二甲雙胍輔助抗結核的作用機制及臨床價值

李百遠，李元軍, 2，高非凡

(1.延安大學附屬醫院 呼吸內科，陜西 延安 716000；2.延安市第二人民醫院 呼吸與結核科，陜西 延安 716000)

結核病作為一種古老而慢性的傳染病，一直以來是我國乃至全球面對的公共衛生問題之一，2018年全球結核病感染人數維持在1 000萬左右[1]。為在短期內有效消除結核病，單純依靠傳統抗結核藥物是不夠的，需要更有選擇性、耐受性更好和療程更短的治療方案。體外研究證實，包括貝達喹啉、德拉馬尼、利奈唑胺等在內的多種新型抗結核藥物因其獨特作用機制在抗結核治療方面有一定作用，但因臨床研發成本較高、耗時較長，目前大多仍處于臨床試驗階段，已上市藥物價格高昂，無法在結核病患者中廣泛推廣使用[2]。因此，一個更便捷、更安全但有望在全球獲得廣泛接受的藥物發現途徑是“藥物重新定位”(尋找現有藥物的新適應癥)，它遵循多重藥理學的原則，即一種藥物可以達到一個以上的臨床目標。藥物再利用可以大大減少新藥開發所需的時間和成本。特別是治療糖尿病的一線藥物——二甲雙胍，作為結核病宿主定向治療的候選藥物，它可減少結核相關的炎癥和肺損傷，以及治療持續時間和耐藥率，受到了國內外學者的廣泛關注[3]。因此，本文主要就二甲雙胍在結核病防治中的臨床價值及作用機理作一綜述，明確二甲雙胍在結核病中的應用前景。

1 糖尿病與結核病

糖尿病是結核病的一個關鍵、公認的風險因素[4-5]。全球糖尿病患病率在不到30年的時間里增加了20%，估計到2040年將有大約6.42億人患有糖尿病[4, 6]。糖尿病及其相關并發癥因其漫長的治療周期、高昂的醫療費用，成為全球主要的公共衛生問題。糖尿病患者的高血糖狀態通過以下機制干擾人體的免疫應答：①微血管對炎癥介質(如組胺和緩激肽)的反應性降低；②肥大細胞脫顆粒減少；③白細胞與其他內皮細胞的相互作用；④釋放腫瘤壞死因子(TNF)-α、白細胞介素(IL)-1β、前列腺素E2(PGE2)[7]。機體免疫系統的功能失調和衰竭，導致結核分枝桿菌(Mycobacteriumtuberculosis, Mtb)易感性增加以及潛伏性結核感染(latent tuberculosis infection，LTBI)的重新激活[8]。與非糖尿病者相比，糖尿病患者Mtb感染率高、治療時間長。臺灣學者證實，糖尿病可增加LTBI的風險。該研究總共招募2 948例40歲以上的糖尿病患者，453例來自社區的非糖尿病者，利用干擾素γ釋放試驗(IGRA)和結核菌素皮膚試驗檢測是否存在LTBI。結果顯示，糖尿病與LTBI顯著相關[9]。研究證實，糖尿病患者結核病感染的風險增加了2.39倍，結核病治療失敗的風險也增加了1.69倍[10-11]。結核病高負擔國家，包括中國、印度、巴西、孟加拉國、印度尼西亞和俄羅斯，也是世界上糖尿病患病率最高的國家[4]。預計到2040年，在結核病高負擔的國家中，糖尿病患者患結核病的風險將會進一步增加[4-5, 12]，全球結核病患病人數累計增加，對2030年實現“消滅結核病”這一目標提出嚴峻挑戰。

因此，在控制糖尿病發病率的同時，迫切需要新的措施預防糖尿病患者這一高危群體感染Mtb，降低糖尿病患者結核病發病率，以及制定糖尿病合并結核病患者的合理化治療策略，降低糖尿病、結核病相關死亡率。二甲雙胍可通過多種機制發揮抗結核作用[13-14]，其在抗結核治療中的臨床價值或許將為全球糖尿病、結核病的控制均發揮一定的積極意義。

