胰岛α细胞功能和表型变化在糖尿病治疗学中的重要意义

作者:魏蕊[1] 洪天配[1] 
单位:北京大学第三医院[1]

 

 

  传统观念认为,胰岛素分泌绝对或相对缺乏是糖尿病最重要的病理生理学缺陷,此即"胰岛素中心论"。近年来胰岛α细胞在血糖稳态调节和糖尿病发病机制中的作用日益受到关注。胰高糖素是α细胞分泌的一种激素,在拮抗胰岛素作用中扮演重要角色,其主要通过胰高糖素受体(glucagon receptor,GcgR)发挥作用。胰高糖素最主要的生理学功能是在空腹状态下刺激肝糖产生,为机体重要器官提供葡萄糖,其血中浓度受到血糖水平紧密的负性调控。在糖尿病个体中存在胰岛素水平绝对或相对缺乏,伴有空腹和负荷后胰高糖素水平升高。同时α细胞对葡萄糖的反应性受损,血糖升高无法抑制胰高糖素的分泌,可进一步加重高胰高糖素血症。此外组织学研究显示糖尿病动物和患者的α细胞数量不变或代偿性增多,α/β细胞比值较非糖尿病个体显著升高[1]。因此糖尿病目前被认为是双激素失调的一类疾病,α细胞功能和表型变化参与了糖尿病的发生发展。抑制胰高糖素分泌和阻断胰高糖素受体信号通路均可降低血糖,另一方面,促进α细胞转化为β细胞可重建功能性β细胞总量从而恢复血糖稳态。

 

一、阻断胰高糖素受体信号通路——降糖治疗的新策略

  早期研究显示,输注抑制胰高糖素分泌的激素(如生长抑素、瘦素)可降低糖尿病动物或1型糖尿病(T1DM)患者的血糖,改善葡萄糖耐量。然而这些激素的应用通常伴有其他的降糖机制,使得通过抑制胰高糖素分泌而降低血糖的概念缺乏直接证据;还常常伴有各种副作用,使其临床转化受到一定的限制。胰高糖素样肽-1(GLP-1)药物是近年来新上市的降糖药物,包括GLP-1受体激动剂和二肽基肽酶Ⅳ抑制剂两大类,既可葡萄糖依赖性促进胰岛素分泌又可抑制胰高糖素在高糖状态下的不适当分泌,从而降低糖尿病个体的血糖。

 

  GcgR基因敲除模式动物有助于阐明胰高糖素在血糖稳态调节中的作用。研究显示与野生型小鼠相比GcgR基因敲除小鼠的空腹和负荷后血糖水平更低,葡萄糖耐量更好,胰岛素敏感性更高[2]。在链脲佐菌素(STZ)诱导的T1DM小鼠中,GcgR基因敲除使动物不会出现糖尿病或任何与胰岛素缺乏相关的临床和生化改变,其空腹血糖、口服和腹腔注射葡萄糖耐量试验负荷后血糖水平正常,且有胰岛α细胞增生[3]。在饮食诱导的肥胖小鼠和2型糖尿病(T2DM)模型db/db小鼠中同样可观察到上述现象。此外人体研究显示GcgR基因失活突变个体也可见α细胞增生[4]。上述结果提示GcgR有望作为糖尿病药物治疗新靶点。

 

  阻断GcgR信号通路的策略有多种方案。在db/db小鼠、ob/ob小鼠、Zucker肥胖大鼠等多种T2DM动物模型中,腹腔注射GcgR反义寡核苷酸均可降低血糖,改善葡萄糖耐量,增强胰岛素敏感性,增加α细胞总量[5]。肽类或非肽类GcgR拮抗剂、竞争性或非竞争性的小分子GcgR拮抗剂在临床前研究均被证实可降低血糖,改善葡萄糖耐量。然而某些GcgR拮抗剂的降糖效果并不理想,且出现胆固醇水平升高、转氨酶升高、自身免疫反应等副作用。通过脂质纳米颗粒载体将小干扰RNA靶向作用于肝脏目前已在多种疾病中开展临床试验。利用该系统将GcgR小干扰RNA注射到STZ小鼠体内可发挥明显的降糖效应[6]。随着高度亲和力的完全人源化GcgR单克隆抗体的出现,阻断GcgR信号通路治疗策略的临床应用前景引发了广泛关注。单次注射GcgR单克隆抗体REMD-477可使ob/ob小鼠血糖降至正常,并持续稳定8 d;在正常小鼠和食蟹猴中注射该抗体可显著改善葡萄糖耐量,且不会诱发低血糖[7];在胰岛素分泌绝对缺乏的非肥胖糖尿病(non-obese diabetic,NOD)小鼠和STZ诱导的T1DM小鼠中,该抗体可使血糖和糖化血红蛋白水平恢复正常[8]。另一个完全人源化GcgR单克隆抗体REGN1193也具有相似疗效,可降低ob/ob小鼠、饮食诱导的肥胖小鼠及自发性糖尿病食蟹猴的血糖[9]。

 

