胰高血糖素樣肽1 (GLP-1)對心血管疾病治療的研究進(jìn)展

蔣搖靜(綜述) 李俊峰 任麗偉 王慶華,3(審校)

(1復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院內(nèi)分泌與代謝病科 上海 200040; 2武漢大學(xué)人民醫(yī)院內(nèi)分泌科 武漢 430060;3加拿大圣米高醫(yī)院內(nèi)分泌與代謝病科 多倫多 M5B 1W8)

胰高血糖素樣肽1(glucagon-like peptide 1,GLP-1)作為一種腸道L細(xì)胞分泌的肽類激素[1],目前已廣泛應(yīng)用于2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)的治療。心血管疾病是T2DM的常見并發(fā)癥和首要死因[2]。最近研究發(fā)現(xiàn),GLP-1不僅可以調(diào)節(jié)胰島素和胰高血糖素分泌、改善β細(xì)胞功能和維持β細(xì)胞量、減輕體重,并且可直接或間接的發(fā)揮心血管保護(hù)作用[3-4],因此將GLP-1應(yīng)用于心血管疾病的治療已成為近年來研究的熱點(diǎn)。本文就GLP-1的心血管保護(hù)作用及其生理學(xué)新進(jìn)展作一綜述,探討GLP-1應(yīng)用于心血管疾病的治療的新策略。

GLP-1及其受體GLP-1是腸道L細(xì)胞合成和分泌的由30個(gè)氨基酸組成的肽類激素[1],其在體內(nèi)有兩種生物活性形式,分別為GLP-1(7-37)和GLP-1(7-36a),7-36a為7-37的酰胺化產(chǎn)物。GLP-1約80%的生物活性來自7-36a。7-36a在體內(nèi)的半衰期很短(1～2 min),被二肽基肽酶4(diaminopeptidyl peptidase-4,DPP4)快速降解為GLP-1(9-36a)[5-6],因此9-36a是GLP-1在循環(huán)中的主要形式[7]。GLP-1通過與其特異性受體結(jié)合發(fā)揮作用,GLP-1受體(GLP-1R)屬于B族G蛋白偶聯(lián)受體,主要在胰島β細(xì)胞中表達(dá),此外在心肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞及血管平滑肌細(xì)胞(vascular smooth muscle cells,VSMCs)中也有表達(dá)[1,8-9]。在人或動(dòng)物的心血管系統(tǒng)中,GLP-1R主要表達(dá)于心房心肌細(xì)胞[8,10-12]。臨床前及臨床研究表明,GLP-1通過結(jié)合并激活GLP-1R,增加靜息心率及左心室射血分?jǐn)?shù)、增加心肌葡萄糖攝取、舒張血管、減少缺血性損傷等[5,13-15]發(fā)揮心血管保護(hù)作用。由于GLP-1的心血管作用以往被認(rèn)為全部由GLP-1R所介導(dǎo)[4],而9-36a缺乏促胰島素分泌作用且對GLP-1R親和力低,因此一直被視為無活性的GLP-1衍生物[16]。但進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),在缺血再灌注損傷的野生型及GLP-1R敲除(GLP-1R-/-)小鼠的離體心臟模型中,7-36a和9-36a均具有心血管保護(hù)效應(yīng);其中7-36a的心血管保護(hù)效應(yīng),尤其是血管舒張作用可被DPP4抑制劑顯著削弱,提示7-36a及9-36a分別通過GLP-1R依賴及非依賴途徑作用于心血管系統(tǒng)[17]。

GLP-1信號通路GLP-1的降糖作用以及對胰島β細(xì)胞的作用機(jī)制已被廣泛研究。GLP-1通過與GLP-1R結(jié)合,促進(jìn)β細(xì)胞增殖和再生[18-19]。然而,GLP-1對心血管系統(tǒng)的作用機(jī)制尚未明確。GLP-1對多種心血管細(xì)胞均有保護(hù)作用。GLP-1可以激活正常及糖尿病小鼠心肌細(xì)胞的促存活信號通路,改善其心臟功能并且提高心肌梗死后的存活率[20]。GLP-1R激動(dòng)劑利拉魯肽促進(jìn)心肌保護(hù)基因的表達(dá)及活性,包括Akt、GSK3β、核受體PPARβ/δ以及核轉(zhuǎn)錄因子Nrf2[21]。研究發(fā)現(xiàn)9-36a和GLP-1R激動(dòng)劑艾塞那肽均可預(yù)防新生小鼠的心肌缺血再灌注損傷,通過ERK1/2和Akt的磷酸化水平,抑制乳酸脫氫酶釋放和caspase-3激活,改善心肌細(xì)胞活性[22-23]。兩者的心肌保護(hù)作用均可被GLP-1R拮抗劑exendin (9-39)所減弱[23]。與艾塞那肽不同,9-36a對GLP-1R-/-心肌細(xì)胞仍有保護(hù)作用,提示9-36a的作用方式有別于經(jīng)典GLP-1R途徑[21,23]。

