袁懿蕓 張利 吳長樂 張寧 呂沛然 邢文文 喬海法 楊曉航 劉奇

陜西中醫(yī)藥大學針灸推拿學院 陜西中醫(yī)診療技術(shù)裝備研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心 陜西，咸陽 712046

大腦是能量代謝高度活躍的器官，能量代謝與神經(jīng)元的存活或凋亡密切相關(guān)，在神經(jīng)系統(tǒng)的主要生理和病理過程中起著核心作用[1]。神經(jīng)退行性疾病是一類漸進性神經(jīng)元變性、喪失及壞死的疾病，包括阿爾茨海默癥（alzheimer's disease，AD）、 帕 金 森 病 （parkinson's disease，PD）以及肌萎縮性側(cè)索硬化癥（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）等，當腦能量代謝異常時，直接影響神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生和發(fā)展[2]。臨床和基礎(chǔ)研究均證實，針灸在神經(jīng)退行性疾病的防治中具有較好的療效，主要表現(xiàn)在有效增強神經(jīng)營養(yǎng)因子和抑制神經(jīng)病理因子的釋放，緩解患者的臨床癥狀，改善患者的生活質(zhì)量，且不良反應小[3-4]。既往研究發(fā)現(xiàn)，針刺可以改善AD能量代謝過程中線粒體電子傳輸鏈的功能，提高三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）的含量，保護線粒體結(jié)構(gòu)和功能，從而減少神經(jīng)元的變性和凋亡[5-6]。因此，對針灸防治神經(jīng)退行性疾病的能量代謝調(diào)控規(guī)律和現(xiàn)狀進行梳理，具有重要的價值。本文將從腦能量代謝參與神經(jīng)退行性疾病發(fā)生和發(fā)展的相關(guān)生理、病理過程，以及針灸防治神經(jīng)退行性疾病的研究進展等方面作一綜述。

1 腦能量代謝概述

腦能量代謝以葡萄糖為基礎(chǔ)，主要通過細胞質(zhì)內(nèi)的糖酵解和線粒體中的氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）過程生成ATP，為包括神經(jīng)元在內(nèi)的各種細胞提供能量底物[7]。成人大腦的重量約占全身的2%，但大腦消耗的葡萄糖約占全身的20%，而且大腦中95%以上的ATP都是由葡萄糖代謝提供的[8]。腦能量代謝過程可劃分為三個部分：葡萄糖的攝取過程、葡萄糖的跨膜轉(zhuǎn)運過程和葡萄糖的氧化代謝過程。

1.1 葡萄糖的攝取過程 大腦中葡萄糖的攝取主要與內(nèi)皮細胞、星形膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)細胞、小膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元有關(guān)，神經(jīng)元是葡萄糖攝取的最終受益者。

葡萄糖進入大腦，主要存在于血腦屏障，且大部分的葡萄糖通過胰島素及其信號通路調(diào)節(jié)細胞內(nèi)的代謝活動[9]。胰島素作為大腦中一個關(guān)鍵的穩(wěn)態(tài)因子，在神經(jīng)元中表達豐富，胰島素及其信號通路是大腦攝取葡萄糖的關(guān)鍵機制，在糖代謝、脂代謝以及全身代謝中起重要作用[10]。胰島素樣生長因子（insulin like growth factors，IGF）有兩種亞型，即IGF-1和IGF-2，胰島素、IGF-1和IGF-2與受體結(jié)合后引發(fā)一系列的磷酸化反應，可調(diào)節(jié)神經(jīng)元的生長、存活、新陳代謝及衰老。其中，胰島素受體底物1（insulin receptor substrate 1，IRS1）和胰島素受體底物2（insulin receptor substrate 2，IRS2）的酪氨酸磷酸化導致磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）、蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）下游通路的激活，與神經(jīng)元的生長、存活、新陳代謝及衰老調(diào)節(jié)密切相關(guān)[11]。胰島素/胰島素樣生長因子1（insulin/IGF1 signaling，IIS）信號通路主要通過胰島素、IGF1、PI3K/Akt和細胞外信號調(diào)節(jié)激酶（extracellular regulated protein kinase 1/2，ERK1/2）進行協(xié)調(diào)[12]。大腦中參與胰島素信號傳導的主要分子包括IRS、PI3K、Akt和糖原合酶激酶-3β （glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β），這些主要分子的激活或失活被認為是胰島素信號異?；蛞葝u素抵抗的重要原因。其中，PI3K/Akt信號通路目前被認為是最重要的中樞胰島素信號通路，激活后能夠通過葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白（glucose transporter，GLUT）和腦能量代謝促進大腦葡萄糖的攝取[13]。

