司美格魯肽對糖尿病心肌病機制及作用研究進展

李京娟 李凡凡 牛 璐 劉媛媛 王金羊

糖尿病性心肌病(diabetic cardiomyopathy,DCM)是糖尿病的一種慢性并發癥,也是糖尿病發生率和病死率的主要原因。DCM獨立于冠狀動脈疾病、高血壓以及瓣膜病之外,直接促進心臟結構或功能改變,最終導致心力衰竭[1]。 DCM的發病機制是多因素的,包括線粒體功能障礙、氧化應激、能量代謝改變、心臟胰島素抵抗增加、內質網應激、細胞內鈣穩態受損、腎素血管緊張素醛固酮系統激活、晚期糖基化終末產物(advanced glycation end products,AGEs)積累、炎性反應、心肌間質纖維化、自主神經病變、微血管功能障礙以及其他信號分子(如miRNA)的改變等,但相關機制還尚未完全闡明[2]。由于該疾病的復雜性和危害性,目前尚無特異性的治療方法。

胰高血糖素樣肽-1受體激動劑(glucagon-like peptide-1 receptor agonist,GLP-1RA)是一種腸促胰素類藥物,通過刺激胰島素的分泌和降低胰高血糖素的分泌等機制來降低血糖,已經廣泛應用于2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)的治療[3]。司美格魯肽是一種長效的GLP-1RA,不僅有降糖作用,還具有減重和降低T2DM發生主要心血管不良事件風險的作用[4]。本文將對司美格魯肽對DCM的作用機制和臨床應用進行綜述。

一、司美格魯肽在DCM的作用機制

司美格魯肽是一種天然胰高血糖素樣肽-1的類似物,有3個結構修飾:①第8位的丙氨酸(alanine,Ala)被α-氨基丁酸(aminobutyric acid,Aib)所取代,使司美格魯肽N端免受二肽基肽酶-4(dipeptidyl peptidase-4,DPP-4)的降解,從而延長半衰期; ②第26位賴氨酸(lysine,Lys)上增加了C18二酸,使其具有很強的白蛋白親和力;③第34位的賴氨酸被精氨酸(arginine,Arg)所取代,使賴氨酸位點特異性酰化[5]。司美格魯肽可以減少活性氧(reactive oxygen species,ROS)的產生、改善心肌細胞的凋亡與自噬、減少脂質積累、減少炎性細胞因子的產生、增加心肌組織血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的表達等對DCM起到作用。

1.減少活性氧的產生:活性氧(reactive oxygen species,ROS)積累是DCM的主要促進因素。ROS是重要的細胞內信號分子,介導多種細胞功能。在生理條件下,ROS水平由內源性抗氧化系統適當控制,以減少細胞氧化損傷;在病理條件下,當ROS的產生超過抗氧化能力時,就會發生氧化應激[6]。氧化應激誘發各種心血管并發癥,包括由炎癥、細胞凋亡和纖維化促進的心功能障礙。但是,糖尿病中ROS增加的機制是復雜的,線粒體內膜電位的超極化和線粒體功能的受損、NADPH氧化酶(NADPH oxidases,NOX)的激活、Na+-H+交換器(sodium-hydrogen exchangers,NHE)和鈣調蛋白依賴性蛋白激酶(calmodulin-dependent protein kinase,CaMK)Ⅱ的參與等多種因素相互作用,相互增強[6,7]。ROS的產生促進了糖尿病患者心肌收縮功能障礙和慢性心力衰竭(chronic heart failure,CHF)[7]。

研究表明,GLP-1RA可以通過誘導蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)和cAMP反應元件結合蛋白(cAMP response element-binding,CREB)下游抗氧化基因的表達來抑制ROS[8]。鑒于Lox-1是ROS的關鍵調控因子,在敲除Lox-1小鼠的主動脈中GLP-1R表達上調,GLP-1RA抑制LOX-1的表達和線粒體ROS的生成[8]。研究顯示,司美格魯肽可以減少ROS的產生,有效改善心功能[9]。

此外,由于心肌纖維化是DCM的早期特征,主要表現為活化的心肌成纖維細胞(肌成纖維細胞)的積累和細胞外基質的過度沉積。ROS的過度產生能夠激活心肌纖維化的TGF-β/Smad信號通路,導致心肌纖維化標志物α平滑肌肌動蛋白(α-smooth muscle actin,α-SMA)的表達[10]。司美格魯肽可顯著增加鏈脲佐菌素(streptozotocin,STZ)誘導的DCM大鼠心肌微動脈內膜α-SMA的表達,抑制心肌細胞的變性,延緩DCM 大鼠心肌纖維化[11,12]。

