AMPK、PPARs在2型糖尿病中的作用机制及药物研究

2019-12-09丁婕傅继华

药学研究 2019年8期

丁婕，傅继华

(中国药科大学基础医学与临床药学学院，江苏南京 211198)

糖尿病是一种慢性代谢疾病，主要分为1型和2型，其中2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)占90%以上，主要表现为胰岛素敏感性降低或胰岛素抵抗(insulin resistance,IR)，机体主要器官和组织糖脂代谢发生严重紊乱，其发病原因与遗传、环境以及生活方式密切相关。据国际糖尿病联盟报告，目前全球约有4.25亿人患有糖尿病，其中四分之一以上的患者来自中国，如果缺乏有效干预，预计到2040年将增加到1.5亿，糖尿病逐年升高的发病率和死亡率使其成为高度关注的社会公共卫生问题[1]。IR是指由于各种原因引起的胰岛素促进肝脏、肌肉和脂肪组织摄取和利用葡萄糖的效率降低，胰腺β细胞代偿性分泌过量胰岛素，最终β细胞功能受损，胰岛素缺乏，机体长期处于高糖水平，若得不到及时有效的治疗，可导致视网膜病变、糖尿病肾病、周围神经病变和心脑血管并发症的发生，大大缩短了患者寿命[1-2]。单磷酸腺苷(adenosine monophosphate,AMP)激活的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)和过氧化物酶增殖物激活受体(peroxisome proliferater-activated receptors，PPARs)作为目前治疗糖尿病的关键靶点，对糖脂代谢平衡起着重要的调节作用，以下将分别阐述其与T2DM的关系及相关药物作用机制研究进展。

1 T2DM重要的分子靶点

1.1 AMPK AMPK是一种进化上保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，这种由催化亚基α(α1、α2)和调节亚基β(β1、β2)和γ(γ1、γ2、γ3)组成的异源三聚体复合物是全身能量平衡的关键调节靶点。肝激酶B1(liver kinase B1,LKB1)和钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶β(calcium/calmodulin-dependent protein kinase kinase β,CaMKKβ)分别通过AMP/ATP比值升高以及细胞内Ca2+浓度升高磷酸化AMPKα亚单位的Thr-172位点，激活AMPK，从而抑制合成代谢过程，包括脂质、蛋白质和糖原合成，激活分解代谢过程，例如脂肪酸(Fatty acid,FA)氧化和糖酵解[3]。总之，AMPK激活能够改善胰岛素敏感性及葡萄糖稳态，其失活与各种代谢紊乱有关，同时也反映了其作为治疗靶点的重要性[4]。

AMPK激活可以增加脂质氧化，减少脂质合成。其通过脂肪酸转运蛋白CD36的易位增加脂肪酸摄取；通过磷酸化乙酰辅酶A羧化酶(acetyl CoA carboxylase,ACC)-2抑制丙二酰辅酶A，减少其对肉碱棕榈酰转移酶1(carnitine palmitoyltransferase I,CPT1)的抑制，增加脂肪酸氧化；通过磷酸化3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶(3-hydroxy-3-methyl glutaryl coenzyme A reductase,HMGR)抑制胆固醇合成；通过灭活甘油磷酸酰基转移酶抑制甘油三酯(triglyceride,TG)和磷脂合成；AMPK磷酸化固醇调节元件结合蛋白-1(sterol regulatory element-binding protein-1,SREBP1)切割位点附近的保守丝氨酸，抑制其水解成活性形式入核，从而在转录水平下调ACC1和脂肪酸合酶(fatty acid synthase,FASN)表达，抑制脂肪酸合成。在脂肪组织中，AMPK直接磷酸化激素敏感脂肪酶(hormone-sensitive triglyceride lipase,HSL)和脂肪甘油三酯脂肪酶(adipose triacylglyceride lipase,ATGL)[5-7]，抑制脂解。

