成纖維細胞生長因子21在代謝性疾病中的研究進展

常洪楷，趙冬

1.首都醫科大學 潞河臨床醫學院，北京 101199；2.首都醫科大學附屬北京潞河醫院 內分泌中心，北京 101199

高血壓、高血脂、高血糖、胰島素抵抗和肥胖引起的包括非酒精性脂肪肝、肥胖和2型糖尿病等相關代謝性疾病的發病率逐年升高，給人類健康和社會發展帶來了沉重的負擔，急需開發治療藥物和新的研發靶點[1]。成纖維細胞生長因子21（fibroblast growth factor 21, FGF21）是人類成纖維生長因子（fibroblast growth factor, FGF）家族的一員，在維持機體代謝穩態的過程中發揮了重要作用。FGF21可以促進脂肪酸氧化，增強機體能量消耗和改善胰島素敏感性，可以通過結合其受體作用于包括脂肪組織、肝臟、肌肉和胰島等多種靶器官，從而達到降糖、降脂和減重的功能，具有治療相關代謝性疾病的潛力[2]。但是FGF21及其類似物的安全性和有效性還有待進一步研究，例如FGF21相關藥物的使用可能會對骨骼和心血管產生不良反應[3]。因此，本文總結了FGF21的相關信號通路和生理學功能以及發揮相關功能的分子機制，并且對以FGF21作為靶標的相關藥物研發進展進行了概述，期望可以對以FGF21為靶點進行的藥物研究提供一些參考。

1 FGFs家族成員及其信號通路

迄今為止，哺乳動物共鑒定出22個FGFs成員。大部分成員含有信號肽，可分泌到細胞外；而FGF9、FGF16和FGF20沒有信號肽，也不能分泌到細胞外；盡管FGF1和FGF2 沒有信號肽，但是二者可通過細胞胞吐方式分泌到細胞外發揮作用[4]。FGFs家族進一步分為7個亞族，分別是FGF1亞族（包括FGF1和FGF2成員）、FGF4亞族（包括FGF4～6成員）、FGF7亞族（包括FGF3、FGF7、FGF10和FGF22成員）、FGF8亞族（包括FGF8、FGF17和FGF18成員）、FGF9亞族（包括FGF9、FGF16和FGF20成員）、FGF11亞族（包括FGF11～14成員）、FGF19亞族（包括FGF19、FGF21和FGF23）[5]。

經典的FGFs成員被認為是旁分泌因子，調控組織的發育。但是，FGF19 亞族的三個成員（FGF19、FGF21 和FGF23）被認為是內分泌因子，通過結合靶組織的受體輔助蛋白（β-Klotho, KLB）而調控機體的膽汁酸、膽固醇、葡萄糖和磷酸鹽的穩態[6]。FGFs成員的生理學功能主要由其N端和C端的序列來決定。旁分泌的FGFs蛋白含有硫酸肝素糖胺聚糖（heparan sulphate glycosaminoglycan, HSGAG）結合位點，因此這些分泌的FGFs因子結合到細胞外基質；相反，FGF19亞族成員，包括FGF21蛋白，其結構缺少HSGAG結合位點，因此，這些分泌的FGFs因子可以作為內分泌激素發揮生理作用[7]。

FGFs通過其受體發揮作用。迄今為止，共鑒定4個哺乳動物FGF受體（fibroblast growth factor receptor, FGFR）成員（FGFR1、FGFR2、FGFR3、FGFR4），這些受體包含3個細胞外免疫球蛋白結構域，1個單次跨膜結構域，以及細胞內酪氨酸激酶結構域。當FGFs因子結合到FGFR后將誘導受體二聚體化，并激活其細胞質激酶結構域磷酸化，從而激活其下游信號通路[8]。研究[9]表明，內分泌因子FGF19、FGF21和FGF23均可能成為藥物靶點，用于治療不同代謝性疾病。這些因子由于缺乏HSGAG結合位點，需要依賴于輔助性受體α-Klotho或者β-Klotho發揮作用，這些輔助性受體能夠結合這些內分泌因子及其受體，從而增強這些因子和受體相互作用的親和力。其中FGF23依賴于α-Klotho激活FGFRs，而FGF21和FGF19依賴于β-Klotho激活FGFRs[6]。

