胰島β細(xì)胞保護(hù)策略研究進(jìn)展

王 靜，劉紅霞，蔡?hào)|成，何朝勇

（中國(guó)藥科大學(xué)藥學(xué)院藥理系，南京211198）

糖尿病是以血液中葡萄糖水平升高為主要特征的代謝性疾病。隨著生活水平不斷提高，糖尿病發(fā)病率急劇上升。流行病學(xué)數(shù)據(jù)表明，2017年至2045年，糖尿病患者增長(zhǎng)率將超過50%，糖尿病患者數(shù)預(yù)計(jì)達(dá)到6.93億［1］。

胰島素抵抗導(dǎo)致胰島β細(xì)胞代償性分泌更多胰島素以維持機(jī)體正常的血糖水平，隨病程延長(zhǎng)，胰島β細(xì)胞功能和數(shù)量逐漸下降［2］。早期胰島β細(xì)胞死亡的可能機(jī)制包括線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和糖脂毒性等。因此，恢復(fù)胰島β細(xì)胞功能及體量對(duì)治療糖尿病具有重要意義。本文基于糖尿病發(fā)病機(jī)制及胰島β細(xì)胞死亡的不同作用機(jī)制綜述了胰島β細(xì)胞保護(hù)的最新研究進(jìn)展，旨在探討恢復(fù)胰島β細(xì)胞功能及體量在糖尿病治療中的必要性。

1 增強(qiáng)胰島β細(xì)胞功能，促進(jìn)胰島素合成與分泌

胰島β細(xì)胞是機(jī)體唯一可以合成并分泌胰島素的細(xì)胞。促進(jìn)胰島素合成與分泌是增強(qiáng)胰島β細(xì)胞功能的主要方式。

1.1 調(diào)節(jié)胰島素合成相關(guān)靶點(diǎn)

胃饑餓素（ghrelin）是生長(zhǎng)激素促分泌素受體的內(nèi)源性配體，它可以促進(jìn)生長(zhǎng)激素的分泌，并與能量代謝息息相關(guān)。Gray等［3］發(fā)現(xiàn)，ghrelin顯著提高大鼠前胰島素原mRNA的表達(dá)，從而促進(jìn)胰島素的合成。同時(shí)，一些轉(zhuǎn)錄因子參與調(diào)控胰島β細(xì)胞合成與分泌胰島素。Yang等［4］發(fā)現(xiàn)，miR-96抑制轉(zhuǎn)錄因子Sox6活性增強(qiáng)胰島素的合成與分泌，促進(jìn)胰島β細(xì)胞的功能。Villamayor等［5］報(bào)道在胰腺特異性敲除GATA結(jié)合蛋白6（GATA binding protein 6，GATA6）小 鼠 中 ，轉(zhuǎn) 錄 因 子 PDX1、NKX6.1和MafA等蛋白表達(dá)顯著下調(diào)，未成熟的胰島素顆粒增多，胰島素合成減少，分泌受損。

1.2 免疫細(xì)胞和胰島β細(xì)胞

胰島內(nèi)存在一定數(shù)量的先天性免疫細(xì)胞，其中巨噬細(xì)胞占80%左右。研究發(fā)現(xiàn)，胰島內(nèi)先天免疫細(xì)胞可調(diào)控胰島β細(xì)胞功能，維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)［6］。在胰管結(jié)扎小鼠模型中，M2型巨噬細(xì)胞可通過分泌轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1，誘導(dǎo)胰島β細(xì)胞中Smad7的上調(diào)，從而促進(jìn)胰島β細(xì)胞增殖［7］。相反，小鼠巨噬細(xì)胞部分清除模型中胰島β細(xì)胞增殖明顯受抑制［8］，因此，巨噬細(xì)胞對(duì)于誘導(dǎo)胰島β細(xì)胞增殖和更新具有重要的調(diào)控作用。Dalmas等［9］研究發(fā)現(xiàn)，胰島間充質(zhì)細(xì)胞分泌的IL-33作用于胰島內(nèi)駐留的第2組先天淋巴樣細(xì)胞（islet-resident group 2 innate lymphoid cells，ILC2s），通過分泌IL-13和集落刺激因子2促進(jìn)巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞中產(chǎn)生視黃酸，從而誘導(dǎo)胰島β細(xì)胞分泌胰島素。目前，胰島內(nèi)的先天性免疫細(xì)胞及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)促進(jìn)胰島β細(xì)胞維持更新、分泌胰島素的詳細(xì)機(jī)制尚不明確，仍需進(jìn)一步深入研究。