AMPK对糖代谢的调节主要是增加葡萄糖摄取，增加糖酵解并抑制糖异生。在骨骼肌和脂肪组织，AMPK通过磷酸化Rab GTPase活化蛋白(Rab GTPase activated protein,Rab-GAP) TBC1D1(Tre-2/BUB2/cdc1 domain family 1)的丝氨酸231位点，抑制其GAP活性，瞬时调节葡萄糖转运蛋白(glucose transporter type 4,GLUT4)迅速转位到胞膜，AMPK对GLUT4的长期影响是通过部分磷酸化组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDAC)-5，影响GLUT4的基因转录，从而增加葡萄糖摄取；通过磷酸化并激活磷酸果糖激酶(Phosphofructokinase,PFK)，生成糖酵解的最强激活剂2,6-二磷酸果糖，增加糖酵解；AMPK抑制糖异生主要通过两个机制：①AMPK磷酸化环磷腺苷效应元件结合蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)调节的转录共激活因子2(CREB regulated transcriptional co-activator 2,CRTC2)使其失活，减少CREB靶基因的表达，如FOXO(forkhead box protein O)；②磷酸化组蛋白去乙酰化酶HDAC IIa家族(HDAC4,HDAC5,HDAC7和HDAC9)，使其活性降低，无法入核去乙酰化并激活FOXO，从而降低FOXO靶基因的表达，例如葡萄糖-6-磷酸酶(glucose-6-phosphatase,G6Pase)和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase,PEPCK)，减少肝糖异生[7]。

1.2 PPARs PPARs是一类配体激活的核转录因子超家族成员，包括PPARα(NR1C1)，PPARβ/δ(NR1C2)和PPARγ(NR1C3)3种表型，其与视黄醇类X受体(retinoid X receptor,RXR)形成异源二聚体，结合DNA并调节靶基因转录[8]。它们在肥胖和T2DM发展中发挥着重要作用，是治疗代谢综合征的最有希望的靶标之一。

PPARα 主要表达于FA氧化能力较强的组织(肝、心脏、骨骼肌等)，调节参与脂质和血浆脂蛋白代谢相关的基因的表达，PPARα 通过上调FA转运蛋白和CPT1增加FA摄取及转运；诱导线粒体酰基辅酶A脱氢酶的表达，促进肝脏FA氧化。同时PPARα激活通过调节肝脏载脂蛋白的合成降低血浆TG和低密度脂蛋白胆固醇(low density lipoprotein cholesterol,LDL-c)水平并提升高密度脂蛋白胆固醇(high density lipoprotein cholesterol,HDL-c)浓度，这些作用纠正了脂代谢紊乱进而增加糖代谢的稳定性[9]。

PPARβ/δ 广泛表达，在促进骨骼肌，肝脏和心脏等代谢组织中的FA氧化方面与PPARα 有类似的作用，同时也控制炎症和胰岛素敏感性。在肝脏中，PPARβ/δ 激活诱导Insig1基因表达，减少SREBP1c的蛋白酶切加工成活性形式，抑制脂肪生成基因的表达，减少肝脏脂质沉积，改善肥胖和糖尿病动物模型中的肝脂肪变性[10]。在骨骼肌中，PPARβ/δ 激活上调参与FA氧化的基因，如CPT1和丙酮酸脱氢酶激酶4(pyruvate dehydrogenase kinase4,Pdk4)的表达，减少二酰甘油(diacylglycerol,DAG)的积聚，减弱了DAG-PKCθ-NF-kB途径的激活，改善胰岛素信号传导及IR[11]。在脂肪组织中，PPARβ/δ 激活促进巨噬细胞向抗炎M2表型转化，减少炎症反应，并通过抑制STAT3-SOCS3 抑制IL-6诱导的IR[12]。在胰腺中，PPARβ/δ 激活促进胰高血糖素样肽-1(glucagon-likepeptide1,GLP-1)受体表达，增强GLP-1对脂毒性诱导的凋亡的保护作用，并增加葡萄糖刺激的胰岛素分泌(glucose-stimulated insulin secretion,GSIS)。PPARβ/δ 激活也改善了FA诱导的内质网应激，有助于预防肥胖和T2DM[13]。

