成纤维细胞生长因子21在代谢性疾病中的研究进展

常洪楷，赵冬

1.首都医科大学 潞河临床医学院，北京 101199；2.首都医科大学附属北京潞河医院 内分泌中心，北京 101199

高血压、高血脂、高血糖、胰岛素抵抗和肥胖引起的包括非酒精性脂肪肝、肥胖和2型糖尿病等相关代谢性疾病的发病率逐年升高，给人类健康和社会发展带来了沉重的负担，急需开发治疗药物和新的研发靶点[1]。成纤维细胞生长因子21（fibroblast growth factor 21, FGF21）是人类成纤维生长因子（fibroblast growth factor, FGF）家族的一员，在维持机体代谢稳态的过程中发挥了重要作用。FGF21可以促进脂肪酸氧化，增强机体能量消耗和改善胰岛素敏感性，可以通过结合其受体作用于包括脂肪组织、肝脏、肌肉和胰岛等多种靶器官，从而达到降糖、降脂和减重的功能，具有治疗相关代谢性疾病的潜力[2]。但是FGF21及其类似物的安全性和有效性还有待进一步研究，例如FGF21相关药物的使用可能会对骨骼和心血管产生不良反应[3]。因此，本文总结了FGF21的相关信号通路和生理学功能以及发挥相关功能的分子机制，并且对以FGF21作为靶标的相关药物研发进展进行了概述，期望可以对以FGF21为靶点进行的药物研究提供一些参考。

1 FGFs家族成员及其信号通路

迄今为止，哺乳动物共鉴定出22个FGFs成员。大部分成员含有信号肽，可分泌到细胞外；而FGF9、FGF16和FGF20没有信号肽，也不能分泌到细胞外；尽管FGF1和FGF2 没有信号肽，但是二者可通过细胞胞吐方式分泌到细胞外发挥作用[4]。FGFs家族进一步分为7个亚族，分别是FGF1亚族（包括FGF1和FGF2成员）、FGF4亚族（包括FGF4～6成员）、FGF7亚族（包括FGF3、FGF7、FGF10和FGF22成员）、FGF8亚族（包括FGF8、FGF17和FGF18成员）、FGF9亚族（包括FGF9、FGF16和FGF20成员）、FGF11亚族（包括FGF11～14成员）、FGF19亚族（包括FGF19、FGF21和FGF23）[5]。

经典的FGFs成员被认为是旁分泌因子，调控组织的发育。但是，FGF19 亚族的三个成员（FGF19、FGF21 和FGF23）被认为是内分泌因子，通过结合靶组织的受体辅助蛋白（β-Klotho, KLB）而调控机体的胆汁酸、胆固醇、葡萄糖和磷酸盐的稳态[6]。FGFs成员的生理学功能主要由其N端和C端的序列来决定。旁分泌的FGFs蛋白含有硫酸肝素糖胺聚糖（heparan sulphate glycosaminoglycan, HSGAG）结合位点，因此这些分泌的FGFs因子结合到细胞外基质；相反，FGF19亚族成员，包括FGF21蛋白，其结构缺少HSGAG结合位点，因此，这些分泌的FGFs因子可以作为内分泌激素发挥生理作用[7]。

FGFs通过其受体发挥作用。迄今为止，共鉴定4个哺乳动物FGF受体（fibroblast growth factor receptor, FGFR）成员（FGFR1、FGFR2、FGFR3、FGFR4），这些受体包含3个细胞外免疫球蛋白结构域，1个单次跨膜结构域，以及细胞内酪氨酸激酶结构域。当FGFs因子结合到FGFR后将诱导受体二聚体化，并激活其细胞质激酶结构域磷酸化，从而激活其下游信号通路[8]。研究[9]表明，内分泌因子FGF19、FGF21和FGF23均可能成为药物靶点，用于治疗不同代谢性疾病。这些因子由于缺乏HSGAG结合位点，需要依赖于辅助性受体α-Klotho或者β-Klotho发挥作用，这些辅助性受体能够结合这些内分泌因子及其受体，从而增强这些因子和受体相互作用的亲和力。其中FGF23依赖于α-Klotho激活FGFRs，而FGF21和FGF19依赖于β-Klotho激活FGFRs[6]。

