司美格鲁肽对糖尿病心肌病机制及作用研究进展

李京娟 李凡凡 牛 璐 刘媛媛 王金羊

糖尿病性心肌病(diabetic cardiomyopathy,DCM)是糖尿病的一种慢性并发症,也是糖尿病发生率和病死率的主要原因。DCM独立于冠状动脉疾病、高血压以及瓣膜病之外,直接促进心脏结构或功能改变,最终导致心力衰竭[1]。 DCM的发病机制是多因素的,包括线粒体功能障碍、氧化应激、能量代谢改变、心脏胰岛素抵抗增加、内质网应激、细胞内钙稳态受损、肾素血管紧张素醛固酮系统激活、晚期糖基化终末产物(advanced glycation end products,AGEs)积累、炎性反应、心肌间质纤维化、自主神经病变、微血管功能障碍以及其他信号分子(如miRNA)的改变等,但相关机制还尚未完全阐明[2]。由于该疾病的复杂性和危害性,目前尚无特异性的治疗方法。

胰高血糖素样肽-1受体激动剂(glucagon-like peptide-1 receptor agonist,GLP-1RA)是一种肠促胰素类药物,通过刺激胰岛素的分泌和降低胰高血糖素的分泌等机制来降低血糖,已经广泛应用于2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)的治疗[3]。司美格鲁肽是一种长效的GLP-1RA,不仅有降糖作用,还具有减重和降低T2DM发生主要心血管不良事件风险的作用[4]。本文将对司美格鲁肽对DCM的作用机制和临床应用进行综述。

一、司美格鲁肽在DCM的作用机制

司美格鲁肽是一种天然胰高血糖素样肽-1的类似物,有3个结构修饰:①第8位的丙氨酸(alanine,Ala)被α-氨基丁酸(aminobutyric acid,Aib)所取代,使司美格鲁肽N端免受二肽基肽酶-4(dipeptidyl peptidase-4,DPP-4)的降解,从而延长半衰期; ②第26位赖氨酸(lysine,Lys)上增加了C18二酸,使其具有很强的白蛋白亲和力;③第34位的赖氨酸被精氨酸(arginine,Arg)所取代,使赖氨酸位点特异性酰化[5]。司美格鲁肽可以减少活性氧(reactive oxygen species,ROS)的产生、改善心肌细胞的凋亡与自噬、减少脂质积累、减少炎性细胞因子的产生、增加心肌组织血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的表达等对DCM起到作用。

1.减少活性氧的产生:活性氧(reactive oxygen species,ROS)积累是DCM的主要促进因素。ROS是重要的细胞内信号分子,介导多种细胞功能。在生理条件下,ROS水平由内源性抗氧化系统适当控制,以减少细胞氧化损伤;在病理条件下,当ROS的产生超过抗氧化能力时,就会发生氧化应激[6]。氧化应激诱发各种心血管并发症,包括由炎症、细胞凋亡和纤维化促进的心功能障碍。但是,糖尿病中ROS增加的机制是复杂的,线粒体内膜电位的超极化和线粒体功能的受损、NADPH氧化酶(NADPH oxidases,NOX)的激活、Na+-H+交换器(sodium-hydrogen exchangers,NHE)和钙调蛋白依赖性蛋白激酶(calmodulin-dependent protein kinase,CaMK)Ⅱ的参与等多种因素相互作用,相互增强[6,7]。ROS的产生促进了糖尿病患者心肌收缩功能障碍和慢性心力衰竭(chronic heart failure,CHF)[7]。

研究表明,GLP-1RA可以通过诱导蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)和cAMP反应元件结合蛋白(cAMP response element-binding,CREB)下游抗氧化基因的表达来抑制ROS[8]。鉴于Lox-1是ROS的关键调控因子,在敲除Lox-1小鼠的主动脉中GLP-1R表达上调,GLP-1RA抑制LOX-1的表达和线粒体ROS的生成[8]。研究显示,司美格鲁肽可以减少ROS的产生,有效改善心功能[9]。

此外,由于心肌纤维化是DCM的早期特征,主要表现为活化的心肌成纤维细胞(肌成纤维细胞)的积累和细胞外基质的过度沉积。ROS的过度产生能够激活心肌纤维化的TGF-β/Smad信号通路,导致心肌纤维化标志物α平滑肌肌动蛋白(α-smooth muscle actin,α-SMA)的表达[10]。司美格鲁肽可显著增加链脲佐菌素(streptozotocin,STZ)诱导的DCM大鼠心肌微动脉内膜α-SMA的表达,抑制心肌细胞的变性,延缓DCM 大鼠心肌纤维化[11,12]。

