胰島素與癌癥

第四軍醫大學西京醫院內分泌代謝科 付建芳 姬秋和

一系列流行病學調查資料提示，2型糖尿病使多種癌癥的發病風險增加；同時2型糖尿病的治療可能會改變這種相對危險度，例如二甲雙胍治療的患者中腫瘤的發生風險減小，而胰島素卻可能增加癌癥的發生風險。癌癥作為一種難以治愈的而且預后極差的疾病，使我們不得不對此問題加以思考和分析。

高胰島素血癥與癌癥

胰島素抵抗是2型糖尿病發病最重要的病理生理特征。胰島素抵抗時胰島素效能降低，B細胞為了繼續維持代謝正常進行，代償性分泌胰島素，造成體內高胰島素血癥。我們知道胰島素在體內的作用主要有兩方面：調控代謝和促有絲分裂。胰島素對營養物質代謝的控制主要是通過胰島素受體途徑實現的，而促有絲分裂的作用被認為與IGF-1受體途徑相關。有研究表明過表達IGF-1受體能夠促進多種細胞系發生有絲分裂或者是癌變[1]。在人體內有三種胰島素樣受體：胰島素受體，IGF-1受體和IGF-2受體。胰島素和IGF-1受體在β亞基有80%的同源性[2]。而且胰島素與IGF-1分子有40%～50%的同源性[3]。因此胰島素可以通過IGF-1通路對細胞產生促有絲分裂作用，這對于腫瘤的發生和增殖具有非常重要的作用。在乳腺癌細胞系中，胰島素表現出受體介導的促有絲分裂作用[4-5]。由于胰島素對IGF-1受體的親和力遠低于胰島素抵抗(IR)，故正常生理濃度下胰島素只產生代謝調控作用，而在顯著高于生理濃度的狀態下才能結合IGF-1受體產生促有絲分裂的作用[3]。在小鼠中高脂飲食誘導的肥胖和胰島素抵抗能夠促進移植的結腸癌細胞和肺癌細胞的生長，并且與體內的高胰島素和IGF-1水平相關[6]。流行病學資料也顯示，高胰島素水平與某些癌癥相關。女性健康調查研究顯示，即使無糖尿病但高胰島素水平的個體發生結腸癌和子宮內膜癌風險增加[7,8]。另外，醫師調查研究和歐洲營養與癌癥調查研究顯示，高C肽水平除與子宮內膜癌和結腸癌相關外，還與前列腺癌的死亡率增加相關[9-11]。內源性胰島素對于乳腺癌發病率的影響存在差異，在EPIC和WHI研究中絕經后婦女的高胰島素水平或C肽水平與乳腺癌發病率增加相關[12,13]，而在護士健康研究中，卻沒有發現絕經前婦女的高胰島素或C肽水平與乳腺癌發病相關[14]。這種差異可能源于體內雌激素水平變化，以及胰島素對雄激素和雌激素在絕經前后的影響的差異[15,16]。2型糖尿病患者除本身高胰島素血癥外，人為地升高胰島素水平(例如使用促泌劑)也可能與腫瘤發生相關。一項觀察性研究發現，與二甲雙胍治療相比口服胰島素促泌劑治療的患者發生腫瘤的風險升高[17]。以上資料顯示，我們可以推論高胰島素血癥與腫瘤發生相關。

