Galectin-3与代谢和心血管疾病的关系研究进展

王灿，蒋建东，王爱平，孔维佳

(中国医学科学院北京协和医学院a.药物研究所，b.医药生物技术研究所，北京100050)

半乳糖凝集素(galectin,Gal)-3作为Gal家族的一员在多种组织和细胞中表达[1]。Gal-3参与调控细胞的增殖、分化、凋亡以及细胞间相互作用、免疫反应、组织器官纤维化等[2-3]。研究发现，Gal-3的异常与人体多个系统(如心血管、呼吸、消化、神经以及泌尿生殖系统)的慢性疾病密切相关[2-5]，并与细胞恶变和恶性肿瘤的发生相关[2-3]。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，代谢性疾病和心血管疾病的发病率不断升高，严重危害人民健康并耗费大量医疗资源。临床上，代谢性疾病和心血管疾病常同时发生，如未有效控制可形成恶性循环，威胁人们的健康。研究显示，Gal-3分子在代谢性疾病和心血管疾病的发生和发展过程中发挥重要的生物学作用，并可能成为潜在的治疗靶点[4-5]。现就Gal-3与代谢性疾病和心血管疾病的关系进行综述，以期为代谢性疾病和心血管疾病的防治提供科学依据。

1 Gal-3的结构和功能

Gal-3由LGALS3基因编码，属于Gal家族，其C端的碳水化合物结合区域能够特异性结合相关糖蛋白配体上的半乳糖残基，其N端区域富含脯氨酸、甘氨酸和酪氨酸的重复肽段[6]。Gal-3不仅以单体的形式存在，还可形成二聚体甚至多聚体[6-7]，这种多聚体形成是通过Gal-3的N端实现的，因而对C端的功能无影响。

研究表明，Gal-3在细胞质、细胞核以及细胞表面均有分布[6]，提示该蛋白分子可能具有多种生物学作用。在细胞质或细胞核中，Gal-3能够与其他蛋白发生蛋白-蛋白相互作用，参与前体信使RNA的剪接，调节细胞周期、Wnt/β联蛋白信号通路以及细胞黏附[6]。在细胞表面，Gal-3通过其C端的碳水化合物结合区域与细胞膜糖蛋白的半乳糖残基结合，在鞘糖脂介导细胞膜弯曲的情况下，与糖蛋白配体一起形成网格结构，从而参与调控网格蛋白非依赖载体的形成[8]。细胞对CD44蛋白分子的摄取以及对整合素β1的内吞作用均是通过这种网格蛋白非依赖载体的介导完成[8]。进一步研究表明，Gal-3在细胞膜表面形成网格结构、参与形成的网格蛋白非依赖载体在晚期糖基化终末产物/晚期脂质氧化终末端产物的结合、内化和降解过程中起重要作用[8-9]。

2 Gal-3与代谢性疾病

2.1Gal-3与肥胖 血液和脂肪细胞内的Gal-3均在肥胖的发生发展过程中发挥关键作用。一项针对50岁左右正常人群的随访研究发现，血Gal-3水平与年龄、血压、血脂以及体质指数等心血管疾病危险因素呈正相关[10]。Weigert等[11]针对男性人群进行的一项临床实验发现，与体重正常者相比，单纯肥胖以及肥胖合并糖尿病患者血液Gal-3水平显著升高；血液Gal-3水平与体质指数、瘦素、抵抗素、白细胞介素-6以及年龄呈正相关。Pang等[12]的研究发现，与体重正常女性相比，单纯肥胖女性(代谢正常)血液Gal-3水平明显升高，Gal-3水平与体质指数和血液白细胞介素-6水平呈正相关。Dencker等[13]对8～11岁儿童的研究发现，儿童总体脂含量、腹部脂肪含量、腹部脂肪分布、左心室质量、左心房大小以及2年内体重增量均与血液Gal-3水平呈正相关，提示Gal-3的水平与肥胖的发生和发展密切相关。