2 FGF21生理学功能研究

2.1 FGF21基因表达、调控和分泌 作为一种分泌因子，FGF21在肝脏、脂肪和肌肉等主要代谢组织中都发挥了重要生理作用，同时FGF21自身的表达水平也受到多种因素的调控。在肝脏中，饥饿和高脂饮食促进FGF21的表达[10]。有研究[11]表明，过氧化物酶体增殖物激活受体（peroxisome proliferator activated receptor, PPAR）α可在饥饿状态下结合到FGF21的启动子区从而诱导其表达上调，而在敲除PPARα后，饥饿将不能再诱导FGF21的上调。另外，应激活化蛋白激酶（c-Jun N-terminal kinase, JNK）抑制肝脏FGF21的表达，VERNIA等[12]证明了JNK可以磷酸化视黄醇类X受体α（retinoid X receptors α, RXRα），而磷酸化的RXRα与PPARα形成二聚体，抑制了PPARα的转录活性，从而抑制FGF21的表达和分泌。冷刺激可诱导白色脂肪组织和棕色脂肪组织中FGF21表达水平的上调[13]。在肌肉中，FGF21作为一种肌肉因子，其表达也受内质网应激的调节[14]。

2.2 FGF21调控机体糖代谢 FGF21对糖代谢的调节十分重要。FGF21敲除鼠表现出高血糖和葡萄糖耐量受损[11]。对瘦素敲除的肥胖小鼠（ob/ob）和饮食诱导的肥胖小鼠模型注射FGF21后，将显著改善机体的高血糖、葡萄糖耐量，并且改善胰岛素敏感性[15-16]。同样的，在瘦素受体敲除的糖尿病小鼠（db/db）模型中注射FGF21显著降低了血糖水平[17]。

FGF21 对血糖的调节主要是通过参与骨骼肌、脂肪组织和肝脏对血糖的调节来实现的。在骨骼肌组织中，FGF21通过激活磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶C-ζ（phosphatidylinositol 3-kinases, PI3K/protein kinase C-ζ, PKC-ζ）信号通路介导的葡萄糖转运蛋白（glucose transporter, GLUT）4转运来促进骨骼肌纤维的葡萄糖吸收[18]。在脂肪组织中，一方面，FGF21 通过激活细胞外信号调节激酶1/2（extracellular signal-related kinases 1 and 2, ERK1/2）信号通路，磷酸化血清应答因子（serum response factor, SRF）和ETS转录因子（ETS-domain containing protein, Elk1）使其激活，结合到GLUT1的启动子区，促进GLUT1的转录，从而上调其表达水平，增强脂肪组织对葡萄糖的吸收[19]。除此之外，FGF21还可以与胰岛素协同作用来增加棕色脂肪组织和白色脂肪组织对葡萄糖的吸收[20]。FGF21还通过依赖于解偶联蛋白1（uncoupling protein 1, UCP1）的信号通路增强棕色脂肪组织的产热从而提高并维持脂肪组织的温度，进而促进脂肪组织对葡萄糖的吸收，改善肥胖或者糖尿病小鼠的葡萄糖耐量[21]。在肥胖或者2型糖尿病小鼠的肝脏中，FGF21通过作用于信号转导及转录激活因子3/细胞因子信号抑制因子3（signal transducer and activator of transcription 3, STAT3/suppressor of cytokine signaling 3, SOCS3）信号通路下调葡萄糖-6磷酸酶（glucose-6-phosphatase, G6Pase）和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶（phosphoenolpyruvate carboxykinase,PEPCK）的表达水平，促进肝脏糖原储存，抑制糖异生[22]。而在饥饿状态下，FGF21可以通过PPARγ共激活因子-1α（PPARγ coactivator-1α, PGC-1α）介导的信号通路促进G6Pase和PEPCK的表达上调，促进肝脏糖异生，进而维持血糖稳定。同时，FGF21对血糖的调节也与FGF21通过肝脑轴调控肝脏的糖异生有关[23]。