1.3 腸道菌群和胰島β細(xì)胞

除胰島內(nèi)駐留的先天免疫細(xì)胞對(duì)胰島功能起調(diào)節(jié)作用外，腸道菌群對(duì)于調(diào)控胰島功能具有重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌來源的短鏈脂肪酸可激活迷走神經(jīng)促進(jìn)胰島素分泌。Zhang等［10］發(fā)現(xiàn)腸道潘氏細(xì)胞分泌的溶菌酶可激活腸道共生菌釋放肽聚糖受體1（nod like receptor1，Nod1），促進(jìn)下游銜接蛋白R(shí)ip2定位至胰島素小泡，招募Rab1a驅(qū)動(dòng)胰島素轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)胰島素分泌。

1.4 常見促胰島素分泌劑

目前臨床上使用的促胰島素分泌劑包括磺酰脲類藥物和格列奈類藥物?；酋ｋ孱愃幬锿ㄟ^與胰島β細(xì)胞膜上的磺酰脲受體（sulphonylurea receptor，SUR）結(jié)合，阻斷與其偶聯(lián)的ATP敏感鉀通道（ATP-sensitive potassium channel，KATP），引起鈣通道開放，使胞漿內(nèi)鈣離子濃度升高，從而刺激胰島素分泌。格列奈類藥物同樣作用于胰島β細(xì)胞膜上的KATP，但這兩類藥物僅適用于胰島功能尚存的糖尿病患者。促胰島素分泌劑的長(zhǎng)期使用易導(dǎo)致胰島β細(xì)胞凋亡［11］。因此，尋找促進(jìn)胰島素分泌并對(duì)胰島β細(xì)胞具有保護(hù)功能的藥物作用新靶點(diǎn)對(duì)于糖尿病治療意義重大。目前，臨床中現(xiàn)有的降糖藥對(duì)胰島β細(xì)胞功能和存活作用尚不明確。本課題組通過對(duì)磺酰脲類降糖藥物進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)格列美脲顯著抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激引起的胰島β細(xì)胞凋亡，可以有效恢復(fù)胰島β細(xì)胞功能與體量，降低小鼠體內(nèi)血糖水平。

研究發(fā)現(xiàn)，胰高血糖素樣肽-1（glucagon like peptide 1，GLP-1）作為腸促胰島素激素，可促進(jìn)胰島素分泌，誘導(dǎo)胰島β細(xì)胞增殖，從而抑制胰島β細(xì)胞凋亡［12］。但是，體內(nèi)有活性的GLP-1易被二肽基肽酶（dipeptidyl peptidase-4，DPP4）水解，導(dǎo)致GLP-1失活，減弱其胰島β細(xì)胞保護(hù)功能?；谏鲜鰴C(jī)制，目前已開發(fā)GLP-1受體激動(dòng)劑利拉魯肽和DPP-4抑制劑西格列汀，均已應(yīng)用于臨床。

2 抑制胰島β細(xì)胞凋亡

1型糖尿病中，胰島β細(xì)胞特異性抗原誘導(dǎo)T細(xì)胞分化成熟，誘發(fā)細(xì)胞因子如IL-1β，TNF-α和NO的分泌，從而促進(jìn)胰島β細(xì)胞凋亡［13］。2型糖尿病中，糖脂毒性等可引起線粒體功能受損和ATP合成減少，減弱胰島素分泌［14］。此外，高血糖和游離脂肪酸誘導(dǎo)活性氧生成，可引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)等，促進(jìn)胰島β細(xì)胞凋亡。因此，抑制胰島β細(xì)胞凋亡可有效恢復(fù)胰島β細(xì)胞功能和體量。

