AMPK、PPARs在2型糖尿病中的作用機制及藥物研究

丁婕，傅繼華

(中國藥科大學基礎醫學與臨床藥學學院，江蘇 南京 211198)

糖尿病是一種慢性代謝疾病，主要分為1型和2型，其中2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)占90%以上，主要表現為胰島素敏感性降低或胰島素抵抗(insulin resistance,IR)，機體主要器官和組織糖脂代謝發生嚴重紊亂，其發病原因與遺傳、環境以及生活方式密切相關。據國際糖尿病聯盟報告，目前全球約有4.25億人患有糖尿病，其中四分之一以上的患者來自中國，如果缺乏有效干預，預計到2040年將增加到1.5億，糖尿病逐年升高的發病率和死亡率使其成為高度關注的社會公共衛生問題[1]。IR是指由于各種原因引起的胰島素促進肝臟、肌肉和脂肪組織攝取和利用葡萄糖的效率降低，胰腺β細胞代償性分泌過量胰島素，最終β細胞功能受損，胰島素缺乏，機體長期處于高糖水平，若得不到及時有效的治療，可導致視網膜病變、糖尿病腎病、周圍神經病變和心腦血管并發癥的發生，大大縮短了患者壽命[1-2]。單磷酸腺苷(adenosine monophosphate,AMP)激活的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)和過氧化物酶增殖物激活受體(peroxisome proliferater-activated receptors，PPARs)作為目前治療糖尿病的關鍵靶點，對糖脂代謝平衡起著重要的調節作用，以下將分別闡述其與T2DM的關系及相關藥物作用機制研究進展。

1 T2DM重要的分子靶點

1.1 AMPK AMPK是一種進化上保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，這種由催化亞基α(α1、α2)和調節亞基β(β1、β2)和γ(γ1、γ2、γ3)組成的異源三聚體復合物是全身能量平衡的關鍵調節靶點。肝激酶B1(liver kinase B1,LKB1)和鈣調蛋白依賴性蛋白激酶激酶β(calcium/calmodulin-dependent protein kinase kinase β,CaMKKβ)分別通過AMP/ATP比值升高以及細胞內Ca2+濃度升高磷酸化AMPKα亞單位的Thr-172位點，激活AMPK，從而抑制合成代謝過程，包括脂質、蛋白質和糖原合成，激活分解代謝過程，例如脂肪酸(Fatty acid,FA)氧化和糖酵解[3]。總之，AMPK激活能夠改善胰島素敏感性及葡萄糖穩態，其失活與各種代謝紊亂有關，同時也反映了其作為治療靶點的重要性[4]。

AMPK激活可以增加脂質氧化，減少脂質合成。其通過脂肪酸轉運蛋白CD36的易位增加脂肪酸攝取；通過磷酸化乙酰輔酶A羧化酶(acetyl CoA carboxylase,ACC)-2抑制丙二酰輔酶A，減少其對肉堿棕櫚酰轉移酶1(carnitine palmitoyltransferase I,CPT1)的抑制，增加脂肪酸氧化；通過磷酸化3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A還原酶(3-hydroxy-3-methyl glutaryl coenzyme A reductase,HMGR)抑制膽固醇合成；通過滅活甘油磷酸酰基轉移酶抑制甘油三酯(triglyceride,TG)和磷脂合成；AMPK磷酸化固醇調節元件結合蛋白-1(sterol regulatory element-binding protein-1,SREBP1)切割位點附近的保守絲氨酸，抑制其水解成活性形式入核，從而在轉錄水平下調ACC1和脂肪酸合酶(fatty acid synthase,FASN)表達，抑制脂肪酸合成。在脂肪組織中，AMPK直接磷酸化激素敏感脂肪酶(hormone-sensitive triglyceride lipase,HSL)和脂肪甘油三酯脂肪酶(adipose triacylglyceride lipase,ATGL)[5-7]，抑制脂解。

