二甲雙胍非降糖腎臟保護作用的研究新進展

薛 晶，楊 陳，安 寧，劉華鋒

(廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院腎病研究所，湛江市慢性腎臟病防控重點實驗室，廣東 湛江 524001)

目前，歐洲糖尿病研究學(xué)會、美國糖尿病協(xié)會等制定的指南均推薦二甲雙胍作為2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus, T2DM)治療的一線用藥，因其具有良好的降糖作用和安全性，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的口服降糖藥。2016年，美國食品藥品監(jiān)督管理局又批準(zhǔn)二甲雙胍用于輕度至中度[估算腎小球濾過率(estimated glomerular filtration rate, eGFR)在30～60 mL·(min·1.73 m2)-1]腎功能不全患者[1]。二甲雙胍主要通過抑制肝臟糖異生和糖原分解、減少肝臟葡萄糖輸出、抑制腸道葡萄糖的吸收、促進外周靶組織對葡萄糖的攝取和利用、改善胰島素抵抗等，發(fā)揮降糖和防治糖尿病腎病的作用，此外，近年研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍還具有獨立于降糖作用之外的腎臟保護作用。

1 二甲雙胍非降糖腎臟保護作用的證據(jù)

1.1二甲雙胍對慢性腎臟病的保護作用眾所周知，高血糖對腎臟具有明確的損傷作用，二甲雙胍通過控制血糖對糖尿病腎病起腎臟保護作用已獲公認(rèn)，但已有研究顯示，二甲雙胍可直接減輕T2DM患者的尿白蛋白排泄率，改善腎臟血流動力學(xué)改變[2]，與磺脲類降糖藥相比，應(yīng)用二甲雙胍治療T2DM合并心衰及慢性腎病的患者，其死亡率及再住院率有所降低。研究顯示，與使用二甲雙胍相比，口服磺脲類藥物的T2DM患者發(fā)生eGFR下降、終末期腎臟病和死亡的風(fēng)險增加[3]。全身和局部慢性炎癥狀態(tài)與慢性腎臟病密切相關(guān)，有研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍可降低患者血清中可溶性細(xì)胞間黏附分子-1、可溶性血管細(xì)胞黏附分子-1、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)等炎癥介質(zhì)水平，并可減少晚期氧化終產(chǎn)物產(chǎn)生，發(fā)揮抗炎和抗氧化損傷作用[4]。以上結(jié)果提示，二甲雙胍對糖尿病腎病等慢性腎臟病具有獨立于降糖之外的腎臟保護作用。

二甲雙胍的這種作用也被大量實驗研究證實，二甲雙胍對腎小管上皮細(xì)胞、足細(xì)胞均有保護作用。二甲雙胍可通過抗氧化應(yīng)激作用，抑制高糖刺激下氧自由基介導(dǎo)的腎小管上皮細(xì)胞異常增殖和凋亡，從而減輕高糖對腎小管上皮細(xì)胞的損害[5]；二甲雙胍還可劑量依賴地抑制晚期糖基化終產(chǎn)物(advanced glycation end products, AGEs)的產(chǎn)生，并下調(diào)AGEs受體的表達[6]，減少AGEs誘導(dǎo)的腎小管上皮細(xì)胞凋亡。持續(xù)蛋白尿不僅是慢性腎臟疾病腎小球損傷的特征，也是造成下游腎小管損傷的危險因素之一，二甲雙胍對尿蛋白刺激下的腎小管起著積極的抗氧化保護作用，二甲雙胍還可抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、抑制上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)分化和誘導(dǎo)自噬，減輕白蛋白所致的腎小管上皮細(xì)胞損傷[7]。足細(xì)胞損傷和丟失是糖尿病腎病早期重要的病理表現(xiàn)之一，二甲雙胍可通過抗氧化應(yīng)激作用明顯減輕高糖所致的足細(xì)胞凋亡[8]。而Zhai等[9]發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍可上調(diào)T2DM大鼠腎臟Nephrin蛋白表達，維持足細(xì)胞正常的結(jié)構(gòu)和功能，減少糖尿病大鼠的尿白蛋白排泄率。