2.3 FGF21调控机体脂代谢 FGF21敲除小鼠在进食状态下，其脂肪细胞脂解减少，并且血液中的游离脂肪酸也减少。在饥饿状态下脂解增加，血液中的游离脂肪酸水平上升[11]。因此，FGF21对脂肪组织脂解的影响在不同的生理条件下呈现出不同的结果。FGF21对肝脏中脂质的调控机制较为复杂，除了通过调控肝脏自身的脂质代谢外，还可以通过调节脂肪组织的脂代谢来进行组织间的交叉对话。从分子机制上来看，FGF21可以增加肝脏中PGC-1α的表达，进而增强了线粒体功能并且促进脂肪酸氧化，从而抑制了甘油三酯的生成和积累[24]。同时，FGF21可以降低由于肥胖引起的内质网和氧化应激来降低脂质的过度积累[25]。FGF21也可以通过促进脂肪酸进入脂肪组织，来降低血脂含量，并且增加脂蛋白脂解酶的活性和脂蛋白的分解[26]。FGF21敲除小鼠在喂养胆碱缺乏饮食时表现出更严重的脂肪肝、炎症和纤维化[27]，而向非酒精性脂肪肝炎（nonalcoholic steatohepatitis, NASH）小鼠中注射FGF21后可以显著缓解肝脏脂质沉积[16]。饥饿状态条件下，FGF21通过激活组蛋白去甲基化酶（jumonji C domaincontaining, JMJD）的活性，促进自噬相关基因的表达，导致自噬介导的脂解增加[25]。

2.4 FGF21改善胰岛素敏感性 在生理或病理状态下，FGF21主要由肝脏产生分泌到血清中，除肝脏外，脂肪组织也可以分泌FGF21，以自分泌或者旁分泌的形式行使生理功能[28-29]。肥胖和2型糖尿病都可以增加机体血清中FGF21的含量[30-31]，LI等[32]发现这是一种机体抵御胰岛素抵抗的机制。FGF21可以增强机体的胰岛素敏感性，向肥胖小鼠中仅注射一次FGF21蛋白就可以降低大于原始血糖的50%[33]，大大提高了外周组织的血糖利用率，同时也与肝脏中葡萄糖生成的减少有关。BONDURANT等[34]的研究发现，FGF21通过共受体KLB直接作用于棕色脂肪组织中的胰岛素信号通路增强胰岛素敏感性，并且这种效应与脂联素的含量无关。LI等[32]研究发现FGF21通过作用于皮下白色脂肪来改善胰岛素敏感性，一方面FGF21可以增加皮下白色脂肪中分泌的脂联素，进而激活磷酸腺苷活化蛋白激酶信号通路促进脂肪组织的葡萄糖吸收[35]；另一方面，FGF21可以促进巨噬细胞向2型的极化，并且促进皮下白色脂肪分泌抗炎性因子，进而改善胰岛素敏感性[36]。

除了直接作用于脂肪组织外，FGF21还可以通过中枢神经增强胰岛素敏感性。SARRUF等[37]研究表明，向肥胖大鼠的脑室中注射FGF21蛋白后将显著降低肝脏中的糖异生，改善肝脏的胰岛素敏感性，但对于外周组织对葡萄糖的利用并没有明显的影响。FGF21还通过影响胰岛功能调节机体的胰岛素敏感性。SO等[38]研究发现在小鼠中敲除FGF21后，胰岛β细胞的功能受损，病理性增生，并且造成了胰岛素抵抗；而当向小鼠中注射FGF21蛋白时则可以恢复胰岛的正常功能。在分子机制上，在胰岛中，FGF21通过抑制生长激素/信号转导与转录激活因子信号通路引起的胰岛素过量分泌和胰岛β细胞的增殖改善胰岛素敏感性[37]。

