阿卡波糖通過模擬熱量限制延緩衰老:降糖之外的驚喜

劉元君 吳怡 金麗娟

增齡是眾多慢性疾病發生發展的推動因素。隨著人口老齡化進程的加速,T2DM、癌癥等年齡相關性疾病的發病率迅猛增長,嚴重威脅人類健康。大量研究已證實,熱量限制(calori restriction,CR)能夠通過多種途徑改善代謝紊亂、延緩衰老、延長壽命[1]。然而,CR存在長期實施困難、依從性差等問題,故能夠模擬出具有CR益處而無需限制飲食的藥物,即熱量限制模擬劑(calorie restriction mimetics,CRMs)成為研究熱點。CRMs概念的提出始于20余年前對2-脫氧 d -葡萄糖的研究。隨著認識的深入,已陸續發現多種CRMs,包括抑制能量代謝的上游型CRMs和作用于細胞內信號系統的下游型CRMs,代表藥物有白藜蘆醇、雷帕霉素等[2-3]。糖尿病作為一種復雜的代謝紊亂性疾病,對預期壽命產生不良影響。令人驚喜的是,一些抗糖尿病藥物顯示出了模擬CR的潛力,其中研究較為充分的是二甲雙胍,它在許多抗衰老基礎研究中被證實可延長壽命[4],并在2015年被美國食品和藥品監督管理局批準用于二甲雙胍靶向衰老治療(Targeting Aging With Metformin, TAME)研究。另一種廣泛使用的降糖藥物——阿卡波糖已被報道可通過不同途徑抑制腫瘤生長、延長壽命。本文主要從CR模擬角度探討阿卡波糖延緩衰老的可能機制,為其助力人類健康提供初步理論依據。

1 CR延緩衰老、延長壽命的可能機制

衰老增加心血管疾病、糖尿病、癌癥、神經退行性疾病等年齡相關性疾病的風險。CR是指在不發生營養不良的情況下將每日攝取的熱量減少25%～40%。1939年首次發現CR可以顯著延長大鼠壽命,隨后大量研究均證實CR不僅能夠延緩腫瘤生長[5],還能延緩果蠅、線蟲、小鼠和非人靈長類動物的衰老進程[6-7]。首個評估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)研究進一步揭示,CR能夠顯著降低此類人群的體質量、體脂量、總膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇、血壓等心臟代謝危險因素[8]。這些里程碑式的發現將CR促進人類健康的探索推向新的高峰,CR逐漸成為延長壽命的有效策略。

在分子水平上,CR通過激活自噬、調控細胞生長及能量代謝相關信號通路延緩衰老。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)、胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)、腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine 5′-monophosphate-activated protein kinase,AMPK)等途徑以及被稱為“長壽蛋白”的Sirtuin(SIRT)在CR抗衰老過程中扮演重要角色[9]。AMPK是真核細胞的主要能量傳感器,可與其他信號通路相互作用[10]。圍繞秀麗隱桿線蟲的研究驗證了AMPK是CR抗衰老的重要媒介[11],在CR背景下,細胞缺乏熱量攝入,單磷酸腺苷(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,從而延長壽命。此外,AMPK水平升高時,胰島素敏感性亦提高,促進骨骼肌對葡萄糖攝取,減少肝臟葡萄糖生成并增加脂肪酸氧化,從而減緩年齡相關性衰老[12]。CR還能抑制自噬抑制因子雷帕霉素激酶的活性,阻斷能量傳感途徑中的關鍵分子mTOR復合體1(mTORC1)通路,阻斷蛋白合成代謝,抑制細胞增殖[13]。CR還可直接或間接激活長壽蛋白SIRTs。SIRTs是由7種亞型(SIRT1～SIRT7)組成的調控因子家族,是煙酰胺腺嘌呤(NAD+)依賴性去乙?；竅14],在細胞和組織中定位豐富,故可通過調節能量代謝、修復受損DNA、抗氧化、抗炎等多種途徑抵御衰老。其中SIRT1和SIRT2是頗具希望的長壽調節因子。SIRT1廣泛參與脂肪酸氧化、應激耐受、胰島素分泌和葡萄糖合成等生理活動;SIRT2是NAD+依賴性去組蛋白乙?；?僅在NAD+存在時才能發揮作用[15]。早期研究發現,CR通過提高SIRT2活性延長酵母壽命[16]。SIRT1還可與AMPK通路協同作用,通過增加細胞中NAD+水平提高SIRT1活性,在LKB1介導下激活AMPK。盡管已有初步證據提出SIRTs與老齡化疾病相關,但它們發揮增壽作用的具體途徑有待進一步挖掘。近年還有學者認為,SIRTs延長壽命的過程也有腸道菌群的參與。Kundu等[17]的研究顯示,腸道菌群代謝產物丁酸鹽水平與成纖維細胞生長因子21(fibroblast growth factor,FGF21)水平呈正相關,后者參與了SIRT1的激活。國內學者也發現,含糖酸乳桿菌能夠激活SIRT1,進而抑制氧化應激,增加丁酸水平,激活胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide1,GLP-1)受體,從而增強SIRT1的表達[18]?，F有動物和臨床研究提示,機體接受一定程度CR后,腸道菌群的結構和功能可發生改變[19-20]。因此,腸道菌群有望成為CRMs延緩衰老的新靶點,但目前相關研究較少,需要進一步明確該結論。

