生長分化因子15：減重治療的新靶點

張夢瀟， 韋 曉， 張少紅， 陳國芳， 劉 超

（1. 鹽城市中醫(yī)院老年科，江蘇 鹽城 224000；2. 南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院內(nèi)分泌科 江蘇省中醫(yī)藥研究院，江蘇 南京 210028）

肥胖是誘發(fā)糖尿?。╠iabetes mellitus，DM）、高血壓等疾病的獨立危險因素，是導(dǎo)致早衰甚至死亡的重要原因[1]。 而體重減輕5%～10%可顯著改善健康問題， 減輕15%以上可明顯延緩2 型DM（type 2 DM，T2DM）等疾病的發(fā)生、發(fā)展[2]。然而，無論是生活方式干預(yù)、藥物治療還是代謝手術(shù)，都存在依從性差、耗時長以及易反彈等局限。 因此，需尋找更有效的減重靶點。 2006年，Baek 等[3]首次觀察到生長分化因子（growth differentiation factor 15，GDF15）對小鼠體重的影響。隨后，大量研究表明，GDF15 能夠通過控制食欲、增加能量代謝及降低炎癥水平達到減輕體重的效果， 使其成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點。

GDF15 及其受體

GDF15 是應(yīng)激反應(yīng)細胞因子[4]，因其被發(fā)現(xiàn)時的組織來源和功能不同又被稱為巨噬細胞抑制因子及非甾體抗炎藥激活基因-1 等[5]。 業(yè)已證實，GDF15參與多種生物學(xué)過程，包括能量代謝、體重調(diào)節(jié)、癌癥以及惡病質(zhì)等[6]。 GDF15 廣泛表達于人體各組織，其最高水平見于胎盤和肝臟[5]，同時被認為是細胞應(yīng)激的標(biāo)志物。 在運動、腫瘤及心血管疾病等生理病理狀態(tài)下，GDF15 水平均會升高[7]。 另外，年齡、吸煙、壓力和環(huán)境因素都是可能導(dǎo)致GDF15升高的風(fēng)險因素[5]。 故GDF15 被認為是全因死亡的預(yù)測指標(biāo)[8]。

GDF15 與轉(zhuǎn)化生長因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）具有高度同源性，被歸為TGF-β 超家族的一員[9]。 但是， 始終無法確定GDF15 是否可以直接與TGF-β 的受體結(jié)合。 直到2017年，4 個獨立研究團隊同時發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)膠質(zhì)細胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子α 樣受體（glial cell-derived neurotrophic factor receptor alpha-like，GFRAL）是GDF15 的受體[7,10-12]。 現(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，GFRAL 特異性表達于調(diào)節(jié)食欲的腦極后區(qū)（area postrema，AP）和孤束核（nucleus tractus solitarii，NTS），通過與GDF15 及輔助受體RET（rearranged during transfection）原癌基因結(jié)合，促使RET 磷酸化，從而激活蛋白激酶B、胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶和磷酸酯酶C 等，發(fā)揮抑制食欲、減重等作用。

GDF15 與肥胖的關(guān)系

一、GDF15 與體重相關(guān)

GDF15 水平與體重高度相關(guān)。 基礎(chǔ)及臨床研究表明，肥胖患者或小鼠體內(nèi)GDF15 水平升高[4]。 然而，更多的研究發(fā)現(xiàn)，手術(shù)或藥物干預(yù)后，肥胖患者或小鼠的體重下降，伴隨GDF15 升高。 由此推測，GDF15 在營養(yǎng)過剩期間輕度升高，只是肥胖的代償保護機制，以此來限制能量攝入。

1. 動物實驗： 在動物研究中，GDF15 的減重作用已被證實。 據(jù)報道，與野生型小鼠相比，GDF15 基因缺陷小鼠的體重和脂肪含量均增加[13]。 在GDF15對肌肉組織影響的研究中發(fā)現(xiàn)，GDF15升高可減輕代謝改變引起的肥胖，提高胰島素敏感性。而GDF15 敲除小鼠卻失去對肥胖的抵抗力[14]。在高脂飲食誘導(dǎo)輕度肥胖小鼠模型中，GDF15 的過表達可減輕轉(zhuǎn)基因小鼠肥胖、肝臟脂肪變性和葡萄糖的不耐受程度[15]。同樣，外源性注射成熟的GDF15 重組蛋白1 周后，小鼠食欲減退，體重下降[11]。 在另一項實驗中，研究者每天給小鼠注射0.5 μg/g 成熟的GDF15 蛋白。21 周后，干預(yù)組小鼠食物攝入量減少，體重明顯減輕，糖耐量提高[7]。 類似地，通過腺病毒載體每天給小鼠、大鼠和肥胖猴子注射人GDF15 重組蛋白，研究對象的體重均明顯降低[6]。 因此，GDF15 水平升高是對抗肥胖的關(guān)鍵。