2.改善細胞凋亡與自噬:心肌細胞死亡被認為在DCM發病機制中起關鍵作用。心肌細胞死亡可分為四種形式[13]:(1)細胞凋亡是通過caspase-3通路激活介導的蛋白水解級聯反應和ROS的參與。研究表明,糖尿病患者的長期高血糖可激活caspase-3通路誘導心肌細胞凋亡[14]。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD) 作為氧化應激標志物,是體內一種關鍵的抗氧化酶,具有清除自由基和降低氧化應激的功能。在糖尿病患者中,SOD減少,心肌細胞的凋亡增加[13]。心肌細胞的凋亡降低了心臟收縮功能,最終促進心臟重構。司美格魯肽可以減少凋亡相關蛋白caspase-3 的表達,抑制心肌細胞凋亡;有效提高T-SOD的體內活性,減少氧自由基對心肌細胞的損傷,使氧化應激反應降低[9]。(2)細胞自噬開始于自噬小體的形成,是一種清除受損蛋白質、功能失調的細胞器的降解過程。自噬受到自噬相關蛋白的嚴格調控,該蛋白由一個高度保守的基因家族編碼。AMP激活蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)被認為是自噬的正調控因子,與其相關的多種信號通路AMPK/mTOR/ULK1、PI3K/Akt/mTOR、Ca2+/CaMKKβ/AMPK都參與自噬,并且 AMPK的激活介導了心肌細胞的葡萄糖剝奪和缺血誘導的自噬[16]。在糖尿病小鼠模型中,抑制AMPK可降低心肌自噬,加重心功能障礙,增加糖尿病小鼠的死亡率[17]。研究表明,司美格魯肽逆轉了脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)處理引起的自噬蛋白Beclin1和Parkin的下降,提高了p-AMPK的蛋白水平,可能是通過AMPK信號通路調控自噬,改善心臟結構[9]。但是AMPK參與心肌細胞自噬的調控是復雜的,需要進一步的研究。

3.減少脂質積累:脂質積累也是DCM發病機制中的一個重要致病因素。ATP是生命活動主要的能量來源物質,對心臟的正常功能至關重要。在正常心臟中,大部分ATP的合成是由脂肪酸(fatty acids,FA)產生的。但是在糖尿病中,由于胰島素抵抗,心肌的脂肪酸攝取和氧化過度,導致心功能惡化[18]。氧化應激反應的增加也會導致心肌組織中脂質的積累,進而產生大量的ROS,從而導致脂質過氧化,最終產物丙二醛(malondialdehyde,MDA)產生。因此,心肌細胞中游離脂肪酸(free fatty acids,FFAs)過度積累和異常β-氧化引起心臟脂肪毒性[19]。一項研究表明,在司美格魯肽干預后,脂質積累明顯減少,進而減少其對心肌組織的損傷;MDA的產生也減少,有效改善糖尿病心肌病患者的心功能[9]。

隨著肥胖程度的增加,糖尿病發生率也逐年上升,尤其內臟型肥胖大大增加了心血管疾病的風險。T2DM合并肥胖導致的內臟脂肪堆積進一步促進了DCM的發展,其中心外膜脂肪組織(epicardial adipose tissue,EAT)是沉積在心臟表面代謝活躍的內臟脂肪組織,具有獨特的解剖、功能和遺傳特性[19]。過量的EAT積累與較高的心血管風險密切相關,EAT通過促炎性細胞因子的旁分泌來發揮其致動脈粥樣硬化的作用[20]。司美格魯肽可顯著降低EAT厚度,發揮心臟保護作用[21]。

4.減少炎癥相關蛋白的產生: 炎性反應與DCM的發生、發展相關。促炎性細胞因子,如IL-6(interleukin-6)和IL-8、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-alpha,TNF-α)、單核細胞趨化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1)、黏附分子-1、細胞間黏附分子-1(intercellular adhesion molecule-1,ICAM-1)、血管細胞黏附分子-1(vascular cellular adhesion molecule-1,VCAM-1)的激活和表達,都促進心臟氧化應激、重構和纖維化以及舒張功能障礙[19]。Nod樣受體蛋白(nod-like receptor protein,NLRP)炎性小體作為先天免疫系統不可或缺的中介,參與了DCM的發病機制[22]。寡聚化的NLRP3招募適配器蛋白ASC,并將前caspase-1分裂為其激活的表型caspase-1,從而導致白細胞介素-1β前體(前IL-1β)和白細胞介素-8前體(前IL-8)的分裂,這種分裂導致促炎性細胞因子IL-1β和IL-8的成熟,從而促進心臟的炎性反應[22]。NF-κB是調節炎性信號通路的關鍵細胞因子,參與多種炎性細胞因子的轉錄和調控,可被心臟中的脂肪酸和高血糖激活。激活的NF-κB不僅誘導促炎性細胞因子TNF-α、IL-6和IL-8的表達,而且增加NLRP3炎性小體組裝和pro-caspase-1自裂解與激活,進而介導前IL-1β的加工和成熟[23]。炎性反應的發生促進了糖尿病心肌病的心臟重構和纖維化。在司美格魯肽的作用下,NF-κB、TNF-α、IL-1β均顯著降低。說明司美格魯肽能夠阻斷NLRP3炎性小體激活,抑制炎性反應的相關蛋白,減少心肌組織的炎性反應,對DCM的心肌發揮保護作用[9,11]。