常染色體顯性多囊腎病是最常見的遺傳性腎臟病，主要病理生理表現(xiàn)為腎小管上皮細(xì)胞異常增殖和凋亡、極性改變、細(xì)胞腔膜面持續(xù)分泌液體、囊腫進行性增大。上皮細(xì)胞頂膜上囊性纖維化跨膜轉(zhuǎn)運調(diào)節(jié)因子(cystic fibrosis transmembrane regulator, CFTR)調(diào)節(jié)的氯通道的數(shù)量決定囊液的異常分泌，而哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)的異常激活則與囊泡上皮細(xì)胞的過度增生密切相關(guān)。有實驗證實，二甲雙胍通過腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)/mTOR通路阻止囊泡的增長和擴張，有效改善常染色體顯性多囊腎病腎臟病變[10]。

1.2二甲雙胍對急性腎損傷的保護作用二甲雙胍不僅對慢性腎臟病有獨立于降糖之外的潛在治療價值，還對急性腎損傷(acute kidney injury,AKI)起到積極的防護作用。在小鼠腎臟缺血/再灌注模型，二甲雙胍預(yù)處理能保持腎小管細(xì)胞膜功能的完整性，維持細(xì)胞膜上Na+，K+-ATP酶正常分布及功能，并通過直接或間接激活A(yù)MPK，增加ATP的合成，提高腎小管上皮細(xì)胞對缺血-缺氧的耐受[11]。此外，二甲雙胍還可抑制大鼠腎缺血/再灌注模型TNF-α、白細(xì)胞介素6(interleukin 6, IL-6)等炎癥因子的表達，減少腎小管上皮細(xì)胞凋亡，甚至減輕腎缺血/再灌注所致的腎間質(zhì)纖維化等后期病變[12]。在順鉑和慶大霉素誘導(dǎo)的AKI研究中，二甲雙胍同樣可通過多種機制減少腎小管上皮細(xì)胞刷狀緣脫落、凋亡、壞死、腎小管阻塞以及腎臟炎癥細(xì)胞聚集，抑制血肌酐和尿素氮等生化指標(biāo)的升高，促進腎臟結(jié)構(gòu)和功能的恢復(fù)。

2 二甲雙胍非降糖腎臟保護作用的可能機制

二甲雙胍發(fā)揮降糖和非降糖作用的具體機制尚未完全闡明，目前認(rèn)為，其主要通過激活A(yù)MPK發(fā)揮作用。AMPK是一種細(xì)胞能量感受器，主要參與細(xì)胞代謝，由催化亞基α和調(diào)節(jié)亞基β與γ組成。二甲雙胍激活完整活細(xì)胞AMPK α亞單位第172位的蘇氨酸殘基，促使AMPK磷酸化，可能通過作用于AMPK上游的肝激酶B1(liver kinase B1, LKB1)，激活胞內(nèi)AMPK。此外，二甲雙胍可阻斷線粒體呼吸鏈復(fù)合體I的電子傳遞，減少ATP的合成，導(dǎo)致胞內(nèi)AMP/ATP比例上升，從而激活A(yù)MPK。因此，二甲雙胍可通過激活A(yù)MPK而發(fā)揮生物學(xué)功能。

mTOR是蛋白合成的中心調(diào)控者，在細(xì)胞生長、增殖和代謝等方面發(fā)揮重要的作用。二甲雙胍激活A(yù)MPK后，可磷酸化調(diào)節(jié)mTOR信號通路的多個靶點，如激活結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合物蛋白2、活化mTOR抑制相關(guān)蛋白Raptor等[13]，最終起到抑制mTOR信號通路的作用。此外，在沉默了AMPK基因的細(xì)胞中，二甲雙胍可通過抑制Rag-GTPases，從而抑制mTOR信號通路，提示二甲雙胍對mTOR通路的抑制作用可部分獨立于AMPK之外[14]。綜上，二甲雙胍可通過調(diào)節(jié)AMPK/mTOR信號通路發(fā)揮生物學(xué)功能。

