Galectin-3與代謝和心血管疾病的關系研究進展

王燦，蔣建東，王愛平，孔維佳

(中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院a.藥物研究所，b.醫(yī)藥生物技術研究所，北京100050)

半乳糖凝集素(galectin,Gal)-3作為Gal家族的一員在多種組織和細胞中表達[1]。Gal-3參與調(diào)控細胞的增殖、分化、凋亡以及細胞間相互作用、免疫反應、組織器官纖維化等[2-3]。研究發(fā)現(xiàn)，Gal-3的異常與人體多個系統(tǒng)(如心血管、呼吸、消化、神經(jīng)以及泌尿生殖系統(tǒng))的慢性疾病密切相關[2-5]，并與細胞惡變和惡性腫瘤的發(fā)生相關[2-3]。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，代謝性疾病和心血管疾病的發(fā)病率不斷升高，嚴重危害人民健康并耗費大量醫(yī)療資源。臨床上，代謝性疾病和心血管疾病常同時發(fā)生，如未有效控制可形成惡性循環(huán)，威脅人們的健康。研究顯示，Gal-3分子在代謝性疾病和心血管疾病的發(fā)生和發(fā)展過程中發(fā)揮重要的生物學作用，并可能成為潛在的治療靶點[4-5]。現(xiàn)就Gal-3與代謝性疾病和心血管疾病的關系進行綜述，以期為代謝性疾病和心血管疾病的防治提供科學依據(jù)。

1 Gal-3的結構和功能

Gal-3由LGALS3基因編碼，屬于Gal家族，其C端的碳水化合物結合區(qū)域能夠特異性結合相關糖蛋白配體上的半乳糖殘基，其N端區(qū)域富含脯氨酸、甘氨酸和酪氨酸的重復肽段[6]。Gal-3不僅以單體的形式存在，還可形成二聚體甚至多聚體[6-7]，這種多聚體形成是通過Gal-3的N端實現(xiàn)的，因而對C端的功能無影響。

研究表明，Gal-3在細胞質、細胞核以及細胞表面均有分布[6]，提示該蛋白分子可能具有多種生物學作用。在細胞質或細胞核中，Gal-3能夠與其他蛋白發(fā)生蛋白-蛋白相互作用，參與前體信使RNA的剪接，調(diào)節(jié)細胞周期、Wnt/β聯(lián)蛋白信號通路以及細胞黏附[6]。在細胞表面，Gal-3通過其C端的碳水化合物結合區(qū)域與細胞膜糖蛋白的半乳糖殘基結合，在鞘糖脂介導細胞膜彎曲的情況下，與糖蛋白配體一起形成網(wǎng)格結構，從而參與調(diào)控網(wǎng)格蛋白非依賴載體的形成[8]。細胞對CD44蛋白分子的攝取以及對整合素β1的內(nèi)吞作用均是通過這種網(wǎng)格蛋白非依賴載體的介導完成[8]。進一步研究表明，Gal-3在細胞膜表面形成網(wǎng)格結構、參與形成的網(wǎng)格蛋白非依賴載體在晚期糖基化終末產(chǎn)物/晚期脂質氧化終末端產(chǎn)物的結合、內(nèi)化和降解過程中起重要作用[8-9]。

2 Gal-3與代謝性疾病

2.1Gal-3與肥胖 血液和脂肪細胞內(nèi)的Gal-3均在肥胖的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮關鍵作用。一項針對50歲左右正常人群的隨訪研究發(fā)現(xiàn)，血Gal-3水平與年齡、血壓、血脂以及體質指數(shù)等心血管疾病危險因素呈正相關[10]。Weigert等[11]針對男性人群進行的一項臨床實驗發(fā)現(xiàn)，與體重正常者相比，單純肥胖以及肥胖合并糖尿病患者血液Gal-3水平顯著升高；血液Gal-3水平與體質指數(shù)、瘦素、抵抗素、白細胞介素-6以及年齡呈正相關。Pang等[12]的研究發(fā)現(xiàn)，與體重正常女性相比，單純肥胖女性(代謝正常)血液Gal-3水平明顯升高，Gal-3水平與體質指數(shù)和血液白細胞介素-6水平呈正相關。Dencker等[13]對8～11歲兒童的研究發(fā)現(xiàn)，兒童總體脂含量、腹部脂肪含量、腹部脂肪分布、左心室質量、左心房大小以及2年內(nèi)體重增量均與血液Gal-3水平呈正相關，提示Gal-3的水平與肥胖的發(fā)生和發(fā)展密切相關。

