二甲雙胍抗皮膚老化研究進展

賴惠君 楊 嵐 郭紅衛

1廣東醫科大學附屬第二醫院皮膚病科,廣東湛江,524003;2廣州市紅十字會醫院,廣東廣州,510000

2019年世界衛生組織在國際疾病分類(ICD-11)中將衰老歸為與內在老化(自然老化)和外在老化有關的疾病[1］,這大大推動了衰老及其相關疾病的研究和治療策略的發展。皮膚作為人體最大的器官,直接反映著個體身體健康和年齡。隨著年齡的增長和環境的影響,皮膚會經歷自然衰老和光老化兩種類型的衰老。自然衰老是由內在因素(如時間、遺傳因素和激素水平的改變)引起的生理變化的必然過程,引起細紋、皮膚干燥和松弛[2］。而光老化則是外部環境因素如紫外線、污染和吸煙等誘導氧化應激對細胞造成損害,從而加速細胞衰老(cellular senescence),表現為皮膚皺紋增加、真皮變薄、皮膚彈性喪失、不規則色素沉著和脂溢性角化[3］。細胞衰老以永久性的增殖停滯為特征,而細胞增殖能力的逐漸喪失最終會導致組織的老化,氧化應激在細胞老化中發揮重要作用[4］。

如何延緩皮膚老化,提高皮膚健康水平,一直都是皮膚科研究的熱點問題之一。抗衰老藥物對于延緩皮膚自然或者光老化具有重要的作用[5］。二甲雙胍(metformin)是一種口服降糖藥物,已被廣泛應用于2型糖尿病的治療[6］。近年發現還具有抗衰老作用,包括對皮膚老化的保護作用,降低多種與年齡相關的疾病的發病率和總死亡率[7,8］。一系列針對不同的細胞系和模型生物的研究表明,二甲雙胍可以通過靶向與衰老相關的關鍵分子來延緩衰老和減輕衰老相關疾病[9-11］。本文旨在綜述二甲雙胍抗衰老作用及其機制研究進展,以期為抗衰老藥物的相關研究和開發提供新思路。

1 二甲雙胍的細胞水平轉運

二甲雙胍在生理條件下帶正電荷,是一種親水性化合物,需要載體轉運到靶細胞內發揮藥理作用。二甲雙胍的細胞內轉運或者攝取是通過SLC22A基因編碼的多特異性細胞膜有機陽離子轉運蛋白(organic cation transporters,OCT)以及SLC47A1基因編碼的多藥和毒素外排轉運蛋白(multidrug and toxin extrusion protein,MATE-1)實現的[12］。轉運蛋白削弱堿基,以促進二甲雙胍的細胞內攝取。研究表明,質子泵抑制劑(PPIs)如蘭索拉唑通過抑制OCT1、OCT2和OCT3來抑制二甲雙胍的細胞內攝取[13］。口服降糖藥瑞格列奈和羅格列酮也可抑制OCT1介導的二甲雙胍細胞內轉運[14］。因此,質子泵抑制劑與降糖藥瑞格列奈和羅格列酮會降低二甲雙胍藥效,而成骨細胞可以通過激活OCT1將二甲雙胍轉運到細胞中[15］。

二甲雙胍不經歷肝臟代謝,腎臟中活躍的腎小管分泌是二甲雙胍排泄的主要途徑。二甲雙胍到達腎臟后,由于其親水性,二甲雙胍不能通過質膜擴散進入細胞質,它通過位于近端小管基底外側膜的OCT-2從血液中進入近端腎小管腎細胞,隨后通過位于近端小管管腔膜的MATE-1轉運蛋白分泌到尿液中,在尿液中以未改變的形式排泄[16］。因此通過調控OCT轉運蛋白可以修飾二甲雙胍藥物作用,為臨床藥物相互作用提供依據。

2 二甲雙胍增強細胞自噬抵抗細胞老化

自噬(autophagy)是細胞利用溶酶體降解自身細胞質蛋白和受損細胞器的分解代謝過程,是一種保守的細胞存活、發育和細胞內穩態平衡調控程序[17］。自噬系統靶向受損的線粒體,并將其遞送到溶酶體中進行降解,這種分解代謝過程稱為線粒體自噬(mitophagy),有助于維持線粒體的質量控制[18］。線粒體是一種被稱為細胞“動力源”的細胞器,線粒體功能受損可導致細胞能量水平降低,伴隨的電子泄漏促進活性氧(ROS)的形成,從而破壞蛋白質、膜脂質和核酸[19］。同時,受損的線粒體還可以通過釋放細胞色素c來激活半胱天冬酶-9啟動細胞凋亡[20］。最近的研究表明,線粒體自噬受損與神經退行性疾病(如帕金森病和阿爾茨海默癥)以及衰老過程密切相關[21］。