胰島素類似物與癌癥

自從Banting和Best在1921年發現胰島素之后，胰島素的替代治療成為治療糖尿病最有效的手段。但是由于胰島素的替代治療無法完全模擬正常生理性胰島素的藥代動力，會造成胰島素過量或不足，以至無法達到理想的代謝控制。這種情況的發生與胰島素給藥途徑明顯相關。現在臨床上使用的胰島素治療基本上都是通過皮下注射給予的。胰島素在皮下具有自發聚集傾向，容易形成二聚體或者六聚體。二聚體或者六具體需要分解成胰島素單體才能通過毛細血管進入血液循環[18,19]。不同注射部位、不同胰島素劑型以及溫度等因素均會增加胰島素吸收的變異性，這種變異性是導致皮下注射胰島素無法完全模擬內源性胰島素生理模式的重要原因之一。為了避免普通胰島素在治療中的不足，人們研發了在藥代、藥效動力學方面更具優勢的胰島素類似物。胰島素類似物是在人胰島素的結構上進行修飾，使其藥代動力學更加接近內源性胰島素，而不影響其與胰島素受體的親和力。目前臨床使用的胰島素修飾主要包括三種方式：①更換部分氨基酸殘基，這種改變影響了胰島素的結構域，減少形成二聚體的機會，即使在皮下也保持單體形式，可以加速胰島素的吸收，如門冬胰島素、賴脯胰島素。②增加氨基酸，這使胰島素在皮下沉積，減緩胰島素的吸收，例如甘精胰島素。③在胰島素骨架上添加脂肪酸側鏈，這種側鏈增加胰島素與白蛋白結合，降低胰島素的清除率，延長胰島素作用時間，例如地特胰島素。大部分結構修飾都在胰島素B鏈的碳基末端，這一區域主要與二聚體形成有關，而與胰島素受體結合不相關[2,3,20]。但是這個區域的分子對IGF-1受體的親和力十分重要[3]。因此，不難理解胰島素類似物比人胰島素具有潛在的更強的促有絲分裂作用。

胰島素B10類似物是最早開始研發的胰島素類似物，其B鏈的第十位組氨酸被門冬氨酸取代。B10位點的氨基酸殘基對于胰島素對IGF-1受體親和力非常重要，這種替換改變使胰島素B10類似物在結構上更加類似IGF-1[21]。受體結合力實驗表明，與人胰島素相比胰島素B10類似物對于胰島素受體(3.5倍)和IGF-1受體(9倍)的親和力均明顯增加，而且其促有絲分裂作用增加9倍[22,23]。

胰島素B10類似物促有絲分裂作用被認為主要與IGF-1親和力增加相關[22]。在血管平滑肌中，胰島素B10類似物能夠刺激IGF-1受體自主磷酸化，促進DNA合成增加以及細胞增殖[21]。另一方面胰島素 B10類似物能夠明顯延長胰島素受體B亞基磷酸化狀態的持續時間，與人胰島素相比其代謝活性增加4倍[24]并且有絲分裂的作用也相應增加[21,25]。體外研究發現，胰島素B10類似物能夠增加小鼠B細胞系和人乳腺癌細胞系的增殖活性[4,26]。體內實驗也表明，給予大鼠胰島素B10類似物治療12個月能夠明顯增加腺癌和纖維上皮細胞癌的發生，并且呈劑量依賴性[27]，基于以上臨床前研究人們認識到了這種胰島素類似物的致癌作用，而停止了對其進行臨床應用的研究。

賴脯胰島素是將人胰島素B鏈28和29位的脯氨酸和賴氨酸互換后制成的速效胰島素類似物。這種結構改變導致賴脯胰島素與人胰島素相比吸收率和清除率提高2倍[28]。正是由于這種特性賴脯胰島素在一天多次注射治療和胰島素泵治療中能夠明顯改善餐后血糖控制以及減少血糖波動[29]。與人胰島素相比，賴脯胰島素對胰島素受體的親和性和降糖效能較人胰島素略低，但是對于IGF-1受體的親和力卻較高[22]。目前在細胞學和動物模型實驗中尚無關于賴脯胰島素致癌性的報道[30]。同時門冬胰島素是人胰島素B鏈28位的脯氨酸被門冬氨酸替換的速效胰島素類似物。在藥代動力學和降糖效果方面與賴脯胰島素類似[31,32]，對于IGF-1受體的親和力與人胰島素相同[22]。在一項持續52周的研究中，以高于人皮下注射劑量(人平均1.0 IU·kg-1·d-1)32倍劑量的門冬胰島素注射給大鼠才導致乳腺腫瘤發生率增加[33]，說明此胰島素類似物也有很好的安全性。

