AMPK、PPARs在2型糖尿病中的作用機制及藥物研究

丁婕，傅繼華

(中國藥科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床藥學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211198)

糖尿病是一種慢性代謝疾病，主要分為1型和2型，其中2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)占90%以上，主要表現(xiàn)為胰島素敏感性降低或胰島素抵抗(insulin resistance,IR)，機體主要器官和組織糖脂代謝發(fā)生嚴重紊亂，其發(fā)病原因與遺傳、環(huán)境以及生活方式密切相關(guān)。據(jù)國際糖尿病聯(lián)盟報告，目前全球約有4.25億人患有糖尿病，其中四分之一以上的患者來自中國，如果缺乏有效干預(yù)，預(yù)計到2040年將增加到1.5億，糖尿病逐年升高的發(fā)病率和死亡率使其成為高度關(guān)注的社會公共衛(wèi)生問題[1]。IR是指由于各種原因引起的胰島素促進肝臟、肌肉和脂肪組織攝取和利用葡萄糖的效率降低，胰腺β細胞代償性分泌過量胰島素，最終β細胞功能受損，胰島素缺乏，機體長期處于高糖水平，若得不到及時有效的治療，可導(dǎo)致視網(wǎng)膜病變、糖尿病腎病、周圍神經(jīng)病變和心腦血管并發(fā)癥的發(fā)生，大大縮短了患者壽命[1-2]。單磷酸腺苷(adenosine monophosphate,AMP)激活的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)和過氧化物酶增殖物激活受體(peroxisome proliferater-activated receptors，PPARs)作為目前治療糖尿病的關(guān)鍵靶點，對糖脂代謝平衡起著重要的調(diào)節(jié)作用，以下將分別闡述其與T2DM的關(guān)系及相關(guān)藥物作用機制研究進展。

1 T2DM重要的分子靶點

1.1 AMPK AMPK是一種進化上保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，這種由催化亞基α(α1、α2)和調(diào)節(jié)亞基β(β1、β2)和γ(γ1、γ2、γ3)組成的異源三聚體復(fù)合物是全身能量平衡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)靶點。肝激酶B1(liver kinase B1,LKB1)和鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶激酶β(calcium/calmodulin-dependent protein kinase kinase β,CaMKKβ)分別通過AMP/ATP比值升高以及細胞內(nèi)Ca2+濃度升高磷酸化AMPKα亞單位的Thr-172位點，激活A(yù)MPK，從而抑制合成代謝過程，包括脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖原合成，激活分解代謝過程，例如脂肪酸(Fatty acid,FA)氧化和糖酵解[3]?？傊?，AMPK激活能夠改善胰島素敏感性及葡萄糖穩(wěn)態(tài)，其失活與各種代謝紊亂有關(guān)，同時也反映了其作為治療靶點的重要性[4]。

AMPK激活可以增加脂質(zhì)氧化，減少脂質(zhì)合成。其通過脂肪酸轉(zhuǎn)運蛋白CD36的易位增加脂肪酸攝?。煌ㄟ^磷酸化乙酰輔酶A羧化酶(acetyl CoA carboxylase,ACC)-2抑制丙二酰輔酶A，減少其對肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1(carnitine palmitoyltransferase I,CPT1)的抑制，增加脂肪酸氧化；通過磷酸化3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A還原酶(3-hydroxy-3-methyl glutaryl coenzyme A reductase,HMGR)抑制膽固醇合成；通過滅活甘油磷酸?；D(zhuǎn)移酶抑制甘油三酯(triglyceride,TG)和磷脂合成；AMPK磷酸化固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白-1(sterol regulatory element-binding protein-1,SREBP1)切割位點附近的保守絲氨酸，抑制其水解成活性形式入核，從而在轉(zhuǎn)錄水平下調(diào)ACC1和脂肪酸合酶(fatty acid synthase,FASN)表達，抑制脂肪酸合成。在脂肪組織中，AMPK直接磷酸化激素敏感脂肪酶(hormone-sensitive triglyceride lipase,HSL)和脂肪甘油三酯脂肪酶(adipose triacylglyceride lipase,ATGL)[5-7]，抑制脂解。

