內毒素是革蘭陰性菌細胞壁的成分之一，其化學結構為脂多糖。胰島素抵抗在肥胖、代謝綜合征、心血管疾病、2 型糖尿病及其并發癥等疾病的病理病程中起了重要的作用。現有研究認為肥胖及相關代謝性疾病是慢性低度炎癥性疾病，長期慢性炎癥可以削弱胰島素的生物效應。腸道菌群結構紊亂或腸黏膜屏障受損，機體循環系統中內毒素水平增加，誘發慢性低度炎癥可致宿主胰島素抵抗或肥胖。該文綜述了近年來內毒素誘發胰島素抵抗及相關代謝性疾病機制的研究進展。
引用本文： 張伊祎, 趙鐵耘. 內毒素誘發胰島素抵抗機制的研究進展. 華西醫學, 2017, 32(11): 1805-1809. doi: 10.7507/1002-0179.201507039 復制
近幾年來，肥胖及其相關代謝性疾病已成為發達及發展中國家面臨的嚴重公眾健康問題之一。由于生活水平的提高，高脂高糖的攝入使肥胖人群數量的增長速度驚人，而肥胖者出現糖耐量異常、胰島素抵抗及 2 型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）、脂肪肝、心腦血管疾病等相關代謝性疾病的危險也大大地增加[1]。近年諸多研究表明，肥胖及其相關代謝性疾病與慢性低度系統性炎癥有關，長期慢性炎癥可以削弱胰島素的生物效應。美國國立衛生研究院發起研究的“人類腸道微生物組計劃”產生的大量基因數據表明人類的“第二套基因組”[2]——腸道微生物基因組的差異，對肥胖及相關代謝性疾病發生發展有一定的影響，其中認為腸道菌群結構紊亂或腸黏膜屏障受損，導致腸道菌群過度增殖和菌群移位，機體循環系統中內毒素水平增加，炎癥因子與脂肪組織內分泌、免疫系統相互作用，誘發慢性低度炎癥是導致肥胖及相關的代謝性疾病發生的一個重要環節。
胰島素抵抗是指各種原因致胰島素在刺激靶組織（肝臟、脂肪、肌肉組織和下丘腦）時攝取和利用葡萄糖的生理效應低于正常水平，或是組織對胰島素的敏感性不足，代償性需要超常量的胰島素來滿足靶組織維持攝取、利用葡萄糖的正常生理效應，從而產生高胰島素血癥[3]。胰島素抵抗以多個水平的缺陷為特征，是遺傳和環境因素長期共同作用的結果，其中環境因素包括肥胖、懷孕、久坐的生活方式和多囊卵巢綜合征等。胰島素抵抗在肥胖、代謝綜合征、心血管疾病、T2DM 及其并發癥等疾病的病理病程中也起著重要的作用[4]。深入研究內毒素致胰島素抵抗的機制和炎性因素對預防和干預相關疾病的發生發展具有重要意義。因此，本文就內毒素誘發胰島素抵抗機制的研究進展綜述如下。
1 胰島素信號通路與胰島素抵抗
胰島 β 細胞受到內源性或外源性物質如葡萄糖、精氨酸、核糖、乳糖等的刺激而分泌的一種合成代謝激素為胰島素。胰島素的主要生理作用包括調節體內的血糖平衡，增加骨骼肌和脂肪組織對葡萄糖的攝取，促進糖原合成，抑制肝葡萄糖輸出，使血糖降低。胰島素信號傳導的步驟如下：① 胰島 β 細胞分泌的胰島素經血循環到達相應靶器官后，首先與細胞表面的胰島素受體（insulin receptor，InsR）α 亞基結合，激活 β 亞基，從而磷酸化其特定部位的酪氨酸蛋白激酶，使 InsR 構象發生改變。② 酪氨酸蛋白激酶引起 InsR 磷酸化后，其磷酸激酶可使胰島素受體底物（insulin receptor substrate，IRS）磷酸化而使之激活。③ IRS 家族主要包括不同類型的 IRS，磷酸化的 IRS 募集下游含肉瘤同源區段 2 結構域的信號分子并結合，激活 3 條信號途徑：A. 磷脂酰肌醇 3 激酶（phosphatidylinositol - 3-kinase，PI3K）途徑；B. CAP/Cb1/Tc10 途徑；C. Ras/絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）途徑。④ 依賴于環磷酸腺苷的磷酸酶、蛋白激酶級聯反應。⑤ 生理效應：調節細胞內糖代謝系統的酶活性，包括葡萄糖攝取和利用、刺激糖原合成酶調節糖原合成、脂肪的儲存和移動以及調節細胞增殖和分化、基因轉錄等一系列生物學效應。
