二甲雙胍調(diào)控細(xì)胞焦亡機制及其在多種疾病中應(yīng)用的研究進展

黃 柯，周逸仁，陳藝凡，馬小峰

（1.南華大學(xué)衡陽醫(yī)學(xué)院南華臨床學(xué)院，湖南衡陽 421011；2.南華大學(xué)附屬南華醫(yī)院心血管內(nèi)科，湖南衡陽 421001）

細(xì)胞死亡是不可逆的過程，在機體發(fā)育、應(yīng)激、維持組織機能及穩(wěn)態(tài)中都有顯著作用。細(xì)胞的生長、發(fā)育、死亡之間聯(lián)系密切，共同在機體發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用。然而，目前臨床長期以來多關(guān)注細(xì)胞凋亡，即非裂解性死亡。近年來，隨著研究深入，有學(xué)者提出“細(xì)胞焦亡”的概念。焦亡是不同于凋亡的一種細(xì)胞程序性死亡，當(dāng)機體受到外來侵害時可啟動細(xì)胞焦亡的上游反應(yīng)原件，促使人消皮素D（GSDMD）蛋白結(jié)構(gòu)改變，較多的GSDMD N端壞死域聚集后形成一種膜成孔活性物質(zhì)引起細(xì)胞膜的損害，使白細(xì)胞介素（IL）-18及IL-1β等炎癥因子釋放，從而產(chǎn)生炎癥反應(yīng)[1]。細(xì)胞焦亡是一種新發(fā)現(xiàn)的促炎性細(xì)胞程序性死亡，細(xì)胞焦亡的活化為肺癌、胃癌和胰腺癌等惡性腫瘤的治療提供新的思路；此外，細(xì)胞焦亡還參與多種腎臟疾病、椎間盤退行性改變、非酒精性脂肪性肝病等非腫瘤性疾病的機制調(diào)控。雖然細(xì)胞焦亡與眾多疾病的發(fā)病機制有關(guān)，但目前針對介導(dǎo)細(xì)胞焦亡調(diào)節(jié)疾病發(fā)生、發(fā)展的研究并不多見。

二甲雙胍是目前臨床最常用的降糖藥，近年來報道顯示，二甲雙胍不僅有助于控制血糖，還可減輕缺血再灌注所致的腦損傷，保護神經(jīng)功能[2]。二甲雙胍能延緩動脈粥樣硬化進程，保護血管內(nèi)皮細(xì)胞，有助于降低心血管事件風(fēng)險[3]。此外，二甲雙胍還具有抗衰老、降低特定孕婦的流產(chǎn)及早產(chǎn)風(fēng)險、預(yù)防霧霾引起的炎癥、改善多囊卵巢綜合征、改善腸道菌群、逆轉(zhuǎn)肺纖維化等藥理作用。然而，在這些生物學(xué)功能中，二甲雙胍是否通過調(diào)控細(xì)胞焦亡參與上述疾病的調(diào)控，尚有待進一步研究[4]。鑒于此，本研究收集近年來相關(guān)文獻(xiàn)，對二甲雙胍在心血管疾病中的應(yīng)用及其調(diào)控細(xì)胞焦亡的相關(guān)機制進行綜述。

1 二甲雙胍在心血管疾病中的作用

1.1 二甲雙胍的降糖及抗炎作用 二甲雙胍降糖機制較為明確，主要是通過抑制肝糖輸出，增加胰島素敏感性達(dá)到控制血糖水平的目的[5]。近年來有研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍可能對二肽基肽酶Ⅳ活性有抑制作用，對延長胰升糖素樣肽-1生物效應(yīng)、調(diào)節(jié)血糖水平具有積極作用[6]。目前，有關(guān)二甲雙胍的降糖機制已深入分子領(lǐng)域，有研究顯示，二甲雙胍可通過蛋白激酶Cβ（PKCβ）-肝激酶B1（LKB1）-腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）磷酸化級聯(lián)而抑制糖異生，這將為今后血糖控制提供新的思路。此外，研究還顯示，二甲雙胍在抗炎中發(fā)揮重要作用。余丹等[7]認(rèn)為二甲雙胍對蛋白激酶B和細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2通路通路有明顯抑制作用，進而減少IL-6、IL-8及腫瘤壞死因子（TNF-ɑ）分泌。此外，二甲雙胍還可以通過激活A(yù)MPK/內(nèi)皮型一氧化氮合酶（eNOS）通路、促進蛋白激酶B的磷酸化、抗氧化等機制，繼而改善心力衰竭、肺動脈高壓、腫瘤疾病等預(yù)后。