2 FGF21生理學功能研究

2.1 FGF21基因表達、調控和分泌 作為一種分泌因子，FGF21在肝臟、脂肪和肌肉等主要代謝組織中都發揮了重要生理作用，同時FGF21自身的表達水平也受到多種因素的調控。在肝臟中，饑餓和高脂飲食促進FGF21的表達[10]。有研究[11]表明，過氧化物酶體增殖物激活受體（peroxisome proliferator activated receptor, PPAR）α可在饑餓狀態下結合到FGF21的啟動子區從而誘導其表達上調，而在敲除PPARα后，饑餓將不能再誘導FGF21的上調。另外，應激活化蛋白激酶（c-Jun N-terminal kinase, JNK）抑制肝臟FGF21的表達，VERNIA等[12]證明了JNK可以磷酸化視黃醇類X受體α（retinoid X receptors α, RXRα），而磷酸化的RXRα與PPARα形成二聚體，抑制了PPARα的轉錄活性，從而抑制FGF21的表達和分泌。冷刺激可誘導白色脂肪組織和棕色脂肪組織中FGF21表達水平的上調[13]。在肌肉中，FGF21作為一種肌肉因子，其表達也受內質網應激的調節[14]。

2.2 FGF21調控機體糖代謝 FGF21對糖代謝的調節十分重要。FGF21敲除鼠表現出高血糖和葡萄糖耐量受損[11]。對瘦素敲除的肥胖小鼠（ob/ob）和飲食誘導的肥胖小鼠模型注射FGF21后，將顯著改善機體的高血糖、葡萄糖耐量，并且改善胰島素敏感性[15-16]。同樣的，在瘦素受體敲除的糖尿病小鼠（db/db）模型中注射FGF21顯著降低了血糖水平[17]。

FGF21 對血糖的調節主要是通過參與骨骼肌、脂肪組織和肝臟對血糖的調節來實現的。在骨骼肌組織中，FGF21通過激活磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶C-ζ（phosphatidylinositol 3-kinases, PI3K/protein kinase C-ζ, PKC-ζ）信號通路介導的葡萄糖轉運蛋白（glucose transporter, GLUT）4轉運來促進骨骼肌纖維的葡萄糖吸收[18]。在脂肪組織中，一方面，FGF21 通過激活細胞外信號調節激酶1/2（extracellular signal-related kinases 1 and 2, ERK1/2）信號通路，磷酸化血清應答因子（serum response factor, SRF）和ETS轉錄因子（ETS-domain containing protein, Elk1）使其激活，結合到GLUT1的啟動子區，促進GLUT1的轉錄，從而上調其表達水平，增強脂肪組織對葡萄糖的吸收[19]。除此之外，FGF21還可以與胰島素協同作用來增加棕色脂肪組織和白色脂肪組織對葡萄糖的吸收[20]。FGF21還通過依賴于解偶聯蛋白1（uncoupling protein 1, UCP1）的信號通路增強棕色脂肪組織的產熱從而提高并維持脂肪組織的溫度，進而促進脂肪組織對葡萄糖的吸收，改善肥胖或者糖尿病小鼠的葡萄糖耐量[21]。在肥胖或者2型糖尿病小鼠的肝臟中，FGF21通過作用于信號轉導及轉錄激活因子3/細胞因子信號抑制因子3（signal transducer and activator of transcription 3, STAT3/suppressor of cytokine signaling 3, SOCS3）信號通路下調葡萄糖-6磷酸酶（glucose-6-phosphatase, G6Pase）和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶（phosphoenolpyruvate carboxykinase,PEPCK）的表達水平，促進肝臟糖原儲存，抑制糖異生[22]。而在饑餓狀態下，FGF21可以通過PPARγ共激活因子-1α（PPARγ coactivator-1α, PGC-1α）介導的信號通路促進G6Pase和PEPCK的表達上調，促進肝臟糖異生，進而維持血糖穩定。同時，FGF21對血糖的調節也與FGF21通過肝腦軸調控肝臟的糖異生有關[23]。

