二甲双胍抑制线粒体对有氧运动训练的适应

版权所有©2018作者。“衰老细胞”由解剖学会和John Wiley&；Sons有限公司联合出版。

这是一篇http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/许可证条款下的开放获取文章，该许可证允许在任何介质上使用、分发和复制，只要正确引用了原始作品。

二甲双胍和运动独立提高胰岛素敏感性，降低糖尿病风险。二甲双胍最近也被提出作为一种潜在的延缓衰老的疗法。然而，最近的证据表明，在运动中加入二甲双胍可以拮抗运动诱导的胰岛素敏感性和心肺功能的改善。本研究旨在验证一种假设，即二甲双胍通过抑制老年人骨骼肌线粒体呼吸和蛋白质合成来减少有氧运动训练(AET)后胰岛素敏感性和心肺适能的改善(62±11.0岁)。在AET的12周内，参与者以双盲的方式被随机分为安慰剂(n=26)或二甲双胍(n=2.27)治疗。独立于治疗，AET可降低脂肪量、糖化血红蛋白、空腹血浆胰岛素、24小时动态平均血糖和血糖变异性。二甲双胍可减轻AET后全身胰岛素敏感性和VO2max的增加。在二甲双胍组，由于阳性反应者和阴性反应者，AET后全身胰岛素敏感性没有总体变化。二甲双胍还消除了运动介导的骨骼肌线粒体呼吸增加。全身胰岛素敏感性的改变与线粒体呼吸的改变相关。在AET过程中评估的线粒体蛋白质合成率在不同处理之间没有差异。二甲双胍对AET诱导的生理功能改善的影响是高度可变的，并且与二甲双胍对线粒体的作用有关。这些数据表明，在处方二甲双胍以延缓衰老之前，需要进行额外的研究，以了解在运动和不运动的情况下，对二甲双胍产生积极和消极反应的机制。

心肺适合度(CRF)、血糖控制和胰岛素敏感性的下降是疾病、残疾和全因死亡的预测因子(Blair等人，1989；Facchini，hua，Abbasi，&；Reaven，2001；扎斯拉夫斯基，Walker，Crane，Gray，&；Larson，2016)。与年龄相关的慢性肾功能衰竭和胰岛素敏感性的丧失与线粒体蛋白合成(生物发生)、丰度和呼吸降低以及活性氧排放(ROS)升高有关(Anderson等人，2009；Royacker，Adey，Ades，&Amp；Nair，1996；Short等人，2005年)。此外，线粒体功能的下降与端粒缩短直接相关(Sahin等人，2011年)。端粒是染色体末端的保护帽，是在应对各种细胞应激(如细胞分裂和氧化应激)和生活方式因素(如营养和运动)时保持基因组完整性和稳定性的关键特征。因此，端粒可能提供了一个综合的细胞测量一般健康和生物老化。

有氧运动被认为是在一生中增加CRF和外周胰岛素敏感性的金标准方法。前瞻性研究的结果表明，CRF和胰岛素敏感性更高，可以预防与年龄相关的慢性疾病(Blair等人，1989年；Facchini等人，2001年)。虽然运动对健康有多方面益处的分子转导机制仍在阐明中，但运动的能量压力会增加AMP激活激酶(AMPK)的活性(参见Richter&Amp；Ruderman，2009)。AMPK被认为是细胞的能量感受器，响应能量压力，增加能量产生过程，如骨骼肌线粒体生物发生和胰岛素刺激的葡萄糖摄取。根据这一概念，我们和其他人已经表明，增加骨骼肌线粒体蛋白质合成和呼吸以及减少ROS排放可能有助于改善有氧运动训练后CRF和外周胰岛素的敏感性(AET；Konopka等人，2015年；Robinson等人，2017年)。

双胍二甲双胍是治疗2型糖尿病(T2 DM)最广泛的处方药，人们对使用二甲双胍治疗衰老和延缓多种年龄相关疾病的发病也越来越感兴趣(Barzilai，Crandall，Kritchevsky，&；Espeland，2016)。二甲双胍降低患有和不患有T2 DM的成年人的肝脏葡萄糖产生(Hundal等人，2000年)，增加外周葡萄糖处置(Malin，Gerber，Chipkin，&；Braun，2012；Musi等人，2002年)。总体而言，二甲双胍的降糖作用似乎和运动一样，是通过骨骼肌和肝脏的能量应激和/或氧化还原机制实现的。二甲双胍I