胰島素抵抗的核心部位是 IRS，目前已發現至少有 9 種 IRS。與胰島素信號傳導通路有關的 IRS 主要是 IRS-1 和 IRS-2。IRS 磷酸化異常、IRS 蛋白的異常降解及細胞內的分布異常均可導致胰島素抵抗。臨床和動物研究發現，在 T2DM 患者皮下及大網膜脂肪組織和自發性 T2DM 大鼠肌肉組織內，IRS 蛋白的表達和酪氨酸磷酸化水平均顯著降低，呈明顯的胰島素抵抗狀態[5]。IRS 的絲氨酸/蘇氨酸磷酸化異常影響胰島素信號轉導包括以下幾個方面：① IRS 不正常的降解，研究表明，骨骼肌細胞 IRS-l 絲氨酸/蘇氨酸磷酸化異常會加速泛素/蛋白酶體系統介導的 IRS-1 蛋白降解；② 各種因素致 PI3K 表達或激酶活性下降，如 IRS 基因突變、炎性介質增多等，導致下游信號分子磷酸化障礙，妨礙胰島素信號傳導通路下游信號的傳導[6]；③ 酪氨酸蛋白激酶活性受損，IRS 蛋白的酪氨酸磷酸化水平降低。還有通過其他途徑激活絲氨酸/蘇氨酸類激酶引起 IRS 的磷酸化水平異常升高而抑制 IRS 的功能，如游離脂肪酸（free fatty acid，FFA）、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白細胞介素（interleukin，IL）-6 和細胞應激，這些因素也可誘發胰島素抵抗和抑制胰島素信號傳導。
最先發現的 IRS 為 IRS-1，其主要在骨骼肌表達。基因敲除研究發現，IRS-1 基因缺乏的自發性 T2DM 大鼠肌肉組織中 IRS-1 蛋白表達及酪氨酸磷酸化水平明顯下降[7]。Aspinwall 等[8]用加入 PI3K 抑制劑的培養基培養高表達 IRS-1 的胰島 β 細胞瘤細胞，結果發現 β 細胞內鈣離子濃度降低，胰島素分泌明顯減少，表明 IRS-1 可能通過 PI3K 通路發揮作用，是 β 細胞分泌胰島素的關鍵信號。基因敲除研究發現，IRS-2 基因缺乏小鼠肝細胞 PI3K 的 P85 調節亞基較野生型小鼠減少，PI3K 的表達和活性下降，同時 IRS-2 與 PI3K 的結合也減少，導致胰島素信號無法通過 PI3K 通路傳遞，過度表達 IRS-1 也無法代償。因此推測 IRS-2 對于調節胰島 β 細胞數量起關鍵作用[9]。Hennige 等[10]的研究發現，IRS-2 在小鼠胰島 β 細胞表達水平的高低直接影響胰島 β 細胞的存活、生長和胰島素分泌。
2 內毒素
細菌內毒素是與細菌細胞壁牢固結合的一種大分子物質，是革蘭陰性（Gram -negative，G–）菌細胞壁的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）成分，在細菌死亡裂解或黏附在其他細胞時才釋出。1890 年，一些學者在研究發熱物質過程中發現并提出細菌內毒素這個概念。隨后大量具有多種毒性反應的物質被其他學者用不同的實驗手段從各種 G– 菌中提取出，該物質與 LPS 性質相似，為區別于外毒素，而稱之為內毒素。LPS 的完整結構包括類脂 A、O-特異性鏈和核心多糖 3 個組成部分。其中類脂 A 是內毒素分子中最穩定的部分，可視作 LPS 的“毒力中心”，是抗原活性部位，保存著 LPS 的各種生物活性，對人體的危害極大。類脂 A 注入動物體內可以啟動與內毒素血癥有關的宿主反應，而 O-特異性鏈和核心多糖均不引起內毒素血癥的病理反應。正常情況下，腸道細菌代謝所釋放的內毒素可被腸壁吸收進入門靜脈并通過肝臟枯否細胞的吞飲作用清除。
當機體受到創傷（包括燒傷、手術、放射治療、化學療法、感染）和接受長期的腸外營養時，腸黏膜有可能發生通透性增高，或肝臟的枯否細胞功能障礙，致使肝臟對內毒素的解毒作用減弱，導致細菌和內毒素移位，大量內毒素又引起枯否細胞的過度活化和吞噬功能的低下，形成惡性循環，內毒素即可進入體循環而形成腸源性內毒素血癥。進入循環的內毒素結合于脂多糖結合蛋白（lipopolysac- charide binding protein，LBP），再結合組織中單核巨噬細胞膜上的葡萄糖磷酸異構酶錨定蛋白 CD14（存在于巨噬細胞、單核細胞等細胞表面的白細胞分化抗原），形成 LPS/LBP/CD14 復合物作用于 Toll 樣受體-4（Toll-like receptor-4，TLR-4），通過內毒素相關通路激活一系列炎癥因子的表達與釋放[11]。
