胰高血糖素样肽-1受体激动剂对2型糖尿病患者认知功能障碍影响的研究进展

付冰冰,巴 艳,郁阿翠,王红梅,陈姗姗,慈莉娅

随着人口老龄化日益严重,2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)的患病人数逐年增加,已成为全球性的公共卫生问题。据2022年国际糖尿病联盟统计,全球约有5.36亿糖尿病患者,预计2045年将达到7.83亿［1］。认知功能障碍是2型糖尿病众多并发症之一,已成为国内外临床医学的重要课题,其发病机制尚不明确,可能涉及多种病理过程,尚缺乏有效的药物进行防治。胰高血糖素样肽-1受体激动剂(glucagon like peptide-1 receptor agonist,GLP-1RA)作为新型的降糖药物,具有心脏获益、减重、神经保护等多种功能且不良反应小,逐渐成为各大指南上推荐的一线用药。目前研究显示GLP-1RA对中枢神经系统退行性病变具有改善作用,在阿尔兹海默病(Alzheimer′s disease,AD)、血管性痴呆及帕金森病(Parkinson disease,PD)治疗方面具有很好的疗效［2］。本研究综述GLP-1RA防治T2DM认知功能障碍的研究进展,旨在为后续实验研究及临床应用奠定理论基础。

1 T2DM认知功能障碍的发病机制

Nielon于1965年首次提出“糖尿病脑病(diabetic encephalopathy)”的概念,为了促进这一领域的研究,加强对该病的认识,学者们提出了“糖尿病相关认知功能下降(diabetes-associated cognitive decline,DACD)”的新名词。随着研究不断深入,人们发现不同糖尿病类型对认知领域损伤有差别,1型糖尿病患者主要表现为空间延迟记忆能力的损伤,而T2DM多影响记忆力、学习力和执行力［3 - 4］。T2DM认知功能障碍发病机制不明,目前已知这是一个漫长、多环节、多因素相互作用的共同结果,可能和机体的代谢异常,胰岛素抵抗,tau蛋白磷酸化异常,炎症反应,氧化应激及脑血管损害和神经元细胞凋亡等密切相关。

2 GLP-1和GLP-1RA

胰高血糖素样肽-1(GLP-1)是一种内源性激素,能促进胰岛素分泌,既可以调整血糖水平,又是一种产生于肠道及大脑的神经肽,作为一种神经递质,可以调控细胞增殖与凋亡,降低氧化应激,刺激抗炎反应,调节具有保护功能的中枢神经系统(central nervous system,CNS)［5］。GLP-1与其受体结合发挥信号转导,其受体是一种G蛋白耦联受体,广泛分布于脑组织。但由于GLP-1在体内很快被二肽基肽酶IV降解,半衰期极短,仅仅可持续1 ～ 2 min,其临床应用受到限制。GLP-1RA应运而生,它不受体内二肽基肽酶Ⅳ的影响,半衰期长,平稳有效地控制血糖,安全性较好。

3 GLP-1RA在防治T2DM认知功能障碍中的作用

3.1GLP-1RA改善糖代谢紊乱 血糖水平过高或过低都会引起大脑功能障碍,高血糖是痴呆的危险因素［6］。血糖水平过高会激发体内的氧化应激反应,产生大量的活性氧自由基,加速神经元的老化和坏死。T2DM患者血糖水平长期偏高,糖代谢途径发生改变,体内蓄积大量糖基化的终末产物(advanced glycation end products,AGEs)。研究发现AGEs通过多条途径参与T2DM认知功能障碍的发病,并可以通过修饰tau蛋白和β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein,Aβ)参与AD的病理形成,导致T2DM患者更容易发展成AD;AGEs还具有直接细胞毒性,促进神经细胞发生凋亡［7］。

