二甲双胍的药理作用研究进展

杨 洛，郝亚荣

(武汉大学人民医院老年病科，武汉 430060)

二甲双胍是目前全球应用最广泛的口服降糖药之一，其历史可追溯到中世纪人们使用一种植物——山羊豆缓解糖尿病患者的多尿作用。二甲双胍最初于1922年合成，但直到1950年才在欧洲被批准用于治疗糖尿病。2012年，二甲双胍被美国糖尿病协会与欧洲糖尿病研究协会的专家联合推荐为治疗2型糖尿病的一线首选药物[1]。英国前瞻性糖尿病研究显示，二甲双胍是减少2型糖尿病患者大血管并发症的唯一口服降血糖药[2]。二甲双胍在我国有20多年的临床应用经验，中华医学会内分泌学分会组织多位临床专家、药学专家制订并发布了《二甲双胍临床应用专家共识》[3]，用以指导中国的临床医师和患者正确认识、合理使用二甲双胍。研究表明除降糖作用外，二甲双胍还能对抗癌症、调节免疫功能、改善多囊卵巢综合征(polycystic ovary syndrome，PCOS)及与年龄有关的疾病[4-7]，即二甲双胍可以减轻这些疾病患者的相关症状，并减少动物和细胞模型中的疾病表型。现就二甲双胍的药理作用研究进展予以综述。

1 降糖作用

二甲双胍通常口服给药，在肾脏中以原形从尿液中清除，肝脏是其经典作用部位，口服给药后通过肠道吸收进入血液循环，因为门静脉循环的药物水平高于全身循环，故肝脏能接触到较其他器官更高水平的药物。二甲双胍的降糖原理包括：①提高胰岛素敏感性；②减少肝糖输出；③激活胰高血糖素样肽1促进葡萄糖依赖性胰岛素的分泌，从而改善血糖；④可通过调节肠道微生物促进降糖作用。Bauer等[8]证明，二甲双胍可以调节肠道微生物的组成，增加小肠上段乳酸菌的数量，进而增加小肠黏膜上钠-葡萄糖共转运载体1的表达；钠-葡萄糖共转运载体1不但能促进小肠对葡萄糖的吸收，还可以促进胰高血糖素样肽1的分泌和释放，从而调节肝脏中葡萄糖的合成，维持机体血糖水平的稳定。Wu等[9]在一项双盲研究中将接受过2型糖尿病治疗的患者随机分为安慰剂组或二甲双胍组，结果表明二甲双胍对肠道微生物群有很强的影响。同时他们还发现，二甲双胍影响了来自两个不同门细菌的蛋白编码基因，这些基因大部分编码金属蛋白或金属转运蛋白，故其结果支持肠道菌群改变介导了二甲双胍抗糖尿病作用的观点。

二甲双胍凭借其卓越的控糖疗效和良好的安全性而广泛应用于临床。有研究人员通过对48项观察性和干预性研究进行分析发现，2型糖尿病患者对二甲双胍接受度很低，30%的患者并未按照要求服药，与二肽基肽酶4抑制剂、磺脲类等药物相比，其依从性最低[10]。故推测，某些药物的服用依从性较低可能与药物不良反应相关。二甲双胍常见的不良反应为胃肠道反应，多数患者随治疗时间的延长可逐渐耐受或症状消失。虽然二甲双胍不被肝脏代谢，不与蛋白质结合，并以原形被肾脏迅速消除，无肝肾毒性，但肝肾功能受损会增加乳酸酸中毒的发生风险。

因此，大多数指南不提倡将二甲双胍用于中度至重度慢性肾脏病患者。二甲双胍与乳酸代谢有多种联系，包括通过糖异生作用抑制乳酸转化、干扰线粒体电子传递链复合体的功能、阻止丙酮酸氧化进入三羧酸循环从而导致丙酮酸转化成乳酸等。但有研究显示，二甲双胍与乳酸酸中毒相关性被夸大了[11]。2016年，欧洲药品局和美国食品药品管理局取消了二甲双胍在慢性肾脏病3a和3b阶段中的限制。Lalau等[12]对二甲双胍的安全性和有效性进行前瞻性研究发现，只要根据肾功能调整好治疗剂量，中度至重度慢性肾脏病患者采用二甲双胍治疗是安全有效的。