3 內毒素、炎癥與胰島素抵抗
LPS 的作用及高脂飲食致慢性低度炎癥的形成已在野生型和 CD14 敲除（CD14–/–）的大鼠上得到證實。將小劑量的 LPS 持續注入到野生型大鼠體內，4 周后實驗大鼠出現肝臟、腹部和皮下脂肪組織質量增加，空腹及餐后血糖升高。同樣只用高脂飲食喂養大鼠而不注入 LPS 時，實驗大鼠也會出現體質量和脂肪組織增加。然而，研究者用高脂飲食喂養 CD14–/– 大鼠，結果未表現出上述的體質量增加及糖代謝紊亂等，反而出現胰島素高度敏感。因此，注入 LPS 或高脂飲食喂養大鼠所誘發的慢性低度炎癥主要通過 TLR-4 信號通路作用[12]。研究表明體內循環 FFA 水平的增加同樣可通過激活脂肪細胞和巨噬細胞 TLR-4 信號作用而引起炎癥反應。
LPS 與 CD14 形成復合物并被單核巨噬細胞表面的 TLR-4 識別時，作用于骨骼肌細胞和脂肪細胞，通過內毒素相關通路核因子-kappa B（nuclear factor -kappa B，NF-κB）途徑和 MAPK 途徑激活一系列炎癥因子的表達與釋放[13]。激活 NF-κB 信號轉導通路，誘導促炎性細胞因子基因的表達，從而導致 TNF-α、IL-1β、IL-8、細胞間黏附分子 1、誘導型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）和單核細胞趨化蛋白（monocyte chemotactic protein-1，MCP-1）等炎癥因子的大量表達[14]。MAPK 家族作為從細胞表面傳導到細胞核內部的重要信使（絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶），被神經遞質、細胞因子、激素、細胞黏附及細胞應激等激活參與細胞增殖、分化、對環境的應激適應及細胞間功能同步等多種生理過程。MAPK 信號通路包括細胞外信號調節激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）、p38 MAPK（p38）和細胞內信號調節激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）[15]。JNK、p38 和 ERK 旁路可通過不同的機制引起胰島素抵抗。Fujishiro 等[16]研究顯示激活 JNK 旁路可以抑制 IRS-1 和 IRS-2 的酪氨酸磷酸化，激活 p38 旁路可適當地減少 IRS-1 和 IRS-2 的表達，且激活 ERK 旁路較其他旁路更能抑制 IRS-1 和 IRS-2 的表達。
LPS 與 LBP、CD14 組成的受體復合物活化 TLR-4 信號轉導，從而啟動炎癥反應。由于 Toll 樣受體細胞內區域與 IL-1R 細胞內區域同源性較高，該區被稱之為 Toll-IL-1 受體結構域（Toll-IL-1 receptor domain，TIR）。TIR 募集下游含有 TIR 的信號分子，是 TLR-4 與其下游蛋白激酶相互作用的關鍵部位[17]。TIR 介導的信號轉導途徑的分子有腫瘤壞死因子受體相關因子 6、IL-1R 相關激酶、髓性分化因子 88 等。腫瘤壞死因子受體相關因子 6 可激活 NF-κB 誘導激酶，活化的 NF-κB 誘導激酶可進一步激活 NF-κB 抑制蛋白激酶（inhibitor of NF-κB kinases，IKK）。IKK 包括 2 個催化亞基 IKK-α 及 IKK-β 和 1 個調節亞基 IKK-γ。NF-κB 抑制蛋白（inhibitor of NF-κB，IκB）是 NF-κB 特異性抑制因子，在未受刺激的細胞中，IκB 在細胞質中與 NF-κB 結合使 NF-κB 處于失活狀態。活化的 IKK-α 及 IKK-β 使 IκB 磷酸化而脫顆粒。LPS 持續刺激后，激活 IKK 使磷酸化的 IκB 即與 NF-κB 分離降解，解除對 NF-κB 的抑制，活化的 NF-κB 迅速轉位入核，在核內 NF-κB 可誘導眾多炎癥相關的特異基因如 IL-6、TNF-α、IL-8 等的表達。研究顯示，高脂飲食喂養 IKK-β+/– 雜合子大鼠可以防止胰島素抵抗的發生，因為 IKK-β 可以通過磷酸化 IκB 和 IRS-1 的絲氨酸殘基來阻止胰島素信號的傳遞[18]。