严重的低血糖会导致永久性的神经后遗症,包括神经细胞死亡,加速痴呆进程。动物研究表明,低血糖主要损伤海马的CA-1区、齿状回和颗粒细胞区域,这些区域对学习和记忆至关重要,特别在年老而易受伤害的大脑中更明显［8］。Db/db小鼠是目前应用于研究人类T2DM最好的动物模型之一,Zhang等［9］在db/db小鼠模型中用Morris水迷宫实验评估认知,发现与没有糖尿病的小鼠相比,db/db小鼠的认知能力显著下降,注射利拉鲁肽后能得到改善,通过免疫印迹法检测GLP-1受体和晚期糖基化终末产物受体(receptor of advanced glycation end products,RAGE)水平,发现利拉鲁肽干预的db/db小鼠海马区RAGE表达下调,其改善认知功能可能与减少AGEs的不利影响有关。在临床研究中Zhang等［10］将血糖控制不佳(糖化血红蛋白7% ～ 9%)的肥胖T2DM患者纳入研究,应用利拉鲁肽和艾塞那肽治疗3个月后发现受试者的蒙特利尔认知评估量表(Montreal cognitive assessment,MoCA)评分较前明显提高、血糖水平明显改善,提示GLP-1RA可能通过调节糖代谢来改T2DM患者的认知功能障碍。李伟等［11］采用简易智力状态检查表、北京版MoCA以及中国科学院版的临床记忆量表作为评估指标,在T2DM伴认知障碍患者中展开的研究中得到相同结论,发现利拉鲁肽在改善糖脂代谢方面的临床疗效优于门冬胰岛素30,且能有效改善糖尿病患者的认知功能。

3.2GLP-1RA调节脂代谢异常 T2DM除糖代谢紊乱外,还存在脂质代谢异常。糖脂代谢紊乱使机体蓄积大量自由基,诱发显著的氧化应激反应,引起微血管病变和血液流变学改变。一项为期6年、针对1 159名中国成年人的纵向研究发现,较高的总胆固醇(total cholesterol,TC)和低密度脂蛋白胆固醇(low-density lipoprotein cholesterol,LDL-C)浓度与较高的认知能力下降风险有关［12］。脂质代谢紊乱能够诱导阿尔茨海默病(AD)等神经退行性疾病的发生与发展,不正常的胆固醇代谢增加了血脑屏障的通透性,进入中枢神经系统的胆固醇增多,从而影响谷胱甘肽(Glutathione,GSH)的转运,影响线粒体的抗氧化能力,导致大脑受到活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)的损害［13］。此外大脑中的高胆固醇水平还会造成β-淀粉样蛋白(amyloidβ-protein,Aβ)的大量产生和沉积,促进神经毒性纤维和神经炎症的形成,加速与痴呆有关的认知障碍进展［14］。Sedky［15］通过高脂饲料联合小剂量链脲佐菌素(35 mg/kg)诱导T2DM大鼠模型,用Morris水迷宫测试大鼠的认知功能,实验观察到与糖尿病对照组相比,注射利拉鲁肽的大鼠在水迷宫测试中逃避潜伏期缩短、目标象限停留时间增加,通过检测生化指标发现治疗组T2DM大鼠的TG、TC和LDL-C显著降低,HDL-C显著升高,表明利拉鲁肽可以通过改善脂质代谢改善T2DM大鼠的认知功能。一项高质量的Meta分析提示GLP-1RA对认知功能减退的危险因素具有积极调节作用,其中包括对高血脂的调节［16］。

3.3GLP-1RA改善胰岛素抵抗和不足 胰岛素抵抗或不足是T2DM发展的重要特征,与认知功能下降密切相关。胰岛素抵抗会影响胰岛素受体信号的转导,尤其是磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3 kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)信号通路,该通路受损会激活下游糖原合成激酶-3β(Glycogen synthase kinase-3 beta,GSK-3β),导致tau蛋白过度磷酸化。胰岛素抵抗和其信号传导通路受损使胰岛素与其降解酶(insulin degrading enzyme,IDE)结合,抑制Aβ的降解,增加其在大脑中蓄积,发挥神经毒性效应［17］。T2DM患者体内胰岛素不足时,神经元会发生退变,与记忆形成相关的神经递质生成减少,对学习记忆产生影响。胰腺十二指肠同源盒因子-1(pancreatic duodenum homeobox-1,PDX-1)是胰岛β细胞生长和功能的关键调节因子,即使是轻微减少也会损害机体对胰岛素抵抗的代偿。Hao等［18］在高脂饮食诱导的T2DM小鼠模型中探讨利拉鲁肽的作用机制时,在分子水平上发现利拉鲁肽可以上调PDX-1的表达,改善胰岛β细胞功能,增加胰岛细胞数量,恢复胰岛素分泌。Peng等［19］在db/db小鼠模型中,发现注射艾塞那肽有助于促进胰岛素合成相关基因的表达,增加脑胰岛素水平,激活脑胰岛素信号,减轻tau蛋白过度磷酸化,并在行为学实验中观察到db/db小鼠认知功能的改善。

