袁懿芸 张利 吴长乐 张宁 吕沛然 邢文文 乔海法 杨晓航 刘奇

陕西中医药大学针灸推拿学院 陕西中医诊疗技术装备研发协同创新中心 陕西，咸阳 712046

大脑是能量代谢高度活跃的器官，能量代谢与神经元的存活或凋亡密切相关，在神经系统的主要生理和病理过程中起着核心作用[1]。神经退行性疾病是一类渐进性神经元变性、丧失及坏死的疾病，包括阿尔茨海默症（alzheimer's disease，AD）、 帕 金 森 病 （parkinson's disease，PD）以及肌萎缩性侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）等，当脑能量代谢异常时，直接影响神经退行性疾病的发生和发展[2]。临床和基础研究均证实，针灸在神经退行性疾病的防治中具有较好的疗效，主要表现在有效增强神经营养因子和抑制神经病理因子的释放，缓解患者的临床症状，改善患者的生活质量，且不良反应小[3-4]。既往研究发现，针刺可以改善AD能量代谢过程中线粒体电子传输链的功能，提高三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）的含量，保护线粒体结构和功能，从而减少神经元的变性和凋亡[5-6]。因此，对针灸防治神经退行性疾病的能量代谢调控规律和现状进行梳理，具有重要的价值。本文将从脑能量代谢参与神经退行性疾病发生和发展的相关生理、病理过程，以及针灸防治神经退行性疾病的研究进展等方面作一综述。

1 脑能量代谢概述

脑能量代谢以葡萄糖为基础，主要通过细胞质内的糖酵解和线粒体中的氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）过程生成ATP，为包括神经元在内的各种细胞提供能量底物[7]。成人大脑的重量约占全身的2%，但大脑消耗的葡萄糖约占全身的20%，而且大脑中95%以上的ATP都是由葡萄糖代谢提供的[8]。脑能量代谢过程可划分为三个部分：葡萄糖的摄取过程、葡萄糖的跨膜转运过程和葡萄糖的氧化代谢过程。

1.1 葡萄糖的摄取过程 大脑中葡萄糖的摄取主要与内皮细胞、星形胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞和神经元有关，神经元是葡萄糖摄取的最终受益者。

葡萄糖进入大脑，主要存在于血脑屏障，且大部分的葡萄糖通过胰岛素及其信号通路调节细胞内的代谢活动[9]。胰岛素作为大脑中一个关键的稳态因子，在神经元中表达丰富，胰岛素及其信号通路是大脑摄取葡萄糖的关键机制，在糖代谢、脂代谢以及全身代谢中起重要作用[10]。胰岛素样生长因子（insulin like growth factors，IGF）有两种亚型，即IGF-1和IGF-2，胰岛素、IGF-1和IGF-2与受体结合后引发一系列的磷酸化反应，可调节神经元的生长、存活、新陈代谢及衰老。其中，胰岛素受体底物1（insulin receptor substrate 1，IRS1）和胰岛素受体底物2（insulin receptor substrate 2，IRS2）的酪氨酸磷酸化导致磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）、蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）下游通路的激活，与神经元的生长、存活、新陈代谢及衰老调节密切相关[11]。胰岛素/胰岛素样生长因子1（insulin/IGF1 signaling，IIS）信号通路主要通过胰岛素、IGF1、PI3K/Akt和细胞外信号调节激酶（extracellular regulated protein kinase 1/2，ERK1/2）进行协调[12]。大脑中参与胰岛素信号传导的主要分子包括IRS、PI3K、Akt和糖原合酶激酶-3β （glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β），这些主要分子的激活或失活被认为是胰岛素信号异常或胰岛素抵抗的重要原因。其中，PI3K/Akt信号通路目前被认为是最重要的中枢胰岛素信号通路，激活后能够通过葡萄糖转运蛋白（glucose transporter，GLUT）和脑能量代谢促进大脑葡萄糖的摄取[13]。

