成纖維細胞生長因子21對糖尿病心血管疾病的保護作用

心血管疾病是2型糖尿病最常見的慢性并發癥之一。與一般人群相比，2型糖尿病病人心血管疾病的發病率及死亡率均顯著增高，且發病年齡更早、病變更嚴重、更廣泛。因此，對于2型糖尿病病人而言，心血管并發癥的防治意義重大。研究表明，成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factors，FGFs)可調節糖脂代謝，改善胰島敏感性，增加能量消耗，還可保護血管內皮細胞、抗炎、抗氧化應激，在心血管疾病的發生、發展中發揮著重要作用。

1 FGFs概述

FGFs是一類與細胞增殖分化、血管形成、神經發育以及代謝穩態等一系列生理及病理過程密切相關的細胞因子[1]。目前共發現22個成員，其中人類的FGF19與小鼠FGF15同源。人類成纖維細胞生長因子家族根據作用機制的不同可分為胞分泌型、旁分泌型及內分泌型三大類，其中胞分泌型、旁分泌型FGFs與硫酸肝素糖胺聚糖有較高的親和力，以其作為輔助受體結合并激活細胞表面的成纖維細胞生長因子受體(FGFRs)，進而發揮生物學作用[2]。而FGF19亞族，亦稱為內分泌型FGFs，包括FGF19、FGF21、FGF23，它們因缺乏肝素結合位點，需要跨膜糖蛋白α-Klotho或β-Klotho作為輔因子與FGFRs結合，并分泌入血液循環參與代謝調節[3]。α-Klotho與β-Klotho具有相似的結構和特點，是由1 000個氨基酸組成的單通道跨膜蛋白。其中FGF21主要以β-Klotho作為輔因子[4]，與FGFR分布廣泛不同的是，β-Klotho僅在幾種代謝活躍的組織中高度表達，包括脂肪組織、肝臟、胰腺及下丘腦等，其分布特異性決定了FGF21的組織特異性。

FGFRs基因家族主要包括4個成員，即FGFR1、FGFR2、FGFR3、FGFR4，屬于酪氨酸激酶受體家族，是由800個氨基酸構成的單通道跨膜蛋白，在多種組織中均有分布。FGFRs主要由胞外配體結合區、跨膜區以及胞內酪氨酸激酶區3部分組成，其中細胞外區包括3個免疫球蛋白樣區域和一個肝素結合域。FGFR1、FGFR2、FGFR3基因分別編碼了免疫球蛋白樣結構域Ⅲ的兩種剪接變異體(即b和c)，因此共有7種FGFRs蛋白，即FGFR 1b、1c、2b、2c、3b、3c和4。FGF21在脂肪組織和肝臟分別主要作用于FGFR1和FGFR4[5]。

2 FGF21概述

FGF21是目前唯一一種只有代謝效應沒有促有絲分裂效應的成纖維細胞生長因子。FGF21可通過多種信號通路降低血糖，改善血脂譜，增加胰島素敏感性，促進脂肪酸氧化，增加能量消耗等。與胰島素不同的是，FGF21過量不會引起低血糖[6]。

血液循環中的FGF21主要由肝臟產生，脂肪組織、骨骼肌及胰腺等也可產生少量FGF21。越來越多的證據表明，PPARγ激動劑(噻唑烷二酮類藥物)的降糖和胰島素增敏作用以及PPARα激動劑(非諾貝特)的調脂作用部分是由FGF21所介導的，因此FGF21是PPARα和PPARγ的下游靶點。FGF21的氨基酸序列與小鼠FGF21有75%同源。人類血清FGF21的分泌有晝夜節律性，在正常情況下FGF21的濃度從午夜開始上升，05:00達到高峰，下午下降到最低點。

FGF21的碳端和氮端分別與β-Klotho及FGFRs結合，組成FGF21/β-Klotho/FGFRs復合體后才能發揮代謝調節作用，上述復合體形成后，FGFRs被激活并發生二聚化，誘導胞質內酪氨酸殘基磷酸化，從而激活下游多種信號通路，如Akt、ERK1/2及AMPK等。

