AMP活化蛋白激酶和代謝控制

目錄

摘要

一、 前言

二、 通過靶向AMPK用於T2D的藥理學管理的理論

三、 AMPK的結構和調節靶向

四、 AMPK途徑的有益代謝效應

4.1 模仿體育運動的有益效果

4.2 模擬卡路里/飲食限制的有益效果

4.3 模擬降血糖藥的有益效果

4.3.1 AMPK在肝中的作用

4.3.2 AMPK在骨骼肌中的作用

4.3.3 β細胞中的AMPK作用

4.4 模擬降血脂藥物的有益效果

4.5 模仿抗肥胖藥物的有益效果

五、 靶向AMPK途徑代謝併發症的益處

5.1 AMPK和缺血性心臟

5.2 AMPK和內皮功能障礙

六、 結論

摘要

    腺苷單磷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK），一種系統發育保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是一種細胞和全身能量穩態的主要調節器，其協調代謝途徑以平衡營養供應與能量需求。AMPK是一個感應細胞內能量代謝的關鍵調控者，AMPK能影響基因的開啟和關閉，AMPK直接影響DNA基因的轉錄，在細胞核內兩種基因的組織蛋白受到AMPK的調控。AMPK 在骨骼肌、肝臟及脂肪組織中活化會減少血糖濃度、血漿中脂質濃度及異常的脂肪累積，並增加胰島素敏感性。

    現在認識到，AMPK的藥理學活化作用改善了胰島素阻抗囓齒動物的血糖穩態，脂質分佈和血壓。事實上，AMPK激活模仿身體活動或卡路里限制的作用於多個細胞靶標的有益效果。此外，現在證明了AMPK是主要抗糖尿病藥物，包括雙胍（二甲雙胍，metformin）和噻唑烷二酮類(thiazolidinediones，TZD)，以及胰島素敏化脂肪因子（例如，脂連蛋白，adiponectin）的可能（儘管間接）靶標之一。因此 AMPK 可作為預防與治療第二型糖尿病的分子標耙。總之，這些發現突出了靶向AMPK途徑用於治療代謝綜合徵候群和2型糖尿病的概念的邏輯。

關鍵詞：AMP激活蛋白激酶，能量平衡，糖尿病，肥胖，治療戰略。

一、 前言

    肥胖（定義為體重指數（BMI）> 30 kg.m^-2）和代謝綜合徵候群是可以被認為是T2D的前體的相關病症，並且增加發展該疾病的風險> 20倍。雖然這些條件顯然具有遺傳成分，如某些種族群體的高發病率所示，世界人口中這些病症的流行率的快速增加表明環境因素的貢獻。對這些條件日益普遍的普遍接受的解釋是，高能量和低纖維含量的加工食品的頻繁消耗，以及由於現代城市環境中久坐的生活方式減少的體育運動。因此，由於能量攝入和能量消耗之間的不平衡而導致肥胖，其中熱量過剩優先作為脂肪在脂肪組織中累積，而且在肌肉和肝臟中累積。能量平衡的破壞導致T2D和相關合併症的增加，例如冠心病，心力衰竭，高血壓和腎衰竭。

    2型糖尿病（T2D）在世界範圍內具有高流行性，並且其治療對健康預算產生相當大的成本。T2D的預防和管理已成為世界各地的一個主要的公共衛生挑戰。糖尿病由高於7mM的空腹血糖定義。T2D的特徵在於作為骨骼肌，肝臟和脂肪組織中組合的胰島素阻抗的結果，改變的脂質和葡萄糖代謝（空腹或餐後高血糖，血脂異常），以及由於β細胞的胰島素分泌的相對缺陷，其可能由於能量攝入和消耗。胰島素是刺激燃料受質的吸收和儲存，同時抑制外周組織中受質產生的主要合成代謝激素。它通過促進葡萄糖攝取，主要進入骨骼肌和脂肪組織，以及通過抑制肝臟中的內源性葡萄糖產生來降低血糖水平。當正常劑量的胰島素不能引起其代謝反應時，發生胰島素阻抗。外周胰島素阻抗與特定區室即脂肪和肝臟中的脂質分配相關，超過肥胖本身。在2型糖尿病的自然史中，胰腺β細胞通過增加胰島素分泌而初始補償胰島素阻抗，但隨著時間的推移，進行性β細胞衰竭導致胰島素缺乏，並且導致高血糖。

    生活方式干預現在被認為是T2D的管理的第一線策略，並且對於優化代謝控制仍然重要。這得到觀察性研究和臨床試驗的支持，比較飲食，藥物或運動在2型糖尿病高風險人群中的各自的影響。糖尿病預防計劃（DPP）研究小組進行了一項大規模的隨機臨床試驗，該試驗涉及美國的成年人，他們處於這種疾病發展的高風險中。在這項研究中，生活方式干預是特別有效的（而不是口服降血糖藥）來預防糖尿病的發病。在臨床實踐中，當生活方式的改變無法實現或維持足夠的血糖控制時，通常使用胰島素或口服抗糖尿病藥物來控制疾病。口服藥劑的治療選擇是非常多樣的，包括二甲雙胍(metformin)，噻唑烷二酮類（TZD），α-葡萄糖苷酶抑制劑，磺醯脲類(sulphonylureas)，DPP-4抑制劑和GLP-1類似物。目前可用的口服藥劑種類在作用機制和持續時間以及它們降低血糖和它們的副作用特徵（包括低血糖，體重增加，水腫，骨折，乳酸性酸中毒，和胃腸道不耐症）的程度上不同。因為認識到T2D是隨時間惡化的進行性疾病，所有可用的藥物可以單獨使用或以不同的關聯使用。

