生理胰岛素的分泌

一、胰岛素的生理分泌模式

胰岛素是调节血糖浓度、促进合成代谢、调节细胞分裂分化及生长发育的重要激素，它是由51个氨基酸组成的小分子多肽，其释放过程受到严格而精确的调节。生理性胰岛素分泌有两种模式：持续性基础分泌保持空腹状态下葡萄糖的产生和利用相平衡，此时胰岛素以8～13min脉冲形式分泌；进餐后胰岛素分泌迅速增加使进餐后血糖水平保持在一定范围内，预防餐后高血糖的发生。

当人体处于禁食或空腹状态时，胰岛B细胞以0．5～1U／h的速率持续分泌胰岛素以维持正常的空腹血糖。通过测定正常成年人禁食状态下24h内每小时的血浆胰岛素发现人体生理状态下基础胰岛素并不是以一个不变的速率分泌的，而是呈现双峰双谷的波形。一天中第一个高峰出现在凌晨4～6时，第二个峰值出现在下午3～6时，而一天中基础分泌的二个低值分别出现在晚上11时至凌晨2点和上午8时至下午2时。微量的胰岛素由胰岛B细胞直接分泌入门静脉，再通过血液循环到达周围组织和血液，因此门静脉中胰岛素的浓度高于周围组织与血液中的胰岛素浓度，当胰岛素以1U／h速率分泌时，血液中的浓度仅为5～15μU／ml。基础胰岛素经门静脉进入肝脏后，50%被肝细胞摄取，而肝细胞内微量的胰岛素足以抑制肝糖原分解和糖异生，同时促进肝糖原合成，从而维持正常的空腹血糖。

正常糖耐量个体在静脉给予葡萄糖刺激后，胰岛素分泌曲线呈现两个时相，分别称第一时相分泌和第二时相分泌。第一时相胰岛素分泌在血糖＞5．6mmol／L时即开始，胰岛B细胞在0．5～1min快速将储存在细胞表面颗粒内的胰岛素直接释放入血，而这种快速分泌只持续数分钟便减弱，称为“快速分泌期”。这一时相的胰岛素分泌较基础胰岛素增加10～30倍，抑制内源性葡萄糖产生，使胰岛素敏感性组织快速反应，在数分钟内使葡萄糖代谢由内源性葡萄糖产生转为葡萄糖利用，维持体内葡萄糖稳态，反映了胰岛B细胞的储备功能。第一时相分泌的测定是在静脉输注葡萄糖时进行的。临床通常在OGTT或进食负荷餐时测定，此时，胰岛素分泌的最高峰出现在30～45min，称早（期）相胰岛素分泌。由于早时相分泌与第一时相分泌呈线性正相关，早时相分泌基本可反映第一时相分泌的情况。第二时相胰岛素分泌在第一时相分泌结束前已开始出现缓慢上升的胰岛素分泌的第二个波，称第二时相胰岛素分泌。第二时相胰岛素分泌是由于血糖水平的升高而逐渐（约需数分钟至几小时）升高，此胰岛素除来自B细胞储存的分泌颗粒外，还有不断新合成的胰岛素。只要血糖未恢复到基线水平，则第二时相胰岛素水平始终居高不下。第二时相胰岛素分泌反映了胰岛B细胞的分泌功能。

胰岛素具有脉冲式分泌模式，这种模式不仅存在于动物、人体中，还存在于离体胰岛群、单个胰岛及单个B细胞中。胰岛素的脉冲分泌包含两个组分。①慢速脉冲（ultradiam）模式：振幅大，周期长，为50～120min，主要介导外周组织对葡萄糖的利用；②快速脉冲模式：振幅小，周期短，为5～10min，在慢速脉冲基础上出现，主要抑制肝糖原输出。B细胞合成的胰岛素存在于大而致密的核心囊泡（LDCV）中，葡萄糖通过激活触发通路和放大效应通路来刺激其释放。前者指葡萄糖在B细胞内代谢使ATP／ADP比值升高，钾通道关闭，钙离子内流而触发胰岛素释放；放大效应通路亦在葡萄糖代谢基础上，由所有代谢物质（如腺苷酸、鸟苷酸、谷氨酸盐）加强胰岛素释放，但并不依赖KATP通道，该通路对于胰岛素分泌第二时相的产生具有意义。这两条途径的规律变化导致胰岛素的脉冲式分泌。