AMPK對糖代謝的調(diào)節(jié)主要是增加葡萄糖攝取，增加糖酵解并抑制糖異生。在骨骼肌和脂肪組織，AMPK通過磷酸化Rab GTPase活化蛋白(Rab GTPase activated protein,Rab-GAP) TBC1D1(Tre-2/BUB2/cdc1 domain family 1)的絲氨酸231位點，抑制其GAP活性，瞬時調(diào)節(jié)葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白(glucose transporter type 4,GLUT4)迅速轉(zhuǎn)位到胞膜，AMPK對GLUT4的長期影響是通過部分磷酸化組蛋白去乙?；?histone deacetylase,HDAC)-5，影響GLUT4的基因轉(zhuǎn)錄，從而增加葡萄糖攝?。煌ㄟ^磷酸化并激活磷酸果糖激酶(Phosphofructokinase,PFK)，生成糖酵解的最強激活劑2,6-二磷酸果糖，增加糖酵解；AMPK抑制糖異生主要通過兩個機制：①AMPK磷酸化環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄共激活因子2(CREB regulated transcriptional co-activator 2,CRTC2)使其失活，減少CREB靶基因的表達，如FOXO(forkhead box protein O)；②磷酸化組蛋白去乙酰化酶HDAC IIa家族(HDAC4,HDAC5,HDAC7和HDAC9)，使其活性降低，無法入核去乙?；⒓せ頕OXO，從而降低FOXO靶基因的表達，例如葡萄糖-6-磷酸酶(glucose-6-phosphatase,G6Pase)和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase,PEPCK)，減少肝糖異生[7]。

1.2 PPARs PPARs是一類配體激活的核轉(zhuǎn)錄因子超家族成員，包括PPARα(NR1C1)，PPARβ/δ(NR1C2)和PPARγ(NR1C3)3種表型，其與視黃醇類X受體(retinoid X receptor,RXR)形成異源二聚體，結(jié)合DNA并調(diào)節(jié)靶基因轉(zhuǎn)錄[8]。它們在肥胖和T2DM發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，是治療代謝綜合征的最有希望的靶標之一。

PPARα 主要表達于FA氧化能力較強的組織(肝、心臟、骨骼肌等)，調(diào)節(jié)參與脂質(zhì)和血漿脂蛋白代謝相關(guān)的基因的表達，PPARα 通過上調(diào)FA轉(zhuǎn)運蛋白和CPT1增加FA攝取及轉(zhuǎn)運；誘導(dǎo)線粒體?；o酶A脫氫酶的表達，促進肝臟FA氧化。同時PPARα激活通過調(diào)節(jié)肝臟載脂蛋白的合成降低血漿TG和低密度脂蛋白膽固醇(low density lipoprotein cholesterol,LDL-c)水平并提升高密度脂蛋白膽固醇(high density lipoprotein cholesterol,HDL-c)濃度，這些作用糾正了脂代謝紊亂進而增加糖代謝的穩(wěn)定性[9]。

PPARβ/δ 廣泛表達，在促進骨骼肌，肝臟和心臟等代謝組織中的FA氧化方面與PPARα 有類似的作用，同時也控制炎癥和胰島素敏感性。在肝臟中，PPARβ/δ 激活誘導(dǎo)Insig1基因表達，減少SREBP1c的蛋白酶切加工成活性形式，抑制脂肪生成基因的表達，減少肝臟脂質(zhì)沉積，改善肥胖和糖尿病動物模型中的肝脂肪變性[10]。在骨骼肌中，PPARβ/δ 激活上調(diào)參與FA氧化的基因，如CPT1和丙酮酸脫氫酶激酶4(pyruvate dehydrogenase kinase4,Pdk4)的表達，減少二酰甘油(diacylglycerol,DAG)的積聚，減弱了DAG-PKCθ-NF-kB途徑的激活，改善胰島素信號傳導(dǎo)及IR[11]。在脂肪組織中，PPARβ/δ 激活促進巨噬細胞向抗炎M2表型轉(zhuǎn)化，減少炎癥反應(yīng)，并通過抑制STAT3-SOCS3 抑制IL-6誘導(dǎo)的IR[12]。在胰腺中，PPARβ/δ 激活促進胰高血糖素樣肽-1(glucagon-likepeptide1,GLP-1)受體表達，增強GLP-1對脂毒性誘導(dǎo)的凋亡的保護作用，并增加葡萄糖刺激的胰島素分泌(glucose-stimulated insulin secretion,GSIS)。PPARβ/δ 激活也改善了FA誘導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，有助于預(yù)防肥胖和T2DM[13]。

PPARγ 在白色和棕色脂肪組織中高度表達，是全身脂質(zhì)代謝，脂肪生成和胰島素敏感性的主要調(diào)節(jié)者[14]。PPARγ 激活促進前脂肪細胞分化為成熟脂肪細胞，刺激脂肪細胞中FA的貯存，降低血漿FA濃度，減少骨骼肌、肝臟和胰腺中脂質(zhì)蓄積，同時通過調(diào)節(jié)脂肪細胞與IR相關(guān)的激素、細胞因子和蛋白的表達增強對胰島素的敏感性。脂肪組織PPARγ 激活還可抑制肝糖生成并逆轉(zhuǎn)高胰島素血癥[15]。PPARγ可以促進PI3K 基因表達，增強外周組織對胰島素的敏感性，還可以刺激GLUT4表達及轉(zhuǎn)位，促進對葡萄糖的攝取，降低血糖水平從而改善IR[16]。