1.2 二甲雙胍的抗動脈硬化作用 二甲雙胍保護心血管中的作用已被臨床多次報道和應(yīng)用。動物實驗也證實，其在抑制動脈硬化進展中的作用確切[8]。這一作用與二甲雙胍抗炎作用相關(guān)。另外，王潔[9]的研究還證實二甲雙胍可能通過調(diào)節(jié)肝臟膽固醇逆向轉(zhuǎn)運蛋白ABCA1，進而調(diào)節(jié)血脂代謝，延緩動脈硬化。另外，二甲雙胍還有助于增加斑塊穩(wěn)定性，降低心血管事件風(fēng)險。近年來，有研究表明二甲雙胍可以通過AMPK及調(diào)節(jié)脂質(zhì)和葡萄糖代謝改善心肌能量代謝狀態(tài)，通過增加一氧化氮生物利用度、限制間質(zhì)纖維化、減少晚期糖基化終產(chǎn)物的沉積抑制心肌細(xì)胞凋亡并減少心肌重構(gòu)和肥厚，從而保持左心室收縮和舒張功能的良好狀態(tài)。

1.3 二甲雙胍的抗腫瘤作用 二甲雙胍自被應(yīng)用于臨床以來，其效果和生物學(xué)功能被逐漸發(fā)現(xiàn)。近年來有研究認(rèn)為長期服用二甲雙胍有助于降低惡變風(fēng)險[10]。有關(guān)二甲雙胍抗腫瘤的機制尚處于探索階段，不過臨床均認(rèn)為二甲雙胍的抗腫瘤作用與其激活A(yù)MPK、抑制原癌基因表達(dá)有關(guān)[11]。細(xì)胞實驗還發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可阻斷腫瘤細(xì)胞DNA的復(fù)制和有絲分裂，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。另外，二甲雙胍可增加胰島素受體對胰島素的親和力，改善胰島素抵抗和胰島素血癥，抑制其對腫瘤增殖的刺激作用[12]。細(xì)胞焦亡與多種腫瘤細(xì)胞的發(fā)生發(fā)展相關(guān)。細(xì)胞焦亡發(fā)生后，可通過調(diào)控細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（ERK）1/2、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活蛋白（STAT）3和磷脂脂肌醇3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（AKT）信號通路，從而降低周期蛋白依賴性激酶（CDK）2表達(dá)水平，加快癌細(xì)胞凋亡[13]。另外，食管癌患者細(xì)胞凋亡相關(guān)蛋白BAX和天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶（Caspase）-3被激活，加重DNA損傷，增加焦亡風(fēng)險。有研究還認(rèn)為ATP聚集炎性小體核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3（NLRP3）經(jīng)P2X7受體途徑激活Caspase-1，成為結(jié)腸癌細(xì)胞發(fā)生焦亡的誘因。焦亡通路對肝癌細(xì)胞增殖、遷移及侵襲則表現(xiàn)為抑制作用，Ac-YVAD-CMK (Caspase-1抑制劑)則可削弱該作用。研究還發(fā)現(xiàn)STE20樣激酶（MST1）可經(jīng)Caspase-1誘導(dǎo)的細(xì)胞焦亡抑制胰腺導(dǎo)管腺癌增殖。然而，ROS抑制劑對Caspase-1有抑制作用，從而削弱MST1對胰腺導(dǎo)管腺癌細(xì)胞死亡、增殖、遷移和侵襲的影響，這其中可能與細(xì)胞焦亡有關(guān)。近年來有關(guān)焦亡現(xiàn)象與腫瘤關(guān)系的報道逐漸增多，目前研究主要集中在激活炎性小體并促進細(xì)胞焦亡的化合物或分子，有望成為治療腫瘤新的研究方向。但目前有關(guān)腫瘤細(xì)胞焦亡的具體機制尚不清楚。對細(xì)胞焦亡的具體機制進行深入探討將有助于我們提高對腫瘤細(xì)胞焦亡的理解，對抗腫瘤藥物的研發(fā)也具有積極作用。

