Apelin在糖尿病和糖尿病微血管病變中作用的研究進展

王琦 翟愛華 劉玉林 劉旭靜

(1濟南市第五人民醫院藥學部,山東 濟南 250022;2山東省第一醫科大學第一附屬醫院 山東省千佛山醫院普通外科學;3濟南市第五人民醫院醫學檢驗科)

糖尿病的發病率逐年遞增,到2040年,全球成年糖尿病患者的比例預計將增加到10.4%,即6.42億糖尿病患者〔1〕,嚴重危害人類的健康。細胞內慢性高血糖和遺傳易感性最終會影響微血管系統,導致來自腎臟、眼睛和神經系統的并發癥。Apelin是脂肪細胞分泌的一種脂肪細胞因子,在體內分布廣泛,具有抗糖尿病的特性。Apelin是血管緊張素Ⅱ 1型受體相關的G蛋白耦聯受體(APJ)的特異性配體,越來越多的研究表明,Apelin/APJ系統與糖尿病及微血管病變的發生發展密切相關。本文概括Apelin/APJ系統在糖尿病腎病、糖尿病視網膜病變、糖尿病周圍血管病變中的作用,為糖尿病微血管并發癥的治療提供一定的理論基礎。

1 Apelin/APJ系統

1.1Apelin 1998年,Tatemoto等〔2〕成功發現了Apelin,指出Apelin是APJ的內源性配體。Apelin位于Xq25-q26.3染色體上,其前體肽原含有77種氨基酸,氨基酸序列同源性高達76%～95%〔3〕。由于蛋白酶體切割的不同位點,生成多種Apelin亞型,包括Apelin-12,-13,-16,-17,-19,-28,-31,-36,焦谷氨酸型Apelin-13。較短的異構體,如Apelin-13,對APJ受體有較高的親和力〔4〕,C末端至少有12個氨基酸,是功能所必需的〔5〕。Apelin的亞型在不同器官中分布是不一樣的〔6〕。

1.2APJ受體 APJ 是由人類APLNR基因編碼的377個氨基酸組成的,它是APJ中α-γ類受體的一員,參與多種生理和病理生理功能。例如,APJ在心血管系統、能量代謝、體液穩態和血管生成等方面發揮作用〔7〕。APJ雖然在結構和分布上與血管緊張素Ⅱ 1型受體有高度相似性,但對血管緊張素Ⅱ沒有親和性。N端糖基化在調節表達、穩定性、折疊和配體的結合方面起著重要作用。C端尾部的棕櫚酰化參與其膜結合,影響APJ的內化、二聚體和配體結合〔8〕。

1.3Apelin/APJ系統的表達 Apelin和受體APJ在組織中廣泛表達。Apelin在調節體液和葡萄糖穩態、攝食行為和免疫功能方面發揮著重要作用〔9〕。APJ基因在人類脂肪組織和肌肉中的表達調控與小鼠相似〔10〕。相對于對照組,APJ mRNA水平在高脂喂養的小鼠的睪丸周圍脂肪、肺、下丘腦、垂體、肝臟、腎臟、肌肉、卵巢、心臟和腎上腺的是沒有差異的,只在腎周脂肪有輕微的表達量增加〔11〕。也有研究證明,在高脂喂養的小鼠和糖尿病小鼠的骨骼肌中,APJ 的表達是降低的;在糖尿病小鼠的脂肪組織中,APJ的表達沒有明顯的變化,但是在高脂喂養的小鼠脂肪組織中,APJ的表達量增加〔10〕。然而Zhang等〔12〕發現2型糖尿病小鼠中Apelin陽性染色的腎小球的數目是增多的,在2型糖尿病病人和小鼠腎臟中,都可檢測到高表達的Apelin。在腎臟疾病中apelin和APJ在腎臟中的表達水平可發生改變。Apelin/APJ系統在糖尿病和糖尿病微血管并發癥中可能發揮潛在作用,參與其生理病理過程。

