激活AMPK/SIRT1通路在改善认知功能障碍中的作用

宋妍泓高秋实 薛杭 赵平

中国医科大学附属盛京医院麻醉科，沈阳 110004

国际麻醉学与复苏杂志,2022,43(3):327-336

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20201201‑00513

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【综述】

近年来随着全球人口老龄化趋势不断加强，认知功能障碍的患者群体也在日趋庞大。认知功能障碍是高级神经系统功能受到损伤之后的一种临床表现，主要包括感知、记忆及思维障碍。其原因是多种多样的，包括脑部器质性病变、精神疾病、其他器官（心、肾、肝等）衰竭引起的脑病以及药物、毒物刺激等。认知水平下降不仅会严重危害患者个人身心健康，还会给家庭和社会带来沉重负担，因此对认知功能障碍的预防和治疗尤为重要。

1　腺嘌呤核糖核苷酸（adenosine monophosphate, AMP）活化蛋白激酶（AMP‑activated protein kinase, AMPK）/沉默信息调节因子1（sirtuin 1, SIRT1）通路概述      

AMPK为AMP依赖的蛋白激酶，是一种在进化上高度保守的代谢传感器，具有维持细胞稳态和能量平衡的作用。AMPK被上游激酶直接激活后可影响下游糖、蛋白质、脂肪的合成与分解，维持ATP的动态平衡 ；AMP/ATP或腺苷二磷酸（adenosine diphosphate, ADP）/ATP以及生理应激（如肌肉收缩、营养缺乏、缺血/缺氧等）也可以作为刺激因素激活AMPK，提高机体应对内外环境变化的能力；此外，AMPK的小分子激活剂可以不依赖于核苷酸水平直接激活AMPK 。活化后的AMPK可以参与多种基本生物学过程，如细胞生长、增殖、凋亡和自噬，不仅与肿瘤发生和能量代谢性疾病密切相关，还可以在神经退行性疾病的治疗中发挥作用 。

SIRT1是 sirtuin家族的成员，为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+）依赖的去乙酰化酶，可以通过发挥去乙酰化作用参与细胞分化、凋亡、氧化应激以及自噬等多个过程的调节。SIRT1的表达主要受到NAD+/NAD+的还原态（redued form of nicotinamide adenine dinucleotide, NADH）、烟酰胺（nicotinamide, NAM）以及NAD+生物合成限速酶（nicotinamide phosphoribosyltransferase, NAMPT）的影响 。近年来许多研究发现SIRT1具有神经保护作用，通过上调SIRT1表达可以改善认知功能，有效预防和减缓多种神经退行性疾病的发生 。激活AMPK/SIRT1通路可以用于治疗阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）、帕金森病（Parkinson disease, PD）、脑长期低灌注、术后认知功能障碍（postoperative cognitive dysfunction, POCD）和2型糖尿病等多种疾病引起的认知功能受损。

AMPK和SIRT1都与能量代谢有着密切的联系，在维持能量稳态方面，二者之间常表现为协同作用，它们之间还可以相互作用调节彼此的表达。AMPK可以作为SIRT1的激活剂，通过NAMPT、NAD+、抑癌基因p53和乳腺癌缺失基因1（deleted in breast cancer, DBC1）影响SIRT1活性。在葡萄糖限制的条件下，AMPK通过促进NAMPT的表达从而激活SIRT1，影响骨骼肌母细胞的分化，使其被动地适应低营养的环境变化 ，另一种观点认为AMPK并不依赖于NAMPT而是通过增加细胞中烟酰胺腺嘌呤二核苷酸还原酶第一亚基水平来激活SIRT1 ；但两者的研究都证明了AMPK对SIRT1的激活效应。p53和DBC1都可以抑制SIRT1活性，AMPK可以减少活性氧（reactive oxygen species, ROS）的生成从而抑制p53，也可以促进DBC1‑SIRT1复合体解离，减轻DBC1的抑制作用，最终都表现为提高SIRT1活性 。SIRT1也可以反向调节AMPK，在体外培养的人胚胎肾细胞系和大鼠体内肝细胞中，SIRT1过表达可以降低AMPK上游激活物肝激酶B1（liver kinase B1, LKB1）的去乙酰化水平，增加LKB1的细胞质/细胞核及其与激活剂的结合，进而激活AMPK 。AMPK和SIRT1之间的关系是错综复杂的，它们之间的相互调节与细胞类型和细胞功能密切相关。

综上，AMPK和SIRT1是与机体内环境稳态和能量平衡相关的重要分子，但目前认知功能障碍的机制尚不明确，因此本文将这两种分子在神经细胞中的作用进行总结，以期为未来治疗认知功能障碍相关疾病提供新思路。

