胰島素抵抗機制及其營養干預作用研究

孫智媛，谷雪玲，范志勇*

(1.湖南農業大學 動物科學技術學院，湖南 長沙410128；2.湖南省畜禽安全生產協同創新中心，湖南 長沙 410128；3. 湖南家禽安全生產工程技術研究中心，湖南 長沙 410128；4. 飼料安全與高效利用教育部工程研究中心，湖南 長沙 410128)

胰島素抵抗(Insulin resistance, IR)是指組織對胰島素(Insulin，INS)的敏感性下降，機體葡萄糖攝取和處理能力下降，從而需要高水平INS來控制血糖的狀態。發生IR后，機體正常的血糖代謝和脂質代謝功能容易出現異常，并易引發炎癥反應和氧化應激[1-2]。IR主要發生部位為骨骼肌、肝臟和脂肪，是非酒精性脂肪肝、肥胖癥、Ⅱ型糖尿病(Type 2 diabetes, T2D)、高血壓等的常見并發癥。鑒于此，本文綜述了有關IR作用機制、營養干預研究的文獻資料，圍繞幾種誘導畜禽IR的影響因素進行闡述，探討IR的病理后果，以及可緩解IR的有效營養物質。

1 IR的誘發因素

1.1 氧化還原狀態與IR

IR與氧化應激具有正反饋關系，氧化應激是導致胰島素敏感性降低的主要原因。Chaudhuri等[3]利用脂肪細胞氧化應激模型，通過抑制谷胱甘肽(Glutathione, GSH)和硫氧還蛋白(Thioredoxin, Trx)的循環，測定了細胞在不同時刻對葡萄糖類似物2-脫氧-D-葡萄糖(2-deoxy-D-glucose,2-DG)的攝取量，證實了細胞INS敏感性與應激的關聯性，其結果表明氧化應激狀態下，細胞INS敏感性下降，這提示氧化應激可導致IR的發生。氧化應激會造成體內活性氧自由基(Reactive oxygen species, ROS)大量產生，過量的ROS可通過激活炎癥小體介導的免疫反應，進而誘發IR[4]。研究發現，Cys/CySS Eh變化會導致核因子E-2-相關因子2(Nuclear Faetor-E2-related factor 2, Nrf2)表達發生改變，造成培養基中細胞對葡萄糖攝取能力下降[5]。進一步研究證明，氧化應激誘導IR加劇可能與胰島素受體(Insulin receptor, INSR)和蛋白激酶B(Protein kinase B, Akt)的磷酸化受到抑制有關[6]。這說明，氧化應激損傷可能是導致葡萄糖吸收力及血糖穩定性降低的重要因素。

1.2 體脂代謝與IR

體脂代謝紊亂與脂肪組織分泌脂肪因子密切相關，脂肪因子可通過分泌神經酰胺(Ceramide, Cer)和fet-A代謝產物或直接影響IRS磷酸化途徑誘導IR發生。在動物妊娠和育肥過程中易出現肥胖和脂肪組織代謝異?，F象，脂肪細胞大量聚集促進了游離脂肪酸(free fat acid, FFA)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、白介素-6(interleukin-6, IL-6)及視黃醇結合蛋白4(retinol-binding protein 4, RBP4)等脂肪因子的分泌[7]，導致胰島素敏感性降低并且引起組織慢性炎癥[8]。研究表明，FFA可以通過促進Cer的分泌[9]，影響肌肉對胰島素的敏感性[10]。在短期模式下，FFA可通過激活蛋白磷酸酶(Protein phosphatase type 2A, PP2A)和蛋白激酶C ζ(Protein kinase C ζ, PKCζ)使Akt失活，降低胰島素敏感性，而在長期模式下，Cer通過PKR/JNK或Prep1-p160通路影響IRS1活性。此外，，FFA可以通過促進胎球蛋白A(Fetuin-A, Fet-A)表達，激活Toll樣受體4(Toll-like receptor-4, TLR4)介導的炎癥反應，影響胰島素信號的轉導[11]。

脂肪細胞分泌的TNF-α、IL-6及RBP4作用于c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase, JNK)和誘導激酶/IκB激酶途徑(NF-kB-inducing kinase / I-Kappa-B kinase, NIK/IKK)，通過抑制絲氨酸激酶活性和IRS1磷酸化，降低體內葡萄糖攝取量，最終導致機體發生IR[10-13]。以上脂肪因子的作用機制如下：(1)脂肪組織中TNF-α會抑制胰島素受體(Insulin receptor, INSR)活性，使IRS1酪氨酸磷酸化減弱，這可能與TNF-α誘導的骨骼肌胰島素抵抗的發展有關[14]；(2)脂肪細胞中的IL-6發揮促炎的作用，抑制葡萄糖轉運蛋白4(Glucose transporter 4，GLUT4)和IRS1表達，進而減弱胰島素信號轉導功能[15]。