總之，腦胰島素、胰島素受體和IRS介導的信號通路在調(diào)節(jié)代謝、學習記憶和維持神經(jīng)元生長分化、神經(jīng)調(diào)節(jié)、神經(jīng)保護等方面發(fā)揮著重要作用。

1.2 葡萄糖的跨膜轉(zhuǎn)運過程 葡萄糖轉(zhuǎn)運通過星形膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元上的GLUT實現(xiàn)，GLUT屬于主要促進劑超家族（major facilitator superfamily，MFS）。 家族轉(zhuǎn)運體2A（solute carrier 2A，SLC2A）、家族轉(zhuǎn)運體5A（solute carrier 5A，SLC5A）和家族轉(zhuǎn)運體50A（solute carrier 50A，SLC50A）基因編碼3種不同類型的葡萄糖轉(zhuǎn)運體：鈉依賴型葡萄糖單轉(zhuǎn)運體（GLUT蛋白）、鈉依賴型葡萄糖同向轉(zhuǎn)運體[（sodium-glucose transporter，SGLT）蛋白]和一種新的葡萄糖單轉(zhuǎn)運體（SWEET蛋白），目前尚未在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中檢測到SWEET蛋白的表達[14]。

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，葡萄糖主要通過GLUT家族傳遞給神經(jīng)元，其中最相關(guān)的是GLUT1和GLUT3[15]。GLUT1是血腦屏障攝取葡萄糖和星形膠質(zhì)細胞通過糖酵解為神經(jīng)元提供葡萄糖和乳酸的關(guān)鍵，有高糖基化的55 kDa和低糖基化的45 kDa的兩種亞型，兩者表達在大腦的不同部位，高糖基化亞型主要在微血管內(nèi)皮細胞中表達，低糖基化亞型則定位于膠質(zhì)細胞，所以說GLUT1在葡萄糖穿過血腦屏障進入星形膠質(zhì)細胞的過程中具有重要意義[16]。GLUT3主要表達于神經(jīng)元，具有神經(jīng)元特異性，GLUT3在皮層、海馬、小腦和腦干的神經(jīng)元中廣泛且大量分布，被稱為“神經(jīng)元葡萄糖轉(zhuǎn)運體”[14]。最近的研究把葡萄糖的轉(zhuǎn)運分為三個步驟：（1）葡萄糖通過GLUT1（55 kDa），經(jīng)內(nèi)皮細胞轉(zhuǎn)運；（2）GLUT1（45 kDa）介導葡萄糖轉(zhuǎn)運到星形膠質(zhì)細胞；（3）葡萄糖通過GLUTs轉(zhuǎn)運到神經(jīng)元[7]。此外，GLUT4被認為是一種胰島素敏感的GLUT，與GLUT3一樣表達于神經(jīng)元，參與調(diào)節(jié)葡萄糖轉(zhuǎn)運[17]。

1.3 葡萄糖的氧化代謝過程 葡萄糖代謝是機體為吸收和利用葡萄糖而進行的有序化學反應過程，葡萄糖首先進入糖酵解途徑，經(jīng)細胞質(zhì)中糖酵解酶的催化，轉(zhuǎn)化為丙酮酸，并生成少量ATP和一定量還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（reduced nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）。

