吳錦林,劉東方

(1重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院內(nèi)分泌科,重慶 400010;2重慶市中醫(yī)院內(nèi)分泌科,重慶 400021)

老化是一種復(fù)雜的現(xiàn)象,其特征是生理完整性逐漸惡化,導(dǎo)致功能受損,最終增加死亡的易感性。它是人類慢性疾病的主要危險因素,包括心血管疾病、代謝性疾病、神經(jīng)退行性病變和癌癥。因此,人們對“健康老齡化”的日益重視引出了生命和社會科學(xué)領(lǐng)域的一系列重要問題[1]。在糖代謝水平上,年齡是2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)最重要的危險因素之一,T2DM的患病率隨著年齡的增長而增加。老化的一個通常后果是葡萄糖穩(wěn)態(tài)的精確調(diào)節(jié)逐漸下降[2],并逐漸導(dǎo)致糖耐量異常(impaired glucose tolerance,IGT)和T2DM[3-5]。圍繞胰腺β細(xì)胞在糖尿病中的發(fā)病機(jī)制始終是糖代謝的研究熱點(diǎn),而了解老化過程中β細(xì)胞的相應(yīng)改變對于闡明與年齡相關(guān)的血糖穩(wěn)態(tài)變化至關(guān)重要。因此,本文綜述了目前關(guān)于人類β細(xì)胞量(β-cell mass,BCM)和功能在老化過程中的相應(yīng)變化,以期深入了解β細(xì)胞在年齡相關(guān)的T2DM發(fā)病中的作用,探索T2DM新的治療方法。

1 老化和BCM

為了調(diào)節(jié)血糖穩(wěn)態(tài),血漿胰島素水平必須適應(yīng)機(jī)體的需要。胰島素水平和需求在一生中可能不同,特別是在肥胖、懷孕或衰老情況下[6-8]。功能性BCM的高度可塑性使其能適應(yīng)不同的胰島素需求,受到機(jī)體的精確調(diào)控[7]。BCM的上調(diào)包括增殖、新生、轉(zhuǎn)分化和細(xì)胞肥大,下調(diào)包括細(xì)胞凋亡、去分化和細(xì)胞萎縮。

從出生到成年,人類的BCM可能增加約30倍[9]。這種增加主要是由于β細(xì)胞數(shù)量的增加并由此導(dǎo)致的胰島面積的擴(kuò)大。在出生后的2年內(nèi),BCM增長率最高,每年接近600%,然后在接下來的20年中逐漸下降,即使在青春期前后也沒有因?yàn)樯L發(fā)育而出現(xiàn)第2次加速增長[9],但也有報道稱在10～20歲時BCM仍有明顯的增長[10]。相反,成年人胰腺的形態(tài)學(xué)變化較少。成人在懷孕[11]或肥胖[10,12]等高胰島素需求條件下,BCM和(或)β細(xì)胞體積顯著增加。

老化的過程對成年人的BCM不會產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。根據(jù)一項(xiàng)對20～102歲受試者尸檢的研究發(fā)現(xiàn),雖然胰腺外分泌萎縮,伴隨纖維化和脂肪堆積相對增加,但BCM隨著時間的推移保持不變[13]。同樣來自尸檢的研究發(fā)現(xiàn),非糖尿病人群的BCM與年齡呈微弱負(fù)相關(guān),與40～60歲的人群相比,70～90歲的人群BCM只下降了18%[12]。另外,一個日本人群(0～79歲)的研究提示BCM在20歲前逐漸增加并能維持到60歲,在80歲時仍能保留80%以上,提示老年人BCM只有輕微的下降[10]。因此,以上研究表明BCM在老化過程中相對保存良好(圖1)。

圖1 老化與人類β細(xì)胞量和功能變化

1.1 β細(xì)胞的增殖

β細(xì)胞的增殖能力在生命早期就會顯著下降。胰島素和增殖標(biāo)記物Ki67的胰腺雙重染色顯示在胎兒時期β細(xì)胞增殖達(dá)到最大峰值[14,15],而在出生2年后更新率顯著下降[9,16,17]。同前所述,亦有報道稱在10～20歲仍有一定的增殖能力,20歲以后才明顯下降[10]。此外,Perl等[18]在小于20歲(而非大于30歲)的年輕受試者的樣本中檢測到BrdU/IdU共染色的β細(xì)胞核,且β細(xì)胞DNA14C含量測量進(jìn)一步表明β細(xì)胞在生命的前30年發(fā)生增殖。同樣,使用轉(zhuǎn)錄組學(xué)和表觀遺傳學(xué)研究方法也證實(shí),隨著時間的推移,成年人(19～66歲)的胰腺β細(xì)胞的增殖能力較青少年(0.5～9.0歲)相比明顯下降[19]。雖然有報道稱人類β細(xì)胞的增殖率隨年齡增長(7～66歲)而下降[20],但更多的研究表明,在成年期和老年期β細(xì)胞增殖率保持不變,其更新率非常小[13,14,21]。