衰老細胞通常伴隨著線粒體特異性自噬的減少,導致衰老和功能失調的線粒體積累,而功能失調的線粒體是衰老細胞中活性氧(ROS)升高的主要來源[22］,這是衰老細胞的另一個重要標志。值得注意的是,與ROS相關的線粒體損傷與光老化之間也存在密切聯系[23］,并且重復的UVA暴露可導致線粒體DNA突變的增加[24］。而二甲雙胍可通過增強線粒體自噬來減弱UVA誘導的皮膚光老化[25］。

二甲雙胍對蛋白質平衡的穩定作用主要是通過直接和間接抑制mTOR信號傳導增強自噬和抑制蛋白質合成[26］。mTOR是一種非典型絲氨酸/蘇氨酸激酶,屬于磷酸肌醇3激酶(PI3K)相關激酶家族,mTOR通過與多種伴侶蛋白結合形成兩種不同的信號復合物,分別稱為mTOR復合物1(mTORC1)和mTOR復合物2(mTORC2)。mTORC1的失調與自噬缺陷相關的疾病有關[27］。TFEB是溶酶體和自噬基因的主要轉錄調節因子,mTORC1通過調節轉錄因子EB(TFEB)的定位、抑制TFEB活性調節自噬[28］。高mTORC1活性促進生物分子合成,同時抑制自噬。

Chen等觀察到老年小鼠造血干細胞mTORC1表達升高,PI3K/AKT/mTOR信號通路的上游分子Tsc1(tuberous sclerosis complex 1)的丟失導致該信號通路抑制解除,參與造血干細胞衰老的發生。重要的是,mTOR抑制劑可恢復造血干細胞自我更新和造血功能,提高小鼠免疫力并延長壽命[29］。研究發現二甲雙胍可通過激活AMPK從而抑制mTOR途徑和降低糖尿病心肌病中的焦亡[30］,增強線粒體自噬[31］。因此,二甲雙胍發揮抗衰老作用的一個重要分子生物學機制是增強自噬以緩解皮膚老化進程[32,33］。

3 二甲雙胍抑制氧化應激抵抗細胞衰老

越來越多的研究表明,氧化應激和線粒體功能障礙在皮膚老化的發病機制中起著核心作用[17,34］。二甲雙胍通過調節線粒體發揮生物學作用,其作用機制的核心是改變細胞的能量代謝[35,36］。該作用機制涉及多個分子生物學機制,其中包括對線粒體呼吸鏈復合物I (mitochondrial complex I)的下調和AMPK磷酸化的上調[37］。

線粒體是細胞功能的重要支點,是調節氧化應激、能量產生、細胞內信號轉導和細胞凋亡的關鍵。線粒體的主要功能是產生釋放能量,合成三磷酸腺苷(ATP),同時通過三羧酸循環氧化代謝產物,產生煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADH)和還原黃素腺嘌呤二核苷酸(FADH2)[38］。線粒體呼吸鏈復合物I是線粒體氧化呼吸鏈的第一個復合物,電子傳遞鏈的關鍵酶[39］。它通過氧化還原反應將NADH轉化為能夠用于ATP合成的能量,并在過程中產生質子梯度。過度活化的線粒體呼吸鏈復合物I會對線粒體電子傳遞鏈造成實質性損傷,導致線粒體損傷,從而加速細胞老化和皮膚老化[40］。而二甲雙胍可以通過下調線粒體呼吸鏈復合物I的表達和活性,抑制其過度活化,并通過選擇性抑制線粒體呼吸鏈復合物I的反向電子流顯著減少線粒體內ROS的產生[41］,而細胞內ATP濃度下降以及ADP/ATP和AMP/ATP比值增加,從而激活細胞內AMPK信號通路[42］。AMPK是細胞能量穩態的關鍵能量傳感器,也是一種重要的代謝調節因子,能夠調節細胞內多個代謝途徑,包括糖原合成、脂肪酸合成和葡萄糖攝取等[43］。AMPK在皮膚細胞中也扮演著重要的角色,對皮膚細胞老化具有保護作用[44］。二甲雙胍能夠促進AMPK的磷酸化,激活其功能,從而促進皮膚細胞的代謝和生長,減緩皮膚老化的進程。