在低氧或缺氧條件下，每個葡萄糖分子只能產(chǎn)生2個ATP分子，此時丙酮酸被乳酸脫氫酶還原為乳酸，NADH轉(zhuǎn)化為NAD+，乳酸經(jīng)單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白（monocarboxylic acid transporters，MCTS）轉(zhuǎn)運至細胞外，這一過程被稱為無氧糖酵解；氧氣供應充足時，丙酮酸經(jīng)有氧呼吸完全氧化分解，丙酮酸首先借助線粒體的丙酮酸載體穿過線粒體膜，進入線粒體基質(zhì)，進入三羧酸循環(huán)，合成少量ATP，生成一定量還原型輔酶，包括NADH和還原型黃素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide reduced，F(xiàn)ADH2），NADH 和FADH2隨后在線粒體內(nèi)膜上通過呼吸鏈向氧氣傳遞電子，進行氧化磷酸化[18]。氧化磷酸化是電子在傳遞過程中氧化與磷酸化耦聯(lián)生成ATP的酶促過程，即NADH或FADH2經(jīng)電子傳遞鏈（electron transport chain，ETC）將電子傳給O2生成H2O，逐步釋放自由能，所釋放的自由能用于ADP磷酸化生成ATP[19]，此過程伴隨著大量ATP的合成。另外還有一種處理葡萄糖的方法，即有氧糖酵解，又稱Warburg效應，即在正常氧分壓的情況下仍形成乳酸。當ATP合成酶活性不足時，線粒體膜電位升高，線粒體呼吸難以維持，細胞則需要依賴有氧糖酵解產(chǎn)生中間代謝產(chǎn)物和ATP[20]。

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，神經(jīng)元所需的ATP主要是在線粒體內(nèi)通過三羧酸循環(huán)發(fā)生氧化磷酸化產(chǎn)生，額外的ATP是由細胞質(zhì)中的有氧糖酵解產(chǎn)生[21]。氧化磷酸化驅(qū)動神經(jīng)元發(fā)揮多種生理功能，包括神經(jīng)傳遞、離子平衡等。ETC是線粒體的標志之一，也是ATP產(chǎn)生的重要組成部分，主要由5個蛋白復合物組成，即復合物Ⅰ～Ⅴ，分別是NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶、細胞色素C還原酶、細胞色素C氧化酶和ATP合成酶，其中ATP合成酶又包括Na+-K+-ATP酶和Ca2+-Mg2+-ATP酶，這些關(guān)鍵酶活性的變化可以直接影響整個線粒體ETC的功能變化[22]。線粒體內(nèi)膜上的5個呼吸鏈復合物通過參與線粒體氧化磷酸化，發(fā)揮氧化呼吸功能以產(chǎn)生ATP。其中，線粒體復合物Ⅰ（complex Ⅰ），即NADH脫氫酶，是呼吸鏈最重要的復合物之一，也是神經(jīng)元能量的主要貢獻者[23]。另外，Sirtuins是定位于細胞核或線粒體的NAD+依賴性脫乙酰酶，其中沉默交配型信息調(diào)控2同源物3（silent mating type information regulation 2 homolog 3，SIRT3）在新陳代謝、抗氧化防御和神經(jīng)保護中發(fā)揮作用[24]。

2 腦能量代謝與神經(jīng)退行性疾病

2.1 葡萄糖代謝信號通路障礙 神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展與葡萄糖代謝障礙有著密切關(guān)聯(lián)，AD、PD和ALS等神經(jīng)退行性疾病的典型特征都是中樞神經(jīng)系統(tǒng)葡萄糖代謝紊亂，并且以漸進性、區(qū)域特異性和疾病特異性的方式惡化[25]。