AMPK對糖代謝的調節主要是增加葡萄糖攝取，增加糖酵解并抑制糖異生。在骨骼肌和脂肪組織，AMPK通過磷酸化Rab GTPase活化蛋白(Rab GTPase activated protein,Rab-GAP) TBC1D1(Tre-2/BUB2/cdc1 domain family 1)的絲氨酸231位點，抑制其GAP活性，瞬時調節葡萄糖轉運蛋白(glucose transporter type 4,GLUT4)迅速轉位到胞膜，AMPK對GLUT4的長期影響是通過部分磷酸化組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDAC)-5，影響GLUT4的基因轉錄，從而增加葡萄糖攝取；通過磷酸化并激活磷酸果糖激酶(Phosphofructokinase,PFK)，生成糖酵解的最強激活劑2,6-二磷酸果糖，增加糖酵解；AMPK抑制糖異生主要通過兩個機制：①AMPK磷酸化環磷腺苷效應元件結合蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)調節的轉錄共激活因子2(CREB regulated transcriptional co-activator 2,CRTC2)使其失活，減少CREB靶基因的表達，如FOXO(forkhead box protein O)；②磷酸化組蛋白去乙酰化酶HDAC IIa家族(HDAC4,HDAC5,HDAC7和HDAC9)，使其活性降低，無法入核去乙酰化并激活FOXO，從而降低FOXO靶基因的表達，例如葡萄糖-6-磷酸酶(glucose-6-phosphatase,G6Pase)和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase,PEPCK)，減少肝糖異生[7]。

1.2 PPARs PPARs是一類配體激活的核轉錄因子超家族成員，包括PPARα(NR1C1)，PPARβ/δ(NR1C2)和PPARγ(NR1C3)3種表型，其與視黃醇類X受體(retinoid X receptor,RXR)形成異源二聚體，結合DNA并調節靶基因轉錄[8]。它們在肥胖和T2DM發展中發揮著重要作用，是治療代謝綜合征的最有希望的靶標之一。

PPARα 主要表達于FA氧化能力較強的組織(肝、心臟、骨骼肌等)，調節參與脂質和血漿脂蛋白代謝相關的基因的表達，PPARα 通過上調FA轉運蛋白和CPT1增加FA攝取及轉運；誘導線粒體酰基輔酶A脫氫酶的表達，促進肝臟FA氧化。同時PPARα激活通過調節肝臟載脂蛋白的合成降低血漿TG和低密度脂蛋白膽固醇(low density lipoprotein cholesterol,LDL-c)水平并提升高密度脂蛋白膽固醇(high density lipoprotein cholesterol,HDL-c)濃度，這些作用糾正了脂代謝紊亂進而增加糖代謝的穩定性[9]。

PPARβ/δ 廣泛表達，在促進骨骼肌，肝臟和心臟等代謝組織中的FA氧化方面與PPARα 有類似的作用，同時也控制炎癥和胰島素敏感性。在肝臟中，PPARβ/δ 激活誘導Insig1基因表達，減少SREBP1c的蛋白酶切加工成活性形式，抑制脂肪生成基因的表達，減少肝臟脂質沉積，改善肥胖和糖尿病動物模型中的肝脂肪變性[10]。在骨骼肌中，PPARβ/δ 激活上調參與FA氧化的基因，如CPT1和丙酮酸脫氫酶激酶4(pyruvate dehydrogenase kinase4,Pdk4)的表達，減少二酰甘油(diacylglycerol,DAG)的積聚，減弱了DAG-PKCθ-NF-kB途徑的激活，改善胰島素信號傳導及IR[11]。在脂肪組織中，PPARβ/δ 激活促進巨噬細胞向抗炎M2表型轉化，減少炎癥反應，并通過抑制STAT3-SOCS3 抑制IL-6誘導的IR[12]。在胰腺中，PPARβ/δ 激活促進胰高血糖素樣肽-1(glucagon-likepeptide1,GLP-1)受體表達，增強GLP-1對脂毒性誘導的凋亡的保護作用，并增加葡萄糖刺激的胰島素分泌(glucose-stimulated insulin secretion,GSIS)。PPARβ/δ 激活也改善了FA誘導的內質網應激，有助于預防肥胖和T2DM[13]。

PPARγ 在白色和棕色脂肪組織中高度表達，是全身脂質代謝，脂肪生成和胰島素敏感性的主要調節者[14]。PPARγ 激活促進前脂肪細胞分化為成熟脂肪細胞，刺激脂肪細胞中FA的貯存，降低血漿FA濃度，減少骨骼肌、肝臟和胰腺中脂質蓄積，同時通過調節脂肪細胞與IR相關的激素、細胞因子和蛋白的表達增強對胰島素的敏感性。脂肪組織PPARγ 激活還可抑制肝糖生成并逆轉高胰島素血癥[15]。PPARγ可以促進PI3K 基因表達，增強外周組織對胰島素的敏感性，還可以刺激GLUT4表達及轉位，促進對葡萄糖的攝取，降低血糖水平從而改善IR[16]。

