Apelin在糖尿病和糖尿病微血管病变中作用的研究进展

王琦 翟爱华 刘玉林 刘旭静

(1济南市第五人民医院药学部,山东 济南 250022;2山东省第一医科大学第一附属医院 山东省千佛山医院普通外科学;3济南市第五人民医院医学检验科)

糖尿病的发病率逐年递增,到2040年,全球成年糖尿病患者的比例预计将增加到10.4%,即6.42亿糖尿病患者〔1〕,严重危害人类的健康。细胞内慢性高血糖和遗传易感性最终会影响微血管系统,导致来自肾脏、眼睛和神经系统的并发症。Apelin是脂肪细胞分泌的一种脂肪细胞因子,在体内分布广泛,具有抗糖尿病的特性。Apelin是血管紧张素Ⅱ 1型受体相关的G蛋白耦联受体(APJ)的特异性配体,越来越多的研究表明,Apelin/APJ系统与糖尿病及微血管病变的发生发展密切相关。本文概括Apelin/APJ系统在糖尿病肾病、糖尿病视网膜病变、糖尿病周围血管病变中的作用,为糖尿病微血管并发症的治疗提供一定的理论基础。

1 Apelin/APJ系统

1.1Apelin 1998年,Tatemoto等〔2〕成功发现了Apelin,指出Apelin是APJ的内源性配体。Apelin位于Xq25-q26.3染色体上,其前体肽原含有77种氨基酸,氨基酸序列同源性高达76%～95%〔3〕。由于蛋白酶体切割的不同位点,生成多种Apelin亚型,包括Apelin-12,-13,-16,-17,-19,-28,-31,-36,焦谷氨酸型Apelin-13。较短的异构体,如Apelin-13,对APJ受体有较高的亲和力〔4〕,C末端至少有12个氨基酸,是功能所必需的〔5〕。Apelin的亚型在不同器官中分布是不一样的〔6〕。

1.2APJ受体 APJ 是由人类APLNR基因编码的377个氨基酸组成的,它是APJ中α-γ类受体的一员,参与多种生理和病理生理功能。例如,APJ在心血管系统、能量代谢、体液稳态和血管生成等方面发挥作用〔7〕。APJ虽然在结构和分布上与血管紧张素Ⅱ 1型受体有高度相似性,但对血管紧张素Ⅱ没有亲和性。N端糖基化在调节表达、稳定性、折叠和配体的结合方面起着重要作用。C端尾部的棕榈酰化参与其膜结合,影响APJ的内化、二聚体和配体结合〔8〕。

1.3Apelin/APJ系统的表达 Apelin和受体APJ在组织中广泛表达。Apelin在调节体液和葡萄糖稳态、摄食行为和免疫功能方面发挥着重要作用〔9〕。APJ基因在人类脂肪组织和肌肉中的表达调控与小鼠相似〔10〕。相对于对照组,APJ mRNA水平在高脂喂养的小鼠的睾丸周围脂肪、肺、下丘脑、垂体、肝脏、肾脏、肌肉、卵巢、心脏和肾上腺的是没有差异的,只在肾周脂肪有轻微的表达量增加〔11〕。也有研究证明,在高脂喂养的小鼠和糖尿病小鼠的骨骼肌中,APJ 的表达是降低的;在糖尿病小鼠的脂肪组织中,APJ的表达没有明显的变化,但是在高脂喂养的小鼠脂肪组织中,APJ的表达量增加〔10〕。然而Zhang等〔12〕发现2型糖尿病小鼠中Apelin阳性染色的肾小球的数目是增多的,在2型糖尿病病人和小鼠肾脏中,都可检测到高表达的Apelin。在肾脏疾病中apelin和APJ在肾脏中的表达水平可发生改变。Apelin/APJ系统在糖尿病和糖尿病微血管并发症中可能发挥潜在作用,参与其生理病理过程。