在AD早發(fā)小鼠模型中，GLUT1的減少加劇腦微血管變性及血流量減少，并加速β-淀粉樣蛋白（amyloid β-protein，Aβ）的生成，以及最初的腦血管退行性改變后出現(xiàn)的漸進性神經(jīng)元喪失和神經(jīng)退行性變[26]。研究者在AD患者的大腦中檢測到GLUT3顯著降低，且較低的GLUT3水平與更嚴重的神經(jīng)炎斑塊和神經(jīng)纖維纏結(jié)有關(guān)，認為糖酵解受損導致神經(jīng)元葡萄糖代謝障礙是AD的一個基本特征[27]。GLUT，特別是GLUT1和GLUT3的功能和表達紊亂引起AD的病理生理變化，提示增強GLUT表達可能是逆轉(zhuǎn)神經(jīng)退行性變過程的一種新策略[9]。另有研究發(fā)現(xiàn)，AD小鼠的大腦皮質(zhì)葡萄糖和谷氨酰胺代謝的改變先于Aβ的產(chǎn)生，并伴隨乳酸和丙氨酸表達的增加，以及三羧酸循環(huán)活性、ATP合成速率的降低，表明在Aβ沉積之前葡萄糖代謝改變、線粒體功能障礙等腦能量代謝變化已經(jīng)很明顯[28]。

葡萄糖代謝障礙是AD一個不變的病理特征，導致患者的神經(jīng)元變性或凋亡，從而造成認知功能下降。同時，AD葡萄糖代謝異常受到胰島素抵抗、氧化應激和線粒體功能障礙等多種致病因素的誘導。

2.2 胰島素信號通路障礙 越來越多的證據(jù)表明，神經(jīng)退行性疾病中的腦胰島素及其相關(guān)信號通路會發(fā)生改變，而一旦胰島素及其信號通路出現(xiàn)障礙，腦內(nèi)的葡萄糖可利用性和能量平衡就會受到影響，從而加重神經(jīng)退行性變[13]。

許多學者研究證實，AD的發(fā)生發(fā)展與胰島素信號通路轉(zhuǎn)導障礙有關(guān)，由于其發(fā)病機制上與2型糖尿病存在相當大的重疊，所以AD又被稱為“3型糖尿病”[29]。胰島素、IGF-1和IGF-2及其受體表達的降低參與了AD的發(fā)病機制，造成胰島素信號通路的活性降低，Aβ和tau蛋白的異常生成[30]。腦胰島素抵抗可簡單定義為胰島素信號通路失活，研究者認為這些通路失活是產(chǎn)生神經(jīng)炎癥、氧化應激和AD等神經(jīng)退行性疾病的元兇，特別是IRS/PI3K/Akt通路[13]。研究發(fā)現(xiàn)，IRS-1/PI3K/Akt胰島素信號通路紊亂及其下游級聯(lián)反應，是導致腦認知功能下降的原因[31]。作為AD早期的常見特征，腦胰島素抵抗伴隨著IGF-1抵抗，且可能與Aβ寡聚物引發(fā)的IRS-1功能障礙密切相關(guān)[32]。在PD中，腦胰島素抵抗使得葡萄糖攝取和氧化異常，糖原合成減少，葡萄糖代謝失衡而導致異常蛋白聚集、氧化應激、線粒體功能障礙等，最終造成黑質(zhì)多巴胺神經(jīng)元的丟失[33]。研究證實，PD小鼠模型中也出現(xiàn)PI3K/Akt信號通路的抑制[34]。

胰島素及其信號通路的功能障礙和異常參與神經(jīng)退行性變過程，筆者推測通過調(diào)節(jié)胰島素分子來改善胰島素信號通路、延緩神經(jīng)退行性變、減輕疾病癥狀，可能是未來神經(jīng)退行性疾病研究的重要靶點。

