二甲双胍被证实可改善老年人认知功能。新加坡一项纵向老龄化研究显示,使用二甲双胍可降低51%的认知障碍风险,并且长期(>6年)服用二甲双胍的患者罹患认知障碍的风险最低^[9]。另一项观察研究显示,采用二甲双胍治疗糖尿病的患者罹患老年痴呆的比例比采用其他糖尿病药物治疗的患者低^[10]。一项研究对二甲双胍和认知功能之间的关系进行了评估,试验纳入患有轻度认知障碍且无糖尿病的患者80例,将其随机分为2组,每日两次服用二甲双胍1000 mg或相同剂量安慰药,连续服用12个月,结果显示,服用二甲双胍的患者在阿尔茨海默病相关评估测试中的表现显著改善^[11]。

尽管以上研究结果振奋人心,但关于二甲双胍对认知功能的益处还存在争议。首先,目前大多数研究仅发现二甲双胍对执行功能具有显著影响,但在其他认知测试上还没有相应结果^[12]。其次,某些情况下,长期服用二甲双胍会导致叶酸相关维生素B缺乏,而维生素B缺乏与认知功能下降具有相关性^[13]。例如PORTER等^[14]比较了二甲双胍和非二甲双胍使用者的叶酸相关维生素B水平,并对其进行认知评估,发现二甲双胍与维生素B₁₂和维生素B₆缺乏风险有关。因此,若要采用二甲双胍改善老年人认知功能障碍,需要对维生素B进行监测并及时纠正。

多项临床研究显示,二甲双胍对糖尿病患者心血管具有保护作用。在一项英国前瞻性糖尿病研究中,1704例超重糖尿病患者被随机分为两组,一组采用基于饮食的控制干预(对照组),一组采用降糖药物(包括二甲双胍)控制血糖。结果显示,与对照组相比,服用二甲双胍患者的糖尿病相关死亡等风险均显著降低,并且随后10年的随访数据显示,服用二甲双胍患者的糖尿病相关死亡率持续显著降低^[15]。在另一项临床试验中,304例冠心病糖尿病患者被随机分为两组,分别采用格列吡嗪(30 mg·d^-1)和二甲双胍(1500 mg·d^-1)治疗3年,随访时间5年,研究结束时,二甲双胍治疗组心血管事件发生率明显低于格列吡嗪治疗组^[16]。

然而临床试验显示,二甲双胍对非糖尿病患者的作用并不明显。GIPS-III试验首次评估了二甲双胍治疗对非糖尿病患者发生ST段抬高型心肌梗死的左心功能保护作用^[17]。该试验共纳入患者380例,分为二甲双胍组和安慰药组,试验的主要疗效指标为4个月后评估左室射血分数(left ventricular ejection fraction,LVEF)。次要疗效指标为N-末端脑利钠肽前体浓度和4个月内主要心脏不良事件发生率,包括死亡、心肌梗死等。结果显示,安慰药组和二甲双胍组患者的LVEF分别为54.8%和53.1%,差异无统计学意义。因此,二甲双胍对糖尿病患者心血管相关疾病更具有临床应用价值。

众所周知,糖尿病与癌症风险增加相关,而研究表明,与其他降糖药物相比,二甲双胍可降低糖尿病患者10%~50%患癌风险^[18]。2005年,EVANS等^[19]发表了一项纳入11 867例患者的临床试验结果,首次证实二甲双胍抗癌特性。该研究显示,使用二甲双胍的糖尿病患者癌症相关死亡率低于不使用二甲双胍患者。BODMER等^[20]的病例对照研究显示,长期使用二甲双胍治疗与糖尿病患者乳腺癌风险降低显著相关,并且二甲双胍对新诊断的、未治疗的、非糖尿病性乳腺癌患者也有益处。TSENG等^[21]观察到,在糖尿病女性患者中使用二甲双胍治疗与子宫内膜癌的总体风险显著降低相关,且存在剂量-反应关系。VAN DE VOORDE等^[22]发现二甲双胍治疗可以显著提高食管癌患者远端无转移生存率和总生存率。统计学分析显示,服用二甲双胍>5年的糖尿病患者可在癌症中显著获益^[23]。