总之，脑胰岛素、胰岛素受体和IRS介导的信号通路在调节代谢、学习记忆和维持神经元生长分化、神经调节、神经保护等方面发挥着重要作用。

1.2 葡萄糖的跨膜转运过程 葡萄糖转运通过星形胶质细胞、少突胶质细胞和神经元上的GLUT实现，GLUT属于主要促进剂超家族（major facilitator superfamily，MFS）。 家族转运体2A（solute carrier 2A，SLC2A）、家族转运体5A（solute carrier 5A，SLC5A）和家族转运体50A（solute carrier 50A，SLC50A）基因编码3种不同类型的葡萄糖转运体：钠依赖型葡萄糖单转运体（GLUT蛋白）、钠依赖型葡萄糖同向转运体[（sodium-glucose transporter，SGLT）蛋白]和一种新的葡萄糖单转运体（SWEET蛋白），目前尚未在中枢神经系统中检测到SWEET蛋白的表达[14]。

在中枢神经系统中，葡萄糖主要通过GLUT家族传递给神经元，其中最相关的是GLUT1和GLUT3[15]。GLUT1是血脑屏障摄取葡萄糖和星形胶质细胞通过糖酵解为神经元提供葡萄糖和乳酸的关键，有高糖基化的55 kDa和低糖基化的45 kDa的两种亚型，两者表达在大脑的不同部位，高糖基化亚型主要在微血管内皮细胞中表达，低糖基化亚型则定位于胶质细胞，所以说GLUT1在葡萄糖穿过血脑屏障进入星形胶质细胞的过程中具有重要意义[16]。GLUT3主要表达于神经元，具有神经元特异性，GLUT3在皮层、海马、小脑和脑干的神经元中广泛且大量分布，被称为“神经元葡萄糖转运体”[14]。最近的研究把葡萄糖的转运分为三个步骤：（1）葡萄糖通过GLUT1（55 kDa），经内皮细胞转运；（2）GLUT1（45 kDa）介导葡萄糖转运到星形胶质细胞；（3）葡萄糖通过GLUTs转运到神经元[7]。此外，GLUT4被认为是一种胰岛素敏感的GLUT，与GLUT3一样表达于神经元，参与调节葡萄糖转运[17]。

1.3 葡萄糖的氧化代谢过程 葡萄糖代谢是机体为吸收和利用葡萄糖而进行的有序化学反应过程，葡萄糖首先进入糖酵解途径，经细胞质中糖酵解酶的催化，转化为丙酮酸，并生成少量ATP和一定量还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（reduced nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）。

在低氧或缺氧条件下，每个葡萄糖分子只能产生2个ATP分子，此时丙酮酸被乳酸脱氢酶还原为乳酸，NADH转化为NAD+，乳酸经单羧酸转运蛋白（monocarboxylic acid transporters，MCTS）转运至细胞外，这一过程被称为无氧糖酵解；氧气供应充足时，丙酮酸经有氧呼吸完全氧化分解，丙酮酸首先借助线粒体的丙酮酸载体穿过线粒体膜，进入线粒体基质，进入三羧酸循环，合成少量ATP，生成一定量还原型辅酶，包括NADH和还原型黄素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide reduced，FADH2），NADH 和FADH2随后在线粒体内膜上通过呼吸链向氧气传递电子，进行氧化磷酸化[18]。氧化磷酸化是电子在传递过程中氧化与磷酸化耦联生成ATP的酶促过程，即NADH或FADH2经电子传递链（electron transport chain，ETC）将电子传给O2生成H2O，逐步释放自由能，所释放的自由能用于ADP磷酸化生成ATP[19]，此过程伴随着大量ATP的合成。另外还有一种处理葡萄糖的方法，即有氧糖酵解，又称Warburg效应，即在正常氧分压的情况下仍形成乳酸。当ATP合成酶活性不足时，线粒体膜电位升高，线粒体呼吸难以维持，细胞则需要依赖有氧糖酵解产生中间代谢产物和ATP[20]。

