2型糖尿病合并肌少症发病机制的研究进展

张莹，薛君，董智慧

(1.内蒙古科技大学包头医学院，内蒙古 包头 014040；2.内蒙古包钢医院老年病科，内蒙古 包头 014010)

2型糖尿病(type 2 diabetic mellitus，T2DM)是一个日益严重的全球性健康问题。据统计，2017年4.51亿人患T2DM，2045年将达到6.93亿[1]。骨骼肌约占体重的40%，是主要的组织和代谢器官。据估计，人类30岁时肌量达到高峰，从40岁以后，肌量逐渐下降，每10年下降约8%，而70岁以后每10年损失15%～25%[2]。肌少症是一种进行性的骨骼肌疾病。其特征为肌肉纤维特别是Ⅱ型纤维(快速)萎缩，运动单位数量减少和肌肉内脂肪堆积[3]。2018年，欧洲老年人肌少症工作组更新了肌少症相关共识，指出：①低肌力是肌少症的关键因素，可以很好地反映目前的肌肉功能；②通过检测肌量和骨骼肌数量确定肌少症的诊断；③通过评估身体功能对肌少症的严重程度进行分类[4]。肌少症常引起与健康相关的不良后果，包括能量平衡受损、跌倒、骨折、行动障碍、心血管疾病、生活质量降低以及更高的死亡率。近年来研究表明，T2DM与肌少症关系密切[5]。随着T2DM的进程，患者骨骼肌功能和肌量会逐渐降低，肌少症的患病率远高于正常人群[6]。据亚洲肌少症工作组调查，患T2DM的日本和中国成年人(分别≥65岁和>60岁)肌少症的患病率为15%[7]。Wang等[8]的研究显示，T2DM患者肌少症的患病率是健康人的1.56倍。因此，肌少症已被描述为T2DM患者的新并发症[9]。目前T2DM合并肌少症的机制尚未完全阐明，大量证据表明，肌少症的一些机制与T2DM的病理生理学密切相关[10-13]。现就T2DM合并肌少症发病机制的研究进展予以综述。

1 胰岛素抵抗

生理情况下，胰岛素与其受体结合后会导致位于细胞内部的受体底物酪氨酸磷酸化,随后磷酸化后的受体底物招募并激活胰岛素信号转导通路中的下游成分，包括磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)及蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)，进而引起下游效应，完成细胞内胰岛素信号的传导[14]。胰岛素抵抗是指胰岛素敏感组织(肝脏、骨骼肌等)对葡萄糖摄取和利用效能降低，导致机体维持正常血糖能力下降的一种病理状态。胰岛素抵抗是T2DM发生发展的病理基础。而骨骼肌是胰岛素刺激下葡萄糖摄取的主要部位，负责处理机体中80%的葡萄糖，是胰岛素作用的靶器官之一，骨骼肌代谢紊乱会严重影响机体的葡萄糖稳态及胰岛素敏感性[15]。骨骼肌中胰岛素抵抗是T2DM高血糖的主要原因，是介导T2DM和肌少症的重要因素。PI3K的激活可使Akt磷酸化并激活其下游效应蛋白，以增加蛋白质的合成。胰岛素抵抗时，PI3K/Akt通路受到抑制，肌蛋白合成减少，从而导致骨骼肌萎缩。

另外，胰岛素抵抗可以激活PI3K/Akt/叉头框转录因子O(forkhead box O，FoxO)通路。FoxO是高度保守的转录因子，包括FoxO1、FoxO3、FoxO4和FoxO6，在骨骼肌中均有表达。其中，FoxO1和FoxO3通过控制糖酵解和脂质代谢以及线粒体代谢来实现肌肉能量稳态。FoxO的激活对于肌肉萎缩至关重要，而激活FoxO3会激活一组萎缩相关基因[如肌肉萎缩盒F基因(muscle atrophy F-box，MAFbx/Atrogin-1)和肌肉环状指基因1]的表达，诱导骨骼肌蛋白质降解[16]。胱天蛋白酶(caspase)是细胞凋亡过程中重要的蛋白酶，其中caspase-3是细胞凋亡途径中最强的效应因子，其激活可作为凋亡发生的标准之一[17]。此外胰岛素抵抗时，肌肉PI3K活性的降低还激活了caspase-3和泛素-蛋白酶体系统(ubiquitin-proteasome system，UPS)导致肌蛋白分解增加[10-11]。这说明，在胰岛素抵抗时，骨骼肌代谢功能障碍导致蛋白质合成减少，分解增加，引起肌量减少，肌力下降，进而导致肌少症的发生。