2 相關(guān)藥物研究進展

2.1 AMPK激動劑 二甲雙胍作為治療T2DM的一線降糖藥物，已被確定為肝細胞、骨骼肌細胞中AMPK通路的激活劑，在分子水平，二甲雙胍抑制肝臟線粒體呼吸鏈復(fù)合物1(Complex 1)，阻止線粒體ATP的產(chǎn)生。因此，細胞質(zhì)ADP/ATP和AMP/ATP比值升高，從而激活A(yù)MPK，活化的AMPK磷酸化ACC1和ACC2，抑制脂肪合成的同時促進脂肪氧化，從而減少肝臟脂質(zhì)儲存并增強肝臟胰島素敏感性[17]。二甲雙胍抑制肝糖異生主要通過以下幾個機制：①AMP/ATP比值升高抑制果糖-1，6-二磷酸酶(fructose l,6-bisphosphatase,FBPase)，導(dǎo)致糖異生的急性抑制。②AMPK磷酸化并激活cAMP(cyclic adenosine monophosphate)特異性3′，5′-環(huán)磷酸二酯酶4B(cAMP-specific 3′,5′-cyclic phosphodiesterase 4B,PDE4B)導(dǎo)致cAMP分解或通過抑制腺苷酸環(huán)化酶(adenylate cyclase,AC)并降低cAMP生成，減少cAMP依賴性蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)激活，從而減少下游糖異生酶—PEPCK和G6Pase的表達[18]。③抑制肝糖異生需要蛋白質(zhì)蘇氨酸激酶—肝激酶B1(liver kinase B1,LKB1)，LKB1磷酸化AMPK，通過雷帕霉素靶蛋白C2(target of rapamycin C2,TORC2)，減少PPARγ共激活因子1α(PPAR gamma coactivator 1-alpha,PGC1α)，最終調(diào)節(jié)PEPCK的表達[19]。④抑制線粒體甘油磷酸脫氫酶(mitochondria glycerol 3 phosphate dehydrogenase,mG3PDH)，影響NADH(nicotinamide adenine dinucleotide)從細胞質(zhì)轉(zhuǎn)運到線粒體，抑制來自乳酸的糖異生過程[20]?？傊?，二甲雙胍可以通過降低血漿FFA以及抑制肝臟糖異生，以促進肝臟骨骼肌、脂肪等胰島素敏感性組織對葡萄糖的攝取和利用，改善胰島素敏感性。此外，二甲雙胍還對炎癥有直接影響，包括影響核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)通路，抑制單核細胞向巨噬細胞的分化，以及抑制巨噬細胞產(chǎn)生的促炎細胞因子[21]。二甲雙胍還能通過增加AMPK依賴的內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)的活性改善糖尿病患者內(nèi)皮功能，減少心血管事件的發(fā)生[22]。

目前最新的AMPK激活劑為Poxel 研發(fā)的Imeglimin，用于治療2型糖尿病的研究處于臨床Ⅲ期[23]。Imeglimin在降低糖化血紅蛋白(glycated hemoglobin A1c，HbA1c)和空腹血糖方面與二甲雙胍臨床效果相似，副作用發(fā)生率低，尤其是低血糖。Imeglimin對T2DM所致的骨骼肌葡萄糖攝取受損，肝臟糖異生過量，β細胞凋亡增加均有良好的改善作用[24]，預(yù)防內(nèi)皮功能障礙避免糖尿病引起的微血管和大血管缺陷的優(yōu)勢使其廣受關(guān)注，有望用作單一療法或與其他藥物聯(lián)用治療T2DM。

2.2 PPARs激動劑 貝特類是常用的PPARα 激動劑，通常用于治療與2型糖尿病并發(fā)的血脂異常，顯著降低TG并增加HDL-c，但無法改善T2DM患者的葡萄糖穩(wěn)態(tài)。然而，PPARα 激活改善前驅(qū)糖尿病患者的葡萄糖穩(wěn)態(tài)[25]，并可能阻止前驅(qū)糖尿病轉(zhuǎn)為明顯的T2DM。這種效果可能源于保護胰腺β 細胞免受脂毒性[26]以及減少由膽汁糖蛋白癌胚抗原相關(guān)細胞黏附分子1(carcinoembryonic antigen-related cell adhesion molecule 1，CEACAM1)介導(dǎo)的胰島素清除[27]。