當線粒體功能障礙,ROS產生過多,膜電位降低,呼吸功能下降,ATP產生減少。過量的ROS還會進一步加劇線粒體功能障礙,這是氧化應激無休止循環的基礎[45］。高水平的ROS有可能觸發線粒體介導的細胞凋亡和線粒體DNA的降解并加速胰島素抵抗[46］。ROS的過度產生導致氧化應激,與皮膚老化的發病機制相關[47］。Nakashima等的一項研究表明,藍光誘導的線粒體損傷可導致皮膚氧化應激,表現為類似于UVA的皮膚老化[48］。二甲雙胍已被證明可促進線粒體分裂,修復受損的三羧酸循環,改善線粒體呼吸,恢復線粒體生命周期,穩定線粒體功能,消除ROS的過度產生導致的氧化應激。此外,由于二甲雙胍帶有正電荷并且可以穿過線粒體內膜(響應線粒體膜電位),導致線粒體內二甲雙胍濃度比細胞外環境中的二甲雙胍濃度高1000倍[49］,提示二甲雙胍靶向線粒體調節線粒體呼吸鏈復合物I、調控氧化應激發揮生物學效應。

4 二甲雙胍抑制生長激素-胰島素樣生長因子1軸抵抗衰老

胰島素樣生長因子-1 (insulin-like growth factor 1,IGF-1)是一種由70 個氨基酸組成的單鏈肽,主要由肝臟分泌并轉運到靶組織,在結構上類似于胰島素。因此,IGF-1能夠與胰島素受體(insulin receptor,I-R)結合[50］。此外,IGF-1是生長激素(GH)的主要介質。GH由垂體腺中前庭垂體細胞產生,隨后被釋放到血液中以刺激IGF-1的產生和釋放。IGF-1與細胞表面上的IGF-1受體和胰島素受體結合,進而導致細胞內信號分子胰島素受體底物1(insulin receptor substrate,IRS 1)蛋白的磷酸化。一旦IRS蛋白被磷酸化,它會作為信號分子進入PI3K(磷脂酰肌醇3激酶)/Akt(蛋白激酶B)信號通路,進一步促進mTORC1的激活,抑制細胞自噬,最終導致壽命縮短與衰老[51,52］,提示GH和IGF-1作為mTORC1的上游調節因子,在細胞生長、自噬和代謝過程中起著關鍵的調節作用(圖1)。

IRS：胰島素受體底物;PI3K：磷酸肌醇3激酶;AKT：匯絲氨酸/蘇氨酸激酶;mTOR：哺乳動物雷帕霉素靶蛋白;IGF-1：胰島素樣生長因子;AMPK：腺苷酸活化蛋白激酶;Cyt-c：細胞色素 c;ROS：活性氧;Bcl-2：B細胞淋巴瘤2;Bax：Bcl-2 相關X蛋白

缺乏GH或GH受體的小鼠表現為明顯的壽命延長和衰老延緩,IGF-1的循環水平受到嚴重抑制,胰島素水平降低以及胰島素敏感性增強[53］。持續的低IGF-I水平有助于延長動物的壽命并降低與年齡相關的死亡率[54］,二甲雙胍可通過抑制生長激素-胰島素樣生長因子1軸以及通過限制飲食延長小鼠壽命[55,56］。使用二甲雙胍的糖尿病患者,可能會觀察到IGF-1水平的下降,提示二甲雙胍可通過抑制IGF-1軸抗衰老和延長壽命。

5 小結

二甲雙胍通過多種途徑發揮抗衰老效果。首先,它通過調節細胞內自噬過程,維持線粒體質量控制,減輕氧化應激,延緩細胞衰老。其次,二甲雙胍能影響線粒體功能,通過調節線粒體呼吸鏈復合物I的活性,減少ROS產生,改善能量代謝,從而對抗線粒體功能障礙和氧化應激。此外,它還能抑制生長激素-IGF 1軸,調節mTOR信號傳導,增強細胞代謝和自噬,降低IGF-1水平,達到延緩衰老和延長壽命的作用。二甲雙胍的抗衰老機制及其在皮膚抗衰老中的應用研究具有重要的研究意義和臨床應用價值。它為抗衰老藥物的相關研究和開發提供了新的思路。

值得注意的是,雖然二甲雙胍在皮膚抗衰老領域的研究表現出了一定的潛力,但目前還需要進行更多的臨床和實驗室研究,以確定其安全性和有效性。因此,在未來的研究中,需要進一步闡明二甲雙胍對線粒體呼吸鏈復合物I結構功能的調節機制,以及其對細胞自噬和生長激素-胰島素樣生長因子1軸的影響。這將有助于更深入地了解二甲雙胍的抗衰老機制,為開發更有效的抗衰老藥物和皮膚護理策略提供新的思路和途徑。