鈉-葡萄糖協同轉運蛋白功能與作用研究進展

洪慶霞，梅文柳，劉文雅，賀巖，吳成軍*，孫鐵民*（沈陽藥科大學基于靶點的藥物設計與研究教育部重點實驗室制藥工程學院，沈陽 006；.北部戰區總醫院藥劑科，沈陽 0840）

糖尿病是一種常見的內分泌紊亂的代謝性疾病[1]，目前已成為威脅人類健康的三大慢性非傳染性疾病之一。據估計，到2035年，全球發病率可達10.1%，而中國患病人群已超過9240 萬，約占全球糖尿病患者的1/4[2]。糖尿病是一種以高血糖為特征的代謝性疾病，長期存在的高血糖狀態，導致各種組織（特別是眼、腎、心臟、血管、神經）出現慢性損害以及功能障礙[3]。

糖尿病主要分為1型糖尿病和2型糖尿?。ㄒ妶D1），1 型糖尿病是一種因胰島β細胞被破壞而導致胰島素缺乏，具有酮癥傾向的糖尿病。目前認為病因是在遺傳易感性的基礎上，外界環境因素（可能包括病毒感染）引發機體自身免疫功能紊亂，導致胰島β細胞損傷和破壞，胰島素分泌不足，從而引發1 型糖尿病。自身免疫系統缺陷、遺傳因素、病毒感染等可能是誘因。與1 型糖尿病一樣，2 型糖尿病有較為明顯的家族史。2型糖尿病患者體內產生胰島素的能力并非完全喪失，有的患者體內胰島素甚至產生過多，但胰島素的作用效果較差，因此胰島素是一種相對缺乏的狀態。流行病學研究表明，肥胖、高熱量飲食、體力活動不足以及年齡增長是引發2 型糖尿病最主要的因素，高血壓、血脂異常等因素也會增加患病風險[4-5]。

糖尿病的病因是多方面的（見圖2），治療藥物品種繁多，針對不同靶點發揮作用，如雙胍類、磺脲類或胰島素主要降低空腹血糖，其他藥物如α-葡萄糖苷酶抑制劑、格列奈類主要是降低餐后血糖水平，但其余抗糖尿病藥物如噻唑烷二酮類、二肽基肽酶-4 抑制劑可以同時發揮這兩種功能[6-9]。目前，鈉-葡萄糖共轉運體（SGLT）抑制劑已被確定為治療糖尿病的新型藥物，可通過尿液促進葡萄糖的排泄，從而減少腎元內葡萄糖的再吸收。SGLT 抑制劑的作用機制不涉及胰島素，因此可以用于任何階段糖尿病的治療。SGLT 抑制劑也被發現在胰島素抵抗和胰島β細胞功能障礙中發揮重要療效，為糖尿病治療提供了一種特殊的選擇方向[10]。

圖2 引發高血糖的原因Fig 2 Causes of hyperglycemia

1 鈉-葡萄糖協同轉運蛋白的結構與功能

鈉-葡萄糖協同轉運蛋白（SGLTs）屬于膜蛋白家族，它可以促進葡萄糖、氨基酸、維生素等化合物以及各種離子通過近曲小管和腸上皮轉運。高血糖情況下，SGLTs 呈飽和狀態，大量葡萄糖隨尿液排出[11]。SGLT 蛋白家族已擴展到12 個：SGLT1～SGLT6 以及6 個SLC5A 蛋白。其中，SGLT1 和SGLT2 在糖尿病治療中起主導作用（見表1）[12]。

在整個進化過程中，SGLT1 高度保守，已經在細菌、酵母、無脊椎動物和脊椎動物中發現了超過55 個SGLT1 成員[13]。SGLT1 轉運蛋白由SLC5A1基因編碼，是高親和力、低轉運力的轉運蛋白，主要分布于小腸、心肌細胞、腎近端小管遠端S2 和S3 段，以相似的親和力轉運葡萄糖和半乳糖，以2∶1 的比例運輸鈉和葡萄糖。SGLT1基因缺陷可引起葡萄糖-半乳糖吸收障礙綜合征，導致可能危及生命的腹瀉和脫水，這類患者很少或沒有尿糖排出[14]。

SGLT2基因位于人第13 號染色體p11.2 區，由SLC5A2基因編碼，主要表達于腎皮質，在大腦和肝臟中也有低水平表達。SGLT2 是腎近端小管中主要的葡萄糖轉運體，對葡萄糖的選擇性高于半乳糖，以1∶1 的比例運輸鈉和葡萄糖[15]。SGLT2基因突變會引發家族性腎性糖尿，這類患者每日從尿中排出的葡萄糖常大于100 g，有的高達160 g，此類人群大多數除了尿液中葡萄糖排泄量增加外沒有其他異常（見表1）[16-17]。

