游离脂肪酸与骨骼肌胰岛素抵抗的研究进展

[摘要] 胰岛素抵抗与肥胖、2型糖尿病、高血压、脂代谢紊乱、异常血凝及纤溶等代谢综合征的发生和发展密切相关。虽然胰岛素抵抗发生机制尚不完全清楚，但大量研究表明游离脂肪酸在机体胰岛素抵抗，特别是骨骼肌胰岛素抵抗方面发挥重要作用。本文就游离脂肪酸引起骨骼肌胰岛素抵抗的作用及其机制进行综述，以期为胰岛素抵抗的改善及治疗带来新的手段。

[关键词] 游离脂肪酸；骨骼肌；胰岛素抵抗；代谢综合征

[中图分类号] R589[文献标识码] A[文章编号] 1674-4721（2014）05（a）-0186-03

Research progress of free fatty acid and insulin resistance in skeletal muscle

QU Wen-juan LI Zhi-yong▲

Department of Endocrinology,Yongchuan Hospital Affiliated to Chongqing Medical University,Chongqing402610,China

[Abstract] Insulin resistance is strongly associated with metabolic syndrome characterized by obesity,type 2 diabetes,hypertension,dyslipidemia,abnormalities of blood coagulation and fibrinolysis.The precise mechanisms linking insulin resistance to these syndromes have not been completely defined.A growing body of evidence suggests that the elevated plasma free fatty acid level plays an important role in the development of insulin resistance,especially skeletal muscle insulin resistance.In the present review,to discuss the mechanism involved in the regulation of insulin sensitivity by free fatty acids in order to improve the insulin resistance and bring new means.

[Key words] Free fatty acid;Skeletal muscle;Insulin resistance;Metabolic syndrome

胰岛素抵抗（insulin resistance，IR）是指单位浓度的胰岛素生物学效应减低的现象，即机体对正常浓度的胰岛素敏感性下降，随之引起胰腺β细胞代偿性分泌大量胰岛素，当这种代偿能力损伤且不能控制血糖时，即发展为2型糖尿病（type 2 diabetes，T2DM）。IR与肥胖等多种代谢综合征（如肥胖、高血压、动脉粥样硬化、血脂代谢紊乱、非酒精性脂肪肝疾病、异常血凝及纤溶等）的发生和发展密切相关，虽然他们间的具体联系及相互作用机制尚不完全明确，但是大量研究表明，游离脂肪酸（free fatty acid，FFA）在骨骼肌IR中发挥着至关重要的作用。本文就FFA与骨骼肌IR的关系及可能发生机制作简要综述。

1 FFA与骨骼肌IR的相关性

肥胖及相关疾病人群中，循环FFA水平显著增加[1]。体内研究表明，向机体灌注肝素化的脂乳剂，在体内循环FFA水平急剧升高的2～4 h内，胰岛素刺激葡萄糖吸收（80%发生在骨骼肌）明显受到抑制[2]；体内FFA恢复生理水平4 h后，胰岛素刺激葡萄糖吸收短时间内恢复正常[3]。体外细胞实验发现，高浓度FFA长时间作用明显导致骨骼肌细胞及心肌细胞严重的IR，其中饱和脂肪酸（如棕榈酸及硬脂酸）是诱导IR的主要脂肪酸[4]，由此可见，FFA与骨骼肌IR的病理生理发展密切相关。

2 FFA促进IR的机制

近年来，虽然对FFA促进IR的可能机制作了大量研究，但是FFA如何促进IR、如何影响胰岛素的生理作用及具体调控机制尚未完全明了，以下就目前主要机制进行分类叙述。

2.1 Randle cycle学说

1963年，Randle等给予鼠膈肌及心脏大量FFA，发现FFA氧化明显增加，而葡萄糖的流出及利用减弱，由此提出FFA氧化与葡萄糖的利用存在竞争性抑制，即Randle cycle学说[5]。FFA氧化代谢的增高，引起乙酰CoA产生增多，通过变构调节导致丙酮酸脱氢酶（pyruvate dehydrogenase，PDH）活性受到明显抑制，从而引起三羧酸循环减弱和枸橼酸大量蓄积，协同ATP/ADP升高，使葡萄糖分解的关键酶磷酸果糖激酶（phosphofructokinase，PFK）及己糖激酶活性被显著抑制，从而导致葡萄糖分解减弱；其次，由于PFK活性减弱，导致细胞内6-磷酸葡萄糖增多，进一步抑制己糖激酶活性，胞内葡萄糖大量蓄积，最终使葡萄糖吸收、利用减弱[6]。反之，葡萄糖氧化也可以抑制脂肪酸的氧化利用。在临床研究中发现，在健康人进行高胰岛素正血糖钳夹过程中，静脉输注人脂乳剂6～8 h后，血浆FFA水平升高，骨骼肌中胰岛素刺激葡萄糖吸收及利用明显损伤，且伴二脂酰甘油（diacylglycerd，DAG）、蛋白激酶C（protein kinase，PKC）及IKB-α的降低[7]。FFA引起的IR不仅与葡萄糖摄取减弱有关，而且与葡萄糖转运或磷酸化受损有关，而非己糖的分解代谢[8]，由此可见，Randle cycle并不能完全解释FFA对糖代谢的影响，说明FFA可能还通过其他机制促进IR。