GLP-1在內(nèi)皮細(xì)胞中的作用研究表明,GLP-1通過GLP-1R依賴和非依賴途徑促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞增殖[24-25]。GLP-1R激動(dòng)劑利拉魯肽及9-36a均可促進(jìn)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(human umbilical vein endothelial cells,HUVECs)中內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)的磷酸化,增加NO釋放,并抑制NF-кB活化[26-27]。此外,艾塞那肽、 7-36a和9-36a在人冠狀動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞(human coronary artery endothelial cells,HCAECs)中發(fā)揮類似的促內(nèi)皮細(xì)胞增殖作用,進(jìn)一步證實(shí)了上述觀點(diǎn)[25]。其中艾塞那肽及7-36a還可以抑制HCAECs的脂性凋亡(lipoapoptosis),該效應(yīng)可被PKA、PI3K/Akt、eNOs及GLP-1R的拮抗劑抑制[25]。但9-36a對HCAECs的脂性凋亡并無作用,提示GLP-1通過GLP-1R依賴途徑發(fā)揮抑制內(nèi)皮細(xì)胞脂性凋亡的作用[25]。

GLP-1在血管平滑肌細(xì)胞中的作用與GLP-1抑制內(nèi)皮細(xì)胞凋亡不同,GLP-1可促進(jìn)VSMCs的凋亡,從而抑制動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生及發(fā)展[28]。在予艾塞那肽治療血管內(nèi)膜損傷的SD大鼠及C57BL/6小鼠4周后,結(jié)果均顯示艾塞那肽可以選擇性抑制VSMCs增殖并促進(jìn)其凋亡[29]。氧化低密度脂蛋白(oxidized low-density lipoprotein,ox-LDL)是動(dòng)脈粥樣硬化形成過程中的關(guān)鍵分子[28]。利拉魯肽可以減少ox-LDL誘導(dǎo)的人主動(dòng)脈VSMCs的線粒體活性氧(reactive oxygen species,ROS)生成,該作用可能與血凝素樣氧化低密度脂蛋白受體1(ectin-like oxidized low-density lipoprotein scavenger receptor-1,LOX-1)有關(guān)[28]。GLP-1對VSMCs的促凋亡作用可以被GLP-1R拮抗劑exendin(9-39)所抑制,提示該作用是由GLP-1R依賴途徑介導(dǎo)的。

GLP-1(7-36a)的心血管作用7-36a可以保持體外心肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的活性,增加野生型小鼠離體心臟的左心室收縮壓,縮小心肌的梗死面積并且改善缺血再灌注損傷后的心功能[14,30-32]。臨床研究發(fā)現(xiàn),對需要經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療的心肌缺血患者,輸注7-36a可以預(yù)防和改善缺血狀態(tài)下心肌的收縮和舒張功能障礙,減少再灌注損傷,促進(jìn)心肌功能恢復(fù)[33]。此外,7-36a輸注能夠改善非糖尿病受試者及T2DM患者的內(nèi)皮細(xì)胞功能[34-35]。健康年輕男性在輸注7-36a后骨骼肌的新生毛細(xì)血管增加,而葡萄糖攝取并不增加,同時(shí)給予奧曲肽(抑制GLP-1的促胰島素分泌作用)時(shí)該作用并未被減弱,進(jìn)一步支持了GLP-1的心血管效應(yīng)不依賴于血胰島素水平的改變[36]。此外,GLP-1治療可以逆轉(zhuǎn)高脂飲食誘導(dǎo)的早期胰島素抵抗,提升胰島素的作用,如促毛細(xì)血管新生和骨骼肌細(xì)胞的葡萄糖攝取[37]。