    迫切需要開發新的治療策略以預防和治療T2D。令人興奮的最近的發展已經表明AMP活化蛋白激酶（AMPK），一種系統發育保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，作為監測系統和細胞能量平衡的調節信號的積分器，從而提供了新興的概念，如Winder和Hardie在1999年首次提出的，AMPK是一種干預的有吸引力的治療靶點，在包括T2D和胰島素阻抗的能量平衡混亂的許多條件下。

二、 通過靶向AMPK用於T2D的藥理學管理的理論

    體育活動是預防和控制T2D的重要決定因素。當前指南推薦實際、定期和中度身體活動方案。響應於身體活動而發生的多種代謝適應可以改善對患有T2D的個體的血糖控制或延遲疾病的發作。事實上，現在已經認識到，在胰島素阻抗群體中仍然保持身體活動的有益效果。這表明運動的一些代謝作用（作為肌肉葡萄糖攝取的增加）取決於繞過胰島素阻抗改變的信號的特定細胞內途徑。因此，誘導與全身代謝的體育運動相似的有利變化的任何藥物，是治療和預防肥胖、代謝綜合徵候群和T2D的有吸引力的候選者。有趣的是，現在已經確立肌肉收縮(muscle contraction)是一種原型的AMPK激活劑。因此，預期身體活動的一部分效果，預防與久坐的生活方式相關的代謝障礙的發展是由於AMPK的活化。事實上，已經證明，藥理學AMPK活化可能重現一些運動誘發的短期適應，並且可能介導運動對骨骼肌中胰島素敏感性和葡萄糖轉運的有益效果。此外，藥理學AMPK活化導致長期適應，類似於由耐力運動訓練誘導的與氧化代謝相關的基因的誘導和增強的運行耐力。

    在糖尿病預防計劃（DPP）中，與安慰劑相比，在3年的隨訪後，使用低熱量，低脂肪飲食的糖尿病發病率降低了58％。卡路里限制在減少T2D發病率中的有益效果通過其他臨床研究證實。在超重和肥胖的人中，卡路里限制改善葡萄糖耐量、脂質分佈和胰島素作用，並降低與T2D相關的死亡率。為了產生與糖尿病患者中的熱量限制類似的代謝分佈，對開發充當“熱量限制”模擬物的藥理學物質的興趣增加。這樣的藥劑可以提供熱量限制的有益的代謝，激素和生理效應，而不改變飲食攝入或經歷過度限制的任何潛在的不利後果。為此目的，模擬熱量限制（多酚）效應的植物化學物質(phytochemicals)，最近被鑑定為AMPK在體外和體內的有效活化劑。

    此外，現在認識到AMPK信號傳導途徑中的功能障礙，可能在系統級別具有持續的有害的影響，並可能有助於導致代謝綜合徵候群的事件。有趣的是，注意到在AMPK的低活化狀態與胰島素阻抗、肥胖和久坐不活動相關的代謝紊亂之間存在強相關性。最近的研究表明在囓齒類動物的AMPK可能受這二者內分泌(endocrine)和自分泌(autocrine)控制下。因此，除了運動和飢餓，AMPK被脂肪細胞衍生的激素脂連蛋白(adiponectin)和瘦蛋白(leptin)，以及白細胞介素-6（IL-6）所激活。相反，在肌肉和肝臟中，AMPK活性通過持續的高血糖而受抑制的，在肝臟中由飢餓後再餵養，和其他脂肪細胞衍生激素，抵抗素(resistin)和腫瘤壞死因子-α（TNF-α），在血漿濃度的增加。除了其在外周中的作用，AMPK還調節能量攝取和體重，通過介導下丘腦中的厭食性(anorexigenic)和促食慾(orexigenic)信號的相反作用。此外，用於治療人類代謝綜合徵候群和相關病症，包括TZDs，二甲雙胍(metformin)，卡路里剝奪(calorie deprivation)和運動(exercise)，已經顯示激活AMPK系統。最後，轉基因和敲除（KO）小鼠模型（見下文）的發展，使得能夠更好地理解AMPK的生理作用，並確認在各種組織中AMPK途徑的破壞，導模擬在人中觀察到的代謝綜合徵候群的各種表型。

    綜合了AMPK的生理功能和AMPK在代謝紊亂中的可能作用，激活AMPK途徑表現為預防和/或治療代謝疾病的有希望的工具。

三、 AMPK的結構和調節

    AMPK是細胞和全身能量穩態的主要調節劑，其協調代謝途徑以平衡營養供應與能量需求。AMPK的激活，關閉了需消耗ATP的合成代謝途徑，並開啟產生ATP的分解代謝途徑。這通常會發生當AMPK被激活時，作為能量剝奪的結果連結到細胞內AMP / ATP比例的改變相關（例如，缺氧，葡萄糖剝奪，肌肉收縮），鈣濃度的變化以及各種脂肪細胞因子的作用。AMPK由三種不同亞基α，β和γ組成，出現在具有不同作用特性的幾種同工型中（圖1）。α-亞基含有催化位點，而調節β-和γ-亞基對於維持異源三聚體複合物的穩定性是重要的。β亞基含有允許AMPK複合物結合糖原的中心區。γ亞單位含有稱為胱硫醚β-合酶（CBS）基序的四個串聯重複，其以相互排斥的方式將兩分子的AMP或ATP結合在一起。AMP的結合（在γ亞基上）激活AMPK，經由複雜的機制涉及直接變構激活和Thr172上α亞基的磷酸化，通過上游激酶如蛋白激酶LKB1（一種腫瘤抑制劑，其在人類中的種系突變是Peutz-Jeghers綜合徵的原因）、CaMKKβ（鈣調蛋白依賴性蛋白激酶激酶β）和TAK1（哺乳動物轉化生長因子β激活的激酶）（圖2）。雖然是最初提出AMP結合通過上游激酶促進AMPK磷酸化，但最近的工作表明完全抑制Thr 172的去磷酸化是關鍵的（圖2）。