2.1自噬誘導(dǎo)自噬是細(xì)胞將受損的細(xì)胞器或老化的長壽命蛋白包裹至雙層膜囊胞，繼而運送到溶酶體降解的生物學(xué)過程，自噬可將細(xì)胞內(nèi)部有害物質(zhì)清除，并降解出可被細(xì)胞利用的氨基酸、核酸等，因此，自噬是維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的核心機制之一。二甲雙胍可通過調(diào)節(jié)AMPK/mTOR通路，誘導(dǎo)自噬。在白蛋白所致腎小管損傷[7]、斑馬魚多囊腎[15]、缺血/再灌注[16]及順鉑所致AKI研究中發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍通過AMPK/mTOR誘導(dǎo)腎小管上皮細(xì)胞自噬，減輕細(xì)胞損傷；而抑制AMPK活性或抑制自噬誘導(dǎo)，則明顯削弱二甲雙胍的腎臟保護作用。進一步研究發(fā)現(xiàn)，AMPK被二甲雙胍激活后，直接磷酸化自噬相關(guān)蛋白ULK1的Ser-317及717位點誘導(dǎo)自噬，而活化的mTOR可磷酸化ULK1的Ser-757位點，阻礙了AMPK對ULK1的上述作用而抑制自噬起始[17]，二甲雙胍可下調(diào)mTOR活性，解除其對ULK1的Ser-757位點的磷酸化，進而誘導(dǎo)自噬。因此，AMPK依賴的自噬誘導(dǎo)是二甲雙胍發(fā)揮腎臟保護作用的重要機制之一。

2.2抗衰老生理性和應(yīng)激因素所致腎臟固有細(xì)胞衰老會削弱其抗損傷和自我修復(fù)能力，增加AKI風(fēng)險并加速慢性腎臟病(chronic kidney disease，CKD)進程。二甲雙胍通過熱量限制(caloric restriction, CR)相關(guān)方式發(fā)揮其抗衰老作用，其機制也很可能通過AMPK/mTOR信號通路發(fā)揮作用。已有研究證實，二甲雙胍通過AMPK/mTOR通路，抑制高糖所致的腎小球系膜細(xì)胞[18]和近端小管上皮細(xì)胞[19]早衰及衰老的腎小管上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)分化[19]。遺憾的是，二甲雙胍的抗衰老作用尚未在動物模型中證實。

2.3抗內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細(xì)胞進行蛋白質(zhì)折疊、翻譯后修飾和運輸?shù)年P(guān)鍵細(xì)胞器。在應(yīng)激狀態(tài)下，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能受到干擾，引起大量蛋白質(zhì)發(fā)生錯誤折疊或修飾，產(chǎn)生細(xì)胞毒性蛋白質(zhì)，此即內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。二甲雙胍激活A(yù)MPK，誘導(dǎo)血紅素氧合酶-1的產(chǎn)生，抑制衣霉素和毒胡蘿卜素導(dǎo)致的GRP78和p-eIF2α的上調(diào)，從而抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，減輕腎小管上皮細(xì)胞凋亡，但沉默AMPK α1基因后，二甲雙胍的上述效應(yīng)只是減弱，表明其對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的抑制作用可部分獨立于AMPK之外[20]。此外，蛋白超負(fù)荷通過調(diào)節(jié)ROS-c-Src激酶-mTOR通路，引起腎小管上皮細(xì)胞發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，而應(yīng)用二甲雙胍可抑制白蛋白引起的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，從而減輕腎小管-間質(zhì)損傷[21]。因此，二甲雙胍可通過抗內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，保護腎臟細(xì)胞。

2.4抗氧化應(yīng)激氧化應(yīng)激參與多種腎臟疾病的發(fā)生和發(fā)展。研究證實，二甲雙胍對腎小管上皮細(xì)胞、足細(xì)胞均具有確切的抗氧化作用。它通過減弱反映細(xì)胞氧化水平的硫代巴比妥酸反應(yīng)物(thiobarbituric acid reactive substance, TBARS)和丙二醛(malondialdehyde, MDA)等的活性，以及提高超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)等酶類和非酶類抗氧化物水平，從而減輕慶大霉素、順鉑、腎結(jié)石等因素對腎小管上皮細(xì)胞的氧化應(yīng)激損傷。還有研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍通過AMPK依賴途徑，抑制NADPH氧化酶，減少線粒體活性氧簇(reactive oxygen species, ROS)產(chǎn)生，保護腎小管上皮細(xì)胞[5]、足細(xì)胞[8]免于高糖所致的損傷。綜上，二甲雙胍通過AMPK依賴的多種途徑，降低細(xì)胞ROS水平，提高酶類和非酶類抗氧化物水平，發(fā)揮抗氧化應(yīng)激作用。

