胰高血糖素样肽1及其类似物的脑保护作用

周璇 唐兰芬 敖当

随着对胰高血糖素样肽-1（GLP-1）及其类似物的深入研究，其葡萄糖依赖性的降糖作用，胰岛及心血管系统的保护作用，已逐渐被人们认识。近年来，研究表明 GLP-1及其类似物具有脑保护作用。本文将对GLP-1及其类似物的脑保护作用作一综述。

1 胰高血糖素样肽-1及其类似物简介

1.1 胰高血糖素-1 胰高血糖素样肽-1（GLP-1）又称为肠促胰岛素，胰升血糖素样肽-1，类胰升血糖素-1。是一种主要由分布于结肠和直肠的肠道L细胞分泌的含30个氨基酸的多肽类物质[1-2]，通过与胰高血糖素样-1受体（GLP-1R）结合而发挥作用，如促进胰岛素的合成和分泌、促进胰岛β细胞增殖和新生、抑制胰高血糖素分泌、减少食物摄取、能延缓胃排空、以及增强外周组织的葡萄糖利用和减少肝糖输出等[3]。临床上已用于成年人2型糖尿病（DM-2）的治疗。但是GLP-1在人体内半衰期短，仅1～2 min即被二肽酶（DPP-Ⅳ）快速降解而失去活性[4-5]，使得其生物学效应受到很大限制。

1.2 利拉鲁肽 利拉鲁肽（Liraglutide）是人工合成的GLP-1长效类似物，是通过基因重组技术将GLP-1第34位的赖氨酸替换为缬氨酸，第26位增加一条棕榈酰脂肪酸侧链而形成。经证实，利拉鲁肽与人的GLP-1具有97%同源性[6]，具有GLP-1的各种生理作用，且半衰期长达13 h[5]。在欧洲，美国及我国已批准上市，用于成年人DM-2的治疗。近年来，研究表明利拉鲁肽不仅具有降糖作用，还可通过血脑屏障[7-9]，与GLP-1R结合发挥脑保护作用。目前，国内外已有利拉鲁肽脑保护作用的临床前期研究。

1.3 Exendin-4 Exendin-4是 Eng和Raufman从一种美洲毒蜥蜴的唾液中分离得到GLP-1的类似物，亲和力和生理活性都远大于GLP-1，它的氨基酸残基与哺乳动物GLP-1序列有52%的同源性[10]，在于N端第2位的甘氨酸（Gly）可抵抗血液中二肽基肽酶（DPP-Ⅳ）的降解作用，入血后的半衰期较长约2.4 h。研究表明，Exendin-4是一种强效GLP-1受体激动剂。临床上也已用于DM-2的治疗。

2 GLP-1及其类似物的神经保护特性

近年来，研究发现除了肠道分泌GLP-1外，大脑中也产生少量的GLP-1，尤其是孤束核、后极区、脑干尾部[11-16]。且GLP-1R不仅存在于胰岛细胞中，在肾脏、心脏、胃、肺和周围及中枢神经系统区域等都有表达[17]。在中枢神经系统，GLP-1 R表达于下丘脑，海马，皮层及小脑[16，18]。已有研究证实GLP-1及其类似物利拉鲁肽，Exendin-4都可以通过血脑屏障[9，19]，促进神经细胞生长、增值、修复及抑制凋亡、减轻炎症反应[20]。另外，GLP-1及其类似物可以改善记忆和大脑中的突触可塑性[21]，增加脑血流量和提高认知能力[22]。因此GLP-1及其类似物的神经保护作用是它们极有可能成为治疗中枢神经系统疾病的新型药物。