2.1 線粒體和胰島β細(xì)胞

線粒體功能障礙可引起胰島β細(xì)胞胰島素分泌受阻，并可啟動(dòng)細(xì)胞凋亡程序。Zhang等［15］發(fā)現(xiàn)，高糖引起電壓依賴性陰離子通道1（voltage-dependent anion-selective channel protein1，VDAC1）表達(dá)升高，VDAC1通過錯(cuò)誤地靶向胰島β細(xì)胞膜引起細(xì)胞中ATP損耗、細(xì)胞代謝-分泌脫偶聯(lián)，降低細(xì)胞功能（圖1）。研究證實(shí)，傳統(tǒng)胰島素增敏劑二甲雙胍具有抑制VDAC1的功能。此外，在糖尿病大鼠中，蒽醌-糖苷通過抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)和線粒體凋亡，改善血脂代謝，減少胰島β細(xì)胞凋亡［16］。

Figure 1 Mechanisms of islet β cell apoptosis in type 2 diabetes

2.2 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和胰島β細(xì)胞

胰島β細(xì)胞中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分布廣泛，以維持正常的胰島素分泌和釋放［17］。高糖環(huán)境下，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)未折疊或錯(cuò)誤折疊蛋白增多，導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能紊亂，啟動(dòng)適應(yīng)性信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，即未折疊蛋白反應(yīng)（unfolded protein response，UPR）。UPR通過激活肌醇酶1α（inositol requiring enzyme 1α，IRE1α）、PKR類似的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶（PKR-like ER kinase，PERK）和激活性轉(zhuǎn)錄因子 6（activating transcription factor 6，ATF6）信號(hào)通路，減少蛋白合成，增強(qiáng)蛋白折疊能力，從而維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)。

持續(xù)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可引發(fā)細(xì)胞啟動(dòng)凋亡程序，其中C/EBP同源蛋白（C/EBP homologous protein，CHOP）作為PERK信號(hào)通路下游的轉(zhuǎn)錄因子發(fā)揮促凋亡作用。糖尿病小鼠模型中，CHOP敲除可顯著減少胰島β細(xì)胞凋亡，CHOP過表達(dá)則降低抗凋亡蛋白Bcl-2的表達(dá)，升高活性氧水平［18］。而且，持續(xù)性內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可導(dǎo)致IRE1α活化，剪切X盒結(jié)合蛋白（X-box-binding protein 1，XBP1），降解胰島素mRNA，減少胰島素的合成和釋放［19］。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激過程中，敲除ATF6α的小鼠其應(yīng)激敏感性增加［20］。通過高通量篩選技術(shù)，Duan等［21-22］發(fā)現(xiàn)2，4-二氨基喹唑啉化合物9c和3-（N-哌啶基）甲基苯甲酰胺衍生物13d（圖2）均顯著抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，恢復(fù)胰島β細(xì)胞功能和體量，降低糖尿病小鼠血糖水平。因此，維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)從而保護(hù)胰島β細(xì)胞有望成為潛在的糖尿病治療策略。

Figure 2 Chemical structures of compound 9c and compound 13d

3 促進(jìn)胰島β細(xì)胞增殖

研究報(bào)道，1型和2型糖尿病均會(huì)引起胰島β細(xì)胞數(shù)量減少和功能減退，且隨著年齡增長(zhǎng)，成人體內(nèi)胰島β細(xì)胞的增殖能力喪失，幾乎不增殖［23］。因此，促進(jìn)胰島β細(xì)胞增殖是恢復(fù)其功能和體量的重要策略之一，近年來，關(guān)于胰島β細(xì)胞增殖調(diào)控的相關(guān)基因逐漸被發(fā)現(xiàn)并確證。