2　AMPK/SIRT1通路拮抗氧化应激、抑制凋亡、保护脑细胞

2.1　氧化应激是引起认知功能障碍的机制之一

氧化应激是由于体内氧化与抗氧化作用失衡，即自由基、反应性代谢物ROS等的生成和消除之间的不平衡，这种失衡会对机体产生许多负面作用，被认为是衰老和许多疾病的重要因素 。超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶和丙二醛是反映氧化应激水平的重要指标。超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶是生物体内重要的抗氧化酶，其作用是保护细胞膜的结构和功能不受干扰和损害，可以反映机体抗过氧化的能力。丙二醛是脂质发生过氧化反应的终产物，可以间接反映组织过氧化损伤程度 。有研究表明记忆受损与丙二醛水平升高相关 。通过测定AD患者氧化应激水平，可以发现AD患者认知功能损害与抗氧化因子水平下降有关 ；在PD患者大脑中，过多的ROS可刺激氧化应激，进而诱导神经细胞凋亡。在脑脊液、血浆中可以检测到潜在的生物标记物，说明氧化应激参与了PD的发病机制 。自由基的增多和抗氧化剂水平的下降可以激活多种炎症因子，从而损伤脑细胞。已经有越来越多的研究证明氧化应激与衰老及神经退行性疾病密切相关，是引起认知功能障碍的机制之一。拮抗氧化应激是改善认知功能下降的重要途径。

2.2　激活AMPK/SIRT1通路拮抗氧化应激的治疗性作用

许多研究证明，激活AMPK/SIRT1通路对神经元有修复和保护作用。最近的研究发现许多药物可以通过激活这条通路发挥神经保护作用，如N‑乙酰半胱氨酸、利格列汀以及甘露聚糖等。N‑乙酰半胱氨酸可通过激活AMPK/SIRT1通路减轻缺氧诱导的内皮细胞氧化应激和凋亡水平，发挥神经保护作用 。神经脱髓鞘病变是许多神经退行性疾病的重要机制，可引起严重的神经功能障碍 。利格列汀是一种新型的口服降糖药，研究表明它可使细胞内AMPK及SIRT1表达增加，并使脱髓鞘模型小鼠脑组织中升高的硫代巴比妥酸反应物和还原性谷胱甘肽恢复正常。此外还有一些药物可抑制氧化应激来发挥神经保护作用，甘露聚糖是一种来源于山竹的氧杂蒽酮，它可以通过激活AMPK/SIRT1/过氧化物酶体增殖活化受体γ辅助活化因子1α（peroxisome proliferators‑activated receptor‑γcoactivator‑1α, PGC‑1α）通路拮抗谷氨酸引起的活性氧聚积和线粒体超极化 。PGC‑1α是与线粒体代谢相关的另一重要分子，它可以作为SIRT1的下游参与调节生物基本活动，保护神经细胞。通过激活AMPK/SIRT1/PGC‑1α通路，可使解耦联蛋白2生成增加，减少ROS的生成，进而减少氧化应激引起的神经细胞凋亡，从而使短期行为缺损和长期神经功能得到改善 。

综上，许多治疗性药物可以作用于AMPK‑SIRT1通路，进而影响下游分子的表达，减轻脑细胞的氧化应激反应，保护神经的正常功能。但目前这种新型药物的研究较少，其是否能够应用于临床还需要进一步探索。 

3　AMPK/SIRT1可以通过激活自噬起到神经保护作用      

3.1　自噬与神经细胞功能

自噬是指依赖溶酶体途径降解自身蛋白质和细胞器，从而满足代谢需要和细胞器更新的过程。它包括非选择性和选择性两种类型，非选择性自噬被称为一种饥饿反应，而选择性自噬是指细胞为了适应环境变化，清除机体内衰老、受损的细胞结构以及无用的大分子，选择性自噬的缺陷可能与神经退行性疾病相关 。在神经系统中，基础自噬可以帮助消除细胞内毒性因素，保护脑细胞正常功能，但超过一定阈值的自噬可能会起到相反作用，成为引起细胞死亡的另一种方式 。自噬在神经细胞中起重要的作用，虽然关于自噬促生存和促死亡仍然存在许多争议，激活过度自噬的条件尚不明确，但研究出新的药物激活细胞选择性自噬可以为治疗认知功能障碍提供新思路。