2.5 FGF21调控脂肪产热和能量消耗 当机体在冷刺激或者饮食条件下，白色脂肪组织中FGF21的表达显著上调。FGF21调控白色脂肪和棕色脂肪组织的产热和脂联素的分泌[39]，并且参与了脂肪组织中PPARγ信号通路的调控[40]。在白色脂肪中，FGF21通过增加PGC-1α的活性激活了UCP1的表达从而促进产热[41]；在棕色脂肪中，FGF21可以通过诱导UCP1和2型脱碘酶（type 2 deiodinase, DIO2）的上调，激活产热相关基因的表达[42]。以上研究表明FGF21可能作为一种UCP1的诱导剂促进了脂肪产热从而引起了体质量下降。然而也有研究[43]表明，在UCP1敲除的小鼠中注射FGF21也同样可以引起体质量的下降，这主要是由于注射FGF21后引起食欲下降，改善了糖脂代谢所导致的，同时脂肪中PGC-1α的表达显著增加，线粒体生物合成和功能也得到了增强。因此，FGF21可以通过依赖于UCP1或者不依赖于UCP1两种方式降低体质量[44-45]。最近，ABU-ODEH等[41]报道儿茶酚胺激素促进脂肪细胞产热过程中，脂肪细胞自身表达分泌的FGF21非常重要。儿茶酚胺激素刺激脂肪细胞FGF21的表达，FGF21作为自分泌因子促进脂肪细胞的产热。相反，脂解诱导肝脏分泌的FGF21对儿茶酚胺激素诱导脂肪产热的生理过程中并不是必须的[40-41]。通过血脑屏障后作用于中枢神经系统，是FGF21另一个调节机体能量代谢的重要机制。CLAFLIN等[46]发现FGF21通过激活谷氨酸能神经元从而促进机体能量消耗和减重。

3 FGF21药理学研究进展

3.1 FGF21临床前药理学研究 美国礼来公司最先于2005年发现FGF21能促进小鼠3T3-L1细胞和人体原代脂肪细胞的葡萄糖吸收，并且发现FGF21转基因小鼠能抵抗高脂饮食诱导的肥胖。将重组的FGF21蛋白质注射到ob/ob肥胖小鼠模型和db/db糖尿病小鼠模型能降低其血糖和血脂水平。需要指出的是，FGF21注射到糖尿病小鼠或者正常小鼠后并不促进细胞增殖或者血糖降低。尽管FGF21具有降低血糖和改善葡萄糖耐受的功能，但其分子机制不清。BERGLUND等[47]发现，FGF21能促进机体葡萄糖吸收，改善肝脏的胰岛素敏感性，并且抑制肝脏糖异生，增加肝糖原含量。除了小鼠，KHARITONENKOV等[48]在灵长类动物中评估了FGF21 的生理学功能。将FGF21注射到糖尿病猕猴同样能降低其血糖、血脂和血液中胰岛素水平，并且没有观察到低血糖现象。同时，FGF21 能降低低密度脂蛋白（low density lipoprotein, LDL）水平，增加高密度脂蛋白（high density lipoprotein, HDL）。这些研究进一步说明FGF21具有治疗代谢性疾病的潜力。

COSKUN等[16]进一步发现注射FGF21蛋白到高脂饮食诱导的肥胖小鼠和ob/ob肥胖小鼠能减少20%体质量。FGF21并不影响小鼠运动或者食物摄取，但是能增加机体能量消耗，脂肪的利用，改善脂肪肝和高血糖症状。该研究表明，FGF21具有治疗肥胖、糖尿病和NASH等代谢性疾病的潜力。XU等[15]证实了以上结果，他们发现FGF21可以依赖于剂量关系在高脂饮食诱导的肥胖小鼠中减少脂肪含量和降低体质量。FGF21可以在该小鼠中降低血脂和血液中胰岛素水平，改善胰岛素敏感性和脂肪肝。