2 降糖外作用

作为一种安全有效的降糖剂，全世界数亿人普遍使用二甲双胍来治疗2型糖尿病。其广泛应用，使得有大量的流行病学数据可用于了解二甲双胍如何影响其他疾病状态。其中，最受关注的为服用二甲双胍与改善癌症预后，降低癌症发病率、降低多种类型肿瘤死亡率的相关作用。同时，二甲双胍在免疫、延缓衰老和PCOS中的作用也被重视。

2.1抗肿瘤方面的作用 自2005年起，二甲双胍对肿瘤的影响已成为热门话题。一项关于2型糖尿病患者接受二甲双胍治疗后肿瘤发生率的大型病例对照研究发现，二甲双胍治疗与癌症的发生风险降低有关，且二甲双胍的保护效应随使用时间的延长和次数增加呈增强趋势[13]。临床研究显示，二甲双胍治疗能显著降低糖尿病患者癌症的总体发病率和死亡率[6]。最初认为，二甲双胍通过改善患者的血糖和胰岛素抵抗，降低合并肿瘤糖尿病患者的死亡率。随着研究的深入，大量的体内外实验表明二甲双胍能通过多种机制抑制肿瘤细胞生长[14-17]。

2.1.1激活AMP活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)和抑制胰岛素样生长因子通路 AMPK是细胞内能量状态的主要传感器和调控器，在介导二甲双胍的抑癌效应中起重要作用。①激活AMPK可触发p53和unc-51样激酶，进而诱导细胞凋亡、细胞周期阻滞和自噬等相关抗癌机制。②肝激酶B1是AMPK的主要上游激酶，在通路中磷酸化苏氨酸172，是肿瘤抑制因子。目前，已在许多类型的癌症中发现肝激酶B1的突变或缺失。虽然肝激酶B1不是被二甲双胍直接激活，但它是AMPK达到最大活化程度所必需。因此，二甲双胍的抗增殖作用在缺乏肝激酶B1的肿瘤细胞中减弱。此外，有文献报道二甲双胍可诱导肝激酶B1的胞质易位，增强AMPK的活化[14]。③AMPK通过抑制结节性硬化复合物2 抑制磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白通路，而哺乳动物雷帕霉素靶蛋白是调节蛋白质翻译和细胞周期进程的重要蛋白激酶[18]。④癌症特异性MAGE-A3/6-TRIM28 泛素连接酶复合物的泛素化能解除AMPK对癌细胞的调控[19]。且AMPK抑制会导致细胞自噬、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号激活和二甲双胍敏感的抑制[20]。⑤DNA去甲基化酶中的甲基胞嘧啶双加氧酶2蛋白可以催化 5-甲基胞嘧啶转化为5-羟甲基胞嘧啶，在癌细胞中5-羟甲基胞嘧啶水平的下降可作为评价癌症恶性程度的标准。中国科学家首次发现了二甲双胍通过激活AMPK，并磷酸化下游的甲基胞嘧啶双加氧酶2，通过增强甲基胞嘧啶双加氧酶2及其产物5-羟甲基胞嘧啶的稳定性来抑制肿瘤的生长，且二甲双胍的抑癌作用明显依赖甲基胞嘧啶双加氧酶2的存在[17]。

胰岛素能通过结合胰岛素受体和胰岛素样生长因子受体，促进肿瘤的生长，胰岛素样生长因子受体1的下游激活包括磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白和促分裂原活化的蛋白激酶/胞外信号调节激酶通路，两者均与细胞增殖和肿瘤促进有关[20-21]。同时，胰岛素样生长因子的增加也会促进肿瘤细胞的有丝分裂。二甲双胍可以通过改善胰岛素抵抗下调胰岛素、胰岛素受体、胰岛素样生长因子受体1来抑制肿瘤。

