董金玉 龚星源 马跃 胡忠波 刘晟 刘永良

滨州医学院附属医院神经外科，滨州 256603

脊髓损伤是一种严重致残和致命的临床疾病，治疗困难，给患者和社会带来了巨大的负担［1-2］。二甲双胍是治疗2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）最常用的降血糖药物。二甲双胍因其显著降低血糖水平的能力而成为治疗T2DM的首选药物［3-4］。近年来，随着研究的深入，发现了许多其他意想不到但有效的二甲双胍作用。研究表明，二甲双胍对多种癌症、心血管疾病、肝脏疾病、肥胖症和肾脏疾病有很强的作用［5-7］。单一药物或与其他药物联合治疗已被证明可有效治疗不同的疾病。二甲双胍还对各种中枢神经系统疾病有治疗作用，包括帕金森病、亨廷顿病和缺血性脑损伤［8-9］。二甲双胍对于治疗和改善脊髓损伤有重要的作用。笔者对二甲双胍在脊髓损伤中的作用作一综述为脊髓损伤的研究和临床治疗提供参考。

二甲双胍及其作用

二甲双胍是一种合成的双胍类药物，它作为一种抗糖尿病药物，其发展可以追溯到17世纪的南欧和东欧民间医学知识，当时法国丁香（galega officinalis）的提取物被用于治疗患有“甜尿”的人［4］。直到1950年，法国医生让·斯特恩（Jean Sterne）描述了二甲双胍对糖尿病患者的益处，自此二甲双胍的临床应用拉开一个新的序幕［10］。随着比二甲双胍更有效的双胍类药物苯乙双胍被用于临床，人们对二甲双胍的兴趣逐渐减低［11］。1978年，由于越来越关注肝毒性和乳酸酸中毒，苯乙双胍和另一种双胍类药物丁双胍在大多数国家都停止使用。但随着美国多中心二甲双胍研究的阳性数据于1995年发表，人们对二甲双胍的作用以及血糖控制的重要性重新产生了兴趣［12］。1998年更大规模的英国前瞻性糖尿病研究的结果进一步加强了1995年研究的结论［13-14］。目前，二甲双胍仍然是大多数T2DM患者的首选药物。使用胍类和双胍类药物治疗多种疾病的兴趣由来已久，最近再次引起人们的注意。具体来说，二甲双胍的再利用已被研究用于多囊卵巢综合征、癌症、类风湿性关节炎、疟疾、寄生虫感染，以及用于治疗新型冠状病毒感染［15-16］。总的来说，这些多用途意味着二甲双胍确实是一种能针对所有疾病的多用途药物，但也饱受争议。