2 Apelin對糖尿病和糖尿病微血管病變的調控作用

2.1Apelin與糖尿病 一項薈萃分析顯示,與健康成人相比,2型糖尿病的肥胖患者的血漿Apelin水平明顯增加〔13〕。在1型糖尿病中,血漿Apelin的水平也高于健康兒童,胰島素分泌不足導致Apelin濃度增加〔14〕。但現在關于糖尿病患者中血漿Apelin的水平存在爭議。研究發現,新診斷但尚未治療的2型糖尿病患者其血清Apelin水平降低〔15〕,經過治療后,血清Apelin的水平又顯著升高〔16〕。這表明在2 型糖尿病發生發展的不同階段,可能會啟動不同的信號通路調節Apelin表達,從而影響Apelin的水平。研究證明在肥胖的高胰島素血癥的小鼠和患者中,血漿Apelin水平是升高的,胰島素在體內和體外對脂肪細胞Apelin的產生有直接促進作用〔17〕。Apelin和胰島素之間是相互影響的,Apelin的水平既受到胰島素的調控,也很可能會影響胰島素的產生。S?rhede等〔18〕研究發現在體內和體外Apelin-36通過改善葡萄糖穩態抑制葡萄糖刺激的胰島素分泌。Apelin-13被證明可通過激活PI3激酶依賴的磷酸二酯酶3B抑制胰島素對靜脈葡萄糖或胰腺β細胞的胰高血糖素樣肽1的分泌反應,并隨后抑制環磷酸腺苷(cAMP)水平〔19〕。此外,Gourdy等〔20〕研究發現Apelin在調控肥胖患者的胰島素敏感性中起著不可或缺的作用。在正常和胰島素抵抗小鼠中Apelin可以提高外周葡萄糖攝取〔21〕。Apelin可作為高胰島素血癥的一個外源性胰島素增敏劑,與胰島素敏感性密切相關。Apelin在糖尿病、肥胖等相關代謝性疾病中,發揮著重要價值。

2.2Apelin與糖尿病腎病 糖尿病腎病可引起終末腎衰竭。大約有1/3的糖尿病患者可發展成為糖尿病腎病。糖尿病腎病的早期臨床表現為腎小球肥大和腎小球基底膜增厚,隨著疾病的發展,高腎小球濾過率可導致蛋白尿,最終發展為終末期腎病。糖尿病腎病的發病機制復雜,Apelin/APJ系統在糖尿病腎病中起重要作用。與健康受試者相比,2型糖尿病患者血清中Apelin水平較高。尿白蛋白與血清Apelin水平呈正相關。此外,Apelin增加了KK小鼠尿液中的微量蛋白和肌酐的比例〔12〕。Apelin劑量性增加了腎小球內皮細胞的遷移、增殖和趨化性,上調Apelin可促進脂肪量增加,促進腎小球血管生成,形成異常血管,并通過上調腎小球內皮細胞血管內皮生長因子(VEGF)R2和酪氨酸蛋白激酶(Tie)2的表達來增加滲透性〔12〕。Apelin/APJ系統通過自分泌和旁分泌的方式誘導內皮細胞的產生〔22〕。因此Apelin能夠促進腎小球的血管生成,通過調節VEGF形成異常血管,同時通過調節VEGF增強腎小球內皮細胞的通透性。二磷酸腺苷的表達增強了腎小球內皮細胞的通透性。Apelin對糖尿病腎病的血管功能也有調節作用。Db/db小鼠腎動脈APJ蛋白降低,對血管緊張素(Ang)Ⅱ和Ang Ⅳ的收縮反應增加。但是,補充Apelin后,糖尿病小鼠的腎血管對Ang Ⅱ和乙酰膽堿的異常張力的反應則相反。Apelin的這些作用被認為主要是通過激活內皮型一所氧化氮合酶(eNOS)磷酸化和增強一氧化氮(NO)生成〔23〕。

