4-苯基丁酸在糖尿病及其并发症防治中的作用

胡佳腾 宗茜 甘雨洁 刁柯彤 瞿天宇 徐怿琳 孙敏

1南京医科大学(江宁校区) 211100; 2苏州大学附属第二人民医院肾内科 215000; 3南京医科大学第一附属医院(江苏省人民医院)内分泌科 210029

我国目前已经成为全球糖尿病患者人数增长最快的国家，患病率达11.6%，近半数成年患者处于糖尿病前期阶段[1]。内质网是真核细胞内蛋白质合成、脂质生成和钙离子储存的主要场所。机体对内质网正常功能受损所作的反应称为内质网应激(ERS)。早期出现大量错误折叠蛋白质时，内质网内一系列转录因子被激活，如人X盒结合蛋白(XBP)、CCAAT/增强子结合蛋白同源蛋白(CHOP)、转录激活因子4(ATF4)，可增加内质网处理错误折叠蛋白质的能力[2]。当错误折叠蛋白质过载，超过内质网的处理能力，长期ERS即未折叠蛋白反应(UPR)可能会导致钙离子释放和氧化还原反应，从而影响线粒体功能，引起细胞凋亡[3-4]。

目前，多项研究表明，ERS与糖尿病密切相关——长期的ERS会导致糖尿病及其并发症的发生[5-6]。糖尿病并发症主要包括糖尿病视网膜病变、糖尿病肾病以及糖尿病脑病等[7]。而胰岛素抵抗是糖尿病及其并发症起病的重要始动因素，胰岛β细胞功能衰竭所致的胰岛素绝对或相对缺乏在各型糖尿病转归过程中也十分关键[8]。ERS主要影响胰岛细胞凋亡、胰岛素抵抗、糖脂代谢紊乱等[9]。

分子伴侣是一类帮助肽链正确折叠的小分子，可通过与蛋白质的相互作用，防止错误折叠产生[10]。4-苯基丁酸(4-PBA)作为内质网分子伴侣的一种，能稳定蛋白质的构象，提高受损蛋白质的折叠和运输能力[11]。因此，深入研究4-PBA、ERS和糖尿病及其并发症之间的关系，对提高糖尿病及其并发症的临床治疗效果，减少相关并发症的发生率具有重要意义。

1 4-PBA简介

4-PBA是一种低相对分子质量的脂肪酸，能够恢复错误折叠蛋白的构象，从而保证内质网内环境的稳态。近年来发现，4-PBA具有对抗ERS引起的细胞凋亡的能力[12]。4-PBA可能通过抑制CHOP的表达，进而抑制下游线粒体途径，从而减轻ERS引起的细胞凋亡[13]。

目前，4-PBA已被用于尿素循环障碍、镰状细胞病和地中海贫血的治疗[14]。4-PBA是治疗阻塞性睡眠呼吸暂停综合征引起的快速血糖升高和胰岛素抵抗的一个潜在靶点[15]。低浓度4-PBA可以选择性地减轻ERS而不影响组蛋白H3乙酰化，改善左心室压力过大性肥大，抑制主动脉缩窄相关的心肌间质纤维化[16]。此外，4-PBA在糖尿病及其并发症中也起重要作用。

2 4-PBA在糖尿病及其并发症防治中的作用

2.1 对糖尿病发病机制的影响

2.1.1 改善胰岛素分泌 胰岛素的生物合成起始于胰岛素原，胰岛素原在胰岛β细胞内质网腔内的分子伴侣协助下进行正确的氧化折叠，达到正确的构象后，从内质网运输至高尔基体进行剪切，产生胰岛素和C肽[17-18]。而另一部分通过分子伴侣再折叠仍不能达到其正确构象的蛋白质，将通过内质网自噬系统被降解[19]。各种因素诱导ERS后，胰岛素分子无法在内质网内进行正确折叠，进而影响生物活性胰岛素的正确合成和释放，这是糖尿病发生和发展的重要环节。在2型糖尿病大鼠模型中，高糖诱发的ERS是损伤葡萄糖刺激胰岛素分泌(GSIS)反应的主要机制。而大鼠INS-1细胞经300 μmol/L 4-PBA处理后，ERS相关蛋白如CHOP和G蛋白耦联受体(GRP)78的表达受抑制，表明4-PBA可能改善GSIS受损，增加胰岛素分泌[20]。