二甲双胍在神经系统中的作用

二甲双胍在神经系统疾病中的潜在作用也越来越让研究者感兴趣。二甲双胍通过激活腺苷酸活化蛋白激酶（AMP activated protein kinase，AMPK）来保护神经元存活而免受损伤［17-19］。Ashabi等［20］研究表明，二甲双胍通过激活AMPK/过氧化物酶体增殖物活化受体γ协同刺激因子-1α（peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1α，PGC-1α）通路和下游线粒体生物合成来减少全脑缺血诱导的细胞凋亡。血清叉头转录因子O亚家族成员3（forkhead box O3，FOXO3）是一种与长寿相关的转录因子，是AMPK的下游靶标。体外和体内试验表明，二甲双胍可促进AMPK-FOXO3通路发挥抗氧化应激作用［17］。二甲双胍上调AMPK-FOXO3蛋白并降低鱼藤酮诱发的帕金森模型中的血管内皮生长因子和裂解的半胱天冬酶3水平［17，21］。细胞核因子-κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）的核因子kappa-轻链增强子的激活是神经炎症的标志，并且存在于大多数神经系统疾病中［22］。由于神经炎症是公认的与神经系统疾病相关的事件，例如阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病以及癫痫，二甲双胍可能对这些疾病产生积极影响［19，23］。二甲双胍激活AMPK可抑制NF-κB的信号传导，以及促炎细胞因子白细胞介素-1β（interleukin -1β，IL-1β）、IL-6、肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、趋化因子CC基序配体2［chemokine（C-C motif）ligand 2，CCL2］在不同细胞类型中的作用，表明AMPK激活可以防止神经炎症［19，24-25］。NF-κB水平的下调抑制了核苷酸结合寡聚化结构域和富含亮氨酸的重复家族和pyrin结构域3（nucleotide-binding oligomerization domain and leucine-rich repeat and pyrin domain 3，NLRP3）炎症小体的激活，同时降低了血清半胱氨酸蛋白酶-1的激活并减少了IL-1β的产生［26］。这些机制在神经胶质细胞中特别重要。在星形胶质细胞中，AMPK抑制升高的内质网应激（endoplasmic reticulum，ER）和高血糖诱导的炎症［27］。此外，二甲双胍还可以抑制A1样星形胶质细胞，即星形胶质细胞的过度活化表型，促进小胶质细胞极化为M2表型，防止吸入异氟醚引起的认知衰退。这些来自外围和中心的证据证实了二甲双胍在小胶质细胞M1/M2极化中的重要作用。二甲双胍抑制小胶质细胞活化并促进小胶质细胞极化向M2样表型。这些事件有助于缓解阻碍神经炎症发展的炎性反应［21，28-29］。由此可见，二甲双胍对神经炎症、神经胶质细胞活动、神经退行性病变具有显著的调节作用。

二甲双胍与脊髓损伤的研究进展

1.二甲双胍在脊髓损伤程序性死亡（programmed cell death，PCD）的调控

PCD是多种生理环境中必不可少的过程，可由多个主动介导的细胞自杀程序发生［30］。随着对细胞PCD的研究，除了传统认知中的细胞凋亡及坏死性凋亡外，还包括自噬、细胞焦亡、铁死亡等多种PCD方式［31-32］。越来越多的研究表明，PCD在脊髓损伤后发挥了重要作用。自噬是脊髓损伤后应对压力的细胞过程，被认为是脊髓损伤的治疗靶点［33］。在体内和体外二甲双胍干预下检测到AMPK的激活及其下游哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信号传导的抑制，表明AMPK信号参与二甲双胍对自噬调节的影响［34］。张迪［35］研究显示，二甲双胍的自噬调节功能与其激活AMPK的功能有关。二甲双胍的治疗可以缓解急性脊髓损伤诱导的自噬紊乱，从而减少损伤脊髓细胞凋亡的发生，以及保护损伤脊髓的结构完整性，促进脊髓损伤后运动功能的恢复［35-36］。在脊髓损伤后用二甲双胍，mTOR/P70S6激酶降低，而自噬标志物的表达增加，凋亡标志物下降从而在脊髓损伤后起到神经保护剂的作用［37］。Yuan等［38］的研究表明，二甲双胍通过AMPK/NLRP3信号通路抑制脊髓损伤后神经元细胞焦亡，通过二甲双胍激活AMPK和减少促炎细胞因子释放，减少脊髓前角运动神经元的损失，改善了脊髓损伤后大鼠的运动功能恢复。二甲双胍调节了炎症因子的水平，激活了核因子E2相关的因子2（nuclear factor E2 related factor 2，Nrf2）信号通路，并通过改善脊髓损伤诱导的运动缺陷改善长期预后。体外研究进一步证实了二甲双胍的有益和抗铁死亡作用，部分通过激活Nrf2信号传导［39］。国内研究报道二甲双胍能促进10-11易位的甲基胞嘧啶双加氧酶2和Foxo3a的相互作用，提升整体DNA的5-羟甲基胞嘧啶水平，从而抑制相关凋亡基因的表达，改善脊髓损伤后的组织损伤及神经功能恢复［40］。二甲双胍可以抑制大鼠脊髓损伤后细胞凋亡，促进后肢运动功能恢复，其机制可能与抑制ER有关［41］。