脂肪肝的发病机制十分复杂，从简单的肝脏过量脂质沉积最终导致炎症和纤维化的产生，发展为NASH，如不加控制将进一步发展为肝硬化甚至肝 癌[49]。目前还没有有效的治疗手段，而FGF21 可以减缓NASH的发病进程。ZHANG等[50]发现FGF21抑制肝脏中脂合成关键基因固醇调节元件结合蛋白（sterol regulatory element binding transcription factor 1, SREBP1C）的转录水平，并且通过抑制SREBP1C的转运，减少其成熟形式的蛋白含量，从而抑制肝脏脂质的从头合成。另一方面，FGF21可以激活肝脏中的脂肪酸氧化。FISHER等[27]的研究表明，FGF21敲除小鼠的酰基辅酶A（acyl-CoA）合成酶（acyl-CoA synthetase long-chain, ACSL）活性和线粒体脂肪酸氧化明显减弱，而向该小鼠中注射FGF21蛋白后则明显增强了ACSL的活性，并且脂肪酸氧化也增加。因此FGF21主要是通过激活酰基辅酶A合成酶/脂肪酸转运蛋白（long-chain acyl-CoA synthetase, ACSL8）/（fatty acid transport protein, FATP）的活性，增加脂肪酸向acyl-CoA的转化效率，同时增强了线粒体的脂肪酸β氧化，从而减轻了肝脏中的脂质积累[27]。除此之外，FGF21还可以增加酮体的生成[11]；通过激活核转录因子红系2相关因子2（nuclear factor erythroid-2-related factor 2, NRF2）介导的抗氧化应激减轻肝脏中的内质网应激和氧化应激，缓解肝脏损伤，改善线粒体功能，减少极低密度脂蛋白受体的含量进一步减少脂质的积累[51]。FGF21对于NASH的炎症和纤维化也同样具有抑制作用。有研究[52-54]报道FGF21可以缓解NASH的炎症症状，减少促炎性因子的分泌，如IL-1β、TNF-α、IL-17α、IL-6等，减少肝脏中巨噬细胞的浸润。XU等[54]的研究表明，FGF21可以通过转化生长因子β（transforming growth factor-β, TGF-β）/Smad家族成员蛋白2/3（Smad family protein-2/3,Smad2/3）/核因子-κB（nuclear factor-κB, NF-κB）介导的信号通路发挥作用，减少胶原的生成；同时抑制肝星状细胞的激活，并且促进肝星状细胞的凋亡，进而抑制肝脏纤维化。因此，FGF21有望成为治疗NASH的药物靶点。

3.2 FGF21基因工程改善其生物物理学特征和药物动力学 由于野生型的FGF21蛋白在体内半衰期较短，并且重组蛋白容易聚合，这些特征决定了野生型FGF21蛋白不适合作为药物，因此HECHT等[55]构建了长效Fc-FGF21融合蛋白，将FGF21置于Fc结构域的C末端，同时将FGF21进行L98R和P171G两个氨基酸突变，抑制FGF21体内的降解，同时抑制其聚合，从而 大大提高其半衰期和成药性。VÉNIANT等[56]进一步将重组的长效突变FGF21蛋白注射到高脂饮食诱导的肥胖小鼠和肥胖猕猴，发现该长效蛋白仍能有效降低血糖和血脂，并且相对野生型FGF21重组蛋白，长效FGF21能更大程度降低胆固醇和体质量，并且减少注射频率也能发挥其功能。这些研究为该蛋白进入临床试验铺平了道路。