2.1.2抑制线粒体呼吸功能和天冬氨酸的合成 二甲双胍可通过抑制α磷酸甘油穿梭来抑制线粒体的呼吸作用[16]。体外生化研究表明，二甲双胍直接抑制线粒体复合物Ⅰ(还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸脱氢酶)也可导致线粒体呼吸减少[22]。细胞培养发现，二甲双胍导致葡萄糖消耗增加，乳酸产量增加，线粒体葡萄糖氧化减少[23]。线粒体复合物Ⅰ作为二甲双胍在癌症中的重要靶点，有研究者通过培养具有二甲双胍抵抗的复合体Ⅰ酵母类似物细胞发现，移植瘤中二甲双胍的抑癌作用被抑制[24]。此外，其他线粒体复合物Ⅰ抑制剂也表现出抗肿瘤的功效[25]。这些数据均支持了二甲双胍抑制线粒体复合物Ⅰ，从而抑制线粒体呼吸这一机制在其抗肿瘤效应中的重要作用。

癌细胞在肿瘤中的增殖速度较标准培养条件下慢，表明体内代谢可能会限制体内的细胞增殖。天冬氨酸是血液中水平最低的氨基酸之一，对细胞DNA的合成和供能至关重要。在缺氧条件下，天冬氨酸合成受阻可以限制癌细胞增殖。研究显示，二甲双胍可通过自主抑制癌细胞线粒体复合物Ⅰ来抑制天冬氨酸的合成。二甲双胍的抗癌活性与天冬氨酸水平的降低相对应，提示二甲双胍可能通过天冬氨酸的限制抑制肿瘤的生长[15]。为验证这一点，Sullivan等[26]将含有豚鼠天冬酰胺酶1的143 B细胞植入纯合子无胸腺裸鼠体内，当肿瘤达到45 mm3时，用二甲双胍治疗小鼠。结果显示，二甲双胍能够抑制杂合子正常对照组肿瘤的生长，而对豚鼠天冬酰胺酶1表达的实验组小鼠肿瘤生长无影响。这些数据支持了，二甲双胍可通过加剧内源性天冬氨酸限制来抑制肿瘤生长的假说。但在荷兰进行的一项双盲、随机、安慰剂对照研究发现，增加常规糖尿病治疗剂量的二甲双胍，并没有改善吉西他滨和厄洛替尼治疗晚期胰腺癌的效果[27]。Davidson等[28]研究发现，胰腺癌细胞能够分解细胞外蛋白质来提供天冬氨酸，这解释了二甲双胍在胰腺癌中不起作用的原因。

2.1.3调控肿瘤相关的微RNAs(microRNAs，miRNAs) miRNAs是一种保守的小非编码RNA，通过靶向多个分子参与基因表达的调控。早期研究表明，miRNAs在不同肿瘤组织和癌细胞株中的表达有明显变化，而这种变化几乎涉及所有的生物过程，包括细胞的存活、凋亡、增殖、侵袭、迁移、分化、耐药和血管生成[29]。越来越多的证据表明，miRNAs失调是癌症、自身免疫性疾病等多种病理状态的生物标志，miRNAs在肿瘤发生的不同阶段发挥着致癌基因或抑癌基因的作用[30-32]。