多项临床回顾性研究显示,二甲双胍可以降低糖尿病患者病死率并延长其生存期。BANNISTER等^[24]基于英国临床实践研究数据链提供的数据进行了一项研究,该研究对比了服用二甲双胍糖尿病患者(n=78 241)和无糖尿病患者(n=90 463)的预后,所有患者都被跟踪直到死亡。结果发现,服用二甲双胍的糖尿病患者比无糖尿病患者生存期延长15%。CLAESEN等^[25]开展的回顾性队列研究比较了2型糖尿病患者使用各种降糖药物的死亡风险。该研究共纳入受试者115 896例,与对照组和使用胰岛素或磺脲类药物患者相比,服用二甲双胍患者5年死亡率风险最低。目前一项针对二甲双胍靶向衰老的大型双盲临床研究正在进行。该研究的主要目的是建立二甲双胍在非糖尿病患者中的抗衰老特性,并查明二甲双胍能否通过减缓现有年龄相关疾病的后遗症而延缓衰老过程。该项目纳入受试者3000例,年龄65~79岁,通过测量新发心血管事件、癌症、痴呆和死亡率发生的时间评估二甲双胍效果^[26]。这项研究的结果可以更准确地评估二甲双胍是否可以用于抑制衰老相关疾病,并推迟或减少这些疾病造成的死亡。

二甲双胍分子在pH值为7.4时带正电荷,因此主要集中在带负电荷的线粒体中,线粒体被认为是二甲双胍的主要作用靶点。线粒体的关键功能是通过氧化磷酸化产生三磷腺苷(ATP),并通过营养物质氧化产生能量。2000年,OWEN等^[27]发现,二甲双胍可以抑制线粒体复合体I。KIM等^[28]发现,二甲双胍可诱导线粒体膜电位去极化,提高AMP/ATP和乳酸/丙酮酸比值,并降低葡萄糖产量。BRIDGES等^[29]发现,二甲双胍抑制伴随降解泛素的限速步骤,但并不竞争性地附着在复合体I的泛素结合位点上。这些结果证明二甲双胍可以在调节细胞能量中发挥巨大作用。

另一个与线粒体相关的重要活动是产生活性氧(reactive oxygen species,ROS),导致DNA和细胞损伤。线粒体受损是导致衰老的主要原因之一,衰老的线粒体失去了提供细胞能量和释放高水平ROS的能力,并且线粒体功能受损与多种组织的胰岛素抵抗有关,包括骨骼肌、肝脏和心脏等。此外,二甲双胍可以利用谷胱甘肽过氧化物酶来增强细胞生存,从而改善抗氧化系统^[30]。因此,二甲双胍可通过调节细胞能量代谢和抗氧化作用影响衰老的发生发展。

二甲双胍对不同过程的影响由多个靶点和信号通路介导。通过激活单磷酸腺苷活化蛋白激酶(adenosine 5'-monophosphate -activated protein kinase,AMPK)抑制肝脏糖异生是二甲双胍主要的作用机制^[31]。AMPK是一种细胞能量水平传感器,当AMP/ATP和ADP/ATP增加时,AMPK可被激活^[32]。同时,AMPK活性也受其他上游信号调控,使其成为协调细胞代谢的中枢传感器^[33]。AMPK激活后可以控制线粒体和胰岛素敏感性,并影响自噬和应激抵抗过程,在细胞和全身水平上调控能量代谢^[34]。二甲双胍激活AMPK可产生以下效应:①乙酰辅酶A羧化酶(acetyl coa carboxylase,ACC)1和ACC2的磷酸化,导致脂肪酸摄取和β-氧化升高,从而提高胰岛素敏感性;②激活3,5-环磷酸二酯酶4B,从而降低cAMP,间接抑制cAMP依赖蛋白激酶的活性,最终导致葡萄糖消耗和葡萄糖输出减少^[35]。此外,二甲双胍的生物学效应不仅源于AMPK激活,也可以间接刺激AMPK,继发于线粒体呼吸链复合体1的抑制,从而导致ATP降低,AMP水平升高。例如,MADIRAJU等^[36]发现,二甲双胍对糖异生的抑制可能来自于对线粒体甘油磷酸脱氢酶活性的直接影响。

