二甲双胍的心脏保护作用机制研究进展

作者:张幼怡[1] 
单位:北京大学第三医院[1]

二甲双胍是一个古老的药物。早在中世纪的欧洲,人们发现一种名叫法国丁香(French lilac,Galega officinalis)的植物可以缓解伴有尿多症状的疾病——即现在所称的糖尿病[1]。后来发现,这种植物中起到降糖作用的活性成分是胍类物质(guanidine)[2]。1922年爱尔兰的科学家将法国丁香中具有降血糖作用的成分二甲双胍首次合成成功,1957年二甲双胍在法国首次获准作为降糖药用于临床。现在二甲双胍类药物是2型糖尿病一线治疗药物,广泛应用于临床。二甲双胍的降糖作用主要是通过减少肝脏葡萄糖产生[大部分作用是通过抑制糖异生(gluconeogenesis),另有小部分作用是抑制糖原分解(glycogenolysis)]以及增强胰岛素刺激下的外周组织(骨骼肌和脂肪组织)对葡萄糖的摄取[3-5],减少小肠葡萄糖的吸收[6]。由于二甲双胍并不刺激胰岛素分泌,不会出现低血糖的不良反应,甚至对于高胰岛素血症还具有降低血浆胰岛素的作用,因而它被称作“胰岛素增敏剂(insulin sensitizer)”[6]。

二甲双胍类药物应用于糖尿病治疗五十多年的循证医学证据表明,二甲双胍除了能够降低血糖,改善胰岛素抵抗之外,还具有心血管保护作用[7,8]。一项多中心大规模的临床前瞻性研究(UK prospective diabetes study,UKPDS 34)在随访了11年后发现,单独给予二甲双胍不但具有减少小血管病变的作用(与磺脲类药物及胰岛素治疗类似),还能显著降低大血管疾病的发生(包括心肌梗死)。单独给予二甲双胍治疗,与传统治疗组(控制饮食)相比,糖尿病相关结局事件发生率降低了32%(P=0.0023),糖尿病相关死亡率下降了42%(P=0.017),心肌梗死风险下降了39%(P=0.01),全死因风险下降了36%(P=0.011)。而降低大血管疾病发生风险,并不能归因于降血糖作用。这是因为在各治疗组(二甲双胍组,磺脲类药物组及胰岛素治疗组),糖化血红蛋白(HbA1c)均下降到相似水平。这就提示,二甲双胍具有心血管保护作用而不依赖于其降糖作用[7]。此后,众多研究者提出了二甲双胍保护心血管作用的多种假说。

二甲双胍药理作用的分子机制主要是经由单磷酸腺苷激活蛋白激酶(AMP activated kinase,AMPK)途径。尽管二甲双胍应用于临床已有几十年的时间,但直到2001年,才由Zhou等[9]发现其重要的药理分子机制是激活AMPK。他们在大鼠离体肝脏细胞和骨骼肌组织中,发现二甲双胍可以激活AMPK,使AMPK底物乙酰辅酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase,ACC)活性降低,增加脂肪酸氧化,抑制脂肪合成,促进骨骼肌的葡萄糖摄取,这些均与已知的AMPK激动剂5-aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleoside(AICAR)的用类似[10]。而使用AMPK抑制剂则可以抑制二甲双胍引起的肝脏细胞葡萄糖产生,提示这一作用需要AMPK的激活。

AMPK是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,它被称作细胞的能量感受器,可以打开产生能量ATP的代谢通路而关闭消耗能量的合成通路。AMPK是一个异源三聚体,包括α(α1,α2),β(β1,β2)和γ(γ1,γ2,γ3)亚单位[11]。心脏中AMPK复合物主要是α2,β2和γ2[12]。AMPK,顾名思义是AMP激活的激酶,正常情况下并不激活,当受到外界刺激,如低氧,氧化应激,高渗时,AMP/ATP比例增加,则会激活AMPK。AMPK激活后可使许多底物分子磷酸化,从而增加脂肪酸氧化和肌肉葡萄糖转运,促进葡萄糖酵解(产生ATP);抑制各种合成步骤(节约ATP):如抑制ACC活性抑制脂肪酸合成[13];通过雷帕霉素哺乳动物靶点(mammalian target of rapamycin,mTOR)通路来抑制蛋白合成[14]等等。

二甲双胍如何激活AMPK仍有争议。Fryer和Hawley等[15,16]发现二甲双胍并不能增加骨骼肌细胞和CHO细胞AMP/ATP比例,因此认为二甲双胍激活AMPK不依赖于AMP/ATP比例,但是后来Zhang等[17]发现,二甲双胍可以增加心肌胞浆内AMP,从而激活AMPK。最近一项研究表明,二甲双胍可以通过PKC磷酸化LKB1丝氨酸428位点,激活AMPK[18]。然而,无论是LKB1还是AMPK都不是二甲双胍的直接靶点[19]。最近,Zou等[20]提出二甲双胍可能是经由线粒体活性氮(reactive nitrogenspecies,RNS)激活AMPK。