GLP-1對心血管系統(tǒng)的直接和間接作用研究顯示,T2DM伴肥胖的患者經(jīng)GLP-1R激動(dòng)劑利拉魯肽治療后,胰島素分泌增加,糖脂代謝改善,內(nèi)臟脂肪含量及體重下降,以上作用說明GLP-1可以間接影響心血管疾病的發(fā)生和發(fā)展[38]。此外,GLP-1還具有緩解炎癥及抗動(dòng)脈粥樣硬化的作用。利拉魯肽可以激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK),從而抑制NF-кB信號及炎癥反應(yīng)[26]。此外有研究顯示,GLP-1R激動(dòng)劑艾塞那肽可通過激活cAMP/PKA途徑減少載脂蛋白E基因敲除(Apo E-/-)小鼠動(dòng)脈管壁中單核/巨噬細(xì)胞的堆積[39]。同時(shí),艾塞那肽可以抑制C57BL/6小鼠的平滑肌細(xì)胞增殖以及損傷后的新生血管內(nèi)膜生成,從而減輕動(dòng)脈粥樣硬化,此作用不依賴于葡萄糖代謝的改變,因此預(yù)測GLP-1可以預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化及支架術(shù)后再狹窄[29,39-40]。

GLP-1(9-36a)的心血管作用9-36a由7-36a經(jīng)DPP4快速降解產(chǎn)生,是GLP-1在體循環(huán)中的主要形式[7]。9-36a由于缺乏促胰島素分泌作用且對已知的GLP-1R親和力低,之前一直被視為無活性的GLP-1衍生物[16]。然而,越來越多的證據(jù)顯示9-36a對心血管系統(tǒng)也有重要作用。9-36a具有類胰島素效應(yīng),可以顯著改善GLP-1R-/-小鼠左心室舒張末期壓力及缺血再灌注損傷后的心臟功能,提示9-36a通過GLP-1R非依賴途徑發(fā)揮作用[41]。C57BL/6小鼠冠狀動(dòng)脈左前降支永久性結(jié)扎后,持續(xù)4周輸注9-36a,心室舒張功能障礙明顯改善,心臟促炎癥因子表達(dá)及巨噬細(xì)胞浸潤減少[42]。值得注意的是,正常大鼠在長期持續(xù)注射7-36a后,局部血流動(dòng)力學(xué)得到明顯改善,而注射9-36a后卻未顯示同樣的心血管獲益[43];但在高脂喂養(yǎng)的肥胖型小鼠中,注射9-36a可以有效減輕肥胖型小鼠體重,緩解胰島素抵抗[44]。臨床試驗(yàn)中也觀察到相似現(xiàn)象,即9-36a抑制肥胖及胰島素抵抗患者的肝糖生成,但對健康受試者無此作用[45]。與9-36a相反,7-36a對肥胖和T2DM患者的作用較健康受試者減弱[46]。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,我們推測9-36a更適用于治療伴胰島素抵抗相關(guān)疾病(如肥胖、T2DM及代謝綜合征)的心血管疾病患者[17,47]。

研究顯示,7-36a及9-36a均可導(dǎo)致GLP-1R-/-小鼠的動(dòng)脈血管舒張,而GLP-1R激動(dòng)劑艾塞那肽則無此作用,這提示GLP-1的血管舒張效應(yīng)是通過9-36a及GLP-1R非依賴途徑實(shí)現(xiàn)的[17]。經(jīng)NOS抑制劑L-NNA預(yù)處理后,GLP-1的血管舒張作用會(huì)被完全抵消,提示GLP-1的作用與NOS依賴的cGMP形成有關(guān)[17]。在HUVECs模型中,9-36a通過促進(jìn)NO釋放,增加eNOS活性及表達(dá)而發(fā)揮作用,此作用不依賴于胰島素濃度改變[27,36]。

此外,9-36a同樣具有抗動(dòng)脈粥樣硬化作用[48]。在高脂喂養(yǎng)的Apo E-/-小鼠模型中,通過腺病毒轉(zhuǎn)染過表達(dá)7-36a及9-36a均可減少巨噬細(xì)胞在動(dòng)脈管壁的堆積以及基質(zhì)金屬蛋白酶-9(matrix metalloproteinase-9,MMP-9)的表達(dá),降低斑塊內(nèi)炎癥反應(yīng),增加斑塊穩(wěn)定性[49]。GLP-1R激動(dòng)劑(如利拉魯肽、艾塞那肽)、DPP4抑制劑(如西格列汀)和天然GLP-1及其代謝物均有類似作用,表明GLP-1的抗動(dòng)脈粥樣硬化作用同時(shí)與GLP-1R依賴及非依賴兩種途徑相關(guān)。另外,7-36a與9-36a均有細(xì)胞保護(hù)作用,表現(xiàn)為拮抗高脂或高糖誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡/壞死,同時(shí)具有抗增生和抗纖維化作用[50]。