2 二甲雙胍抗結核的優勢

二甲雙胍作為結核病宿主定向治療的候選藥物，主要有以下幾點優勢：第一，二甲雙胍可增強傳統抗結核藥物的療效。Singhal等[15]利用小鼠模型證實，二甲雙胍可提高小鼠體內Mtb清除率，增強抗結核藥物的作用。在Mtb感染小鼠后第7天，給予二甲雙胍或二甲雙胍聯合異煙肼(isoniazid, INH)、二甲雙胍聯合乙硫異煙胺(ethionamide, ETH)進行抗結核治療。結果發現，單用二甲雙胍(500 mg/kg)治療的小鼠肺和脾中的細菌負荷降低。與單獨接受INH、或ETH治療組相比，二甲雙胍+INH、二甲雙胍+ETH治療組小鼠的肺部細菌載量均顯著降低。在慢性Mtb感染小鼠(Mtb感染后42天)模型中進一步評估了二甲雙胍的療效，結果同樣表明，二甲雙胍可作為抗結核治療輔助用藥。Bachmakov等[16]研究表明，二甲雙胍與利福平在抗結核方面亦有協同作用。第二，二甲雙胍可減輕結核引起的組織病理炎癥損傷并增強免疫反應。研究發現，二甲雙胍除了可加速細菌清除率外，還可促進組織病理學的消退，與未經治療組相比，給予INH或ETH治療的小鼠器官大小和組織損傷明顯減少，在此基礎上，予以二甲雙胍+INH或二甲雙胍+ETH聯合治療可進一步降低組織病理損傷[15]。此外，研究人員還發現，二甲雙胍治療可促進CD8+T細胞和CD4+T細胞在肺內的蓄積，這一效應也可能有助于控制結核感染[15]。第三，二甲雙胍的臨床使用與糖尿病患者的結核病預防和治療效果均相關。二甲雙胍可降低糖尿病患者LTBI的患病率[17]。Lee等[18]的觀點與之一致。Zhang等[19]認為，二甲雙胍的使用與糖尿病患者活動性結核發病率顯著降低有關；對于糖尿病合并結核病患者，二甲雙胍可降低其發生死亡的風險。

3 二甲雙胍輔助抗結核的作用機制

3.1自噬誘導 作為宿主先天性和適應性免疫反應的重要組成部分，巨噬細胞自噬在保護宿主抵抗結核病方面起著重要作用。但是，休眠的細菌可以從自噬小體逃逸和(或)抑制自噬，從而在宿主內存活更長的時間，潛在機制尚不明確。熱休克蛋白16.3是LTBI期間表達的免疫優勢蛋白之一，它可能通過抑制巨噬細胞自噬而有助于維持Mtb的蛋白質穩定性和長期生存能力，從而導致LBTI[20]。Ernst[21]亦認為，Mtb通過抑制宿主巨噬細胞的自噬而具有逃逸機制。因此，改善自噬過程可提高抗結核治療效果。二甲雙胍可激活單磷酸腺苷活化蛋白激酶(adeno monophosphate kinase, AMPK)和隨后的UNC-51樣激酶1(unc-51-like kinase 1, ULK1)的磷酸化，然后AMPK作為哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)抑制劑發揮作用，激活細胞自噬[22]。在一項針對糖尿病合并結核病患者的觀察性臨床研究中，標準抗結核治療聯合二甲雙胍可改善自噬[23]。此外，自噬在限制炎癥病理的同時控制病原體進一步擴散[24]。

3.2氧化應激 氧化應激和抗氧化防御機制在結核病感染和治療中起著關鍵作用。氧化應激是由于游離活性氧(reactive oxygen species, ROS)和抗氧化機制之間的失衡引起的[25]。ROS的過量形成會引發一系列化學反應并對細胞造成損害[25]。此外，ROS可以通過蛋白激酶途徑、轉錄因子和致炎調節劑的基因組表達啟動炎癥信號級聯反應，導致免疫系統過度激活[26]。已知肺部存在多種生物機制，包括氧化應激反應來抵抗Mtb感染。Mtb感染會觸發宿主吞噬細胞(主要是巨噬細胞)產生ROS。二甲雙胍可通過AMPK信號通路增加線粒體ROS產生[15]。ROS不僅可以破壞宿主細胞，也可以殺死入侵宿主體內的病原體。ROS對細菌有很高的毒性，它可通過破壞DNA，蛋白質和脂質來直接殺死細胞內的Mtb，或者通過利用芬頓(Fenton)反應和三羧酸循環等，通過氧化核苷酸池來間接殺死細胞內的Mtb[27]。

二甲雙胍可提高炎癥時宿主體內超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)水平[28]。SOD是宿主抗氧化防御系統中產生的一種酶。研究證實，SOD參與了Mtb中的過氧化氫酶/過氧化物酶(KatG)從前藥到活性藥激活INH這一過程[29]。較高的SOD與INH抑制Mtb的效果有關。二甲雙胍聯合INH發揮協同效應，提高了INH的抗結核療效。二甲雙胍還通過增加有機陽離子轉運蛋白1(organic cation transporter-1, OCT-1)的表達與利福平有協同作用，OCT-1的表達具有抑制Mtb轉錄的作用[16]。