胰岛素的脉冲式分泌可随年龄而改变。正常人，无论是老年或儿童，其胰岛素均呈脉冲式分泌。但随着年龄的增长，其空腹状态下正常的分泌规律发生了改变。Meneilly等研究了10名老年人（80±2岁）的胰岛素分泌，发现其快速脉冲部分的振幅和面积下降，超昼夜脉冲的频率和振幅减弱，而高血糖时后者的缺陷更为明显，整体的规律性被打破。由此提示，年龄是影响胰岛素释放规律的不可逆转的因素，直接影响糖类的代谢，参与老年糖尿病的发病。

胰岛素的分泌模式也因糖尿病的类型不同而呈显著区别。1型糖尿病基础胰岛素绝对减少，分泌曲线低平，无高峰。而2型糖尿病以胰岛素释放受损和胰岛素抵抗为特征，胰岛素分泌缺陷被部分代偿，空腹胰岛素往往偏高，餐后胰岛素释放延迟，而增加幅度尚可，但对于升高的血糖而言，胰岛素分泌是不足的。多数2型糖尿病患者在静脉糖耐量试验（IVGTT）时，出现第一时相胰岛素分泌反应（急速胰岛素释放，AIRs）降低或缺失，第二时相高峰延迟，而胰岛B细胞对除葡萄糖以外其他刺激物（如精氨酸等）的分泌反应相对正常，成为2型糖尿病所特有的葡萄糖引发的胰岛素分泌（glucose－induced insulin secretion，GIIS）缺陷。

2型糖尿病（T2DM）的一级亲属、糖耐量低减（IGT）者和肥胖者的胰岛素分泌模式均有改变。早时相胰岛素分泌受损是2型糖尿病发生的危险因素，且是独立于肥胖和胰岛素抵抗（IR）之外的预测因素。第一时相胰岛素分泌抑制肝糖的产生和输出、胰升糖素分泌、脂肪分解，限制游离脂肪酸（FFA）释放入血，减轻餐后血糖上升、高FFA血症及后期的高胰岛素血症。在糖尿病前期，胰岛素分泌缺陷已经发生，第一时相峰值降低可预测IGT和T2DM的发生。研究发现，在糖尿病患者的后代中，其第一时相胰岛素分泌显著低于对照组，尽管胰岛素敏感性有所增加，但胰岛素分泌不足占了主导地位。第一时相胰岛素分泌下降与T2DM的发生直接相关。早时相分泌极小的变化可明显影响餐后血糖水平，早时相越早，越能减少负荷后血糖的升高，而更好抑制肝糖原产生，使餐后血糖越接近正常。应用增加晚时相胰岛素分泌的药物，必须是促早时相胰岛素分泌的药物的2倍才能达到相同的降糖作用，且易导致晚期低血糖。早时相分泌的胰岛素可通过抑制糖异生而抑制内源性葡萄糖的生成，T2DM患者由于早时相胰岛素分泌受损而导致糖异生增加。有研究发现促早时相胰岛素分泌的药物能提高静脉灌注糖耐量水平，降低负荷后血糖。

由此可见，胰岛素脉冲分泌模式的研究能揭示糖耐量异常个体和糖尿病一级亲属早期的缺陷，胰岛素脉冲周期改变可能是2型糖尿病的预测因子。胰岛素脉冲式分泌变化是了解糖代谢规律、评估胰岛细胞功能的重要方法，对于揭示糖尿病的发病机制有重要意义，近年已将它作为糖尿病治疗效果和降糖机制的精确评价方法。

