糖尿病是一种以高血糖为主要特征的代谢性疾病,机体胰岛素缺乏和(或)胰岛素抵抗可引发血糖慢性增高,进而导致眼、肾、心脏、血管、神经等器官严重损害和功能障碍。目前,常用糖尿病治疗药物主要包括磺脲类、双胍类、葡萄糖苷酶抑制剂、胰岛素增敏剂等口服降糖药和注射用胰岛素,然而这些药物易导致患者低血糖及体重增加,个别还会引发过敏反应或血细胞减少等不良反应[1]。细胞因子(cytokines,CK)是免疫原、丝裂原或其他刺激剂诱导下细胞产生 的低分子量可溶性蛋白质,过去对其研究主要集中在调节免疫、抗肿瘤、促进造血和抗炎等领域[2-3],近年来发现成纤维细胞因子和脂肪细胞因子等部分细胞因子对糖尿病也具有较好的治疗作用,且极少产生低血糖和体重增加等副作用,为糖尿病治疗提供了更多选择,故本文在此对其进行归纳和整理。
1 成纤维细胞生长因子成纤维细胞生长因子( fibroblast growth factors,FGFs)家族是一类由高度同源性氨基酸序列编码的多肽,从1976年发现了第1个FGF(FGF1)开始,至今该家族共发现23个成员,参与了内分泌调节、新生血管形成、胚胎组织发育分化、创伤愈合等多种生理活动[4]。近年来,FGF21、FGF19和FGF1等陆续被发现具有显著的降血糖作用。
1.1 成纤维细胞生长因子21成纤维细胞生长因子21(FGF21)是一种重要的糖脂代谢调控细胞因子,对肥胖型糖尿病治疗具有一定效果。FGF21由181个氨基酸组成,其N末端有一段由28个氨基酸组成的信号肽序列,主要在肝脏和脂肪组织和胰腺中特异性表达[5]。2005年,首次发现FGF21可激活3T3脂肪细胞对血糖的摄取作用,进一步采用重组FGF21对糖尿病动物模型给药,发现FGF21可显著降低ob/ob,db/db肥胖小鼠及肥胖的DIO大鼠血糖和甘油三酯水平,同时减少胰岛细胞凋亡并提高机体对胰岛素敏感性。不论在空腹还是饱腹状态下,FGF21都不会导致体重的减少以及无低血糖事件的发生,此外,糖尿病或正常野生型动物实验结果都显示,FGF21不会导致细胞的有丝分裂、低血糖发生[6-7]。
FGF21功能活性与β-klotho的跨膜蛋白密切相关,研究发现,FGF21首先与β-klotho形成蛋白复合体,进而与FGF21受体特异性结合,一方面通过诱导葡萄糖转运蛋白-1(GLUT-1)表达来促进脂肪细胞摄取葡萄糖,另一方面,FGF21可通过激活细胞外调节蛋白激酶1/2(ERK1/2)等信号通路,减少肝糖生成和改善机体胰岛素敏感性[8-9]。此外,在正常大鼠分离的胰岛细胞中,FGF21还被证实可以诱导增加胰岛素mRNA和蛋白的表达水平,达到促胰岛素释放作用。然而,FGF21在实验动物中还是存在易导致骨质流失和低血压等不良作用,一定程度上影响了其应用前景[10]。
1.2 成纤维细胞生长因子1成纤维细胞生长因子1(FGF1)鉴定于1976年,是成纤维细胞生长因子家族22种重要的成员之一,过去对其的活性研究主要集中在促进组织和器官发育、血管发生和肿瘤生成、以及伤口愈合等领域[11]。2012年5月,《Nature》刊载了美国SALK研究所Jonker等[12]的研究成果,证明了高脂饮食可显著提高小鼠内脏脂肪组织FGF1内源性表达,该表达受上游核受体PPARγ调控;将小鼠脂肪组织FGF1基因特异性敲除后,小鼠会迅速发展成肥胖型糖尿病。2014年7月,《Nature》又报道了该研究所FGF1相关的研究新进展,Suh等采用外源性FGF1对肥胖型糖尿病小鼠进行治疗,产生了显著的降糖和改善胰岛素抵抗作用,成为胰岛素增敏类糖尿病治疗药物研发的重大突破。该项研究将重组FGF-1应用于ob/ob高血糖小鼠治疗,率先证明了外源性FGF1可产生调控血糖和改善胰岛素抵抗作用。研究还发现,单次对糖尿病小鼠注射0.5 mg·kg-1的FGF1,就能将血糖浓度降至正常并维持48 h以上,在db/db和DIO小鼠模型上也观察到了相同作用。此外,FGF1不刺激胰岛β细胞释放胰岛素,因此对STZ小鼠模型(1型糖尿病)没有降糖作用,但对2型糖尿病小鼠提前给予FGF1并补充外源胰岛素,则产生明显降糖作用,表明FGF1是通过提高胰岛素敏感性来产生降糖作用。更让人欣喜的是,FGF1不产生小鼠体重增加、肝脂肪变性和骨质疏松等噻唑烷二酮类药物的常见不良反应,并能逆转脂肪肝的生成[13-14]。