SUSTAIN-6研究表明,司美格魯肽降低T2DM患者心血管(cardiovascular,CV)風險可能與延緩動脈粥樣硬化進展有關[24]。在一項研究中,司美格魯肽降低了動脈粥樣硬化主動脈中炎癥標志物的基因表達,可能由抗炎機制驅動的抗動脈粥樣硬化作用[25]。由于GLP-1RA治療會阻礙動脈粥樣硬化小鼠血管壁中單核細胞和巨噬細胞的募集和黏附[26]。司美格魯肽被證明降低風險部分是通過調節激活的M1巨噬細胞介導的[26]。因此,司美格魯肽在減少炎癥方面的作用可能是降低CV風險的機制之一。

5.增加心肌組織血管內皮生長因子的表達:miRNA在DCM的發病中起著重要作用,其與對應的靶基因的失調可能參與了DCM的發病機制[27]。有研究顯示,miR-17表達上調,miR-24、miR-150、miR-199a、miR-214和miR-320a表達下調,都會導致靶基因VEGF的下調,從而導致DCM的發生[27]。VEGF是一種具有重要的促血管生成活性的生長因子,表達于成纖維細胞、血管內皮細胞,可以增加血管通透性,促進血管新生。在STZ誘導的糖尿病小鼠中,VEGF的表達水平下調,通過增加其在心臟組織中的表達,可有效改善DCM[28]。司美格魯肽治療可顯著增加大鼠心肌組織VEGF的表達,促進冠狀動脈微血管新生,對DCM心肌損傷發揮保護作用[11]。

二、司美格魯肽在DCM的治療效果

司美格魯肽的結構修飾使其相比其他藥物,具有顯著優勢,1周1次的皮下注射給藥方式,大大減少給藥次數,明顯提高了患者的依從性和便利性。在SUSTAIN-6研究中,納入3297例T2DM患者,注射司美格魯肽使糖尿病患者因主要心血管終點事件(major adverse cardiac events,MACE,包括心血管原因、非致死性心肌梗死或非致死性腦卒中)死亡的風險較安慰劑降低了26%[24]。一項隨機雙盲的臨床試驗PIONEER 6研究納入3183例2型糖尿病患者,對口服司美格魯肽與安慰劑對照的心血管安全性進行了研究。研究結果顯示,口服司美格魯肽的患者發生嚴重心血管不良事件(包括因心血管原因死亡、非致命性心肌梗死或非致命性腦卒中)的比例為3.8%,安慰劑組為4.8%[29]。

DCM患者心臟結構和功能發生改變,包括左心室肥大、心肌膠原間質纖維化增加、脂肪浸潤;舒張功能不全、收縮功能不全、收縮力儲備受損等。司美格魯肽使STZ誘導的DCM大鼠間質膠原纖維減少,明顯改善心肌纖維化,但是否存在改善心臟結構和功能改變的其他機制仍不清楚[11]。司美格魯肽還可改善T2DM和CHF的肥胖患者的心力衰竭健康狀況,提高生活質量,降低心功能等級和NT-proBNP(N-terminal pro-B-type natriuretic peptide)水平[30]。

三、不良反應

在SUSTAIN-6研究中,胃腸道反應在司美格魯肽組中比在安慰劑組中更常見,大多數胃腸道事件均為輕微或中度[24]。由于不良事件(主要是胃腸道反應)而停止治療在司美格魯肽比安慰劑組更頻繁。GLP-1RA最常見的不良反應是惡心、嘔吐和腹瀉,司美格魯肽與其他 GLP-1RA比較無特殊的不良反應,且發生率相似。GLP-1RA發生低血糖的風險最小,但當與胰島素和磺脲類藥物聯合使用時,可能會增加這些藥物的降血糖潛力[31,32]。司美格魯肽與磺脲類藥物的聯合使用增加了低血糖不良事件的發生[29]。司美格魯肽與糖尿病視網膜病變并發癥增加相關,主要發生在血糖控制快速改善的基線視網膜病變患者中[29]。司美格魯肽似乎并不會顯著增加胰腺炎、胰腺癌或骨病的風險,它們與膽囊事件發生的風險增加有關但是目前對于GLP-1RA引起胰腺炎仍有爭議[33]。

綜上所述,GLP-1RA是一類重要的新型降糖藥,在臨床上治療T2DM的應用越來越廣泛。有證據表明,司美格魯肽可以降低T2DM患者的CV風險,同時可以降低EAT的厚度,有利于心血管的保護,為T2DM合并肥胖的治療提供了理論基礎。但是司美格魯肽在DCM的作用尚不明確,因此仍需開展進一步研究。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。