2.3 能量代謝功能障礙 神經(jīng)退行性疾病過程中的神經(jīng)元功能障礙伴隨著能量代謝的缺陷，包括有氧糖酵解和線粒體功能障礙，有氧糖酵解與神經(jīng)元變性和線粒體功能障礙相關(guān)。ALS和亨廷頓?。℉untington's disease，HD） 中存在典型的WNT/β-catenin通路過度激活，從而引起GLUT、丙酮酸激酶M2（pyruvate kinase M2，PKM2）和MCT-1等的表達上調(diào)，誘導有氧糖酵解的發(fā)生，進一步加劇ALS和HD的疾病進展[35]。

迄今為止，AD、PD和ALS等神經(jīng)退行性疾病的最大危險因素是衰老，而目前認為線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）突變的積累和活性氧（reactive oxygen species，ROS）的凈產(chǎn)生與促進衰老有關(guān)。這些證據(jù)表明，線粒體功能障礙和氧化應激發(fā)生于神經(jīng)退行性疾病的早期，并且在疾病發(fā)病機制中具有因果作用[36]。研究發(fā)現(xiàn)，ETC不同復合物的缺陷與各種神經(jīng)退行性疾病有關(guān)：Ⅰ型復合物伴PD，Ⅱ型復合物伴HD，Ⅳ型復合物伴AD[37]。然而需要注意的是，這種復合物缺陷與疾病發(fā)展的相關(guān)性并不具有特異性，往往一種疾病伴隨多種不同類型復合物的缺陷。此外，還有研究報道了ALS患者線粒體ETC的改變，如脊髓、運動神經(jīng)元和淋巴細胞中復合物Ⅰ、Ⅳ活性降低[38]。越來越多的證據(jù)表明，線粒體功能障礙，尤其是線粒體呼吸鏈復合物的改變，也會導致ROS的過度產(chǎn)生，進而引起神經(jīng)退行性變[39]。在AD中，Aβ的沉積和tau蛋白的表達升高可直接導致線粒體ETC發(fā)生異常，關(guān)鍵酶活性降低，線粒體氧化磷酸化過程紊亂，ATP生成減少，ROS產(chǎn)生增多，從而加重線粒體功能損傷和神經(jīng)退行性變[40]。ALS患者存在能量代謝障礙，三羧酸循環(huán)代謝途徑受損，線粒體的結(jié)構(gòu)和功能也被破壞，從而導致ATP生成減少[41]。另外有研究表明，SIRT3可以通過靶向抗氧化酶來抵抗氧化應激，并降低ROS水平，因此sirtuins介導的神經(jīng)保護可能是通過直接保護線粒體實現(xiàn)的[37]。

3 針灸對腦能量代謝的影響

3.1 針灸對葡萄糖代謝信號通路的影響 研究發(fā)現(xiàn)，針刺“智三針”能夠促進AD大鼠GLUT3的表達，激活相關(guān)腦區(qū)，改善學習記憶能力[42]。針刺可提高SAMP8小鼠海馬GLUT3、MCT-2、MCT-4的表達，影響神經(jīng)元對能量底物的攝取效率，改善神經(jīng)元能量代謝[43]。夾脊電針還可以降低ALS-SOD1G93A小鼠血清谷氨酸含量，延長小鼠的生存期[44]。

