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文章来源：中华糖尿病杂志, 2024, 16(6): 707-711.
作者：杨毓洋 吴锦丹
单位：南京医科大学附属南京医院 南京市第一医院内分泌科
摘要
流行病学研究已经证明糖尿病和神经退行性疾病存在相关性，两者有相似的病理生理过程和分子途径。越来越多的证据表明，胰高糖素样肽-1受体激动剂（GLP-1RA）具有治疗神经退行性疾病的潜力，特别是糖尿病相关的认知功能障碍。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）是一种蛋白激酶，参与胰岛素途径、能量代谢、细胞增殖以及转录和翻译的调节。mTOR参与糖尿病和认知障碍的异常调节，并介导了GLP-1RA在治疗糖尿病中的作用。因此，mTOR可能是调节GLP-1RA改善糖尿病认知功能障碍的关键分子。该文就糖尿病相关认知功能障碍的发病机制、mTOR在认知功能障碍中的作用以及GLP-1RA通过mTOR改善认知功能障碍的研究现状进行综述，从而为糖尿病认知功能障碍的机制研究和早期防治提供新思路。
糖尿病是一种以慢性高血糖为特征的代谢性疾病。国际糖尿病联盟指出，2021年全球约有5.366亿成人患有糖尿病，预计到2045年，这一数字可能高达7.832亿，其中2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）占90%~95% ［ 1 ］ 。认知障碍和痴呆症是糖尿病常见的神经并发症 ［ 2 , 3 ］ 。由于糖尿病已被证实会增加认知障碍的风险，对糖尿病患者的早期治疗可能会减少认知缺陷的发生，延缓发展，从而提高患者的生活质量和预期寿命 ［ 4 ］ 。胰高糖素样肽-1受体激动剂（glucagon-like peptide-1 receptor agonist，GLP-1RA）是一种新型降糖药物，近年来许多研究发现GLP-1RA对糖尿病认知功能障碍具有保护作用。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）是连接衰老、寿命、能量平衡、糖脂代谢和神经退行性变的重要分子，是调节糖尿病及认知功能障碍之间共同的分子途径 ［ 5 ］ 。本文我们总结了糖尿病认知功能障碍的发病机制，mTOR信号通路在认知功能障碍中的作用，并探讨GLP-1RA通过mTOR改善认知功能的潜在机制。
一、mTOR信号通路与认知功能障碍
1. mTOR作用及信号通路：mTOR是一种高度保守的丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶，属于非典型蛋白激酶的磷脂酰肌醇激酶相关激酶蛋白家族。mTOR可以调控多种细胞功能，如蛋白质合成、能量代谢、脂质代谢、自噬、线粒体和溶酶体生物发生；mTOR还能通过调节信号通路影响神经系统的综合生理功能，包括神经元发育、突触可塑性和自噬。
mTOR通常存在于两种不同的蛋白质复合物中，分别为mTOR复合物1（mTOR complex 1，mTORC1）和mTOR复合物2（mTOR complex 2，mTORC2） ［ 6 ］ 。mTORC1由mTOR、mTOR调控相关蛋白（Raptor）、哺乳动物致死性sec-13蛋白8（mammalian lethal with Sec13 protein 8，mLST8）、富含脯氨酸的蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/Akt）底物40 kDa、含有mTOR相互作用蛋白的DEP结构域（DEP domain-containing mTOR interacting protein，Deptor）及端粒维持蛋白2/端粒维持蛋白2相互作用蛋白1（telomeric-repeat binding factor 2/Tel two interacting protein1，Tel2/Tti1）组成，其活性受到雷帕霉素的抑制，雷帕霉素通过与免疫亲免疫素FK506结合蛋白12（FK-506-binding protein 12，FKBP12）结合来阻断mTORC1的磷酸化 ［ 7 ］ 。