2.二甲双胍在脊髓损伤神经炎症的调控

神经炎症源于中枢神经系统的先天免疫。研究显示神经炎症在脊髓损伤中发挥着重要作用［42］。炎症不仅对坏死组织和细胞有清除作用，而且随着炎症标志物的增加，毒性微环境导致空洞和胶质瘢痕的形成，抑制神经功能的恢复。在初始损伤后数小时内，小胶质细胞、巨噬细胞和中性粒细胞被激活，巨噬细胞浸润发生在12 h，炎性反应在72 h达到峰值。巨噬细胞诱导胶质细胞增殖、神经元凋亡、脱髓鞘和吞噬作用细胞碎片［43］。在亚急性期用二甲双胍治疗能显著改善小鼠运动功能，对病变部位小胶质细胞/巨噬细胞活化和星形胶质细胞增生的显著抑制，减少中性粒细胞浸润。这些发现表明，低剂量二甲双胍治疗亚急性脊髓损伤可通过抗炎和神经保护作用有效改善功能恢复［44］。二甲双胍促进脊髓损伤后大鼠运动功能恢复，通过Wnt/β-catenin信号通路增加β-catenin和脑源性神经营养因子的表达，抑制神经元凋亡和炎性反应，改善术后病理形态的恢复［45］。Afshari等［46］的研究结果表明，二甲双胍还显著降低了脊髓损伤大鼠脊髓组织中神经炎症的组织病理学迹象以及TNF-α和IL-1β炎性细胞因子的水平，显著改善行为反应。

3.二甲双胍在脊髓损伤胶质细胞的调控

中枢神经系统的疾病和损伤几乎总是伴随着某种程度的反应性神经胶质增生、炎症和瘢痕。脊髓损伤是一个特别引人注目的例子，其中伤口修复效率低下，损伤引起的病理变化是不可克服的［47］。二甲双胍促进了小胶质细胞M1表型向M2表型极化的转变，从而极大促进了髓鞘碎片的清除并保护了脊髓损伤大鼠的髓鞘。此外，二甲双胍通过抑制AMPK-mTOR信号通路改善脊髓损伤诱导的脊髓自噬通量阻断，并增强自噬体和溶酶体的融合，显著减弱脊髓的炎性反应［48］。研究证明高脂肪高糖饮食（HFHS）小鼠脊髓的胰岛素样生长因子1及其受体表达减少，并显示三羧酸循环功能受损、髓鞘蛋白脂蛋白减少和星形胶质细胞增生增加，所有这些都发生在脊髓损伤之前。脊髓损伤后，HFHS损害了感觉运动和膀胱的恢复，增加了小胶质细胞增生，加剧了少突胶质细胞的损失并减少了轴突发芽，改善神经保护和修复［49］。

4.二甲双胍在脊髓损伤神经修复的调控

二甲双胍可以促进神经干细胞的增殖，分化和成熟，二甲双胍与神经干细胞移植联合使用的方案可用于治疗脊髓损伤，并可能通过激活AMPK发挥作用［50］。同时，二甲双胍可以减少神经元细胞凋亡和通过PI3K/Akt信号通路稳定微管来修复神经突来改善脊髓损伤后的功能恢复。还通过激活Nrf2的转录和与抗氧化反应元件（antioxidant response element，ARE）的结合来减弱氧化应激的过度激活并改善线粒体功能。此外，用Nrf2抑制剂ML385治疗，部分消除了其抗氧化作用。研究还发现Nrf2转录在体外被LY294002（一种特定的PI3K抑制剂）部分降低。总之，这些结果表明二甲双胍在脊髓损伤后神经再生中的作用可能与微管的稳定和抑制Akt介导的Nrf2/ARE通路调节的氧化应激和线粒体功能障碍的过度激活有关，对于脊髓损伤后神经修复发挥作用［51］。二甲双胍还可以通过调控小鼠脊髓损伤后mTOR和IL-6的表达水平，促进脊髓损伤的修复［52］。