2.改善细胞凋亡与自噬:心肌细胞死亡被认为在DCM发病机制中起关键作用。心肌细胞死亡可分为四种形式[13]:(1)细胞凋亡是通过caspase-3通路激活介导的蛋白水解级联反应和ROS的参与。研究表明,糖尿病患者的长期高血糖可激活caspase-3通路诱导心肌细胞凋亡[14]。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD) 作为氧化应激标志物,是体内一种关键的抗氧化酶,具有清除自由基和降低氧化应激的功能。在糖尿病患者中,SOD减少,心肌细胞的凋亡增加[13]。心肌细胞的凋亡降低了心脏收缩功能,最终促进心脏重构。司美格鲁肽可以减少凋亡相关蛋白caspase-3 的表达,抑制心肌细胞凋亡;有效提高T-SOD的体内活性,减少氧自由基对心肌细胞的损伤,使氧化应激反应降低[9]。(2)细胞自噬开始于自噬小体的形成,是一种清除受损蛋白质、功能失调的细胞器的降解过程。自噬受到自噬相关蛋白的严格调控,该蛋白由一个高度保守的基因家族编码。AMP激活蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)被认为是自噬的正调控因子,与其相关的多种信号通路AMPK/mTOR/ULK1、PI3K/Akt/mTOR、Ca2+/CaMKKβ/AMPK都参与自噬,并且 AMPK的激活介导了心肌细胞的葡萄糖剥夺和缺血诱导的自噬[16]。在糖尿病小鼠模型中,抑制AMPK可降低心肌自噬,加重心功能障碍,增加糖尿病小鼠的死亡率[17]。研究表明,司美格鲁肽逆转了脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)处理引起的自噬蛋白Beclin1和Parkin的下降,提高了p-AMPK的蛋白水平,可能是通过AMPK信号通路调控自噬,改善心脏结构[9]。但是AMPK参与心肌细胞自噬的调控是复杂的,需要进一步的研究。

3.减少脂质积累:脂质积累也是DCM发病机制中的一个重要致病因素。ATP是生命活动主要的能量来源物质,对心脏的正常功能至关重要。在正常心脏中,大部分ATP的合成是由脂肪酸(fatty acids,FA)产生的。但是在糖尿病中,由于胰岛素抵抗,心肌的脂肪酸摄取和氧化过度,导致心功能恶化[18]。氧化应激反应的增加也会导致心肌组织中脂质的积累,进而产生大量的ROS,从而导致脂质过氧化,最终产物丙二醛(malondialdehyde,MDA)产生。因此,心肌细胞中游离脂肪酸(free fatty acids,FFAs)过度积累和异常β-氧化引起心脏脂肪毒性[19]。一项研究表明,在司美格鲁肽干预后,脂质积累明显减少,进而减少其对心肌组织的损伤;MDA的产生也减少,有效改善糖尿病心肌病患者的心功能[9]。

随着肥胖程度的增加,糖尿病发生率也逐年上升,尤其内脏型肥胖大大增加了心血管疾病的风险。T2DM合并肥胖导致的内脏脂肪堆积进一步促进了DCM的发展,其中心外膜脂肪组织(epicardial adipose tissue,EAT)是沉积在心脏表面代谢活跃的内脏脂肪组织,具有独特的解剖、功能和遗传特性[19]。过量的EAT积累与较高的心血管风险密切相关,EAT通过促炎性细胞因子的旁分泌来发挥其致动脉粥样硬化的作用[20]。司美格鲁肽可显著降低EAT厚度,发挥心脏保护作用[21]。

4.减少炎症相关蛋白的产生: 炎性反应与DCM的发生、发展相关。促炎性细胞因子,如IL-6(interleukin-6)和IL-8、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-alpha,TNF-α)、单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1)、黏附分子-1、细胞间黏附分子-1(intercellular adhesion molecule-1,ICAM-1)、血管细胞黏附分子-1(vascular cellular adhesion molecule-1,VCAM-1)的激活和表达,都促进心脏氧化应激、重构和纤维化以及舒张功能障碍[19]。Nod样受体蛋白(nod-like receptor protein,NLRP)炎性小体作为先天免疫系统不可或缺的中介,参与了DCM的发病机制[22]。寡聚化的NLRP3招募适配器蛋白ASC,并将前caspase-1分裂为其激活的表型caspase-1,从而导致白细胞介素-1β前体(前IL-1β)和白细胞介素-8前体(前IL-8)的分裂,这种分裂导致促炎性细胞因子IL-1β和IL-8的成熟,从而促进心脏的炎性反应[22]。NF-κB是调节炎性信号通路的关键细胞因子,参与多种炎性细胞因子的转录和调控,可被心脏中的脂肪酸和高血糖激活。激活的NF-κB不仅诱导促炎性细胞因子TNF-α、IL-6和IL-8的表达,而且增加NLRP3炎性小体组装和pro-caspase-1自裂解与激活,进而介导前IL-1β的加工和成熟[23]。炎性反应的发生促进了糖尿病心肌病的心脏重构和纤维化。在司美格鲁肽的作用下,NF-κB、TNF-α、IL-1β均显著降低。说明司美格鲁肽能够阻断NLRP3炎性小体激活,抑制炎性反应的相关蛋白,减少心肌组织的炎性反应,对DCM的心肌发挥保护作用[9,11]。