在中枢神经系统中，神经元所需的ATP主要是在线粒体内通过三羧酸循环发生氧化磷酸化产生，额外的ATP是由细胞质中的有氧糖酵解产生[21]。氧化磷酸化驱动神经元发挥多种生理功能，包括神经传递、离子平衡等。ETC是线粒体的标志之一，也是ATP产生的重要组成部分，主要由5个蛋白复合物组成，即复合物Ⅰ～Ⅴ，分别是NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素C还原酶、细胞色素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，这些关键酶活性的变化可以直接影响整个线粒体ETC的功能变化[22]。线粒体内膜上的5个呼吸链复合物通过参与线粒体氧化磷酸化，发挥氧化呼吸功能以产生ATP。其中，线粒体复合物Ⅰ（complex Ⅰ），即NADH脱氢酶，是呼吸链最重要的复合物之一，也是神经元能量的主要贡献者[23]。另外，Sirtuins是定位于细胞核或线粒体的NAD+依赖性脱乙酰酶，其中沉默交配型信息调控2同源物3（silent mating type information regulation 2 homolog 3，SIRT3）在新陈代谢、抗氧化防御和神经保护中发挥作用[24]。

2 脑能量代谢与神经退行性疾病

2.1 葡萄糖代谢信号通路障碍 神经退行性疾病的发生发展与葡萄糖代谢障碍有着密切关联，AD、PD和ALS等神经退行性疾病的典型特征都是中枢神经系统葡萄糖代谢紊乱，并且以渐进性、区域特异性和疾病特异性的方式恶化[25]。

在AD早发小鼠模型中，GLUT1的减少加剧脑微血管变性及血流量减少，并加速β-淀粉样蛋白（amyloid β-protein，Aβ）的生成，以及最初的脑血管退行性改变后出现的渐进性神经元丧失和神经退行性变[26]。研究者在AD患者的大脑中检测到GLUT3显著降低，且较低的GLUT3水平与更严重的神经炎斑块和神经纤维缠结有关，认为糖酵解受损导致神经元葡萄糖代谢障碍是AD的一个基本特征[27]。GLUT，特别是GLUT1和GLUT3的功能和表达紊乱引起AD的病理生理变化，提示增强GLUT表达可能是逆转神经退行性变过程的一种新策略[9]。另有研究发现，AD小鼠的大脑皮质葡萄糖和谷氨酰胺代谢的改变先于Aβ的产生，并伴随乳酸和丙氨酸表达的增加，以及三羧酸循环活性、ATP合成速率的降低，表明在Aβ沉积之前葡萄糖代谢改变、线粒体功能障碍等脑能量代谢变化已经很明显[28]。

葡萄糖代谢障碍是AD一个不变的病理特征，导致患者的神经元变性或凋亡，从而造成认知功能下降。同时，AD葡萄糖代谢异常受到胰岛素抵抗、氧化应激和线粒体功能障碍等多种致病因素的诱导。

2.2 胰岛素信号通路障碍 越来越多的证据表明，神经退行性疾病中的脑胰岛素及其相关信号通路会发生改变，而一旦胰岛素及其信号通路出现障碍，脑内的葡萄糖可利用性和能量平衡就会受到影响，从而加重神经退行性变[13]。