生长因子和胰岛素通过磷脂酰肌醇-3-激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）、腺嘌呤核苷酸激活蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）信号通路刺激mTORC1激活促进下游靶点4E结合蛋白1及p70核糖体S6激酶的磷酸化参与基本的细胞过程，包括转录、翻译、蛋白质和脂质合成、细胞生长和细胞代谢。此外，mTORC1通过抑制unc-51样激酶1（Ulk1-unc-51 like kinase 1 gene，ULK1）和转录因子EB（transcription factor EB，TFEB）的活性来控制自噬 ［ 8 ］ 。
mTORC2由mTOR、雷帕霉素不敏感mTOR结合蛋白（rapamycin intensitive companion of mTOR，Rictor）、mLST8、Deptor、Tti1/Tel2复合物、哺乳动物应激激活蛋白激酶反应蛋白1和mTOR调节亚基组成 ［ 9 ］ 。mTORC2不能直接与FKBP12雷帕霉素复合物结合，对雷帕霉素具有耐药性。mTORC2的下游代表性效应源主要是蛋白激酶（protein kinase A，G，C，AGC）家族的成员，包括蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）和糖皮质激素诱导的蛋白激酶1（glucocorticoid induced protein kinase 1，SGK1） ［ 10 ］ 。mTORC2通SGK1磷酸化调节离子传输和生长，并激活PKC调控肌动蛋白的细胞骨架动力 ［ 11 ］ 。mTORC2信号传导是维持胰腺β细胞增殖和质量所需的。mTORC2信号的丧失导致胰岛素抵抗、氧化损伤和严重高血糖。
2. mTOR信号通路在认知功能障碍中的作用：既往对小鼠模型和人类的研究表明，mTOR信号通路的激活会促进β-淀粉样蛋白（amyloid β-protein，Aβ）异常聚集和Tau蛋白过度磷酸化。mTOR信号可以由Aβ的增加而激活，抑制mTOR信号则会降低Aβ的水平。mTOR是自噬过程中一个重要调控因子，控制Aβ的产生和清除。mTOR信号的激活引发自噬功能障碍增加了Aβ的聚集。由于自噬-溶酶体通路的中断，未成熟的自噬溶酶体产生自噬液泡，由Aβ斑块填充。mTOR信号的激活促进Tau高磷酸化。在糖尿病条件下，胰岛素信号传导障碍会过度激活mTOR信号，导致了Tau蛋白的异常磷酸化并增加神经纤维缠结的形成，从而促进阿尔茨海默病（Alzheimer′s Disease，AD）的发生 ［ 12 ］ 。mTOR还可以通过自噬调控Tau蛋白的降解和磷酸化。一些研究表明mTOR信号传导抑制可能导致认知障碍和突触功能障碍发生。在AD动物模型中，mTOR信号传导的缺失损害神经元突触可塑性，上调mTOR信号阻止了Aβ诱导的长时程增强（long-term potentiation，LTP）损害 ［ 13 ］ 。然而，相关实验表明，抑制mTOR对认知功能改善更有作用。Ding等 ［ 14 ］ 研究发现，在链脲佐菌素（streptozotocin，STZ）诱导的糖尿病小鼠中，雷帕霉素通过抑制mTOR上下游信号通路，逆转了Aβ的聚集和Tau高磷酸化，挽救了小鼠线粒体功能障碍和海马体神经元损伤，改善糖尿病相关的认知缺陷。
二、胰高糖素样肽-1与糖尿病认知功能障碍
胰高糖素样肽-1（glucagon-like peptide 1，GLP-1）是一种内源性肠促胰素，通过与GLP-1受体（glucagon-like peptide 1 receptor，GLP-1R）结合调控细胞代谢相关的生理过程。GLP-1具有葡萄糖依赖性，可通过刺激胰岛β细胞促进胰岛素分泌，抑制α细胞的胰高糖素分泌，延迟胃排空，抑制食欲，减少肠道营养物质吸收，改善脂质代谢，从而在高血糖状态下保持血糖稳态 ［ 15 ］ 。除了改善血糖代谢和调节稳态外，GLP-1也是大脑中的一种神经肽，已有研究证明GLP-1及其类似物在神经退行性病变中发挥神经保护作用 ［ 16 ］ 。GLP-1R主要表达在胰腺组织中，同时也广泛分布在与记忆学习相关的大脑区域，包括齿状回、海马、大脑皮层和神经胶质细胞，这些受体在神经元活动和突触传递中起重要作用 ［ 17 ］ 。