3 FGF21與心血管疾病

3.1 FGF21與動脈粥樣硬化(AS) AS作為冠心病、腦卒中等心腦血管疾病發病的病理基礎，是目前人類死亡率最高的疾病之一。糖尿病病人存在慢性高血糖的同時還常合并有血脂代謝紊亂、胰島素抵抗、肥胖、高血壓、炎性反應等，而這均是發生動脈粥樣硬化性疾病的危險因素。有證據表明，FGF21可降低血清低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)水平和升高血清高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)水平，并顯著減少動脈粥樣硬化斑塊的大小[7]。伍熙等[8]發現FGF21不僅能改善apoE-/-小鼠的血脂譜，還可使C反應蛋白(CRP)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等炎性指標的表達降低，延緩主動脈斑塊進展。因此，FGF21不僅可以維持血脂代謝平衡，還可以減輕血管壁炎癥反應，進而干預AS早期病變。此外，FGF21還可增強肝臟X受體α依賴的ABCA1和ABCG1介導的膽固醇外流從而發揮對抗動脈粥樣硬化的作用[9]。Lin等[10]發現FGF21通過ERKl/2-PPARγ-LxRα通路使膜轉運蛋白ABCA1表達上調，從而增加THP-1巨噬細胞來源的泡沫細胞中膽固醇流出，并使泡沫細胞形成減少，最終減輕或延緩AS。

血管內皮細胞損傷、通透性增高是AS形成過程中的主要推動作用。當氧化型低密度脂蛋白膽固醇(oxLDL-C)致心臟微血管內皮細胞損傷后，可誘導其分泌FGF21反應性增高；且當給予PPARα激動劑苯扎貝特后不僅使FGF21表達增加，還可抑制內皮細胞凋亡[11]，表明FGF21可通過保護血管內皮細胞，防止AS病變的發生與發展。此外，研究表明FGF21可增加超氧化物歧化酶水平，降低還原型谷胱甘肽和丙二醛水平發揮抗氧化應激作用[7，12]，并抑制apoE-/-小鼠內質網應激介導的細胞凋亡，從而預防AS[7]。

Lin等[13]研究發現，DKO(FGF21及apoE雙缺陷)小鼠與apoE-/-小鼠相比，其血清脂聯素及不同脂肪組織(包括附睪、皮下、腎周及血管周圍的脂肪組織)中脂聯素 mRNA的表達均顯著減少；在給予重組小鼠FGF21(rmFGF21)16周后，DKO小鼠循環脂聯素顯著增加，且整個主動脈粥樣硬化的面積顯著減少，說明FGF21可通過誘導脂聯素的表達及分泌來發揮抗AS的作用。此外分別用rmFGF21及脂聯素處理DKO小鼠，發現rmFGF21可以明顯降低DKO小鼠的血清膽固醇水平，且小鼠頭臂動脈的膽固醇酯含量降低了56%，而脂聯素干預組僅降低了22%；因此FGF21主要通過非脂聯素依賴機制，即降低肝臟中固醇調節元件結合蛋白2(SREBP-2)的轉錄活性和表達，從而影響膽固醇的合成。

3.2 FGF21與心肌缺血再灌注損傷 心肌再灌注是目前急性心肌梗死最為有效的治療手段。然而再灌注治療在改善心肌供血的同時，還會導致心肌細胞壞死和凋亡，誘發無復流現象、再灌注心律失常等心臟不良事件，即心肌缺血再灌注損傷。缺血再灌注損傷的高危因素很多，目前已證實糖尿病病人對心肌缺血后再灌注造成的損傷更為敏感。長期高血糖導致的內皮細胞和單核細胞功能障礙，心肌細胞能量代謝障礙以及氧化應激加劇，均可加重心肌缺血后的再灌注損傷。與普通人相比，糖尿病病人在心肌缺血后接受再灌注治療，更容易發生心力衰竭且心肌梗死面積更大。