甘精胰島素是利用基因重組技術在人胰島素B鏈31和32位各增加一個精氨酸以及在A鏈的21位用甘氨酸取代門冬酰胺的長效胰島素類似物[34]。這些改變使甘精胰島素等電點偏向中性pH值，在皮下容易形成六聚體。六聚體緩慢在血液中釋放，可以較長時間保持血液中胰島素在穩定水平。受體結合實驗表明，與人胰島素相比，甘精胰島素對胰島素受體的親和力降低60%，而解離度是人胰島素的1.5倍[22]，同時其對于IGF-1受體的親和力較人胰島素增加了6.5倍，刺激DNA合成的能力增加了8倍[22]。細胞培養中觀察到的這種促有絲分裂潛能在其他細胞系中也有報道，如過表達胰島素受體的大鼠成纖維細胞以及過表達IGF-1受體的纖維母細胞[35-37]。但是在大鼠和小鼠的體內研究中并未發現具有刺激乳腺腫瘤發生的作用[38]，提示細胞培養水平研究對甘精胰島素的促有絲分裂潛能具有放大作用。有研究顯示，甘精胰島素在體內很快代謝為一種與IGF-1R親和力很低的產物GlyA21(M1)，不會導致異常的細胞增殖。最近，Lucidi等對進行甘精胰島素(0.4 IU/kg)治療的2型糖尿病患者體內的代謝情況進行了觀察。結果顯示，這些患者體內的甘精胰島素原型濃度很低，很難被檢測到，而其代謝產物GlyA21(M1)占胰島素濃度的90%，極少部分進一步代謝為GlyA21-disB30(M2)，這可能是減低甘精胰島素促有絲分裂潛能的原因之一，也或者體內具有其他的調節機制而抵消了這種促有絲分裂潛能。

地特胰島素是另一種長效胰島素類似物，主要是在B29位置的賴氨酸上添加了含14碳原子的肉豆蔻酸長鏈。這種結構改變使地特胰島素容易與白蛋白結合以及相互之間作用延緩胰島素的吸收和降解。與人胰島素相比，地特胰島素與胰島素受體的親和力有所降低，并且解離速度是其2.5倍[22]，這使得其代謝調控能力也有所降低。但是其對IGF-1受體的親和力比人胰島素低5倍，相應其促有絲分裂潛能降低250倍[22]。

胰島素類似物與癌癥關系的臨床證據

實驗室研究結果使人們對胰島素類似物與癌癥的關系倍加關注，然而現有胰島素類似物與腫瘤關系的觀察性研究的結果并不一致。Hemkens等分析德國保險數據庫記錄的127000例使用甘精胰島素、門冬胰島素、賴脯胰島素或者人胰島素的糖尿病患者的資料，發現所有這些胰島素與癌癥風險呈劑量依賴性相關[39]。與人胰島素相比，甘精胰島素的劑量依賴性致癌風險更高(HR 1.31，50IU/d)，但是門冬和賴脯胰島素并不比人胰島素風險更高。值得注意的是甘精胰島素這種致癌風險只有在校正了劑量之后才有顯著性差異。通常使用人胰島素的患者每日平均胰島素劑量更大，并且在劑量校正前人胰島素致癌風險比所有胰島素類似物都低。該研究盡管樣本量很大，但是由于是回顧性研究存在許多混雜因素。更為重要的是該研究隨訪時間僅1.31年，在生物學上腫瘤不太可能在如此短的時間內產生。這些因素均使該研究的結論可信度受到影響。另一項來自瑞士數據庫的研究收集了2005年接受胰島素治療115000例患者的資料[40]。他們發現在接下來2年時間里單用甘精胰島素治療的患者乳腺癌發病風險明顯較使用其他胰島素類似物高(RR1.99)。除乳腺癌外，甘精胰島素與其他胰島素類似物在致腫瘤方面無明顯差異。但是也有研究發現是胰島素治療并不總是與癌癥發生率增加相關。Colhoum等分析了蘇格蘭50000例使用胰島素治療的糖尿病患者，發現甘精胰島素暴露與總體癌癥發生率減少相關(RR0.66)[41]。與前面研究一致的是，只接受甘精胰島素治療的患者比接受其他胰島素類似物治療發生癌癥的風險要高(RR1.66)，而且乳腺癌風險明顯增高。而香港糖尿病登記患者研究卻顯示胰島素使用和癌癥風險降低相關，糖尿病控制不佳增加癌癥風險，而包括甘精胰島素在內的胰島素使用卻降低癌癥風險[42]。近日公布的Origin研究[43]對此問題給了人們比較確切的答案，此研究是第一個涉及甘精胰島素是否與腫瘤發生有關的大規模長時間的前瞻性對照研究。此研究針對12537例糖尿病前期或早期2型糖尿病患者，經過平均6.2年的前瞻性隨訪，觀察到953例腫瘤事件的發生，但兩組之間沒有統計學差異(RR 1.00；95%CI：0.88～1.13，P=0.97)。