2 阿卡波糖延緩衰老的基礎與臨床研究

與年齡相關的代謝變化包括肥胖、胰島素抵抗、糖耐量受損和糖尿病等。早年,阿卡波糖領域備受關注的預防非胰島素依賴型糖尿病研究(STOP-NIDDM)力證,與安慰劑組相比,阿卡波糖能夠顯著降低糖耐量受損人群的心血管疾病和新發高血壓風險[21]。Yamamoto等[22]評估了阿卡波糖對大鼠年齡相關性代謝異常的影響,其將大鼠隨機分為3組,第1組全程接受標準飲食并設為對照組,第2組在第12～28周接受含阿卡波糖的飲食(在標準飲食中加入阿卡波糖充分混合至最終濃度為150 mg阿卡波糖/100 g食物)后轉為標準飲食喂養至72周(設為A12-28W組),第3組在第12～72周接受含阿卡波糖的飲食(設為A12-72W組)。實驗結束時發現,對照組小鼠的空腹血糖和胰島素濃度均隨年齡增長而逐漸升高,然而直到實驗結束時,A12-72W組的胰島素濃度一直保持在12周齡水平,A12-28W組的胰島素濃度則在52周齡后逐漸升高。對照組穩態模型評估的胰島素抵抗指數(homeostasis assessment model for insulin resistance, HOMA-IR)隨年齡增長而升高,但在A12-28W組中這種升高有所延遲,在A12-72W組中這種升高被抑制,提示阿卡波糖能通過維持胰島素敏感性來預防糖耐量受損。此外,對照組小鼠胰腺重量和胰腺外分泌功能隨年齡增長而下降,但A12-72W組在72周齡時的胰腺重量、胰蛋白酶原和脂肪酶含量均高于A12-28W組和對照組,提示阿卡波糖可預防年齡相關性胰腺萎縮,有效延緩糖尿病發生,收獲了類似CR的效應。理論上,降低餐后血糖、使腫瘤微環境的葡萄糖供應受限可以延緩腫瘤發展。為驗證該觀點,中國臺灣地區率先開展了大樣本人群隊列研究,發現與對照組相比,接受阿卡波糖治療的新診斷糖尿病病人的結直腸癌風險降低了27%[23],且呈劑量依賴性。但部分小樣本觀察性研究的結論并不支持上述結論,推測樣本量和選擇偏倚是造成差異的原因。因此,阿卡波糖的獲益可能被低估,需要開展高質量的多中心、前瞻性隊列研究來提高研究結論的一致性。

3 阿卡波糖通過模擬CR延長壽命的機制

3.1 阿卡波糖通過干預能量代謝延長壽命 阿卡波糖競爭性抑制腸道α-葡萄糖苷酶和唾液、胰腺中α-淀粉酶的活性,延緩碳水化合物吸收,降低餐后血糖,該過程涉及能量利用,故阿卡波糖屬于上游型CRMs。較早的動物實驗曾指出,迅速升高的餐后血糖會縮短壽命、導致衰老[24-25]。有研究顯示,將葡萄糖供能比從15%減到5%,并將蛋氨酸濃度維持在0.135%,可將黑腹果蠅的最大壽命從86 d延長至91 d,印證了控制碳水化合物在延緩衰老進程中的重要作用[26]。不少研究曾提出肥胖增加結腸癌風險[27],提示衰老與胰島素抵抗密切相關。在Dodds等[28]開展的實驗中,給家族性腺瘤性息肉病模型小鼠喂食低劑量阿卡波糖可使其中位生存期提高15.2%,其中最長壽小鼠的壽命增加了14.8%;喂食高劑量阿卡波糖可使其中位生存期提高21.4%,其中最長壽小鼠的壽命增加了14.9%。兩種喂食劑量下小鼠的腸隱窩深度均減少,餐后血糖和胰島素水平降低,提示胰島素敏感性得以改善。但僅在高劑量組觀察到小鼠息肉數量的減少和紅細胞壓積的增加,提示除了改善胰島素敏感性外,高劑量阿卡波糖還可能通過某種抑制腫瘤生長的途徑延長小鼠生存時間,值得深入研究。