2. 臨床研究：GDF15 與減重手術(shù)的關(guān)系之前存在爭議。Frikke-Schmidt 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，GDF15 的缺失不會改變小鼠袖狀胃切除術(shù)（sleeve gastrostomy，SG）后的食物攝取量或體重,認為GDF15 對于代謝手術(shù)所引起的體重下降并非必要。然而，更多的研究與該團隊報道的結(jié)果相悖。 在一項探討肥胖患者胃旁路術(shù)前及術(shù)后體重變化與GDF15 水平相關(guān)性的研究中，發(fā)現(xiàn)術(shù)后1 周、3 個月、1年以及4年后，患者體重減輕，伴隨GDF15 水平相應(yīng)升高。另外，在一項針對21 例肥胖患者進行的SG 中， 研究人員檢測了患者術(shù)前及術(shù)后GDF15 的水 平。 結(jié)果顯示， 患者術(shù)后1、3 及12 個月的GDF15 水平較術(shù)前明顯升高，且與體重下降水平直接相關(guān)[17]。由此證明， 代謝手術(shù)引起的體重下降與GDF15 水平升高密切相關(guān)[18]。

20 世紀50年代以來，二甲雙胍一直被用作治療T2DM，并被證明能夠抑制食欲、降糖減重。 很多學(xué)者闡述過二甲雙胍的降糖機制，但對其減重機制一直存有困惑[19]。 最新的流行病學(xué)調(diào)查指出， 二甲雙胍的減重作用得益于循環(huán)中GDF15 水平升高[20]。在一項以超重人群為研究對象的隨機對照試驗中，分別使用二甲雙胍和安慰劑治療。2 周后，與安慰劑組相比，二甲雙胍治療組體重明顯下降，GDF15 水平升高2.5 倍[21]。 故二甲雙胍能夠通過升高GDF15 水平，實現(xiàn)其抑制食欲及減重的作用。

甲狀腺激素水平與體重息息相關(guān)， 其升高可上調(diào)GDF15 的表達。 一項納入134 例甲狀腺功能亢進（甲亢）患者和105 名健康者的研究檢測其血清中的GDF15 水平。基線數(shù)據(jù)顯示，甲亢患者的GDF15 水平明顯高于正常組。43 例甲亢患者在接受抗甲狀腺藥物治療3 個月后， 相關(guān)甲狀腺激素水平恢復(fù)正常，體重較治療前明顯增加，同時伴隨GDF15 顯著降低。 調(diào)整潛在混雜因素的影響后，結(jié)果顯示血清GDF15 水平與甲狀腺激素具有獨立相關(guān)性[22]。

無論是手術(shù)、 藥物還是自身代謝導(dǎo)致的減重都與GDF15 的表達水平有關(guān)，但GDF15 減重的分子機制仍不完全清楚。

二、GDF15 的減重機制

關(guān)于GDF15 的減重機制，目前主要有降低食欲、提高能量代謝以及降低炎癥水平3 種觀點[23]。

1. GDF15 可降低食欲：血清GDF15 主要通過與表達于AP/NTS 的GFRAL 及輔助受體RET 結(jié)合， 誘導(dǎo)中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)遞質(zhì)膽囊收縮素釋放，從而抑制食欲[24]。 同時，GDF15 還能抑制小鼠下丘腦中食欲相關(guān)的神經(jīng)肽Y 表達， 使得抑食相關(guān)的激素前體阿黑皮素原表達增加，達到抑制食欲的效果[25]。 AP 受迷走神經(jīng)支配，故GDF15 與GFRAL-RET 結(jié)合，一方面能夠通過迷走神經(jīng)傳導(dǎo)，經(jīng)過腦腸軸影響胃腸道功能，如減緩胃排空速率，降低食欲[26]。另一方面，GDF15 水平提高導(dǎo)致原癌基因產(chǎn)物c-fos（proto-oncogene proteins c-fos，c-fos），即神經(jīng)元激活標(biāo)志物在AP、迷走神經(jīng)背側(cè)運動核、NTS 以及杏仁核中廣泛表達[6]， 從而增加飽腹感，同時誘導(dǎo)小鼠條件性味道規(guī)避，調(diào)節(jié)食物選擇偏好，并誘發(fā)厭惡食物反應(yīng)[27]，進而導(dǎo)致選擇性的進食減少。