3.3免疫調節 體內外研究均證實，二甲雙胍可發揮免疫調節作用。人β-防御素(human β-defensins，hBDs)屬于抗菌肽(antimicrobial peptide，AMP)家族，主要在人類肺上皮細胞表達。hBDs作為呼吸道先天免疫反應的關鍵因素，可激活炎癥細胞和調節獲得性免疫[30]。機體感染Mtb后，hBDs是控制細菌生長的關鍵分子。二甲雙胍可通過上調hBD-2、hBD-3和hBD-4的表達，降低肺泡巨噬細胞和肺上皮細胞中的Mtb負荷[14]。另外，二甲雙胍可通過抑制早期生長反應因子1(early growth response-1，Egr-1)的表達和細胞外信號調節蛋白激酶(extracellular signal regulated protein kinase，ERK)1/2的磷酸化，干擾人單核細胞中ERK1/2-Egr-1通路，從而抑制腫瘤壞死因子和組織因子的產生，減輕部分炎癥反應[31]。健康志愿者的外周血單核細胞中加入二甲雙胍可增強體外細胞代謝，同時抑制mTOR的p70S6K和4EBP1，從而減少細胞因子的產生和細胞增殖，并增強細胞吞噬作用。給健康志愿者服用二甲雙胍后，氧化磷酸化、mTOR信號和I型干擾素反應通路相關基因顯著下調，尤其是在Mtb刺激后，吞噬和ROS產生的相關基因上調。這些體內效應伴隨著二甲雙胍誘導的髓系細胞從經典單核細胞向非經典單核細胞的轉變[32]。

4 其它降糖藥物輔助抗結核作用機制

體外實驗表明，阿卡波糖能有效抑制Mtb肽基-脯氨酰異構酶B(peptidyl-prolyl isomerase-B, PpiB)和MurE(Rv2158c)的表達[33-34]。Mtb有兩種Ppi，肽基-脯氨酰異構酶A(PpiA)和肽基-脯氨酰異構酶B(PpiB)，其中PpiB參與Mtb生物被膜的形成，對病原體的生存是必需的[33]。體外研究證實，環孢菌素A、阿卡波糖或鎵納米顆粒(gallium nanoparticle，GaNP)以劑量依賴的方式與Mtb的PpiB結合，從而抑制生物膜的形成。環孢菌素A、阿卡波糖或GaNP與抗結核藥物聯合治療可增加Mtb對這些藥物的敏感性[33]。MurE(Rv2158c)作為Mtb的必需基因，通過參與編碼特有蛋白質合成，催化Mtb肽聚糖生物體合成[35]。Brindha等[34]研究證實，阿卡波糖可與MurE緊密結合，從而抑制Mtb肽聚糖的生物合成。此外，阿卡波糖與Mtb細胞壁成分海藻糖合酶(trehalose synthase，treS)有很強的結合能力[35]。treS參與能量儲存、信號傳遞和蛋白質保護等多種生理功能，treS在Mtb中催化麥芽糖可逆轉化為海藻糖，海藻糖對Mtb存活至關重要。阿卡波糖作為treS的競爭性抑制劑，可抑制體內Mtb生長。

另外，有研究指出，噻唑烷二酮類(thiazolidinediones，TZDs)降糖藥物誘導的過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor gamma, PPARγ)通過激活巨噬細胞甘露糖受體(CD206)和髓系細胞白血病基因1(myeloid cell leukemia-1，MCL-1)的表達來抑制結核病的發病[36-37]。