给予Wistar大鼠高脂饮食后发现，肥胖大鼠脂肪组织内Gal-3水平、细胞外胶原含量、脂肪细胞分化程度以及炎症反应均显著升高，而Gal-3抑制剂柑橘果胶对于肥胖大鼠体重和脂肪组织重量无明显影响，但却能显著降低肥胖大鼠脂肪组织中Ⅰ型和Ⅵ型胶原蛋白含量，也能降低过氧化物酶体增殖物激活受体γ、脂肪酸结合蛋白-4和脂蛋白脂酶等脂肪代谢关键基因的表达水平；同时在3T3-L1脂肪细胞中验证了柑橘果胶的这种作用[14]。Krautbauer等[1]研究发现，棕榈酸、油酸、亚油酸等自由脂肪酸以及白细胞介素-6通过促进脂肪细胞内Gal-3的表达而导致肥胖。近期研究表明，天然产物小檗碱能够通过降低Gal-3的表达抑制原代前脂肪细胞分化、增殖以及高脂饮食诱导的小鼠肥胖发生，敲低Gal-3能够模拟小檗碱的上述作用，而过表达Gal-3则能够阻断小檗碱的上述作用；深入研究发现，小檗碱下调Gal-3基因表达的分子机制包括抑制Gal-3基因启动子的活性以及通过上调微RNA let-7d的表达水平而降低Gal-3信使RNA的稳定性[15]。以上研究表明，脂肪组织细胞内Gal-3的高表达在高脂饮食诱导的肥胖发生过程中发挥关键作用，Gal-3有望成为治疗肥胖及相关代谢性疾病的新的靶点。

2.2Gal-3与非酒精性脂肪性肝炎(non-alcoholic steatohepatitis，NASH) NASH是由非酒精因素引起的肝脏脂肪蓄积、炎症细胞浸润、肝功能损害以及纤维化的病理生理状态。Gal-3可能与NASH的发生和发展密切相关。研究发现，敲除Gal-3小鼠能够抵抗高脂饮食诱导的肝脏脂肪积聚、炎症反应以及纤维化[16]。在肝纤维化患者和四氯化碳诱导的小鼠肝纤维化模型中，发生纤维化的肝脏中的Gal-3表达水平均显著上调[3,17]。Gal-3参与调控四氯化碳诱导的小鼠肝脏纤维化。研究发现，四氯化碳能够诱导Gal-3基因敲除小鼠和Gal-3基因沉默小鼠肝脏中转化生长因子-β表达、肝脏损伤以及肝脏炎症反应；但诱导星状细胞活化以及胶原蛋白水平升高的能力被显著削弱[17]。以上研究表明，Gal-3通过参与调控转化生长因子-β诱导的肝星状细胞活化在四氯化碳诱导小鼠肝纤维化进程中发挥关键作用，Gal-3有望成为治疗NASH的潜在药物靶点。

鉴于Gal-3在NASH中发挥的关键作用，研究人员尝试研发针对Gal-3的抑制剂用于治疗NASH。GR-MB-02是一种Gal-3抑制剂，该化合物在NASH小鼠和大鼠中均表现出良好的药理作用[18]。一项对将发展为肝纤维化NASH患者的随机双盲临床试验中，与安慰剂组相比，给药组患者服用不同剂量的GR-MB-02(2、4、8 mg/kg)未见明显毒副作用；之后每周1次，连续服药3周也未见明显毒副作用；药动学结果表明，GR-MB-02血浆药物浓度具有良好的剂量依赖性[19]。以上研究为后续验证GR-MB-02治疗NASH引发肝纤维化有效性的Ⅱ期临床试验提供了支持。

