阿卡波糖通过模拟热量限制延缓衰老:降糖之外的惊喜

刘元君 吴怡 金丽娟

增龄是众多慢性疾病发生发展的推动因素。随着人口老龄化进程的加速,T2DM、癌症等年龄相关性疾病的发病率迅猛增长,严重威胁人类健康。大量研究已证实,热量限制(calori restriction,CR)能够通过多种途径改善代谢紊乱、延缓衰老、延长寿命[1]。然而,CR存在长期实施困难、依从性差等问题,故能够模拟出具有CR益处而无需限制饮食的药物,即热量限制模拟剂(calorie restriction mimetics,CRMs)成为研究热点。CRMs概念的提出始于20余年前对2-脱氧 d -葡萄糖的研究。随着认识的深入,已陆续发现多种CRMs,包括抑制能量代谢的上游型CRMs和作用于细胞内信号系统的下游型CRMs,代表药物有白藜芦醇、雷帕霉素等[2-3]。糖尿病作为一种复杂的代谢紊乱性疾病,对预期寿命产生不良影响。令人惊喜的是,一些抗糖尿病药物显示出了模拟CR的潜力,其中研究较为充分的是二甲双胍,它在许多抗衰老基础研究中被证实可延长寿命[4],并在2015年被美国食品和药品监督管理局批准用于二甲双胍靶向衰老治疗(Targeting Aging With Metformin, TAME)研究。另一种广泛使用的降糖药物——阿卡波糖已被报道可通过不同途径抑制肿瘤生长、延长寿命。本文主要从CR模拟角度探讨阿卡波糖延缓衰老的可能机制,为其助力人类健康提供初步理论依据。

1 CR延缓衰老、延长寿命的可能机制

衰老增加心血管疾病、糖尿病、癌症、神经退行性疾病等年龄相关性疾病的风险。CR是指在不发生营养不良的情况下将每日摄取的热量减少25%～40%。1939年首次发现CR可以显著延长大鼠寿命,随后大量研究均证实CR不仅能够延缓肿瘤生长[5],还能延缓果蝇、线虫、小鼠和非人灵长类动物的衰老进程[6-7]。首个评估CR在健康非肥胖人群中作用的CALERIE(Comprehensive Assessment of Long-term Effects of Reducing Intake of Energy)研究进一步揭示,CR能够显著降低此类人群的体质量、体脂量、总胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇、血压等心脏代谢危险因素[8]。这些里程碑式的发现将CR促进人类健康的探索推向新的高峰,CR逐渐成为延长寿命的有效策略。

在分子水平上,CR通过激活自噬、调控细胞生长及能量代谢相关信号通路延缓衰老。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)、胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)、腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine 5′-monophosphate-activated protein kinase,AMPK)等途径以及被称为“长寿蛋白”的Sirtuin(SIRT)在CR抗衰老过程中扮演重要角色[9]。AMPK是真核细胞的主要能量传感器,可与其他信号通路相互作用[10]。围绕秀丽隐杆线虫的研究验证了AMPK是CR抗衰老的重要媒介[11],在CR背景下,细胞缺乏热量摄入,单磷酸腺苷(AMP)/ATP比值增加,AMPK在肝激酶B1(liver kinase B1,LKB1)磷酸化作用下被激活,从而延长寿命。此外,AMPK水平升高时,胰岛素敏感性亦提高,促进骨骼肌对葡萄糖摄取,减少肝脏葡萄糖生成并增加脂肪酸氧化,从而减缓年龄相关性衰老[12]。CR还能抑制自噬抑制因子雷帕霉素激酶的活性,阻断能量传感途径中的关键分子mTOR复合体1(mTORC1)通路,阻断蛋白合成代谢,抑制细胞增殖[13]。CR还可直接或间接激活长寿蛋白SIRTs。SIRTs是由7种亚型(SIRT1～SIRT7)组成的调控因子家族,是烟酰胺腺嘌呤(NAD+)依赖性去乙酰化酶[14],在细胞和组织中定位丰富,故可通过调节能量代谢、修复受损DNA、抗氧化、抗炎等多种途径抵御衰老。其中SIRT1和SIRT2是颇具希望的长寿调节因子。SIRT1广泛参与脂肪酸氧化、应激耐受、胰岛素分泌和葡萄糖合成等生理活动;SIRT2是NAD+依赖性去组蛋白乙酰化酶,仅在NAD+存在时才能发挥作用[15]。早期研究发现,CR通过提高SIRT2活性延长酵母寿命[16]。SIRT1还可与AMPK通路协同作用,通过增加细胞中NAD+水平提高SIRT1活性,在LKB1介导下激活AMPK。尽管已有初步证据提出SIRTs与老龄化疾病相关,但它们发挥增寿作用的具体途径有待进一步挖掘。近年还有学者认为,SIRTs延长寿命的过程也有肠道菌群的参与。Kundu等[17]的研究显示,肠道菌群代谢产物丁酸盐水平与成纤维细胞生长因子21(fibroblast growth factor,FGF21)水平呈正相关,后者参与了SIRT1的激活。国内学者也发现,含糖酸乳杆菌能够激活SIRT1,进而抑制氧化应激,增加丁酸水平,激活胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide1,GLP-1)受体,从而增强SIRT1的表达[18]。现有动物和临床研究提示,机体接受一定程度CR后,肠道菌群的结构和功能可发生改变[19-20]。因此,肠道菌群有望成为CRMs延缓衰老的新靶点,但目前相关研究较少,需要进一步明确该结论。