所有参与者都没有慢性病，但至少有一个T2 DM的危险因素：空腹血糖100-125 mg/dl，2小时葡萄糖140-199 mg/dl，HbA1c(5.7%-6.4%)，或T2 DM家族史。42名参与者(80%)有2型糖尿病家族史，14名参与者(26%)在整个研究过程中一直服用他汀类药物。所有参与者都是幼稚的二甲双胍。在11名报告胃肠道不适的参与者中，剂量从每天2000毫克减少到1500毫克(安慰剂n=0.03；二甲双胍n=0.08)。根据退回的药片计数计算，药片依从性为98%。表​表11显示了参与者的身体和临床特征。12周的AET减轻了体重，与二甲双胍或安慰剂无关，这在很大程度上是由于全身、躯干和腿部脂肪质量的减少(P<0.001)。无脂体重干预后差异无统计学意义。

注意AUC，曲线下面积；BMI，体重指数；HOMA-IR，胰岛素抵抗的稳态模型评估。

如果未提供p值，则p；为0.05。标普0.05%描绘了时间的主要影响。没有治疗或交互作用的影响。

图​图1a 1a显示AET治疗12周后VO2 max(L/min)显著增加(P<0.05，时间主效)，在安慰剂组内显著增加(P<0.01)，但二甲双胍未见明显增加。二甲双胍可使AET12周后的VO2max增加约50%，尽管这并未达到统计学意义(p=0.08，图​图1b)。(1B)。在隔夜禁食后，受试者完成了血液化学评估和口服葡萄糖耐量试验(OGTT)。AET治疗12周后，糖化血红蛋白(%)、空腹胰岛素和HOMA-IR均降低(P<0.05)，与二甲双胍或安慰剂无关(表​(表1))。1)。在服用安慰剂而不是二甲双胍的AET后，通过松田指数评估，对于全身胰岛素敏感性的增加，存在显著的交互作用(p<0.05，通过治疗的时间)(图​(图1c))。1C)。平均而言，二甲双胍可抑制AET后全身胰岛素敏感性的增加(P=0.02)(图​(图1d))。1d)。与安慰剂相比，使用二甲双胍的AET后胰岛素敏感性的变化是高度可变的，这一点大约是SE的两倍(4.0vs.2.1)。此外，二甲双胍对AET有两种反应，其中58%的参与者是胰岛素敏感性增加的阳性反应者，42%的人是胰岛素敏感性降低的阴性反应者(图​(图1d))。1d)。同样，口服葡萄糖敏感性指数(OGSI)(图​(图1e，f)，1e，f)是葡萄糖清除率的估计，遵循与松田指数相似的模式，在松田指数中，安慰剂和二甲双胍之间存在显著的相互作用(P<0.05，治疗时间)。干预后餐后血糖和胰岛素曲线下面积(AUC)无差异，与安慰剂或二甲双胍无关。

为了进一步评估血糖调节，我们在干预前、干预期间和干预后的三个不同的场合，对17个人的子集(安慰剂n=9.9；二甲双胍n=9.8)进行了约7天的连续血糖监测仪(CGM)。每5分钟测量一次间质葡萄糖(每24小时288次测量)，以确定葡萄糖行为和变异性的几个指数。与AET前相比，我们发现24小时平均动态血糖和平均血糖漂移幅度(MAGE)，餐后血糖漂移的一个指标，在AET期间较低(P<0.05)，但在AET后不再有统计学差异，独立于安慰剂或二甲双胍(图​(图1g，h))。1g，h)。由于这些测量是在饮食未标准化的自由生活情况下进行的，我们还对由标准化有氧运动时段和运动后营养组成的5小时的血糖行为进行了探索性分析，如图​图1i所示。1I.。我们观察到预期的运动诱导的血糖下降和餐后血糖上升，但我们没有检测到各组之间的血糖AUC有统计学差异。

骨骼肌活检从股外侧肌获得，以评估通透性肌纤维中的线粒体呼吸。为了确定对干预的慢性适应，同时避免运动和二甲双胍的急性影响，在最后一次锻炼后48小时和最后一次服用二甲双胍后36小时分别进行肌肉活检。由于二甲双胍的假定作用是抑制复合物I(CI)，我们使用了两种方案来评估线粒体呼吸，线粒体呼吸是通过提供CI连接的底物丙酮酸、谷氨酸和苹果酸来启动的。在第一个方案(SUIT1)中，我们使用ADP团注刺激最大氧化磷酸化(OXPHOS；P)来评估CI P，然后提供辛酰肉碱和琥珀酸来评估脂肪酸氧化(CI&；FAO P)和复合体II连接的(CI+II&；FAO P)呼吸，