前面的研究是評價單用胰島素治療腫瘤的發生風險，胰島素與其他降糖藥物之間聯合治療時對腫瘤發生的影響也是值得研究的。近期發表的關于不同糖尿病治療藥物致腫瘤風險的回顧性研究發現接受二甲雙胍治療的患者實體腫瘤發生率小于接受磺脲類藥物和胰島素治療的患者[17]。先前接受口服降糖藥物治療然后又轉換為胰島素治療的隊列中，甘精胰島素、人基礎胰島素、人雙相胰島素以及雙相胰島素類似物治療組中腫瘤發生率無明顯差異。二甲雙胍發生腫瘤風險低于其他治療組的研究結論與先前報道的結果一致[44,45]。

結 語

一系列的臨床與基礎研究都表明糖尿病與癌癥發生相關，而關于胰島素治療與癌癥有關的認識則來自受體結合實驗和觀察性研究，受體結合實驗僅是細胞培養中的結果，缺乏人體研究的說服力；而觀察性研究存在許多混雜因素影響，不足以建立因果關系。Origin研究結果的公布對此帶來新的循證醫學證據，減少了人們對包括甘精胰島素在內的胰島素應用中腫瘤發生的擔憂，當然胰島素與癌癥的關系仍需進一步進行臨床觀察。

[1]Shaw LC, Grant MB.Insulin like growth factor-1 and insulin-like growth factor binding proteins: their possible roles in both maintaining normal retinal vascular function and in promoting retinal pathology[J].Rev Endocr Metab Disord, 2004, 5(3): 199-207.

[2]Mynarcik DC, Williams PF, Schaffer L, et al.Identification of common ligand binding determinants of the insulin and insulin-like growth factor 1 receptors.Insights into mechanisms of ligand binding[J].J Biol Chem, 1997, 272(30): 18650-18655.

[3]Slieker LJ, Brooke GS, DiMarchi RD, et al.Modifi cations in the B10 and B26-30 regions of the B chain of human insulin alter affi nity for the human IGF-I receptor more than for the insulin receptor[J].Diabetologia, 1997,40(Suppl 2): S54-S61.

[4]Milazzo G, Sciacca L, Papa V, et al.ASPB10 insulin induction of increased mitogenic responses and phenotypic changes in human breast epithelial cells: evidence for enhanced interactions with the insulin-like growth factor-I receptor[J].Mol Carcinog, 1997, 18(1): 19-25.

[5]Milazzo G, Giorgino F, Damante G, et al.Insulin receptor expression and function in human breast cancer cell lines[J].Cancer Res, 1992, 52(14): 3924-3930.

[6]Yakar S, Nunez NP, Pennisi P, et al.Increased tumor growth in mice with diet-induced obesity: impact of ovarian hormones[J].Endocrinology, 2006,147(12): 5826-5834.

[7]Rechler MM, Nissley SP.The nature and regulation of the receptors for insulin-like growth factors[J].Annu Rev Physiol, 1985, 47: 425-442.

[8]Wasada T, Kawahara R, Iwamoto Y, et al.Lack of evidence for bromocriptine effect on glucose tolerance, insulin resistance, and body fat stores in obese type 2 diabetic patients[J].Diabetes Care, 2000, 23(7): 1039-1040.

[9]Ma J, Li H, Giovannucci E, et al.Prediagnostic body-mass index, plasma C-peptide concentration, and prostate cancer-specifi c mortality in men with prostate cancer:a long-term survival analysis[J].Lancet Oncol, 2008, 9(11): 1039-1047.