2 阿卡波糖延缓衰老的基础与临床研究

与年龄相关的代谢变化包括肥胖、胰岛素抵抗、糖耐量受损和糖尿病等。早年,阿卡波糖领域备受关注的预防非胰岛素依赖型糖尿病研究(STOP-NIDDM)力证,与安慰剂组相比,阿卡波糖能够显著降低糖耐量受损人群的心血管疾病和新发高血压风险[21]。Yamamoto等[22]评估了阿卡波糖对大鼠年龄相关性代谢异常的影响,其将大鼠随机分为3组,第1组全程接受标准饮食并设为对照组,第2组在第12～28周接受含阿卡波糖的饮食(在标准饮食中加入阿卡波糖充分混合至最终浓度为150 mg阿卡波糖/100 g食物)后转为标准饮食喂养至72周(设为A12-28W组),第3组在第12～72周接受含阿卡波糖的饮食(设为A12-72W组)。实验结束时发现,对照组小鼠的空腹血糖和胰岛素浓度均随年龄增长而逐渐升高,然而直到实验结束时,A12-72W组的胰岛素浓度一直保持在12周龄水平,A12-28W组的胰岛素浓度则在52周龄后逐渐升高。对照组稳态模型评估的胰岛素抵抗指数(homeostasis assessment model for insulin resistance, HOMA-IR)随年龄增长而升高,但在A12-28W组中这种升高有所延迟,在A12-72W组中这种升高被抑制,提示阿卡波糖能通过维持胰岛素敏感性来预防糖耐量受损。此外,对照组小鼠胰腺重量和胰腺外分泌功能随年龄增长而下降,但A12-72W组在72周龄时的胰腺重量、胰蛋白酶原和脂肪酶含量均高于A12-28W组和对照组,提示阿卡波糖可预防年龄相关性胰腺萎缩,有效延缓糖尿病发生,收获了类似CR的效应。理论上,降低餐后血糖、使肿瘤微环境的葡萄糖供应受限可以延缓肿瘤发展。为验证该观点,中国台湾地区率先开展了大样本人群队列研究,发现与对照组相比,接受阿卡波糖治疗的新诊断糖尿病病人的结直肠癌风险降低了27%[23],且呈剂量依赖性。但部分小样本观察性研究的结论并不支持上述结论,推测样本量和选择偏倚是造成差异的原因。因此,阿卡波糖的获益可能被低估,需要开展高质量的多中心、前瞻性队列研究来提高研究结论的一致性。

3 阿卡波糖通过模拟CR延长寿命的机制

3.1 阿卡波糖通过干预能量代谢延长寿命 阿卡波糖竞争性抑制肠道α-葡萄糖苷酶和唾液、胰腺中α-淀粉酶的活性,延缓碳水化合物吸收,降低餐后血糖,该过程涉及能量利用,故阿卡波糖属于上游型CRMs。较早的动物实验曾指出,迅速升高的餐后血糖会缩短寿命、导致衰老[24-25]。有研究显示,将葡萄糖供能比从15%减到5%,并将蛋氨酸浓度维持在0.135%,可将黑腹果蝇的最大寿命从86 d延长至91 d,印证了控制碳水化合物在延缓衰老进程中的重要作用[26]。不少研究曾提出肥胖增加结肠癌风险[27],提示衰老与胰岛素抵抗密切相关。在Dodds等[28]开展的实验中,给家族性腺瘤性息肉病模型小鼠喂食低剂量阿卡波糖可使其中位生存期提高15.2%,其中最长寿小鼠的寿命增加了14.8%;喂食高剂量阿卡波糖可使其中位生存期提高21.4%,其中最长寿小鼠的寿命增加了14.9%。两种喂食剂量下小鼠的肠隐窝深度均减少,餐后血糖和胰岛素水平降低,提示胰岛素敏感性得以改善。但仅在高剂量组观察到小鼠息肉数量的减少和红细胞压积的增加,提示除了改善胰岛素敏感性外,高剂量阿卡波糖还可能通过某种抑制肿瘤生长的途径延长小鼠生存时间,值得深入研究。