圖1： AMPK的催化α和調節β和γ亞基結構域

圖2：AMPK通過上游激酶和磷酸酶的調節。

四、靶向AMPK途徑的有益代謝效應。

4.1 模仿體育運動的有益效果

在大規模流行病學和介入性研究中已經證實，定期體力活動對於具有代謝綜合徵候群或葡萄糖耐量或T2D受損的受試者的代謝控制具有極大的益處。雖然適當的飲食和運動方案應該是治療和預防2型糖尿病的第一選擇，在一些患者中，這種管理不適合於其它醫療原因，或者當由於社會因素或動機不佳而難以遵守時。在這些情況下，作用於參與身體活動的信號傳導途徑的藥物是治療和預防的有吸引力的候選者。現在清楚地證明，AMPK通過身體訓練在人和囓齒類動物中以強度依賴性方式活化。AMPK在肌肉收縮期間的活化是在增加能量需求和ATP周轉前的生理適應(physiological adaptation)。已經證明AMPK活化可以重現一些運動誘發的適應，並且可能介導運動的有益效果，不僅對於骨骼肌中的胰島素敏感性和葡萄糖轉運，而且對於另外的代謝益處，從通過在肝臟和脂肪組織中運動的激活AMPK。相反，它也一直表明肌肉AMPK信號的破壞可能是一個代謝疾病的病理生理學(pathophysiology)中的關鍵因素。實際上，肌肉AMPK活性的減少加劇了高脂肪餵養期間胰島素阻抗和葡萄糖不耐受的發展，擾亂了運動期間的肌肉能量平衡（如肌肉收縮期肌肉ATP含量減少所示），並且消除粒線體生物發生。

    作為概念的證明，在T2D的動物模型中使用AMPK激活劑的研究提供了有希望的結果。第一個證據來自各種動物模型的胰島素阻抗用藥理化合物AICAR（5-氨基 - 咪唑-4-甲醯胺-1βD-呋喃核糖苷，代謝為AMP類似物的ZMP）的體內治療，導致這些動物的大多數（如果不是全部）代謝紊亂的改善。此外，長期AICAR施用預防了Zucker糖尿病性脂肪（ZDF）大鼠中高血糖的發展，改善了骨骼肌中的外周胰島素敏感性，並延遲了與2型糖尿病相關的β細胞功能障礙。AICAR增加肌肉葡萄糖攝取，伴隨葡萄糖轉運蛋白4（GLUT4）轉位到胰島素阻抗的動物模型和人類中的質膜。

    有趣的是，AMPK誘導的葡萄糖轉運通過與經典胰島素信號傳導途徑所利用的機制不同的機制發生，因為它不會被磷脂醯肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase)的抑制劑阻斷，還因為胰島素和AMPK激活劑的作用是加乘性的(additive)。這種代謝改善也可以部分解釋為增強的特異性肌肉蛋白質的表達，模擬體內AMPK的慢性藥理學活化後的運動訓練的一些效果。因此，在囓齒動物中AICAR或長期攝取肌酸類似物β-胍基丙酸（β-GPA，其競爭性抑制肌酸攝取並降低ATP含量），增加葡萄糖轉運蛋白GLUT4和己糖激酶II(hexokinase II)的肌肉表達，一部分由轉錄共激活因子過氧化物酶體增殖物激活激活受體γ共激活物-1α（PGC-1α）介導的作用。已經提出骨骼肌胰島素阻抗的發展可能部分地與粒線體密度的減少相關。有趣的是，AMPK與AICAR或β-GPA的慢性活化，增加粒線體含量和粒線體蛋白的表達，導致線粒體生物發生。所有這些數據都認為AMPK是一個關鍵因素作為骨骼肌對體育運動的代謝適應。支持這一點，模擬物理活動的AMPK的慢性活化，對基因表達和粒線體生物發生的影響，在AMPKα2敲除（KO）和mAMPK-KD中被消除（在骨骼肌中過表達激酶 - 死亡AMPKα2突變體[K45R突變]的轉基因小鼠）。

    在AMPK的慢性活化後增加的粒線體生物發生，部分地由核呼吸因子-1和-2(nuclear respiratory factor-1 and -2)（其是編碼電子鏈複合物的基因的關鍵調節劑）的增加的表達來解釋。粒線體生物發生的另一個關鍵因素是核受體，PGC-1α的誘導共激活因子。AMPK對PGC-1α的調節是複雜的。首先，已經證明AMPK直接磷酸化並激活PGC-1α。此外，活化的PGC-1α反過來增加PGC-1α和粒線體氧化基因（細胞色素c，解偶聯蛋白1）的表達。有趣的是，PGC-1α活性和表達在人類2型糖尿病中是減少的。因此，可以使用AMPK激活劑來逆轉該缺陷。此外，在肌肉外組織例如肝和脂肪組織中也觀察到響應於體育運動的AMPK的活化，並且可能解釋另外的代謝益處。體力訓練增加肌肉中循環脂聯素(adiponectin)和其受體的mRNA表達，其可以通過激活AMPK來介導以響應於運動的胰島素阻抗和代謝綜合徵候群的改善。