研究顯示，將 LPS 分別持續注入野生型大鼠與 CD14–/– 大鼠體內，3 周后野生型大鼠皮下脂肪組織較 CD14–/– 大鼠更易出現脂肪細胞變性、IL-1、IL-6 和纖溶酶原激活物抑制劑 1 水平的升高，伴隨著空腹血糖升高和肥胖[12]。用含高濃度的 LPS 培養基共培養巨噬細胞和 3T3-L1 脂肪細胞，發現 LPS 可激活單核巨噬細胞系統釋放 MCP-1、IL-6 和 TNF-α[19]。TNF-α 和 MCP-1 在脂肪細胞和巨噬細胞中建立一個惡性循環，誘導 TNF-α 和 IL-6 基因的過度表達，并進一步誘導其他炎性細胞因子的產生，而這些細胞因子是引起胰島素抵抗的關鍵[20]。TNF-α 和 IL-6 可通過激活 JNK 和 IKK 抑制 IRS-1 的磷酸化[21]。此外，LPS 也通過蛋白激酶 C 途徑激活 JNK 和 IKK 導致胰島素抵抗。我們先前的動物研究采用高脂飲食已成功誘導出肥胖胰島素抵抗的大鼠模型，大鼠表現出肥胖、糖代謝異常、高胰島素血癥、血脂異常等典型的胰島素抵抗特征[22]。此肥胖胰島素抵抗型大鼠腸道菌群結構發生改變，腸道屏障受到破壞，循環血漿內毒素水平增加，肝臟組織內毒素相關信號分子 TLR-4 和炎癥因子 TNF-α 的 mRNA 及蛋白表達增加，肝臟組織的胰島素信號分子 InsR 及 IRS-1 的 mRNA 的表達下調，肝臟表現為胰島素抵抗。
LPS 引起 3T3-L1 脂肪細胞 AKt 磷酸化的減少及 iNOS 基因表達的增加，進而引起一氧化氮產生增多，通過影響葡萄糖轉運引發胰島素抵抗。這種 iNOS 相關聯的胰島素抵抗是通過調節胰島素信號通路中的蛋白（如 InsR β 亞基、IRS-1 和 AKt）的巰基亞硝基化而誘發的。InsR 蛋白質的巰基亞硝基化會降低其自身磷酸化作用和酪氨酸激酶活性，IRS-1 的巰基亞硝基化可能是通過增加蛋白酶體的降解來減少其在組織中的表達，而 Akt 的巰基亞硝基化是通過失去其絲氨酸激酶的活性降低其水平[23]。
4 內毒素血癥與胰島素抵抗的臨床研究
Agwunobi 等[24]研究表明向人體持續輸注低劑量的 LPS 可損傷胰島素的敏感性，研究也顯示，一些減少外周和肝臟葡萄糖轉運的激素，如皮質醇、胰高血糖素和生長激素也同樣增加。Dandona 等[25]對體質量指數為 20～25 kg/m2 的健康志愿者持續輸注 LPS（2 ng/kg），結果發現志愿者血漿 TNF-α、IL-6、FFA、MCP-1、巨噬細胞遷移抑制因子、C 反應蛋白、抵抗素、內脂素和 LBP 水平明顯升高。值得注意的是，血漿 TNF-α 水平的增加可以促進脂肪分解，從而增加 FFA 的水平。Chang 等[26]研究提示血漿內毒素的水平與胰島素抵抗呈正相關。Mehta 等[27]對體質量指數為 18～30 kg/m2 的健康志愿者持續輸注 LPS（3 ng/kg），內毒素血癥引起血漿 TNF-α、IL-6、抵抗素、瘦素、MCP-1、C 反應蛋白、皮質醇和 FFA 水平急劇的升高。研究也表明內毒素血癥可誘發系統胰島素抵抗，但胰島 β 細胞功能并未受影響。此外，研究人員也發現血漿抑制細胞因子信號（suppressor of cytokine signaling，SOCS）1 和 3 的表達也同樣增加。SOCS-1 和 SOCS-3 可以通過干擾 IRS-1 和 IRS-2 酪氨酸磷酸化或促進蛋白酶體降解 IRS-1 和 IRS-2 抑制胰島素信號的傳遞。Pussinen 等[28]的研究團隊進行了一個為期 10 年的關于內毒素血癥與糖尿病發生率的隊列研究，此研究納入了年齡 25～74 歲的 7 169 名志愿者。研究表明內毒素的水平與升高的糖尿病發生率相關。我們的臨床研究也發現隨著糖代謝異常的加重，血漿內毒素水平是逐漸升高的，且肥胖組血漿內毒素水平高于非肥胖組[29]。
