二甲双胍调控细胞焦亡机制及其在多种疾病中应用的研究进展

黄 柯，周逸仁，陈艺凡，马小峰

（1.南华大学衡阳医学院南华临床学院，湖南衡阳 421011；2.南华大学附属南华医院心血管内科，湖南衡阳 421001）

细胞死亡是不可逆的过程，在机体发育、应激、维持组织机能及稳态中都有显著作用。细胞的生长、发育、死亡之间联系密切，共同在机体发育过程中发挥重要作用。然而，目前临床长期以来多关注细胞凋亡，即非裂解性死亡。近年来，随着研究深入，有学者提出“细胞焦亡”的概念。焦亡是不同于凋亡的一种细胞程序性死亡，当机体受到外来侵害时可启动细胞焦亡的上游反应原件，促使人消皮素D（GSDMD）蛋白结构改变，较多的GSDMD N端坏死域聚集后形成一种膜成孔活性物质引起细胞膜的损害，使白细胞介素（IL）-18及IL-1β等炎症因子释放，从而产生炎症反应[1]。细胞焦亡是一种新发现的促炎性细胞程序性死亡，细胞焦亡的活化为肺癌、胃癌和胰腺癌等恶性肿瘤的治疗提供新的思路；此外，细胞焦亡还参与多种肾脏疾病、椎间盘退行性改变、非酒精性脂肪性肝病等非肿瘤性疾病的机制调控。虽然细胞焦亡与众多疾病的发病机制有关，但目前针对介导细胞焦亡调节疾病发生、发展的研究并不多见。

二甲双胍是目前临床最常用的降糖药，近年来报道显示，二甲双胍不仅有助于控制血糖，还可减轻缺血再灌注所致的脑损伤，保护神经功能[2]。二甲双胍能延缓动脉粥样硬化进程，保护血管内皮细胞，有助于降低心血管事件风险[3]。此外，二甲双胍还具有抗衰老、降低特定孕妇的流产及早产风险、预防雾霾引起的炎症、改善多囊卵巢综合征、改善肠道菌群、逆转肺纤维化等药理作用。然而，在这些生物学功能中，二甲双胍是否通过调控细胞焦亡参与上述疾病的调控，尚有待进一步研究[4]。鉴于此，本研究收集近年来相关文献，对二甲双胍在心血管疾病中的应用及其调控细胞焦亡的相关机制进行综述。

1 二甲双胍在心血管疾病中的作用

1.1 二甲双胍的降糖及抗炎作用 二甲双胍降糖机制较为明确，主要是通过抑制肝糖输出，增加胰岛素敏感性达到控制血糖水平的目的[5]。近年来有研究发现，二甲双胍可能对二肽基肽酶Ⅳ活性有抑制作用，对延长胰升糖素样肽-1生物效应、调节血糖水平具有积极作用[6]。目前，有关二甲双胍的降糖机制已深入分子领域，有研究显示，二甲双胍可通过蛋白激酶Cβ（PKCβ）-肝激酶B1（LKB1）-腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）磷酸化级联而抑制糖异生，这将为今后血糖控制提供新的思路。此外，研究还显示，二甲双胍在抗炎中发挥重要作用。余丹等[7]认为二甲双胍对蛋白激酶B和细胞外信号调节激酶1/2通路通路有明显抑制作用，进而减少IL-6、IL-8及肿瘤坏死因子（TNF-ɑ）分泌。此外，二甲双胍还可以通过激活AMPK/内皮型一氧化氮合酶（eNOS）通路、促进蛋白激酶B的磷酸化、抗氧化等机制，继而改善心力衰竭、肺动脉高压、肿瘤疾病等预后。

1.2 二甲双胍的抗动脉硬化作用 二甲双胍保护心血管中的作用已被临床多次报道和应用。动物实验也证实，其在抑制动脉硬化进展中的作用确切[8]。这一作用与二甲双胍抗炎作用相关。另外，王洁[9]的研究还证实二甲双胍可能通过调节肝脏胆固醇逆向转运蛋白ABCA1，进而调节血脂代谢，延缓动脉硬化。另外，二甲双胍还有助于增加斑块稳定性，降低心血管事件风险。近年来，有研究表明二甲双胍可以通过AMPK及调节脂质和葡萄糖代谢改善心肌能量代谢状态，通过增加一氧化氮生物利用度、限制间质纤维化、减少晚期糖基化终产物的沉积抑制心肌细胞凋亡并减少心肌重构和肥厚，从而保持左心室收缩和舒张功能的良好状态。