5.二甲双胍在脊髓损伤的药物研究

在脊髓损伤治疗中，一种有效的药物制剂能否穿过血脊髓屏障（blood spinal cord barrier，BSCB）到达损伤部位与其治疗效果密切相关［53-54］。二甲双胍是一种降糖药物，对治疗脊髓损伤显示出良好的效果。但是，它不能跨越BSCB，这限制了它的应用。通过制备包裹二甲双胍纳米凝胶（Met-CNG-GSH）的谷胱甘肽修饰的巨噬细胞衍生细胞膜来解决这个问题。药物释放和药代动力学研究结果表明，Met-CNG-GSH具有缓释作用，体内成像显示Met-CNG-GSH在损伤部位蓄积，具有良好的靶向作用，在缓解氧化应激、炎症和细胞凋亡方面具有良好的治疗作用。结果显示Met-CNG-GSH代表了一种潜在的脊髓损伤治疗方法［53］。还有研究建立了一种基于玉米醇溶蛋白的二甲双胍纳米药物系统（CAQK-Met-NPs），用于脊髓损伤的靶向药物递送。CAQK-Met-NPs表现出缓释和长期治疗作用，还可以有效通过BSCB并有效积聚在脊髓损伤大鼠的病变部位［55］。Zhang等［56］的研究显示，二甲双胍可以通过抑制中性粒细胞浸润和基质金属蛋白酶-9产生来阻止BSCB的分解，但不是通过上调脑水肿及紧密连接蛋白表达来发挥治疗脊髓损伤的作用。BSCB破坏是脊髓损伤继发性损伤的主要过程，也被认为是脊髓损伤的治疗靶点［56］。

改善损伤部位的微环境是加速轴突再生和突触形成的关键策略，也是药物治疗脊髓损伤的重要突破口［57］。Han等［57］的研究表示，随着二甲双胍浓度的升高，丝素微球上单个皮质细胞的扩散面积增加。结果表明负载二甲双胍的丝素微球可以明显改善皮质神经元的生长和扩散行为。该研究可为开发用于治疗脊髓损伤的载药可注射生物材料支架提供重要的实验依据，并具有很大的促进脊髓再生潜力［57］。

总结与展望

长期以来，脊髓损伤的治疗一直是研究重点。目前，临床上主要采用手术减压、药物治疗、自体外周神经移植等手段对脊髓损伤患者进行综合性治疗，但效果并不理想。这主要是由于损伤后病理过程十分复杂且参与因素众多。目前，临床尚无完全恢复受损神经的治疗方法，因此，实现新疗法的临床转化非常重要。为了转化为临床，治疗必须有效、安全且不良反应较小，并且需要确定明确的分子机制。二甲双胍是一种很有前途的脊髓损伤治疗候选药物。脊髓损伤后采用适量二甲双胍治疗，可抑制神经元凋亡，减轻炎性反应，减少中性粒细胞聚集，抑制损伤部位小胶质细胞和星形胶质细胞过度增生，从而抑制胶质瘢痕扩大，促进修复脊髓损伤，同时还可促进运动功能恢复。根据2项荟萃分析，结果显示二甲双胍有助于脊髓损伤大鼠运动功能的恢复［58-59］。尽管来自不同的研究机构、不同剂量的二甲双胍和脊髓损伤模型，但都有良好的效果，二甲双胍将是一种有前途的脊髓损伤治疗药物。但目前的研究大多停留于动物实验，并未开展相关临床试验，还需要在临床试验中对二甲双胍进行进一步研究。

作者贡献声明董金玉：文章撰写；龚星源、马跃、胡忠波、刘晟：文献收集与整理；刘永良：研究思路