2.3 FGF21調控機體脂代謝 FGF21敲除小鼠在進食狀態下，其脂肪細胞脂解減少，并且血液中的游離脂肪酸也減少。在饑餓狀態下脂解增加，血液中的游離脂肪酸水平上升[11]。因此，FGF21對脂肪組織脂解的影響在不同的生理條件下呈現出不同的結果。FGF21對肝臟中脂質的調控機制較為復雜，除了通過調控肝臟自身的脂質代謝外，還可以通過調節脂肪組織的脂代謝來進行組織間的交叉對話。從分子機制上來看，FGF21可以增加肝臟中PGC-1α的表達，進而增強了線粒體功能并且促進脂肪酸氧化，從而抑制了甘油三酯的生成和積累[24]。同時，FGF21可以降低由于肥胖引起的內質網和氧化應激來降低脂質的過度積累[25]。FGF21也可以通過促進脂肪酸進入脂肪組織，來降低血脂含量，并且增加脂蛋白脂解酶的活性和脂蛋白的分解[26]。FGF21敲除小鼠在喂養膽堿缺乏飲食時表現出更嚴重的脂肪肝、炎癥和纖維化[27]，而向非酒精性脂肪肝炎（nonalcoholic steatohepatitis, NASH）小鼠中注射FGF21后可以顯著緩解肝臟脂質沉積[16]。饑餓狀態條件下，FGF21通過激活組蛋白去甲基化酶（jumonji C domaincontaining, JMJD）的活性，促進自噬相關基因的表達，導致自噬介導的脂解增加[25]。

2.4 FGF21改善胰島素敏感性 在生理或病理狀態下，FGF21主要由肝臟產生分泌到血清中，除肝臟外，脂肪組織也可以分泌FGF21，以自分泌或者旁分泌的形式行使生理功能[28-29]。肥胖和2型糖尿病都可以增加機體血清中FGF21的含量[30-31]，LI等[32]發現這是一種機體抵御胰島素抵抗的機制。FGF21可以增強機體的胰島素敏感性，向肥胖小鼠中僅注射一次FGF21蛋白就可以降低大于原始血糖的50%[33]，大大提高了外周組織的血糖利用率，同時也與肝臟中葡萄糖生成的減少有關。BONDURANT等[34]的研究發現，FGF21通過共受體KLB直接作用于棕色脂肪組織中的胰島素信號通路增強胰島素敏感性，并且這種效應與脂聯素的含量無關。LI等[32]研究發現FGF21通過作用于皮下白色脂肪來改善胰島素敏感性，一方面FGF21可以增加皮下白色脂肪中分泌的脂聯素，進而激活磷酸腺苷活化蛋白激酶信號通路促進脂肪組織的葡萄糖吸收[35]；另一方面，FGF21可以促進巨噬細胞向2型的極化，并且促進皮下白色脂肪分泌抗炎性因子，進而改善胰島素敏感性[36]。

除了直接作用于脂肪組織外，FGF21還可以通過中樞神經增強胰島素敏感性。SARRUF等[37]研究表明，向肥胖大鼠的腦室中注射FGF21蛋白后將顯著降低肝臟中的糖異生，改善肝臟的胰島素敏感性，但對于外周組織對葡萄糖的利用并沒有明顯的影響。FGF21還通過影響胰島功能調節機體的胰島素敏感性。SO等[38]研究發現在小鼠中敲除FGF21后，胰島β細胞的功能受損，病理性增生，并且造成了胰島素抵抗；而當向小鼠中注射FGF21蛋白時則可以恢復胰島的正常功能。在分子機制上，在胰島中，FGF21通過抑制生長激素/信號轉導與轉錄激活因子信號通路引起的胰島素過量分泌和胰島β細胞的增殖改善胰島素敏感性[37]。