3 GLP-1及其类似物的抗炎作用

事实上，GLP-1及其类似物不仅具有神经保护作用，还具有抗炎效应。研究表明，活化的星形细胞和小胶质细胞参与免疫，炎症反应，诱导GLP-1受体的表达。GLP-1治疗可以预防内毒素诱导星形细胞和小胶质细胞释放细胞因子白介素-1（IL-β），而IL-β能促进炎症反应，增强凋亡相关信号及减慢神经元的传导[23]。Exendin-4在动脉粥样硬化的炎症反应中能减少大动脉血管内皮的单核细胞黏附，而且能够预防由LPS诱导的细胞因子和趋化因子的释放[24]，增加微血管的通透性。另外，有研究表明在大脑的慢性炎症中，利拉鲁肽除了可以减少大脑皮层、海马齿状回活化的小胶质细胞、大脑皮层的星形胶质细胞外，还可减少促炎因子IL-β、IL-12p70、IL-6，以及亚硝酸盐的含量[20]。这就表明GLP-1及其类似物可以用于治疗神经系统疾病的炎症反应。

4 GLP-1及其类似物脑保护作用的应用

4.1 阿尔兹海默病 阿尔兹海默病（Alzheimer disease，AD）是最常见的痴呆类型，又称为老年性痴呆， 是一种具有年龄相关性的以记忆力损害和进行性的认知障碍为主的中枢神经系统退行性病变的疾病[25-26]。严重威胁着老年人的健康，也为社会经济带来巨大负担。目前认为DM-2是阿尔兹海默病的危险因素，AD患者也可能发展为DM-2，这两者之间存在着一些相同的病理生理学特征，比如在AD患者的大脑灰质中有淀粉样蛋白-β（Aβ）过量集聚，而在DM-2患者的胰腺中有淀粉样蛋白（IAPP）沉积，过早的细胞变性被认为是这两种疾病的共同特征[22]。最近，对胰岛素受体、胰岛素受体底物蛋白-1（IRS-1）的信号途径的研究表明，AD的一些病理的特征和认知缺陷可能是由于大脑的胰岛素抵抗所造成，这种胰岛素抵抗可能是由于Aβ沉积引起小胶质细胞释放细胞因子抑制IRS-1的丝氨酸而形成[27]。因此，降糖新药GLP-1及其类似物Liraglutide及Exendin-4等用于AD的治疗逐渐被人们所重视。最近的研究表明在阿尔茨海默病的APP/PS1的小鼠模型上，利拉鲁肽可通过血脑屏障，防止损害记忆的形成和突触可塑性，增加轴突数量，减少淀粉样蛋白斑块负荷，提高齿状回的神经祖细胞的增殖和神经细胞的发生[28]，减少氧化应激和大脑的炎症反应[8]，利拉鲁肽不仅能在阿尔兹海默病发展的早期发挥预防作用。在阿尔兹海默病晚期也有恢复效应[29]。Exendin-4也被证实在AD的转基因小鼠模型上有一系列神经保护效应[30]，它能够减少小鼠大脑中的内源性Aβ的水平，还能够剂量依赖性的保护Aβ诱导的细胞凋亡[31]。Exendin-4与GLP-1受体结合后，还能激活腺苷酸环化酶（AC），从而催化ATP生成cAMP，提高胞内cAMP水平，触发Ca2+内流，增加神经递质的释放，加快神经兴奋性传导，增强学习、记忆和认知能力。总而言之GLP-1类似物促进突触形成，神经发生，细胞修复，减轻炎症反应，以及减少大脑中淀粉样斑块的作用使之能成为治疗AD的新型药物。