鑒于β細(xì)胞復(fù)制在胰腺內(nèi)分泌對增加的胰島素需求的適應(yīng)性反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用,與年齡相關(guān)的增殖變化所涉及機(jī)制的探索至關(guān)重要。叉頭盒M1(forkheadbox M1,FOXM1)是細(xì)胞增殖特異性轉(zhuǎn)錄因子,參與有絲分裂的正確執(zhí)行,通過促進(jìn)G1/S和G2/M轉(zhuǎn)變刺激增殖,并調(diào)節(jié)參與細(xì)胞周期調(diào)控基因的表達(dá)。和年齡相關(guān)的人類β細(xì)胞更新下降一致的是,FOXM1、細(xì)胞周期蛋白、細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶(CDK1、CDK4和CDK6)以及增殖相關(guān)基因如血小板衍生生長因子(platelet-derived growth factor,PDGF)受體α和β的表達(dá)下調(diào)[22-24]。此外,p16INK4A(以下稱為p16)是一種細(xì)胞周期抑制因子和細(xì)胞衰老的重要效應(yīng)因子,在老年人類β細(xì)胞中上調(diào)[19,23,25]。值得注意的是,全基因組研究已經(jīng)將編碼這種蛋白質(zhì)的CDKN2A/B基因座與T2DM風(fēng)險聯(lián)系起來[25]。端粒縮短等其他與年齡相關(guān)的因素也對細(xì)胞增殖有顯著影響。Tamura等[26]證實(shí)了0～100歲人類β細(xì)胞樣本中端粒長度和老化之間存在負(fù)相關(guān)性。

胰高糖素樣肽1(glucagon-like peptide 1,GLP-1)對人類β細(xì)胞有促有絲分裂刺激作用。Tian等[27]將人胰島移植到糖尿病小鼠中,然后用GLP-1受體激動劑Exendin-4(Ex-4)處理這些小鼠4周。與未使用Ex-4處理組相比,14～22歲的胰島在Ex-4處理后有更多的β細(xì)胞增殖;35～58歲的胰島無論Ex-4處理與否,β細(xì)胞增殖均低。類似地,Dai等[24]證實(shí)0.5～9.0歲捐獻(xiàn)者胰島的β細(xì)胞增殖率較20～60歲捐獻(xiàn)者高,其中0.5～3.0歲的增殖率相對較高,5～9歲逐漸下降;Ex-4刺激后,0.5～9.0歲的β細(xì)胞增殖率明顯升高,而20～60歲的β細(xì)胞增殖率無變化,提示年齡較大人群的β細(xì)胞有絲分裂潛能喪失。同樣,PDGF信號能介導(dǎo)8個月至6歲的受試者β細(xì)胞增殖,但不能介導(dǎo)39～56歲的受試者β細(xì)胞增殖[22]。葡萄糖是β細(xì)胞的有絲分裂刺激源,Levitt等[28]將人胰島移植到STZ誘導(dǎo)的非肥胖型糖尿病-重度聯(lián)合免疫缺陷(non-obese diabetes-severe combined immune deficiency,NOD-SCID)小鼠中,成人β細(xì)胞保持復(fù)制能力,以響應(yīng)高血糖水平誘導(dǎo)的有絲分裂效應(yīng)。然而,這種效應(yīng)在7歲捐獻(xiàn)者的移植物中較成年人(27～76歲)更為有效,表明隨著年齡的增長,人β細(xì)胞增殖能力降低。血管系統(tǒng)在胰島內(nèi)產(chǎn)生和傳遞有絲分裂信號和其他增殖因子方面起著關(guān)鍵作用[8]。與年齡相關(guān)的人類β細(xì)胞增殖下降與胰島血管網(wǎng)絡(luò)的減少有關(guān)[29]。總體而言,上述發(fā)現(xiàn)表明,在基礎(chǔ)和有絲分裂源刺激條件下,老年人的β細(xì)胞表現(xiàn)出有限的增殖能力。