研究数据表明，二甲双胍能够影响2型糖尿病受试者的miRNAs谱[33]。其抗癌作用可通过直接调控miRNAs，从而进一步调控代谢或原癌途径中的几个下游基因来实现。因此，这些miRNAs是二甲双胍治疗癌症的潜在治疗靶点。现已发现的与二甲双胍抗肿瘤作用有关的miRNAs有20多种，且数字还在不断增长中。二甲双胍通过调控miRNAs抑制恶性肿瘤的机制包括：①调控细胞周期蛋白的表达，抑制肿瘤细胞的增殖；②促进胱天蛋白酶3表达及抑制抗凋亡因子Bcl-2表达，促进肿瘤细胞凋亡；③削弱肿瘤细胞的侵袭迁移能力；④抑制肿瘤干细胞增殖和间充质转化；⑤下调血管内皮生长因子表达，抑制肿瘤血管形成；⑥减少有氧糖酵解的关键调节蛋白。

2.2在免疫调节中的作用 目前，尚不认为给药后的免疫缺陷或自身免疫增强是药物的不良反应。虽然还没有研究证明二甲双胍对免疫功能的影响，但实验室研究为二甲双胍的各种免疫调节作用提供了大量证据[34-38]。Blagih等[34]的研究表明，AMPK依赖的代谢稳态调节是T细胞介导的适应性免疫的关键调节因子。虽然二甲双胍能够影响免疫系统的部分细胞系的能量代谢，从而影响免疫功能，但尚不清楚哪些免疫细胞亚群受药物的影响最大。肿瘤免疫学的结果提供了由于二甲双胍暴露而增强免疫功能的例子[36]，而在其他情况(肺结核和多发性硬化症)下的研究提示抗炎作用[38-39]。

Eikawa等[36]比较了二甲双胍作为一种抗肿瘤药物对完整和免疫缺陷小鼠的疗效，结果显示该药物在具有功能性免疫系统小鼠体内的抗肿瘤活性显著提高，其中二甲双胍以AMPK依赖的方式增加CD8阳性肿瘤浸润淋巴细胞的数量。在实验室模型中，二甲双胍对免疫的影响是通过增强抗肿瘤疫苗的效力来实现的，并对宿主生存期的延长有显著影响[40]。Moiseeva等[37]实验表明，二甲双胍可以抑制与衰老相关的炎症；且体内和体外模型也有表明，二甲双胍能抑制癌症相关炎症[41]。在这两种情况下，核因子κB激活被抑制，炎症细胞因子的分泌减少，但二甲双胍抑制核因子κB的确切分子靶点仍有待确定。虽然模型系统中已观察到二甲双胍抑制真菌感染的天然免疫反应[35]，但该观察的临床相关性仍有待确定。

在多发性硬化症中，二甲双胍可以减轻中枢神经系统的炎症并改善疾病的预后[38]。同时，其还通过增加AMPK表达影响CD T细胞代谢和B细胞分化，从而降低自身免疫，改善系统性狼疮、类风湿关节炎等自身免疫性疾病。此外，二甲双胍还可以减少与肺结核有关的炎症[42]，但其对宿主和分枝杆菌的影响还需进一步阐明。可见，二甲双胍参与了调节系统自身免疫性疾病的重要免疫病理机制，如辅助性T细胞17/调节性T细胞平衡、生发中心形成、自身抗体生成、巨噬细胞极化、细胞因子合成、中性粒细胞胞外诱捕网释放、骨或细胞外基质重构等[7]。这些机制均能够促进二甲双胍的抗衰老和抗癌作用。

2.3在延缓衰老中的作用 衰老是指生物功能随着时间增加而衰退，其特征包括基因组不稳定、端粒损耗、表观遗传改变、蛋白质平衡丧失、营养敏感失调、线粒体功能障碍、细胞衰老、干细胞衰竭和细胞间通信改变[43]。目前，人口老龄化已经成为发达和发展中国家面临的巨大挑战和经济负担。2016年，美国第一项临床试验——用二甲双胍抗衰老的研究获得食品药品管理局批准[4]。二甲双胍被认为是一种很有希望的保护剂，其能有效缓解各种功能障碍，包括心血管疾病、癌症和认知能力下降，并减少老年糖尿病患者的死亡人数。此外，二甲双胍对延长寿命的影响已在动物模型中得到证实，包括蠕虫和老鼠。目前已达成共识，二甲双胍可靶向与衰老密切相关的多种细胞信号通路，如炎症、细胞存活、应激防御、自噬和蛋白质合成[4]。二甲双胍介导寿命延长的一个公认的机制是它能够通过刺激细胞中的主要能量传感器AMPK来模拟饮食限制的影响，以减少能量消耗过程。