PPARγ 在白色和棕色脂肪组织中高度表达，是全身脂质代谢，脂肪生成和胰岛素敏感性的主要调节者[14]。PPARγ 激活促进前脂肪细胞分化为成熟脂肪细胞，刺激脂肪细胞中FA的贮存，降低血浆FA浓度，减少骨骼肌、肝脏和胰腺中脂质蓄积，同时通过调节脂肪细胞与IR相关的激素、细胞因子和蛋白的表达增强对胰岛素的敏感性。脂肪组织PPARγ 激活还可抑制肝糖生成并逆转高胰岛素血症[15]。PPARγ可以促进PI3K 基因表达，增强外周组织对胰岛素的敏感性，还可以刺激GLUT4表达及转位，促进对葡萄糖的摄取，降低血糖水平从而改善IR[16]。

2 相关药物研究进展

2.1 AMPK激动剂二甲双胍作为治疗T2DM的一线降糖药物，已被确定为肝细胞、骨骼肌细胞中AMPK通路的激活剂，在分子水平，二甲双胍抑制肝脏线粒体呼吸链复合物1(Complex 1)，阻止线粒体ATP的产生。因此，细胞质ADP/ATP和AMP/ATP比值升高，从而激活AMPK，活化的AMPK磷酸化ACC1和ACC2，抑制脂肪合成的同时促进脂肪氧化，从而减少肝脏脂质储存并增强肝脏胰岛素敏感性[17]。二甲双胍抑制肝糖异生主要通过以下几个机制：①AMP/ATP比值升高抑制果糖-1，6-二磷酸酶(fructose l,6-bisphosphatase,FBPase)，导致糖异生的急性抑制。②AMPK磷酸化并激活cAMP(cyclic adenosine monophosphate)特异性3′，5′-环磷酸二酯酶4B(cAMP-specific 3′,5′-cyclic phosphodiesterase 4B,PDE4B)导致cAMP分解或通过抑制腺苷酸环化酶(adenylate cyclase,AC)并降低cAMP生成，减少cAMP依赖性蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)激活，从而减少下游糖异生酶—PEPCK和G6Pase的表达[18]。③抑制肝糖异生需要蛋白质苏氨酸激酶—肝激酶B1(liver kinase B1,LKB1)，LKB1磷酸化AMPK，通过雷帕霉素靶蛋白C2(target of rapamycin C2,TORC2)，减少PPARγ共激活因子1α(PPAR gamma coactivator 1-alpha,PGC1α)，最终调节PEPCK的表达[19]。④抑制线粒体甘油磷酸脱氢酶(mitochondria glycerol 3 phosphate dehydrogenase,mG3PDH)，影响NADH(nicotinamide adenine dinucleotide)从细胞质转运到线粒体，抑制来自乳酸的糖异生过程[20]。总之，二甲双胍可以通过降低血浆FFA以及抑制肝脏糖异生，以促进肝脏骨骼肌、脂肪等胰岛素敏感性组织对葡萄糖的摄取和利用，改善胰岛素敏感性。此外，二甲双胍还对炎症有直接影响，包括影响核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)通路，抑制单核细胞向巨噬细胞的分化，以及抑制巨噬细胞产生的促炎细胞因子[21]。二甲双胍还能通过增加AMPK依赖的内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)的活性改善糖尿病患者内皮功能，减少心血管事件的发生[22]。

目前最新的AMPK激活剂为Poxel 研发的Imeglimin，用于治疗2型糖尿病的研究处于临床Ⅲ期[23]。Imeglimin在降低糖化血红蛋白(glycated hemoglobin A1c，HbA1c)和空腹血糖方面与二甲双胍临床效果相似，副作用发生率低，尤其是低血糖。Imeglimin对T2DM所致的骨骼肌葡萄糖摄取受损，肝脏糖异生过量，β细胞凋亡增加均有良好的改善作用[24]，预防内皮功能障碍避免糖尿病引起的微血管和大血管缺陷的优势使其广受关注，有望用作单一疗法或与其他药物联用治疗T2DM。