1.2 β細(xì)胞的凋亡

人類β細(xì)胞在胚胎期時的凋亡率相對較高(約1.5%)[30]。然而,出生后β細(xì)胞的凋亡率非常低,甚至在大多數(shù)胰腺樣本中檢測不到[9,10]。據(jù)報道,圍產(chǎn)期時胎兒β細(xì)胞的凋亡率為1.3%,到出生后3個月時降至0.13%[14],且多項(xiàng)研究均沒有觀察到這種低凋亡率隨年齡的變化[9,13,20];此外,將不同年齡段捐獻(xiàn)者的胰島移植到小鼠上,其β細(xì)胞的凋亡率均很低且無明顯差異[24]。

1.3 β細(xì)胞的新生

人類β細(xì)胞的新生通常發(fā)生在發(fā)育的胰腺中[15],在出生后和成年后以非常低的速度發(fā)生[16,20]。人類BCM從出生到青春期的增加量,只有11.7%來自于β細(xì)胞的新生,而88.3%來自于β細(xì)胞的復(fù)制[9]。此外,Reers等[20]通過對7～66歲的人群的胰島進(jìn)行分析,尚未發(fā)現(xiàn)年齡與β細(xì)胞新生的相關(guān)性。孕期[11]、肥胖[31]、T2DM[32]等生理病理情況下可出現(xiàn)胰管上皮細(xì)胞的β細(xì)胞新生。

1.4 β細(xì)胞的特性

一項(xiàng)對人類胰腺(1個月至54歲)的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄分析顯示,α和β細(xì)胞中存在與年齡相關(guān)的命運(yùn)漂移模式,其中一部分細(xì)胞同時表達(dá)胰島素和胰高血糖素,這表明年齡較大的人群胰島細(xì)胞特性已受損。胰島細(xì)胞的這種老化也具有高轉(zhuǎn)錄變異性以及可能與氧化應(yīng)激有關(guān)的突變特征[33]。同樣,在非人類靈長類動物中,轉(zhuǎn)錄噪聲與胰腺α和β細(xì)胞的老化有關(guān),伴隨著增加的未折疊蛋白反應(yīng)和受損的蛋白穩(wěn)態(tài)[34]。與0.5～14.0歲相比,28～64歲受試者的β細(xì)胞中PDX1、NKX6.1、FOXA2和MAFA這些標(biāo)志其成熟度和特性的基因mRNA的表達(dá)下降[23]。類似地,β細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子PDX1在其他2項(xiàng)研究中也發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增長而下調(diào):7～66歲[20]和0～79歲[10]。然而,Arda等[19]發(fā)現(xiàn),與0.5～6.0歲相比,28～66歲的β細(xì)胞中MAFA的表達(dá)水平更高。雖然現(xiàn)目前對于年齡相關(guān)β細(xì)胞特性改變的研究尚少,但可以肯定的是,β細(xì)胞的特性在老年人群中會發(fā)生改變,這種改變可能與β細(xì)胞的去分化或轉(zhuǎn)分化有關(guān),其對老年人群的生理和病理意義仍有待進(jìn)一步探索。

1.5 β細(xì)胞的體積

雖然有報道稱β細(xì)胞體積在20歲前無明顯變化,成年后體積增大且隨著年齡的增加而增加[10],但更多的研究提示從出生到成年[9]以及從成年到老年[13]的過程中,老化本身對β細(xì)胞的體積無明顯影響[20,35]。

2 老化與β細(xì)胞功能

胰腺BCM是胰島素分泌的物質(zhì)基礎(chǔ)。胰島素的分泌需要β細(xì)胞葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)代謝、細(xì)胞膜電活動、鈣信號和胞吐等環(huán)節(jié)的精細(xì)耦合調(diào)節(jié)。此外,外周胰島素敏感性的變化可調(diào)節(jié)β細(xì)胞的胰島素分泌。雖然有研究提示老化與人類β細(xì)胞胰島素分泌沒有明顯相關(guān)性[4],但更多的體內(nèi)研究——特別是使用葡萄糖鉗夾技術(shù)來評估β細(xì)胞功能時——發(fā)現(xiàn)β細(xì)胞功能可能會隨著年齡的增長而下降,特別是當(dāng)外周胰島素敏感性下降時[2,3,36]。

