2型糖尿病（Type 2 Diabetes Mellitus, T2DM）发病率的不断攀升，已将其推至全球医疗保健系统关注的焦点之列。T2DM主要特征为胰岛素抵抗、胰岛β细胞功能受损及胰岛β细胞衰老现象的显著加剧。而通过有效清除衰老的β细胞，能够显著提升机体的葡萄糖反应性，并有效降低血糖浓度。运动作为T2DM治疗与预防策略中的关键环节，其重要性已得到广泛认可。现有研究证实，运动具有缓解多种细胞衰老进程的积极作用。鉴于衰老与T2DM之间存在着紧密且强烈的关联性，研究者推测运动在治疗T2DM方面所展现的益处，可能部分归因于其改善胰岛β细胞衰老状态的能力。
2024年9月24日，哈佛医学院乔斯林糖尿病中心 Cristina Aguayo-Mazzucato教授在Nature Metabolism（IF2023=18.9分）期刊上发表了题为“Exercise activates AMPK in mouse and human pancreatic islets to decrease senescence”的研究论文。该研究通过多种动物和人体细胞模型，揭示了跑步这类短期耐力运动能够提升血清胰高血糖素水平，激活胰岛β细胞中AMPK信号，减轻胰岛β细胞衰老。
研究人员首先利用高脂饮食及胰岛素受体拮抗剂S961成功构建了两种胰岛素抵抗模型，旨在探究运动训练对胰岛功能及胰岛衰老的潜在影响。随后，他们通过深入分析胰岛组织的转录组特征以及运动后血清成分的变化，发现运动能够显著提升血清中胰高血糖素的水平，并进一步激活胰岛内部的AMPK信号通路，从而有效减缓β细胞的衰老进程。最终，在人胰岛的培养实验中，也取得了相一致的结果，再次有力证明了运动训练在改善胰岛衰老方面的显著效果。
研究人员通过利用高脂饮食以及胰岛素受体拮抗剂S961构建了两种小鼠胰岛素抵抗（IR）模型，并在这些模型中验证了一个重要发现：运动能够有效恢复胰岛素抵抗小鼠的葡萄糖敏感性及胰岛素分泌能力（GSIS）。更为重要的是，运动显著减少了胰岛β细胞中的衰老标志物，具体表现为β-gal+细胞数量的下降，以及p21Cip1和p16Ink4a基因表达水平的降低。这一初步研究成果表明，运动训练对于减缓胰岛β细胞的衰老过程具有积极作用。（Fig.1）![]()
Fig. 1 运动训练可以减少小鼠胰岛β细胞衰老
为评估运动训练对胰岛β细胞衰老的影响，是通过阻止新细胞进入衰老状态还是减少已存在的衰老细胞数量来实现的。在构建IR模型之前（预防组）或之后（逆转组）分别实施了运动训练。研究结果显示，预防组通过抑制基础胰岛素的分泌，有效保护了葡萄糖刺激下的胰岛素分泌（GSIS），并下调了早期衰老标志物p21Cip1的表达水平。相比之下，逆转组小鼠的胰岛功能无显著变化。此外，逆转组中早期衰老标志物β-gal的活性和p21Cip1的表达水平也未发生明显变化，晚期衰老标志物p16Ink4a的表达水平有所降低。这些结果共同表明，预防胰岛β细胞的衰老相较于逆转其衰老状态而言，可能具有更为重要的意义。（Fig.2）Fig. 2 运动训练对预防β细胞衰老的效果比逆转已存在的β细胞衰老更为重要
研究者深入探究了运动训练改善胰岛β细胞衰老的作用机制，并发现运动组小鼠的胰岛中AMPK（腺苷酸活化蛋白激酶）的表达水平显著上调。为进一步研究运动后AMPK的激活是否能有效减缓β细胞的衰老过程，研究人员在小鼠和人的胰岛细胞中添加了AMPK激活物C991进行为期2天的培养。结果显示，C991处理显著减少了人胰岛中β-gal+细胞的数量，并降低了p21Cip1基因的表达水平；同时，在小鼠胰岛中，p21Cip1和p16Ink4a的表达水平也均有所下降。这些发现有力地证明了AMPK在运动训练减轻胰岛衰老的过程中扮演着至关重要的角色。（Fig.3）为了探究运动是否通过诱导产生的循环因子来激活AMPK，研究人员收集了运动训练后小鼠的血清，并用这些血清来培养处于久坐状态的小鼠的胰岛。结果发现，运动后小鼠的血清显著降低久坐小鼠胰岛中p21Cip1基因的表达水平。进一步通过对转录组数据的通路分析发现，运动训练后胰岛中胰高血糖素信号通路及其受体基因的上调幅度最为显著，这提示胰高血糖素可能作为一种AMPK的激活剂在发挥作用。深入探究胰高血糖素对AMPK以及细胞衰老的具体影响，研究者使用胰高血糖素对小鼠和人类胰岛进行了培养实验。结果显示，胰高血糖素不仅能够激活AMPK的表达，还能有效减少胰岛中衰老标志物的数量。（Fig.4）Fig.4 运动诱导的胰高血糖素增加激活小鼠和人胰岛中的AMPK