1.3 成纤维细胞生长因子19成纤维细胞生长因子19(FGF19) 由216个氨基酸组成,由小肠上皮细胞合成,主要调节胆汁酸代谢,近年来发现,FGF19亦可作为内分泌激素参与糖脂代谢的调节。选择高脂饮食诱导的肥胖小鼠骨骼肌进行FGF19转基因超表达,结果发现小鼠血清FGF19浓度显著提升,高脂饮食产生的体重增加、肝脏脂肪堆积以及胰岛素抵抗均得到有效缓解[15]。采用人重组FGF19 蛋白处理瘦素缺陷ob/ob小鼠或者高脂饮食小鼠,发现小鼠脂肪的代谢率升高,体质量和肝脏甘油三酯水平减低,同时小鼠血糖利用能力和胰岛素敏感性得到极大改善。绝大多数FGFs 家族成员与肝素或肝素蛋白多糖亲和力高,限制了FGF 向远处扩散,而FGF19与肝素或肝素蛋白多糖的亲和力弱,容易透过细胞间隙扩散到周身各个组织器官,这使得FGF19可在机体糖脂代谢等多领域发挥显著调节作用[16]。
2 脂肪细胞因子 2.1 脂联素脂联素(adiponectin,APN)是由Scherel等[17]于1995年发现并从3T3-L1脂肪细胞中提取到的一种脂肪细胞因子,主要通过与APN受体特异性结合,产生改善胰岛素抵抗、抗炎和抗动脉粥样硬化等一系列生理作用。APN与糖脂代谢密切相关,是迄今发现的唯一与肥胖呈负相关的脂肪细胞因子,当肥胖患者体重减轻后,其血液中APN水平可显著升高,因此对于治疗肥胖型糖尿病患者具有较大应用价值[18]。APN在体内代谢时间短,因此寻找长效APN受体激动剂成为新的药物选择,有研究筛选到一种新型APN受体激动剂AdipoRon,通过动物实验证实其与APN有类似功效,该药物与APN受体结合后,可持续促进高脂饮食诱导的糖尿病肥胖小鼠肝脏内糖和脂肪的代谢,显著减轻胰岛素抗性和葡萄糖耐受不良,进而延长糖尿病小鼠寿命。目前,研究人员正进一步分析和检测人类脂联素受体的晶体结构,拟进一步筛选和开发用于人类肥胖糖尿病患者的脂联素受体激动药物[19-20]。
2.2 网膜素-1脂肪组织不仅是惰性的能量储存器官,同时也是功能活跃的内分泌器官,它可以表达和分泌多种参与胰岛素抵抗发生的脂肪因子[21]。Kolera等[22]对来源于人类网膜脂肪cDNA文库的表达序列标签(ESTs)进行测序,新发现了一种腹内网膜脂肪组织特异性分泌的蛋白因子——网膜素-1 (omentin-1) ,omentin-1基因编码一个含有313个氨基酸的分泌性蛋白,在人体主要由腹部大网膜脂肪组织表达和分泌,可显著增加脂肪组织的胰岛素敏感性,改善脂肪细胞对胰岛素介导的葡萄糖的摄取作用。
2.3 镍纹蛋白样因子镍纹蛋白样因子( metrnl)是一种主要分布于中枢神经系统和脂肪组织分泌的活性细胞因子,高表达于哺乳动物的皮下脂肪和巨噬细胞中,由311个氨基酸残基组成。人metrnl的N末端包含有一个45个氨基酸残基构成的信号肽,属于糖基化活性蛋白,与小鼠metrnl蛋白的氨基酸序列同源性是78%[23]。已知metrnl在调节神经细胞生长过程中发挥重要作用,最新研究表明,metrnl还可通过激活肥胖型糖尿病小鼠巨噬细胞和脂肪组织IL-4和IL-13含量,进一步激活储存能量的白色脂肪转变为燃烧卡路里的棕色脂肪,增加小鼠的能量消耗,改善糖尿病代谢紊乱。此外,国内第二军医大学Li等[24]还发现,在高脂饮食大鼠脂肪细胞内特异性敲除metrnl基因,可进一步加剧大鼠胰岛素抵抗状态,而采用转基因技术在脂肪细胞内特异性过表达metrnl基因,则可有效缓解高脂饮食导致的大鼠胰岛素抵抗,这进一步证实了metrnl在糖尿病发生中的重要作用。