由于體內(nèi)胰島素的釋放依賴于眾多的系統(tǒng)調(diào)節(jié)和影響,因此直接測量胰島素的分泌對于了解β細(xì)胞在老化過程中的功能變化至關(guān)重要。一些研究分析了分離的人類胰島的胰島素釋放,所得結(jié)果不盡相同。將分離的胰島進(jìn)行灌流(17～65歲)[35]或靜態(tài)孵育(15～68歲)[25],β細(xì)胞的葡萄糖刺激的胰島素分泌(glucose-stimulated insulin secretion,GSIS)[35]或胰島素分泌指數(shù)(insulin secretory index,ISI)[25]不受年齡的影響。相比之下,Lyon等[37]研究發(fā)現(xiàn),GSIS和ISI隨著年齡增長呈下降趨勢(18～80歲)。Henquin等[38]用磺脲類藥物甲苯磺丁脲刺激分離的人胰島,發(fā)現(xiàn)胰島素分泌功能也隨著年齡增長而降低(20～68歲)。一些研究對β細(xì)胞在老化過程中功能下降的機(jī)制做了探索。分離胰島(16～70歲)并進(jìn)行體外研究表明,相較于≤40歲的人群,GSIS在>40歲的人群中更低,與年齡呈負(fù)相關(guān),這種分泌指數(shù)的下降與老年β細(xì)胞內(nèi)ATP的產(chǎn)生減少有關(guān),提示β細(xì)胞的能量代謝已受損[39]。同時,人類β細(xì)胞中線粒體DNA拷貝數(shù)(17～75歲)[40]和線粒體功能(19～64歲)[41]隨年齡增大而減少,并且與年齡相關(guān)胰島素分泌能力下降有關(guān)。此外,Westacott等[42]分離胰島(11～62歲)靜態(tài)孵育發(fā)現(xiàn),年齡越大的β細(xì)胞其GSIS降低,且分泌動力學(xué)受損,這與β細(xì)胞之間的縫隙連接通訊和鈣信號協(xié)調(diào)下降有關(guān)。最后,老化還與一些基因的胰島DNA甲基化有關(guān),其中一些與β細(xì)胞和線粒體功能以及T2DM有關(guān)(26～74歲)[3]。

綜上體外實(shí)驗(yàn),老年人的β細(xì)胞功能可能會下降(圖1)。成人β細(xì)胞壽命很長[21],隨著年齡的增長,機(jī)體內(nèi)β細(xì)胞受到各種長時間的應(yīng)激,在這個過程中,其可能需要長時間的代償反應(yīng)來適應(yīng)機(jī)體對于胰島素的需要。老年人的β細(xì)胞有限的適應(yīng)能力可能更容易在應(yīng)激條件下出現(xiàn)功能下降,導(dǎo)致其更容易從正常血糖穩(wěn)態(tài)進(jìn)展到IGT和T2DM。

3 β細(xì)胞在老化過程中的研究局限和展望

目前,大量體內(nèi)外研究都報道了人類胰腺BCM和功能隨年齡的變化。然而,一些研究在某些方面出現(xiàn)了不同的觀察結(jié)果,導(dǎo)致了難以解釋的結(jié)論。重要的是要考慮這種異質(zhì)性的原因,以便在未來的研究中盡量減少此種情況發(fā)生。首先,一些研究的年齡跨度較小,甚至沒有囊括衰老期(>65歲)的成年人。其次,老化與外周胰島素敏感性的變化有關(guān)[5],故老年人群中胰島素抵抗的存在會影響他們的β細(xì)胞反應(yīng),也會影響葡萄糖穩(wěn)態(tài),導(dǎo)致分析老化的具體影響變得更加困難[6-8]。其他原因還包括使用不同的實(shí)驗(yàn)方法、細(xì)胞模型(即整個胰腺、分離的胰島或β細(xì)胞)、結(jié)局評價指標(biāo)、性別[43]等。

綜上,老化與BCM和功能調(diào)節(jié)有關(guān),這可能對葡萄糖穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)有重要影響。胰腺BCM在老年人中相對保存下來。人類成年期的β細(xì)胞增殖率和凋亡率都很低,對成人BCM特別是老化過程中的整體調(diào)節(jié)應(yīng)該是有限的。其次,β細(xì)胞的新生和體積改變在人類老化過程中無明顯改變。此外,雖然老化可能涉及β細(xì)胞特性的改變、β細(xì)胞的去分化和成熟喪失,但對BCM的整體調(diào)節(jié)有限,這可能是未來的研究熱點(diǎn)。大量的研究也報道了GSIS和(或)其調(diào)控的關(guān)鍵步驟,如線粒體功能受損、ATP生成減少、鈣信號紊亂和細(xì)胞間通訊等與年齡相關(guān)的變化。代償性β細(xì)胞反應(yīng)可能會隨著年齡的增長而減弱,這種減弱的代償反應(yīng)可能部分源于衰老β細(xì)胞的積累,因?yàn)槭褂每顾ダ纤幬锬芮宄∈蟛±淼乃ダ夕录?xì)胞,進(jìn)而改善胰島素的分泌[44],未來的工作應(yīng)該進(jìn)一步加快此類治療方法向臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化研究。