Apelin對糖尿病腎病的作用是存在爭議的,一部分研究認為Apelin可作為治療糖尿病腎病的新工具。Silva等〔24〕研究發現不同Apelin水平與2型糖尿病的心血管死亡率、住院率、腎功能、心血管危險因素密切相關。Apelin水平高的患者有83個月的高生存率,Apelin水平是死亡和住院的獨立預測因子。Chen等〔25〕指出Apelin可通過調節組蛋白乙酰化作用抑制糖尿病腎病的進程。在自發性糖尿病小鼠模型中,尾靜脈注射Apelin后,可以降低糖尿病誘導的腎小球濾過率,減少蛋白尿,腎小球肥大,腎小球系膜擴張和腎臟炎癥的發生〔25〕。Apelin恢復了抗氧化酶過氧化氫酶的表達,通過刺激抗氧化途徑發揮腎保護作用〔26〕。在鏈脲佐菌素誘導的2型糖尿病大鼠中,Apelin也可以促進NO產生,緩解腎臟組織的纖維化,從而減緩糖尿病腎病的進程〔27〕。然而另一部分研究證實Apelin是促進糖尿病腎病進展的關鍵因素〔12,28,29〕。糖尿病患者Apelin濃度升高,Apelin可通過細胞外調節蛋白激酶(ERK)、蛋白激酶 B(Akt)、雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路抑制足細胞自噬〔30〕或通過抑制蛋白酶體活性〔29〕誘導足細胞功能障礙,導致細胞器紊亂、足突消失和足細胞凋亡,導致腎小球濾過膜通透性增加,蛋白尿和腎功能障礙,促進糖尿病腎病進展。綜上,糖尿病腎病是一個復雜的過程,不僅包括腎小球硬化、腎血管病變,還包括腎小管間質的纖維化。Apelin的作用與糖尿病腎病的發生發展的許多因素有關,如胰島素抵抗、肥胖和糖脂代謝紊亂。

2.3Apelin與糖尿病視網膜病變 糖尿病視網膜病變是一種常見的微血管并發癥,最終可導致糖尿病患者失明。糖尿病視網膜病變與血管功能障礙和阻塞、視網膜水腫、出血和新生血管異常形成有關。一旦毛細血管被阻塞,缺氧刺激血管生長因子,如VEGF和Apelin,引起新生血管的形成〔31〕。新生血管脆弱,易出血,易在玻璃體內形成異常的纖維血管組織,導致視力下降。

Apelin可促進糖尿病視網膜病變的進程〔32〕。與無視網膜病變的2型糖尿病患者相比,增殖性糖尿病視網膜病變患者血清Apelin水平顯著升高。與增生性糖尿病視網膜病變相比,Apelin水平在非增生性糖尿病視網膜病變中無統計學變化。在增殖性糖尿病視網膜病變患者的視網膜上膜、玻璃體和內皮細胞及視網膜纖維血管膜中Apelin的信使核糖核酸(mRNA)水平顯著升高〔32〕。增殖性糖尿病視網膜病變是一種中晚期糖尿病視網膜病變,是導致嚴重視力損害甚至失明的主要原因〔33〕。Apelin/APJ通過視網膜新生血管參與增殖期視網膜病變的發展,在糖尿病視網膜病變中Apelin/APJ的濃度升高〔34〕。Apelin敲除小鼠或細胞中沉默Apelin,視網膜血管生成減少,延緩糖尿病視網膜病變從非增殖期發展到增殖期〔35〕,表明Apelin參與了糖尿病視網膜病變。