GLP-1RA是一种通过诱导GLP-1R活性来模拟肠促胰素，激活下游信号效应促进细胞生长和修复，调节血糖的新型降糖药物，如利拉鲁肽、度拉糖肽等。GLP-1RA可以避免被降解，在血液中达到较高的血药浓度。GLP-1RA也被证明在认知障碍中具有神经保护作用，改善了神经病理学特征和认知功能 ［ 18 ］ 。Zhang等 ［ 19 ］ 研究发现，与正常C57小鼠相比，STZ诱导的T2DM小鼠认知功能下降，而予利拉鲁肽治疗后可以促进小鼠自噬体和溶酶体的融合激活自噬流和改善了海马和突触超微结构的损伤，并减少了T2DM小鼠海马体中Aβ蛋白的积累，在T2DM型啮齿动物模型中对认知功能障碍有益。Zhou等 ［ 20 ］ 研究报道，度拉糖肽可以通过抑制糖原合酶激酶3β（glycogen synthase kinase 3 beta，GSK3-β）减少Tau和神经丝蛋白的高磷酸化，改善STZ诱导糖尿病小鼠的学习和记忆能力受损。
有大量证据表明，GLP-1RA在AD动物模型中具有神经保护作用，近年来多项临床试验测试了GLP-1RA对人类的神经保护作用。REWIND研究的探索性分析评估了基线状态和随访期间的蒙特利尔认知评估（Montreal cognitive assessment，MoCA）和数字符号替换试验得分，结果显示，与安慰剂组相比，度拉糖肽可减少14%的认知损害发生 ［ 21 ］ 。Cheng等 ［ 22 ］ 通过一项前瞻性、随机、三臂平行对照研究评估了3种降糖药物利拉鲁肽、达格列净、α-糖苷酶抑制剂阿卡波糖对T2DM患者脑功能和认知功能影响，研究干预治疗16周，治疗前后进行脑功能磁共振和认知评估［MoCA、简易精神状态量表（mini-mental state examination，MMSE）等］，结果显示，接受利拉鲁肽治疗的T2DM患者在气味诱导的左侧海马激活受损以及记忆延迟、注意力和执行功能的认知亚域有明显改善。Mone等 ［ 23 ］ 进行的一项比较恩格列净、二甲双胍和胰岛素对162例糖尿病和保留射血分数的心力衰竭的老年人认知功能影响的前瞻性研究，通过评估基线和治疗1个月后的MoCA分数证实了恩格列净对糖尿病患者认知功能的有益作用。
三、GLP-1RA通过mTOR信号通路改善糖尿病认知功能障碍的潜在机制
1. mTOR与突触可塑性：mTOR与认知和突触可塑性相关，适当的mTOR调节对于正常的大脑功能也是必要的。突触可塑性是指神经细胞之间连接的可调节强度。突触传播的LTP和长时程抑制（long-term depression，LTD）代表了学习和记忆背后的突触变化的主要实验模型 ［ 24 ］ 。巩固记忆需要mTORC1介导的翻译调控树突棘形态变化和mTORC2激活细胞骨架重构。研究表明，LTP和LTD的发生需要蛋白质的表达 ［ 25 ］ 。mTOR作为翻译途径的重要调控因子，对这些蛋白质合成介导的LTP和LTD的形成起着重要作用。mTOR的下游组件4EBP-1和S6K都和调节突触可塑性的蛋白质合成相关。
人们普遍认为，糖尿病会影响海马体的突触可塑性，而突触可塑性的破坏与认知障碍有关。Yin等 ［ 26 ］ 报道KK-Ay T2DM小鼠在莫里斯水迷宫测试中表现出认知缺陷，LTP明显受损。Lennox等 ［ 27 ］ 研究发现，在高脂肪喂养小鼠的海马体中，利司那肽治疗可以通过上调神经营养酪氨酸激酶受体2和mTOR表达，改善突触可塑性和LTP。同样，在一项GLP-1RA与二甲双胍联合治疗的研究中，GLP-1RA逆转小鼠长期高脂肪进食对海马CA1区域LTP的损害，调节小鼠的突触可塑性发挥神经保护作用，这一作用与海马体中mTOR信号有关 ［ 28 ］ 。
2. AMPK/mTOR信号通路与自噬：AMPK是一种关键能量酶，可调节细胞代谢，以保持能量稳态，以应对细胞内ATP水平的下降。AMPK与糖尿病等多种病理过程有关，如肥胖、衰老和神经退行性疾病 ［ 29 ］ 。自噬是一种细胞内的降解系统，它将细胞质成分传递给溶酶体，并通过自噬/溶酶体途径降解去除不必要的细胞成分。自噬体和溶酶体的融合是自噬完成的重要环节。有充分的证据表明，AMPK和mTOR通过磷酸化ULK是自噬的共同调节剂。在哺乳动物中，ATG13与ULK1、ULK2和fak家族的200 kDa相互作用蛋白（FIP200 protein，FIP200）结合可以激活ULK，使FIP200磷酸化，从而促进自噬小体的形成。在营养不良的条件下，AMPK磷酸化并激活ULK1和ATG13，同时抑制mTORC1以促进自噬。AMPK作为自噬的激活剂，它的激活延缓了mTOR在调节自噬状态上对AD的病理学进展。研究表明，AD大脑中的Aβ水平由自噬的整体功能状态决定，AMPK激活抑制mTOR信号活动，促进自噬发生，限制了Aβ的产生和促进Aβ的溶酶体降解 ［ 30 ］ 。