生物体内的新陈代谢产生活性氧。虽然正常水平的活性氧类是多种信号通路的调节因子，但其过量积累可能会造成生物大分子损伤和细胞毒性。核因子E2相关因子2对调节许多抗氧化反应至关重要，这种作用是通过核因子E2相关因子2与靶基因启动子区域的抗氧化反应元件结合而产生。核因子E2相关因子2-抗氧化物反应原件活性受损不仅出现在生理衰老中，还存在于早衰症中。在线虫中，SKN-1(skinhead-1)(脊椎动物同源物为核因子E2相关因子2)参与了二甲双胍的作用机制[44]。Fang等[45]研究发现，长时间低剂量的二甲双胍处理，可延缓人类成纤维细胞和间充质干细胞的衰老。同时还发现，二甲双胍可升高抗氧化转录因子核因子E2相关因子2的转录活性和上调内质网谷胱甘肽过氧化物酶7的表达，从而维持内质网蛋白质的氧化折叠和氧化还原稳态。

2.4在PCOS中的作用 PCOS影响了5%～13%的育龄妇女[46]，使其有较高的不良妊娠风险，并有可能导致子宫内环境改变。PCOS患者机体存在高雄激素血症、高胰岛素血症、糖耐量异常，并表现为肥胖、月经稀发、慢性无排卵、多毛和卵巢多囊性增大等。而胰岛素抵抗和高雄激素是复杂病因的中心，影响着代谢和生殖。一项回顾性队列研究表明，在PCOS母亲的后代中，畸形、代谢综合征、肥胖和晚期住院的发生率增加[47]。同时，二甲双胍也越来越多地应用于PCOS、妊娠糖尿病、2型糖尿病和最近肥胖的孕妇中，并被建议在PCOS母亲妊娠期间使用以降低相关并发症发生风险[5]。但二甲双胍对PCOS患者长期疗效的研究尚不充分。Yang等[48]进行了一项前瞻性队列研究旨在评估用二甲双胍治疗24个月以上对PCOS患者月经、激素和代谢谱的影响。结果表明，二甲双胍治疗24个月可以改善超重和体重正常PCOS妇女的月经周期和大多数激素水平，大多数指标在治疗6个月后达到最佳状态。

此外，二甲双胍能通过胎盘并存在于脐带血中，而其致畸性尚未有报道。由于研究设计的局限性，二甲双胍的长期健康影响仍不确定。只有少数研究描述了子宫内二甲双胍暴露对PCOS母亲后代健康的影响。一项非随机研究显示，与美国婴儿的标准数据相比，18个月前接触二甲双胍儿童的生长没有任何偏差[49]。然而，在Hanem等[50]对两项随机、双盲、安慰剂对照试验进行的随访研究中发现，妊娠期间接受二甲双胍治疗的PCOS母亲的后代体质指数较高，4岁时超重/肥胖患病率增加。因此，二甲双胍暴露对PCOS母亲后代代谢健康情况的影响还需更多的研究证实。

3 小 结

二甲双胍作为安全有效的2型糖尿病核心药物，在临床应用广泛。随着对其疗效和作用机制研究的深入，已发现二甲双胍除降低血糖、改善胰岛素抵抗外，还具有抗氧化、抗炎、影响免疫系统、调节细胞增殖凋亡的作用，其适应证也拓展到其他疾病(肿瘤、自身免疫性疾病、PCOS等)领域，并给人类带来有益影响。未来还需要大量的临床试验观察和评估二甲双胍除降糖作用外的多种效应。相信随着研究的深入，二甲双胍的临床适应证将会进一步扩展。