5 結語
內毒素在炎癥性疾病及胰島素抵抗的發生發展中起著關鍵作用，目前內毒素致胰島素抵抗的分子機制尚未完全明確，可能通過 NF-κB 和 MAPK 炎癥信號通路誘發胰島素抵抗，進一步深入的研究將為胰島素抵抗的病因及治療提供新的思路與靶點。
近幾年來，肥胖及其相關代謝性疾病已成為發達及發展中國家面臨的嚴重公眾健康問題之一。由于生活水平的提高，高脂高糖的攝入使肥胖人群數量的增長速度驚人，而肥胖者出現糖耐量異常、胰島素抵抗及 2 型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）、脂肪肝、心腦血管疾病等相關代謝性疾病的危險也大大地增加[1]。近年諸多研究表明，肥胖及其相關代謝性疾病與慢性低度系統性炎癥有關，長期慢性炎癥可以削弱胰島素的生物效應。美國國立衛生研究院發起研究的“人類腸道微生物組計劃”產生的大量基因數據表明人類的“第二套基因組”[2]——腸道微生物基因組的差異，對肥胖及相關代謝性疾病發生發展有一定的影響，其中認為腸道菌群結構紊亂或腸黏膜屏障受損，導致腸道菌群過度增殖和菌群移位，機體循環系統中內毒素水平增加，炎癥因子與脂肪組織內分泌、免疫系統相互作用，誘發慢性低度炎癥是導致肥胖及相關的代謝性疾病發生的一個重要環節。
胰島素抵抗是指各種原因致胰島素在刺激靶組織（肝臟、脂肪、肌肉組織和下丘腦）時攝取和利用葡萄糖的生理效應低于正常水平，或是組織對胰島素的敏感性不足，代償性需要超常量的胰島素來滿足靶組織維持攝取、利用葡萄糖的正常生理效應，從而產生高胰島素血癥[3]。胰島素抵抗以多個水平的缺陷為特征，是遺傳和環境因素長期共同作用的結果，其中環境因素包括肥胖、懷孕、久坐的生活方式和多囊卵巢綜合征等。胰島素抵抗在肥胖、代謝綜合征、心血管疾病、T2DM 及其并發癥等疾病的病理病程中也起著重要的作用[4]。深入研究內毒素致胰島素抵抗的機制和炎性因素對預防和干預相關疾病的發生發展具有重要意義。因此，本文就內毒素誘發胰島素抵抗機制的研究進展綜述如下。
1 胰島素信號通路與胰島素抵抗
胰島 β 細胞受到內源性或外源性物質如葡萄糖、精氨酸、核糖、乳糖等的刺激而分泌的一種合成代謝激素為胰島素。胰島素的主要生理作用包括調節體內的血糖平衡，增加骨骼肌和脂肪組織對葡萄糖的攝取，促進糖原合成，抑制肝葡萄糖輸出，使血糖降低。胰島素信號傳導的步驟如下：① 胰島 β 細胞分泌的胰島素經血循環到達相應靶器官后，首先與細胞表面的胰島素受體（insulin receptor，InsR）α 亞基結合，激活 β 亞基，從而磷酸化其特定部位的酪氨酸蛋白激酶，使 InsR 構象發生改變。② 酪氨酸蛋白激酶引起 InsR 磷酸化后，其磷酸激酶可使胰島素受體底物（insulin receptor substrate，IRS）磷酸化而使之激活。③ IRS 家族主要包括不同類型的 IRS，磷酸化的 IRS 募集下游含肉瘤同源區段 2 結構域的信號分子并結合，激活 3 條信號途徑：A. 磷脂酰肌醇 3 激酶（phosphatidylinositol - 3-kinase，PI3K）途徑；B. CAP/Cb1/Tc10 途徑；C. Ras/絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）途徑。④ 依賴于環磷酸腺苷的磷酸酶、蛋白激酶級聯反應。⑤ 生理效應：調節細胞內糖代謝系統的酶活性，包括葡萄糖攝取和利用、刺激糖原合成酶調節糖原合成、脂肪的儲存和移動以及調節細胞增殖和分化、基因轉錄等一系列生物學效應。