2 相關藥物研究進展

2.1 AMPK激動劑 二甲雙胍作為治療T2DM的一線降糖藥物，已被確定為肝細胞、骨骼肌細胞中AMPK通路的激活劑，在分子水平，二甲雙胍抑制肝臟線粒體呼吸鏈復合物1(Complex 1)，阻止線粒體ATP的產生。因此，細胞質ADP/ATP和AMP/ATP比值升高，從而激活AMPK，活化的AMPK磷酸化ACC1和ACC2，抑制脂肪合成的同時促進脂肪氧化，從而減少肝臟脂質儲存并增強肝臟胰島素敏感性[17]。二甲雙胍抑制肝糖異生主要通過以下幾個機制：①AMP/ATP比值升高抑制果糖-1，6-二磷酸酶(fructose l,6-bisphosphatase,FBPase)，導致糖異生的急性抑制。②AMPK磷酸化并激活cAMP(cyclic adenosine monophosphate)特異性3′，5′-環磷酸二酯酶4B(cAMP-specific 3′,5′-cyclic phosphodiesterase 4B,PDE4B)導致cAMP分解或通過抑制腺苷酸環化酶(adenylate cyclase,AC)并降低cAMP生成，減少cAMP依賴性蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)激活，從而減少下游糖異生酶—PEPCK和G6Pase的表達[18]。③抑制肝糖異生需要蛋白質蘇氨酸激酶—肝激酶B1(liver kinase B1,LKB1)，LKB1磷酸化AMPK，通過雷帕霉素靶蛋白C2(target of rapamycin C2,TORC2)，減少PPARγ共激活因子1α(PPAR gamma coactivator 1-alpha,PGC1α)，最終調節PEPCK的表達[19]。④抑制線粒體甘油磷酸脫氫酶(mitochondria glycerol 3 phosphate dehydrogenase,mG3PDH)，影響NADH(nicotinamide adenine dinucleotide)從細胞質轉運到線粒體，抑制來自乳酸的糖異生過程[20]。總之，二甲雙胍可以通過降低血漿FFA以及抑制肝臟糖異生，以促進肝臟骨骼肌、脂肪等胰島素敏感性組織對葡萄糖的攝取和利用，改善胰島素敏感性。此外，二甲雙胍還對炎癥有直接影響，包括影響核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)通路，抑制單核細胞向巨噬細胞的分化，以及抑制巨噬細胞產生的促炎細胞因子[21]。二甲雙胍還能通過增加AMPK依賴的內皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)的活性改善糖尿病患者內皮功能，減少心血管事件的發生[22]。

目前最新的AMPK激活劑為Poxel 研發的Imeglimin，用于治療2型糖尿病的研究處于臨床Ⅲ期[23]。Imeglimin在降低糖化血紅蛋白(glycated hemoglobin A1c，HbA1c)和空腹血糖方面與二甲雙胍臨床效果相似，副作用發生率低，尤其是低血糖。Imeglimin對T2DM所致的骨骼肌葡萄糖攝取受損，肝臟糖異生過量，β細胞凋亡增加均有良好的改善作用[24]，預防內皮功能障礙避免糖尿病引起的微血管和大血管缺陷的優勢使其廣受關注，有望用作單一療法或與其他藥物聯用治療T2DM。

2.2 PPARs激動劑 貝特類是常用的PPARα 激動劑，通常用于治療與2型糖尿病并發的血脂異常，顯著降低TG并增加HDL-c，但無法改善T2DM患者的葡萄糖穩態。然而，PPARα 激活改善前驅糖尿病患者的葡萄糖穩態[25]，并可能阻止前驅糖尿病轉為明顯的T2DM。這種效果可能源于保護胰腺β 細胞免受脂毒性[26]以及減少由膽汁糖蛋白癌胚抗原相關細胞黏附分子1(carcinoembryonic antigen-related cell adhesion molecule 1，CEACAM1)介導的胰島素清除[27]。