2.1.2 改善胰岛素抵抗 在啮齿动物糖尿病模型中，给予小鼠1 g/kg剂量的4-PBA口服治疗，发现被蛋白颗粒前体损伤的胰岛素信号转导得到恢复。在人体内4-PBA能改善胰岛素敏感性和β细胞功能[21]。相关实验发现，给予人HepG2细胞2 mmol/L 4-PBA预处理可逆转慢性肾炎引起的Se-P硒蛋白表达，改善慢性肾炎引起的胰岛素抵抗[22]。还有研究对4-PBA组和4-PBA+手术组的大鼠进行腹腔注射50 mg/kg 4-PBA处理，发现两组血浆脂肪酸和血糖浓度差别很小，而手术组的血浆游离脂肪酸、血糖、胰岛素明显高于4-PBA组和4-PBA+手术组，证明4-PBA能改善大鼠开胸手术后的胰岛素抵抗[23]。

2.1.3 改善胰岛细胞凋亡 ERS参与了胆固醇诱导的β细胞损伤，其中，CHOP介导的凋亡途径可能部分地促进了ERS诱导的细胞凋亡。4-PBA通过抑制凋亡相关蛋白caspase-3的上调和细胞凋亡，减轻胆固醇诱导的β细胞损伤[24]。另外，在大鼠心肌细胞H9C2中，0.5 μmol/L 4-PBA处理可缓解棕榈酸诱发ERS，降低ERS标志蛋白GRP78和CHOP的表达，改善细胞凋亡[25]。

2.1.4 减轻脂肪组织炎性反应 对肥胖小鼠胚胎成纤维细胞(3T3-L1)进行7.5 mmol/L的4-PBA预处理，可显著降低3T3-L1细胞XBP-1 mRNA的表达，从而减轻ERS，表现为ERS标志重链结合蛋白(BIP)、 CHOP、ATF4、内质网降解增强蛋白(EDEM)以及内质网DnaJ同系物4(ERDJ4)的下调。此外，炎性相关细胞因子肿瘤坏死因子(TNF)-α与白细胞介素-6表达下降，也表明4-PBA可改善脂肪组织的慢性炎性反应[26]。另外,瘦素和胰岛素样生长因子(IGF)-1水平的失调与肥胖、糖尿病、动脉粥样硬化和心血管疾病相关。研究表明，游离脂肪酸摄入过多与代谢性疾病密切相关，而4-PBA可以抑制ERS，阻止其对瘦素和IGF-1表达的抑制[27]。2型糖尿病患者脂肪组织有大量M1型巨噬细胞聚集，4-PBA可影响巨噬细胞极化，可能参与减轻脂肪组织的炎性反应，但是具体机制仍需要研究[28]。

2.2 改善糖尿病并发症

2.2.1 改善妊娠糖尿病 有研究采用糖耐量正常的妊娠妇女和妊娠期糖尿病妇女分娩15 min内的大网膜组织(排除哮喘、多囊卵巢综合征、先兆子痫以及大血管并发症)，分别进行蛋白质免疫印迹处理，结果显示ERS标志基因GRP78、 XBP-1和内质网核信号转导蛋白1α(IRE1α)表达上调。而4-PBA可抑制高糖诱导的ERS，使上述标志基因表达下调，孕妇体重显著下降[29]。动物研究发现，4-PBA不仅对母体糖代谢有影响，对子代糖代谢也有调节作用。在小鼠妊娠糖尿病模型中发现，高血糖并非直接在胚胎滋养层引起ERS，而是引起了酮症酸中毒，从而诱发轻度ERS。对人胚胎绒毛膜癌细胞进行500 μmol/L 4-PBA处理24 h，蛋白质免疫印迹实验结果显示ERS标志物eIF2α磷酸化减少，pH值降低，改善高血糖引起的ERS介导的胚胎病[30]。

