衰老相关分泌表型因子在糖尿病衰老干预疗法中的研究进展

刘童君 赵雅洁 胡洁玲 梁伟

衰老相关分泌表型因子(senescence-associated secretory phenotype,SASP)亦称为衰老细胞传递分泌组(senescence-messaging secretome,SMS),是指衰老的细胞仍具有旺盛的代谢分泌活性,可以分泌大量的可溶性信号分子、蛋白酶及不可溶性分泌性蛋白质等生物活性物质,这些生物活性物质统称为SASP[1]。SASP可以介导多种病理生理效应,如胚胎发育、伤口愈合与组织修复、组织器官老化及肿瘤等,是衰老细胞的重要标志之一,其可以潜在地解释衰老细胞是如何改变组织微环境、吸引免疫细胞等。近年来,国外学者提出了一种衰老干预疗法(senotherapy),即靶向衰老细胞凋亡或抑制SASP,进而预防或改善衰老以及与年龄相关的疾病[2]。国外最新研究表明,不论是1型糖尿病病人还是T2DM病人,其体内胰腺组织中均有衰老的B细胞聚集并产生SASP,且进一步研究发现消除衰老的B细胞或清除SASP可以预防和缓解糖尿病的进展[3-4]。本文着重介绍近几年国外研究发现的与糖代谢密切相关的SASP及其最新的临床研究进展,旨在为糖尿病的预防及治疗提供新的策略框架。

1 与糖代谢密切相关的SASP

根据文献报道,SASP可分为五类亚群,包括促炎细胞因子(IL-6、IL-8、IL-1α、IL-1β、IL-13)、趋化因子(CXCL1、CXCL2、CCL2、CCL20)、生长因子[血管内皮生长因子C(VEGFC)、转化生长因子-β(TGF-β)、activin A、骨形态发生蛋白2(BMP-2)、生长分化因子15(GDF-15)]、不可溶性细胞外基质蛋白质以及分泌蛋白酶[基质金属蛋白酶(MMP)-7、MMP-9][5]。

1.1 促炎细胞因子 IL-6及IL-1β是目前国外研究最多的与胰岛素抵抗(IR)有关的促炎细胞因子。临床研究表明,在糖尿病病人中,单核细胞会通过产生促炎细胞因子如IL-6及IL-1β来加剧炎症反应[6]。对中老年人群的流行病学研究同样发现,即使是亚临床水平升高的循环促炎介质,如IL-6和IL-1β,也会增加发生IR和糖尿病的风险[7]。在肝脏和脂肪组织中,IL-6可以通过抑制胰岛素导致的酪氨酸磷酸化使胰岛素信号传导受损来直接诱导IR;而在白色脂肪组织中,IL-6可以通过其诱导的慢性JAK-STAT3信号传导导致细胞因子信号传导抑制因子3的表达增加,进而阻碍胰岛素作用,间接导致IR[7]。IL-6还可以通过促进慢性脂肪组织低度炎症来导致IR[8]。IL-1β亦可以通过干扰胰岛素信号传导来诱导IR[9],具体机制为:IL-1β通过下调脂肪细胞中胰岛素受体底物1的表达,使得胰岛素介导的葡萄糖转运蛋白4(GLUT-4)易位显著减少,进而降低胰岛素刺激的葡萄糖摄取从而导致IR。在肥胖者中,葡萄糖和游离脂肪酸等营养物质的长期升高会导致B细胞中IL-1β过度表达,而IL-1β可以通过干扰胰岛素信号传导来降低脂肪组织中的胰岛素敏感性。另外,IL-1B还可以通过抑制B细胞功能和破坏B细胞团等来促进T2DM的发展,其对B细胞的促凋亡作用是通过激活MAPK、经典NF-κB及非经典NF-κB信号通路来实现的[10]。

1.2 趋化因子 单核细胞趋化蛋白1(monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1),又称CCL2,属于CC趋化因子家族,是一种小型肝素结合蛋白,对单核细胞有趋化性。脂肪细胞分泌的MCP-1可以直接触发巨噬细胞向脂肪组织募集,而浸润的巨噬细胞反过来分泌多种趋化因子及细胞因子,进一步促进局部炎症反应并影响脂肪细胞的基因表达,导致系统性IR[11]。糖尿病病人的循环MCP-1水平显著升高,其在IR、糖尿病及其并发症如糖尿病肾病、视网膜病变中起关键作用,而这一作用可能与氧化应激有关[6,12]。