2.2 FFA调节骨骼肌胰岛素信号通路

胰岛素与受体α亚基结合，诱发β亚基自身酪氨酸磷酸化，并激活下游胰岛素受体底物（insulin receptor substrate，IRS）酪氨酸磷酸化，与含有SH2的蛋白质磷脂酰肌醇-3（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）结合，使之激活，并激活下游AKT磷酸化，经过一系列信号转导，促进葡萄糖吸收、摄取及利用。IRS除酪氨酸磷酸化外，还可以发生丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）磷酸化。IRS的Ser/Thr磷酸化，对胰岛素发挥作用产生拮抗。研究表明，FFA通过调节骨骼肌胰岛素作用信号通路关键分子的表达或活性诱导IR。向体内输注脂质，发现IRS-1酪氨酸磷酸化、PI3K激酶活性、AKT磷酸化及活性显著下调[4]。多项研究发现，在不同类型的肌细胞给予饱和脂肪酸棕榈酸，胰岛素受体表达及其活性显著下调，IRS-1及IRS-2的酪氨酸磷酸化程度减弱，同时AKT及GSK-3β的活性明显被抑制[9]。据报道，FFA能激活PKCs、IKKβ、JNK、NF-κB及p38 MAPK等激酶，从而促使IRS-1的Ser/Thr磷酸化，引起IRS-1活性减弱，促进蛋白酶降解IRS-1，使其表达减弱，且能抑制IRS-1的酪氨酸磷酸化，最终抑制或阻断胰岛素发挥作用的通路，促使IR的发生和发展[10]。

2.3 FFA引起脂质异位聚集-脂毒性

在遗传因素和（或）环境因素的影响下，脂质代谢发生紊乱、异常，脂肪分布流向脂肪储存容量很少的非脂肪细胞、组织及器官，如骨骼肌、肝脏及心肌细胞等，称为脂肪异位沉积。脂肪的异位沉积是IR发生的主要因素。特别是肌细胞内脂质水平，在T2DM、糖耐量异常个体或肥胖个体中都明显升高，且均与机体胰岛素敏感性密切相关[11]。FFA蓄积在心肌细胞的主要形式有长链脂酰CoA、单脂酰甘油、DAG、三酰甘油（triglyceride，TG）、神经酰胺等，其中DAG、TG及神经酰胺与骨骼肌IR发生密切相关。多个实验室的研究发现，高脂喂养诱导的IR动物的心肌内DAG及TG显著增高，促使PKC活性增高，且引起PKC-β、PKC-δ从细胞质向细胞膜转移[7]；在将调节脂代谢的关键基因进行敲除或抑制后，心肌细胞内升高的DAG及TG显著被抑制[12]；心肌内PKC-θ活性同样显著升高。研究表明，DAG可能通过激活PKC激酶的不同亚基，诱导IRS-1的丝氨酸磷酸化，降低酪氨酸磷酸化，阻断胰岛素作用通路，抑制胰岛素敏感性，从而促进IR的发生[7]。高饱和脂肪酸引起肌细胞内神经酰胺及神经鞘胺醇水平显著增多，增多的神经酰胺可能通过以下两个方面调节胰岛素作用，一方面通过调节胰岛素信号通路变化（如AKT及GSK磷酸化）促进IR；另一方面神经酰胺通过蛋白磷酸酶2A促使AKT酪氨酸去磷酸化或通过激活PKC抑制AKT的转位[13]。其他脂类代谢物质如磷脂酸、磷脂酰胆碱等与骨骼肌IR同样有密不可分的关系，如磷脂酸通过激活JNK激酶、促使IRS-1丝氨酸磷酸化，促进骨骼肌IR的发生[14]。脂类代谢物质激活蛋白激酶PKCs的具体机制，脂类中间代谢产物与IR的关系及相互作用都尚不完全清楚，因此，此环节的研究将会为IR改善带来新的治疗手段。