3.2　AMPK/SIRT1通路激活自噬的治疗性作用

AMPK是参与细胞自噬的重要分子，当机体处于饥饿状态时（AMP/ATP水平升高），AMPK生成增加，它可以直接激活诱导自噬的关键激酶 。SIRT1也可参与调控自噬，但其具体机制还有待进一步研究证实。其机制可能与细胞核中的微管相关蛋白1轻链3（microtubule‑associated protein 1 light chain 3, LC3）相关，SIRT1与LC3相互作用进而影响自噬空泡的形成。在PD的一项哺乳动物实验研究中，Sirt1激活剂白藜芦醇可以使LC3‑Ⅱ等表达增加，通过自噬把细胞内错误折叠的蛋白质和功能受损的线粒体清除，在神经功能保护中发挥重要作用 。目前关于白藜芦醇的研究较为广泛，在器质性病变（如蛛网膜下腔出血）中应用也发挥保护神经细胞的作用 。最新的一项研究中还发现细胞周期依赖性激酶5（cyclin‑dependent kinase

5, CDK5）抑制剂也具有改善认知功能的作用 。

AMPK/SIRT1介导的自噬途径在神经元保护中起着重要作用。AMPK可正向调节SIRT1，AMPKα1过表达既可以通过激活AMPK/SIRT1信号通路，也可以直接激活自噬。实验发现，POCD大鼠海马中AMPKα1亚基水平明显降低。AMPKα1过表达可以激活AMPK/SIRT1通路和自噬信号转导，提升大鼠认知能力 。

综上，白藜芦醇、CDK5抑制剂以及AMPKα1可作用于AMPK/SIRT1通路，使细胞自噬活动增强，进而降解有毒物质和老化的细胞器，从而改善认知功能障碍。

4　AMPK/SIRT1参与调节神经炎症      

4.1　神经炎症是引起患者认知功能障碍的重要机制

在正常情况下，炎症是机体面对刺激时的一种防御反应，但持续的炎症刺激也可能会导致组织细胞损伤，参与到许多慢性疾病的发病过程中。IL‑1β、TNF‑α以及IL‑6等促炎细胞因子可以通过初级自主神经细胞通路、血脑屏障或侧脑室周围区域与大脑进行沟通，影响小胶质细胞激活并削弱星形胶质细胞的紧密连接；炎症刺激会引起小胶质细胞产生持续自我放大效应，数目不断增加，逃脱严格控制而出现神经毒性，引起老年患者认知功能障碍 。因此，调节炎症细胞因子的产生可以从一定程度上改善患者认知功能。

4.2　AMPK/SIRT1抗炎作用可用于改善患者认知功能受损

AMPK可作为SIRT1激活剂上调SIRT1的表达，而SIRT1则通过调节下游分子的乙酰化状态发挥抗炎作用。SIRT1发挥抗炎作用的具体分子机制尚不明确，可能与NF‑κβ、转录激活因子和组蛋白等相关 。最近在血管性痴呆的治疗研究中，脑啡肽可激活AMPK/SIRT1信号通路，改善痴呆大鼠海马区细胞的病理改变，促进髓鞘再生和抑制炎症因子的表达，减轻脑出血后的认知功能损害 。神经炎症被认为是全身麻醉药引起POCD的关键因素 ，血清补体C1q/肿瘤坏死因子相关蛋白‑3过表达也可以通过AMPK/SIRT1介导抗炎作用，改善七氟醚麻醉引起的POCD 。此外，SIRT1激活剂白藜芦醇可以降低小胶质细胞中促炎细胞因子的释放，保护细胞免受炎症损伤 。其机制可能与SIRT1激活下游分子从而抑制炎症相关。

综上，许多神经退行性疾病及认知功能损伤与神经炎症相关，AMPK/SIRT1通路的激活可以减少炎症因子的转录，从而减少炎症诱发的神经细胞凋亡，改善患者认知。

5　总结与展望      

氧化应激和神经炎症都可以引起神经细胞凋亡，是使机体发生认知功能损害的重要机制；激活自噬则可以保护神经细胞，在许多神经退行性疾病的治疗中发挥作用。AMPK/SIRT1通路可以拮抗氧化应激、激活细胞自噬、抑制神经炎症，但许多情况下，这三者之间并不是独立存在的，持续的氧化应激既可以引起慢性神经炎症，又可以作为直接刺激因素诱导细胞凋亡，可以说明的是AMPK/SIRT1通路与认知功能障碍之间存在联系。

随着生物‑心理‑社会医学模式的转变，改善认知功能障碍受到越来越多研究者的关注，但目前尚未发现特效药物。许多药物的神经保护作用仅在动物实验或某一特定疾病中证实，尚未广泛探索。AMPK和SIRT1作为维持细胞稳态和代谢平衡的关键分子，它们既可以独立存在，又可以相互激活，它们之间的复杂关系以及上下游分子仍有待于进一步研究，将为未来治疗认知功能障碍相关疾病提供新可能。