3.1 碳水化合物反應(yīng)元件結(jié)合蛋白

碳水化合物反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（carbohydrate response element binding protein，ChREBP）作為一種調(diào)控糖脂代謝的轉(zhuǎn)錄因子，可與碳水化合物反應(yīng)元件結(jié)合，從而驅(qū)動(dòng)靶基因的表達(dá)，同時(shí)也在胰島中表達(dá)并參與胰島β細(xì)胞的增殖過程。研究發(fā)現(xiàn)，ChREBP可增加核因子紅細(xì)胞系-2相關(guān)因子2（nuclear factor erythroid 2 related factor 2，Nrf2）的表達(dá)和活性，發(fā)揮抗氧化作用并誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生，促進(jìn)葡萄糖誘導(dǎo)的胰島β細(xì)胞增殖［24］。同時(shí)，過表達(dá)Nrf2亦可在體外誘導(dǎo)人胰島β細(xì)胞增殖（圖3）。

3.2 絲氨酸蛋白酶抑制劑B

研究發(fā)現(xiàn)肝臟分泌蛋白絲氨酸蛋白酶抑制劑B（serpin B1）促進(jìn)胰島β細(xì)胞增殖，在敲除serpin B1小鼠中胰島β細(xì)胞增殖減慢，而在斑馬魚中過表達(dá)serpin B1引起胰島β細(xì)胞增殖。在肝臟特異性敲除胰島素受體引起胰島素抵抗的小鼠模型中，敲除肝臟叉頭框轉(zhuǎn)錄因子O1（forkhead box protein O1，F(xiàn)oxO1）可降低serpin B1的表達(dá)，從而抑制胰島β細(xì)胞增殖［25］，但serpin B1的下游分子機(jī)制尚不明確（圖3）。

Figure 3 Pathways involved in islet β cell proliferation

3.3 雙底物特異性酪氨酸磷酸化調(diào)節(jié)激酶A

雙底物特異性酪氨酸磷酸化調(diào)節(jié)激酶A（dualspecificity tyrosine-phosphorylation regulated kinase 1A，DYRK1A）是一種進(jìn)化上高度保守的蛋白激酶。DYRK1A可通過磷酸化細(xì)胞周期相關(guān)蛋白如P21和Cyclin D1調(diào)控細(xì)胞的增殖和分化過程。Wang等［26］篩選發(fā)現(xiàn)，在不同糖尿病動(dòng)物模型中，駱駝蓬堿類似物均可抑制calcineurin-NFATDYRK1A信號(hào)通路促進(jìn)胰島β細(xì)胞增殖，從而控制血糖水平。Shen等［27］亦發(fā)現(xiàn)氨基吡嗪類化合物GNF7156可抑制DYRK1A和糖原合酶激酶3β（glycogen synthase kinase-3，GSK3β）的活性，促進(jìn)人胰島β細(xì)胞增殖，改善糖尿病小鼠血糖水平。以上結(jié)果提示抑制DYRK1A的活性具有促進(jìn)胰島β細(xì)胞增殖的作用（圖 3）。但Rachdi等［28］發(fā)現(xiàn)，在敲除DYRK1A小鼠中，葡萄糖耐量降低，胰島β細(xì)胞增殖以及胰島β細(xì)胞的體量均減少。提示在不同種屬中，DYRK1A在胰島β細(xì)胞中發(fā)揮的生物學(xué)作用可能有所不同，以DYRK1A為靶點(diǎn)的藥物研究仍需進(jìn)一步探討。

4 誘導(dǎo)其他種類細(xì)胞分化成為胰島β細(xì)胞

誘導(dǎo)其他種類細(xì)胞分化為具有細(xì)胞功能且表達(dá)成熟胰島β細(xì)胞標(biāo)志基因NEUROD1，NKX6.1，PAX6，PDX1，MafA的胰島β樣細(xì)胞是增加胰島β細(xì)胞體量和保護(hù)胰島β細(xì)胞功能的另一重要方法［29］。目前研究熱點(diǎn)主要包括誘導(dǎo)胰島α細(xì)胞或胰腺導(dǎo)管細(xì)胞、胰腺前體細(xì)胞和腺泡細(xì)胞以及干細(xì)胞分化為胰島β樣細(xì)胞等方面，其中對(duì)干細(xì)胞進(jìn)行誘導(dǎo)分化的研究最為深入。