2 脂质沉积

正常情况下，过剩的能量会储存在白色脂肪组织。当过量的能量摄入超过皮下白色脂肪组织的储存能力时，肝脏、肾脏、胰腺和骨骼肌就会发生异位脂肪堆积[18]。据估计，所有T2DM患者中约80%的患者超重或肥胖，在糖尿病肥胖患者中，由于白色脂肪组织存储能量有限，过量的能量摄入会导致脂肪组织异位堆积于肝脏、骨骼肌等[19]。骨骼肌中胰岛素受体底物(insulin receptor substrate，IRS)对胰岛素诱导的葡萄糖和脂质代谢至关重要，IRS的磷酸化状态在胰岛素代谢的过程中起着关键作用。正常情况下，胰岛素与胰岛素受体结合，会激活IRS-1酪氨酸磷酸化，并依次激活其下游PI3K等通路参与胰岛素代谢。而IRS-1丝氨酸磷酸化会引起胰岛素代谢紊乱，出现胰岛素抵抗[20]。在T2DM患者体内，大量沉积于骨骼肌的脂质会诱导脂质中间产物(如二酰甘油和神经酰胺)的积累，这些中间产物可通过激活蛋白激酶C，增加IRS-1丝氨酸磷酸化，进而引起胰岛素抵抗[12]。另外，大量沉积于骨骼肌的脂肪组织还可以通过增强FoxO的表达，上调Atrogin-1和肌肉环状指基因1，从而导致肌肉组织中蛋白质的水解[21]。因此，当脂质异位沉积于骨骼肌时产生的中间产物可通过诱导胰岛素抵抗引起肌量的损失；同时异位沉积的脂质还可以直接刺激肌肉萎缩相关基因的表达，损失肌量。

3 氧化应激及内质网应激

在正常生理条件下，线粒体产生的超氧阴离子可由抗氧化系统清除，使体内自由基的产生和清除保持平衡。然而，在长期高血糖状态下，体内活性氧类(reactive oxygen species，ROS)生成增多，机体抗氧化能力减弱，氧化能力远大于抗氧化能力，从而导致体内氧化应激的产生。氧化应激是糖尿病及其相关并发症发生发展的关键因素[22]。研究认为，氧化应激也参与肌少症的发生发展[23]。肌生长抑制素是转化生长因子-β家族的一员，主要在骨骼肌中产生，其是肌肉生长的负性调节剂。Bitar等[24]的研究显示，T2DM骨骼肌中氧化应激水平的升高，可诱导肌肉生长抑制素表达增加，肌纤维蛋白分解增加，肌量减少。核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)是一类具有多向转录调节作用的核蛋白因子，广泛存在于多种组织中，在氧化应激、细胞增殖、细胞凋亡、免疫、炎症等生理病理过程中发挥重要作用。在细胞静息状态下，NF-κB与NF-κB抑制蛋白(nuclear factor-κB inhibitor protein，IκB)结合形成复合物存在于胞质中，当细胞受到氧化剂、蛋白激酶C、Ca2+载体、蛋白合成抑制剂等信号刺激时，IκB激酶被磷酸化，继而引起IκBα磷酸化，激活UPS[25]。氧化应激和ROS是蛋白质水解的重要调节因子。过量的ROS会改变Ca2+的稳态，Ca2+的失调促进NF-κB的转录活性，激活UPS，导致肌肉萎缩[13]。钙蛋白酶是一种降解蛋白质的酶，是骨骼肌分解代谢的起始因子，可降解肌纤维蛋白，并激活其他蛋白降解途径引起肌肉萎缩[26]。Jang等[27]在抗氧基因敲除小鼠实验中发现，抗氧基因敲除后，ROS增加，并伴随氧化应激水平升高；同时，他们还观察到骨骼肌中钙蛋白酶和caspase-3水平升高。这说明在氧化应激状态下，ROS会激活caspase-3和钙蛋白酶，诱导肌蛋白的降解。