2.5 FGF21調控脂肪產熱和能量消耗 當機體在冷刺激或者飲食條件下，白色脂肪組織中FGF21的表達顯著上調。FGF21調控白色脂肪和棕色脂肪組織的產熱和脂聯素的分泌[39]，并且參與了脂肪組織中PPARγ信號通路的調控[40]。在白色脂肪中，FGF21通過增加PGC-1α的活性激活了UCP1的表達從而促進產熱[41]；在棕色脂肪中，FGF21可以通過誘導UCP1和2型脫碘酶（type 2 deiodinase, DIO2）的上調，激活產熱相關基因的表達[42]。以上研究表明FGF21可能作為一種UCP1的誘導劑促進了脂肪產熱從而引起了體質量下降。然而也有研究[43]表明，在UCP1敲除的小鼠中注射FGF21也同樣可以引起體質量的下降，這主要是由于注射FGF21后引起食欲下降，改善了糖脂代謝所導致的，同時脂肪中PGC-1α的表達顯著增加，線粒體生物合成和功能也得到了增強。因此，FGF21可以通過依賴于UCP1或者不依賴于UCP1兩種方式降低體質量[44-45]。最近，ABU-ODEH等[41]報道兒茶酚胺激素促進脂肪細胞產熱過程中，脂肪細胞自身表達分泌的FGF21非常重要。兒茶酚胺激素刺激脂肪細胞FGF21的表達，FGF21作為自分泌因子促進脂肪細胞的產熱。相反，脂解誘導肝臟分泌的FGF21對兒茶酚胺激素誘導脂肪產熱的生理過程中并不是必須的[40-41]。通過血腦屏障后作用于中樞神經系統，是FGF21另一個調節機體能量代謝的重要機制。CLAFLIN等[46]發現FGF21通過激活谷氨酸能神經元從而促進機體能量消耗和減重。

3 FGF21藥理學研究進展

3.1 FGF21臨床前藥理學研究 美國禮來公司最先于2005年發現FGF21能促進小鼠3T3-L1細胞和人體原代脂肪細胞的葡萄糖吸收，并且發現FGF21轉基因小鼠能抵抗高脂飲食誘導的肥胖。將重組的FGF21蛋白質注射到ob/ob肥胖小鼠模型和db/db糖尿病小鼠模型能降低其血糖和血脂水平。需要指出的是，FGF21注射到糖尿病小鼠或者正常小鼠后并不促進細胞增殖或者血糖降低。盡管FGF21具有降低血糖和改善葡萄糖耐受的功能，但其分子機制不清。BERGLUND等[47]發現，FGF21能促進機體葡萄糖吸收，改善肝臟的胰島素敏感性，并且抑制肝臟糖異生，增加肝糖原含量。除了小鼠，KHARITONENKOV等[48]在靈長類動物中評估了FGF21 的生理學功能。將FGF21注射到糖尿病獼猴同樣能降低其血糖、血脂和血液中胰島素水平，并且沒有觀察到低血糖現象。同時，FGF21 能降低低密度脂蛋白（low density lipoprotein, LDL）水平，增加高密度脂蛋白（high density lipoprotein, HDL）。這些研究進一步說明FGF21具有治療代謝性疾病的潛力。

COSKUN等[16]進一步發現注射FGF21蛋白到高脂飲食誘導的肥胖小鼠和ob/ob肥胖小鼠能減少20%體質量。FGF21并不影響小鼠運動或者食物攝取，但是能增加機體能量消耗，脂肪的利用，改善脂肪肝和高血糖癥狀。該研究表明，FGF21具有治療肥胖、糖尿病和NASH等代謝性疾病的潛力。XU等[15]證實了以上結果，他們發現FGF21可以依賴于劑量關系在高脂飲食誘導的肥胖小鼠中減少脂肪含量和降低體質量。FGF21可以在該小鼠中降低血脂和血液中胰島素水平，改善胰島素敏感性和脂肪肝。