    最後，血液供應的增加對於身體活動期間的生理適應是關鍵的。血管舒張是在能量需求增加期間發生的全身血流調節的重要機制。因此，因為AMPK在適應代謝應激中扮演核心作用，所以推測AMPK可能參與代謝性血管舒縮的調節是誘人的。眾所周知，中等強度的運動增加一氧化氮合酶（NOS）活性。有趣的是，最近已報導，mAMPK-KD小鼠在中等強度運動期間不能增加總NOS活性，並且可能引起肌肉血流量的損傷。這一發現得到了支持，由中等強度運動後AMPK和nNOSμ磷酸化之間的緊密關聯，並降低mAMPK-KD小鼠中nNOSμ的表達。這個指示出組織代謝的變化可根據需要直接引導血流。在此外，mAMPK-KD小鼠中較低的骨骼肌毛細血管化，也可能有助於運動期間血流量減少。一氧化氮（NO）在血管內環境穩定中起著重要作用，並且已經表明來自收縮的mAMPK-KD小鼠的受損的NO通量抑制運動誘導的血管鬆弛。此外，它表明AMPK激活部分由內源性NO在正反饋機制中調節，使得增加NO激活AMPK，這進一步增加NOS活性和NO生產。因此，運動誘導的AMPK信號傳導的增加，在eNOS KO小鼠的骨骼肌中被消除。因此，AMPK-eNOS相互作用，可能在運動期間的適應過程中發揮重要作用，以維持通過修復血管功能的細胞能量水平。

4.2 模擬卡路里/飲食限制的有益效果

過量的熱量攝入增加了發展慢性疾病的風險，例如肥胖症，代謝綜合徵候群，T2D，全身性低級炎症，心血管事件和死亡過早。相反，卡路里限制改善了葡萄糖耐量胰島素作用，並降低與2型糖尿病和心血管疾病相關的死亡率。因為在現代社會很難保持長期的卡路里限制，所以對開發充當“卡路里限制”模擬物的藥理學藥物有越來越大的興趣。其中，植物衍生的多酚化合物，例如白藜蘆醇(Resveratrol)（其存在於葡萄，花生和幾個其它植物）首先被認為是模仿熱量限制在低等真核生物中的作用。此外，白藜蘆醇給藥防止高熱量攝入，對囓齒類動物中的胰島素阻抗和代謝綜合徵候群成分的有害影響。白藜蘆醇已被描述為NAD（⁺）依賴性脫乙醯酶沉默調節蛋白(sirtuin)有效的活化劑，包括SIRT1，七種哺乳動物沉默調節蛋白基因之一種。然而，最近的研究結果表明白藜蘆醇不是直接的SIRT1激活劑。白藜蘆醇，像其它多酚一樣也激活AMPK。白藜蘆醇急性激活AMPK似乎獨立於SIRT1，可能通過AMP / ATP比率的變化，作為白藜蘆醇抑制粒線體F1 ATP酶。此外，白藜蘆醇增加NAD（⁺）/ NADH比值以AMPK依賴的方式，這可能解釋它是如何間接激活SIRT1。已建議SIRT1引發生物體以減少胰島素阻抗對能量的有害影響平衡和代謝體內平衡。因此，SIRT1活化增加肝胰島素靈敏度，降低全身能量需求，促進胰島素阻抗發展期間胰島素分泌的適應，並協調脂質動員和利用。通過使用白藜蘆醇的慢性治療已經更詳細地描述了在分子水平的SIRT1作用的知識，並且已經表明SIRT1通過LKB1的直接脫乙醯化和激活促進LKB1依賴性AMPK刺激。因此，多酚如白藜蘆醇，現在被認為是具有潛在的巨大興趣的化合物，通過激活補充代謝應激傳感器SIRT1和AMPK。因此，最近已經確立AMPK充當骨骼肌的空腹誘導適應的主要初始傳感器，並且在不存在AMPK的情況下，SIRT1下游信號傳導被減弱。此外，最近的研究表明，在不存在AMPKα1或AMPKα2的情況下，白藜蘆醇未能增加代謝率，胰島素敏感性，葡萄糖耐量，線粒體生物發生和身體耐力。

4.3 模擬降血糖藥的有益效果

4.3.1 AMPK在肝中的作用

    T2D是外周組織葡萄糖產生和葡萄糖攝取之間的不平衡的結果。肝葡萄糖產生升高是糖尿病受試者的空腹高血糖的主要原因。從各種效應物，AMPK信號是控制肝葡萄糖產生的關鍵因素。實際上，在正常和胰島素阻抗的肥胖大鼠中，全身輸注AICAR導致抑制了肝葡萄糖產生。此外，α2催化亞基（AMPKα2-CA）的組成型活性形式的短期肝表達，在正常小鼠中導致輕度低血糖，並且消除了糖尿病ob / ob中的高血糖和鏈脲黴素(streptozotocin)誘導的糖尿病小鼠，通過抑制糖異生。這種效果至少在很大程度上，通過調節CREB活性2的轉錄共激活因子（TORC2）的轉導子來實現，其已知介導PGC1α的CREB依賴性轉錄，及其隨後的糖原生靶物PEPCK和G6Pase基因。AMPK激活導致TORC2磷酸化，並螯合細胞質中的共活化因子，從而鈍化糖原生成程序的表達。在抵抗素(resistin)KO小鼠和脂聯素(adiponectin)治療的囓齒動物中也證明了，通過活化的AMPK的肝葡萄糖產生的控制，表明肝AMPK是特別是兩種脂肪細胞因子的靶標，前者作為AMPK抑制劑，後者作為活化劑。這也被證明，通過缺乏系統性脂聯素(adiponectin)輸注效應對肝葡萄糖產生，在肝特異性AMPKα2KO小鼠。