SGLT3 由SLC5A4基因編碼，該蛋白質主要存在于骨骼肌、小腸、腎臟和膽堿能神經元中。人SGLT3 是一種基本的葡萄糖門控離子通道，它不具有葡萄糖轉運活性，一般不作為鈉-葡萄糖的轉運體，可能在腸神經系統中發揮葡萄糖傳感器的作用[18]。相比于葡萄糖，SGLT4 對甘露糖表現出更高的親和力，并可能發揮甘露糖轉運體作用[19]。SGLT5 在腎皮質中高表達，相比于葡萄糖，對甘露糖具有更高的親和力[20]。SGLT6，也被稱為SMIT2，運輸肌醇而不運輸葡萄糖[21]。

2 腎臟對葡萄糖的處理

腎臟每日過濾約180 L 的血漿，在正常糖耐量個體中，每日的平均血糖濃度為100 mg·dL－1，約180 g 的葡萄糖被過濾[12]。葡萄糖在腎小管里的重吸收由葡萄糖轉運蛋白（GLUTs）和SGLTs完成。GLUTs 以易化擴散的方式轉運葡萄糖，而SGLTs 則以主動運輸的方式轉運葡萄糖（見圖3）。在正常的葡萄糖耐受性受試者中，幾乎所有的葡萄糖都在近端小管中被重新吸收，最終沒有葡萄糖通過尿液排出[22]。

圖3 腎臟對葡萄糖的重吸收Fig 3 Glucose reabsorption by the kidney

SGLT2 位于腎近端小管S1 段，負責80%～90%的過濾后葡萄糖的重吸收。SGLT1 位于近端小管（S2/S3 段）的更遠端，負責重新吸收剩余的10%～20%的過濾后葡萄糖（見圖4）[12，23]。SGLT1 結合1 mol 的葡萄糖，2 mol 的Na＋，形成Na＋-載體-葡萄糖復合物，順Na＋的濃度梯度進入細胞后，SGLT1 的構象還原到原始狀態，重新暴露其表面結合位點，以便再次與葡萄糖結合。Na＋不斷被細胞側基底膜的Na＋/K＋-ATP 泵泵出，維持細胞內Na＋濃度與胞外濃度的差值，這種電位差產生的能量使葡萄糖逆濃度被轉運到細胞內。細胞內的葡萄糖由位于側基底膜的載體GLUT1，經易化擴散進入到組織間隙液。SGLT2則是結合1 mol 的葡萄糖，1 mol 的Na＋，形成Na＋-載體-葡萄糖復合物，進入到細胞中[24]。

圖4 腎臟的解剖結構Fig 4 Anatomical structure of the kidney

近端小管的最大葡萄糖運輸能力（Tm）在個體之間存在差異，平均值約為375 mg·min－1。在非糖尿病受試者中，過濾后的葡萄糖負荷小于375 mg·min－1，所有過濾后的葡萄糖都被重新吸收并返回循環。在2 型糖尿病受試者中，過濾后的葡萄糖負荷可能超過Tm，所有超過Tm的葡萄糖都被從尿中排泄出來[24]。

有研究顯示，高血糖動物和人類的腎近端小管細胞中，SGLT2 的基因與蛋白表達增加，并顯示出葡萄糖運輸量的增加[25-26]。Farber 等[27]的研究結果顯示，糾正高血糖導致了葡萄糖的Tm降低和尿糖的出現，提示慢性高血糖癥會導致腎臟中葡萄糖的Tm升高。

正常葡萄糖耐受性受試者對葡萄糖的Tm遠遠高于過濾后的葡萄糖負荷，這有利于為大腦保存關鍵的能量來源。然而，在糖尿病患者中，這種適應機制產生了負面影響，腎臟對葡萄糖的Tm升高，從而減少了尿糖，加劇了高血糖[28]?；谶@些病理生理學的考慮，發展腎臟SGLT 轉運蛋白抑制劑為糖尿病患者的治療提供了一種合理且新穎的方法。但是要注意避免抑制SGLT1 轉運蛋白（它存在于腸道和腎臟中），否則會導致葡萄糖吸收不良和腹瀉[29]。