2 Apelin对糖尿病和糖尿病微血管病变的调控作用

2.1Apelin与糖尿病 一项荟萃分析显示,与健康成人相比,2型糖尿病的肥胖患者的血浆Apelin水平明显增加〔13〕。在1型糖尿病中,血浆Apelin的水平也高于健康儿童,胰岛素分泌不足导致Apelin浓度增加〔14〕。但现在关于糖尿病患者中血浆Apelin的水平存在争议。研究发现,新诊断但尚未治疗的2型糖尿病患者其血清Apelin水平降低〔15〕,经过治疗后,血清Apelin的水平又显著升高〔16〕。这表明在2 型糖尿病发生发展的不同阶段,可能会启动不同的信号通路调节Apelin表达,从而影响Apelin的水平。研究证明在肥胖的高胰岛素血症的小鼠和患者中,血浆Apelin水平是升高的,胰岛素在体内和体外对脂肪细胞Apelin的产生有直接促进作用〔17〕。Apelin和胰岛素之间是相互影响的,Apelin的水平既受到胰岛素的调控,也很可能会影响胰岛素的产生。Sörhede等〔18〕研究发现在体内和体外Apelin-36通过改善葡萄糖稳态抑制葡萄糖刺激的胰岛素分泌。Apelin-13被证明可通过激活PI3激酶依赖的磷酸二酯酶3B抑制胰岛素对静脉葡萄糖或胰腺β细胞的胰高血糖素样肽1的分泌反应,并随后抑制环磷酸腺苷(cAMP)水平〔19〕。此外,Gourdy等〔20〕研究发现Apelin在调控肥胖患者的胰岛素敏感性中起着不可或缺的作用。在正常和胰岛素抵抗小鼠中Apelin可以提高外周葡萄糖摄取〔21〕。Apelin可作为高胰岛素血症的一个外源性胰岛素增敏剂,与胰岛素敏感性密切相关。Apelin在糖尿病、肥胖等相关代谢性疾病中,发挥着重要价值。

2.2Apelin与糖尿病肾病 糖尿病肾病可引起终末肾衰竭。大约有1/3的糖尿病患者可发展成为糖尿病肾病。糖尿病肾病的早期临床表现为肾小球肥大和肾小球基底膜增厚,随着疾病的发展,高肾小球滤过率可导致蛋白尿,最终发展为终末期肾病。糖尿病肾病的发病机制复杂,Apelin/APJ系统在糖尿病肾病中起重要作用。与健康受试者相比,2型糖尿病患者血清中Apelin水平较高。尿白蛋白与血清Apelin水平呈正相关。此外,Apelin增加了KK小鼠尿液中的微量蛋白和肌酐的比例〔12〕。Apelin剂量性增加了肾小球内皮细胞的迁移、增殖和趋化性,上调Apelin可促进脂肪量增加,促进肾小球血管生成,形成异常血管,并通过上调肾小球内皮细胞血管内皮生长因子(VEGF)R2和酪氨酸蛋白激酶(Tie)2的表达来增加渗透性〔12〕。Apelin/APJ系统通过自分泌和旁分泌的方式诱导内皮细胞的产生〔22〕。因此Apelin能够促进肾小球的血管生成,通过调节VEGF形成异常血管,同时通过调节VEGF增强肾小球内皮细胞的通透性。二磷酸腺苷的表达增强了肾小球内皮细胞的通透性。Apelin对糖尿病肾病的血管功能也有调节作用。Db/db小鼠肾动脉APJ蛋白降低,对血管紧张素(Ang)Ⅱ和Ang Ⅳ的收缩反应增加。但是,补充Apelin后,糖尿病小鼠的肾血管对Ang Ⅱ和乙酰胆碱的异常张力的反应则相反。Apelin的这些作用被认为主要是通过激活内皮型一所氧化氮合酶(eNOS)磷酸化和增强一氧化氮(NO)生成〔23〕。