1.3 生长因子 胰岛素样生长因子结合蛋白3(IGF-binding protein 3,IGFBP3)是一种分子量为31 kDa的糖蛋白,其在衰老信号向邻近细胞传递的过程中发挥重要作用[13]。IGFBP3可以独立于胰岛素样生长因子(IGF)来抑制胰岛素刺激的葡萄糖摄取,这可能是通过减少胰岛素刺激的GLUT-4易位至质膜和减少3T3-L1脂肪细胞中的苏氨酸蛋白激酶(Akt)磷酸化实现的。IGFBP3还可以诱导TNF-α生成并抑制脂联素表达。然而在人类脂肪细胞中,IGFBP3也可以抑制TNF-α诱导的NF-κB活性,从而恢复葡萄糖摄取[14]。另外,研究表明,IGFBP3还受到另一种SASP即纤溶酶原激活物抑制剂(plasminogen activator inhibitor 1,PAI-1)的调节。PAI-1是一种丝氨酸蛋白酶抑制剂,可抑制组织型纤溶酶原激活物,裂解IGFBP3,进而诱导衰老。PAI-1在自然衰老细胞模型和诱导衰老细胞模型中的表达呈时间依赖性增加[15]。临床中,IGF-1和IGFBP3的联合应用即美卡舍明-林菲培可以降低胰岛素浓度,改善胰岛素敏感性,并对脂质谱有显著影响,如降低空腹甘油三酯水平[16]。

activin A属于TGF-β1超家族成员,可以通过与激活素Ⅱ型受体(ActRⅡ)结合、与Smad蛋白(Smad 2和Smad 3)依赖通路相关联调控基因表达,进而调节多种细胞活动[17]。研究表明,activin A/ActRⅡ信号通路的活化与衰老有关[18]。Chang等[19]的研究发现,糖尿病前期的中老年病人的activin A水平与颈动脉内膜-中层厚度呈正相关,推测activin A是糖尿病病人血管形态完整性被破坏的关键诱发因素,另外,当activin A水平升高时,肾动脉和入球小动脉也会受到一定的影响,并伴有内皮细胞功能障碍,从而导致蛋白尿,由此推测activin A水平是糖尿病前期和糖尿病的独立影响因素。对于心肌细胞IR的机制,有研究发现T2DM病人的心外膜脂肪组织释放的activin A可通过诱导心肌细胞中的miR-143来抑制胰岛素作用[20]。activin A在肝脏中可以增加胰岛素敏感性,并刺激控制脂质摄取和从头脂质合成的基因的表达,即activin A与胰岛素协同作用于肝细胞可促进甘油三脂积累,但在没有IR的人群中,其会导致肝脂肪变性[21]。

TGF-β信号转导在许多生物过程中发挥多效作用。据报道,当胰岛素需求增加时,TGF-β信号转导活性降低,同时伴B细胞增殖增加。此外,体外及体内研究均表明,药物抑制TGF-β信号通路可促进B细胞的增殖[22]。系统性阻断血管内皮生长因子受体3(VEGFR-3)可减少脂肪组织中巨噬细胞的浸润,降低肝脏中脂质的积累,增强胰岛素敏感性[23]。

1.4 不可溶性因子 衰老标志蛋白30(senescence marker protein 30,SMP30)是一种参与细胞钙代谢的多功能蛋白。随着年龄增长,SMP水平会下降,即SMP下调会驱动细胞衰老[24]。研究表明,SMP具有抗凋亡、抗氧化、抗炎等多种作用,还参与B细胞功能;SMP缺乏会损害胰岛素分泌以及降低糖耐量[25]。一项临床研究发现,糖尿病肾病病人SMP30水平显著下调[26]。SMP还可以参与糖尿病并发症的发展,研究表明,SMP可以通过影响Akt/GSK-3β通路来增强核转录因子-E2相关因子2(Nrf2)的激活,进而诱导细胞保护蛋白的表达,发挥抗凋亡、抗氧化等作用,减少糖尿病性视网膜神经节细胞损伤[27]。在成纤维细胞中,高糖可以降低线粒体高保真蛋白SIRT3水平,进而促进细胞衰老[28]。在近端小管上皮细胞中,高糖驱动的细胞衰老是由钠-葡萄糖协同转运蛋白2(SGLT2)介导的[29]。即衰老人群SMP下调可能参与了糖尿病及其并发症的发生发展。