2.4 炎症通路的激活

FFA通过与TLRs家族成员直接作用或间接通过促进（如TNF-α、IL-6及IL-1β等）促炎因子分泌，激活炎症信号通路，干涉胰岛素作用，促进IR[15]。在骨骼肌中，FFA通过TLRs受体促进JNK及IKK激酶复合物激活，激活的IKK激酶在胞质催化IκB激酶磷酸化，从而对NF-κB的抑制作用减弱，同时诱导NF-κB激酶抑制物IκBα降解，导致NF-κB激酶释放、激活进入胞核，诱使炎症因子的大量分泌；激活的JNK及IKK激酶能促进IRS-1的Ser/Thr磷酸化，抑制胰岛素刺激的IRS-1酪氨酸磷酸化，减弱胰岛素生物学作用。反之，在糖尿病及肥胖小鼠中，利用特异性化学抑制剂或基因抑制JNK及IKK激酶复合物激活能明显改善机体IR及糖耐量[16]。

2.5 FFA促使活性氧（reactive oxygen species，ROS）的大量产生

骨骼肌ROS水平与T2DM、肥胖及代谢综合征的病理生理过程紧密相关，此关系及相互机制受多因素调控，多条信号分子及通路的激活或抑制[17]。体内ROS来源丰富，如营养物质代谢产物、内质网应激及不同毒性物质的解毒过程中产生的中介物。适量ROS与机体细胞黏附、代谢、免疫反应及激素作用等生理过程息息相关；相反，过量的ROS促进机体老化、动脉粥样硬化、肥胖、T2DM及肿瘤等疾病的发生。研究显示，高浓度的ROS通过抑制IRS-1的活性、降低GLUT-4转录表达及线粒体功能损伤胰岛素信号通路[18]。动物氧化剂能显著促进骨骼肌ROS的产生、促进氧化应激，导致IR[19]。抗氧化剂（如维生素E、牛磺酸等）能明显减少骨骼肌ROS水平、改善IR[20]，由此可看出ROS在IR中发挥着重要的作用。代谢综合征个体中ROS水平明显升高，随后在体外研究发现，FFA能显著增加机体骨骼肌细胞ROS的产生，可能与线粒体电子传递链、NADPH氧化酶活性及PKC活性密切相关[21]。

2.6 FFA引起线粒体功能受损

IR者体内线粒体数量、功能及氧化能力明显减弱，从肥胖及T2DM人群分离的原代心肌细胞及肌肉组织中发现，线粒体密度减少伴FFA氧化能力减弱[22]。在肥胖、T2DM及代谢综合征中，检测出线粒体大量存在DNA突变及其基因多态性[23]，说明线粒体功能紊乱与IR的发生和发展密切相关。研究发现，人体大量脂质及高脂喂养的鼠中线粒体ATP合成酶、线粒体氧化代谢及氧化磷酸化过程减弱或抑制，导致线粒体功能紊乱，与此一致的是给予肌细胞棕榈酸，能显著增加ROS产生，减弱FFA氧化代谢，降低PGC-1α的转录活性，ATP合成酶合成减少及线粒体膜电位紊乱，最终引起肌细胞IR[24]。除此之外，发现具有IR的肥胖者及T2DM患者骨骼肌中众多参与线粒体生理功能的关键酶，如细胞色素C氧化酶、电子传递链中复合物Ⅰ及Ⅲ、枸橼酸合成酶、β-羟甲基CoA脱氢酶及肉毒碱脂酰基转移酶Ⅰ等酶活性显著减弱，且FFA刺激肌细胞引起这些酶的活性或蛋白表达也受到抑制。以上关键酶的活性减弱强有力地抑制线粒体氧化能力，引起线粒体功能紊乱，最终导致IR相关性疾病的发生、发展。

3 小结与展望

近年来，国内外通过饮食调节、运动锻炼、药物干预、外科手术及基因治疗，在降低循环脂肪酸水平及改善脂肪酸诱使IR的中间环节，调控全身IR中进行了大量的临床与基础研究，在一定程度上可以减慢，甚至阻止骨骼肌IR的进展。建立方便、快捷、简单、可靠的方法检测微量血中FFA，寻找有效的降低循环中高水平的FFA的治疗药品等众多问题仍亟待解决。

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（收稿日期：2014-03-25本文编辑：李亚聪）

▲通讯作者