MU等[57]采取另外一种策略延长FGF21 体内半衰期，即将重组的FGF21 蛋白进行定点聚乙二醇（polyethyleneglycol, PEG）修饰，该修饰不影响其蛋白结构和活性，但是大幅度延长其体内半衰期，有利于体内用药。该PEG修饰的FGF21仍能降低血糖、血脂以及肝脏甘油三酯，并且促进胰岛细胞的胰岛素分泌，改善机体内肝脏、肌肉和脂肪组织的胰岛素敏感性。CHIKAMATSU等[58]报道了一种人体血清蛋白HSA-FGF21融合蛋白分子，相对于野生型FGF21，该融合蛋白具备长效功能。将该蛋白注射高脂饮食诱导的肥胖小鼠可以降糖、减重和降低血脂水平，并且明显改善脂肪肝表型。PAN等[59]报道了一个GLP-1-Fc-FGF21融合蛋白分子，该蛋白为双重激动剂，可以同时激活FGF21和GLP-1信号通路，该蛋白在小鼠模型中具有很强的降糖和减重效应，同时改善NASH症状，这些结果表明该融合蛋白具有临床治疗多种代谢性疾病的潜力。

3.3 FGF21 临床试验结果 美国礼来公司首先开展了第一个有关FGF21 的临床试验，将其产品LY2405319 注射到肥胖和糖尿病患者，结果发现LY2405319能显著改善机体脂代谢，降低LDL和HDL的水平，同时发现该产品能提高血液中脂联素水平，增强机体胰岛素敏感性，降低体质量。但是并没有观察到降低血糖的现象[60]。

美国辉瑞公司也开展了FGF21产品PF-05231023的临床试验。同样，他们发现将PF-05231023注射到肥胖和糖尿病患者体内，也能改善机体脂代谢，增强胰岛素敏感性，降低体质量，但是没有降血糖的功能[26]。这两项临床试验表明，FGF21在人体有降脂的功能，但没有降血糖功能，提示FGF21在小鼠和人体具有不完全相同的生理学功能。

美国百事美施贵宝公司也报道了其产品BMS-986036 的临床试验结果，该产品是PEG化的长效FGF21蛋白。首先，该产品注射到肥胖和糖尿病患者体内，发现其能改善血脂，增强胰岛素敏感性，但是没有降低糖化血红蛋白。同时，他们发现BMS-986036 能降低3 型胶原前肽（PRO-C3），这是肝脏纤维化的生物标志物，表明FGF21有治疗NASH的潜 力[61]。同时，该公司也开展了另外一项临床试验，将BMS-986036注射到NASH患者体内，发现其明显降低肝脏脂肪含量，降低PRO-C3，改善肝脏损伤[62]。

美国Amgen公司和Akero公司联合开发了产品AKR-001，该产品是Fc-FGF21融合蛋白，相对于野生型FRGF21，该产品半衰期延长。AKR-001也能改善机体脂代谢，增强胰岛素敏感性。目前，该产品正在进行2期临床试验，用于治疗NASH[63]。

以色列8 9 B i o 公司开发的F G F 2 1 类似药Pegozafermin，其治疗NASH的2b期临床数据表明，可改善肝纤维化和肝脏炎症[64]。另一临床数据显示Pegozafermin治疗严重高甘油三酯血症时，能显著减少甘油三酯水平，改善肝脏脂肪变性[65]。

4 结论和展望

早期的研究结果表明，FGF21在实验动物，包括小鼠和灵长类动物，具有降血糖、血脂、减重和增强胰岛素敏感性等生理功能，提示靶向FGF21具有治疗代谢性疾病的潜力。后期几个临床试验结果表明，在人体内FGF21仍然能够改善肥胖患者血脂水平，降低肝脏脂肪酸含量，改善肝脏纤维化。基于目前的临床试验结果，FGF21未来有可能用于临床治疗NASH。

尽管FGF21对于NASH是非常有潜力的治疗靶点，但是FGF21及其类似物的安全性和有效性还有待进一步研究。例如FGF21相关药物的使用可能会对骨骼和心血管产生不良反应[66]。因此，在以FGF21为靶点治疗NASH的临床实验中，除了关注对肝脏组织学，尤其是肝脏纤维化的改善外，还要考虑对骨骼和心血管的安全性。