二甲双胍药理作用的分子机制,除了激活AMPK途径,还有一些非AMPK途径。如破坏肝脏细胞线粒体呼吸链中complex I底物(谷氨酸盐glutamate)的氧化,抑制线粒体呼吸[21,22]。近来还有报道认为二甲双胍抑制心肌梗死面积的机制是抑制线粒体通透性转运孔(mitochondrialpermeability transition pore)的开放,其具体分子机制可能是经由Akt途径介导。Guigas等[23]发现在敲除了AMPK α1α2催化亚单位的小鼠肝脏细胞中,二甲双胍依然能抑制葡萄糖磷酸化和糖酵解,提示二甲双胍的作用不是经由AMPK途径,可能机制考虑为抑制细胞内ATP浓度。

目前对于二甲双胍的心血管保护作用机制研究,主要集中在心脏缺血性疾病,其机制主要有改善胰岛素抵抗、改善脂代谢、改善高凝状态和改善内皮功能等。我们课题组在《ActaPharmacologica Sinica(中国药理学报)》和《Cardiovascular Research》分别发表学术论文,报道了我们关于二甲双胍能显著改善心脏病理性心肌肥大和纤维化的研究结果[24,25]。

 病理性心脏肥厚是导致一系列严重心脏事件,如心律失常、心力衰竭和心脏猝死等的关键病理过程。高血压患者心脏后负荷增加是临床上引起心肌肥厚的重要原因。实验室常用主动脉缩窄手术的方法复制压力过负荷的心肌肥厚模型。我们采用小鼠主动脉缩窄手术(transaorticconstriction,TAC)制备压力负荷型心肌重塑模型。压力负荷引起心脏重塑的特点是:心肌细胞肥大,细胞外间质沉积增加,心脏成纤维细胞增殖。其结果是室壁顺应性下降,舒张功能异常,进而收缩功能进行性下降,最终导致心力衰竭。我们的实验观察到长期给予二甲双胍干预,能够显著抑制非糖尿病小鼠压力负荷模型的心肌肥厚和心肌纤维化。但是,二甲双胍不能抑制AMPKα2基因敲除小鼠TAC术后心肌肥厚,说明二甲双胍是通过激活AMPK发挥抗心肌肥厚作用的。我们进一步阐述了二甲双胍通过激活AMPK,进而抑制压力负荷引起的心肌mTOR和AKT的磷酸化,实现了对病理性心肌肥厚的抑制作用。我们还观察到二甲双胍不仅能够抑制心肌肥大,同时有明显的减轻心脏纤维化的作用。给予二甲双胍明显改善了TAC小鼠的心脏舒张功能和心肌组织的纤维化。二甲双胍可以抑制压力负荷引起的心肌TGFβ1产生增加,抑制TGFβ1引起的胶原合成增加。提示二甲双胍是通过抑制胶原合成途径抑制心脏纤维化。而用AMPK抑制剂compound C和表达AMPK显著负性突变体腺病毒两种手段,抑制心肌成纤维细胞的AMPK活性,均不能逆转二甲双胍抑制TGFβ1引起的胶原合成增加。提示二甲双胍经由AMPK非依赖的途径抑制TGFβ1引起的胶原合成。

TGF β 1 引起胶原合成的经典通路之一是Smad2/3,TGFβ1-Smad信号通路激活的关键步骤是Smad2/3磷酸化;转位入核;启动基因表达。二甲双胍对TGFβ1引起的Smad2磷酸化无影响,但可以抑制Smad3磷酸化和Smad3转录活性增加。综上所述,我们的研究首次发现了二甲双胍可以抑制压力负荷引起的心脏重塑(心肌细胞肥大,心脏纤维化)。提出了二甲双胍抑制心肌成纤维细胞胶原合成增加的分子机制是通过减少心肌TGFβ1含量;抑制TGFβ1引起的smad3磷酸化、核转位及其转录活性和抑制TGFβ1引起p38 MAPK磷酸化。这些发现为阐明二甲双胍的心血管保护机制提供了新的理论基础,也为寻找改善心脏纤维化的作用靶点提供了新的方向。总之,现有的研究结果表明二甲双胍除了降糖作用外,还具有不依赖于降糖效应的抑制心脏病理性重塑的重要药理作用。这些研究结果为二甲双胍的老药新用提供了科学依据,具有非常重要的意义。但是,实验研究仅仅为二甲双胍治疗非糖尿病性的心脏疾病提供了实验依据,要阐述二甲双胍的心脏保护作用药理机制还有许多研究工作要做。

参考文献

[1] Witters LA. The blooming of the French lilac[J]. J Clin Invest,2001, 108(8):1105-1107.