1.3 二甲双胍的抗肿瘤作用 二甲双胍自被应用于临床以来，其效果和生物学功能被逐渐发现。近年来有研究认为长期服用二甲双胍有助于降低恶变风险[10]。有关二甲双胍抗肿瘤的机制尚处于探索阶段，不过临床均认为二甲双胍的抗肿瘤作用与其激活AMPK、抑制原癌基因表达有关[11]。细胞实验还发现二甲双胍可阻断肿瘤细胞DNA的复制和有丝分裂，诱导肿瘤细胞凋亡。另外，二甲双胍可增加胰岛素受体对胰岛素的亲和力，改善胰岛素抵抗和胰岛素血症，抑制其对肿瘤增殖的刺激作用[12]。细胞焦亡与多种肿瘤细胞的发生发展相关。细胞焦亡发生后，可通过调控细胞外调节蛋白激酶（ERK）1/2、信号转导及转录激活蛋白（STAT）3和磷脂脂肌醇3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（AKT）信号通路，从而降低周期蛋白依赖性激酶（CDK）2表达水平，加快癌细胞凋亡[13]。另外，食管癌患者细胞凋亡相关蛋白BAX和天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶（Caspase）-3被激活，加重DNA损伤，增加焦亡风险。有研究还认为ATP聚集炎性小体核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3（NLRP3）经P2X7受体途径激活Caspase-1，成为结肠癌细胞发生焦亡的诱因。焦亡通路对肝癌细胞增殖、迁移及侵袭则表现为抑制作用，Ac-YVAD-CMK (Caspase-1抑制剂)则可削弱该作用。研究还发现STE20样激酶（MST1）可经Caspase-1诱导的细胞焦亡抑制胰腺导管腺癌增殖。然而，ROS抑制剂对Caspase-1有抑制作用，从而削弱MST1对胰腺导管腺癌细胞死亡、增殖、迁移和侵袭的影响，这其中可能与细胞焦亡有关。近年来有关焦亡现象与肿瘤关系的报道逐渐增多，目前研究主要集中在激活炎性小体并促进细胞焦亡的化合物或分子，有望成为治疗肿瘤新的研究方向。但目前有关肿瘤细胞焦亡的具体机制尚不清楚。对细胞焦亡的具体机制进行深入探讨将有助于我们提高对肿瘤细胞焦亡的理解，对抗肿瘤药物的研发也具有积极作用。

2 二甲双胍调控细胞焦亡

2.1 细胞焦亡概况 细胞焦亡自2001年被首次提出以来，有关其认识和研究逐渐增多。细胞焦亡以细胞膜结构完整性被破坏和胞内容物释放至细胞外为主要特点[14]。其激活途径包括经典细胞焦亡和非经典细胞焦亡，其中经典细胞焦亡多由炎症小体激活，而非经典细胞焦亡多由胞质脂多糖激活。炎性小体是由模式识别受体（PRRs）、胱天蛋白酶1(CASP1)及凋亡相关斑点样蛋白构成的多蛋白复合物。研究显示，PRRs可识别和接受危险信号，激活Caspase-1分子，再切割GSDMD，成为细胞焦亡的诱因[15]。另有动物实验显示，小鼠在感受胞质内脂多糖刺激后，Caspase-11与Caspase-4/5的脂质A结合并激活，形成Caspase-4-5-11，参与切割GSDMD，导致细胞焦亡的发生。近年来，随着分子基因领域研究的发展，有研究提出Pannexin-1可能也参与非经典细胞焦亡过程[16]，但这还有待今后进一步研究证实。