4.2 帕金森病 帕金森病（idiopathic Parkinson’s disease，PD）是一种以静止震颤、肌张力增高、动作迟缓及减少、姿势不稳为主要特征的锥体外系运动功能障碍性疾病。是中老年人常见的神经系统变性疾病，也是中老年人最常见的锥体外系疾病。PD的主要病理特征为选择性黑质致密区多巴胺（DA）神经元丢失，而经研究证实，在PD的动物模型中，Exendin-4使合成多巴胺的相关酶类表达增加，保护多巴胺能神经元和预防基底神经节的多巴胺丢失[32]，如：在6-羟基多巴胺（6-OHDA）和内毒素（LPS）构建的PD大鼠模型上，Exendin-4可以减少苯丙胺诱导的大鼠旋转行为，增加基底神经节的多巴胺水平，减少多巴胺能神经元的损伤[33]；在1-甲基-4-苯基-1， 2， 3， 6-四氢吡啶（MPTP）诱导的PD小鼠模型上，Exendin-4可以通过抑制黑质纹状体小胶质细胞的过度活化，基质蛋白酶-3（MMP-3）的表达来保护多巴胺能神经元[34]。另外，Exendin-4还能减少炎症因子如TNF-α、IL-1β的释放，减少多巴胺能神经元的损伤。也有研究表明，Exendin-4促进PD小鼠大脑侧脑室室管膜下层的神经干细胞增生[35]。基于这些临床前期研究，GLP-1类似物极有可能为PD患者带来福音。

4.3 脑卒中、脑缺血 脑卒中（Stroke）又称脑中风，是一种突然起病的脑血液循环障碍性疾病。又称为脑血管意外。是指在脑血管疾病的患者，因各种诱发因素引起脑内动脉狭窄，闭塞或破裂，而造成急性脑血液循环障碍，临床上表现为一过性或永久性脑功能障碍的症状和体征。GLP-1类似物的抗炎效应和神经保护效应使它们有望成为治疗脑卒中的新型药物。在Wistar大鼠的脑卒中模型，Wistar大鼠经过90 min的大脑中动脉血流阻断，再经恢复血流1 h后，随机分为利拉鲁肽治疗组，生理盐水治疗组。治疗24 h后评估发现利拉鲁肽治疗组与生理盐水治疗组相比外周学血糖水平并无明显差异。利拉鲁肽治疗组大鼠的行为评分比生理盐水组大大提高，脑梗死面积减少，活性氧代谢产物的诱导水平降低，大脑皮层的血管内皮生长因子（VEGF）增加。这表明了利拉鲁肽可以通过抗氧化应激和上调VEGF对脑卒中发挥神经保护效应[36]。在Stroke的大鼠模型中，Exendin-4也被证明能减少大脑的梗死面积、改善行为障碍[34]，减少脑缺血再灌注诱导的神经元死亡、氧化应激、小胶质细胞活化后的炎症反应[37]。此外，在暂时性脑缺血（transient cerebral ischemia）的沙土鼠模型上，可观察到Exendin-4治疗后，海马CA1区GLP-1 R表达增加。这些临床前期研究表明，GLP-1类似物能有效的治疗脑卒中，脑缺血。

5 展望

临床前实验表明，GLP-1类似物利拉鲁肽、艾塞那肽除具有降糖作用外，还具有一系列神经保护特性和抗炎特性，且因其降糖作用呈葡萄糖依赖性，很少发生低血糖事件，胃肠道反应也较轻微。因此，GLP1类似物很有可能为神经系统退行性疾病的治疗开辟新的道路，目前其对于AD和PD的治疗已进入临床实验阶段。但是其作用机制未完全清楚，还需要大量的临床研究和实验数据的支持。

[1]Drucker D J， Nauck M A.The incretin system： glucagon-like peptide-1 receptor agonists and dipeptidyl peptidase-4 inhibitors in type 2 diabetes[J].Lancet，2006，368（9548）：1696-705.

[2]Lovshin J A， Drucker D J. Incretin-based therapies for type 2 diabetes mellitus[J].Nat Rev Endocrinol，2009，5（5）：262-269..

[3]Salehi M， Aulinger B A， D’Alessio D A. Targeting beta-cell mass in type 2 diabetes： promise and limitations of new drugs based on incretins[J]. Endocr Rev，2008，29（3）：367-379.

[4]Green B D， Flatt P R， Bailey C J. Dipeptidyl peptidase IV （DPP IV）inhibitors： A newly emerging drug class for the treatment of type 2 diabetes[J].Diab Vasc Dis Res，2006，3（3）：159-165.