2 二甲雙胍調(diào)控細(xì)胞焦亡

2.1 細(xì)胞焦亡概況 細(xì)胞焦亡自2001年被首次提出以來，有關(guān)其認(rèn)識和研究逐漸增多。細(xì)胞焦亡以細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整性被破壞和胞內(nèi)容物釋放至細(xì)胞外為主要特點[14]。其激活途徑包括經(jīng)典細(xì)胞焦亡和非經(jīng)典細(xì)胞焦亡，其中經(jīng)典細(xì)胞焦亡多由炎癥小體激活，而非經(jīng)典細(xì)胞焦亡多由胞質(zhì)脂多糖激活。炎性小體是由模式識別受體（PRRs）、胱天蛋白酶1(CASP1)及凋亡相關(guān)斑點樣蛋白構(gòu)成的多蛋白復(fù)合物。研究顯示，PRRs可識別和接受危險信號，激活Caspase-1分子，再切割GSDMD，成為細(xì)胞焦亡的誘因[15]。另有動物實驗顯示，小鼠在感受胞質(zhì)內(nèi)脂多糖刺激后，Caspase-11與Caspase-4/5的脂質(zhì)A結(jié)合并激活，形成Caspase-4-5-11，參與切割GSDMD，導(dǎo)致細(xì)胞焦亡的發(fā)生。近年來，隨著分子基因領(lǐng)域研究的發(fā)展，有研究提出Pannexin-1可能也參與非經(jīng)典細(xì)胞焦亡過程[16]，但這還有待今后進一步研究證實。

2.2 二甲雙胍調(diào)控細(xì)胞焦亡影響疾病進展的機制

2.2.1 二甲雙胍調(diào)節(jié)細(xì)胞焦亡減少糖尿病并發(fā)癥 糖尿病是臨床常見代謝性疾病，二甲雙胍作為一線降糖藥已成為臨床共識。近年來報道發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍還有助于降低糖尿病并發(fā)癥發(fā)生率，尤其是對于糖尿病腎病、糖尿病周圍神經(jīng)病變具有良好的防治作用[17]。糖尿病視網(wǎng)膜病變是糖尿病進展累及微血管后導(dǎo)致的嚴(yán)重并發(fā)癥，造成患者視力下降甚至失明。二甲雙胍能抑制視網(wǎng)膜組織中核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體（NLRP）3和Caspase-1蛋白水平，促進視網(wǎng)膜病變區(qū)域血管擴張，改善視網(wǎng)膜組織細(xì)胞的焦亡現(xiàn)象。另外，臨床有報道還顯示二甲雙胍可能通過調(diào)控AMPK促進細(xì)胞焦亡[18]，在延緩病情進展，防治糖尿病腎病和糖尿病酮癥酸中毒中發(fā)揮重要作用。

2.2.2 二甲雙胍調(diào)節(jié)細(xì)胞焦亡影響腦血管疾病 近年來有關(guān)二甲雙胍腦保護作用的機制研究不斷深入，Caspase-1和NLRP3炎性小體與腦缺血后中樞神經(jīng)損傷密切相關(guān)，通過加重局部炎癥反應(yīng)，造成細(xì)胞焦亡。而二甲雙胍可通過抑制NLRP3和Caspase-1表達(dá)，削弱炎性小體的內(nèi)源性刺激作用，減少細(xì)胞焦亡。袁鈺萍等[19]動物實驗也證實二甲雙胍能抑制NLRP3炎癥小體表達(dá)，達(dá)到抑制細(xì)胞焦亡，延緩或扭轉(zhuǎn)病情目的。臨床還有學(xué)者認(rèn)為二甲雙胍可能通過自噬作用，消化受損線粒體，減少細(xì)胞凋亡，保護神經(jīng)組織[20]，但這一作用的具體機制仍有待深入探討。