3 治療糖尿病

3.1 抑制腎小管重吸收，降低糖化血紅蛋白

糖化血紅蛋白是血液中的葡萄糖與紅細胞內的血紅蛋白非酶糖基化產物，是代表過去2～3個月平均血糖水平的指標，其受貧血、血紅蛋白疾病以及平均血糖水平的影響[30]，正常值是4%～6%，當糖化血紅蛋白大于6.5%時就可能診斷為糖尿病，通過增高的糖化血紅蛋白，可以大概估算平均血糖水平[31]。英國有前瞻性糖尿病控制以及并發癥試驗表明，糖化血紅蛋白每降低1%，微血管并發癥的風險就降低37%[32-33]。SGLT 抑制劑作用于腎近曲小管，抑制SGLT 轉運蛋白，可減少腎臟對葡萄糖的重吸收，增加尿糖排泄（見圖5），從而降低患者的血糖水平，顯著降低糖尿病患者的糖化血紅蛋白，且葡萄糖在腸黏膜的轉運主要是通過SGLT1 來完成的，所以即使是對伴有腎臟病變的患者仍然有明顯的降糖作用，但可能導致葡萄糖吸收不良和腹瀉等腸道不良反應的發生[34]。

圖5 鈉-葡萄糖共轉運抑制劑作用機制Fig 5 Mechanism of sodium-glucose cotransport inhibitor

3.2 改善胰島素抵抗，提高胰島素敏感性

慢性高血糖可引起胰島素抵抗，抑制胰島素分泌，即糖毒性[35]。營養過度導致肌肉以及肝臟脂肪組織肥大、增生和三酰甘油異位沉積，這是胰島素抵抗的關鍵特征。在切除部分胰腺（90%）的糖尿病大鼠模型中，慢性高血糖導致骨骼肌和肝臟出現嚴重的胰島素抵抗，可抑制GLUT4 易位和內在活性。采用SGLT 抑制劑根皮苷治療的大鼠骨骼肌中，GLUT4 含量增加，胰島素誘導的GLUT4 轉位到質膜得到糾正[36-37]。在肝臟中，SGLT 抑制劑治療增加了胰島素受體、胰島素受體底物-1 和胰島素受體底物-2 酪氨酸磷酸化，增強了磷脂酰肌醇-3 激酶活性，改善了胰島素抵抗[38]。胰島素敏感性的提高與降低葡萄糖氧化和增加脂質氧化有關。由于增加的肌內脂肪在骨骼肌胰島素抵抗中起主要作用，研究人員推測，抑制SGLT 后增加的脂肪氧化降低了肌內脂肪含量，有助于提高胰島素敏感性[39]。提示SGLT 抑制劑可以通過糾正高血糖改善肌肉和肝臟胰島素抵抗來提高胰島素敏感性。

3.3 恢復胰島β 細胞功能

研究發現，糖毒性在胰島β細胞功能障礙的發展中有著重要影響，使用SGLT 抑制劑能降低血糖濃度，同時也能改善糖尿病患者的β細胞功能[40]。糖尿病患者較高的血糖水平會抑制胰島β細胞分泌胰島素并降低外周組織對胰島素的敏感性，從而加重胰島素抵抗。為使血糖水平恢復正常，胰島β細胞需超負荷分泌更多胰島素，這無疑進一步加速了胰島β細胞功能的衰竭。SGLT 抑制劑通過降低血糖水平可打斷胰島β細胞功能衰竭的惡性循環，從而在一定程度上恢復胰島β細胞功能[41-42]。

3.4 降低糖異生

糖尿病患者的血漿游離脂肪酸水平升高，刺激肝臟產生葡萄糖并引起肝臟胰島素抵抗，即糖異生[43]。慢性高血糖也可通過刺激葡萄糖-6-磷酸酶，或者增強肌肉對葡萄糖的攝取，來增強糖異生。糖尿病患者葡萄糖氧化和糖原合成明顯受損，增強了葡萄糖酵解，釋放大量乳酸回到肝臟刺激肝臟產生葡萄醣。SGLT 抑制劑可降低血糖和游離脂肪酸濃度，降低葡萄糖-6-磷酸酶含量，減少肌肉和脂肪細胞中乳酸的產生，減少肝臟中用于糖異生的乳酸，抑制糖異生，從而糾正高血糖[44-46]。