二、胰岛素分泌模式的生理意义

脉冲式的分泌模式对胰岛素发挥正常的降糖作用意义重大。总量相等的胰岛素，当以脉冲式分泌时，其降糖效率较持续恒速分泌更高。用生长抑素抑制内源性胰岛素释放，同时静脉输注葡萄糖以抑制肝糖原输出，比较脉冲式和持续恒速两种方式输注等量胰岛素的降糖效果，发现在达到相同血糖水平、相同葡萄糖清除率的前提下，前者的葡萄糖输注率较高，由于此时肝糖原输出完全被抑制，因而推测慢速脉冲可能是通过增加外周组织对葡萄糖的利用而起作用的。可能的机制为：胰生糖素是以脉冲式分泌，因而只有当胰岛素也以脉冲式分泌时才能以最节俭的方式抑制胰岛A细胞释放胰生糖素，拮抗其诱导的肝糖原产生；从分子水平看，一个胰岛素受体最多可以结合两分子的胰岛素，但由于胰岛素与胰岛素样生长因子1（IGF－1）受体结合有优先性，所以当胰岛素浓度恒定时，胰岛素与IGF－1受体结合的较多，胰岛素受体并未被饱和，当胰岛素浓度脉冲式升高时，才会有更多的胰岛素与胰岛素受体充分结合，发挥更大的降糖作用。还有研究发现靶器官上的胰岛素受体与胰岛素结合后，即通过“内化”作用携带其至下游底物，经过一段时间的“休息”后，胰岛素受体可通过“再循环”作用重新在细胞膜上出现。因此，脉冲式胰岛素分泌的增效作用可能与靶器官上的胰岛素受体水平的波动性有密切关系。

生物信号理论认为：生物信号效应与其波长、振幅有关。胰岛素快速脉冲信号在门静脉中振幅大、因而推测它主要以肝脏为靶器官，抑制肝糖原输出；当它到达外周脂肪、肌肉组织前需通过毛细血管进而扩散进入靶器官，而此时其信号效应即脉冲的振幅已很小，故对外周组织产生的生物效应就不很明显；与快速脉冲不同，慢速脉冲在外周振幅大、波长宽、周期长、衰减慢，可以充分作用于外周组织，介导其对葡萄糖的利用。

从形式上来看，胰岛素慢速脉冲是由于胰岛素快速脉冲振幅有节律的变化引起的。实质上，慢速脉冲提供了一个胰岛素的背景浓度，反映了胰岛B细胞分泌活动的总趋势，与快速脉冲相辅相成而又“各有分工”。

三、胰岛素分泌模式的调控机制

胰岛B细胞的胰岛素分泌受到营养物质、神经递质及激素的精确调控。它们的作用部位可分为：改变胞内第二信使物质水平的近端调节步骤（钙依赖性）和直接作用于胞吐分子构件的末端调节步骤（钙非依赖性）。胰岛素的胞吐过程与神经递质的释放机制类似。细胞能整合各调节因子的信号作用，使机体的胰岛素水平能适应机体各种不同状态的需要而稳定在一定的水平。

体内和体外的脉冲式胰岛素分泌的机制仍不完全清楚。目前认为与体内生理状态下胰岛素脉冲分泌有关的调控机制包括Ca2＋调节、代谢产物调节、神经调节及激素调节四个方面。

Ca2＋是脉冲式胰岛素分泌的主要驱动力。生理状态下，参与胰岛素分泌的调节途径之一是葡萄糖调节，即KATP通道依赖的触发通道：葡萄糖在B细胞内代谢，使ATP／ADP比值升高，KATP通道关闭，细胞膜去极化，Ca2＋内流触发分泌颗粒通过胞吐作用释放胰岛素。高血糖是B细胞功能受损的结果，而长期高血糖一方面使胰岛素基因表达受损，干扰了胰岛素的合成，另一方面消除了胞质游离Ca2＋慢而有规律的波动，增加了基础Ca2＋浓度，影响胰岛素的释放，从而使胰岛素合成释放失衡，细胞内胰岛素含量下降。二是非KATP通道依赖途径，即在葡萄糖代谢基础上，由其他代谢物质（如腺苷酸、谷氨酸盐等）加强胰岛素释放，但并不依赖KATP通道，该途径对胰岛素分泌第二时相的产生具有意义。这两条途径规律性变化导致脉冲式胰岛素的分泌。