胰島素抵抗的核心部位是 IRS，目前已發現至少有 9 種 IRS。與胰島素信號傳導通路有關的 IRS 主要是 IRS-1 和 IRS-2。IRS 磷酸化異常、IRS 蛋白的異常降解及細胞內的分布異常均可導致胰島素抵抗。臨床和動物研究發現，在 T2DM 患者皮下及大網膜脂肪組織和自發性 T2DM 大鼠肌肉組織內，IRS 蛋白的表達和酪氨酸磷酸化水平均顯著降低，呈明顯的胰島素抵抗狀態[5]。IRS 的絲氨酸/蘇氨酸磷酸化異常影響胰島素信號轉導包括以下幾個方面：① IRS 不正常的降解，研究表明，骨骼肌細胞 IRS-l 絲氨酸/蘇氨酸磷酸化異常會加速泛素/蛋白酶體系統介導的 IRS-1 蛋白降解；② 各種因素致 PI3K 表達或激酶活性下降，如 IRS 基因突變、炎性介質增多等，導致下游信號分子磷酸化障礙，妨礙胰島素信號傳導通路下游信號的傳導[6]；③ 酪氨酸蛋白激酶活性受損，IRS 蛋白的酪氨酸磷酸化水平降低。還有通過其他途徑激活絲氨酸/蘇氨酸類激酶引起 IRS 的磷酸化水平異常升高而抑制 IRS 的功能，如游離脂肪酸（free fatty acid，FFA）、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白細胞介素（interleukin，IL）-6 和細胞應激，這些因素也可誘發胰島素抵抗和抑制胰島素信號傳導。
最先發現的 IRS 為 IRS-1，其主要在骨骼肌表達。基因敲除研究發現，IRS-1 基因缺乏的自發性 T2DM 大鼠肌肉組織中 IRS-1 蛋白表達及酪氨酸磷酸化水平明顯下降[7]。Aspinwall 等[8]用加入 PI3K 抑制劑的培養基培養高表達 IRS-1 的胰島 β 細胞瘤細胞，結果發現 β 細胞內鈣離子濃度降低，胰島素分泌明顯減少，表明 IRS-1 可能通過 PI3K 通路發揮作用，是 β 細胞分泌胰島素的關鍵信號。基因敲除研究發現，IRS-2 基因缺乏小鼠肝細胞 PI3K 的 P85 調節亞基較野生型小鼠減少，PI3K 的表達和活性下降，同時 IRS-2 與 PI3K 的結合也減少，導致胰島素信號無法通過 PI3K 通路傳遞，過度表達 IRS-1 也無法代償。因此推測 IRS-2 對于調節胰島 β 細胞數量起關鍵作用[9]。Hennige 等[10]的研究發現，IRS-2 在小鼠胰島 β 細胞表達水平的高低直接影響胰島 β 細胞的存活、生長和胰島素分泌。
2 內毒素
細菌內毒素是與細菌細胞壁牢固結合的一種大分子物質，是革蘭陰性（Gram -negative，G–）菌細胞壁的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）成分，在細菌死亡裂解或黏附在其他細胞時才釋出。1890 年，一些學者在研究發熱物質過程中發現并提出細菌內毒素這個概念。隨后大量具有多種毒性反應的物質被其他學者用不同的實驗手段從各種 G– 菌中提取出，該物質與 LPS 性質相似，為區別于外毒素，而稱之為內毒素。LPS 的完整結構包括類脂 A、O-特異性鏈和核心多糖 3 個組成部分。其中類脂 A 是內毒素分子中最穩定的部分，可視作 LPS 的“毒力中心”，是抗原活性部位，保存著 LPS 的各種生物活性，對人體的危害極大。類脂 A 注入動物體內可以啟動與內毒素血癥有關的宿主反應，而 O-特異性鏈和核心多糖均不引起內毒素血癥的病理反應。正常情況下，腸道細菌代謝所釋放的內毒素可被腸壁吸收進入門靜脈并通過肝臟枯否細胞的吞飲作用清除。
當機體受到創傷（包括燒傷、手術、放射治療、化學療法、感染）和接受長期的腸外營養時，腸黏膜有可能發生通透性增高，或肝臟的枯否細胞功能障礙，致使肝臟對內毒素的解毒作用減弱，導致細菌和內毒素移位，大量內毒素又引起枯否細胞的過度活化和吞噬功能的低下，形成惡性循環，內毒素即可進入體循環而形成腸源性內毒素血癥。進入循環的內毒素結合于脂多糖結合蛋白（lipopolysac- charide binding protein，LBP），再結合組織中單核巨噬細胞膜上的葡萄糖磷酸異構酶錨定蛋白 CD14（存在于巨噬細胞、單核細胞等細胞表面的白細胞分化抗原），形成 LPS/LBP/CD14 復合物作用于 Toll 樣受體-4（Toll-like receptor-4，TLR-4），通過內毒素相關通路激活一系列炎癥因子的表達與釋放[11]。
3 內毒素、炎癥與胰島素抵抗