4.3.2 AMPK在骨骼肌中的作用

    在餐後或在高血胰島素高胰島素鉗夾期間，兩種情況下具有高循環水平的胰島素，骨骼肌是體內葡萄糖處置的主要部位。這由葡萄糖轉運蛋白GLUT4，從細胞內囊泡到細胞表面的胰島素依賴性轉位所維持，其在T2D患者中受損。如上所述以上，已經清楚地證明，通過運動或通過AICAR的肌肉AMPK活化，刺激肌肉葡萄糖攝取。有趣的是，即使AMPK和胰島素通過Akt（160kDa的Akt受質，AS160）的下游靶標的磷酸化起作用，AMPK依賴性和胰島素依賴性GLUT4轉位是不同途徑。此外，運動誘發的肌肉AMPK激活和AS160磷酸化，在肥胖的非糖尿病和肥胖2型糖尿病受試者中均減少，但維持在瘦型2型糖尿病患者，這表明肌肉AMPK的調節異常是肥胖的依賴更多於高血糖的依賴。

    發現肌肉AMPK激活劑，以模仿規律身體活動代謝效應是一個重要的挑戰。這是第一次證明一些脂肪因子以AMPK依賴性方式，刺激骨骼肌中的葡萄糖轉運。事實上，已知瘦蛋白(leptin)刺激外周組織中的葡萄糖攝取，通過刺激骨骼肌中的AMPKα2磷酸化和激活。脂聯素(Adiponectin)，另一種脂肪因子，也已經顯示以增加瘦和肥胖骨骼肌中的葡萄糖轉運，儘管該作用在肥胖骨骼肌中較不顯著。它最近已經認識到，IL-6（也稱為“肌細胞因子”）在延長的運動期間從骨骼肌中急性釋放，激活AMPK並在全身水平改善外周葡萄糖攝取和胰島素敏感性。相比之下，IL-6的慢性暴露（如在肥胖中觀察到的）在體外和體內促進胰島素阻抗。IL-6對胰島素敏感性的雙重效應，可能解釋了最近在其他地方更詳細討論的一些衝突結果。重要的是，還建議除了激活AMPK之外，AICAR在胰島素阻抗模型中，通過AMPK獨立機制抑制慢性IL-6釋放。這強烈建議AMPK激活劑可以在多組織水平起作用，以恢復代謝的器官間合作。

    有趣的是，可用的低血糖藥物如二甲雙胍(metformin)和TZDs，已被報導活化AMPK。即使假設二甲雙胍的血糖降低作用是由從小鼠研究的AMPK激活介導的，在肝臟中缺乏上游AMPK激酶LKB1，最近的研究表明LKB1磷酸化並且激活至少12個AMPK-相關激酶。這些數據提出了LKB1是否降低葡萄糖的功能的問題，是由AMPK相關激酶所介導的，而不是由AMPK本身介導的。

    由於脂聯素(adiponectin)的循環水平，在具有肥胖和胰島素阻抗的個體中降低，脂聯素替代在人類中可能是一種有前景的方法。已經證明，全長脂聯素(full-length adiponectin)在肝臟中激活AMPK，而球形脂聯素(globular adiponectin)在肌肉和肝臟中都這樣做。通過使用顯性失活突變體阻斷AMPK活化，抑制全長脂聯素對葡萄糖肝產生的作用。

    此外，當AMPKα2催化亞基缺失時，缺乏脂聯素對肝臟葡萄糖生成的作用，強烈支持脂聯素效應嚴格依賴於AMPK的概念。等待脂聯素類似物發展，最近已經提出了恢復脂聯素效應的替代方法。TZD給藥後改善的代謝疾病部分通過脂聯素依賴性AMPK激活介導，因為通過羅格列酮(rosiglitazone)治療的AMPK的激活，在脂聯素KO小鼠中減少。TZDs可以通過其啟動子的活化，顯著增強脂聯素在體外和體內的表達和分泌，並且拮抗TNF-α對脂聯素產生的抑制作用。有趣的是，在人體脂肪組織中，AICAR已經顯示出增加脂聯素的表達，而血清脂聯素濃度或脂肪細胞脂連蛋白含量無變化，被發現在用二甲雙胍治療的2型糖尿病患者中。

4.3.3 AMPK作用在β-細胞

    β-cell衰竭是2型糖尿病的發病機理的重要決定因素。這種缺陷不可避免地隨著時間而惡化，如在前瞻性臨床研究（1995）中所證實。根據醣脂毒性假說(glucolipotoxicity hypothesis)，慢性高血糖極大地影響了β細胞的新陳代謝。事實上，在高葡萄糖條件下觀察到胞質脂肪醯基-CoA向潛在毒性細胞產物（例如二醯基甘油(diacylglycerol)，神經醯胺(ceramide)和脂質過氧化物）分配的增加，導致對葡萄糖的胰島素分泌響應受損和最終凋亡。事實上，β細胞量的減少可能在人類2型糖尿病的發病機制中起作用，如在疾病的囓齒動物模型中所做的那樣。