臨床關于T2DM治療研究最多的是PPARγ，常用的PPARγ激動劑為噻唑烷二酮藥物(TZDs)，也被稱為胰島素增敏劑，主要有羅格列酮和吡格列酮。TZDs通過直接或間接方式介導胰島素增敏作用[28]。一方面，根據“脂質竊取”理論，TZDs促進FA在脂肪組織中的攝取和儲存。結果，在非脂肪組織，如肝臟，肌肉和胰腺中脂肪堆積減少，保護這些組織免受高游離FA的損害(脂毒性)，增加葡萄糖在外周的利用。這個過程中PPARγ 調節的目標基因包括脂蛋白脂肪酶，FA轉運蛋白和氧化LDL受體-1，以上均促進FA向脂肪細胞遷移[29]。TZDs還通過增加胰島素增敏脂肪因子的基因表達，如脂聯素，并降低參與誘導IR的脂肪因子的基因表達，如TNF-α，抵抗素和11-β-羥基類固醇脫氫酶-1(11-βHSD1)間接調節胰島素敏感性[30]。

基于PPARα和PPARγ在調節脂質和葡萄糖穩態方面各不相同卻又互補的作用，研究人員嘗試開發PPARα/γ雙重激動劑，以獲得更好的治療效果及更少的不良反應。洛貝格列酮硫酸鹽(lobeglitazone sulfate)作為PPARα、γ 雙重激動劑，于2013年獲韓國食品藥品管理局(KFDA)批準上市。其通過與脂肪細胞中PPAR結合，使脂肪細胞對胰島素更加敏感。該藥作為結合飲食和運動的輔助療法，用于改善成年2型糖尿病患者的血糖控制。同年，另一種新型PPARα/γ 激動劑沙羅格列扎(saroglitazar)在印度上市，其主要激活PPARα中度激活PPARγ，因此沒有典型的PPARγ 副作用(體重增加)，該藥適用于他汀類藥物無法控制的由T2DM引起的血脂異常和高甘油三酯血癥[31]。

PPARβ/δ可以緩解PPARγ對脂肪細胞分化的誘導，減少脂肪堆積。目前PPARβ/δ作為靶標治療T2DM 的研究還不完善，GW501516作為首個PPARβ/δ激動劑在臨床試驗IIa期顯示出良好的改善脂質代謝、增加肝臟葡萄糖處理和增強胰島素敏感性的作用[32]，但因前腺癌風險而終止，這也促進其他PPARβ/δ 激動劑的進一步研發。此前，由Genfit研發的PPARα、δ雙重激動劑Elafibranor(GFT505)證實在嚙齒動物模型中具有廣泛的抗脂肪變性，抗炎和抗纖維化效果。其用于治療2型糖尿病、血脂異常、動脈粥樣硬化和IR的研究處于臨床II期。IIa期臨床試驗顯示Elafibranor可以降低腹部肥胖的血脂異常或前驅糖尿病患者的TG和殘余膽固醇水平，增加HDL-c水平。此外，高胰島素-正常血糖鉗夾試驗結果顯示，Elafibranor改善前驅糖尿病患者肝臟和外周胰島素敏感性[33]。

PPARα、γ、δ三重激活劑既能提高機體對胰島素的敏感性，又可以通過調節游離FA和TG的含量來降低白色脂肪的沉積，因此，有望減少心血管并發癥的發生又不誘發肥胖。 目前處在臨床Ⅲ期的西格列他鈉能夠同時低強度激活PPARα、γ和δ受體，有效地抑制由肥胖及炎癥因子激活的CDK5對PPARγ的磷酸化，從而選擇性地改變一系列與胰島素增敏相關基因的表達[34]，該產品已完成的臨床前研究和臨床I、II期試驗結果中，西格列他鈉表現出與現有TZDs類藥物不同的體外活性和體內療效特點，并表現出良好的綜合治療效果及臨床安全性。

3 總結與展望

本綜述重點總結了T2DM發病過程中重要的分子靶點(AMPK,PPARs)及相關藥物在T2DM治療中的作用機制，利于我們充分理解T2DM的發生及發展過程，并為臨床治療方案的選擇提供新的思路。基于此，研究人員可以從分子機制入手，進一步開發出新型有效的抗糖尿病藥物，從而為T2DM患者帶來新的希望。