衰老影响胰腺α细胞功能并促进高胰高血糖素血症：对年龄相关性糖尿病的意义

《Aging Cell》：Aging Affects Pancreatic α-Cell Function and Promotes Hyperglucagonemia: Implications in Age-Associated Diabetes

　　

衰老是2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）发生的主要风险因素。随着年龄增长，胰腺β细胞会发生功能和细胞特性的改变，从而损害胰岛素分泌，进而导致葡萄糖耐量受损和T2DM。然而，葡萄糖稳态也依赖于胰腺α细胞。过高的血浆胰高血糖素水平，以及α细胞分泌调节受损，参与了T2DM的病理生理过程。尽管α细胞非常重要，但衰老对其的影响却一直被忽视。在本研究中，研究人员分析了具有正常胰岛素敏感性的老年小鼠和伴有外周胰岛素抵抗的老年小鼠的胰腺α细胞。无论胰岛素敏感性如何，老年小鼠均表现出高胰高血糖素血症和胰高血糖素释放增加。离体实验表明，这些改变与α细胞质量增加、胰高血糖素含量升高、胰高血糖素分泌抑制受损以及内质网（endoplasmic reticulum，ER）应激相关。此外，老年小鼠还显示出胰岛细胞组成的重塑以及α细胞在胰岛内空间组织的变化。同时，观察到α细胞特性出现中度改变。虽然大多数这些改变在胰岛素敏感性正常的老年小鼠中已经存在，但在伴有胰岛素抵抗时通常更为显著。对CORDIOPREV临床研究的分析显示，伴有胰岛素抵抗的老年人中存在高胰高血糖素血症。此外，在血浆胰高血糖素水平较高的老年人中，发生T2DM的风险也更高。本文所述发现表明，衰老会影响α细胞的生物学特性和胰高血糖素，使其成为与衰老相关的葡萄糖耐量受损和糖尿病的活跃参与者。

研究背景与目的

衰老是一个多层面的过程，深刻影响着包括葡萄糖稳态在内的代谢。与肥胖一样，衰老是发展为葡萄糖耐量受损（IGT）和2型糖尿病（T2DM）最关键的的风险因素之一。胰岛素抵抗（IR）是T2DM发展的关键因素，而衰老会降低外周胰岛素敏感性。在这种情况下，胰腺β细胞的质量和功能必须适应身体增加的胰岛素需求以维持正常血糖，但β细胞对IR的适应不足在从正常糖耐量向IGT乃至T2DM的进展中起着核心作用。

以往关于衰老对葡萄糖代谢调控的研究大多集中于β细胞和胰岛素的作用。然而，胰腺α细胞和胰高血糖素分泌同样对葡萄糖稳态和新陈代谢至关重要。α细胞功能障碍参与T2DM的病理生理过程，T2DM患者常表现为基础性高胰高血糖素血症以及葡萄糖对α细胞分泌的抑制作用受损，这促进了过度肝信号传导和高血糖。尽管胰高血糖素和α细胞在葡萄糖稳态和T2DM中很重要，但衰老对这些胰岛细胞的影响尚不明确。因此，本研究旨在探究衰老对胰腺α细胞的影响及其在年龄相关糖尿病中的作用。

研究方法概述

研究人员使用了年轻成年（3月龄）和老年（20月龄）雄性C57BL/6JOlaHsd小鼠作为动物模型。通过QUICKI指数将老年小鼠分为高胰岛素敏感性（HIS）组和低胰岛素敏感性（LIS）组。研究采用了多种技术方法，包括：体内精氨酸耐量试验评估α细胞分泌功能；离体静态孵育检测分离胰岛的胰高血糖素分泌和含量；全细胞膜片钳记录α细胞的电压门控钾离子（K⁺）和钙离子（Ca²⁺）电流及电容测量；免疫组织化学和形态计量学分析α细胞质量、增殖和凋亡；透射电子显微镜（TEM）观察α细胞超微结构；RT-qPCR检测基因表达；并对公开的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据进行了再分析。此外，研究还利用了CORDIOPREV临床研究的数据，分析了462名基线未患T2DM的患者，其中107人在中位60个月的随访期间发展为T2DM。

主要研究结果

4.1 老年小鼠呈现高胰高血糖素血症和增强的体内α细胞分泌

无论胰岛素敏感性如何，两个老年小鼠组均表现出高胰高血糖素血症和更高的胰高血糖素/葡萄糖比值。血浆胰高血糖素水平与QUICKI指数呈负相关。在精氨酸耐量试验中，两个老年组的胰岛素和胰高血糖素反应均高于年轻对照组。