5 二甲雙胍在結核病防治中的臨床價值

5.1降低糖尿病患者發生結核病的風險 研究證實，二甲雙胍可降低2型糖尿病患者發生活動性肺結核的風險。使用二甲雙胍是預測活動性結核病風險降低的獨立因素，并且二甲雙胍的這種保護作用是劑量依賴性的[38]。該研究結果與Tseng等[39]觀點一致。Marupuru等[40]研究表明，糖尿病患者血糖控制不良是結核病發生的危險因素，二甲雙胍可作為糖尿病患者抗Mtb感染的保護劑。該研究以是否發生肺結核為分組依據，選擇確診為肺結核的糖尿病患者為實驗組，非肺結核的糖尿病患者為對照組，回顧性分析兩組患者一般臨床資料及降糖方案。結果表明，糖化血紅蛋白(HbA1c)<7 %是結核病發生的相關保護因素。二甲雙胍的使用顯著降低了糖尿病患者發生肺結核的風險。但這種保護作用與劑量無關[40]。與以上結果不同的是，近期一項研究證實，二甲雙胍對糖尿病患者的結核感染風險沒有顯著影響[41]。該研究通過評估五種口服降糖藥物藥物與糖尿病患者的結核感染風險之間的關系，證實α-葡萄糖苷酶抑制劑(α-glucosidase inhibitors, AGIs)可有效降低糖尿病患者的結核病風險，且AGIs對結核病風險的影響存在劑量-反應關系。但是，該研究并未觀察到二甲雙胍對糖尿病患者的結核感染風險存在顯著影響。該研究首次報道AGIs對結核病感染風險的保護作用。但是，仍存在一定的局限性，無法排除研究對象既往是否存在LTBI。因此，關于AGIs與結核病之間的關系有待進一步研究證實。

5.2提高抗結核治療的成功率、改善糖尿病合并結核病患者臨床結局 Degner等[42]通過對年齡≥13歲、并經病原學證實的藥物敏感性肺結核患者進行回顧性隊列研究，證實糖尿病可增加結核病不良治療結局的風險，但二甲雙胍的使用可逆轉結核病治療期間與糖尿病相關的死亡率。糖尿病患者在結核病治療期間死亡風險是非糖尿病患者的1.91倍，在治療2個月后，痰培養仍為陽性的風險是非糖尿病患者的1.72倍。在糖尿病合并結核病患者中，與不使用二甲雙胍的糖尿病患者相比，二甲雙胍的使用可顯著降低結核病治療期間死亡率。Ma等[43]認為，二甲雙胍聯合抗結核方案可提高抗結核治療的成功率，并降低糖尿病患者結核病的復發率。該研究共納入糖尿病合并結核病患者58例，根據糖尿病治療方案的不同，隨機分為二甲雙胍組和非二甲雙胍組，連續服藥8個月，每月監測患者的主要治療結局。結果顯示，兩組患者在治療成功率方面差異有統計學意義，二甲雙胍組2個月末痰培養轉陰率高于非二甲雙胍組。在為期3年的隨訪中，二甲雙胍組復發率更低。但因該研究樣本量較小，且缺乏基因分型數據，無法區分復發是由于既往結核病灶復發或再感染所致，特別是在結核病高患病率地區。Lee等[44]研究表明，二甲雙胍治療對結核病合并糖尿病患者中的痰培養轉陰率、結核病治療完成后1年內復發沒有顯著影響。但是，二甲雙胍可提高細菌負荷較高的空洞性肺結核患者痰培養轉陰率。因此，針對空洞性肺結核合并糖尿病患者，二甲雙胍可作為治療2個月后提高痰培養轉陰率的輔助藥物。王淑霞等[45]研究發現二甲雙胍可降低復治肺結核合并糖尿病患者治療失敗率和隨訪3年復發率，但仍需進一步擴大樣本量驗證。

不同于傳統抗結核藥物，二甲雙胍在糖尿病患者的預防性用藥、針對結核病患者的多重作用優勢使得其成為新型抗結核藥物中的候選藥物。因不同地區、不同人群社會經濟狀況、對疾病認知、診療水平等的差異，糖尿病與結核病的管理目前尚缺乏統一的參考標準。有學者建議對所有確診的結核病患者進行系統的糖尿病篩查，并建議對有結核病相關癥狀(咳嗽、發燒、盜汗、體重減輕和胸痛等)的糖尿病患者進行結核病篩查。做好疾病預防及控制工作，以確保適當、持續地治療兩種疾病[46]。

6 小結

以上就二甲雙胍在抗結核中的作用機制及價值進行簡要概述。二甲雙胍作為一種用于治療2型糖尿病的藥物，由于其在體內和體外實驗作為抗結核輔助劑的良好活性而備受關注，在結核病的防治方面顯示出巨大的臨床應用價值，將二甲雙胍納入結核病患者用藥范疇，聯合標準結核病治療方案，對全球結核病流行、糖尿病控制均存在積極意義。為進一步確定二甲雙胍作為結核病宿主導向治療劑的價值，需進一步行大范圍、更大樣本量的前瞻性研究，評估在結核病患者輔助治療中二甲雙胍使用的確切劑量，明確二甲雙胍與現有抗結核治療方案聯合是否可以縮短療程，闡明二甲雙胍抗結核的確切分子機制，結合患者自身情況正確選擇及評估二甲雙胍作為結核病輔助治療的利弊。