3 肠道细胞因子GLP-1是由机体肠道细胞分泌的一种具有葡萄糖依赖性降糖作用的活性多肽,由37个氨基酸构成,体内以GLP-1(7-36)-NH2形式存在,广泛分布于胰腺细胞、胃和小肠黏膜以及心、肺、中枢神经系统。GLP-1与GLP-1R特异性结合后,可进一步激活细胞膜内环腺苷酸(cAMP)和丝裂原激活蛋白激酶(MAPK)等信号通路发挥血糖调控作用。GLP-1半衰期仅1~2 min,体内易被二肽基肽酶Ⅳ (DPP-Ⅳ)降解,因此难以进入临床应用,只能寻找其类似蛋白或对其进行结构改造[25]。近年来,国内外相继开发出了艾塞那肽(exenatide)、利拉鲁肽(liraglutide)、阿必鲁肽(albiglutide)、杜拉鲁肽(dulaglutide)、索马鲁肽(semaglutide)和利西拉肽(lixisenatide)等GLP类似物药物,大部分已进入临床应用。GLP类似药物不仅可显著改善糖尿病患者血糖水平,同时还多具一定的减肥功效。如诺和诺德公司利拉鲁肽(商品名saxenda)作为长期减肥药物已在美国上市,适用于肥胖型糖尿病或患有高血压的成年肥胖患者。成为继奥利司他、氯卡色林、芬特明/托吡酯及安非他酮/纳曲酮后第5个在美国获批上市的减肥药。索马鲁肽也能够通过降低食欲和减少食物摄入量,产生明显减肥效果[26-27]。
4 表皮细胞生长因子β-细胞素(β-cellulin)是近年来受到关注的一个胰岛再生相关因子,属表皮生长因子(EGF)家族,分子量为32 000u,最早发现于小鼠胰岛细胞瘤细胞系,其mRNA在正常和肿瘤胰腺中均有高表达[28]。β-cellulin可通过erbB-1、erbB-4受体或其特异受体促进胰岛细胞增殖,诱导非胰岛β细胞转化为胰岛素分泌细胞,同时还可促进胰岛细胞的复制和增殖。此外,Oh等[29-30]采用腺病毒表达重组β-cellulin对db/db糖尿病大鼠给药,可以明显降低糖尿病大鼠血糖并提升血清胰岛素水平。β-cellulin还可通过激活胰岛细胞有丝分裂间期G1-S阶段细胞周期蛋白和细胞周期蛋白激酶mRNA和蛋白表达,进而上调钙离子信号通路中的钙调磷酸酶B (CnB1),促进β细胞增殖和减少胰岛β细胞凋亡。
5 其他betatrophin(BTN)是一种编码198个氨基酸的肝脏细胞分泌蛋白(在小鼠中过去被命名为基因Gm6484和蛋白EG624219,人类中被命名为基因C19orf80和肝细胞癌相关蛋白TD26),在哺乳动物种属中序列高度保守[31]。葡萄糖刺激的胰岛素分泌(GSIS)分析表明,转基因注入BTN后刺激产生的小鼠胰岛β细胞,与正常β细胞具有完全相同的分泌功能;直径测量显示,增殖的β细胞体积正常,表明β细胞增殖是数量增生而非β细胞肥大。在既往研究中,BTN编码蛋白被命名为lipasin或血管生成素样蛋白8(ANGPTL8),研究表明lipasin/ANGPTL8在人类中富集于肝脏,在小鼠中富集于褐色脂肪,是一种调控机体脂肪和血清甘油三酯代谢的营养调节因子,其可通过抑制脂蛋白脂肪酶(LPL)活性,提高小鼠体内甘油三酯水平[32-33]。然而最新报道重组BTN体外给药并不能促进实验大鼠胰岛β细胞增殖,提示BTN可能不会成为一种新型糖尿病治疗药物,但有潜力成为一种新型的糖尿病检测指标或作为糖尿病治疗研究的新靶点。
6 小结近年来,糖尿病治疗药物开发领域研究十分活跃,相继发现了一些新型的细胞因子类先导药物和候选药物,此外,一些原本用于其他治疗领域的经典药物如成纤维细胞因子,也被发现具有较强的糖尿病治疗作用,这些药物普遍具有药效稳定、不良反应少等特点,具有极大潜力成为糖尿病治疗药物的新选择。然而,由于该类药物多数为重组蛋白药物,与小分子化学药物有较大不同,因此对其特有的免疫原性、安全性和机体内药代动力学研究还需要在今后加以进一步完善。
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