许多学者研究证实，AD的发生发展与胰岛素信号通路转导障碍有关，由于其发病机制上与2型糖尿病存在相当大的重叠，所以AD又被称为“3型糖尿病”[29]。胰岛素、IGF-1和IGF-2及其受体表达的降低参与了AD的发病机制，造成胰岛素信号通路的活性降低，Aβ和tau蛋白的异常生成[30]。脑胰岛素抵抗可简单定义为胰岛素信号通路失活，研究者认为这些通路失活是产生神经炎症、氧化应激和AD等神经退行性疾病的元凶，特别是IRS/PI3K/Akt通路[13]。研究发现，IRS-1/PI3K/Akt胰岛素信号通路紊乱及其下游级联反应，是导致脑认知功能下降的原因[31]。作为AD早期的常见特征，脑胰岛素抵抗伴随着IGF-1抵抗，且可能与Aβ寡聚物引发的IRS-1功能障碍密切相关[32]。在PD中，脑胰岛素抵抗使得葡萄糖摄取和氧化异常，糖原合成减少，葡萄糖代谢失衡而导致异常蛋白聚集、氧化应激、线粒体功能障碍等，最终造成黑质多巴胺神经元的丢失[33]。研究证实，PD小鼠模型中也出现PI3K/Akt信号通路的抑制[34]。

胰岛素及其信号通路的功能障碍和异常参与神经退行性变过程，笔者推测通过调节胰岛素分子来改善胰岛素信号通路、延缓神经退行性变、减轻疾病症状，可能是未来神经退行性疾病研究的重要靶点。

2.3 能量代谢功能障碍 神经退行性疾病过程中的神经元功能障碍伴随着能量代谢的缺陷，包括有氧糖酵解和线粒体功能障碍，有氧糖酵解与神经元变性和线粒体功能障碍相关。ALS和亨廷顿病（Huntington's disease，HD） 中存在典型的WNT/β-catenin通路过度激活，从而引起GLUT、丙酮酸激酶M2（pyruvate kinase M2，PKM2）和MCT-1等的表达上调，诱导有氧糖酵解的发生，进一步加剧ALS和HD的疾病进展[35]。

迄今为止，AD、PD和ALS等神经退行性疾病的最大危险因素是衰老，而目前认为线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）突变的积累和活性氧（reactive oxygen species，ROS）的净产生与促进衰老有关。这些证据表明，线粒体功能障碍和氧化应激发生于神经退行性疾病的早期，并且在疾病发病机制中具有因果作用[36]。研究发现，ETC不同复合物的缺陷与各种神经退行性疾病有关：Ⅰ型复合物伴PD，Ⅱ型复合物伴HD，Ⅳ型复合物伴AD[37]。然而需要注意的是，这种复合物缺陷与疾病发展的相关性并不具有特异性，往往一种疾病伴随多种不同类型复合物的缺陷。此外，还有研究报道了ALS患者线粒体ETC的改变，如脊髓、运动神经元和淋巴细胞中复合物Ⅰ、Ⅳ活性降低[38]。越来越多的证据表明，线粒体功能障碍，尤其是线粒体呼吸链复合物的改变，也会导致ROS的过度产生，进而引起神经退行性变[39]。在AD中，Aβ的沉积和tau蛋白的表达升高可直接导致线粒体ETC发生异常，关键酶活性降低，线粒体氧化磷酸化过程紊乱，ATP生成减少，ROS产生增多，从而加重线粒体功能损伤和神经退行性变[40]。ALS患者存在能量代谢障碍，三羧酸循环代谢途径受损，线粒体的结构和功能也被破坏，从而导致ATP生成减少[41]。另外有研究表明，SIRT3可以通过靶向抗氧化酶来抵抗氧化应激，并降低ROS水平，因此sirtuins介导的神经保护可能是通过直接保护线粒体实现的[37]。

3 针灸对脑能量代谢的影响

3.1 针灸对葡萄糖代谢信号通路的影响 研究发现，针刺“智三针”能够促进AD大鼠GLUT3的表达，激活相关脑区，改善学习记忆能力[42]。针刺可提高SAMP8小鼠海马GLUT3、MCT-2、MCT-4的表达，影响神经元对能量底物的摄取效率，改善神经元能量代谢[43]。夹脊电针还可以降低ALS-SOD1G93A小鼠血清谷氨酸含量，延长小鼠的生存期[44]。