脂肪肝的發病機制十分復雜，從簡單的肝臟過量脂質沉積最終導致炎癥和纖維化的產生，發展為NASH，如不加控制將進一步發展為肝硬化甚至肝 癌[49]。目前還沒有有效的治療手段，而FGF21 可以減緩NASH的發病進程。ZHANG等[50]發現FGF21抑制肝臟中脂合成關鍵基因固醇調節元件結合蛋白（sterol regulatory element binding transcription factor 1, SREBP1C）的轉錄水平，并且通過抑制SREBP1C的轉運，減少其成熟形式的蛋白含量，從而抑制肝臟脂質的從頭合成。另一方面，FGF21可以激活肝臟中的脂肪酸氧化。FISHER等[27]的研究表明，FGF21敲除小鼠的?；o酶A（acyl-CoA）合成酶（acyl-CoA synthetase long-chain, ACSL）活性和線粒體脂肪酸氧化明顯減弱，而向該小鼠中注射FGF21蛋白后則明顯增強了ACSL的活性，并且脂肪酸氧化也增加。因此FGF21主要是通過激活酰基輔酶A合成酶/脂肪酸轉運蛋白（long-chain acyl-CoA synthetase, ACSL8）/（fatty acid transport protein, FATP）的活性，增加脂肪酸向acyl-CoA的轉化效率，同時增強了線粒體的脂肪酸β氧化，從而減輕了肝臟中的脂質積累[27]。除此之外，FGF21還可以增加酮體的生成[11]；通過激活核轉錄因子紅系2相關因子2（nuclear factor erythroid-2-related factor 2, NRF2）介導的抗氧化應激減輕肝臟中的內質網應激和氧化應激，緩解肝臟損傷，改善線粒體功能，減少極低密度脂蛋白受體的含量進一步減少脂質的積累[51]。FGF21對于NASH的炎癥和纖維化也同樣具有抑制作用。有研究[52-54]報道FGF21可以緩解NASH的炎癥癥狀，減少促炎性因子的分泌，如IL-1β、TNF-α、IL-17α、IL-6等，減少肝臟中巨噬細胞的浸潤。XU等[54]的研究表明，FGF21可以通過轉化生長因子β（transforming growth factor-β, TGF-β）/Smad家族成員蛋白2/3（Smad family protein-2/3,Smad2/3）/核因子-κB（nuclear factor-κB, NF-κB）介導的信號通路發揮作用，減少膠原的生成；同時抑制肝星狀細胞的激活，并且促進肝星狀細胞的凋亡，進而抑制肝臟纖維化。因此，FGF21有望成為治療NASH的藥物靶點。

3.2 FGF21基因工程改善其生物物理學特征和藥物動力學 由于野生型的FGF21蛋白在體內半衰期較短，并且重組蛋白容易聚合，這些特征決定了野生型FGF21蛋白不適合作為藥物，因此HECHT等[55]構建了長效Fc-FGF21融合蛋白，將FGF21置于Fc結構域的C末端，同時將FGF21進行L98R和P171G兩個氨基酸突變，抑制FGF21體內的降解，同時抑制其聚合，從而 大大提高其半衰期和成藥性。VéNIANT等[56]進一步將重組的長效突變FGF21蛋白注射到高脂飲食誘導的肥胖小鼠和肥胖獼猴，發現該長效蛋白仍能有效降低血糖和血脂，并且相對野生型FGF21重組蛋白，長效FGF21能更大程度降低膽固醇和體質量，并且減少注射頻率也能發揮其功能。這些研究為該蛋白進入臨床試驗鋪平了道路。