2.2.3 二甲雙胍調(diào)節(jié)細(xì)胞焦亡改善缺血再灌注損傷 二甲雙胍對缺血再灌注損傷的保護作用主要體現(xiàn)在心肌、腦血管缺血及腸道缺血的再灌注損傷保護作用。魏紅霞等[21]的實驗證實二甲雙胍可加快脂多糖+ATP誘導(dǎo)的細(xì)胞焦亡，且呈現(xiàn)劑量依賴性。另外，對于已發(fā)生感染的細(xì)胞，二甲雙胍作用后亦可誘導(dǎo)其發(fā)生焦亡，從而達(dá)到抑制炎癥進展，減輕局部感染的作用[22]。但這種作用的臨床實用價值還有待考證。心肌缺血損傷與炎性反應(yīng)、線粒體功能喪失及活性氧生成等因素相關(guān)，NLRP3/Caspase-1/GSDMD信號途徑是細(xì)胞焦亡參與心肌缺血再灌注損傷的主要機制，正常心臟中NLRP3蛋白低表達(dá)難以激活炎癥小體，在機體感受壞死心肌刺激后，NLRP3與ASC、pro-caspase-1結(jié)合，進而活化Caspase-1，成為細(xì)胞焦亡的誘因[23]。因此，Caspase-1可能成為今后心肌缺血再灌注損傷的治療靶點。總而言之，二甲雙胍對缺血再灌注腦損傷有保護作用，其作用機制包括激活A(yù)MPK通路、促進細(xì)胞自噬，減少NLRP3炎癥小體活化導(dǎo)致的細(xì)胞焦亡有關(guān)。

2.2.4 二甲雙胍調(diào)節(jié)細(xì)胞焦亡發(fā)揮抗腫瘤作用 二甲雙胍在抗腫瘤中的作用被發(fā)現(xiàn)以來，備受臨床關(guān)注。既往研究多認(rèn)為二甲雙胍抗腫瘤的機制與其調(diào)控AMPK有關(guān)，近年來有關(guān)其抗腫瘤的其他通路也被逐漸發(fā)現(xiàn)。二甲雙胍能改善胰島素敏感性，并可通過p53基因上調(diào)DNA損傷反應(yīng)調(diào)節(jié)基因1，進而抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白信號通路，從而影響腫瘤生長增殖[24]。另外，二甲雙胍對基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）9 mRNA和蛋白、基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1（CXCL12）及Rac等均具有抑制作用，參與腫瘤細(xì)胞生長調(diào)節(jié)[25-26]。目前，有關(guān)細(xì)胞焦亡與腫瘤生長的關(guān)系也逐漸被臨床認(rèn)知。NLRP3廣泛分布于腫瘤細(xì)胞中，而炎性小體與Caspase-1在細(xì)胞焦亡中發(fā)揮重要作用，二甲雙胍可能通過誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡發(fā)揮抗腫瘤作用[27]，這可成為今后臨床研究方向之一。

3 總結(jié)和展望

二甲雙胍在糖尿病中已得到廣泛應(yīng)用，其在治療糖尿病和防治心腦血管事件中的作用均與其調(diào)節(jié)細(xì)胞焦亡有關(guān)。同時，二甲雙胍還可用于防治心血管疾病，可用于治療心力衰竭、肺動脈高壓、心肌炎、腫瘤等，延緩疾病進展。隨著對二甲雙胍調(diào)節(jié)細(xì)胞焦亡機制研究的不斷深入，這將為其臨床應(yīng)用提供依據(jù)，使其具有廣闊應(yīng)用前景，相信通過二甲雙胍介導(dǎo)細(xì)胞焦亡相關(guān)機制，能夠為眾多疾病提供新的防治策略。