3.2 阿卡波糖通过肠道菌群途径延长寿命 肠道菌群失调与多种年龄相关性病理改变有关,而短链脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)作为肠道菌群的重要代谢产物,能够对寿命产生积极影响。CR能够增加小鼠肠道有益菌的相对丰度,下调结肠中免疫和炎症相关基因的表达,有助于延缓衰老[29]。目前已明确的是,阿卡波糖可影响肠道微生物的结构及功能。由此推测,肠道菌群亦可能是阿卡波糖介导的寿命延长的靶点之一。Smith等[30]发现,阿卡波糖干预后小鼠的粪便中SCFAs浓度与其存活率呈正相关,且丁酸盐、醋酸盐和丙酸盐浓度可预测小鼠寿命。但从已报道的研究结果来看,不同国家、人群中阿卡波糖诱导的丁酸和乙酸水平变化不尽相同,故未来的研究需考虑到种族和人群的差异。

目前认为,影响寿命的因素主要有线粒体功能、细胞衰老、端粒长度和衰老相关基因的表达等。阿卡波糖调节肠道菌群的过程可能对上述因素均产生影响。有研究发现,老年突变小鼠线粒体超氧化物歧化酶2和裂变1基因表达水平下降,提示小鼠寿命较短、身体状况变差是线粒体功能障碍所致[31]。而肠道菌群发酵产生的乙酸和丁酸能改善氧化应激状态下B细胞的代谢和线粒体呼吸[32]。端粒长度及其缩短率是公认的老龄化指标,过量摄入糖类会缩短端粒长度,导致衰老[33],由于阿卡波糖可减少碳水化合物吸收,故可能减轻这种影响。此外,SCFAs的免疫调节和抗炎功效也可延长端粒长度。肠道菌群代谢物还能通过对SIRTs的调控影响寿命。研究发现,植物乳杆菌69-2联合半乳糖寡糖能激活AMPK/SIRT1信号通路,增加SIRT1表达,调整肠道菌群,进而缓解d-半乳糖诱导的小鼠衰老[34]。但阿卡波糖调节衰老相关基因、延长寿命的证据较少,这一领域还有诸多空白需要填补。

4 总结与展望

自发现CR能延长寿命以来,对CRMs的研究取得很大进展。CRMs通过调节细胞生长及能量代谢、激活自噬、调控长寿基因表达,模拟出类似CR的效应。在临床和基础研究中,阿卡波糖减少年龄相关性疾病风险,延缓衰老进程、肿瘤进展的作用已得到初步证实,故有望成为CRMs的候选药物,而它的肠道菌群调控机制也可能参与影响寿命。随着糖尿病患病人数的增加,使用阿卡波糖的人群日益庞大。作为深受东方饮食影响的中国人群,挖掘阿卡波糖降糖之外的功效具有重要意义。但也应当认识到,实验室中所得的结果尚未在人类研究中得到充分验证,将临床前研究结论转化应用到人类临床上的道路还很漫长。此外,二甲双胍和阿卡波糖在CR模拟方面取得的进展也推动了更多降糖药物进入到该研究领域,钠-葡萄糖转运蛋白2抑制剂和GLP-1受体激动剂均可因其自身独特多样的作用机制成为潜在的CRMs。由于衰老过程机制复杂,将来还可考虑将2种具备CRMs特征的药物联合使用,效果可能优于单药。但值得注意的是,临床中应谨慎选择适用人群,对于胰岛素储备低下或营养不良的病人,CRMs可能会使其健康状况恶化,应避免使用。综上,随着TAME研究序幕的拉开,期待更多药物进入到该领域,为促进人类健康、减少医疗支出提供帮助。