2. GDF15 可提高能量代謝： 主要通過神經(jīng)調(diào)控和體液調(diào)控這兩個途徑。 一方面， 在脂肪組織中，GDF15-GFRALRET 軸激活能通過交感神經(jīng)傳導(dǎo)誘導(dǎo)脂肪分解增加， 減少合成，增加能量代謝，從而減輕體重[23]。給予野生型小鼠和外源性注射GDF15 蛋白的小鼠相同的食物， 發(fā)現(xiàn)在能量攝入一致的情況下，GDF15 注射組小鼠體重仍然下降。 因此，研究人員認為，除了食欲的抑制，能量代謝的提高亦是導(dǎo)致體重降低的主要原因[25]。 另一方面，推測脂肪組織中可能含有尚未報道的GFRAL 或GDF15 其他類型受體的表達，以發(fā)揮GDF15 對脂肪組織代謝水平的調(diào)控作用。 在一項以正?；蚋咧嬍澄桂B(yǎng)異種移植B16-F10 皮膚黑色素瘤細胞的肥胖C57BL6 小鼠、 轉(zhuǎn)基因GDF15 小鼠及野生型小鼠的研究中，與野生型小鼠相比， 肥胖C57BL6 小鼠和轉(zhuǎn)基因GDF15 小鼠的飲食攝入量無明顯差異，但白色脂肪組織（white adipose tissue，WAT）中脂肪分解基因β3 腎上腺素受體、甘油三酯脂肪酶和激素敏感脂肪酶的表達水平更高。 同時，棕色脂肪組織（brown adipose tissue，BAT）中產(chǎn)熱及氧化代謝基因解耦聯(lián)蛋白1、過氧化物酶體增殖物激活受體α 等表達也顯著增加[15]。 故氧化代謝的改變也可導(dǎo)致脂肪減少，或許是GDF15發(fā)揮直接減重作用的關(guān)鍵。此時，GDF15 可以作為BAT 分化或脂肪棕色化的分化因子，通過上調(diào)BAT 和WAT 中的關(guān)鍵產(chǎn)熱基因和脂溶基因，增加產(chǎn)熱和能量消耗、脂肪分解和氧化代謝，從而調(diào)節(jié)代謝活性[28]。

3. GDF15 可降低炎癥水平： 脂肪組織或細胞的炎癥狀態(tài)與肥胖息息相關(guān)。Lee 等[29]在體內(nèi)外的研究中發(fā)現(xiàn)，輔助型T 細胞2 能夠誘導(dǎo)小鼠脂肪組織或 （和）3T3-L1 脂肪細胞內(nèi)的GDF15 表達增加， 激活JAK-信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活蛋白6（signal transducer and activator of transcription 6，STAT6）信號通路， 從而促進脂肪組織中M1 型促炎性巨噬細胞向M2型抑炎細胞轉(zhuǎn)化，改善胰島素抵抗及炎癥狀態(tài)。 提示脂肪組織或細胞中GDF15水平升高能夠增加M2 型巨噬細胞，有利于降低炎癥水平，提高胰島素敏感性，恢復(fù)細胞氧化代謝的能力，從而減輕肥胖。 另外，GDF15 還能夠分別和下丘腦中TGF-β 受體以及Erbb2 受體結(jié)合，激活下游信號通路，降低炎癥水平[30]。 一方面，GDF15 能夠與TGF-β 受體結(jié)合，磷酸化Smad2/3，最終降低核因子κB 的表達水平，降低炎癥水平。 另一方面，GDF15 能夠與Erbb2 結(jié)合，激活磷脂酰肌醇3 激酶 （phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/Akt 信號通路，導(dǎo)致內(nèi)皮型一氧化氮合酶表達上調(diào)，減輕細胞凋亡，保護細胞功能，改善肥胖導(dǎo)致的血管功能障礙，預(yù)防肥胖相關(guān)血管并發(fā)癥。

綜上，GDF15 水平升高能夠通過抑制食欲、提高組織的脂質(zhì)氧化代謝水平以及降低炎癥細胞因子表達， 從而減輕體重，改善肥胖。

總結(jié)與展望

GDF15 在人體內(nèi)發(fā)揮多種生物學(xué)作用， 能夠通過抑制食欲、提高能量代謝以及降低炎癥水平，從而減輕體重。 目前的動物研究已經(jīng)充分證實，外源性補充GDF15 可以有效減輕體重， 且不易反彈、 不良反應(yīng)少見。 近年來， 研究人員致力于GDF15 受體激動劑以及改造GDF15 類似物的研究，已有相關(guān)臨床1～3 期研究在進行，但尚未有臨床上市應(yīng)用的產(chǎn)品。 臨床應(yīng)用GDF15 治療肥胖及相關(guān)并發(fā)癥仍可能存在一定的困難。其主要原因在于GDF15 會引發(fā)惡心和嘔吐等不良反應(yīng)，故未來需要進行大樣本隨機對照試驗來評估GDF15 與其不良反應(yīng)的時效量效關(guān)系，如惡心、嘔吐的發(fā)生頻率以及是否可控。若其不良反應(yīng)可控， 或可通過改變結(jié)構(gòu)等途徑達到增效減毒的目的，可以GDF15/GFRAL 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑為靶點，開發(fā)出能夠直接誘導(dǎo)/升高GDF15 表達且不良反應(yīng)少的藥物， 或有望解決當(dāng)前代謝手術(shù)以及藥物干預(yù)治療肥胖存在的局限性，減輕肥胖及其合并癥對人類健康的威脅。