1.5 分泌蛋白酶 MMPs是一种钙依赖性和含锌蛋白酶,参与细胞外基质合成、基底膜降解和生长因子刺激等过程,影响脂肪生成和脂肪组织生长。内脏器官,特别是胰腺和肝脏的异常脂质沉积可能导致B细胞功能障碍和IR。细胞外基质的重构使脂肪得以扩张,而MMPs在细胞外基质的构建中起着至关重要的作用[30]。MMP根据其底物和同源性分为6类:胶原酶,如MMP-1和MMP-8;明胶酶,如MMP-2和MMP-9;基质降解素,如MMP-3和MMP-11;基质溶解素,包括MMP-7和MMP-26;膜型MMP以及其他分泌型MMP。其中MMP-2和MMP-9是MMP-7的底物。研究表明,MMP-2、MMP-7和MMP-9在肥胖和代谢综合征或T2DM病人中增加,并被认为是肥胖和高血糖病人的生物标志物[30]。

2 衰老干预疗法防治糖尿病

哺乳动物衰老研究显示,衰老有9种生物学标志,包括基因组不稳定、端粒缩短、表观遗传学改变、蛋白内稳态丧失、线粒体功能障碍、代谢衍生机制、干细胞耗竭、细胞衰老、细胞间通讯障碍。其中,细胞衰老作为预防或治疗多种慢性疾病的潜在靶标,近年来受到相当大的关注[31]。SASP作为衰老细胞的重要标志之一,介导衰老的多种病理生理效应[1]。衰老的生物体具有显著降低的再生潜能和免疫功能,导致衰老细胞的累积,这种累积也见于年龄相关性疾病,如T2DM、肥胖、心血管疾病等。因此,或许可以通过去除衰老细胞或者抑制SASP来达到预防或治疗年龄相关性疾病的目的。目前已发现的可选择性杀死衰老细胞的药物包括多酪氨酸激酶抑制剂(达沙替尼和黄酮醇槲皮素)、BCL-2抑制剂(ABT-263)等[32]。

T2DM是一种与年龄相关的疾病,其特征是B细胞的数量减少和功能丧失。IR是一种代谢并发症,是指正常浓度的胰岛素产生的生物反应低于正常水平,3种主要的胰岛素敏感组织(骨骼肌、肝脏和脂肪组织)对胰岛素的反应减弱。IR的特点是葡萄糖摄取、糖原合成以及较小程度的葡萄糖氧化失败,在这种情况下,B细胞通过增加胰岛素分泌和恢复正常范围内的血糖浓度来补偿IR。倘若胰岛素敏感性进一步下降,则会使B细胞耗尽,进而导致持续的高血糖和T2DM[10]。而B细胞的分泌功能以及胰岛素敏感性会随着年龄的增长而减弱。如前所述,SASP中有许多因子如IL-6、IL-1β、MCP-1等均与IR及胰岛素敏感性下降密切相关,可能导致糖尿病的发生发展。因此,我们推测靶向清除衰老细胞或抑制SASP可应用于糖尿病的预防及治疗。尽管目前针对1型糖尿病的治疗集中在禁止免疫细胞对B细胞的攻击,但是有研究表明,衰老B细胞的清除可能用于1型糖尿病的预防和非免疫治疗[3]。

对于T2DM的治疗,临床上一直采用逐步方法进行管理,即从生活干预开始,逐渐使用一种或多种口服降糖药,随着疾病的进展,最终进行胰岛素治疗。但是抗糖尿病药物并非对所有病人均有效或安全,胰岛素治疗也由于对低血糖的担心或其他因素的存在,从而阻碍最佳血糖控制的实现[33]。消除衰老的B细胞或清除SASP或许可以预防糖尿病[4]。然而,由于在糖尿病的发生发展过程中,伴随着衰老B细胞的不断累积,其在不同阶段产生的各类SASP因子的组成可能不尽相同,即便是同一种SASP因子,处于不同的糖尿病进程,它们所发挥的作用也可能存在差异。因此,在今后有关细胞衰老与糖尿病防治的研究中,根据不同阶段产生的SASP因子的发生发展规律,探讨个性化的糖尿病用药方案,将有助于提高衰老干预疗法的安全性和有效性。