3.5 促進胰高血糖素樣肽-1 分泌

SGLT1 負責吸收攝入的葡萄糖，抑制腸道內SGLT1 可改善餐后血糖濃度升高。抑制腸道葡萄糖重吸收將導致更多的葡萄糖到達L 細胞所在的遠端腸，刺激胰高血糖素樣肽1（GLP-1）的分泌[47-48]。GLP-1 具有保護β細胞的作用，其可促進胰島素基因的轉錄、胰島素的合成和分泌，并可刺激胰島β細胞的增殖和分化，抑制胰島β細胞凋亡。除此之外，GLP-1 還可作用于胰島α細胞，抑制胰高血糖素的釋放，并作用于胰島δ細胞，促進生長抑素的分泌，生長抑素又可作為旁分泌激素參與抑制胰高血糖素的分泌。然而，由于SGLT1 是L 細胞中分泌GLP-1 的傳感器，因此SGLT1 抑制劑可能會抑制GLP-1 分泌。但有研究表明，葡萄糖發酵產物，即短鏈脂肪酸，是L細胞分泌GLP-1 的有效刺激因子，可克服SGLT1抑制劑對GLP-1 分泌的影響。有研究結果顯示，SGLT1/SGLT2 雙抑制劑LX4211 可使小鼠血漿GLP-1 濃度小幅升高[49]。

4 保護心血管

4.1 改善心室負荷

SGLT 抑制劑可以增加尿鈉排泄，發揮滲透性利尿作用，減少水鈉潴留，減輕心臟前后負荷[50]。利鈉反應也刺激腎小管-腎小球反饋，導致傳入小動脈血管收縮，從而降低腎小球高血壓[51]。SGLT 抑制劑可改善內皮功能和主動脈硬化指數，并可能通過激活電壓門控鉀通道和蛋白激酶G 來誘導血管舒張[52]。

4.2 影響Na＋/H＋交換

糖尿病患者的心肌細胞鈉氫交換蛋白（NHE）表達增加，可能導致細胞質鈉、鈣水平升高，進一步導致心力衰竭。有研究證明，SGLT2抑制劑恩格列凈能抑制心肌細胞NHE，并降低細胞質鈉、鈣水平，同時增加線粒體鈣水平。由于心臟中不表達SGLT2 受體，作用于心肌細胞NHE 的機制尚不清楚[53]。有假設認為SGLT2 抑制劑還可以通過下調近端小管NHE3 的活性來促進利鈉化，恢復全身鈉穩態，減輕心力衰竭[54-55]。因此，抑制NHE1 和NHE3 可能是SGLT 抑制劑預防和治療心力衰竭的一種心-腎機制。

4.3 抗心肌纖維化

心肌梗死大鼠實驗模型研究數據表明，達格列凈可通過促進M2 巨噬細胞的激活和抑制肌成纖維細胞分化來抑制膠原合成，顯示出明顯的抗心肌纖維化作用[56]。恩格列凈能顯著減弱轉化生長因子β1蛋白（TGF-β1）誘導的成纖維細胞激活，并減少細胞介導的細胞外基質重塑，抑制關鍵的促纖維化標志物的表達，包括Ⅰ型膠原蛋白、α-平滑肌肌動蛋白、結締組織生長因子和基質金屬蛋白酶2，發揮抗纖維化作用[57]。

4.4 改善心臟代謝

SGLT 抑制劑可以輕微增加酮體β-羥基丁酸的含量，可能為糖尿病患者提供一種替代的心肌燃料來源。酮水平的升高被認為是提高胰高血糖素水平和腎臟減少酮體排泄引起的[58-59]。研究表明，恩格列凈增加了心肌酮的消耗，并降低了心臟葡萄糖的消耗和乳酸的產生[60]。酮體β-羥基丁酸水平升高也可能抑制組蛋白去乙?；?，阻止促肥大轉錄通路，減少乙酰輔酶A，從而降低有害的線粒體酶的高乙酰化，提高線粒體的能量生產。SGLT 抑制劑這一作用使心臟收縮增強，心力衰竭風險降低，從而發揮心血管保護作用[61]。

5 保護腎臟

SGLT 抑制劑降血糖作用可以減輕高血糖對腎臟足細胞的損傷，抑制鈉和葡萄糖在近端小管中的重吸收，影響腎內血流動力學，增加鈉向腎小球旁器的運輸，引起入球小動脈收縮，腎小球內壓力降低，降低腎小球超濾和相關的損傷[62]。同時SGLT 抑制劑還可以減少白蛋白尿，阻斷尿酸的再吸收，導致尿酸排泄增加，使血清尿酸濃度降低，發揮腎臟保護作用[63]。