内质网的生理功能包括蛋白质合成、加工与修饰；类固醇、胆固醇等脂质的合成；Ca2+的储存等。同时，内质网还依赖于分子伴侣、折叠酶和合适浓度的Ca2+以及氧化环境发挥作用。正确折叠的蛋白质会离开内质网进入组织发挥生理作用，而长期高血糖状态时，胰岛β细胞会产生大量胰岛素，胰岛素合成过程中如果出现大量错误折叠蛋白质，就会诱导内质网应激，细胞为了减轻内质网压力，恢复内质网功能，会激动未折叠蛋白反应(unfolded protein response，UPR)。有证据表明，内质网应激诱导的UPR途径在骨骼肌质量和代谢功能的调节中起关键作用[28]。正常情况下，UPR通过调节蛋白质合成速率，增强内质网伴侣和调节蛋白基因表达来恢复内质网稳态。但在慢性内质网应激状态下，UPR可通过激活caspase-12，并激活下游的caspase-9和caspase-3，诱导蛋白分解，从而引起骨骼肌量的下降[28]。

4 炎 症

糖尿病患者长期处于低度炎症状态，体内多伴有肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白细胞介素(interleukin，IL)-6、IL-8等炎症因子水平的升高。研究认为，慢性低度炎症是肌少症发生发展的重要病因[29]。研究显示，老年人肌少症的发生伴随循环中IL-6和TNF-α水平的显著升高[30]。炎症因子可通过激活FoxO，进而激活UPS，诱导肌蛋白分解增加。同时，被炎症因子激活的FoxO还可抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白途径，减少肌蛋白的合成[16]。TNF-α可通过激活NF-κB，进一步激活UPS，促进肌蛋白的分解[31]。实验显示，小鼠血清中IL-6可刺激腓肠肌中Atrogin-1信使RNA的转录，增加Atrogin-1蛋白的表达，而抑制IL-6可减少Atrogin-1的表达[32]。这说明，骨骼肌中的炎症因子还可通过刺激肌肉萎缩相关蛋白引起蛋白分解增加，进而促进肌少症的发生。

5 晚期糖基化终末产物的积累

晚期糖基化终末产物(advanced glycation end products，AGEs)是还原糖与蛋白质氨基经过非酶促反应生成的化合物[33]。Chiu等[34]的一项动物实验显示，在糖尿病小鼠比目鱼肌中有AGEs和AGEs受体(receptor of advanced glycation end products，RAGE)的累积，并伴随AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)的磷酸化和Atrogin-1蛋白水平升高，进而引起骨骼肌肌量减少，肌力和再生能力下降，而在给予AGEs抑制剂后这一系列表现得到明显改善。这表明，AGEs/RAGE-AMPKα-Atrogin-1信号通路在AGEs介导的肌少症中占主导地位。AGEs抑制剂可以作为一种潜在的治疗候选物，通过靶向RAGE介导、AMPK下调的Akt信号通路来减少AGEs的积累，从而有效改善肌少症症状。此外，AGEs可沉积于骨骼肌组织中，累积的AGEs与肌肉周围纤维结缔组织交联，可增加骨骼肌硬度，降低骨骼肌的弹性，削弱骨骼肌的功能[35]。已有研究表明，骨骼肌组织中AGEs的积累是骨骼肌功能障碍的原因之一，在持续高血糖状态下，内源性AGEs加速积累、RAGE数量增加，AGEs与RAGE结合后可激活烟酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化酶，增加细胞内ROS的生成，从而导致慢性肌纤维损伤[36]。由此推测，AGEs的积累可能参与了肌少症的发生发展，但两者之间确切的相关性尚未明确，仍需大量研究阐明。