2.2.2 改善糖尿病肾病 糖尿病肾病是一种由糖尿病引起的微血管病变，而高糖诱发的足细胞凋亡是其病变标志。4-PBA能够改善足细胞凋亡、微血管扩张，从而改善多尿症、高度肥胖和高血糖[31]。上皮间充质转化(EMT)在胚胎发育、慢性炎性反应、肿瘤转移中发挥重要作用。在早期的糖尿病小鼠肾小管上皮细胞中，尾加压素Ⅱ可以通过HK-2细胞中ERS诱导肾小管上皮细胞EMT。实验结果提示，4-PBA能抑制HK-2细胞中尾加压素Ⅱ诱发的α平滑肌肌动蛋白和成纤维细胞特异性标记蛋白1(FSP1)的表达[32]。在大鼠体内，4-PBA通过减轻氧化应激，显著抑制大鼠糖尿病肾病的进展[33]。此外，4-PBA有助于改善肾小球系膜增生，显著减少尿路蛋白的排泄，对防治糖尿病肾病也起重要作用[11]。

2.2.3 改善糖尿病大血管病变 4-PBA能够减轻由动脉粥样硬化引发的剪切应激导致的内皮损伤，抑制单核巨噬细胞聚集和血管细胞黏附分子-1表达，因此可用来防止内皮功能障碍和减少血管并发症[34-35]。同时，4-PBA抑制ERS和脂质积累，从而增加心肌细胞存活率，减少糖尿病心肌病中的心肌脂毒性[36]。ERS通过增强泛素化减少大鼠心肌肌浆网钙离子ATP酶2a蛋白的表达，导致2型糖尿病患者发生心室舒张功能障碍，梗死后的致命性心力衰竭风险也将明显增加。而经4-PBA预处理后，虽然没有减轻2型糖尿病大鼠的体重和改善其血流动力学，但是其血糖水平降低了36%[37]。

2.2.4 改善糖尿病脑病 研究表明，糖尿病脑病可能是由内质网介导的中枢神经系统炎性反应和细胞凋亡引起的。高糖诱发ERS，随之激活c-Jun氨基末端激酶(JNK)介导的核因子-κB炎性反应信号。用4-PBA或特异性抑制剂阻断JNK通路，可减轻高糖引起的炎性反应及细胞凋亡，预防2型糖尿病大鼠的海马神经元凋亡、炎性反应及认知障碍[38]。此外，糖尿病脑病大鼠的神经元细胞凋亡是由泛素化蛋白酶系统(UPS)和内质网相关的蛋白质降解介导的。在神经元细胞内质网中，UPS通过通道形成蛋白Derlin1和P97蛋白参与UPR过程。由于UPS活性降低，导致未折叠和错误折叠蛋白质的清除减少，以此引发了ERS，长期的ERS导致神经元细胞不可避免地走向凋亡。使用4-PBA调节UPR通路，可减轻糖尿病诱导的神经细胞凋亡。因此，这可能会是未来一个治疗糖尿病相关的神经系统退行性疾病的靶点[39]。

2.2.5 改善糖尿病视网膜病变 糖尿病视网膜病变是糖尿病重要并发症之一，糖尿病会影响视网膜上的Müller细胞。实验证实高度氧化的低密度脂蛋白诱发Müller细胞内ERS，从而加速细胞凋亡。4-PBA可减少由高度氧化的低密度脂蛋白诱发的ERS和细胞凋亡，降低TUNEL阳性细胞(细胞凋亡和DNA降解的生物标志物)的数量，改善糖尿病视网膜微血管病变[40]。

3 分子伴侣的治疗潜力

ERS与代谢性疾病的发病机制有关，如糖尿病、肥胖、心血管疾病以及脂肪肝[41]。研究表明，小分子伴侣对缓解动物模型的UPR具有良好的效果，如4-PBA和TUDCA。4-PBA对糖尿病胰岛功能、胰岛素敏感性和糖尿病并发症具有改善作用[41]。然而，4-PBA是否能有效应用于糖尿病及其并发症的临床治疗仍需要更多的临床研究来验证，其改善ERS的具体分子机制尚需要更多基础实验来证实。