    調節β細胞周轉的途徑也參與β細胞胰島素分泌功能。因此，β細胞團的減少不能從內源性分泌缺陷解離。因為AMPK對於細胞內能量穩態的平衡是重要的，所以有意義的是分析什麼延長AMPK調節β細胞功能/存活。除了AICAR，β-細胞AMPK活化（通過二甲雙胍，TZD或腺病毒介導的AMPKα1-CA的過度表達）有利於脂肪酸β-氧化，並防止β細胞中醣脂毒性(glucolipotoxicity)誘導的胰島素分泌功能障礙。相反，AMPK在控制β細胞死亡存活中的作用，仍然是有爭議的。

    除了AMPK對於β細胞功能和存活的長期調節的潛在作用，AMPK還可能調節急性胰島素分泌。因此，當葡萄糖水平在生理學範圍內增加時，AMPK活性迅速降低，這表明AMPK可以是胰島素分泌的調節劑之一，通過其感測細胞內能量的能力。有趣的是，通過AICAR，小蘗鹼，二甲雙胍和TZD或通過AMPKα1-CA的過表達激活AMPK，顯著降低葡萄糖刺激的胰島素分泌，在β細胞系中以及在囓齒動物和人類胰島中。類似地，在β細胞中選擇性激活AMPK，在AMPKα1-CA轉基因小鼠中減少葡萄糖刺激的胰島素分泌。這可以被認為是AMPK激活的有害作用。但是據推測，AMPK的藥理學活化及其隨後的胰島素分泌減少，可能適用於以高胰島素水平為特徵的胰島素阻抗性病症。事實上，已經提出減少病理高胰島素血症，可能是是潛在的保護β細胞群的機制。與此假設一致，全身AICAR輸液在前糖尿病Zucker脂肪大鼠中，防止高血糖和保留的β細胞群的發展。

    總之，這些數據表明，AMPK是一個緊急因子，可以從醣脂毒性(glucolipotoxicity)的有害作用，通過不同的方式保護β細胞功能和β細胞量。

4.4 模仿降血脂劑的有益效果

    這二者胰島素阻抗和2型糖尿病的血脂異常，是心血管疾病公認的風險因素。糖尿病血脂異常是一組潛在的致動脈粥樣化脂質和脂蛋白異常，其是代謝相關的。活化的AMPK抑制膽固醇和脂肪酸合成。因此，AMPK抑制脂肪生成相關基因如脂肪酸合酶(fatty acid synthase)，丙酮酸激酶(pyruvate kinase)和乙醯輔酶A羧化酶（ACC）的表達，和3-羥基-3-甲基戊二醯輔酶A還原酶（HMG-CoA還原酶）。HMG-CoA還原酶活性通過Ser-872的磷酸化被抑制，由AMPK。脂聯素(Adiponectin)激活AMPK，並在體內抑制膽固醇合成，這表明AMPK是膽固醇途徑的關鍵調節劑。AMPK對ACC的抑制導致丙二醯輔酶A(malonyl-CoA)含量的下降，並且隨後脂肪酸合成的減少和脂肪酸氧化的增加，因此減少甘油三酯的過度儲存。一致地，在肝臟中AMPKα2-CA的過度表達或在瘦和肥胖囓齒動物中用AICAR，二甲雙胍或A769662（一種小分子AMPK激活劑）的治療降低血漿甘油三酯水平，伴隨血漿β-羥基丁酸鹽(β-hydroxybutyrate)水平的增加，表明肝臟脂質氧化升高。相反，肝特異性AMPKα2缺失導致血漿甘油三酯水平增加和肝脂肪生成增加。這些數據強調了AMPK在通過減少脂質生成和增加脂質氧化，來控制肝脂質沉積中的關鍵作用，從而改善2型糖尿病中的脂質譜。

    已有文獻記載，脂肪組織質量的變化通常與胰島素敏感性的改變相關。AMPK最近被證明是脂肪量的調節劑。實際上，白色脂肪細胞中AMPK的激活伴隨編碼脂肪生成酶的基因的表達減少，並導致脂肪生成通量降低和甘油三酯合成降低。在白色脂肪細胞中，使用AICAR或過度表達AMPK-CA的AMPK活化，已顯示抑制β-腎上腺素能誘導的脂解作用。激素敏感性脂肪酶（HSL）是負責脂肪分解活性的關鍵蛋白質之一，其通過PKA在絲氨酸563,659和660處磷酸化被激活。AMPK通過在絲氨酸565處的磷酸化來降低這種活化。這種效應已經在白色脂肪細胞和骨骼肌中在休息和收縮條件下都得到證實。因此，通過AMPK抑制HSL，表示限制該再循環的機制，並且確保脂肪酸通過脂解釋放的速率，不超過它們可以通過出口或通過內部氧化處理的速率。

    除了其降血脂特性外，AMPK系統還可以是異位脂質代謝的調節劑(ectopic lipids metabolism)。組織中脂質貯庫是人體代謝綜合徵候群的標誌性缺陷。根據這種脂毒性假說(lipotoxicity hypothesis)，當過量脂質沉積在胰島素敏感細胞類型中時，產生胰島素阻抗。細胞中脂質氧化和脂質儲存之間的平衡，主要由丙二醯輔酶A(malonyl-CoA)調節，所述丙二醯輔酶A由ACC產生。已知丙二醯-CoA抑制脂肪酸轉運到粒線體中，經由肉鹼棕櫚醯轉移酶-1(carnitine palmitoyltransferase-1)的變構調節，從而防止它們被代謝。活化的AMPK抑制丙二醯輔酶A合成，並將平衡轉向粒線體脂肪酸氧化，並且遠離脂肪儲存。幾個研究已經顯示用AICAR，α-硫辛酸(α-lipoic acid)，瘦蛋白(leptin)，脂聯素(adiponectin)和IL-6激活AMPK增強肌肉脂肪酸β氧化。慢性瘦素(leptin)治療通過增加氧化性肌纖維中的AMP / ATP比例，和通過增加AMPKα2核轉位和PPARα轉錄，以AMPK依賴性方式增加骨骼肌脂肪酸氧化。轉基因動物研究支持這些觀察，因為激活AMPKγ3R225Q突變，在肌肉中的表達增加脂肪酸氧化，並保護免受過度的甘油三酯積累和骨骼肌中的胰島素阻抗。有趣的是，最近的數據顯示，抵抗素(resistin)降低肌肉細胞中的AMPK信號傳導，並且這種減少與抑制的脂肪酸氧化相關。