給予Wistar大鼠高脂飲食后發(fā)現(xiàn)，肥胖大鼠脂肪組織內(nèi)Gal-3水平、細胞外膠原含量、脂肪細胞分化程度以及炎癥反應均顯著升高，而Gal-3抑制劑柑橘果膠對于肥胖大鼠體重和脂肪組織重量無明顯影響，但卻能顯著降低肥胖大鼠脂肪組織中Ⅰ型和Ⅵ型膠原蛋白含量，也能降低過氧化物酶體增殖物激活受體γ、脂肪酸結合蛋白-4和脂蛋白脂酶等脂肪代謝關鍵基因的表達水平；同時在3T3-L1脂肪細胞中驗證了柑橘果膠的這種作用[14]。Krautbauer等[1]研究發(fā)現(xiàn)，棕櫚酸、油酸、亞油酸等自由脂肪酸以及白細胞介素-6通過促進脂肪細胞內(nèi)Gal-3的表達而導致肥胖。近期研究表明，天然產(chǎn)物小檗堿能夠通過降低Gal-3的表達抑制原代前脂肪細胞分化、增殖以及高脂飲食誘導的小鼠肥胖發(fā)生，敲低Gal-3能夠模擬小檗堿的上述作用，而過表達Gal-3則能夠阻斷小檗堿的上述作用；深入研究發(fā)現(xiàn)，小檗堿下調(diào)Gal-3基因表達的分子機制包括抑制Gal-3基因啟動子的活性以及通過上調(diào)微RNA let-7d的表達水平而降低Gal-3信使RNA的穩(wěn)定性[15]。以上研究表明，脂肪組織細胞內(nèi)Gal-3的高表達在高脂飲食誘導的肥胖發(fā)生過程中發(fā)揮關鍵作用，Gal-3有望成為治療肥胖及相關代謝性疾病的新的靶點。

2.2Gal-3與非酒精性脂肪性肝炎(non-alcoholic steatohepatitis，NASH) NASH是由非酒精因素引起的肝臟脂肪蓄積、炎癥細胞浸潤、肝功能損害以及纖維化的病理生理狀態(tài)。Gal-3可能與NASH的發(fā)生和發(fā)展密切相關。研究發(fā)現(xiàn)，敲除Gal-3小鼠能夠抵抗高脂飲食誘導的肝臟脂肪積聚、炎癥反應以及纖維化[16]。在肝纖維化患者和四氯化碳誘導的小鼠肝纖維化模型中，發(fā)生纖維化的肝臟中的Gal-3表達水平均顯著上調(diào)[3,17]。Gal-3參與調(diào)控四氯化碳誘導的小鼠肝臟纖維化。研究發(fā)現(xiàn)，四氯化碳能夠誘導Gal-3基因敲除小鼠和Gal-3基因沉默小鼠肝臟中轉化生長因子-β表達、肝臟損傷以及肝臟炎癥反應；但誘導星狀細胞活化以及膠原蛋白水平升高的能力被顯著削弱[17]。以上研究表明，Gal-3通過參與調(diào)控轉化生長因子-β誘導的肝星狀細胞活化在四氯化碳誘導小鼠肝纖維化進程中發(fā)揮關鍵作用，Gal-3有望成為治療NASH的潛在藥物靶點。

鑒于Gal-3在NASH中發(fā)揮的關鍵作用，研究人員嘗試研發(fā)針對Gal-3的抑制劑用于治療NASH。GR-MB-02是一種Gal-3抑制劑，該化合物在NASH小鼠和大鼠中均表現(xiàn)出良好的藥理作用[18]。一項對將發(fā)展為肝纖維化NASH患者的隨機雙盲臨床試驗中，與安慰劑組相比，給藥組患者服用不同劑量的GR-MB-02(2、4、8 mg/kg)未見明顯毒副作用；之后每周1次，連續(xù)服藥3周也未見明顯毒副作用；藥動學結果表明，GR-MB-02血漿藥物濃度具有良好的劑量依賴性[19]。以上研究為后續(xù)驗證GR-MB-02治療NASH引發(fā)肝纖維化有效性的Ⅱ期臨床試驗提供了支持。