1.3 碳水化合物代謝與IR

碳水化合物可通過Akt信號通路，調節胰島素信號轉導，從而誘導IR。研究表明，日糧中長期添加過高的果糖不僅不會顯著提高飼料攝入量[16]，還會通過抑制Akt激酶磷酸化和糖皮質激素釋放抑制胰島素信號的傳導[17]。Yuruk等[18]進一步指出，游離果糖與結合果糖相比更能促進慢性疾病的發生，使得胰島素信號抑制。Liu等[19]研究發現，高糖高脂會顯著降低小型豬胰島素敏感性(24.8%)和骨骼肌中PI3K/Akt信號通路中p-Akt(S473)和GLUT4表達水平，提高胰島素抵抗指數(HOMA Insulin resistance index, HOMA-IR)(2.9倍)。Hsu等[20]研究發現，高水平脂質攝入會誘導豬血脂異常、葡萄糖耐受不良以及骨骼肌胰島素抵抗現象出現。

1.4 腸道微生物與IR

目前，越來越多的研究表明，腸道微生物及其代謝產物與IR的發生有關。革蘭氏陰性菌為腸道中常見的微生物，其細胞壁內的脂多糖(Lipopolysaccharide, LPS)是誘發IR的主要因素。Saad等[21]發現，腸道中過量的LPS促使腸道通透性增加，繼而發生LPS易位以及與TLR4識別結合，激活髓樣分化因子(Myeloiddifferentiationfactor88, MyD88)及其下游的腫瘤壞死因子受體相關因子6(TNF receptor-associated factor 6, TRAF6)、轉化生長因子激酶1(TGF beta-Activated Kinase 1, TAK1)和JNK-IKK復合物，誘導胰島素受體底物(Insulin receptor substrate, IRS)絲氨酸磷酸化，最終引發IR。腸道微生物的代謝產物如短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFA)一方面可以通過預防或減少脂肪的異位沉積、提高骨骼肌氧化能力來預防IR[22]；另一方面，SCFA可以通過抑制核因子κB(Nuclear factor kappa-B, NF-κB)以活化宿主的免疫細胞，刺激短鏈脂肪酸受體43和41(G protein-coupled receptor43, GPR43和G protein-coupled receptor41, GPR41)改善醋酸鹽誘導的抗炎反應[23]，從而改善IR。

2 IR發生對畜禽健康的影響

2.1 IR對母豬繁殖性能的影響

IR會促使妊娠后期和早期哺乳期的母豬胰島素敏感性逐漸下降，加劇圍產期母豬代謝紊亂和脂肪沉積，不利于繁殖性能的提高。Cheng等[24]研究發現妊娠后期母豬背膘過厚和腸道菌群失衡導致腸道通透性增加，加劇了胰島素抵抗，減少了活仔數和產仔重量，對母豬生產性能有著顯著影響。Xu等[25]提到妊娠期胰島素敏感性下降可能導致母豬飼料攝入量減少，從而直接影響到母豬的整體生產力。Miller等[26]通過對比懷孕母豬和未懷孕母豬的蛋白質沉積水平發現，母豬在妊娠后期蛋白質沉積率會顯著降低，并推測這與外周組織中雌激素刺激產生的IR及葡萄糖代謝紊亂有關。

2.2 IR對機體免疫功能的影響

Pan等[27]研究發現，高脂飼喂的西藏小型豬表現出IR后，其非特異性免疫機制受到影響，表現為C反應蛋白(C-reactive protein, CRP)水平顯著增加。此外，妊娠母體發生IR后可使體液免疫指標CRP濃度顯著增加[28]。Backman等[29]研究發現，糖尿病豬Akt信號激活受到影響，抑制TLR介導的PI3K-Akt-mTOR信號傳導途徑，從而影響先天性免疫穩態。Marin-juez等[30]通過向斑馬魚注射高濃度INS誘發其發生IR，與免疫系統相關差異表達基因(Differentially expressed genes, DEGs)轉錄水平顯著下降，在基因水平上證明了IR對免疫系統的普遍抑制。這說明，IR通過影響CRP水平和TLR介導的免疫通路影響機體的免疫穩態。

2.3 引發其他代謝綜合征

IR會增加動物患高血糖伴高血脂癥、高胰島素血癥和糖耐量異常等代謝綜合征的幾率[31-32]，是多種代謝類疾病的病理學基礎。許多患T2D的前期個體已經存在IR及糖脂代謝功能障礙，且會隨著病情嚴重程度增加而增強[33-34]。IR是奶牛脂肪肝的病理學基礎，可引起高非酯化脂肪酸血癥、高酮血癥等能量代謝性疾病[35]，給奶牛場帶來一定經濟損失。王朋賢等[36]也證明了奶牛IR導致的葡萄糖利用障礙和奶牛酮病存在一定的關聯性。

