成纖維細胞生長因子21在糖尿病中的轉化應用研究進展

王文飛， 李德山

（東北農業(yè)大學生命科學學院, 黑龍江 哈爾濱 150030）

2型糖尿病是一種由多種原因導致的，以慢性高血糖為主要特征的代謝性疾病，目前臨床上尚無治愈的方法，患者需要終身服藥以維持血糖平穩(wěn)。糖尿病如果不能得到有效控制，可引起體內多系統損害，導致眼、腎、神經、心臟、血管等組織的慢性進行性病變，引起功能缺陷乃至衰竭。糖尿病因其并發(fā)癥多、致殘率高的特點已成為現階段全世界需要著力應對的公共衛(wèi)生問題。國際糖尿病聯盟最新的統計數據顯示，目前全球糖尿病患者共有4.25億，比10年前增加近1倍，此外尚有3.52億人處于糖耐量受損狀態(tài)，這類人群具有極高的發(fā)病風險。我國的糖尿病發(fā)病人數位列全球第一，目前我國成年人（20 ～ 79歲）中有1.14億人為糖尿病患者，用于糖尿病治療方面的費用超過千億元[1]。

盡管目前已有多種藥物用于糖尿病的臨床治療，但是這些藥物普遍存在低血糖、胃腸道反應、肝腎功能損害、過敏反應、加重心臟負擔等方面不良反應。因此，開發(fā)理想的糖尿病治療藥物一直是醫(yī)藥研發(fā)領域的熱點。理想的糖尿病治療藥物需符合以下幾個要求：1）具有新穎的作用機制。目前傳統的降糖藥物多依賴于胰島素途徑，當糖尿病患者處于嚴重的胰島素抵抗狀態(tài)時，多數藥物無法有效發(fā)揮作用，加量用藥則會大大提高副作用的發(fā)生率，所以開發(fā)不依賴胰島素通路、針對新靶點的降糖藥物勢在必行。2）與現有降糖藥物無拮抗。多數糖尿病患者需同時服用幾種藥物以控制病情，延緩并發(fā)癥的發(fā)生，因此，研發(fā)人員必須考慮新型藥物與傳統藥物的關聯性，最好是兩者有協同降糖效果。3）全面改善機體內環(huán)境。隨著對糖尿病發(fā)病機制的研究，研究人員發(fā)現機體內的脂代謝、氧化應激、炎癥因子水平等都是糖尿病發(fā)生發(fā)展的危險因素。單純控制血糖而不解決上述因素，可能導致糖尿病病程后期對藥物的敏感性下降而影響治療效果。

基于以上認識，研究人員在研發(fā)時著重篩選符合上述要求的分子，目前已開發(fā)多個具備上述條件的分子，正在進行和準備進行臨床試驗。其中，東北農業(yè)大學李德山教授團隊和溫州醫(yī)科大學李校堃教授團隊分別研發(fā)的成纖維細胞生長因子21（ fi broblast growth factor 21，FGF-21）類似物就是其中的佼佼者。

1 成纖維細胞生長因子21功能概述

FGF-21是2000年發(fā)現的FGF家族的成員[2]，與該家族的其他成員不同，該因子不具備刺激細胞增殖的活性，但在調節(jié)機體物質代謝方面表現出非比尋常的功 能。2005年，Kharitonenkov等[3]提 出，FGF-21可獨立誘導鼠3T3-L1脂肪細胞和人脂肪細胞糖吸收，效果顯著且持久。這一發(fā)現隨即引起了科研人員的廣泛關注。隨著研究的深入，越來越多的結果證實該細胞因子符合研究人員對理想糖尿病治療藥物的要求。

1.1 信號傳導途徑

與FGF家族的大部分成員一樣，FGF-21同樣通過成纖維細胞生長因子受體（ fi broblast growth factor receptors，FGFRs）傳遞信號。但是，與傳統的FGF成員不同的是，FGF-21結合FGFRs不依賴于肝素，而是需要另一個膜蛋白β-Klotho的輔助[4-5]。FGF-21分子的C端結合β-Klotho分子的胞外區(qū)后，在其幫助下繼續(xù)結合FGFR1c形成三聚體，誘導FGFR1c的磷酸化，啟動信號向細胞內傳導[6]。已有研究證實，成纖維細胞生長因子受體底物2α（FGFR substrate 2α，FRS2α）、細胞外調節(jié)蛋白激酶1/2（extracellular regulated protein kinases 1/2，ERK1/2）、蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）等因子參與了FGF-21信號傳遞[7-8]，但是截至目前，研究人員對FGF-21信號在細胞內的傳遞通路仍然不太清楚，未來仍然需要對FGF-21特有的信號傳導途徑進行進一步研究。