3.4GLP-1RA抑制tau蛋白过度磷酸化 tau蛋白是微管相关蛋白,在正常生理条件下参与神经微管的形成及维持结构的稳定。异常过度磷酸化的tau蛋白会组成神经原纤维缠结(neurofibrillary tangles,NFT),NFT的沉积是AD的特征性神经病理学变化。T2DM会诱发tau蛋白失调,增加tau蛋白磷酸化。Oliveira等［20］研究发现糖尿病小鼠模型中tau蛋白过度磷酸化水平明显高于正常组,加以抑制后其学习和记忆能力得以改善。很多实验证明GLP-1RA可以防止tau蛋白过度磷酸化。艾塞那肽、利拉鲁肽和度拉糖肽可通过调节PI3K/Akt信号通路,下调GSK-3β的活性,抑制tau蛋白过度磷酸化,降低T2DM患AD的风险［19,21 - 22］。

3.5GLP-1RA保护脑血管和血脑屏障 T2DM损伤血管内皮,诱发血栓形成,导致动脉硬化,影响脑血液灌注。T2DM导致微血管功能障碍,使血脑屏障的通透性和完整性遭受破坏,损害神经元而影响认知功能［23］。脑血管周细胞是血管壁细胞,参与血脑屏障的组成,糖尿病会导致周细胞功能障碍,使血管完整性丧失。在糖尿病条件下,AGEs通过上调周细胞自分泌转化生长因子-β信号的浓度来诱导血脑屏障基底膜肥大进而破坏血脑屏障。Bailey等［24］在链脲佐菌素诱导的糖尿病小鼠中,通过测量脑血管新生指数(血管密度、弯曲度和分支密度)评估血管完整性,采用Morris水迷宫评估认知功能,结果显示艾塞那肽能显著降低糖尿病小鼠的所有病理新生血管指标,恢复周细胞功能,改善血脑屏障;与对照组小鼠相比,艾塞那肽治疗组的学习和记忆功能显著改善。Chen等［25］在小鼠局灶性脑皮质缺血模型中发现利拉鲁肽具有保护血脑屏障完整性的作用,能通过增加血管内皮生长因子的表达促进脑缺血血管的生成和长期恢复。

3.6GLP-1RA抑制炎症反应 T2DM及其多种并发症均与炎症反应密切相关。T2DM长期病程可引起海马区小胶质细胞的活化,显著提高促炎细胞因子白细胞介素-1β(Interleukin-1β,IL-1β)的水平,激活半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3(cysteinyl aspartate-specific proteinase-3,Caspase-3),诱导海马神经元凋亡,损害学习和记忆能力［26］。张薇薇［27］招募了120例老年患者研究血清炎症因子与T2DM认知障碍的关联,结果显示伴有认知障碍T2DM患者与无认知障碍患者相比,血清白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、白细胞介素-8(interleukin-8,IL-8)、白细胞介素-12(interleukin-12,IL-12)、IL-1β和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)水平升高。朱霞等［28］的实验得到相同结论,在伴有认知功能障碍的糖尿病大鼠大脑中检测到TNF-α及IL-1β水平明显增加,且认知功能的改善与下调脑内的炎症反应有关。Lin等［29］在高脂饮食诱导的肥胖小鼠模型中给予艾塞那肽,结果发现可以降低星形胶质细胞增生、IL-1β和TNF-α的表达,减轻神经炎症。Tu等［30］的研究表明利拉鲁肽也具有抑制炎症介质(包括TNF-α、IL-1β)表达的作用。核转录因子-κB(nuclear transcription factor-κB,NF-κB)信号通路是体内重要的炎症信号通路,与突触的可塑性、记忆有关,参与T2DM认知功能障碍的发展［31］。Zhang等［32］在神经疼痛性小鼠模型中探究GLP-1受体激活改善记忆损害及其作用机制时发现艾塞那肽可通过激活机体GLP-1受体来调节AMPK/NF-κB通路,改善神经炎症,逆转神经性疼痛小鼠突触蛋白水平下降,改善识别记忆障碍。