2.2 PPARs激动剂贝特类是常用的PPARα 激动剂，通常用于治疗与2型糖尿病并发的血脂异常，显著降低TG并增加HDL-c，但无法改善T2DM患者的葡萄糖稳态。然而，PPARα 激活改善前驱糖尿病患者的葡萄糖稳态[25]，并可能阻止前驱糖尿病转为明显的T2DM。这种效果可能源于保护胰腺β 细胞免受脂毒性[26]以及减少由胆汁糖蛋白癌胚抗原相关细胞黏附分子1(carcinoembryonic antigen-related cell adhesion molecule 1，CEACAM1)介导的胰岛素清除[27]。

临床关于T2DM治疗研究最多的是PPARγ，常用的PPARγ激动剂为噻唑烷二酮药物(TZDs)，也被称为胰岛素增敏剂，主要有罗格列酮和吡格列酮。TZDs通过直接或间接方式介导胰岛素增敏作用[28]。一方面，根据“脂质窃取”理论，TZDs促进FA在脂肪组织中的摄取和储存。结果，在非脂肪组织，如肝脏，肌肉和胰腺中脂肪堆积减少，保护这些组织免受高游离FA的损害(脂毒性)，增加葡萄糖在外周的利用。这个过程中PPARγ 调节的目标基因包括脂蛋白脂肪酶，FA转运蛋白和氧化LDL受体-1，以上均促进FA向脂肪细胞迁移[29]。TZDs还通过增加胰岛素增敏脂肪因子的基因表达，如脂联素，并降低参与诱导IR的脂肪因子的基因表达，如TNF-α，抵抗素和11-β-羟基类固醇脱氢酶-1(11-βHSD1)间接调节胰岛素敏感性[30]。

基于PPARα和PPARγ在调节脂质和葡萄糖稳态方面各不相同却又互补的作用，研究人员尝试开发PPARα/γ双重激动剂，以获得更好的治疗效果及更少的不良反应。洛贝格列酮硫酸盐(lobeglitazone sulfate)作为PPARα、γ 双重激动剂，于2013年获韩国食品药品管理局(KFDA)批准上市。其通过与脂肪细胞中PPAR结合，使脂肪细胞对胰岛素更加敏感。该药作为结合饮食和运动的辅助疗法，用于改善成年2型糖尿病患者的血糖控制。同年，另一种新型PPARα/γ 激动剂沙罗格列扎(saroglitazar)在印度上市，其主要激活PPARα中度激活PPARγ，因此没有典型的PPARγ 副作用(体重增加)，该药适用于他汀类药物无法控制的由T2DM引起的血脂异常和高甘油三酯血症[31]。

PPARβ/δ可以缓解PPARγ对脂肪细胞分化的诱导，减少脂肪堆积。目前PPARβ/δ作为靶标治疗T2DM 的研究还不完善，GW501516作为首个PPARβ/δ激动剂在临床试验IIa期显示出良好的改善脂质代谢、增加肝脏葡萄糖处理和增强胰岛素敏感性的作用[32]，但因前腺癌风险而终止，这也促进其他PPARβ/δ 激动剂的进一步研发。此前，由Genfit研发的PPARα、δ双重激动剂Elafibranor(GFT505)证实在啮齿动物模型中具有广泛的抗脂肪变性，抗炎和抗纤维化效果。其用于治疗2型糖尿病、血脂异常、动脉粥样硬化和IR的研究处于临床II期。IIa期临床试验显示Elafibranor可以降低腹部肥胖的血脂异常或前驱糖尿病患者的TG和残余胆固醇水平，增加HDL-c水平。此外，高胰岛素-正常血糖钳夹试验结果显示，Elafibranor改善前驱糖尿病患者肝脏和外周胰岛素敏感性[33]。

PPARα、γ、δ三重激活剂既能提高机体对胰岛素的敏感性，又可以通过调节游离FA和TG的含量来降低白色脂肪的沉积，因此，有望减少心血管并发症的发生又不诱发肥胖。目前处在临床Ⅲ期的西格列他钠能够同时低强度激活PPARα、γ和δ受体，有效地抑制由肥胖及炎症因子激活的CDK5对PPARγ的磷酸化，从而选择性地改变一系列与胰岛素增敏相关基因的表达[34]，该产品已完成的临床前研究和临床I、II期试验结果中，西格列他钠表现出与现有TZDs类药物不同的体外活性和体内疗效特点，并表现出良好的综合治疗效果及临床安全性。