3.2 阿卡波糖通過腸道菌群途徑延長壽命 腸道菌群失調與多種年齡相關性病理改變有關,而短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)作為腸道菌群的重要代謝產物,能夠對壽命產生積極影響。CR能夠增加小鼠腸道有益菌的相對豐度,下調結腸中免疫和炎癥相關基因的表達,有助于延緩衰老[29]。目前已明確的是,阿卡波糖可影響腸道微生物的結構及功能。由此推測,腸道菌群亦可能是阿卡波糖介導的壽命延長的靶點之一。Smith等[30]發現,阿卡波糖干預后小鼠的糞便中SCFAs濃度與其存活率呈正相關,且丁酸鹽、醋酸鹽和丙酸鹽濃度可預測小鼠壽命。但從已報道的研究結果來看,不同國家、人群中阿卡波糖誘導的丁酸和乙酸水平變化不盡相同,故未來的研究需考慮到種族和人群的差異。

目前認為,影響壽命的因素主要有線粒體功能、細胞衰老、端粒長度和衰老相關基因的表達等。阿卡波糖調節腸道菌群的過程可能對上述因素均產生影響。有研究發現,老年突變小鼠線粒體超氧化物歧化酶2和裂變1基因表達水平下降,提示小鼠壽命較短、身體狀況變差是線粒體功能障礙所致[31]。而腸道菌群發酵產生的乙酸和丁酸能改善氧化應激狀態下B細胞的代謝和線粒體呼吸[32]。端粒長度及其縮短率是公認的老齡化指標,過量攝入糖類會縮短端粒長度,導致衰老[33],由于阿卡波糖可減少碳水化合物吸收,故可能減輕這種影響。此外,SCFAs的免疫調節和抗炎功效也可延長端粒長度。腸道菌群代謝物還能通過對SIRTs的調控影響壽命。研究發現,植物乳桿菌69-2聯合半乳糖寡糖能激活AMPK/SIRT1信號通路,增加SIRT1表達,調整腸道菌群,進而緩解d-半乳糖誘導的小鼠衰老[34]。但阿卡波糖調節衰老相關基因、延長壽命的證據較少,這一領域還有諸多空白需要填補。

4 總結與展望

自發現CR能延長壽命以來,對CRMs的研究取得很大進展。CRMs通過調節細胞生長及能量代謝、激活自噬、調控長壽基因表達,模擬出類似CR的效應。在臨床和基礎研究中,阿卡波糖減少年齡相關性疾病風險,延緩衰老進程、腫瘤進展的作用已得到初步證實,故有望成為CRMs的候選藥物,而它的腸道菌群調控機制也可能參與影響壽命。隨著糖尿病患病人數的增加,使用阿卡波糖的人群日益龐大。作為深受東方飲食影響的中國人群,挖掘阿卡波糖降糖之外的功效具有重要意義。但也應當認識到,實驗室中所得的結果尚未在人類研究中得到充分驗證,將臨床前研究結論轉化應用到人類臨床上的道路還很漫長。此外,二甲雙胍和阿卡波糖在CR模擬方面取得的進展也推動了更多降糖藥物進入到該研究領域,鈉-葡萄糖轉運蛋白2抑制劑和GLP-1受體激動劑均可因其自身獨特多樣的作用機制成為潛在的CRMs。由于衰老過程機制復雜,將來還可考慮將2種具備CRMs特征的藥物聯合使用,效果可能優于單藥。但值得注意的是,臨床中應謹慎選擇適用人群,對于胰島素儲備低下或營養不良的病人,CRMs可能會使其健康狀況惡化,應避免使用。綜上,隨著TAME研究序幕的拉開,期待更多藥物進入到該領域,為促進人類健康、減少醫療支出提供幫助。