SUSTAIN-6研究表明,司美格鲁肽降低T2DM患者心血管(cardiovascular,CV)风险可能与延缓动脉粥样硬化进展有关[24]。在一项研究中,司美格鲁肽降低了动脉粥样硬化主动脉中炎症标志物的基因表达,可能由抗炎机制驱动的抗动脉粥样硬化作用[25]。由于GLP-1RA治疗会阻碍动脉粥样硬化小鼠血管壁中单核细胞和巨噬细胞的募集和黏附[26]。司美格鲁肽被证明降低风险部分是通过调节激活的M1巨噬细胞介导的[26]。因此,司美格鲁肽在减少炎症方面的作用可能是降低CV风险的机制之一。

5.增加心肌组织血管内皮生长因子的表达:miRNA在DCM的发病中起着重要作用,其与对应的靶基因的失调可能参与了DCM的发病机制[27]。有研究显示,miR-17表达上调,miR-24、miR-150、miR-199a、miR-214和miR-320a表达下调,都会导致靶基因VEGF的下调,从而导致DCM的发生[27]。VEGF是一种具有重要的促血管生成活性的生长因子,表达于成纤维细胞、血管内皮细胞,可以增加血管通透性,促进血管新生。在STZ诱导的糖尿病小鼠中,VEGF的表达水平下调,通过增加其在心脏组织中的表达,可有效改善DCM[28]。司美格鲁肽治疗可显著增加大鼠心肌组织VEGF的表达,促进冠状动脉微血管新生,对DCM心肌损伤发挥保护作用[11]。

二、司美格鲁肽在DCM的治疗效果

司美格鲁肽的结构修饰使其相比其他药物,具有显著优势,1周1次的皮下注射给药方式,大大减少给药次数,明显提高了患者的依从性和便利性。在SUSTAIN-6研究中,纳入3297例T2DM患者,注射司美格鲁肽使糖尿病患者因主要心血管终点事件(major adverse cardiac events,MACE,包括心血管原因、非致死性心肌梗死或非致死性脑卒中)死亡的风险较安慰剂降低了26%[24]。一项随机双盲的临床试验PIONEER 6研究纳入3183例2型糖尿病患者,对口服司美格鲁肽与安慰剂对照的心血管安全性进行了研究。研究结果显示,口服司美格鲁肽的患者发生严重心血管不良事件(包括因心血管原因死亡、非致命性心肌梗死或非致命性脑卒中)的比例为3.8%,安慰剂组为4.8%[29]。

DCM患者心脏结构和功能发生改变,包括左心室肥大、心肌胶原间质纤维化增加、脂肪浸润;舒张功能不全、收缩功能不全、收缩力储备受损等。司美格鲁肽使STZ诱导的DCM大鼠间质胶原纤维减少,明显改善心肌纤维化,但是否存在改善心脏结构和功能改变的其他机制仍不清楚[11]。司美格鲁肽还可改善T2DM和CHF的肥胖患者的心力衰竭健康状况,提高生活质量,降低心功能等级和NT-proBNP(N-terminal pro-B-type natriuretic peptide)水平[30]。

三、不良反应

在SUSTAIN-6研究中,胃肠道反应在司美格鲁肽组中比在安慰剂组中更常见,大多数胃肠道事件均为轻微或中度[24]。由于不良事件(主要是胃肠道反应)而停止治疗在司美格鲁肽比安慰剂组更频繁。GLP-1RA最常见的不良反应是恶心、呕吐和腹泻,司美格鲁肽与其他 GLP-1RA比较无特殊的不良反应,且发生率相似。GLP-1RA发生低血糖的风险最小,但当与胰岛素和磺脲类药物联合使用时,可能会增加这些药物的降血糖潜力[31,32]。司美格鲁肽与磺脲类药物的联合使用增加了低血糖不良事件的发生[29]。司美格鲁肽与糖尿病视网膜病变并发症增加相关,主要发生在血糖控制快速改善的基线视网膜病变患者中[29]。司美格鲁肽似乎并不会显著增加胰腺炎、胰腺癌或骨病的风险,它们与胆囊事件发生的风险增加有关但是目前对于GLP-1RA引起胰腺炎仍有争议[33]。

综上所述,GLP-1RA是一类重要的新型降糖药,在临床上治疗T2DM的应用越来越广泛。有证据表明,司美格鲁肽可以降低T2DM患者的CV风险,同时可以降低EAT的厚度,有利于心血管的保护,为T2DM合并肥胖的治疗提供了理论基础。但是司美格鲁肽在DCM的作用尚不明确,因此仍需开展进一步研究。

利益冲突声明：所有作者均声明不存在利益冲突。