GLP-1治療的策略GLP-1相關(guān)藥物的研發(fā)策略,無論是已被批準(zhǔn)的還是尚處于臨床試驗(yàn)階段的,均從免受DPP4降解的角度著手[21]。臨床使用的GLP-1制劑主要分兩類:一類是DPP4抑制劑,如西格列汀、維格列汀及沙格列汀等,可以一定程度上升高內(nèi)源性GLP-1水平;另一類是耐DPP4的GLP-1R激動(dòng)劑,如利拉魯肽及艾塞那肽等[51]。

DPP4抑制劑研究顯示,DPP4抑制劑治療糖尿病小鼠后發(fā)生心肌纖維化和心臟功能障礙[52]。然而,多數(shù)臨床前期研究表明DPP4抑制劑可發(fā)揮心臟保護(hù)作用,通過增加內(nèi)源性DPP4底物,使內(nèi)皮祖細(xì)胞聚集于心血管受損處,改善心臟功能及小鼠心肌梗死后的結(jié)局[31,53-54]。在Apo E-/-小鼠模型中,DPP4抑制劑西格列汀可以緩解動(dòng)脈粥樣硬化,減少斑塊的巨噬細(xì)胞浸潤以及MMP-9表達(dá),增加斑塊穩(wěn)定性[48]。然而,目前的臨床試驗(yàn)中尚未能觀察到DPP4抑制劑的心血管獲益。

GLP-1R激動(dòng)劑臨床試驗(yàn)顯示,GLP-1R激動(dòng)劑利拉魯肽及索馬魯肽均可減少T2DM患者的心血管事件[55-56];而DPP4抑制劑如沙格列汀、西格列汀、阿格列汀尚未觀測到心血管獲益[57-59]。此外,T2DM患者在長期使用GLP-1R激動(dòng)劑后,血壓下降,但長期服用DPP4抑制劑后血壓下降不顯著甚至無改變[60-61]。由此,GLP-1R激動(dòng)劑較DPP4抑制劑顯示出更多的心血管獲益、更強(qiáng)的降糖減重療效。究其原因,一方面可能與前者藥理學(xué)療效更強(qiáng)有關(guān),研究顯示GLP-1R激動(dòng)劑的臨床劑量可以提升內(nèi)源性7-36a濃度近10倍,而DPP4抑制劑只有2～4倍的提升作用[62-63]。另一方面,不排除兩類藥物間療效的差異部分源于DPP4抑制劑導(dǎo)致的9-36a生成減少。

結(jié)語GLP-1具有多種作用,包括促胰島素分泌及類胰島素作用。天然GLP-1 (7-36a)及其代謝產(chǎn)物9-36a具有部分重疊但明顯區(qū)別的心血管保護(hù)作用。7-36a通過GLP-1R依賴途徑發(fā)揮心血管效應(yīng),主要是促進(jìn)心肌細(xì)胞的葡萄糖攝取;9-36a則通過GLP-1R非依賴途徑發(fā)揮心血管效應(yīng),主要是舒張血管、保護(hù)心肌細(xì)胞免受缺血再灌注損傷、改善心臟功能等,或可作為治療心血管疾病合并胰島素抵抗相關(guān)疾病的理想藥物。此外,7-36a和9-36a還具有間接心血管效應(yīng),如改善糖脂代謝、肥胖及胰島素抵抗,從而改善心血管疾病的預(yù)后。目前的GLP-1治療有兩種策略:耐DPP4的GLP-1R激動(dòng)劑和DPP4抑制劑,但二者均未充分利用9-36a的心血管效應(yīng)。理想的GLP-1治療策略是兼具7-36a和9-36a的優(yōu)勢,使患者更多的心血管獲益和代謝改善。全人源結(jié)構(gòu)的GLP-1類似物不僅能改善糖尿病,還能使心血管獲益。這些天然GLP-1類似物包括已經(jīng)在臨床中使用的短效制劑貝那魯肽[64-65]和在臨床研究階段的長效制劑蘇帕魯肽[66-67],相關(guān)的臨床研究結(jié)果將驗(yàn)證這一假說。