6 在腫瘤治療中的作用

因腫瘤細胞生存和生長所需的能量由葡萄糖提供，所以與健康細胞相比，腫瘤細胞對葡萄糖的攝取和利用都增加了[64]。研究發現在多種癌癥中發現了SGLT 過表達，如胰腺腺癌、前列腺腺癌、肺腺癌、肝癌和淋巴結癌[65]。由于細胞的能量需求，腫瘤微環境往往表現為低血糖和缺氧。在低血糖狀態下，由于主動轉運和被動轉運的差異，SGLT 相對于GLUT 的連續攝取能力較高，SGLT 被認為是腫瘤細胞葡萄糖的主要來源[66]。有報道稱，過表達表皮生長因子受體（EGFR）可增加口腔鱗癌中SGLT1 的表達[67]。此外，電離輻射激活鉀通道，可通過SGLT 增加葡萄糖攝取。輻射刺激和EGFR 激活增加SGLT 介導的人A549 肺腺癌細胞攝取葡萄糖，促進了腫瘤細胞的生存。研究發現EGFR 存在于多種癌癥中，因此在這些癌癥中，抑制SGLT 可能是一種新的治療方法[68]。

7 在腦缺血和腸道缺血中的作用

鈉離子與葡萄糖一起通過SGLT 運輸，誘導內向電流，導致膜去極化，過量的鈉離子通過腦SGLT 的流入加劇了缺血性神經元損傷。此外，鈉通過SGLT 流入還可增加細胞內鈣濃度，在腦缺血的情況下，鈣超載誘導興奮性毒性和神經元細胞死亡；細胞內鈉離子和鈣離子的穩態破壞，也可引起缺血性神經元損傷。雖然腦SGLT 誘導的鈉內流加重了腦缺血神經元的損傷，但葡萄糖通過腦SGLT的內流保護了腦缺血應激。因此需要進一步的研究來闡明通過腦SGLT 的葡萄糖內流在腦缺血中的作用[69]。腸道缺血可引起黏膜屏障損傷和細菌移位，導致膿毒癥和全身炎癥。有研究顯示，大鼠小腸缺血/再灌注可引起上皮細胞凋亡、黏膜屏障損傷和黏膜炎癥反應，而腸道中細胞通過SGLT1 灌注葡萄糖可減輕這種損傷，因此，上皮細胞中的SGLT1 可減輕腸缺血相關的上皮屏障損傷[70]。

8 不良反應

8.1 低血壓

SGLT 抑制劑具有利尿作用，導致血管內容量收縮。患者使用SGLT 抑制劑治療后可觀察到紅細胞壓積和血漿尿素氮與肌酐比值的小幅上升，有發生低血壓的風險。特別是腎功能受損的患者，更易發生癥狀性低血壓。因此在治療時應密切監測患者，并根據患者的自身因素（年齡較大、收縮壓低）和臨床治療反應及時對治療方案進行調整[71]。

8.2 糖尿病酮癥酸中毒

酮癥酸中毒是SGLT 抑制劑的一個重要不良反應，癥狀與脫水和代謝性酸中毒一致，包括惡心、嘔吐、腹痛、全身不適和呼吸短促。這可能是SGLT 抑制劑降低了腎臟對酮體的清除率導致的[72-73]。

8.3 尿路感染

慢性高血糖會抑制白細胞的吞噬活性，且SGLT 抑制劑會促進糖尿，額外的糖尿可能促進細菌生長，所以SGLT 抑制劑有造成尿路感染的風險。這些感染大多涉及下尿路，如由典型尿路病原體引起的膀胱炎[74]。

8.4 腎功能損傷

SGLT 抑制劑增加血清肌酐含量，降低腎小球濾過率，引起血管內容量收縮，一些低血容量、慢性腎功能不全、心力衰竭以及同時使用利尿劑、血管緊張素轉換酶抑制劑、血管緊張素Ⅱ受體阻滯劑或非甾體抗炎藥物的患者可能發展為急性腎損傷，需要住院和透析[75]。

9 總結

SGLT 抑制劑是一種有效且新穎的治療糖尿病的藥物，抑制SGLT 轉運蛋白，可以減少腎臟對葡萄糖的重吸收，增加尿糖排泄，從而降低患者的血糖水平，顯著降低糖尿病患者的糖化血紅蛋白，且其是獨立于胰島素發揮作用的。此外，SGLT 抑制劑還具有其他的益處，比如改善胰島素抵抗，提高胰島素敏感性，恢復胰島β細胞功能，降低糖異生，促進胰高血糖素樣肽-1 分泌，保護心血管及腎臟等。盡管SGLT 抑制劑有著良好的應用前景，但也應該注意在治療過程中可能出現的低血壓、糖尿病酮癥酸中毒、尿路感染、腎功能損傷等不良反應。雖然目前對SGLT 抑制劑的相關研究還存在不足，但相信未來SGLT 抑制劑必將在糖尿病以及其他疾病領域發揮越來越重要的作用。