3.2 针灸对胰岛素信号通路的影响 电针能够通过AKT/GSK-3β胰岛素信号通路，调节AD模型小鼠的Tau磷酸化和糖代谢，提高葡萄糖摄取率，改善小鼠的认知能力[45]。益髓灸早期干预，可以影响APP/PS1转基因小鼠海马组织及脑组织IGF-1、GSK-3β的表达，保护神经细胞，改善认知障碍[46]。采用艾灸干预APP/PS1转基因小鼠，能够使脑皮质PI3K/Akt信号通路中IRS-1、PI3K、Akt的含量升高，GSK-3α的含量下降，从而减少Aβ沉淀，延缓AD病理进程[47]。另外还有研究发现，电针能够激活PI3K/Akt胰岛素信号通路，抑制内质网应激，减少细胞凋亡，延缓PD进程[48]。夹脊电针能促进ALS模型小鼠腰髓组织中PI3K/Akt信号通路相关蛋白Akt的表达，抑制GSK-3β的表达，发挥运动神经元保护作用[49]；还能够通过抑制GSK-3β的活性，上调前角运动神经元β-catenin表达，对神经元起到保护作用[50]。刘霞蔚等[51]研究提示，电针通过腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate activated protein kinase，AMPK）信号通路，能够增加腰髓组织中热休克蛋白70（heat shock protein 70，HSP70）表达，减缓ALS小鼠体质量下降，改善其营养状况，从而延缓ALS的疾病进程。

3.3 针灸对能量代谢功能的影响 在以APP/PS1小鼠为对象的研究中发现，电针可以激活AMPK调控代谢中Warburg效应关键酶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的表达，促进葡萄糖代谢，改善学习记忆能力[52]。电针还能够提高AD模型鼠海马线粒体呼吸链复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Na+-K+-ATP酶、Ca2+-Mg2+-ATP酶活性及神经元的ATP含量，促进线粒体氧化磷酸化过程中的能量转化，完善ATP的合成与分解利用，以维持神经元的正常功能[53]。益肾调督针法能够提高AD大鼠海马线粒体中细胞色素C氧化酶Ⅳ（cytochrome oxidaseⅣ，COX Ⅳ）的表达，改善线粒体呼吸链功能，增加ATP产生[54]。针刺还可抑制PD小鼠脑线粒体复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ活性的下降，保护脑线粒体功能，减少多巴胺神经元的丢失[55]。目前，本团队研究证实，针刺调控SIRT3防治AD的作用机制可能与促进SIRT调控因子GATA2结合蛋白2（GATA binding protein 2，GATA-2）以及SIRT/过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α（peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）蛋白的表达，保护能量代谢过程，改善线粒体功能障碍有关[56-58]。

4 展望

神经退行性疾病的发病机制复杂，且缺乏有效的治疗药物，临床只能对症治疗以延缓进程、改善症状，但效果不明显,而且不良反应较大。大量研究表明，AD、PD等多种神经退行性疾病的发生发展与脑能量代谢密切相关，针灸作为一种替代辅助疗法，能够通过调控脑能量代谢途径，从而改善神经退行性疾病的症状。本文从葡萄糖代谢信号通路、胰岛素信号通路以及能量代谢等途径论述针灸对脑能量代谢的调控，并从动物模型和临床试验的角度总结了针灸治疗AD、PD等神经退行性疾病的现有证据。

然而，目前针对针灸基于脑能量代谢治疗神经退行性疾病的研究仍存在一些不足：一方面，线粒体作为能量代谢的中心，与神经退行性疾病的发生和发展密切相关，但以线粒体为靶点防治神经退行性疾病的机制仍需要进一步探索；另一方面，目前的研究还是以“节段性”的基础研究为主，系统研究相对较少，无法系统阐述针灸防治神经退行性疾病的全部机制。总之，针灸调控能量代谢的研究已有较多证据，但其作用机制研究仍需进一步深入探索，未来应进行全面、系统的科研设计，以期在针灸调控能量代谢的机制研究方面取得更多成果。