[10]Jenab M, Riboli E, Cleveland RJ, et al.Serum C-peptide, IGFBP-1 and IGFBP-2 and risk of colon and rectal cancers in the European Prospective Investigation into Cancer and Nutrition[J].Int J Cancer, 2007, 121(2): 368-376.

[11]Cust AE, Allen NE, Rinaldi S, et al.Serum levels of C-peptide, IGFBP-1 and IGFBP-2 and endometrial cancer risk; results from the European prospective investigation into cancer and nutrition[J].Int J Cancer, 2007, 120(12): 2656-2664.

[12]Gunter MJ, Hoover DR, Yu H, et al.Insulin, insulin-like growth factor-I, and risk of breast cancer in postmenopausal women[J].J Natl Cancer Inst, 2009,101(1): 48-60.

[13]Verheus M, Peeters PH, Rinaldi S, et al.Serum C-peptide levels and breast cancer risk: results from the European Prospective Investigation into Cancer and Nutrition (EPIC)[J].Int J Cancer, 2006, 119(3): 659-667.

[14]Eliassen AH, Tworoger SS, Mantzoros CS, et al.Circulating insulin and c-peptide levels and risk of breast cancer among predominately premenopausal women[J].Cancer Epidemiol Biomarkers Prev, 2007, 16(1): 161-164.

[15]Calle EE, Kaaks R.Overweight, obesity and cancer: epidemiological evidence and proposed mechanisms[J].Nat Rev Cancer, 2004, 4(8): 579-591.

[16]Baillargeon JP, Nestler JE.Commentary: polycystic ovary syndrome: a syndrome of ovarian hypersensitivity to insulin?[J].J Clin Endocrinol Metab,2006, 91(1): 22-24.

[17]Currie CJ, Poole CD, Gale EA.The infl uence of glucose-lowering therapies on cancer risk in type 2 diabetes[J].Diabetologia, 2009, 52(9): 1766-1777.

[18]Hildebrandt P, Sejrsen P, Nielsen SL, et al.Diffusion and polymerization determines the insulin absorption from subcutaneous tissue in diabetic patients[J].Scand J Clin Lab Invest, 1985, 45(8): 685-690.

[19]Kang S, Brange J, Burch A, et al.Subcutaneous insulin absorption explained by insulin's physicochemical properties.Evidence from absorption studies of soluble human insulin and insulin analogues in humans[J].Diabetes Care,1991, 14(11): 942-948.

[20]Brange J, Ribel U, Hansen JF, et al.Monomeric insulins obtained by protein engineering and their medical implications[J].Nature, 1988, 333(6174): 679-682.

[21]Bornfeldt KE, Gidlof RA, Wasteson A, et al.Binding and biological effects of insulin, insulin analogues and insulin-like growth factors in rat aortic smooth muscle cells.Comparison of maximal growth promoting activities[J].Diabetologia, 1991, 34(5): 307-313.

[22]Kurtzhals P, Schaffer L, Sorensen A, et al.Correlations of receptor binding and metabolic and mitogenic potencies of insulin analogs designed for clinical use[J].Diabetes, 2000, 49(6): 999-1005.

[23]Drejer K, Kruse V, Larsen UD, et al.Receptor binding and tyrosine kinase activation by insulin analogues with extreme affinities studied in human hepatoma HepG2 cells[J].Diabetes, 1991, 40(11): 1488-1495.

[24]Schwartz GP, Burke GT, Katsoyannis PG.A superactive insulin: [B10-aspartic acid]insulin(human)[J].Proc Natl Acad Sci USA, 1987, 84(18): 6408-6411.

[25]Drejer K.The bioactivity of insulin analogues from in vitro receptor binding to in vivo glucose uptake[J].Diabetes Metab Rev, 1992, 8(3): 259-285.

[26]Vincent MT, Carroll RJ, Hammer RE, et al.A transgene coding for a human insulin analog has a mitogenic effect on murine embryonic beta cells[J].Proc Natl Acad Sci USA, 1995, 92(14): 6239-6243.