臨床關(guān)于T2DM治療研究最多的是PPARγ，常用的PPARγ激動劑為噻唑烷二酮藥物(TZDs)，也被稱為胰島素增敏劑，主要有羅格列酮和吡格列酮。TZDs通過直接或間接方式介導(dǎo)胰島素增敏作用[28]。一方面，根據(jù)“脂質(zhì)竊取”理論，TZDs促進FA在脂肪組織中的攝取和儲存。結(jié)果，在非脂肪組織，如肝臟，肌肉和胰腺中脂肪堆積減少，保護這些組織免受高游離FA的損害(脂毒性)，增加葡萄糖在外周的利用。這個過程中PPARγ 調(diào)節(jié)的目標基因包括脂蛋白脂肪酶，F(xiàn)A轉(zhuǎn)運蛋白和氧化LDL受體-1，以上均促進FA向脂肪細胞遷移[29]。TZDs還通過增加胰島素增敏脂肪因子的基因表達，如脂聯(lián)素，并降低參與誘導(dǎo)IR的脂肪因子的基因表達，如TNF-α，抵抗素和11-β-羥基類固醇脫氫酶-1(11-βHSD1)間接調(diào)節(jié)胰島素敏感性[30]。

基于PPARα和PPARγ在調(diào)節(jié)脂質(zhì)和葡萄糖穩(wěn)態(tài)方面各不相同卻又互補的作用，研究人員嘗試開發(fā)PPARα/γ雙重激動劑，以獲得更好的治療效果及更少的不良反應(yīng)。洛貝格列酮硫酸鹽(lobeglitazone sulfate)作為PPARα、γ 雙重激動劑，于2013年獲韓國食品藥品管理局(KFDA)批準上市。其通過與脂肪細胞中PPAR結(jié)合，使脂肪細胞對胰島素更加敏感。該藥作為結(jié)合飲食和運動的輔助療法，用于改善成年2型糖尿病患者的血糖控制。同年，另一種新型PPARα/γ 激動劑沙羅格列扎(saroglitazar)在印度上市，其主要激活PPARα中度激活PPARγ，因此沒有典型的PPARγ 副作用(體重增加)，該藥適用于他汀類藥物無法控制的由T2DM引起的血脂異常和高甘油三酯血癥[31]。

PPARβ/δ可以緩解PPARγ對脂肪細胞分化的誘導(dǎo)，減少脂肪堆積。目前PPARβ/δ作為靶標治療T2DM 的研究還不完善，GW501516作為首個PPARβ/δ激動劑在臨床試驗IIa期顯示出良好的改善脂質(zhì)代謝、增加肝臟葡萄糖處理和增強胰島素敏感性的作用[32]，但因前腺癌風(fēng)險而終止，這也促進其他PPARβ/δ 激動劑的進一步研發(fā)。此前，由Genfit研發(fā)的PPARα、δ雙重激動劑Elafibranor(GFT505)證實在嚙齒動物模型中具有廣泛的抗脂肪變性，抗炎和抗纖維化效果。其用于治療2型糖尿病、血脂異常、動脈粥樣硬化和IR的研究處于臨床II期。IIa期臨床試驗顯示Elafibranor可以降低腹部肥胖的血脂異?；蚯膀?qū)糖尿病患者的TG和殘余膽固醇水平，增加HDL-c水平。此外，高胰島素-正常血糖鉗夾試驗結(jié)果顯示，Elafibranor改善前驅(qū)糖尿病患者肝臟和外周胰島素敏感性[33]。

PPARα、γ、δ三重激活劑既能提高機體對胰島素的敏感性，又可以通過調(diào)節(jié)游離FA和TG的含量來降低白色脂肪的沉積，因此，有望減少心血管并發(fā)癥的發(fā)生又不誘發(fā)肥胖。 目前處在臨床Ⅲ期的西格列他鈉能夠同時低強度激活PPARα、γ和δ受體，有效地抑制由肥胖及炎癥因子激活的CDK5對PPARγ的磷酸化，從而選擇性地改變一系列與胰島素增敏相關(guān)基因的表達[34]，該產(chǎn)品已完成的臨床前研究和臨床I、II期試驗結(jié)果中，西格列他鈉表現(xiàn)出與現(xiàn)有TZDs類藥物不同的體外活性和體內(nèi)療效特點，并表現(xiàn)出良好的綜合治療效果及臨床安全性。

3 總結(jié)與展望

本綜述重點總結(jié)了T2DM發(fā)病過程中重要的分子靶點(AMPK,PPARs)及相關(guān)藥物在T2DM治療中的作用機制，利于我們充分理解T2DM的發(fā)生及發(fā)展過程，并為臨床治療方案的選擇提供新的思路。基于此，研究人員可以從分子機制入手，進一步開發(fā)出新型有效的抗糖尿病藥物，從而為T2DM患者帶來新的希望。