2.3Gal-3与2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)和糖尿病肾病 Gal-3可能与T2DM的发生有关。研究发现，T2DM患者血液Gal-3水平显著高于前期T2DM患者，且前期T2DM患者血液Gal-3水平显著高于正常人群，同时血液Gal-3水平与空腹血糖、餐后2 h血糖、C反应蛋白以及胰岛素抵抗指数呈正相关；多重线性回归分析显示，血液Gal-3水平是T2DM的独立预测指标[20]。Li等[4]研究发现，肥胖患者以及肥胖动物血液Gal-3水平显著升高，Gal-3通过与肝细胞、肌肉细胞以及脂肪细胞上的胰岛素受体的半乳糖残基结合，抑制了胰岛素与胰岛素受体的正常结合和下游胰岛素信号通路，继而导致肝细胞、肌肉细胞以及脂肪细胞的胰岛素抵抗；同时还发现，腹腔注射外源性Gal-3能够诱导正常饮食小鼠胰岛素抵抗，而敲除Gal-3或给予Gal-3抑制剂能够显著改善高脂饮食诱导的肥胖小鼠的胰岛素抵抗状态[4]。另有研究表明，天然产物小檗碱能够显著降低血清Gal-3水平以及高脂饮食诱导的肥胖和胰岛素抵抗，而过表达Gal-3能够抑制小檗碱的这种作用，表明小檗碱通过降低血清Gal-3水平抑制高脂饮食诱导的胰岛素抵抗[15]。以上研究提示，Gal-3抑制剂有可能用于T2DM的治疗。

Gal-3与糖尿病肾病也存在密切联系，研究表明，Gal-3在糖尿病患者肾小球中的表达显著上调，且肾小球中Gal-3阳性细胞数量与患者尿蛋白含量呈正相关[21]，提示肾小球中Gal-3的表达水平与糖尿病肾病的发生发展密切相关。此外，糖尿病患者血清Gal-3水平随患者肾脏功能的降低而升高[2]。

3 Gal-3与心血管疾病

3.1Gal-3与动脉粥样硬化(atherosclerosis，As)和冠心病 As是血管内膜对于损伤的炎症增生性反应，单核巨噬细胞在其中发挥关键作用。一项关于As的横断面研究指出，血液Gal-3水平的升高与颈动脉粥样硬化的发生具有显著相关性，提示Gal-3可作为治疗As的潜在靶点[22]。另有研究表明，As发生部位富集的巨噬细胞和泡沫细胞会分泌大量的Gal-3[23]，而Gal-3会募集并激活更多的单核细胞和巨噬细胞[3,24]。另一项研究表明，Gal-3通过诱导氧化应激和炎症反应参与As的发生[25]。研究发现，As无症状受试者血浆Gal-3水平与颈动脉内中膜厚度呈正相关，而颈动脉内膜中层厚度是As的替代标志物；与正常对照组相比，颈动脉粥样硬化患者血浆Gal-3水平显著升高；对外周动脉疾病患者随访5年发现，血浆Gal-3水平与心血管疾病患者的病死率呈正相关[25]。以上研究表明，血浆Gal-3水平在As发生发展中起重要作用。给予由人髓系白血病单核细胞诱导产生的巨噬细胞小檗碱预处理能够显著抑制氧化低密度脂蛋白诱导的巨噬细胞活化和Gal-3蛋白表达水平的上调；过表达Gal-3能够阻断小檗碱的上述作用，经皮冠状动脉介入治疗后的患者口服小檗碱3个月后，血浆Gal-3水平显著降低[24]。Gal-3抑制剂柑橘果胶能抑制载脂蛋白E表达缺失小鼠As斑块的增大[26-27]。这些研究从另一方面证明了Gal-3能够促进As的形成和发展。

Jansen等[28]报道显示，稳定性冠心病患者血液中Gal-3水平与受影响冠状动脉数量、心力衰竭发病史等相关。Kang等[29]比较急性心肌梗死、不稳定型心绞痛以及稳定型心绞痛患者血液中Gal-3的水平发现，心肌梗死患者血液中Gal-3的水平显著高于不稳定型心绞痛患者，且不稳定型心绞痛患者血液中Gal-3的水平显著高于稳定型心绞痛患者。以上研究表明，血液中Gal-3的水平可能与冠心病的严重程度呈正相关，并有可能成为冠心病治疗的新靶点[29]。