胰高血糖素受体GCGR和GLP-1激活AMPK并减少胰岛衰老
研究者进一步探究了其他潜在因素对胰岛衰老的影响，发现运动后的24小时内，血清中的胰高血糖素样肽-1（GLP-1）和胰高血糖素均维持在较高水平。为了明确这两种物质的具体作用，研究者分别使用了它们的受体激动剂和拮抗剂来培养胰岛细胞。实验结果显示，无论是GCGR还是GLP-1受体，其激活均能有效促进AMPK的活化，并延缓胰岛的衰老过程。基于这些发现，研究者将后续的研究重心放在胰高血糖素信号通路上，以更深入地探索其机制。（Fig.5）![]()
Fig.5 GLP-1R和胰高血糖素受体GCGR激活AMPK，延缓胰岛衰老
研究者在动物实验中验证了AMPK激活对胰高血糖素的依赖性。当使用GCGR拮抗剂干预后，运动小鼠胰岛中的AMPK通路激活被有效阻断，同时衰老标志物的表达显著增加。为了进一步确认这一发现，研究者还利用慢病毒技术构建了胰岛GCGR表达下调的小鼠模型。实验结果显示，GCGR表达的降低会导致运动训练原本能够引起的p16Ink4a减少的作用明显减弱。这一结果表明，胰岛中GCGR的表达是运动训练调节衰老标志物所不可或缺的关键因素。（Fig.6）![]()
Fig.6 GCGR下调会部分损害运动训练效果
为深入探究胰高血糖素诱导AMPK激活从而降低胰岛衰老标志物的下游机制，研究者对胰岛组织进行检测发现，运动促进AMPK激活的同时，还伴随着NRF2（核因子E2相关因子2）蛋白水平的上升以及核易位的增强。为了进一步明确NRF2在调控胰岛衰老中的具体作用，研究者利用小干扰RNA技术，成功降低了胰岛中NRF2的表达。这一操作导致p16Ink4a的表达量增加，并且减弱了胰高血糖素以及训练后血清培养对胰岛中p21Cip1表达降低的作用。这些结果表明，胰高血糖素诱导AMPK激活以减少胰岛衰老标志物的效应，与NRF2核易位的增强密切相关。（Fig.7）![]()
Fig.7 运动训练促进NRF2的核易位
为探究运动训练对于人类胰岛衰老的改善作用，作者收集了来自5名2型糖尿病患者运动后的血清样本。检测结果显示，这些患者在运动后血清中的胰高血糖素水平显著上升。进一步将该血清与人胰岛细胞进行培养，发现AMPK的表达得到了上调，而衰老标志物p21CIP1和p16INK4A的表达则有所降低。相关性分析揭示了一个有趣的现象：在训练期间，糖基化血红蛋白的变化与p21CIP1和p16INK4A的变化呈现出正相关关系，而胰高血糖素水平与衰老标志物的变化则呈负相关。此外，研究还发现，非T2DM志愿者在运动后的血清同样能够激活人胰岛中的AMPK，但对p21CIP1的表达并未产生显著影响。（Fig.8）![]()
Fig.8 运动训练后血清减少人类胰岛中的衰老标志物
本研究证实了运动训练能够有效提升血清中胰高血糖素的水平，进而激活胰岛组织中的AMPK信号通路，这一机制有助于降低衰老标志物（如β-gal+细胞、p21CIP1和p16INK4A）的表达，从而减缓胰岛β细胞的衰老过程。该研究在理论上具有创新性，它指出适度的运动不仅能够增强我们的心血管健康，还能在细胞层面发挥积极作用，延缓胰岛β细胞的衰老。这一发现为2型糖尿病（T2DM）的治疗提供了全新的视角和思路，预示着未来有望开发出以运动为基础的治疗策略，以对抗胰岛β细胞的衰老，并阻止T2DM的病情进展。本研究虽已取得一定成果，但仍存在若干方面有待深化和完善：首先，在细胞实验层面，本研究采用的是完整的胰岛组织，验证了运动后血清对胰岛β细胞衰老的改善作用。然而，若能进一步从胰岛中分离出单一的β细胞，并单独评估运动训练后血清对这些细胞的抗衰老效果，实验结果可能会更具说服力和针对性。其次，在验证NRF2发生核易位的环节，当前的染色结果图中，NRF2的核易位情况展示得不够清晰明确。为了获得更为准确和完善的结果，建议进一步提取细胞核，进行NRF2蛋白的专门分析。
10.1038/s42255-024-01130-8编辑：李婷 排版：吴佩仪 审核：曾庆炜