2.2 二甲双胍调控细胞焦亡影响疾病进展的机制

2.2.1 二甲双胍调节细胞焦亡减少糖尿病并发症 糖尿病是临床常见代谢性疾病，二甲双胍作为一线降糖药已成为临床共识。近年来报道发现，二甲双胍还有助于降低糖尿病并发症发生率，尤其是对于糖尿病肾病、糖尿病周围神经病变具有良好的防治作用[17]。糖尿病视网膜病变是糖尿病进展累及微血管后导致的严重并发症，造成患者视力下降甚至失明。二甲双胍能抑制视网膜组织中核苷酸结合寡聚化结构域样受体（NLRP）3和Caspase-1蛋白水平，促进视网膜病变区域血管扩张，改善视网膜组织细胞的焦亡现象。另外，临床有报道还显示二甲双胍可能通过调控AMPK促进细胞焦亡[18]，在延缓病情进展，防治糖尿病肾病和糖尿病酮症酸中毒中发挥重要作用。

2.2.2 二甲双胍调节细胞焦亡影响脑血管疾病 近年来有关二甲双胍脑保护作用的机制研究不断深入，Caspase-1和NLRP3炎性小体与脑缺血后中枢神经损伤密切相关，通过加重局部炎症反应，造成细胞焦亡。而二甲双胍可通过抑制NLRP3和Caspase-1表达，削弱炎性小体的内源性刺激作用，减少细胞焦亡。袁钰萍等[19]动物实验也证实二甲双胍能抑制NLRP3炎症小体表达，达到抑制细胞焦亡，延缓或扭转病情目的。临床还有学者认为二甲双胍可能通过自噬作用，消化受损线粒体，减少细胞凋亡，保护神经组织[20]，但这一作用的具体机制仍有待深入探讨。

2.2.3 二甲双胍调节细胞焦亡改善缺血再灌注损伤 二甲双胍对缺血再灌注损伤的保护作用主要体现在心肌、脑血管缺血及肠道缺血的再灌注损伤保护作用。魏红霞等[21]的实验证实二甲双胍可加快脂多糖+ATP诱导的细胞焦亡，且呈现剂量依赖性。另外，对于已发生感染的细胞，二甲双胍作用后亦可诱导其发生焦亡，从而达到抑制炎症进展，减轻局部感染的作用[22]。但这种作用的临床实用价值还有待考证。心肌缺血损伤与炎性反应、线粒体功能丧失及活性氧生成等因素相关，NLRP3/Caspase-1/GSDMD信号途径是细胞焦亡参与心肌缺血再灌注损伤的主要机制，正常心脏中NLRP3蛋白低表达难以激活炎症小体，在机体感受坏死心肌刺激后，NLRP3与ASC、pro-caspase-1结合，进而活化Caspase-1，成为细胞焦亡的诱因[23]。因此，Caspase-1可能成为今后心肌缺血再灌注损伤的治疗靶点。总而言之，二甲双胍对缺血再灌注脑损伤有保护作用，其作用机制包括激活AMPK通路、促进细胞自噬，减少NLRP3炎症小体活化导致的细胞焦亡有关。

2.2.4 二甲双胍调节细胞焦亡发挥抗肿瘤作用 二甲双胍在抗肿瘤中的作用被发现以来，备受临床关注。既往研究多认为二甲双胍抗肿瘤的机制与其调控AMPK有关，近年来有关其抗肿瘤的其他通路也被逐渐发现。二甲双胍能改善胰岛素敏感性，并可通过p53基因上调DNA损伤反应调节基因1，进而抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号通路，从而影响肿瘤生长增殖[24]。另外，二甲双胍对基质金属蛋白酶（MMP）9 mRNA和蛋白、基质细胞衍生因子-1（CXCL12）及Rac等均具有抑制作用，参与肿瘤细胞生长调节[25-26]。目前，有关细胞焦亡与肿瘤生长的关系也逐渐被临床认知。NLRP3广泛分布于肿瘤细胞中，而炎性小体与Caspase-1在细胞焦亡中发挥重要作用，二甲双胍可能通过诱导细胞凋亡发挥抗肿瘤作用[27]，这可成为今后临床研究方向之一。

3 总结和展望

二甲双胍在糖尿病中已得到广泛应用，其在治疗糖尿病和防治心脑血管事件中的作用均与其调节细胞焦亡有关。同时，二甲双胍还可用于防治心血管疾病，可用于治疗心力衰竭、肺动脉高压、心肌炎、肿瘤等，延缓疾病进展。随着对二甲双胍调节细胞焦亡机制研究的不断深入，这将为其临床应用提供依据，使其具有广阔应用前景，相信通过二甲双胍介导细胞焦亡相关机制，能够为众多疾病提供新的防治策略。