1.2 長效降糖活性

FGF-21降糖的長效性是其引起研究人員關注的重要原因，尤其是長時間應用FGF-21刺激后，即使降低FGF-21作用劑量也能維持糖尿病模型鼠血糖水平平穩(wěn)[9-10]。最初研究人員試圖將FGF-21降糖的長效性歸功于FGF-21能夠顯著改善胰島素敏感性。但是最近的研究證明FGF-21對中樞神經系統（central nervous system，CNS）的調節(jié)是造成該因子長效控制血糖平穩(wěn)的主要因素。肝臟或脂肪中beta-klotho基因被敲除的小鼠仍然能對FGF-21長時間的作用作出反應[11-12]，而CNS上的beta-klotho基因被敲除后，FGF-21喪失了對機體血糖的調控能力[13-14]。以上研究結果證明：FGF-21調控機體代謝機制不僅僅局限在刺激肝臟、脂肪等傳統糖尿病治療藥物作用靶器官，還可以通過CNS調控交感神經系統調節(jié)機體血糖平穩(wěn)。

1.3 與現有糖尿病治療藥物的協同作用

雖然FGF-21可不依賴現有降糖藥物獨立發(fā)揮作用，但該因子與胰島素等降糖藥物有顯著的協同效果。對胰島素途徑而言，FGF-21干預不僅能夠保護胰島細胞，改善機體內源性胰島素的分泌，還能夠有效增強機體對胰島素的敏感性，緩解胰島素抵抗狀態(tài)，同時這2種蛋白疊加使用能夠顯現顯著的協同作用[3]。除胰島素外，也有報道指出利拉魯肽、二甲雙胍等常用糖尿病治療藥物也能與FGF-21產生協同作用或者直接通過促進FGF-21分泌來發(fā)揮自身的降糖活性[15-16]。

1.4 對糖尿病發(fā)病因素的緩解作用

糖尿病的治療不應局限于糖代謝，而是需全方面調理機體的內環(huán)境。例如改善脂代謝、糾正慢性低度炎癥反應以及改善氧化應激水平等方面，FGF-21表現得尤為出色。嚙齒類和靈長類動物實驗中，FGF-21都顯示了卓越的血脂調節(jié)能力[17-18]。此外，FGF-21對機體炎癥水平也有重要的調節(jié)作用：一方面，FGF-21通過改善脂肪代謝，減少機體脂肪細胞堆積來降低脂肪源炎癥因子表達[18]；另一方面，FGF-21還可以直接抑制不同細胞內核因子 κB (nuclear factor kappa-B，NF-κB) 通路的過度活化[19]，緩解機體炎癥反應[20]。FGF-21在改善機體氧化應激上也有突出的表現，筆者課題組發(fā)現FGF-21可通過NrF2通路直接上調抗氧化酶系的表達，顯著降低機體內活性氧 (reactive oxy gen species，ROS)和丙二醛 (malondialdehyde，MDA)含量[21-22]。

1.5 安全性

糖尿病患者需終身服藥，因此FGF-21的安全性評價對其能否成為糖尿病治療藥物至關重要。促進細胞增殖是大部分FGF家族成員主要的活性特征，而該活性意味著潛在的致癌作用，因此，研究人員非常關注FGF-21是否具有類似的功能。慶幸的是，截至目前，尚未見提示FGF-21有類似功能的報道。當然，在上千篇報道中，研究人員在嚙齒類動物實驗中發(fā)現FGF-21也會誘發(fā)一些不良反應，例如降低骨密度和抑制生殖能力等[23-24]，但這些結果與靈長類動物研究以及臨床調查結果并不一致[25-26]。而且也有研究證明，FGF-21對嚙齒類動物骨骼生長和生殖能力的影響并非直接的生物學作用，而是由于FGF-21引起的大量能量消耗，從而導致的營養(yǎng)不足[27]。此外，有報道稱FGF-21高表達可顯著延長嚙齒類動物的壽命[28]。美國FDA也批準了多個FGF-21類似物進入臨床研究。因此，至今尚沒有證據證實FGF-21對人體產生嚴重的副作用。

2 臨床試驗進展

鑒于FGF-21調節(jié)機體代謝尤其是糖代謝的優(yōu)異作用，眾多醫(yī)藥公司將其視為治療糖尿病等代謝性疾病的潛在藥物，而投入大量的人力、物力進行研究。禮來是世界上首個嘗試利用FGF-21類似物治療糖尿病的公司，在給肥胖和糖尿病患者應用FGF-21類似物28 d后，患者的血脂異常得到顯著緩解，胰島素水平降低，但意外的是血糖水平只是顯示了輕微的劑量依賴性下降傾向，效果并不顯著[29]。輝瑞公司其后也進行了相應的為期29 d的臨床試驗，其結果與禮來公司的數據相似，輝瑞公司的FGF-21類似物PF-05231023能夠改善患者體質量和血脂，但是對血糖的調控并不明顯[14]。近期發(fā)表的文獻顯示，在為期12周和16周的臨床試驗中，聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）修飾的FGF-21類似物對脂肪肝治療表現出優(yōu)異的治療效果，并降低了肥胖及糖尿病患者的胰島素抵抗水平，但是對糖化血紅蛋白水平沒有顯著的影響[30-31]。雖然與嚙齒類動物相比，人體的棕色脂肪含量較低，脂肪介導的能量消耗占總體能量消耗不如嚙齒類動物，從而間接導致FGF-21在人體上展現的生物學活性弱于嚙齒類動物，但是，以上結果也提示FGF-21的生物學活性可能存在種屬特異性[32]。