研究还发现,AMPK可以调节mTORC1信号,而mTORC1作用于衰老、癌症和神经退行性疾病等过程。此外,AMPK和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信号通路都被认为是热量限制的介质。在缺乏能量时,LKB磷酸化并激活AMPK,进而刺激产生ATP。由于二甲双胍对AMPK、mTOR和胰岛素/胰岛素样生长因子-1(insulin like growth factor 1,IGF-1)信号通路的有利影响,该药物已被确定为下游卡路里限制模拟药(caloric restriction mimetics,CRM)^[37]。

口服二甲双胍约有一半的剂量被吸收,经由肾脏排出,而另一半药物不能被吸收,随粪便排出体外。据估计,结肠药物暴露浓度达到40 mmol·L^-1。越来越多的研究显示,二甲双胍会对细菌生长产生影响,并可以通过改变肠道微生物菌群组成发挥抗衰老作用。例如,研究显示使用二甲双胍可减少具核梭杆菌(F.nucleatum)的数量,从而降低结肠癌发病率^[38]。这是因为F.nucleatum促进前列腺素和Toll样受体K蛋白(Toll-like receptor 4,TLR4)介导的促炎症反应,进而促进结肠癌进展和化学治疗(化疗)耐药^[39,40]。WU等^[41]发现,服用二甲双胍可以增加大肠埃希菌Escherichia spp.的丰度,从而降低患者因感染性疾病住院的风险。在人类衰老过程中,肠道生态系统多样性减少,并伴随非致病性革兰阴性菌增加,例如链球菌、葡萄球菌、肠杆菌和肠球菌等。而研究显示,健康且长寿的老人体内会形成一种独特的菌群模型,其中阿克曼菌和双歧杆菌种类明显增加。而二甲双胍则会对厚壁菌门产生抑制作用,并对双歧杆菌的生长产生促进作用^[42],因而可以抵消人体内与年龄相关的微生物群组成的变化,并使其更趋向于形成健康长寿老人体内的菌群类型。

虽然肠道菌群影响衰老的机制目前还未完全研究清楚,但肠道菌群可通过水解蛋白和影响碳水化合物代谢对衰老过程造成影响,从而影响抗炎和新陈代谢改善机制等。二甲双胍可以重塑肠道微生物群,促进产生短链脂肪酸细菌种类的生长,改善肠道上皮屏障功能^[43]。因此,循环中短链脂肪酸平均水平的增加和促进免疫系统的微生物产物(如脂多糖、鞭毛蛋白和细菌核酸)循环水平的降低可能影响抗炎和促进炎症因素之间的平衡,最终促进机体维持健康状态。

虽然二甲双胍不是新药,但其新的作用靶点和作用机制不断被发现。例如,脂质磷酸酶同源性2域肌醇-5-磷酸酶2(src homology 2 domain containing inositol polyphosphate 5'phosphatase 2,SHIP2)被发现是二甲双胍的作用靶点,该酶在糖尿病模型鼠中上调,并通过降低蛋白激酶B(AKT)激活抑制胰岛素信号传递,最终导致胰岛素抵抗和减少葡萄糖摄取^[44]。POLIANSKYTE-PRAUSE等^[45]发现,二甲双胍可直接与纯化的重组SHIP2结合并阻断其活性,而SHIP2抑制的体内后续效应包括增加胰岛素敏感性。自噬是一种降解细胞质成分的细胞机制,通过消除受损的蛋白和细胞器来维持细胞稳态。研究显示,二甲双胍通过激活AMPK,磷酸化UNC-51样激酶和Beclin 1增强自噬^[46]。SONG等^[47]报道二甲双胍可通过Sirtuin激活自噬来改善肝脏脂肪变性途径。此外,二甲双胍还可以通过自噬性细胞死亡来降低肿瘤发生率^[48]。深入的机制研究可以使人们对二甲双胍的作用有更深入的认识,而新靶点的发现将有助于寻找安全性更高的新型抗糖尿病分子。