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胰岛素刺激的血流和毛细血管募集在将葡萄糖和胰岛素输送到骨骼肌中发挥关键作用，骨骼肌是葡萄糖处理的主要部位。因此，胰岛素刺激的血管舒张功能下降和骨骼肌灌注不足会限制葡萄糖摄取并导致葡萄糖控制受损。

在内皮细胞水平上，胰岛素的血管舒张作用是依赖于一氧化氮（NO）的。具体而言，胰岛素与内皮细胞上的胰岛素受体结合，导致 PI3K 激活、Akt 磷酸化和随后内皮型 NO 合酶（eNOS）的激活。作为逆流途径，胰岛素激活 Ras/丝裂原活化蛋白激酶 (MAPK) 信号通路，导致内皮素-1（ET-1）的产生。现有证据表明异常的血管胰岛素信号传导，通常以 eNOS 激活减弱和/或 MAPK 激活增强为特征，是 2 型糖尿病和血管疾病发病机制的早期因素，这强调了确定改善血管胰岛素敏感性策略的重要性。

在这方面，来自动物和人类的大量研究表明，增加身体活动可有效增强胰岛素刺激的血管舒张和流向骨骼肌的血流量。基于这些发现，推测运动引起的血流量增加，因此，可能是增加的血管内皮剪切应力是体力活动增强胰岛素刺激的血管舒张的潜在机制。然而，在没有肌肉收缩的情况下，增加的剪切应力是否会增强胰岛素的血管扩张作用仍然未知。

鉴于剪切应力和胰岛素都通过 PI3K 信号通路激活 eNOS ，剪切应力使血管系统对胰岛素更具敏感性是合理的。为了验证这一假设，美国密苏里大学、加拿大萨斯喀彻温大学等的研究团队使用 (i) 培养的内皮细胞，(ii) 从猪身上分离并加压的骨骼肌小动脉，和 (iii) 人类进行了补充实验。在人类实验中，假设如果剪切应力确实是刺激血管系统中胰岛素作用的信号，那么使用非运动刺激（即下肢加热）增加腿部血流诱导的剪切应力会增加胰岛素刺激的骨骼肌灌注。

用增加的剪切应力处理内皮细胞会改变随后的胰岛素信号传导

与暴露在低剪切应力（3 dynes cm²）的内皮细胞相比（−23 ± 11%），暴露于增加的剪切应力（20 dynes cm²）1h 后，胰岛素刺激的磷酸化-eNOS（+10 ± 10%）没有显著增加。

同样，与暴露在低剪切应力下的细胞相比（+39 ± 19%），增加的剪切应力不会影响胰岛素刺激的磷酸化-MAPK的变化（-18 ± 15%）。

然而，当以磷酸化-eNOS 与磷酸化-MAPK 的比率表示时，该比率被认为是生物效应的主要决定因素，增加的剪切应力导致胰岛素的反应比率更大（图1 B）。

图1   培养的内皮细胞中增加的剪切应力导致胰岛素信号传导的转变，其特征在于相对于 MAPK 更多地激活 eNOS

（A）实验方案的示意图和说明

人主动脉内皮细胞（HAECs）被接种并暴露于低剪切应力（3 dynes cm²）40h以促进细胞排列；然后将细胞暴露于增加的剪切应力（20 dynes cm²）或在对照条件（3 dynes cm²）下维持1h；经过 30min的恢复期（3 dynes cm²）后再模拟后续方案，用胰岛素或载体刺激细胞 30min并固定在腔室中。

在所有条件下进行免疫荧光和图像分析。细胞图像显示与磷酸化-eNOS（绿色）和细胞核 4′,6‐diamidino‐2‐phenylindole染色（蓝色）相关的荧光。