LPS 的作用及高脂飲食致慢性低度炎癥的形成已在野生型和 CD14 敲除（CD14–/–）的大鼠上得到證實。將小劑量的 LPS 持續注入到野生型大鼠體內，4 周后實驗大鼠出現肝臟、腹部和皮下脂肪組織質量增加，空腹及餐后血糖升高。同樣只用高脂飲食喂養大鼠而不注入 LPS 時，實驗大鼠也會出現體質量和脂肪組織增加。然而，研究者用高脂飲食喂養 CD14–/– 大鼠，結果未表現出上述的體質量增加及糖代謝紊亂等，反而出現胰島素高度敏感。因此，注入 LPS 或高脂飲食喂養大鼠所誘發的慢性低度炎癥主要通過 TLR-4 信號通路作用[12]。研究表明體內循環 FFA 水平的增加同樣可通過激活脂肪細胞和巨噬細胞 TLR-4 信號作用而引起炎癥反應。
LPS 與 CD14 形成復合物并被單核巨噬細胞表面的 TLR-4 識別時，作用于骨骼肌細胞和脂肪細胞，通過內毒素相關通路核因子-kappa B（nuclear factor -kappa B，NF-κB）途徑和 MAPK 途徑激活一系列炎癥因子的表達與釋放[13]。激活 NF-κB 信號轉導通路，誘導促炎性細胞因子基因的表達，從而導致 TNF-α、IL-1β、IL-8、細胞間黏附分子 1、誘導型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）和單核細胞趨化蛋白（monocyte chemotactic protein-1，MCP-1）等炎癥因子的大量表達[14]。MAPK 家族作為從細胞表面傳導到細胞核內部的重要信使（絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶），被神經遞質、細胞因子、激素、細胞黏附及細胞應激等激活參與細胞增殖、分化、對環境的應激適應及細胞間功能同步等多種生理過程。MAPK 信號通路包括細胞外信號調節激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）、p38 MAPK（p38）和細胞內信號調節激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）[15]。JNK、p38 和 ERK 旁路可通過不同的機制引起胰島素抵抗。Fujishiro 等[16]研究顯示激活 JNK 旁路可以抑制 IRS-1 和 IRS-2 的酪氨酸磷酸化，激活 p38 旁路可適當地減少 IRS-1 和 IRS-2 的表達，且激活 ERK 旁路較其他旁路更能抑制 IRS-1 和 IRS-2 的表達。
LPS 與 LBP、CD14 組成的受體復合物活化 TLR-4 信號轉導，從而啟動炎癥反應。由于 Toll 樣受體細胞內區域與 IL-1R 細胞內區域同源性較高，該區被稱之為 Toll-IL-1 受體結構域（Toll-IL-1 receptor domain，TIR）。TIR 募集下游含有 TIR 的信號分子，是 TLR-4 與其下游蛋白激酶相互作用的關鍵部位[17]。TIR 介導的信號轉導途徑的分子有腫瘤壞死因子受體相關因子 6、IL-1R 相關激酶、髓性分化因子 88 等。腫瘤壞死因子受體相關因子 6 可激活 NF-κB 誘導激酶，活化的 NF-κB 誘導激酶可進一步激活 NF-κB 抑制蛋白激酶（inhibitor of NF-κB kinases，IKK）。IKK 包括 2 個催化亞基 IKK-α 及 IKK-β 和 1 個調節亞基 IKK-γ。NF-κB 抑制蛋白（inhibitor of NF-κB，IκB）是 NF-κB 特異性抑制因子，在未受刺激的細胞中，IκB 在細胞質中與 NF-κB 結合使 NF-κB 處于失活狀態。活化的 IKK-α 及 IKK-β 使 IκB 磷酸化而脫顆粒。LPS 持續刺激后，激活 IKK 使磷酸化的 IκB 即與 NF-κB 分離降解，解除對 NF-κB 的抑制，活化的 NF-κB 迅速轉位入核，在核內 NF-κB 可誘導眾多炎癥相關的特異基因如 IL-6、TNF-α、IL-8 等的表達。研究顯示，高脂飲食喂養 IKK-β+/– 雜合子大鼠可以防止胰島素抵抗的發生，因為 IKK-β 可以通過磷酸化 IκB 和 IRS-1 的絲氨酸殘基來阻止胰島素信號的傳遞[18]。
