细胞中也扮演着重要的角色,对皮肤细胞老化具有保护作用[44］。二甲双胍能够促进AMPK的磷酸化,激活其功能,从而促进皮肤细胞的代谢和生长,减缓皮肤老化的进程。

当线粒体功能障碍,ROS产生过多,膜电位降低,呼吸功能下降,ATP产生减少。过量的ROS还会进一步加剧线粒体功能障碍,这是氧化应激无休止循环的基础[45］。高水平的ROS有可能触发线粒体介导的细胞凋亡和线粒体DNA的降解并加速胰岛素抵抗[46］。ROS的过度产生导致氧化应激,与皮肤老化的发病机制相关[47］。Nakashima等的一项研究表明,蓝光诱导的线粒体损伤可导致皮肤氧化应激,表现为类似于UVA的皮肤老化[48］。二甲双胍已被证明可促进线粒体分裂,修复受损的三羧酸循环,改善线粒体呼吸,恢复线粒体生命周期,稳定线粒体功能,消除ROS的过度产生导致的氧化应激。此外,由于二甲双胍带有正电荷并且可以穿过线粒体内膜(响应线粒体膜电位),导致线粒体内二甲双胍浓度比细胞外环境中的二甲双胍浓度高1000倍[49］,提示二甲双胍靶向线粒体调节线粒体呼吸链复合物I、调控氧化应激发挥生物学效应。

4 二甲双胍抑制生长激素-胰岛素样生长因子1轴抵抗衰老

胰岛素样生长因子-1 (insulin-like growth factor 1,IGF-1)是一种由70 个氨基酸组成的单链肽,主要由肝脏分泌并转运到靶组织,在结构上类似于胰岛素。因此,IGF-1能够与胰岛素受体(insulin receptor,I-R)结合[50］。此外,IGF-1是生长激素(GH)的主要介质。GH由垂体腺中前庭垂体细胞产生,随后被释放到血液中以刺激IGF-1的产生和释放。IGF-1与细胞表面上的IGF-1受体和胰岛素受体结合,进而导致细胞内信号分子胰岛素受体底物1(insulin receptor substrate,IRS 1)蛋白的磷酸化。一旦IRS蛋白被磷酸化,它会作为信号分子进入PI3K(磷脂酰肌醇3激酶)/Akt(蛋白激酶B)信号通路,进一步促进mTORC1的激活,抑制细胞自噬,最终导致寿命缩短与衰老[51,52］,提示GH和IGF-1作为mTORC1的上游调节因子,在细胞生长、自噬和代谢过程中起着关键的调节作用(图1)。

IRS：胰岛素受体底物;PI3K：磷酸肌醇3激酶;AKT：汇丝氨酸/苏氨酸激酶;mTOR：哺乳动物雷帕霉素靶蛋白;IGF-1：胰岛素样生长因子;AMPK：腺苷酸活化蛋白激酶;Cyt-c：细胞色素 c;ROS：活性氧;Bcl-2：B细胞淋巴瘤2;Bax：Bcl-2 相关X蛋白

缺乏GH或GH受体的小鼠表现为明显的寿命延长和衰老延缓,IGF-1的循环水平受到严重抑制,胰岛素水平降低以及胰岛素敏感性增强[53］。持续的低IGF-I水平有助于延长动物的寿命并降低与年龄相关的死亡率[54］,二甲双胍可通过抑制生长激素-胰岛素样生长因子1轴以及通过限制饮食延长小鼠寿命[55,56］。使用二甲双胍的糖尿病患者,可能会观察到IGF-1水平的下降,提示二甲双胍可通过抑制IGF-1轴抗衰老和延长寿命。

5 小结

二甲双胍通过多种途径发挥抗衰老效果。首先,它通过调节细胞内自噬过程,维持线粒体质量控制,减轻氧化应激,延缓细胞衰老。其次,二甲双胍能影响线粒体功能,通过调节线粒体呼吸链复合物I的活性,减少ROS产生,改善能量代谢,从而对抗线粒体功能障碍和氧化应激。此外,它还能抑制生长激素-IGF 1轴,调节mTOR信号传导,增强细胞代谢和自噬,降低IGF-1水平,达到延缓衰老和延长寿命的作用。二甲双胍的抗衰老机制及其在皮肤抗衰老中的应用研究具有重要的研究意义和临床应用价值。它为抗衰老药物的相关研究和开发提供了新的思路。

值得注意的是,虽然二甲双胍在皮肤抗衰老领域的研究表现出了一定的潜力,但目前还需要进行更多的临床和实验室研究,以确定其安全性和有效性。因此,在未来的研究中,需要进一步阐明二甲双胍对线粒体呼吸链复合物I结构功能的调节机制,以及其对细胞自噬和生长激素-胰岛素样生长因子1轴的影响。这将有助于更深入地了解二甲双胍的抗衰老机制,为开发更有效的抗衰老药物和皮肤护理策略提供新的思路和途径。