湖北大学 体育学院,武汉 430062
肥胖是指身体脂肪组织过度积聚(身体质量指数BMI≥30kg/m2)的慢性疾病[1]。肥胖不仅是一种独立的疾病,也是冠心病、2型糖尿病、高血压和脂肪肝等多种慢性疾病的主要诱发因素[2]。近年来,随着人类饮食习惯和生活方式的改变,全球肥胖人口不断增加。自1975年以来,全球肥胖的发病率增长了50%,目前超重和肥胖的成年人已超过6亿[3]。如何控制肥胖的发展,已成为一个全球性的公共卫生问题,亟待解决。肥胖的原因较为复杂,与遗传、环境、营养和个人生活方式密切相关。究其根本,主要是能量摄入和消耗的不平衡导致的体内脂肪过度堆积[4]。
运动作为一种有效的非药物减肥干预手段,能够调节胰高血糖素样肽1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)、胃饥饿素(ghrelin)和肽YY(Peptide YY,PYY)等脑肠肽的表达,这是否能够说明运动介导了脑肠肽的效应发挥对肥胖的预防和改善作用尚不完全清楚。故本文基于能量代谢理论,主要阐述脑肠肽在运动抗肥胖中的生理生化机制,以期为肥胖的治疗提供新的思路和参考。
对摄食的不断研究逐渐揭示了内分泌和神经系统构成肠脑轴的复杂联系。调节食欲的生理机制极其复杂,一般认为能量稳定轴效应是神经和肠道激素信号的共同结果,然后将信号传输到大脑,从而形成一个复杂的通信系统[5]。中枢神经系统将外界刺激和机体有关能量需求的信息相结合,产生包括饱足信号在内的行为反应,从而诱导禁食[6]。这些饱腹感信号一些是由胃肠道壁上的ECs产生的脑肠肽介导的,还有一些是由神经系统产生的。它们都属于厌食激素,如肽YY(PYY)、GLP-1、胃抑制神经肽(GIP)、胆囊收缩素(cholecystokinin,CCK)[7]。在禁食期间,促食欲激素(如ghrelin)主要在胃中释放,并排到外周循环[8]。下丘脑是各种食欲调节信号最重要的中枢部分,既有维持能量代谢正平衡和促进食欲的物质,也有导致能量代谢负平衡和抑制食欲的物质。胃肠道中的神经元可以收集有关摄入食物的信息,并刺激胃肠道产生一系列脑肠肽[9]。总的能量摄取量由一系列脑肠肽影响,这些脑肠肽通过激活内分泌和神经信号激活中枢神经系统的能量调节中心(如图1)。
当能量摄入大于消耗时,多余的能量便会转化为体内脂肪的积累,导致体重逐渐增加,进而发展为肥胖[10]。故在正确的饮食调节下适当的食物摄入对维持能量平衡和体重控制就显得很重要。
图1
肠脑轴是能量摄入的重要执行者。将ghrelin、GLP-1、CCK和PYY和有关能量状态的信息传递给调节部位到如下丘脑弓状核(ARC)和延髓孤束核(NTS)。食物摄入增加GLP-1、CCK和PYY浓度,同时降低ghrelin的浓度。这些激素反应会减少食物的摄入,最终会增加ghrelin的浓度,同时又降低GLP-1、CCK和PYY的浓度,从而形成循环摄食周期。当脑肠轴出现紊乱时可能导致肥胖[11]。
胃饥饿素(ghrelin)是一种28个氨基酸的肽激素,从胃粘膜下层X/A样细胞的颗粒中分离出来。最初在鼠的胃里发现,也有称作促生长激素释放肽,一般以酰化ghrelin(AG)和非酰化ghrelin两种形式存在[12]。Ghrelin通常被描述为一种促食欲激素,主要通过激活其受体生长激素促分泌受体(growth hormone secretagogue receptor,GHS-R)激活下丘脑弓状核(ARC)的NPY/AgRP神经元和下丘脑AMPK信号通路执行其促食欲作用。AMPK(腺苷酸活化蛋白激酶)是细胞和全身能量稳态的调节器,是能量状态的传感器,一旦被激活,AMPK将从合成代谢途径转换为分解代谢途径[13,14];对NPY/AgRP基因双敲除(KO)和使用AMPK抑制剂的小鼠则都丧失了ghrelin的促食欲作用,提示ghrelin作用的可能机制及下丘脑对能量代谢调节的重要地位[15,16]。ghrelin在对脂质的代谢中,刺激脂肪细胞中几种脂肪储存相关蛋白的表达,从而促进脂肪堆积[17]。在肥胖儿童中发现AG与甘油三酯、低密度脂蛋白、胰岛素和胰岛素抵抗的稳态模型评估呈负相关[18]。对虹鳟鱼的侧脑室注射ghrelin发现可调节肝脏的脂质代谢,从而增加脂肪生成,减少脂肪酸氧化[19]。静脉输注ghrelin可增加大鼠的TG、胆固醇和游离脂肪酸(FFA)表达水平,且此过程具有年龄依赖性,提示ghrelin可参与肝脏脂质和葡萄糖代谢的基因的调节[20]。