3.7GLP-1RA抑制氧化应激 氧化应激是氧化与抗氧化失衡的状态,机体蓄积过多的氧自由基和ROS,引起细胞、组织和器官的氧化损伤。脑组织耗氧率高、抗氧化酶少,更易受到氧化损伤的影响。氧化应激诱发和加重T2DM患者神经元凋亡、神经炎症、神经退化以及进行性认知功能减退［33］。氧化应激会下调机体脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)、B淋巴细胞瘤-2(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)的表达,激活凋亡通路因子Caspase-3、上调BCL-2相关X蛋白(BCL-2-associated X protein,Bax),诱发神经细胞的损伤和凋亡,损害糖尿病患者的认知［34］。在伴有认知能力减退的糖尿病动物模型海马组织中,超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)、GSH这些抑制氧化应激的物质含量下降,而标志氧化应激损伤的丙二醛(malondialdehyde,MDA)显著增高［15,35］。诸多研究表明GLP-1RA具有抗氧化应激的作用,Hussien等［36］在造影剂肾病模型、Mohiuddin等［37］在细胞氧化损伤模型中发现艾塞那肽可抑制氧化应激反应。Yan等［38］在1型糖尿病小鼠模型中研究利拉鲁肽的神经保护作用,采用Morris水迷宫测验评估认知能力,通过生物化学方法检测海马组织中SOD活性和MDA水平,通过透射电子显微镜观察海马体的超微结构,结果发现与对照组小鼠相比,糖尿病小鼠表现出学习记忆受损,氧化应激和神经元凋亡加剧,海马神经元和突触的超微结构损伤,这些影响通过利拉鲁肽治疗而改善。

3.8GLP-1RA抑制神经细胞凋亡 大脑中的海马体在记忆的形成和巩固中起着重要作用。突触是神经元联系的媒介,也是传递信息的关键部位。突触可塑性是神经元之间信息传递程度的可调节性,也是学习和记忆的细胞机制。海马神经元损伤和突触可塑性损害都参与T2DM认知功能障碍的发展。研究发现,T2DM小鼠海马CA1区锥体神经元分布稀疏,细胞核萎缩,细胞数量明显减少;透射电镜下显示,T2DM小鼠突触密度、突触曲率、突触后致密区厚度显著降低,CA1区突触间隙宽度明显增加［39］。Chang等［40］采用Aβ25-35处理SH-SY5Y细胞作为AD模型探索司美格鲁肽预防AD的可能机制,发现司美格鲁肽可以抑制Aβ25-35诱导的Bax的表达、增加Aβ25-35抑制的Bcl2的表达,发挥抑制神经细胞凋亡的作用。Zhang等［41］采用高脂饮食联合腹腔注射链脲佐菌素的方法建立T2DM小鼠模型,用Morris水迷宫评估认知能力,用苏木精伊红染色和透射电镜观察海马神经元结构,研究显示对照组相比,T2DM组小鼠海马区CA1区核固缩、深染、缺失,神经元排列明显紊乱,利拉鲁肽可以减轻海马神经元损伤和突触超微结构退化,降低水迷宫中的逃避潜伏期,增加在目标象限的停留时间,改善T2DM小鼠的学习和记忆障碍。

T2DM合并认知功能障碍是临床亟待解决的一个难题,GLP-1RA作为新型降糖药,除了强效安全降糖,还具有调节代谢、改善胰岛素抵抗、抗炎、抗氧化、保护血脑屏障及抑制神经元细胞凋亡等多种作用,因其广泛的药理作用而在治疗T2DM认知功能障碍中发挥着较大优势,期待更多的循证医学证据的发布。