Apelin对糖尿病肾病的作用是存在争议的,一部分研究认为Apelin可作为治疗糖尿病肾病的新工具。Silva等〔24〕研究发现不同Apelin水平与2型糖尿病的心血管死亡率、住院率、肾功能、心血管危险因素密切相关。Apelin水平高的患者有83个月的高生存率,Apelin水平是死亡和住院的独立预测因子。Chen等〔25〕指出Apelin可通过调节组蛋白乙酰化作用抑制糖尿病肾病的进程。在自发性糖尿病小鼠模型中,尾静脉注射Apelin后,可以降低糖尿病诱导的肾小球滤过率,减少蛋白尿,肾小球肥大,肾小球系膜扩张和肾脏炎症的发生〔25〕。Apelin恢复了抗氧化酶过氧化氢酶的表达,通过刺激抗氧化途径发挥肾保护作用〔26〕。在链脲佐菌素诱导的2型糖尿病大鼠中,Apelin也可以促进NO产生,缓解肾脏组织的纤维化,从而减缓糖尿病肾病的进程〔27〕。然而另一部分研究证实Apelin是促进糖尿病肾病进展的关键因素〔12,28,29〕。糖尿病患者Apelin浓度升高,Apelin可通过细胞外调节蛋白激酶(ERK)、蛋白激酶 B(Akt)、雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路抑制足细胞自噬〔30〕或通过抑制蛋白酶体活性〔29〕诱导足细胞功能障碍,导致细胞器紊乱、足突消失和足细胞凋亡,导致肾小球滤过膜通透性增加,蛋白尿和肾功能障碍,促进糖尿病肾病进展。综上,糖尿病肾病是一个复杂的过程,不仅包括肾小球硬化、肾血管病变,还包括肾小管间质的纤维化。Apelin的作用与糖尿病肾病的发生发展的许多因素有关,如胰岛素抵抗、肥胖和糖脂代谢紊乱。

2.3Apelin与糖尿病视网膜病变 糖尿病视网膜病变是一种常见的微血管并发症,最终可导致糖尿病患者失明。糖尿病视网膜病变与血管功能障碍和阻塞、视网膜水肿、出血和新生血管异常形成有关。一旦毛细血管被阻塞,缺氧刺激血管生长因子,如VEGF和Apelin,引起新生血管的形成〔31〕。新生血管脆弱,易出血,易在玻璃体内形成异常的纤维血管组织,导致视力下降。

Apelin可促进糖尿病视网膜病变的进程〔32〕。与无视网膜病变的2型糖尿病患者相比,增殖性糖尿病视网膜病变患者血清Apelin水平显著升高。与增生性糖尿病视网膜病变相比,Apelin水平在非增生性糖尿病视网膜病变中无统计学变化。在增殖性糖尿病视网膜病变患者的视网膜上膜、玻璃体和内皮细胞及视网膜纤维血管膜中Apelin的信使核糖核酸(mRNA)水平显著升高〔32〕。增殖性糖尿病视网膜病变是一种中晚期糖尿病视网膜病变,是导致严重视力损害甚至失明的主要原因〔33〕。Apelin/APJ通过视网膜新生血管参与增殖期视网膜病变的发展,在糖尿病视网膜病变中Apelin/APJ的浓度升高〔34〕。Apelin敲除小鼠或细胞中沉默Apelin,视网膜血管生成减少,延缓糖尿病视网膜病变从非增殖期发展到增殖期〔35〕,表明Apelin参与了糖尿病视网膜病变。