AMPK/mTOR信号通路的作用可能与GLP-1RA诱导自噬有关。Kong等 ［ 31 ］ 研究表明，与STZ诱导糖尿病小鼠相比，利拉鲁肽治疗后小鼠在水迷宫实验中表现更佳，并增强自噬微管相关蛋白1轻链3（microtubule-associated protein light chain 3Ⅱ，LC3-Ⅱ）和重组人自噬效应蛋白Beclin 1的表达，减少了p62的表达，促进了自噬液泡和LC3-Ⅱ聚集体的形成。研究者在体外高糖诱导海马体神经元细胞模型中，发现利拉鲁肽促进了p-AMPK表达并降低p-mTOR水平。同时，使用AMPK抑制剂Compound C抑制了AMPK/mTOR途径，也抑制了利拉鲁肽诱导自噬标记物的变化，表明利拉鲁肽可能是通过激活AMPK/mTOR途径诱导自噬改善认知功能。Palleria等 ［ 32 ］ 研究评估了STZ诱导的糖尿病大鼠模型中利拉鲁肽对海马神经变性的影响，结果显示，利拉鲁肽治疗提高了大鼠在发生认知异常后的p-AMPK水平，阻止AMPK/mTOR信号通路失活，减少了海马神经元死亡从而改善了糖尿病相关认知功能下降。
3. PI3K/Akt/mTOR信号通路：PI3K/Akt/mTOR信号通路在调节代谢中起核心作用。激活PI3K/Akt信号通路可以抑制凋亡级联，包括裂变酶信号，从而抑制炎症细胞因子的诱导。神经元中PI3K/Akt/mTOR信号的异常激活是AD大脑的早期发病机制，也是Aβ聚集的主要原因 ［ 33 ］ 。PI3K/Akt的激活作用于mTOR，增强Aβ的自噬和溶酶体降解，并限制了Tau的超磷酸化水平。mTOR与PI3K/Akt通路的耦合调节了Tau蛋白和GSK-3β的过磷酸化 ［ 34 ］ 。PI3K/Akt/mTOR信号或PI3K/Akt和mTOR之间的相互作用对AD病理学的发生和进展有关键影响。
GLP-1RA还可以通过PI3K/Akt信号通路激活胰岛素分泌，随后激活mTOR并抑制GSK-3β，调控Aβ的积聚、Tau蛋白磷酸化、神经纤维缠结的形成和减少神经元丢失 ［ 35 ］ 。Kimura等 ［ 36 ］ 报道，在甲基乙二醛对诱导的PC12细胞凋亡模型中，GLP-1通过PI3K/Akt/mTOR途径抑制GSK-3β活性和氧化应激，减少细胞凋亡发挥神经保护作用。在STZ诱导T2DM的Wistar大鼠模型中，可见大脑中PI3K/Akt/mTOR通路失调 ［ 37 ］ 。同样，Yang等 ［ 38 ］ 研究表明，接受利拉鲁肽治疗的GK大鼠认知功能增强。在利拉鲁肽治疗大鼠的海马体中PI3K/Akt信号通路被激活，p-mTOR水平降低，凋亡蛋白caspase-3和Bax的表达减少，这些提示，神经元损伤后GLP-1RA可能通过PI3K/Akt/mTOR通路改善认知功能障碍。
综上，认知功能障碍现在被认为是糖尿病的一种重要而常见的合并症。GLP-1RA在糖尿病认知功能障碍中表现出广泛的神经保护作用。许多研究都指向mTOR分子的激活与糖尿病认知功能障碍的发生存在联系。在对mTOR、糖尿病认知功能障碍和GLP-1RA之间关系的综述的基础上，我们推测mTOR在GLP-1RA改善糖尿病认知功能障碍中发挥作用。本文总结了mTOR信号通路在认知功能障碍中的作用及GLP-1RA通过mTOR途径改善糖尿病认知功能障碍的分子机制。GLP-1RA为T2DM患者认知功能障碍改善提供了一个很有前途的治疗靶点，但mTOR信号通路复杂繁多，我们需要更多的研究去探索mTOR介导GLP-1RA在认知障碍治疗中的作用机制，为拓宽GLP-1RA改善认知障碍的作用靶点及应用前景提供更多科学依据。
利益冲突 所有作者声明无利益冲突
参考文献略
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