    非酒精性脂肪肝疾病是肥胖的嚴重後果，增加了肝癌或肝硬化的風險。這種疾病的起源是未知的，可能是多因素的。然而，因為胰島素阻抗被認為是疾病的締合和/或促進介質，胰島素阻抗的管理成為重要的挑戰。對於這個特定的點，並且因為AMPK是脂質分配（合成和氧化之間的平衡）的關鍵因素，通過AMPK的激活劑管理非酒精性脂肪肝疾病代表了新的治療策略。脂聯素(Adiponectin)治療恢復胰島素敏感性，並減少肥胖小鼠的肝脂肪變性。這種效果與肝臟中AMPK的活化有關，降低脂肪酸生物合成並增加粒線體脂肪酸氧化。還已證實當AMPK活化時減少肝臟脂肪變性，通過在AICAR輸注期間，瘦和肥胖囓齒動物中肝甘油三酯含量的降低，和用小分子AMPK激活處理後。甘油三酯的合成，通過甘油-3-磷酸（來自碳水化合物代謝）和脂肪醯輔酶A的供應來調節。甘油三酯合成的第一步由甘油-3-磷酸醯基轉移酶（GPAT）催化。AICAR或運動誘導AMPK的活化，降低肝GPAT活性和甘油三酯酯化。空腹，增加肝臟AMPK抑制GPAT活性。以同樣的方式，AMPK由白藜蘆醇(resveratrol)活化，保護糖尿病小鼠肝臟中的脂質積累在關聯與粒線體數量增加和過氧化物酶體增殖物激活受體共激活因子（PGC）-1α，粒線體生物發生的主調節物，的SIRT1依賴性脫乙醯化。已經在肥胖的ob / ob小鼠中證實二甲雙胍(metformin)作為脂肪肝疾病的治療的效果，其產生高胰島素血症，胰島素阻抗和脂肪肝。

    人類肝脂肪變性的新策略的發現是相當大的興趣。AMPK激活可以是其中之一，如通過最近的2型糖尿病患者的臨床研究所建議的。事實上，已經證明AICAR輸注導致循環血漿非酯化脂肪酸（NEFA）水平的顯著下降，表明刺激肝脂肪酸氧化和/或降低全身脂肪分解速率（。通過靶向AMPK的肝脂肪變性的管理，也被最近在用飲食，運動和TZD治療這種疾病的成功建議，所有這些被稱為AMPK激活劑。需要其他研究來分析AMPK活化對人類脂肪肝疾病的管理的有益效果。

4.5 模仿抗肥胖藥物的有益效果

    減輕體重最好通過行為改變來減少能量攝入，並通過增加身體活動來增強能量消耗。因此，AMPK系統可以是減少脂肪細胞中脂肪酸儲存和治療肥胖症的重要藥理學靶標。通過在脂肪細胞內誘導脂肪酸氧化，AMPK的活化將降低脂肪細胞大小，並且還防止脂肪酸被輸出到外周組織並引起有害作用。通過向瘦和肥胖大鼠長期施用AICAR，首先獲得了將AMPK活化與減少的肥胖相關的直接證據，這種效應至少部分地歸因於能量消耗的增加。此外，抗肥胖激素瘦素(leptin)通過激活AMPK而增加骨骼肌中的脂肪酸氧化（該過程涉及AMP / ATP比例的增加），通過激活AMPK活性消耗身體脂肪儲存，並通過增加解偶聯粒線體蛋白（UCP）-1和UCP-2表達。還發現β3腎上腺素受體（β3-AR）激動劑在囓齒類動物中具有顯著的抗肥胖和抗糖尿病作用，並且發現這些化合物刺激脂肪細胞中的AMPK。此外，UCP-1在脂肪細胞中的過表達導致AMP / ATP比率的增加和AMPK的活化，ACC的失活和脂肪生成的減少。另外，已經證明了響應於脂肪細胞中增加的UCP-1表達的強粒線體生物發生，其可以增強脂肪細胞響應於AMPK活化的脂肪酸氧化能力。在慢性AICAR治療期間，活化的AMPK增加UCP-3在肌肉中的表達，與粒線體生物發生的變化無關。這種效應也可以解釋AMPK激活過程中能量消耗的變化。

五、針對AMPK途徑的代謝併發症的優點

5.1 AMPK和缺血性心臟

    2型糖尿病被認為是心血管疾病和死亡的重要危險因素。在缺血性心臟，葡萄糖和脂質之間的平衡被改變。在這個情況下，激活AMPK被視為一種拯救能量供應的代謝適應。實際上，AMPK刺激糖酵解和維持缺血性應激期間的能量供應。令人信服的證據表明，在缺血性心肌組織中激活的AMPK越多，梗塞組織的尺寸越小。因為心肌梗塞組織的大小，是確定猝死的風險和人類心功能不全的風險的變量之一，，減少缺血組織的體積是重要的治療挑戰。