在體外，Pagliuca等［30］利用誘導(dǎo)性多能性誘導(dǎo)干細(xì)胞（induced pluripotent stem cells，iPSC）誘導(dǎo)產(chǎn)生具有葡萄糖反應(yīng)性的成熟β樣細(xì)胞，該誘導(dǎo)細(xì)胞可表達(dá)成熟胰島β細(xì)胞的標(biāo)志物PDX1，調(diào)節(jié)胰島素分泌，改善小鼠的血糖水平。Veres等［31］發(fā)現(xiàn)用帶有標(biāo)記CD49a抗體的磁珠可準(zhǔn)確富集胰島β樣細(xì)胞，提高細(xì)胞分化效率。

除多能干細(xì)胞外，其他來源的干細(xì)胞亦可誘導(dǎo)分化為胰島β樣細(xì)胞。2016年，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)糖尿病患者的表皮細(xì)胞可轉(zhuǎn)分化成iPSC，再進(jìn)一步分化為具有葡萄糖應(yīng)答反應(yīng)的胰島β樣細(xì)胞［32］。此外，Saxena等［33］采用基因編程技術(shù)，選取一位50歲受試者提取其脂肪組織來源的間充質(zhì)干細(xì)胞，成功分化成為功能性胰島β細(xì)胞。Sancho等［34］發(fā)現(xiàn)抑制SCF型泛素連接酶組成成分FBW7的活性，可誘導(dǎo)胰腺導(dǎo)管細(xì)胞分化成為胰島β樣細(xì)胞。Lin等［35］發(fā)現(xiàn)在胚胎干細(xì)胞（embryonic stem cells，ESC）中轉(zhuǎn)染PAX4可顯著提高ESC分化為胰島β樣細(xì)胞的效能。在斑馬魚中進(jìn)行全生物篩選發(fā)現(xiàn)，雙硫侖或霉酚酸可分別通過抑制視黃酸的合成或降低細(xì)胞的GTP水平誘導(dǎo)前體細(xì)胞分化為胰島β樣細(xì)胞［36］。目前，定向誘導(dǎo)多種來源的細(xì)胞分化為具有分泌功能性胰島β樣細(xì)胞依然存在相關(guān)技術(shù)及理論瓶頸，但以胰島β細(xì)胞再生為策略的糖尿病治療手段依然是基礎(chǔ)和臨床研究關(guān)注重點(diǎn)。

5 結(jié) 語

隨著對(duì)糖尿病研究的不斷深入，胰島β細(xì)胞的功能和體量在糖尿病的發(fā)生發(fā)展中的作用也逐漸受到關(guān)注。目前已發(fā)現(xiàn)許多新型天然產(chǎn)物可改善血糖水平［37-38］。此外，基于胰島β細(xì)胞保護(hù)對(duì)臨床使用的降糖藥物進(jìn)行研究也有助于藥物的合理應(yīng)用。近年來，隨著免疫系統(tǒng)和腸道微生物調(diào)控胰島功能作用的深入研究，關(guān)于胰島β細(xì)胞增殖的機(jī)制逐漸被闡明。高糖高脂及炎癥信號(hào)等病理刺激下導(dǎo)致胰島β細(xì)胞凋亡的相關(guān)研究也不斷推進(jìn)。促進(jìn)胰島β細(xì)胞增殖及誘導(dǎo)其他細(xì)胞分化為胰島β細(xì)胞是提高胰島β細(xì)胞體量的有效方法，但是通過藥理學(xué)誘導(dǎo)胰島β細(xì)胞增殖的方式仍需要對(duì)相關(guān)藥物的致癌性進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)關(guān)注血液循環(huán)中胰島素及血糖水平，以保證藥物的安全性。

在糖尿病治療中，恢復(fù)胰島β細(xì)胞體量和功能的策略日益受到關(guān)注。目前大量基礎(chǔ)研究、藥物篩選以及相關(guān)的干細(xì)胞療法研究不斷深入，同時(shí)取得了一定的成果，展現(xiàn)出良好的前景。但是，此策略是否能運(yùn)用于臨床，服務(wù)于糖尿病患者還需要多學(xué)科配合系統(tǒng)地展開研究。