由于端粒调节基因组稳定性，并与线粒体功能直接相关，我们的目的是了解使用或不使用二甲双胍的运动是否会影响端粒长度。使用qRT-PCR对47名研究参与者(22名安慰剂；25名二甲双胍)的骨骼肌端粒长度进行了测量。独立于二甲双胍或安慰剂治疗，AET治疗12周后端粒长度显著增加(P<0.001)(图​(图3))。

在干预的最后4周内，测量了富含线粒体、细胞质和肌原纤维蛋白的亚细胞部分的累积骨骼肌蛋白合成率。安慰剂和二甲双胍在任何亚细胞肌肉蛋白组分的合成率上没有显著差异(图​(图44a))。

我们探索了几种参与调节骨骼肌蛋白质合成和胰岛素作用的营养敏感蛋白。在目前的研究中，AMPK磷酸化/总没有显著差异(图​(图4b))。4B)。我们还评估了AKT在两个结合位点T308和S473的激活情况，因为它们是参与蛋白质合成和胰岛素作用的上游信号蛋白。AET在T308和S473增加(P<0.05，时间的主要效应)AKT磷酸化/总，与安慰剂或二甲双胍无关(图​(图4c，d))。4c、d)。4EBP1和RpS6位于AKT磷酸化/TOTAL和mTOR下游，参与蛋白质翻译的启动和调控。我们观察到AET 12周内4EBP1磷酸化/总增加的趋势(p=0.08，时间的主效应)和RpS6磷酸化/总​图4e，f，4e，f的相互作用趋势(p=0.06，治疗时间)。典型的蛋白质印迹如图​图4 4G所示。

这项研究表明，在有T2 DM风险的老年人中，但没有慢性病的情况下，临床剂量的二甲双胍抑制了AET后骨骼肌线粒体呼吸的改善，并减轻了CRF和全身胰岛素敏感性的增加。在安慰剂组，胰岛素敏感性的改变与AET后CI相关呼吸的改变相关，但与二甲双胍组无关。总体而言，这些数据表明，二甲双胍在AET治疗12周后减弱了全身生理功能的改善，部分原因是在不影响线粒体蛋白质合成的情况下，阻止了骨骼肌线粒体呼吸的增加。二甲双胍没有减少AET后HbA1c、空腹胰岛素、24小时平均血糖和脂肪质量的改善或骨骼肌端粒长度的增加。由于CRF和胰岛素敏感性是与年龄相关的发病率和死亡率的主要预测因子，这些数据引起了人们对使用二甲双胍作为靶向衰老治疗的广泛建议的担忧。

心肺适合性是疾病和死亡率的最大风险因素之一，高水平的CRF可以预防心脏代谢性疾病的发展(Blair等人，1989年)。CRF随年龄增长而降低，而AET通常被推荐用来增加CRF和延缓高龄心脏代谢性疾病的发病。我们在T2 DM高危老年人中的研究结果表明，与安慰剂相比，二甲双胍在AET治疗12周后将CRF的改善钝化了约50%。这些数据证实了之前的报道，即二甲双胍在中年糖尿病前期和T2 DM患者分别经过10周和22周的运动训练后，也倾向于将CRF的增加减少~40%-60%(Boulé等人，2013年；Malin等人，2012年)。在这些先前的研究中，运动训练清楚地观察到了二甲双胍的抑制作用，而二甲双胍对久坐对照受试者的CRF没有影响。此外，二甲双胍降低了健康、活跃的成年人的慢性肾功能衰竭(Braun等人，2008年)。总而言之，这些结果表明了一个一致的模式，即二甲双胍似乎可以减缓运动训练后CRF的增加。

在目前的研究中，我们显示二甲双胍抑制有氧运动诱导的全身胰岛素敏感性的增加，这是在75毫克口服葡萄糖耐量试验中估计的。餐后胰岛素敏感性包括肝脏和外周组织，但大部分是由外周葡萄糖处理决定的(DeFronzo等人，1981年)。尽管运动和二甲双胍独立地改善胰岛素敏感性(Konopka等人，2015,2016；Malin等人，2012年；Musi等人，2002；Robinson等人，2017)，但我们的发现与之前的报告一致，即在急性运动和12周运动训练后，通过高胰岛素-正常血糖钳夹评估，二甲双胍可将外周胰岛素敏感性的增加减弱30%-50%(Malin等人，2012年；Sharoff等人，2010年。虽然二甲双胍AET后全身胰岛素敏感性的总体变化与基线没有什么不同，但我们确实观察到了差异。