4.2 衰老影响胰腺α细胞质量、增殖和凋亡

胰腺α细胞面积和质量在老年组中逐渐增加，其中LIS组的α细胞质量显著增高。这种扩张并非由于胰岛新生或α细胞肥大。所有组的α细胞凋亡率都很低，但LIS组显著增加。衰老降低了α细胞的增殖率。

4.3 衰老对胰岛内α细胞组成和空间组织的影响

LIS老年小鼠胰岛中胰岛素阳性（Ins⁺）细胞比例下降，胰高血糖素阳性（Gcg⁺）细胞比例上升。同时，位于非典型胰岛周边的Gcg⁺细胞数量增加，表明胰岛细胞类型组成和空间组织发生了改变。

4.4 LIS老年小鼠胰岛中葡萄糖和胰岛素对胰高血糖素释放的抑制受损

离体实验显示，在刺激条件（低糖）下，各组胰高血糖素分泌无差异。但在抑制条件下（高糖或加胰岛素），LIS老年小鼠的胰岛未能产生显著的抑制效应，表明其α细胞对葡萄糖和胰岛素的抑制信号反应迟钝。两个老年组的胰高血糖素蛋白含量均高于对照组，但前胰高血糖素原基因表达无变化。电压门控K⁺和Ca²⁺电流以及细胞电容测量在各组间无显著差异。

4.5 衰老过程中胰腺α细胞的超微结构变化

电镜观察发现，LIS老年小鼠α细胞的分泌颗粒直径略有增加，与细胞膜接触的颗粒数量有减少趋势。最显著的变化是两个老年组α细胞的内质网（ER）面积均增大，这是ER应激的标志。公共scRNA-seq数据的再分析证实，老年小鼠α细胞中多个ER应激相关基因表达上调。免疫荧光分析也显示，两个老年组α细胞中的BiP（一种ER伴侣蛋白）表达增加。

4.6 衰老对α细胞特性的影响

在整体胰岛mRNA水平上，α细胞关键转录因子（如Arx、MafB、Slc2a1）的表达无显著变化。然而，免疫荧光分析显示，HIS老年小鼠中Arx阳性的Gcg⁺细胞比例略有下降。此外，LIS老年小鼠中同时表达胰岛素和胰高血糖素的双激素阳性（Ins⁺Gcg⁺）细胞比例增加。

4.7 CORDIOPREV人群中，伴有IR的老年人存在高胰高血糖素血症，并增加发生T2DM的风险

在CORDIOPREV临床研究中，无论按生物年龄还是实际年龄分类，伴有IR的老年人（即那些发展为T2DM的个体）都表现出更高的空腹血浆胰高血糖素水平和口服葡萄糖耐量试验中更大的胰高血糖素曲线下面积（AUC）。Kaplan-Meier分析进一步表明，年龄本身会增加T2DM风险，而高胰高血糖素水平会放大这一风险。

讨论与结论

本研究表明，衰老直接影响α细胞的生物学功能和胰高血糖素的调节。老年小鼠普遍存在高胰高血糖素血症和增强的体内胰高血糖素分泌反应，这部分可由α细胞质量的增加来解释。重要的是，即使在没有IR的情况下，衰老本身也足以引起这些变化，而IR则加剧了这些与年龄相关的α细胞缺陷。LIS老年小鼠的胰岛表现出对高糖和胰岛素抑制信号的脱敏，提示其葡萄糖感知/代谢或旁分泌信号存在缺陷。超微结构和分子证据表明，衰老α细胞处于内质网应激状态，这可能是一种适应性而非促凋亡的反应，并与增强的分泌活性相关。尽管α细胞的核心转录程序相对稳定，但仍观察到轻度的细胞特性改变，尤其是在IR条件下，双激素阳性细胞的出现即为佐证。CORDIOPREV临床研究的结果验证了动物实验的发现，即在伴有IR的老年人中存在高胰高血糖素血症，并且高胰高血糖素水平与未来T2DM的发生风险增加相关。

综上所述，研究人员得出结论：衰老影响了α细胞的生物学特性和胰高血糖素水平，将这些内分泌细胞定位为与年龄相关的葡萄糖代谢失调和糖尿病发展中被忽视的关键参与者。鉴于α细胞对代谢压力的固有韧性，其在衰老过程中表现出的功能亢进和调节失控，可能比β细胞的衰退更早或更突出地参与了年龄相关性糖尿病的发病机制。