6 糖尿病神经病变

糖尿病周围神经病变(diabetic peripheral neuro-phathy，DPN)是糖尿病常见的并发症之一，30%～50%的糖尿病患者会出现周围神经病变[37]。Yasemin等[38]研究表明，DPN患者肌少症的发生率为24.6%(126/512)，显著高于无DPN患者[8.9%(8/90)]；且多元Logistic回归分析显示，DPN与肌少症相关。运动单位的丢失是肌量下降的重要因素，DPN患者运动单位的丢失多于非DNP患者；运动单位的损失可发生在足部、手部肌肉以及腿部背屈肌，与年龄相匹配的健康对照者相比，DPN患者运动单位的损失接近50%[39]。运动单位的丢失会导致肌力减弱，肌肉萎缩和肌内脂肪浸润[40]。Nomura等[41]对1 442例T2DM患者进行研究发现，DPN的发生率为37.7%。长期运动神经功能障碍可导致该神经元所支配的骨骼肌不再受神经系统的控制，且无法自主收缩，随着时间的推移，肌量和强度下降，导致糖尿病性肌少症的发生[42]。此外，DPN还可引起肌力下降。Andreassen等[43]研究显示，T2DM患者下肢远端的肌量减少更明显；且在T2DM患者中，DPN的存在与肌量的下降存在相关性，根据神经病变程度的不同，糖尿病患者的肌量每年下降3%～4%。肌量下降主要发生在踝关节背伸肌、踝关节跖屈肌、膝关节伸肌和膝关节屈肌等[39]。而肌力下降可能与肢体远端横纹肌失神经支配有关。神经营养因子-3(neurotrophin-3，NT-3)是由中枢和外周神经系统神经元产生的活性营养因子，对神经元的生长发育、再生及功能调节具有重要作用。Andreassen等[44]的研究显示，DNP患者腓肠肌中NT-3蛋白表达减少，且NT-3下调的程度与肌力下降的程度呈正相关。这说明，肌力下降与骨骼肌中NT-3缺乏导致的去神经支配有关。

7 糖尿病肾病

长期糖尿病可导致慢性肾脏病(chronic kidney disease，CKD)，CKD及其相关炎症反应刺激可引起蛋白质的消耗，这一过程会导致肌量持续下降。研究显示，在387例患有T2DM的亚洲老年人(平均68岁)中，糖尿病肾病肌少症的发病率是非糖尿病肾病的2.5倍[45]。核内小分子磷酸酶4(small C-terminal domain phosphatase 4，SCP4)是一种在骨骼肌细胞中表达的核磷酸酶。SCP4过表达时，可通过调节Akt/FoxO1/3a信号转导来调节骨骼肌的降解。Enoki等[46]在CKD小鼠模型中观察到，转录因子NF-κB p65蛋白与SCP4基因启动子序列相关，CKD通过NF-κB信号转导刺激肌肉表达SCP4，在细胞核中，SCP4可激活FoxO1/3a，并激活肌肉环状指基因1和Atrogin-1的表达及UPS，诱导蛋白质分解，引起肌肉萎缩；而抑制SCP4后，CKD小鼠肌量增加。CKD晚期患者中，尿毒症毒素硫酸吲哚酚大量累积，硫酸吲哚酚可诱导肌生长抑制素的表达，而肌生长抑制素可以通过激活caspase-3和UPS途径诱导蛋白质分解[47-48]。此外，由肾功能降低或丧失所出现的代谢性酸中毒可触发caspase-3和UPS，促进蛋白质的分解；由肾功能下降引起的维生素D水平下降可通过减少骨骼肌中维生素D受体并减少Ca2+内流来减少蛋白质的合成[49]。因此，CKD中不同机制引起的蛋白质分解增加，合成减少，从而促进肌少症的发生发展。

8 小 结

随着国内外专家对肌少症研究的不断深入，肌少症的发生发展被认为与T2DM有密切联系。T2DM状态下，胰岛素抵抗、脂质异位沉积、氧化应激及内质网应激、AGEs累积、神经病变及肾病等因素均可打破骨骼肌的合成与分解平衡，使肌蛋白合成减少，分解增加，骨骼肌肌量损失，从而进一步引起肌少症的发生。目前，尚缺乏T2DM合并肌少症情况下最有效、可行的干预措施的证据。未来需要进一步探索其发病机制，以减少T2DM合并肌少症的发生，提高T2DM合并肌少症患者的诊治效果，从而提高患者生活质量。