此外,ghrelin发挥作用离不开GHS-R,二者缺一不可。Jeffrey等[21]在GHS-R空白小鼠模型中,给予ghrelin不能刺激食物摄入或激活弓状核神经元。Lee等[22]将高脂饮食小鼠神经元中的GHS-R基因都删除,结果表明,神经元GHS-R基因缺失破坏ghrelin诱导的摄食,却显著提高了小鼠的胰岛素敏感性。ghrelin在调节食欲和能量消耗方面起着重要作用,因此ghrelin/GHS-R效应体的抑制剂是当前抗肥胖治疗的一个有吸引力的靶点。
研究证实,运动可以调节ghrelin/GHS-R效应体来调节能量摄入。其机制主要是运动时因机体适应骨骼肌代谢需要导致血液重新分配,而造成肠道短期缺氧降低ghrelin O-酰基转移酶的活性,从而抑制ghrelin酰化活性[23,24]。运动环境下的血糖浓度升高和ATP代谢加强则可直接抑制ATP敏感性钾通道亚基Kir6.2/SUR1蛋白的活性,从而减少ECs ghrelin的分泌,这可能介导了葡萄糖转运蛋白4和葡萄糖激酶的作用[25]。随着运动强度的增加,骨骼肌产生的乳酸呈指数增长,当乳酸的产生速度超过清除速度时,乳酸最终在血浆中累积。促生长素生成细胞含有丰富的G蛋白偶联受体81(GPR81),它与乳酸结合以抑制促生长素释放,从而抑制ghrelin的分泌,说明乳酸在食欲抑制中的重要作用[26-28]。此外,在肥胖个体中,运动可上调GHS-R 1a这一主要受体的表达水平以改善紊乱的糖脂代谢,也降低了摄食量从而改变了饮食习惯[29]。一次性大强度运动后小鼠酰化ghrelin增加,随着运动后的恢复,血中ghrelin也逐渐恢复至运动前水平,提示其浓度与运动持续时间有关。而敲除GHS-R受体的小鼠效果就要比正常小鼠差很多,并且其运动耐力水平也有所下降,可能是缺失GHS-R受体而导致缺少ghrelin对骨骼肌的效应[30]。单次高强间歇运动(high-intensity interval training,HIIT)和中等强度持续运动(moderate-intensity continuous training,MICT)均能引起血中ghrelin降低,二者效果没有明显差异,但从依从性角度看,HIIT更能被患者所接受[31]。而长期的间歇运动可以明显减轻因饮食限制而出现的代偿性食欲增加的影响,这对于肥胖患者的疗法就显得尤为重要[32]。
GLP-1和PYY都由ECs中的L细胞分泌。胰高血糖素前体的裂解产物胰GLP-1既是脑干神经递质又是激素,通过激活GLP-1受体发挥作用,GLP-1受体广泛分布于肠道、肾脏、胰腺b细胞、迷走神经和下丘脑等组织中。因此GLP-1是一种强大的肠促胰岛素,可刺激胰腺β细胞的GLP-1受体释放胰岛素[33]。此外,GLP-1水平的提高可上调胰岛素启动子因子1的胰腺β细胞基因表达,从而促进其发育并阻止其凋亡,进而有助于提高体内葡萄糖利用率[34]。GLP-1还可降低胃排空进入十二指肠的速率,阻碍胃酸分泌,从而增加胃扩张,限制过度进食,增强饱腹感,并积极促进能量平衡[35]。其效果虽然显著但通常时间短暂,因为GLP-1容易通过二肽基肽酶IV的催化功能快速降解和失活[36]。又是多肽而不能口服使用,是肥胖及糖尿病治疗的一个缺憾。只有10%的肠源性GLP-1到达体循环,表明它以旁分泌方式传递其作用[37]。GLP-1刺激大脑的特定区域,如脑干,以增强运动输出或产热,涉及能量稳态和食物行为模式,但还需要进一步研究,提示GLP1可能作为一种神经递质引起更高阶的功能[38]。现在的研究主要通过使用GLP-1受体激动剂(如艾塞那肽和利拉鲁肽)来扩展GLP-1功能或模拟其功能,可能在增加饱腹感和调节能量平衡方面提供希望,从而治疗肥胖症。
PYY主要在回肠和结肠中产生,对脂质和其他营养物质作出反应。它的释放是对肠道营养感应的响应,其体积反映了能量的消耗量[39]。PYY结合并激活位于下丘脑的Y2受体,参与减少食物摄入[40]。PYY通过抑制NPY神经元发挥作用,阻碍了NPY的促食欲作用,因为下丘脑弓状核中有大量的Y2受体。PYY可能通过激活下丘脑神经元以内分泌方式调节食物摄入和抑制过度消耗[41]。它是目前神经肽激素中研究得最多的一种,参与脑肠轴内食物摄取的中枢和外周控制。所以Y2受体激动剂及PYY衍生物用作抗肥胖治疗中。