研究顯示，將 LPS 分別持續注入野生型大鼠與 CD14–/– 大鼠體內，3 周后野生型大鼠皮下脂肪組織較 CD14–/– 大鼠更易出現脂肪細胞變性、IL-1、IL-6 和纖溶酶原激活物抑制劑 1 水平的升高，伴隨著空腹血糖升高和肥胖[12]。用含高濃度的 LPS 培養基共培養巨噬細胞和 3T3-L1 脂肪細胞，發現 LPS 可激活單核巨噬細胞系統釋放 MCP-1、IL-6 和 TNF-α[19]。TNF-α 和 MCP-1 在脂肪細胞和巨噬細胞中建立一個惡性循環，誘導 TNF-α 和 IL-6 基因的過度表達，并進一步誘導其他炎性細胞因子的產生，而這些細胞因子是引起胰島素抵抗的關鍵[20]。TNF-α 和 IL-6 可通過激活 JNK 和 IKK 抑制 IRS-1 的磷酸化[21]。此外，LPS 也通過蛋白激酶 C 途徑激活 JNK 和 IKK 導致胰島素抵抗。我們先前的動物研究采用高脂飲食已成功誘導出肥胖胰島素抵抗的大鼠模型，大鼠表現出肥胖、糖代謝異常、高胰島素血癥、血脂異常等典型的胰島素抵抗特征[22]。此肥胖胰島素抵抗型大鼠腸道菌群結構發生改變，腸道屏障受到破壞，循環血漿內毒素水平增加，肝臟組織內毒素相關信號分子 TLR-4 和炎癥因子 TNF-α 的 mRNA 及蛋白表達增加，肝臟組織的胰島素信號分子 InsR 及 IRS-1 的 mRNA 的表達下調，肝臟表現為胰島素抵抗。
LPS 引起 3T3-L1 脂肪細胞 AKt 磷酸化的減少及 iNOS 基因表達的增加，進而引起一氧化氮產生增多，通過影響葡萄糖轉運引發胰島素抵抗。這種 iNOS 相關聯的胰島素抵抗是通過調節胰島素信號通路中的蛋白（如 InsR β 亞基、IRS-1 和 AKt）的巰基亞硝基化而誘發的。InsR 蛋白質的巰基亞硝基化會降低其自身磷酸化作用和酪氨酸激酶活性，IRS-1 的巰基亞硝基化可能是通過增加蛋白酶體的降解來減少其在組織中的表達，而 Akt 的巰基亞硝基化是通過失去其絲氨酸激酶的活性降低其水平[23]。
4 內毒素血癥與胰島素抵抗的臨床研究
Agwunobi 等[24]研究表明向人體持續輸注低劑量的 LPS 可損傷胰島素的敏感性，研究也顯示，一些減少外周和肝臟葡萄糖轉運的激素，如皮質醇、胰高血糖素和生長激素也同樣增加。Dandona 等[25]對體質量指數為 20～25 kg/m2 的健康志愿者持續輸注 LPS（2 ng/kg），結果發現志愿者血漿 TNF-α、IL-6、FFA、MCP-1、巨噬細胞遷移抑制因子、C 反應蛋白、抵抗素、內脂素和 LBP 水平明顯升高。值得注意的是，血漿 TNF-α 水平的增加可以促進脂肪分解，從而增加 FFA 的水平。Chang 等[26]研究提示血漿內毒素的水平與胰島素抵抗呈正相關。Mehta 等[27]對體質量指數為 18～30 kg/m2 的健康志愿者持續輸注 LPS（3 ng/kg），內毒素血癥引起血漿 TNF-α、IL-6、抵抗素、瘦素、MCP-1、C 反應蛋白、皮質醇和 FFA 水平急劇的升高。研究也表明內毒素血癥可誘發系統胰島素抵抗，但胰島 β 細胞功能并未受影響。此外，研究人員也發現血漿抑制細胞因子信號（suppressor of cytokine signaling，SOCS）1 和 3 的表達也同樣增加。SOCS-1 和 SOCS-3 可以通過干擾 IRS-1 和 IRS-2 酪氨酸磷酸化或促進蛋白酶體降解 IRS-1 和 IRS-2 抑制胰島素信號的傳遞。Pussinen 等[28]的研究團隊進行了一個為期 10 年的關于內毒素血癥與糖尿病發生率的隊列研究，此研究納入了年齡 25～74 歲的 7 169 名志愿者。研究表明內毒素的水平與升高的糖尿病發生率相關。我們的臨床研究也發現隨著糖代謝異常的加重，血漿內毒素水平是逐漸升高的，且肥胖組血漿內毒素水平高于非肥胖組[29]。
5 結語
內毒素在炎癥性疾病及胰島素抵抗的發生發展中起著關鍵作用，目前內毒素致胰島素抵抗的分子機制尚未完全明確，可能通過 NF-κB 和 MAPK 炎癥信號通路誘發胰島素抵抗，進一步深入的研究將為胰島素抵抗的病因及治療提供新的思路與靶點。