2.5抗炎癥反應(yīng)核因子κB(nuclear factor kappa B, NF-κB)是一種調(diào)控機體炎癥反應(yīng)的重要細(xì)胞內(nèi)信號，NF-κB的活化導(dǎo)致其下游炎癥因子的產(chǎn)生和釋放，引起炎癥反應(yīng)。二甲雙胍劑量依賴地激活A(yù)MPK后，可抑制NF-κB抑制因子激酶(inhibitory NF-κB kinase, IKK)活性，削弱其對NF-κB抑制因子(inhibitory NF-κB, IκB)的磷酸化和降解，進而抑制NF-κB活化，降低炎癥因子白細(xì)胞介素1β(interleukin 1β, IL-1β)和TNF-α的釋放。二甲雙胍還可通過抑制Akt、ERK信號通路，抑制NF-κB活化[22]。此外，炎癥小體介導(dǎo)的IL-1β釋放參與T2DM患者炎癥反應(yīng)，二甲雙胍可通過AMPK依賴途徑，明顯抑制炎癥小體介導(dǎo)的IL-1β分泌[23]，這可能與二甲雙胍誘導(dǎo)自噬通路后對炎癥小體的下調(diào)有關(guān)[24]。此外，最新研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍也可通過下調(diào)Th17細(xì)胞和上調(diào)Treg細(xì)胞發(fā)揮抗炎作用[25]。因此，二甲雙胍通過多種途徑抑制腎臟炎癥反應(yīng)而保護腎臟。

Fig 1 The underlying mechanisms of non-hypoglycemic effect of metformin in renal protection

2.6抗纖維化腎小管-間質(zhì)纖維化是各類腎臟疾病發(fā)展至終末期腎衰竭的共同通路。腎小管萎縮和消失、腎間質(zhì)淋巴和單核細(xì)胞浸潤以及纖維組織增生是腎小管-間質(zhì)纖維化最基本病理改變。轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor β, TGF-β)是促腎小管-間質(zhì)纖維化的關(guān)鍵因子之一。在小鼠單側(cè)輸尿管梗阻模型中發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍通過激活A(yù)MPK，從而抑制腎小管-間質(zhì)纖維化，這可能是通過抑制TGF-β1/Smad3信號通路來實現(xiàn)的[26]。在敲除AMPK α2基因后，二甲雙胍仍有部分抑制該小鼠模型腎間質(zhì)纖維化的作用[26]，說明其抗腎纖維化作用并非完全通過AMPK信號通路。最近研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍也可通過競爭性抑制TGF-β1與TGF-β1受體的結(jié)合，抑制TGF-β1/Smad3信號通路[27]。此外，二甲雙胍還可抑制ERK信號通路的活化，抑制TGF-β信號通路[28]，這可能與其阻斷ERK信號通路，影響TGF-β介導(dǎo)的Smad3的轉(zhuǎn)錄活性有關(guān)[29]。因此，二甲雙胍通過AMPK依賴及非依賴途徑抑制TGF-β1/Smad3通路介導(dǎo)的腎間質(zhì)纖維化，延緩腎臟纖維化進程。

3 總結(jié)與展望

近年來大量研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍通過AMPK依賴和非依賴途徑誘導(dǎo)自噬、抗衰老、抗氧化應(yīng)激、抗內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、抗炎癥、抗纖維化等，發(fā)揮非降糖的腎臟保護作用(Fig 1)。雖然二甲雙胍非降糖腎臟保護作用仍有待高質(zhì)量的臨床試驗進一步驗證，但其具有開發(fā)成防治CKD和AKI藥物的巨大潛力，有望成為“新用老藥”的典范。

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