[5]Vilsbøll T， Agersø H， Krarup T， et al. Similar elimination rates of glucagon-like peptide-1 in obese type 2 diabetic patients and healthy subjects[J]. J Clin Endocrinol Metab，2003，88（1）：220-224.

[6]Vilsboll T. Liraglutide： a new treatment for type 2 diabetes[J]. Drugs Today （Barc），2009，45（2）：101-113.

[7]Kastin A J， Akerstrom V， Pan W. Interactions of glucagon-like peptide-1 （GLP-1） with the blood-brain barrier[J]. J Mol Neurosci，2013，18（1-2）：7-14.

[8]McClean P L， Parthsarathy V， Faivre E，et al.The diabetes drug liraglutide prevents degenerative processes in a mouse model of Alzheimer’s disease[J]. J Neurosci，2011，31（17）：6587-6594.

[9]Hunter K， Hölscher C. Drugs developed to treat diabetes， liraglutide and lixisenatide， cross the blood brain barrier and enhance neurogenesis[J]. BMC Neurosci，2012，13（12）：33.

[10]Eng J， Kleinman W A， Singh L，et al. Isolation and characterization of exendin-4， an exendin-3 analogue， from Heloderma suspectum venom. Further evidence for an exendin receptor on dispersed acini from guinea pig pancreas[J]. J Biol Chem，1992，267（11）：7402-7405.

[11]Campos R V， Lee Y C， Drucker D J. Divergent tissue-specific and developmental expression of receptors for glucagon and glucagon-like peptide-1 in the mouse[J]. Endocrinology，1994，134（5）：2156-2164.

[12]Calvo J C，Gisolfi C V，Blazquez E，et al.Glucagon-like peptide-1（7-36）amide induces the release of aspartic acid and glutamine by the ventromedial hypothalamus of the conscious rat[J]. Brain Res Bull， 1995，38（5）：435-439.

[13]Alvarez E， Roncero I， Chowen J A， et al. Expression of the glucagonlike peptide-1 receptor gene in rat brain[J].J Neurochem，1996，66（3）：920-927.

[14]Alvarez E， Martínez M D， Roncero I， et al. The expression of GLP-1 receptor mRNA and protein allows the effect of GLP-1 on glucose metabolism in the human hypothalamus and brainstem[J].J Neurochem，2005，92（4）：798–806.

[15]Larsen P J， Tang-Christensen M， Holst J J， et al. Distribution of glucagon-like peptide-1 and other preproglucagon-derived peptides in the rat hypothalamus and brainstem[J]. Neuroscience，1997，77（1）：257-270.

[16]Hamilton A， Hölscher C. Receptors for the incretin glucagon-like peptide-1 are expressed on neurons in the central nervous system[J].Neuroreport，2009，20（13）：1161-1166.

[17]Tibaduiza E C， Chen C， Beinborn M. A small molecule ligand of the glucagon-like peptide 1 receptor targets its amino-terminal hormone binding domain[J]. J Biol Chem，2001，276（41）：37 787-37 793.

[18]Abbas T， Faivre E， Hölscher C. Impairment of synaptic plasticity and memory formation in GLP-1 receptor KO mice： Interaction between type 2 diabetes and Alzheimer’s disease[J].Behav Brain Res，2009，205（1）：265-271.

[19]Kastin A J， Akerstrom V. Entry of exendin-4 into brain is rapid but may be limited at high doses[J].Int J Obes Relat Metab Disord，2003，27（3）：313-318.

[20]Parthsarathy V， Hölscher C. The type 2 diabetes drug liraglutide reduces chronic inflammation induced by irradiation in the mouse brain[J]. Eur J Pharmacol，2013，700（1-3）：42-50.

[21]Holscher C. Incretin analogues that have been developed to treat type 2 diabetes hold promise as a novel treatment strategy for Alzheimer’s disease[J].Recent Pat CNS DrugDiscov，2010，5（2）：109-117.