  基于在动物研究中的良好疗效,若干阻断GcgR的策略已启动临床试验。Bay 27-9955、MK-0893、LY2409021等小分子拮抗剂可降低健康志愿者或T2DM患者的血糖,且无诱发低血糖风险,但存在升高转氨酶、低密度脂蛋白胆固醇水平等风险,且该风险升高与降糖疗效存在相关性,目前已终止进一步的临床试验[10]。另外两个小分子拮抗剂PF-06291874和LGD-6972已完成T2DM人群的Ⅱ期临床试验,在降糖的同时患者耐受性良好,未见具有临床意义的生化指标改变[10]。此外GcgR单克隆抗体LY2786890和PF-06293620已完成T2DM人群的Ⅱ期临床试验[10],REMD-477已完成T1DM人群的Ⅰ/Ⅱ期临床试验,均被证实具有良好的降糖疗效和安全性[11]。GcgR反义寡核苷酸ISIS 449884和ISIS 325568也在健康志愿者和T2DM患者中展示良好的疗效和安全性[10]。上述临床前研究和临床试验的数据提示阻断GcgR有望成为糖尿病治疗的新策略。

 

  值得注意的是阻断GcgR信号通路的多种方案只有在残存胰岛β细胞存在或胰岛素水平能够检测到的情况下才可发挥预防或逆转糖尿病的作用[12,13],提示β细胞与α细胞之间的旁分泌效应或胰岛素与胰高糖素的双激素调节作用在血糖稳态调控中发挥重要作用。

 

二、促进胰岛α细胞向β细胞转化——β细胞再生的新希望


  胰岛细胞来源于神经元素3(Ngn3)阳性的胰腺内分泌前体细胞,该前体细胞首先分化为胰高糖素阳性的α细胞,然后才分化为胰岛素阳性的β细胞,刚形成的β细胞通常为胰岛素和胰高糖素双阳性细胞,继而进一步分化为胰岛素单阳性的成熟β细胞,并聚集成岛样细胞团。因此从发育生物学角度来看,α细胞具有转化为β细胞的潜能。成熟α细胞与β细胞可表达某些相同的转录因子(如胰岛因子1),且具有相似的激素分泌反应机制(如葡萄糖激酶)和表观遗传学特征。胰岛α细胞与β细胞紧密相邻,提示两者存在密切的相互调控。此外两种细胞均毗邻血管,便于激素释放到血循环中。值得注意的是动物实验和人体研究均显示在包括T1DM和T2DM在内的各种β细胞损伤情况下,α细胞总量并不减少甚至还可能代偿性增加[1]。因此α细胞是体内β细胞再生的理想细胞来源[14]。

 

  通过改变胰岛细胞发育调控相关的某些关键基因可诱导α细胞向β细胞转化。在小鼠胰腺内分泌前体细胞(Ngn3启动子控制下)过表达胰十二指肠同源盒因子1(pancreatic and duodenal homeobox 1,Pdx1)可轻微促进该前体细胞向β细胞分化,减少其向α细胞分化;出生后该模式动物的α细胞可迅速转化为胰高糖素和胰岛素双阳性细胞,继而转化为胰岛素单阳性的成熟β细胞[15]。在α细胞(胰高糖素启动子控制下)过表达成对盒基因4(Pax4,决定β细胞谱系分化的转录因子)可诱导α细胞向β细胞转化[16,17]。在STZ诱导β细胞大量丢失的情况下,Pax4过表达介导的α向β细胞转化可重建β细胞总量,恢复小鼠的血糖稳态,延长小鼠的寿命,且该细胞转化在幼年和成年小鼠中均可发生[16,17]。另一方面,在小鼠α细胞敲除Aristaless相关同源异型盒基因(aristaless-related homeobox,Arx,决定α细胞分化命运的关键转录因子)也可促进α向β细胞转化,重建功能性β细胞总量,逆转糖尿病,该细胞转化过程在任何年龄段也均可发生[18]。将携带编码Pdx1和肌腱膜纤维肉瘤癌基因同系物A(v-maf musculoaponeurotic fibrosarcoma oncogene homolog A,MafA)的腺相关病毒注射到四氧嘧啶诱导的糖尿病小鼠的胰腺导管中可显著增加β细胞总量,谱系示踪实验证实95%以上的β细胞来源于α细胞。在NOD小鼠的糖尿病发病初期,单次注射上述病毒所诱导的细胞重编程可使小鼠维持正常血糖至少4个月,提示新生的β细胞可能与成熟β细胞存在不同的抗原表位或不同的胰岛微环境,从而逃避了自身免疫攻击[19]。尽管如此无论采用何种基因修饰方案均难以实现向临床转化的目标,故需探索促进α向β细胞转化的新方法。

 