（B）在先前暴露于对照条件的细胞中，在胰岛素刺激后，磷酸化-eNOS/磷酸化-MAPK 比率的变化与增加的剪切应力。

胰岛素诱导的血管舒张在先前暴露于增加的剪切应力的骨骼肌小动脉中增强

与暴露于时间控制的无流动条件下的相比，先前暴露于 1h 增加的剪切应力（20 dynes cm² ）的骨骼肌小动脉中胰岛素诱导的血管舒张更大（图2 B）。

非内皮依赖性血管舒张剂SNP所触发的舒张反应不受剪切应力增加的影响（图2 B）。

图2    增加的剪切应力增强了猪骨骼肌小动脉中胰岛素刺激的血管舒张

（A）实验方案的示意图

从农场猪的三头肌中采集骨骼肌小动脉，插管，加压至 60 mmHg，稳定，随后暴露于 1 h的对照条件（0 dynes cm²）或增加的剪切应力（20 dynes cm²）下；在无流量条件下恢复 30min 后，检查胰岛素和硝普钠 (SNP) 的剂量反应曲线。

（B）先前暴露于控制条件或增加的剪切应力的动脉中对胰岛素和SNP的血管舒缩反应

胰岛素会增加先前加热的腿部血流量，但不会增加对照实验腿部的血流量

正如预期的那样，相对于未加热的对照腿，60min 的腿部加热使腘动脉血流量增加了约 3 倍（图3 C ）。腘动脉的剪切率也增加了约 3 倍（加热腿，基线：113.14 ± 14.1 s -1，60min后：301.17 ± 32.34 s -1；非加热腿，基线：111.03 ± 14.98 s -1，60min后：111.81 ± 16.41 s -1）。此外，通过 CEU 证实了加热后小腿肌肉微血管灌注增加（图3 D ）。

在 1h 的冷却后，腿部血流量基本恢复到基础水平（图4 B、C）。在全身输注胰岛素期间，血浆胰岛素升高至餐后水平，而同时输注葡萄糖可在整个研究方案中成功维持血糖正常（图4 A）。在先前加热腿的高胰岛素血症期间，小腿微血管灌注、腘动脉血流量和腿部血管传导的指数显著升高，而在对照腿中没有发现显著变化（图4 B、C）。

图3   体内人体研究：腿部加热增加血流量的实验设计

（A）实验方案示意图

受试者接受 1h 的单腿加热（将肢体浸入 40-42°C 的水浴中），然后进行 60min 的冷却，在此期间腿部血流逐渐恢复到预热水平。此后，在基线和胰岛素全身输注期间（40 mU m -2  min -1）对小腿肌肉微血管灌注（通过对比增强超声，CEU）和腘动脉血流（通过 2D/多普勒超声）进行双侧测量。以不同的速率同时注入葡萄糖以维持血糖正常。

（B）单腿加热的实验装置。

（C）单腿加热时双侧腘动脉血流。

（D）在单腿加热期间，在单个受试者的对照腿和加热腿中，在舒张末期 0min 和 60min 捕获的小腿肌肉的图像

图4   体内人体研究：单侧肢体加热引起的腿部血流量增加随后增加了胰岛素刺激的腘动脉血流量和肌肉灌注

（A）在全身胰岛素输注之前和期间血浆胰岛素和全血糖与葡萄糖共同输注以维持血糖正常。

（B）对照腿和先前加热的腿在基线和胰岛素输注后 45min 的腘动脉血流。

（C）在基线和胰岛素输注后 15min 双侧微血管血流评估。

（D）舒张末期在基线和单个受试者的对照腿和先前加热腿的全身胰岛素输注期间捕获的小腿肌肉的图像。

总之，该研究提供的证据支持剪切应力的急剧增加在血管系统中发挥胰岛素增敏作用的假设，并且该证据基于在内皮细胞的体外实验、离体小动脉的体外实验和人类体内的实验。鉴于认识到血管胰岛素信号传导和相关增强的微血管灌注有助于血糖控制和维持血管健康，刺激肢体血流和剪切应力增加的策略有可能通过改善内皮胰岛素敏感性，对代谢和血管产生深远的益处。

参考文献：Walsh LK, Ghiarone T, Olver TD, Medina-Hernandez A, Edwards JC, Thorne PK, Emter CA, Lindner JR, Manrique-Acevedo C, Martinez-Lemus LA, Padilla J. Increased endothelial shear stress improves insulin-stimulated vasodilatation in skeletal muscle. J Physiol. 2019 Jan;597(1):57-69. doi: 10.1113/JP277050. Epub 2018 Nov 24. PMID: 30328623; PMCID: PMC6312413.

原文链接：https://pubmed-ncbi-nlm-nih-gov.proxy.library.carleton.ca/30328623/

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