2.3Gal-3與2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)和糖尿病腎病 Gal-3可能與T2DM的發(fā)生有關。研究發(fā)現(xiàn)，T2DM患者血液Gal-3水平顯著高于前期T2DM患者，且前期T2DM患者血液Gal-3水平顯著高于正常人群，同時血液Gal-3水平與空腹血糖、餐后2 h血糖、C反應蛋白以及胰島素抵抗指數(shù)呈正相關；多重線性回歸分析顯示，血液Gal-3水平是T2DM的獨立預測指標[20]。Li等[4]研究發(fā)現(xiàn)，肥胖患者以及肥胖動物血液Gal-3水平顯著升高，Gal-3通過與肝細胞、肌肉細胞以及脂肪細胞上的胰島素受體的半乳糖殘基結合，抑制了胰島素與胰島素受體的正常結合和下游胰島素信號通路，繼而導致肝細胞、肌肉細胞以及脂肪細胞的胰島素抵抗；同時還發(fā)現(xiàn)，腹腔注射外源性Gal-3能夠誘導正常飲食小鼠胰島素抵抗，而敲除Gal-3或給予Gal-3抑制劑能夠顯著改善高脂飲食誘導的肥胖小鼠的胰島素抵抗狀態(tài)[4]。另有研究表明，天然產(chǎn)物小檗堿能夠顯著降低血清Gal-3水平以及高脂飲食誘導的肥胖和胰島素抵抗，而過表達Gal-3能夠抑制小檗堿的這種作用，表明小檗堿通過降低血清Gal-3水平抑制高脂飲食誘導的胰島素抵抗[15]。以上研究提示，Gal-3抑制劑有可能用于T2DM的治療。

Gal-3與糖尿病腎病也存在密切聯(lián)系，研究表明，Gal-3在糖尿病患者腎小球中的表達顯著上調(diào)，且腎小球中Gal-3陽性細胞數(shù)量與患者尿蛋白含量呈正相關[21]，提示腎小球中Gal-3的表達水平與糖尿病腎病的發(fā)生發(fā)展密切相關。此外，糖尿病患者血清Gal-3水平隨患者腎臟功能的降低而升高[2]。

3 Gal-3與心血管疾病

3.1Gal-3與動脈粥樣硬化(atherosclerosis，As)和冠心病 As是血管內(nèi)膜對于損傷的炎癥增生性反應，單核巨噬細胞在其中發(fā)揮關鍵作用。一項關于As的橫斷面研究指出，血液Gal-3水平的升高與頸動脈粥樣硬化的發(fā)生具有顯著相關性，提示Gal-3可作為治療As的潛在靶點[22]。另有研究表明，As發(fā)生部位富集的巨噬細胞和泡沫細胞會分泌大量的Gal-3[23]，而Gal-3會募集并激活更多的單核細胞和巨噬細胞[3,24]。另一項研究表明，Gal-3通過誘導氧化應激和炎癥反應參與As的發(fā)生[25]。研究發(fā)現(xiàn)，As無癥狀受試者血漿Gal-3水平與頸動脈內(nèi)中膜厚度呈正相關，而頸動脈內(nèi)膜中層厚度是As的替代標志物；與正常對照組相比，頸動脈粥樣硬化患者血漿Gal-3水平顯著升高；對外周動脈疾病患者隨訪5年發(fā)現(xiàn)，血漿Gal-3水平與心血管疾病患者的病死率呈正相關[25]。以上研究表明，血漿Gal-3水平在As發(fā)生發(fā)展中起重要作用。給予由人髓系白血病單核細胞誘導產(chǎn)生的巨噬細胞小檗堿預處理能夠顯著抑制氧化低密度脂蛋白誘導的巨噬細胞活化和Gal-3蛋白表達水平的上調(diào)；過表達Gal-3能夠阻斷小檗堿的上述作用，經(jīng)皮冠狀動脈介入治療后的患者口服小檗堿3個月后，血漿Gal-3水平顯著降低[24]。Gal-3抑制劑柑橘果膠能抑制載脂蛋白E表達缺失小鼠As斑塊的增大[26-27]。這些研究從另一方面證明了Gal-3能夠促進As的形成和發(fā)展。

Jansen等[28]報道顯示，穩(wěn)定性冠心病患者血液中Gal-3水平與受影響冠狀動脈數(shù)量、心力衰竭發(fā)病史等相關。Kang等[29]比較急性心肌梗死、不穩(wěn)定型心絞痛以及穩(wěn)定型心絞痛患者血液中Gal-3的水平發(fā)現(xiàn)，心肌梗死患者血液中Gal-3的水平顯著高于不穩(wěn)定型心絞痛患者，且不穩(wěn)定型心絞痛患者血液中Gal-3的水平顯著高于穩(wěn)定型心絞痛患者。以上研究表明，血液中Gal-3的水平可能與冠心病的嚴重程度呈正相關，并有可能成為冠心病治療的新靶點[29]。