3.2 針灸對胰島素信號通路的影響 電針能夠通過AKT/GSK-3β胰島素信號通路，調(diào)節(jié)AD模型小鼠的Tau磷酸化和糖代謝，提高葡萄糖攝取率，改善小鼠的認知能力[45]。益髓灸早期干預，可以影響APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠海馬組織及腦組織IGF-1、GSK-3β的表達，保護神經(jīng)細胞，改善認知障礙[46]。采用艾灸干預APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠，能夠使腦皮質(zhì)PI3K/Akt信號通路中IRS-1、PI3K、Akt的含量升高，GSK-3α的含量下降，從而減少Aβ沉淀，延緩AD病理進程[47]。另外還有研究發(fā)現(xiàn)，電針能夠激活PI3K/Akt胰島素信號通路，抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，減少細胞凋亡，延緩PD進程[48]。夾脊電針能促進ALS模型小鼠腰髓組織中PI3K/Akt信號通路相關(guān)蛋白Akt的表達，抑制GSK-3β的表達，發(fā)揮運動神經(jīng)元保護作用[49]；還能夠通過抑制GSK-3β的活性，上調(diào)前角運動神經(jīng)元β-catenin表達，對神經(jīng)元起到保護作用[50]。劉霞蔚等[51]研究提示，電針通過腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate activated protein kinase，AMPK）信號通路，能夠增加腰髓組織中熱休克蛋白70（heat shock protein 70，HSP70）表達，減緩ALS小鼠體質(zhì)量下降，改善其營養(yǎng)狀況，從而延緩ALS的疾病進程。

3.3 針灸對能量代謝功能的影響 在以APP/PS1小鼠為對象的研究中發(fā)現(xiàn)，電針可以激活AMPK調(diào)控代謝中Warburg效應關(guān)鍵酶6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2，6-二磷酸酶3（6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2，6-biphosphatase 3，PFKFB3）、己糖激酶Ⅱ（Hexokinase Ⅱ，HK2）、PKM2的表達，促進葡萄糖代謝，改善學習記憶能力[52]。電針還能夠提高AD模型鼠海馬線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Na+-K+-ATP酶、Ca2+-Mg2+-ATP酶活性及神經(jīng)元的ATP含量，促進線粒體氧化磷酸化過程中的能量轉(zhuǎn)化，完善ATP的合成與分解利用，以維持神經(jīng)元的正常功能[53]。益腎調(diào)督針法能夠提高AD大鼠海馬線粒體中細胞色素C氧化酶Ⅳ（cytochrome oxidaseⅣ，COX Ⅳ）的表達，改善線粒體呼吸鏈功能，增加ATP產(chǎn)生[54]。針刺還可抑制PD小鼠腦線粒體復合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ活性的下降，保護腦線粒體功能，減少多巴胺神經(jīng)元的丟失[55]。目前，本團隊研究證實，針刺調(diào)控SIRT3防治AD的作用機制可能與促進SIRT調(diào)控因子GATA2結(jié)合蛋白2（GATA binding protein 2，GATA-2）以及SIRT/過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1α（peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）蛋白的表達，保護能量代謝過程，改善線粒體功能障礙有關(guān)[56-58]。

4 展望

神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機制復雜，且缺乏有效的治療藥物，臨床只能對癥治療以延緩進程、改善癥狀，但效果不明顯,而且不良反應較大。大量研究表明，AD、PD等多種神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展與腦能量代謝密切相關(guān)，針灸作為一種替代輔助療法，能夠通過調(diào)控腦能量代謝途徑，從而改善神經(jīng)退行性疾病的癥狀。本文從葡萄糖代謝信號通路、胰島素信號通路以及能量代謝等途徑論述針灸對腦能量代謝的調(diào)控，并從動物模型和臨床試驗的角度總結(jié)了針灸治療AD、PD等神經(jīng)退行性疾病的現(xiàn)有證據(jù)。

然而，目前針對針灸基于腦能量代謝治療神經(jīng)退行性疾病的研究仍存在一些不足：一方面，線粒體作為能量代謝的中心，與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)，但以線粒體為靶點防治神經(jīng)退行性疾病的機制仍需要進一步探索；另一方面，目前的研究還是以“節(jié)段性”的基礎(chǔ)研究為主，系統(tǒng)研究相對較少，無法系統(tǒng)闡述針灸防治神經(jīng)退行性疾病的全部機制?？傊?，針灸調(diào)控能量代謝的研究已有較多證據(jù)，但其作用機制研究仍需進一步深入探索，未來應進行全面、系統(tǒng)的科研設(shè)計，以期在針灸調(diào)控能量代謝的機制研究方面取得更多成果。