    因此，在缺血/再灌注心臟中促進葡萄糖氧化或抑制脂肪酸氧化，可能是心肌缺血期間有希望的新型治療方法。這樣的機制已經在稱為缺血預處理的現象中得到證實。這種現象（包括心肌缺血的重複短暫發作）在心臟中誘導內源性保護機制，其變得對隨後的缺血發作更具抗性。這種保護作用的分子機制是基於PKC依賴性方式的AMPK激活，和促進心肌細胞中的葡萄糖利用。

    值得注意的是，脂聯素(adiponectin)通過激活AMPK和增加心臟細胞的能量供應來保護心臟免於局部缺血。例如，脂聯素的高血藥濃度與較低的心臟病發作風險相關，反之亦然。

    另外，在急性心肌梗死發作後脂聯素水平迅速下降。類似地，在小鼠中，脂聯素的缺失誘導再灌注後增加的心臟損傷，其與心肌中減少的AMPK信號傳導相關。此外，還報導了脂聯素通過激活AMPK信號通路來減弱心臟肥大。這些研究結果清楚地表明，脂聯素在缺血期間通過AMPK依賴的機制在體內具有心臟保護作用。

    由於AMPK調節細胞水平的葡萄糖和脂肪酸代謝之間的平衡，在AMPKα2 ^{- / -} 小鼠中研究了心臟對全身缺血的代謝反應。這些心臟顯示更快的缺血性攣縮發作，這與ATP含量，乳酸鹽產生，糖原含量和ACC的磷酸化狀態的降低有關。在缺血期間通過AMPK活化的代謝適應的重要性，也記錄在過度表達心臟中AMPKα2的顯性失活形式的另一轉基因小鼠模型中。這些研究表明，AMPK的α2同種型是心臟對缺血的代謝反應所需的，這表明AMPK是心臟保護的。因此，AMPK激活劑可能對於控制心肌缺血特別感興趣。然而，AMPK的不適當活化可能在心臟中具有有害的後果。事實上，在人類中，γ2亞基（圖1）中的各種突變已經顯示產生糖原儲存性心肌病，其特徵在於心室預激動，傳導缺陷和心臟肥大。這表明在心臟缺血的急性期期間，限制性地使用AMPK激活劑，而不是心臟AMPK的慢性活化。因此，必須更詳細地研究AMPK激活的益處和有害心臟作用之間的平衡。

5.2 AMPK和內皮功能障礙

    內皮細胞功能障礙，如受損的血管鬆弛或循環血管細胞粘附分子的增加所表現的，存在於2型糖尿病患者中，並且被認為是引發動脈粥樣化形成的發炎過程的一個組成部分。基於使用遺傳修飾的小鼠的研究，通過eNOS產生NO對於調節血管緊張度至關重要。eNOS的活性主要由轉譯後修飾，如多位點磷酸化和蛋白質相互作用決定。有趣的是，AMPK通過Ser1177，Ser633的直接磷酸化和通過促進其與熱休克蛋白90的關聯來增強eNOS活性，導致內皮NO產生。在這方面，已經提出二甲雙胍通過有利於通過AMPK活化的eNOS的磷酸化，來改善糖尿病中的內皮功能。

    二甲雙胍還顯示放鬆內皮剝蝕的大鼠主動脈環與苯腎上腺素預收縮，顯示AMPK可以誘導血管鬆弛內皮和NOS獨立的方式。因此，響應於缺氧或代謝挑戰的AMPK活化可誘導大血管的血管舒張，從而有利於血液流動。有趣的是，已證明AMPK依賴性脂聯素血管效應在缺血後肢模型中的血管生成修復。類似地，α-硫辛酸通過激活AMPK使來自肥胖大鼠的內皮細胞中的甘油三酯和脂質過氧化物水平和NO合成正常化，來改善血管功能障礙。值得注意的是，脂聯素表現出有效的抗動脈粥樣硬化作用，並且通過AMPK活化抑制內皮細胞增殖。

    除了AMPK活化的血管作用之外，最近已經證明AMPK可以調節血壓。因此，AICAR的長期給藥降低了胰島素阻抗動物模型中的收縮壓。在此過程中，AMPK的潛在作用可能是調節離子通道或鈉共轉運蛋白，包括ENaC和Na-K-2Cl共轉運體。這些數據提供了對AMPK激活，可能是治療與代謝綜合徵候群相關的心血管危險因素的潛在未來藥理學策略的假說的額外支持。

六、 結論

    生活方式的改變被認為是葡萄糖耐量降低，胰島素阻抗和2型糖尿病患者的重要的預防和治療干預。AMPK激活劑是通過模擬身體活動和熱量限制的有益效果，用於治療2型糖尿病的潛在的新的治療劑。因此，AMPK活化劑也可以通過靶向特異性細胞途徑用作高血糖，肥胖，脂質疾病，脂毒性和心血管風險的調節劑（圖3）。白藜蘆醇(Resveratrol)，二甲雙胍(metformin)，TZDs，脂聯素(adiponectin)，瘦素(leptin)，現在被認為是AMPK激活劑。然而，AMPK激活的許多其他影響應仔細評估，許多問題沒有解決：新的AMPK激活組織特異性？長期藥理學AMPK激活的後果是什麼？需要進行額外的研究來解決這些關鍵點。

圖 3、AMPK，在代謝性疾病的潛在治療靶標。