[27]Dideriksen LH JL, Drejer K.Carcinogenic effect on female rats after 12 months administration of the insulin analogue B10 Asp[J].Diabetes, 1992, 41: 143A.

[28]Howey DC, Bowsher RR, Brunelle RL, et al.[Lys(B28), Pro(B29)]-human insulin.A rapidly absorbed analogue of human insulin[J].Diabetes, 1994,43(3): 396-402.

[29]Schernthaner G, Wein W, Sandholzer K, et al.Postprandial insulin lispro.A new therapeutic option for type 1 diabetic patients[J].Diabetes Care, 1998,21(4): 570-573.

[30]Eli Lilly C.Humalog Insulin Lispro injection (rDNAorigin) 100 units per ml(U-100)[J].Description, 2004, 1-11.

[31]Plank J, Wutte A, Brunner G, et al.A direct comparison of insulin aspart and insulin lispro in patients with type 1 diabetes[J].Diabetes Care, 2002, 25(11):2053-2057.

[32]Raskin P, Guthrie RA, Leiter L, et al.Use of insulin aspart, a fast-acting insulin analog, as the mealtime insulin in the management of patients with type 1 diabetes[J].Diabetes Care, 2000, 23(5): 583-588.

[33]Novo Nordisk Pharmaceuticals.NovoLog Insulin aspart(rDNA origin)Injection, 2004.

[34]Gillies PS, Figgitt DP, Lamb HM.Insulin glargine[J].Drugs, 2000, 59(2):253-260; discussion 261-252.

[35]Ciaraldi TP, Carter L, Seipke G, et al.Effects of the long-acting insulin analog insulin glargine on cultured human skeletal muscle cells: comparisons to insulin and IGF-I[J].J Clin Endocrinol Metab, 2001, 86(12): 5838-5847.

[36]Berti L, Kellerer M, Bossenmaier B, et al.The long acting human insulin analog HOE 901: characteristics of insulin signalling in comparison to Asp(B10) and regular insulin[J].Horm Metab Res, 1998, 30(3): 123-129.

[37]Bahr M, Kolter T, Seipke G, et al.Growth promoting and metabolic activity of the human insulin analogue [GlyA21,ArgB31,ArgB32]insulin (HOE 901)in muscle cells[J].Eur J Pharmacol, 1997, 320(2-3): 259-265.

[38]Stammberger I, Bube A, Durchfeld-Meyer B, et al.Evaluation of the carcinogenic potential of insulin glargine (LANTUS) in rats and mice[J].Int J Toxicol, 2002, 21(3): 171-179.

[39]Hemkens LG, Grouven U, Bender R, et al.Risk of malignancies in patients with diabetes treated with human insulin or insulin analogues: a cohort study[J].Diabetologia, 2009, 52(9): 1732-1744.

[40]Jonasson JM, Ljung R, Talback M, et al.Insulin glargine use and short-term incidence of malignancies-a population-based follow-up study in Sweden[J].Diabetologia, 2009, 52(9): 1745-1754.

[41]Colhoun HM.Use of insulin glargine and cancer incidence in Scotland: a study from the Scottish Diabetes Research Network Epidemiology Group[J].Diabetologia, 2009, 52(9): 1755-1765.

[42]Yang X, Ko GT, So WY, et al.Associations of hyperglycemia and insuin usage with the risk of cancer in type 2 diabetes:the Hong Kong diabetes registry[J].Diabetes, 2010, 59(5): 1254-1260.

[43]The ORIGIN Trial investigators.Basal insulin and cardiovascular and other outcomes indysglycemia[J].N Engl J Med, 2012, Jun.[Epub ahead of print].

[44]Evans JM, Donnelly LA, Emslie-Smith AM, et al.Metformin and reduced risk of cancer in diabetic patients[J].BMJ, 2005, 330(7503): 1304-1305.

[45]Libby G, Donnelly LA, Donnan PT, et al.New users of metformin are at low risk of incident cancer: a cohort study among people with type 2 diabetes[J].Diabetes Care, 2009, 32(9): 1620-1625.