3.2Gal-3与心力衰竭 心肌炎症和纤维化是心力衰竭的病理特征，Gal-3可作为心肌炎症和纤维化的生物标志物，且Gal-3与心力衰竭的发生和恶化密切相关。2004年，Sharma等[30]首次报道了Gal-3与心力衰竭的关系，研究发现，严重高血压伴心力衰竭大鼠失代偿性心脏中的Gal-3表达水平是代偿性心脏的5倍多。心室活检显示，主动脉狭窄且射血分数降低大鼠心脏中的Gal-3表达水平高于单纯射血分数降低大鼠。有研究发现，校正年龄、性别、心力衰竭严重程度和肾功能不全的影响后，Gal-3可作为预测心力衰竭患者病死率的重要因子[31]。将外源性Gal-3注入大鼠心包膜能够诱导大鼠心室重塑和心力衰竭，而给予Gal-3抑制剂N-乙酰基-丝氨酸-天冬氨酰-赖氨酰-脯氨酸能够抑制Gal-3的上述作用[32]。以上研究表明，心脏组织中Gal-3表达的升高与心力衰竭的发生密切相关，并有可能成为治疗心力衰竭的新靶点。

3.3Gal-3与血管栓塞 血管栓塞是导致心肌梗死、脑卒中等心血管事件最直接的原因。2015年，DeRoo等[33]首次从动物实验和临床试验两个层面揭示Gal-3结合蛋白和Gal-3参与了静脉血栓形成。动物实验中，在小鼠的红细胞、血小板、微粒以及下腔静脉中同时检测到Gal-3结合蛋白和Gal-3的表达，而单核淋巴细胞中仅检测到Gal-3的表达，推测Gal-3与Gal-3结合蛋白可能是通过介导血液不同成分的相互结合参与静脉血栓形成；该研究还发现，与正常小鼠相比，静脉血栓小鼠血管壁中Gal-3的表达显著升高，且血栓中Gal-3结合蛋白和Gal-3也高表达，血栓形成量与血栓中Gal-3的水平以及静脉血管壁中白细胞介素-6的表达水平呈正相关；静脉血栓的免疫组织化学染色结果显示，Gal-3结合蛋白与Gal-3的结合参与了静脉血栓形成。在结扎下腔静脉诱导的小鼠血栓模型中发现，与正常基因型小鼠相比，Gal-3基因敲除小鼠血栓形成明显减少，给予外源重组Gal-3能够使Gal-3基因敲除小鼠血栓形成恢复至正常基因型小鼠的水平。此外，血液循环系统中Gal-3的水平与急性静脉血栓形成呈正相关。研究表明，血清Gal-3的水平与心房颤动患者左心耳重塑和血栓形成密切相关，多因素线性回归分析显示，Gal-3是心房颤动患者左心耳血栓形成的独立决定因素[34]。

Fashanu等[35]对血浆Gal-3水平与As发生率的相关性进行研究，结果发现，在排除年龄、性别、种族、体质指数、糖尿病状态以及肾功能的影响后，静脉血栓发生率与Gal-3水平呈正相关，Gal-3 有可能成为防治血管栓塞的新靶点。

4 小 结

Gal-3表达水平的上调或Gal-3水平的升高均可促进代谢性疾病和心血管疾病的发生和发展，通过抑制Gal-3的表达或降低血液循环系统中Gal-3的水平可预防或治疗代谢性疾病和心血管疾病。多种Gal-3抑制剂可用于代谢性疾病和心血管疾病的防治，其中GR-MB-02用于治疗NASH引发的肝纤维化已进入临床研究阶段。目前研发的Gal-3抑制剂多是通过抑制Gal-3功能发挥作用，而不是降低Gal-3的表达水平，未来可对此进行深入研究。天然产物小檗碱通过多靶点协同作用在防治代谢性疾病和心血管疾病方面表现出良好的药理活性和安全性，其能够显著降低动物和人体血液中Gal-3的水平[15,24]。在后续研究中探究Gal-3分子与小檗碱多种作用靶点的关系有助于进一步了解或揭示小檗碱复杂的药物作用体系，有希望为代谢性疾病和心血管疾病的治疗提供新的药物。