研究顯示，急性冠脈綜合征(ACS)病人在心肌缺血時FGF21水平降低，再灌注后升高，提示FGF21與心肌缺血再灌注損傷相關[14]。C57BL/6J小鼠心肌缺血時肝臟和脂肪細胞的FGF21表達上調并分泌到血液循環中。在心肌細胞形成FGF21/FGFR1/β-klotho復合體后激活其下游激酶和蛋白PI3K-Akt1-BAD，從而減少心肌缺血誘導的細胞凋亡，這是通過抑制Caspase-3的激活實現的。研究發現與野生小鼠相比，FGF21轉基因小鼠的心肌缺血面積明顯減小[15]。

心肌缺血再灌注后可影響心肌能量代謝，而FGF21以劑量依賴的方式促進能量供應，并通過AKT-GSK3β途徑抑制炎癥反應和細胞凋亡從而保護H9c2心肌細胞缺血再灌注損傷[16]。Schaap等[17]證實，心肌缺血損傷后會激活心肌細胞的內質網應激，轉錄激活因子4(ATF4)表達增加，有利于細胞存活。而ATF4被證實能促進FGF21的表達。此外Patel等[18]發現對大鼠心臟離體灌注模型進行全心缺血處理前給予注射重組大鼠FGF21可激活MAPK-PI3K-Akt通路減少心肌壞死，改善心功能進而對心肌缺血再灌注損傷發揮保護作用；且在缺血處理后心源性FGF21也表達上調，以旁分泌/自分泌的形式發揮作用。

3.3 FGF21與心肌肥厚 心肌肥厚是對多種因素引起的心肌組織超負荷的一種適應性改變。高血壓病作為最常見的心血管疾病之一，常引起心肌肥厚、心室重塑，最終導致心臟功能減退。而高血壓病病人常并發2型糖尿病，其可加重上述病理狀態。研究表明，用異丙腎上腺素(ISO)誘導的心肌肥厚模型中，與野生型小鼠相比，FGF21-/-小鼠心臟重量相對增加，抗氧化基因(如Ucp3、Prdx5、Cat)表達減少，且Caspase-3/ 7活性增強，炎性因子TNF-α等表達增加；同樣當腹腔注射LPS后FGF21-/-小鼠Ucp3、Prdx5表達亦降低。當給予重組FGF21治療后，上述現象發生扭轉，炎癥反應及氧化應激均反應減輕，這主要是通過激活MAPK途徑來實現的[19]。FGF21還可通過誘導多種抗氧化基因(如解耦連蛋白2和3、超氧化物歧化酶2等)的表達以及抑制活性氧的形成來抑制心肌肥厚[20]。此外，心肌細胞可通過激活Sirt-PPARα通路，從而以自分泌的方式產生FGF21，發揮對抗心肌肥厚、減輕炎性反應等作用[19]。

3.4 FGF21與糖尿病心肌病(DCM) 糖尿病心肌病(DCM)是由糖尿病引起的一種特異性心肌病，慢性高血糖導致活性氧過度分泌，進而對心肌細胞產生有害影響，導致線粒體功能紊亂、心肌細胞凋亡、繼發性肥大和纖維化，最終引起心臟功能障礙。許多研究表明，DCM與氧化應激和線粒體功能障礙有關。FGF21基因敲除可導致Nrf2驅動的CD36表達上調，心肌細胞脂質攝取增加，進而影響心肌能量代謝，加重心臟氧化應激，最終加速DCM的發展[21]。在STZ/HFD誘導的糖尿病小鼠中，腺相關病毒(AAV)介導的FGF21的過度表達可以顯著增強心肌AMPK活性、paraoxonase 1(PON1)的表達及其生物活性，從而緩解DCM。在培養的心肌細胞中，給予rmFGF21可激活AMPK-PON1軸從而抵消高糖誘導的氧化應激、線粒體功能障礙和炎癥反應等[22]。

4 結 語

FGF21作為一種新型的內分泌細胞因子，除了具有調節糖脂代謝的功能，它還可通過抑制心肌細胞凋亡、抗炎、減輕病理性心肌重構、減輕氧化應激以及改善心肌能量供應等多種作用，預防甚至逆轉各種心臟疾病，從而減緩心臟病發展。因此，FGF21可作為各種心血管疾病的潛在生物學標志物，可能是未來代謝紊亂和冠心病的潛在治療靶點。