3 營養干預對IR的緩解效應

3.1 膳食纖維對IR的緩解效應

膳食纖維是一類不能被內源性消化酶消化吸收的多糖類物質，以其低能量、促進腸胃健康和減少血糖血脂的作用被人熟知[37]。在日糧中補充膳食纖維，可以促進盲腸和結腸末菌群端產生SCFA[38-39]，保護腸道屏障，改善母豬胰島素敏感性并降低氧化應激[25]。Wu等[40]研究發現，給豬飼喂5%菊粉(Inulin, INU)或微晶纖維素(Microcrystalline cellulose, MCC)60 d可以顯著降低空腹胰高血糖素，提高胰島素敏感性，同時，MCC還增加了結腸處SCFA。膳食纖維還可以通過提高白介素因子水平改善IR。Torquati等[41]研究發現膳食纖維攝入量與白介素-22(Interleukin-22, IL-22)水平呈顯著正相關，而IL-22可以緩解炎癥反應并提高胰島素敏感性，從而減輕肥胖引起的IR。Marta等[42]利用非淀粉多糖降解酶提高纖維的消化率，添加后顯著降低了豬IL-4，白介素-7(interleukin-7, IL-7)和白介素-11(interleukin-11, IL-11)的濃度，證明了較高水平的纖維有利于腸道免疫的調節，且可以通過增加過氧化物酶體增殖物激活受體(Peroxisome proliferators activate receptors, PPAR)的mRNA表達改善IR。Li等[43]研究發現，飼喂低比值膳食纖維日糧的母豬和仔豬具有更高的抗氧化酶活性和更低的炎性因子水平，證明了妊娠期母豬飲食中膳食纖維組成對自身及后代炎癥反應的重要作用。此外，膳食纖維具有吸水性和膨脹性，具有理想的飽腹效果，可以通過降低能量攝入量減少脂肪沉積和肥胖的患病率。Sapkota等[44]研究發現，高膳食纖維水平的日糧可以提高豬的飽腹感，降低豬的采食量并控制能量的攝入，繼而改善IR。

3.2 改善腸道菌群對IR的緩解效應

腸道菌群的正向調控與改善母豬圍產期胰島素敏感性和低度炎癥有關，治療IR可以通過添加益生元形成健康的腸道菌群實現[45-46]。Zhou等[47]研究了腸道微生物對小鼠胰島素抵抗的影響，發現普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)、乳酸菌(Lactobacillus)和產堿桿菌科(Alcaligenaceae)類菌群含量在腸道中增加后，可顯著提高胰島素敏感性。Le等[48]研究發現在母豬圍產期使用益生元補充劑后，可以使動物表現出更高的分泌胰高血糖素樣肽1(glucagon-like peptide 1, GLP-1)的能力，其胰腺對葡萄糖的敏感性也得到顯著改善。San等[49]發現甘露寡糖(Mannose-oligosaccharides, MOS)這類益生元可以提高斷奶仔豬胰島素樣生長因子濃度，減少炎癥反應。

3.3 其他營養物質對IR的緩解效應

在日糧中添加抗氧化或抗炎營養物質，包括β-胡蘿卜素(β-carotene, β-C)和熊果酸(Ursolic acid, UA)，也可以發揮改善IR的作用。

β-C被廣泛應用于反芻動物配合飼料生產中，研究表明，血清中β-C濃度與機體胰島素敏感性有顯著相關性，且與IR呈顯著負相關，這與β-C的抗氧化和抗炎能力相關[50]。張相倫等[51]在肉牛日糧中添加不同水平的β-C，發現血清中T-AOC、GSH、總超氧化物歧化酶(Total superoxide dismutase, T-SOD)均顯著高于對照組，MDA顯著降低，表明β-C能夠提高肉牛的抗氧化作用。劉明美等[52]在日糧中添加β-C后，發現山羊血清中SOD、過氧化氫酶(Catalase, CAT)等活性的升高，證明了β-C對山羊抗氧化能力的改善。在飲水中補充β-C可抑制腹膜中性粒細胞的聚集，同時抑制腹膜中性粒細胞和巨噬細胞產生炎癥因子[53]。β-C對IR的緩解機制是以視黃醇為中間物抑制RBP4的表達，抑制其旁分泌功能，減少炎性因子的產生并改善IR[54]。此外，β-C還可以通過促進線粒體解偶聯蛋白2(Uncoupling protein-2, UCP2)表達，促進白色脂肪進行非耦合呼吸和適應性產熱，抑制增重[55]。

UA是存在于天然植物中的一種三萜類化合物，UA和羅格列酮(Rosiglitazone, RSG)聯合可激活IRS-PI3-Akt通路，誘導GLUT4易位和增加胰島素受體表達，改善胰島素敏感性[56]。Zhang等[57]研究發現，UA可以降低高脂飲食誘導的胰島素抵抗大鼠的體重，降低空腹INS水平，提高胰島素敏感性，并推測UA是通過抑制大鼠體內蛋白酪氨酸磷酸酶1B(Protein Tyrosine Phosphatase 1B, PTP1B)表達促進IRS表達，從而實現改善大鼠胰島素敏感性。

4 小 結

本文綜述了誘導發生IR的三個主要因素，即機體異常的氧化還原狀態、體脂代謝以及腸道微生物菌群，并進一步闡明了其誘發機制。動物機體發生IR后主要表現為動物繁殖性能降低、免疫力下降以及發生糖脂代謝等代謝性疾病。盡管諸多研究表明，β-C和UA等營養素可有效緩解IR，但尋找更多有效的營養途徑預防或改善IR，對于提高畜禽生產具有重要意義。