[22]Egefjord L， Gejl M， Møller A， et al. Effects of liraglutide on neurodegeneration， blood flow and cognition in Alzheimer’s diseaseprotocol for a controlled， randomized double-blinded trial[J]. Dan Med J，2012，59（10）：A4519.，

[23]Iwai T， Ito S， Tanimitsu K，et al. Glucagon-like peptide-1 inhibits LPS-induced IL-1beta production in cultured rat astrocytes[J].Neurosci Res，2006，55（4）：352-360.

[24]Arakawa M， Mita T， Azuma K， et al. Inhibition of monocyte adhesion to endothelial cells and attenuation of atherosclerotic lesion by a glucagon-like peptide-1 receptor agonist， exendin-4[J]. Diabetes，2010，59（4）：1030-1037.

[25]Kivipelto M. Midlife vascular risk factors and Alzheimer’s disease in later life： longitudinal，population based study[J].BMJ，2001，322（7300）：1447–1451.

[26]Kivipelto M， Helkala E-L， Laakso M P， et al. Apolipoprotein E epsilon4 allele， elevated midlife total cholesterol level， and high midlife systolic blood pressure are independent risk factors for latelife Alzheimer disease[J]. Ann Intern Med， 2002，137（3）：149-155.

[27]Talbot K， Wang H-Y. The nature， significance， and glucagon-like peptide-1 analog treatment of brain insulin resistance in Alzheimer’s disease[J]. Alzheimers Dement，2014，10（1S）：S12–S25.

[28]Hölscher C.The incretin hormones glucagonlike peptide 1 and glucose-dependent insulinotropic polypeptide are neuroprotective in mouse models of Alzheimer’s disease[J].Alzheimers Dement，2014，10（1S）：S47–S54.

[29]McClean P L， Hölscher C. Liraglutide can reverse memory impairment， synaptic loss and reduce plaque load in aged APP/PS1 mice，a model of Alzheimer’s disease[J]. Neuropharmacology，2014，76（Pt A）：57-67.

[30]Li Y， Duffy K B， Ottinger M A， et al. GLP-1 receptor stimulation reduces amyloid-beta peptide accumulation and cytotoxicity in cellular and animal models of Alzheimer’s disease[J].J Alzheimers Dis，2010，19（4）：1205-1219.

[31]Perry T， Lahiri D K， Sambamurti K， et al. Glucagon-like peptide-1 decreases endogenous amyloid-beta peptide （Abeta） levels and protects hippocampal neurons from death induced by Abeta and iron[J]. J Neurosci Res，2003，72（5）：603-612.

[32]Holscher C.Central effects of GLP-1：new opportunities for treatments of neurodegenerative diseases[J]. J Endocrinol，2013，145（89）：540-556.

[33]Harkavyi A， Abuirmeileh A， Lever R，et al. Glucagon-like peptide 1 receptor stimulation reverses key deficits in distinct rodent models of Parkinson’s disease[J]. J Neuroinflammation，2008，5（12）：19.

[34]Li Y， Perry T， Kindy M S， et al. GLP-1 receptor stimulation preserves primary cortical and dopaminergic neurons in cellular and rodent models of stroke and Parkinsonism[J].Proc Natl Acad Sci U S A，2009，106（4）：1285-1290.

[35]Bertilsson G， Patrone C， Zachrisson O， et al. Peptide hormone exendin-4 stimulates subventricular zone neurogenesis in the adult rodent brain and induces recovery in an animal model of Parkinson’s disease[J]. J Neurosci Res，2008，86（2）：326-338.

[36]Sato K， Kameda M， Yasuhara T， et al. Neuroprotective effects of liraglutide for stroke model of rats[J]. Int J Mol Sci，2013，14（11）：21 513–21 524.

[37]Teramoto S， Miyamoto N， Yatomi K， et al. Exendin-4， a glucagonlike peptide-1 receptor agonist， provides neuroprotection in mice transient focal cerebral ischemia[J]. J Cereb Blood Flow Metab，2011，31（8）：1696–1705.