3 國內成纖維細胞生長因子21的轉化研究進展

3.1 應用研究

與科學研究不同，應用研究在探討產品功能的同時，也著重于解決影響產品上市的實際問題，例如是否有專利權、生產工藝等。由于FGF-21野生型分子序列已被國外申請專利，所以獲得擁有自主產權的分子是FGF-21應用研究的首個問題，此外，野生型FGF-21也具有制約其成為新型糖尿病治療藥物的瓶頸問題——半衰期短。因此，研究人員必須通過大量實驗來尋找最優(yōu)的蛋白改造方法，一方面是通過改造蛋白來獲得具有自主知識產權的候選分子，另一方面也是希望通過改造基因以解決野生型FGF-21半衰期短的問題。筆者所在團隊在對鼠源FGF-21多個氨基酸進行人源化修飾后，結合蛋白C端修飾，最終所得的人源化FGF-21重組蛋白——“脂糖素”的降糖活性不僅優(yōu)于野生型蛋白，還顯著優(yōu)于商品化的長效降糖藥物利拉魯肽和甘精胰島素。這些研究結果為最后獲得擁有自主知識產權的產品打下了堅實的基礎[33-34]。除了獲得蛋白的專利權外，建立高效穩(wěn)定的蛋白生產工藝，也是推動FGF-21走向轉化應用的重要環(huán)節(jié)。野生型FGF-21蛋白熱穩(wěn)定性差，體外生產時產量較低，且該因子在體外不與任何物質發(fā)生可逆性親和，增加了純化難度。為達到利用原核表達平臺高效生產FGF-21重組蛋白的目的，研究人員利用SUMO融合表達技術[35]建立了大腸桿菌可溶性表達體系，利用蛋白修飾和親和色譜相結合的方法獲得了純度達到99.5%的FGF-21重組蛋白，并利用PEG修飾延長FGF-21在體內的半衰期[8,9,36]。

3.2 基礎研究推動成纖維細胞生長因子21順利轉化

科技成果轉化是推動我國高質量發(fā)展的重要技術支撐，推動FGF-21走向應用是筆者所在團隊在研究初期就設立的目標。目前，“脂糖素”已轉讓天津天士力制藥集團有限公司，雙方正積極推進其進入臨床試驗。此外，溫州醫(yī)科大學李校堃團隊研發(fā)的FGF-21類似物也已經完成了臨床前所有的準備工作，目前正在申請臨床試驗，預計2019年可拿到臨床試驗許可。這2個團隊之所以能夠穩(wěn)步推進FGF-21轉化，主要原因就是兩者能夠很好地平衡基礎研究與應用研究之間的關系。在進行應用研究的同時，2個團隊一直未放松在FGF-21作用機制等方面的基礎研究，并取得多項重要的研究成果。例如李校堃團隊報道FGF-21/adipnectin軸在FGF-21生物學活性中的作用[37]，為深入了解該因子的功能提供了重要的理論依據。理論研究不僅堅定了筆者所在團隊開發(fā)FGF-21的信心，也有助于對FGF-21藥用價值進行深入開發(fā)。結合基礎研究數據，筆者所在團隊和李校堃團隊陸續(xù)發(fā)現了FGF-21對肝癌[38]、類風濕性關節(jié)炎[39]、肝纖維化[40-41]、動脈粥樣硬化等疾病的治療效果[42]，引起了國內外同行的廣泛關注，從而加快了轉化進程。由此可見，堅實的基礎研究是科研成果最終能成功轉化的基石。

4 展望

大量研究結果證明，脂代謝異常、炎癥和氧化應激是胰島素抵抗，進而發(fā)展成為2型糖尿病的病理基礎，持續(xù)高血糖又進一步惡化了體內炎癥和氧化應激環(huán)境，從而引起大血管、微血管、視網膜、腎損傷等并發(fā)癥，甚至導致死亡。筆者所在團隊和國內外同行的研究結果都證明，FGF-21不僅可以同步調節(jié)血糖/血脂，還可以有效緩解2型糖尿病的炎癥和氧化應激狀態(tài)，并降低由持續(xù)高血糖引起的晚期糖基化終末產物的水平，從而減少和防止糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生和發(fā)展。迄今為止，國內外還沒有任何降糖藥物像FGF-21那樣，全面、系統地改善2型糖尿病的病理狀態(tài)。上述研究結果使FGF-21脫穎而出，有望成為治療糖尿病的理想藥物。我國不論在FGF-21的應用研究還是基礎研究方面都處于國際領先的地位，在我國當前科技成果轉化效率低的大環(huán)境下，治療糖尿病的FGF-21類似物率先將基礎研究轉化為應用研究，將應用研究成果向產業(yè)化推進，有望在世界率先推向臨床，成為我國自主創(chuàng)新的新型2型糖尿病治療藥物。