VEGF参与视网膜渗出、出血和视网膜新生血管的形成,是视网膜血管生成最重要的主要介质,被认为是糖尿病视网膜病变发病的主要因素〔36〕。VEGF、Apelin和血红素氧合酶(HO)-1与增殖性糖尿病视网膜病变的发生有关〔36〕。Apelin对糖尿病视网膜病变的影响可能是通过调节VEGF来实现的〔34〕。也有研究报道,Apelin直接作用于视网膜血管的发展,与VEGF无关〔32,37〕。VEGF的水平与糖尿病视网膜病变的严重程度并不完全相关〔38〕。因此Apelin被认为是视网膜内皮细胞中的一种新的血管生成因子,可增强视网膜内皮细胞RF/6A细胞的迁移、增殖和毛细血管样管的形成,在体内可增加基底膜基质中毛细血管样的形成和血红蛋白含量〔39〕。Apelin的 mRNA在血管系统,尤其是血管内皮细胞中高度表达〔40〕。Apelin的小干扰RNA不依赖于VEGF/VEGFR 2信号通路抑制内皮细胞增殖〔37〕。动物实验表明,在缺血性视网膜病变模型中,抑制Apelin可促进视网膜血管成熟,而在病理性视网膜血管生成中,抑制Apelin表达可使内皮细胞从增殖状态转变为成熟状态〔35〕。综上所述,Apelin参与了糖尿病视网膜病变的发展过程,是否可成为除VEGF抑制剂外治疗糖尿病视网膜病变的作用靶点值得深入研究。

2.4Apelin与糖尿病周围神经病变 糖尿病周围神经病变作为糖尿病的主要并发症之一,起病隐匿,在糖尿病发展的不同阶段中均可能发生,高达10%～20%的2型糖尿病患者在初诊时即存在糖尿病神经病变,50%以上的糖尿病病人最终会发展成糖尿病周围神经病变。然而,此病变在糖尿病早期往往症状轻,主要累及小纤维神经,无典型症状,容易被忽视或误诊。但随着病变程度的加重,波及大直径的感觉纤维,患者可出现深感觉障碍、腱反射减弱、麻木、疼痛等各种临床表现,若不能及早发现、干预,会严重影响患者预后,重者可诱发足溃疡,甚至下肢坏疽、截肢。糖尿病周围神经的病因复杂,是高血糖、氧化应激、内皮功能障碍等多种因素综合的结果。Apelin广泛存在于整个神经轴的神经元胞体和纤维中〔41〕,研究发现,相比于健康成人和未发生周围神经病变的糖尿病患者,血清Apelin水平在糖尿病周围神经病变中是升高的〔42,43〕。这可能是由于Apelin可改善胰岛素敏感性〔20〕和增加葡萄糖使用〔21〕引起的。此外,在糖尿病患者中Apelin升高可能与内皮功能障碍和糖尿病患者微血管疾病有关。Martin等〔44〕研究表明,糖尿病周围神经病变神经系统效应的共同病理生理学可能与微血管病有关。越来越多的证据表明Apelin可以消除活性氧,保护皮质神经细胞,减少神经细胞凋亡的作用〔45〕。Apelin还可以通过抑制N-甲基-D-天门冬氨酸受体表达和细胞内钙离子的积聚及钙蛋白酶活性,抑制毒性信号的传导,保护神经避免毒性损伤,抑制神经细胞凋亡〔41〕。血管内皮功能障碍、微血管病变及糖尿病患者足部皮肤中表皮神经纤维的缺失,均加重糖尿病周围神经病变的发展。在对小鼠缺血模型的研究中,Apelin可改善缺血后肢的血液灌注,表明Apelin可改善糖尿病足的外周血管灌注和血管功能〔46〕。因此,Apelin水平有可能成为早期发现糖尿病周围神经病变和糖尿病足的一种保护性预测因子,并且带来新的治疗方向。

综上,Apelin参与糖尿病和糖尿病微血管病变的发生发展,使其极有可能成为治疗这些疾病的重要靶分子,但仍有问题亟待解决,如在治疗与未治疗的糖尿者呈现的血清水平不一致,与糖尿病肾病的关系呈现双向性,这可能与糖尿病肾病病理机制的复杂性和Apelin的组织分布、信号通路的不同及相互交叉有关。因此,对这些问题的进一步研究,有助于明确Apelin在人体生理病理状态下的具体作用及机制,为防治糖尿病和糖尿病微血管病变提供新的药物作用靶点。