VEGF參與視網膜滲出、出血和視網膜新生血管的形成,是視網膜血管生成最重要的主要介質,被認為是糖尿病視網膜病變發病的主要因素〔36〕。VEGF、Apelin和血紅素氧合酶(HO)-1與增殖性糖尿病視網膜病變的發生有關〔36〕。Apelin對糖尿病視網膜病變的影響可能是通過調節VEGF來實現的〔34〕。也有研究報道,Apelin直接作用于視網膜血管的發展,與VEGF無關〔32,37〕。VEGF的水平與糖尿病視網膜病變的嚴重程度并不完全相關〔38〕。因此Apelin被認為是視網膜內皮細胞中的一種新的血管生成因子,可增強視網膜內皮細胞RF/6A細胞的遷移、增殖和毛細血管樣管的形成,在體內可增加基底膜基質中毛細血管樣的形成和血紅蛋白含量〔39〕。Apelin的 mRNA在血管系統,尤其是血管內皮細胞中高度表達〔40〕。Apelin的小干擾RNA不依賴于VEGF/VEGFR 2信號通路抑制內皮細胞增殖〔37〕。動物實驗表明,在缺血性視網膜病變模型中,抑制Apelin可促進視網膜血管成熟,而在病理性視網膜血管生成中,抑制Apelin表達可使內皮細胞從增殖狀態轉變為成熟狀態〔35〕。綜上所述,Apelin參與了糖尿病視網膜病變的發展過程,是否可成為除VEGF抑制劑外治療糖尿病視網膜病變的作用靶點值得深入研究。

2.4Apelin與糖尿病周圍神經病變 糖尿病周圍神經病變作為糖尿病的主要并發癥之一,起病隱匿,在糖尿病發展的不同階段中均可能發生,高達10%～20%的2型糖尿病患者在初診時即存在糖尿病神經病變,50%以上的糖尿病病人最終會發展成糖尿病周圍神經病變。然而,此病變在糖尿病早期往往癥狀輕,主要累及小纖維神經,無典型癥狀,容易被忽視或誤診。但隨著病變程度的加重,波及大直徑的感覺纖維,患者可出現深感覺障礙、腱反射減弱、麻木、疼痛等各種臨床表現,若不能及早發現、干預,會嚴重影響患者預后,重者可誘發足潰瘍,甚至下肢壞疽、截肢。糖尿病周圍神經的病因復雜,是高血糖、氧化應激、內皮功能障礙等多種因素綜合的結果。Apelin廣泛存在于整個神經軸的神經元胞體和纖維中〔41〕,研究發現,相比于健康成人和未發生周圍神經病變的糖尿病患者,血清Apelin水平在糖尿病周圍神經病變中是升高的〔42,43〕。這可能是由于Apelin可改善胰島素敏感性〔20〕和增加葡萄糖使用〔21〕引起的。此外,在糖尿病患者中Apelin升高可能與內皮功能障礙和糖尿病患者微血管疾病有關。Martin等〔44〕研究表明,糖尿病周圍神經病變神經系統效應的共同病理生理學可能與微血管病有關。越來越多的證據表明Apelin可以消除活性氧,保護皮質神經細胞,減少神經細胞凋亡的作用〔45〕。Apelin還可以通過抑制N-甲基-D-天門冬氨酸受體表達和細胞內鈣離子的積聚及鈣蛋白酶活性,抑制毒性信號的傳導,保護神經避免毒性損傷,抑制神經細胞凋亡〔41〕。血管內皮功能障礙、微血管病變及糖尿病患者足部皮膚中表皮神經纖維的缺失,均加重糖尿病周圍神經病變的發展。在對小鼠缺血模型的研究中,Apelin可改善缺血后肢的血液灌注,表明Apelin可改善糖尿病足的外周血管灌注和血管功能〔46〕。因此,Apelin水平有可能成為早期發現糖尿病周圍神經病變和糖尿病足的一種保護性預測因子,并且帶來新的治療方向。

綜上,Apelin參與糖尿病和糖尿病微血管病變的發生發展,使其極有可能成為治療這些疾病的重要靶分子,但仍有問題亟待解決,如在治療與未治療的糖尿者呈現的血清水平不一致,與糖尿病腎病的關系呈現雙向性,這可能與糖尿病腎病病理機制的復雜性和Apelin的組織分布、信號通路的不同及相互交叉有關。因此,對這些問題的進一步研究,有助于明確Apelin在人體生理病理狀態下的具體作用及機制,為防治糖尿病和糖尿病微血管病變提供新的藥物作用靶點。