B细胞的代谢产物存在规律性的变化，可以调控胰岛素快速脉冲分泌。包括耗氧量、ATP／ADP比值、NADPH、6－磷酸葡萄糖、磷酸二羟丙酮、乳酸等，其波动周期与胰岛素分泌周期一致，均为非Ca2＋依赖性。葡萄糖波动可能是调节胰岛素快速脉冲分泌的一个重要因素，使用间断的脉冲式输注葡萄糖可增强周期性胰岛素分泌的振幅，能更精确地揭示胰岛对葡萄糖敏感性的缺陷。游离脂肪酸（FFA）氧化能影响胰岛素释放，它也能作为代谢偶联因子调节糖刺激引起的胰岛素释放。这些营养物质主要通过升高胞内的ATP／ADP比率，导致ATP敏感钾通道关闭、细胞膜去极化、Ca2＋内流这一途径增加胰岛素的分泌。

快速脉冲式胰岛素分泌还可通过神经调控。研究发现，无论用何种方式刺激（静脉糖负荷、持续小肠营养、混合餐等，脉冲分泌的形式不变，可见脉冲分泌模式是胰腺自身固有的，与刺激方式无关。有假说认为，胰腺本身存在一个起搏系统和复杂的神经网络系统，从而使所有胰岛同步分泌。胰腺移植后完好的胰岛素脉冲分泌的出现也支持了这一假说。此外，胰岛素分泌可以受神经阻滞药和神经传递因子调节，如谷氨酸、肾上腺素、多巴胺、一氧化氮等。在离体胰岛细胞培养基中分别加入阿托品、普萘洛尔（心得安）及酚苄明时，分泌模式并未改变，而加入河豚毒素（钠通道阻滞药）或突触后烟碱受体拮抗药能改变脉冲的频率，说明脉冲的调节不依赖胆碱能和肾上腺素能神经或受体。

激素对脉冲式胰岛素分泌的调控也十分重要，如生长抑素、胰生糖素样肽1（GLP－1）、IGF－1等。神经递质和部分激素通过其G蛋白偶联受体－G蛋白系统的跨膜信号转换后，影响胞内IP3、DAG、Ca2＋等第二信使物质水平，主要通过PKA、PKC等蛋白激酶途径，调节胰岛素的分泌。胰岛D细胞分泌的生长抑素通过旁分泌作用于胰岛B细胞，从而减少胰岛素脉冲分泌的量，使进入门静脉的胰岛素减少。GLP－1是肠道分泌的一种激素，作用于B细胞，调节餐时的胰岛素变化。研究发现GLP－1作为胰岛素促泌药可使缺陷的胰岛素分泌正常化，能增加IGT患者B细胞对葡萄糖的敏感性。GLP－1能增加快速脉冲式胰岛素分泌的振幅，并不影响其频率和节律。垂体－胰岛间的相互作用表现为IGF－1与B细胞上的IGF－1受体之间的作用。IGF－1能抑制胰岛素脉冲分泌量，但对其脉冲分泌频率没有影响。

综上所述，胰岛素分泌模式对于维持血糖在正常水平极其重要，而其分泌过程及其调节则是十分精密而复杂的，要保证胰岛素的正常分泌，涉及到与触发和放大效应通路相关的各个环节。胰岛素分泌模式的研究，对于揭示肥胖、糖尿病的病理生理特点和发病机制有重要价值，模拟或恢复胰岛素脉冲样分泌对糖尿病的治疗策略制定具有指导意义。

（周智广）