  在某些极端条件下胰岛α细胞可自发转化为β细胞。谱系示踪实验证实在白喉毒素条件性表达诱发β细胞几乎完全缺失后,α细胞可自发获得β细胞的表型特征[20],但该细胞转化过程仅发生在β细胞极度缺失(>99%)的情况下,β细胞缺失50%并不能引起α向β细胞转化;此外在该模式动物中,需要数月才能获得显著的β细胞再生,故限制了其临床转化的潜能。胰腺导管结扎与四氧嘧啶注射的联合干预可在2周内诱导α细胞来源的β细胞大量新生[21]。虽然该方案在年轻和成年的动物中具有相同的效应,但胰腺炎的发生和药物的毒性作用降低了其临床应用的可能性。

 

  在白喉毒素条件性表达诱发β细胞几乎完全缺失的小鼠中,敲除GcgR基因或给予GcgR抗体均可增加胰岛素和胰高糖素双阳性细胞的比例[12],提示阻断GcgR可能通过激活胰腺内分泌前体细胞和(或)直接促进α向β细胞转化从而促进β细胞新生。另有研究显示在胰岛素受体拮抗剂诱导的严重胰岛素抵抗的条件下,GcgR抗体治疗既可引起小鼠α细胞增生,还可增加β细胞数量[22]。上述结果提示阻断GcgR在促进β细胞再生中可能具有潜在的临床应用价值。此外各种GcgR阻断策略(基因敲除、反义寡核苷酸、抗体等)均可升高血清GLP-1水平[3, 5, 7],亦可上调胰岛局部GLP-1表达[23]。众所周知GLP-1可促进胰岛β细胞新生,改善β细胞功能,因此推测在GcgR阻断引起α细胞增多的背景下,GLP-1很可能促进α向β细胞转化,但目前尚无直接证据加以支持。

 

  小分子化合物可促进胰岛α细胞向β细胞转化。在正常小鼠和STZ诱导的T1DM小鼠中γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid,GABA)腹腔注射可下调α细胞标志物Arx,上调β细胞标志物Pax4表达,促进α向β细胞转化,进而动员导管上皮形成Ngn3阳性前体细胞,引起α细胞新生;新生的α细胞进一步转化为β细胞,最终导致β细胞大量再生。GABA干预可多次逆转STZ反复注射所诱导的高血糖[24]。然而要完全恢复到STZ损伤前的β细胞总量大约需要GABA治疗3个月,故在开展临床研究前必须评估GABA长期治疗的安全性。另一项研究显示抗疟药青蒿素类化合物可通过激活A型GABA受体从而促进斑马鱼、小鼠、大鼠等种属的α细胞转化为β细胞[25]。然而该研究未详细描述β细胞数量的增加幅度,且该效应通常需要数周到数月才能显现。迄今为止长期应用青蒿素类药物在人体中的安全性尚不得而知。

 

  同样基因修饰、添加外源性药物等方案也可促进体外培养的人胰岛α细胞向β细胞转化。人胰岛在体外给予STZ处理诱导β细胞损伤后利用腺相关病毒转染Pdx1和MafA,并将该胰岛移植到NOD/SCID糖尿病小鼠肾包囊下,移植1周后小鼠血糖水平显著降低;移植4周后血清人C肽水平和移植物中β细胞总量均显著升高[19],提示可能存在α向β细胞转化且转化的细胞具有胰岛素分泌功能。表观遗传学调控、青蒿素类化合物等也可促进人胰岛α细胞转化为β细胞[25,26]。然而由于人胰岛的稀缺,相关基础研究较少,且缺乏有效的谱系示踪方法以明确新生β细胞的确切来源。此外已上市药物的临床研究主要基于激素分泌的检测,缺乏胰腺标本的直接证据。因此明确人体内是否存在α向β细胞转化及验证上述策略对β细胞再生的疗效依然任重而道远。

总之促进α细胞向β细胞转化是重建功能性β细胞总量的重要策略,研发安全有效的促进α向β细胞转化的药物是治疗或逆转糖尿病的潜在希望。

 

三、小结与展望


  糖尿病是双激素调节异常的疾病,胰高糖素不适当分泌增加在T2DM发生发展中扮演重要角色,抑制胰高糖素分泌是GLP-1药物的降糖作用机制之一。阻断GcgR信号通路的方法包括GcgR基因敲除、反义寡核苷酸技术、受体拮抗剂、单克隆抗体等,其中部分方法已在Ⅰ/Ⅱ期临床试验中展现良好的降糖疗效和安全性,但尚需开展更多高质量临床试验加以验证。另一方面,促进胰岛α细胞向β细胞转化有望重建功能性β细胞总量。诱导α细胞向β细胞转化的策略包括基因修饰、表观遗传学修饰、小分子化合物干预等,其中小分子化合物是最有应用前景的研发方向。


    2019/1/3 12:06:14     访问数:229
    转载请注明:内容转载自365医学网

大家都在说       发表留言

客服中心 4000680365  service@365yixue.com
编辑部   editor@365yixue.com

365医学网 版权所有 © 365heart All Rights Reserved.

京ICP备12009013号-1
京卫网审[2013]第0056号
京公网安备110106006462号
京ICP证041347号
互联网药品信息服务资格证书(京)-经营性-2018-0016  
搜专家
搜医院
搜会议
搜资源
 
先点击
再选择添加到主屏