有研究表明运动会促进GLP-1和PYY的分泌。首先,运动应激下交感神经系统兴奋,儿茶酚胺的大量释放直接激活L细胞上的β受体刺激GLP-1和PYY的分泌[42-44]。其次,运动期间血液从内脏区域重新分布会以强度依赖的方式干扰胃排空,由于胃动力下降刺激GLP-1的分泌[45,46],由于GLP-1与PYY分泌部位相同,胃运动可能同时影响GLP-1和PYY的增加。高强度运动后的血糖升高也可能导致GLP1水平的升高,因为GLP1作为一种肠促胰岛素激素的作用已得到证实,它能有效地刺激胰岛素分泌,从而对血糖作出反应[44]。此外,运动过程中骨骼肌收缩使得白细胞介素6(interleukin 6,IL-6)得以大量释放[47]。IL-6通过增加胰高血糖素原基因(由GCG编码)和前激素转化酶的表达来增加GLP-1的产生,以及促进运动下的高葡萄糖代谢刺激肠L细胞的GLP-1分泌[48]。Elling等[49]的数个实验中发现,啮齿类动物在跑步机运动至筋疲力尽后,全身IL-6浓度升高导致活性GLP-1循环浓度增加2.5倍。在IL-6敲除小鼠中,运动后活性GLP-1没有增加,提示运动诱导的GLP-1分泌可能依赖于IL-6。将分泌GLP-1的肠L细胞系与浓度增加的IL-6一起培育,可以剂量依赖性地刺激GLP-1的产生和释放。大剂量的IL-6也会以剂量依赖性方式抑制胰腺细胞系中的ghrelin mRNA和蛋白质表达[50]。表明IL-6可能作为运动强度对食欲抑制影响和葡萄糖稳态的调节者。此外,由于运动能刺激能量的产生,运动后2小时内也观察到运动诱导的血浆长链游离脂肪酸增加,激活长链游离脂肪酸的受体可刺激总GLP-1、PYY的释放[51,52]。
不过,在实际运动干预方案中,各运动方案对活性GLP-1的影响不一。具体地说,MICT在运动后立即引起活性GLP-1的增加,而HIIT和高强度连续训练在运动后30分钟引起活性GLP-1的增加。GLP-1的初始(运动后0-30分钟)增加在MICT和HIIT之间具有相似的幅度,并且比高强度连续训练更明显,运动量(即能量消耗)对于刺激这种肽的释放可能更为重要。三个方案之间的总体反应MICT后运动后即刻GLP-1的反应与这些实验中的相同强度(50-75%VO2max)总GLP-1和活性GLP-1快速增加的研究较为一致。而将MICT强度从50%VO2max增加到75%VO2max似乎不会促进活性GLP-1的进一步增加[49,53-57],提示中等强度的运动足以刺激GLP-1的释放。
总PYY在运动后立即增加,与MICT相比,HIIT的这种影响更大,表明PYY对剧烈活动的反应更大。在当前的研究中,HIIT和MICT之间缺乏差异可能归因于运动量的减少[67]。一些涉及MICT的研究报告中PYY总量以及PYY3-36的增加在较高(≥70%VO2max)运动强度后似乎更为明显[53,6,58,59]。与GLP-1一样,运动持续时间(能量消耗)可能对增加这种肽的水平也很重要。
外界刺激和机体内环境的变化可影响到脑肠肽分泌释放或紊乱,而运动可通过应激下交感神经兴奋、血液重新分配、乳酸堆积、IL-6的释放和胃肠道动力的改变调控外周或中枢的数种脑肠肽的表达,进而影响中枢神经系统活动、食欲控制、能量摄入和糖脂代谢等来发挥独特的抗肥胖作用。总的来说,单次运动后的短期食欲调节可能受到酰化ghrelin减少和PYY、GLP-1增加的影响。运动对血浆总ghrelin的影响似乎并不明显,而对酰化ghrelin有着更一致的影响,不过在食欲调节中,酰化ghrelin要比总ghrelin更客观,因为血浆总ghrelin浓度的变化并不能反映活性形式的程度。不同运动持续时间和运动强度的方案中PYY和GLP-1的变化出现了不一样的结果,表明可能存在诱发这些激素增加所需的一个阈值。急性运动后食欲调节激素的变化似乎是强度依赖性的,导致食欲信号受到更大的抑制,高强度运动对饱腹感信号的刺激更大。正如血乳酸的增加是强度依赖性的一样,这为高强度运动抑制食欲提供了潜在的机制,或将成为肥胖及糖尿病治疗中的极具吸引力的靶点。
大量的实验数据都表明了运动介导脑肠肽发挥的抗肥胖作用,这也预示着这一方向在未来健康科学领域将有广阔的发展与应用前景,不过运动对脑肠肽的调节是一次性运动的影响还是长期运动下的结果,是否具有可逆性都需加以明确,还应试图去了解运动对人体肠道其他脑肠肽(如PP、CCK、胰淀素、神经肽Y、氧调节蛋白等)的影响,以及多种脑肠肽的综合效应。
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