MU等[57]采取另外一種策略延長FGF21 體內半衰期，即將重組的FGF21 蛋白進行定點聚乙二醇（polyethyleneglycol, PEG）修飾，該修飾不影響其蛋白結構和活性，但是大幅度延長其體內半衰期，有利于體內用藥。該PEG修飾的FGF21仍能降低血糖、血脂以及肝臟甘油三酯，并且促進胰島細胞的胰島素分泌，改善機體內肝臟、肌肉和脂肪組織的胰島素敏感性。CHIKAMATSU等[58]報道了一種人體血清蛋白HSA-FGF21融合蛋白分子，相對于野生型FGF21，該融合蛋白具備長效功能。將該蛋白注射高脂飲食誘導的肥胖小鼠可以降糖、減重和降低血脂水平，并且明顯改善脂肪肝表型。PAN等[59]報道了一個GLP-1-Fc-FGF21融合蛋白分子，該蛋白為雙重激動劑，可以同時激活FGF21和GLP-1信號通路，該蛋白在小鼠模型中具有很強的降糖和減重效應，同時改善NASH癥狀，這些結果表明該融合蛋白具有臨床治療多種代謝性疾病的潛力。

3.3 FGF21 臨床試驗結果 美國禮來公司首先開展了第一個有關FGF21 的臨床試驗，將其產品LY2405319 注射到肥胖和糖尿病患者，結果發現LY2405319能顯著改善機體脂代謝，降低LDL和HDL的水平，同時發現該產品能提高血液中脂聯素水平，增強機體胰島素敏感性，降低體質量。但是并沒有觀察到降低血糖的現象[60]。

美國輝瑞公司也開展了FGF21產品PF-05231023的臨床試驗。同樣，他們發現將PF-05231023注射到肥胖和糖尿病患者體內，也能改善機體脂代謝，增強胰島素敏感性，降低體質量，但是沒有降血糖的功能[26]。這兩項臨床試驗表明，FGF21在人體有降脂的功能，但沒有降血糖功能，提示FGF21在小鼠和人體具有不完全相同的生理學功能。

美國百事美施貴寶公司也報道了其產品BMS-986036 的臨床試驗結果，該產品是PEG化的長效FGF21蛋白。首先，該產品注射到肥胖和糖尿病患者體內，發現其能改善血脂，增強胰島素敏感性，但是沒有降低糖化血紅蛋白。同時，他們發現BMS-986036 能降低3 型膠原前肽（PRO-C3），這是肝臟纖維化的生物標志物，表明FGF21有治療NASH的潛 力[61]。同時，該公司也開展了另外一項臨床試驗，將BMS-986036注射到NASH患者體內，發現其明顯降低肝臟脂肪含量，降低PRO-C3，改善肝臟損傷[62]。

美國Amgen公司和Akero公司聯合開發了產品AKR-001，該產品是Fc-FGF21融合蛋白，相對于野生型FRGF21，該產品半衰期延長。AKR-001也能改善機體脂代謝，增強胰島素敏感性。目前，該產品正在進行2期臨床試驗，用于治療NASH[63]。

以色列8 9 B i o 公司開發的F G F 2 1 類似藥Pegozafermin，其治療NASH的2b期臨床數據表明，可改善肝纖維化和肝臟炎癥[64]。另一臨床數據顯示Pegozafermin治療嚴重高甘油三酯血癥時，能顯著減少甘油三酯水平，改善肝臟脂肪變性[65]。

4 結論和展望

早期的研究結果表明，FGF21在實驗動物，包括小鼠和靈長類動物，具有降血糖、血脂、減重和增強胰島素敏感性等生理功能，提示靶向FGF21具有治療代謝性疾病的潛力。后期幾個臨床試驗結果表明，在人體內FGF21仍然能夠改善肥胖患者血脂水平，降低肝臟脂肪酸含量，改善肝臟纖維化?；谀壳暗呐R床試驗結果，FGF21未來有可能用于臨床治療NASH。

盡管FGF21對于NASH是非常有潛力的治療靶點，但是FGF21及其類似物的安全性和有效性還有待進一步研究。例如FGF21相關藥物的使用可能會對骨骼和心血管產生不良反應[66]。因此，在以FGF21為靶點治療NASH的臨床實驗中，除了關注對肝臟組織學，尤其是肝臟纖維化的改善外，還要考慮對骨骼和心血管的安全性。