3.2Gal-3與心力衰竭 心肌炎癥和纖維化是心力衰竭的病理特征，Gal-3可作為心肌炎癥和纖維化的生物標志物，且Gal-3與心力衰竭的發(fā)生和惡化密切相關。2004年，Sharma等[30]首次報道了Gal-3與心力衰竭的關系，研究發(fā)現(xiàn)，嚴重高血壓伴心力衰竭大鼠失代償性心臟中的Gal-3表達水平是代償性心臟的5倍多。心室活檢顯示，主動脈狹窄且射血分數(shù)降低大鼠心臟中的Gal-3表達水平高于單純射血分數(shù)降低大鼠。有研究發(fā)現(xiàn)，校正年齡、性別、心力衰竭嚴重程度和腎功能不全的影響后，Gal-3可作為預測心力衰竭患者病死率的重要因子[31]。將外源性Gal-3注入大鼠心包膜能夠誘導大鼠心室重塑和心力衰竭，而給予Gal-3抑制劑N-乙?；?絲氨酸-天冬氨酰-賴氨酰-脯氨酸能夠抑制Gal-3的上述作用[32]。以上研究表明，心臟組織中Gal-3表達的升高與心力衰竭的發(fā)生密切相關，并有可能成為治療心力衰竭的新靶點。

3.3Gal-3與血管栓塞 血管栓塞是導致心肌梗死、腦卒中等心血管事件最直接的原因。2015年，DeRoo等[33]首次從動物實驗和臨床試驗兩個層面揭示Gal-3結合蛋白和Gal-3參與了靜脈血栓形成。動物實驗中，在小鼠的紅細胞、血小板、微粒以及下腔靜脈中同時檢測到Gal-3結合蛋白和Gal-3的表達，而單核淋巴細胞中僅檢測到Gal-3的表達，推測Gal-3與Gal-3結合蛋白可能是通過介導血液不同成分的相互結合參與靜脈血栓形成；該研究還發(fā)現(xiàn)，與正常小鼠相比，靜脈血栓小鼠血管壁中Gal-3的表達顯著升高，且血栓中Gal-3結合蛋白和Gal-3也高表達，血栓形成量與血栓中Gal-3的水平以及靜脈血管壁中白細胞介素-6的表達水平呈正相關；靜脈血栓的免疫組織化學染色結果顯示，Gal-3結合蛋白與Gal-3的結合參與了靜脈血栓形成。在結扎下腔靜脈誘導的小鼠血栓模型中發(fā)現(xiàn)，與正常基因型小鼠相比，Gal-3基因敲除小鼠血栓形成明顯減少，給予外源重組Gal-3能夠使Gal-3基因敲除小鼠血栓形成恢復至正?；蛐托∈蟮乃?。此外，血液循環(huán)系統(tǒng)中Gal-3的水平與急性靜脈血栓形成呈正相關。研究表明，血清Gal-3的水平與心房顫動患者左心耳重塑和血栓形成密切相關，多因素線性回歸分析顯示，Gal-3是心房顫動患者左心耳血栓形成的獨立決定因素[34]。

Fashanu等[35]對血漿Gal-3水平與As發(fā)生率的相關性進行研究，結果發(fā)現(xiàn)，在排除年齡、性別、種族、體質指數(shù)、糖尿病狀態(tài)以及腎功能的影響后，靜脈血栓發(fā)生率與Gal-3水平呈正相關，Gal-3 有可能成為防治血管栓塞的新靶點。

4 小 結

Gal-3表達水平的上調(diào)或Gal-3水平的升高均可促進代謝性疾病和心血管疾病的發(fā)生和發(fā)展，通過抑制Gal-3的表達或降低血液循環(huán)系統(tǒng)中Gal-3的水平可預防或治療代謝性疾病和心血管疾病。多種Gal-3抑制劑可用于代謝性疾病和心血管疾病的防治，其中GR-MB-02用于治療NASH引發(fā)的肝纖維化已進入臨床研究階段。目前研發(fā)的Gal-3抑制劑多是通過抑制Gal-3功能發(fā)揮作用，而不是降低Gal-3的表達水平，未來可對此進行深入研究。天然產(chǎn)物小檗堿通過多靶點協(xié)同作用在防治代謝性疾病和心血管疾病方面表現(xiàn)出良好的藥理活性和安全性，其能夠顯著降低動物和人體血液中Gal-3的水平[15,24]。在后續(xù)研究中探究Gal-3分子與小檗堿多種作用靶點的關系有助于進一步了解或揭示小檗堿復雜的藥物作用體系，有希望為代謝性疾病和心血管疾病的治療提供新的藥物。