[2] Cusi K, DeFronzo RA. Metformin: a review of its metaboliceffects[J]. Diabetes Reviews, 1998, 6(2):89-131.

[3] Wiernsperger NF, Bailey CJ. The antihyperglycaemic effectof metformin: therapeutic and cellular mechanisms[J]. Drugs,

1999, 58(Suppl 1):31-39; discussion 75-82.

[4] Pe r r i e l lo G, Mi se r i cordi a P, Volpi E, e t a l . Acut eantihyperglycemic mechanisms of metformin in NIDDM.Evidence for suppression of lipid oxidation and hepatic glucoseproduction[J]. Diabetes, 1994, 43(7):920-928.

[5] Hundal RS, Krssak M, Dufour S, et al. Mechanism by whichmetformin reduces glucose production in type 2 diabetes[J].Diabetes, 2000, 49(12):2063-2069.

[6] Bailey CJ, Turner RC. Drug therapy-Metformin[J]. N Engl JMed, 1996, 334(9):574-579.

[7] Effect of intensive blood-glucose control with metformin oncomplications in overweight patients with type 2diabetes(UKPDS 34). UK Prospective Diabetes Study (UKPDS)Group[J]. Lancet, 1998, 352(9131):854-865.

[8] Abbasi F, Chu JW, McLaughlin T, et al. Effect of metformintreatment on multiple cardiovascular disease risk factors in patientswith type 2 diabetes mellitus[J]. Metabolism, 2004, 53(2):159-164.

[9] Zhou G, Myers R, Li Y, et al. Role of AMP-activated proteinkinase in mechanism of metformin action[J]. J Clin Invest,

2001, 108(8):1167-1174.

[10] Corton JM, Gillespie JG, Hawley SA, et al. 5-aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleoside. A specific method for

activating AMP-activated protein kinase in intact cells?[J]. EurJ Biochem, 1995, 229(2):558-565.

[11] Zou MH, Wu Y. AMP-activated protein kinase activation as astrategy for protecting vascular endothelial function[J]. Clin

Exp Pharmacol Physiol, 2008, 35(5-6):535-545.

[12] Arad M, Seidman CE, Seidman JG. AMP-activated proteinkinase in the heart - Role during health and disease[J]. Circul

Res, 2007, 100(4):474-488.

[13] Gao G, Widmer J, Stapleton D, et al. Catalytic subunits of theporcine and rat 5'-AMP-activated protein kinase are members

of the SNF1 protein kinase family[J]. Biochim Biophys Acta,1995, 1266(1):73-82.

[14] Kimura N, Tokunaga C, Dalal S, et al. A possible linkagebetween AMP-activated protein kinase (AMPK) andmammalian target of rapamycin (mTOR) signallingpathway[J]. Genes Cells, 2003, 8(1):65-79.

[15] Fryer LG, Parbu-Patel A, Carling D. The Anti-diabetic drugsrosiglitazone and metformin stimulate AMP-activated protein

kinase through distinct signaling pathways[J]. J Biol Chem,2002, 277(28):25226-25232.

[16] Hawley SA, Gadalla AE, Olsen GS, et al. The antidiabeticdrug metformin activates the AMP-activated protein kinase

cascade via an adenine nucleotide-independent mechanism[J].Diabetes, 2002, 51(8):2420-2425.

[17] Zhang L, He H, Balschi JA. Metformin and phenforminactivate AMP-activated protein kinase in the heart byincreasing cytosolic AMP concentration[J]. Am J Physiol HeartCirc Physiol, 2007, 293(1):H457-H466.

[18] Xie Z, Dong Y, Scholz R, et al. Phosphorylation of LKB1 atserine 428 by protein kinase C-zeta is required for metforminenhancedactivation of the AMP-activated protein kinase inendothelial cells[J]. Circulation, 2008, 117(7):952-962.

[19] Hardie DG. Neither LKB1 nor AMPK are the direct targets ofmetformin[J]. Gastroenterology, 2006, 131(3):973-973.

[20] Zou MH, Kirkpatrick SS, Davis BJ, et al. Activation of theAMP-activated protein kinase by the anti-diabetic drug

metformin in vivo. Role of mitochondrial reactive nitrogenspecies[J]. J Biol Chem, 2004, 279(42):43940-43951.

[21] El-Mir MY, Nogueira V, Fontaine E, et al. Dimethylbiguanide inhibitscell respiration via an indirect effect targeted on the respiratorychain complex I[J]. J Biol Chem, 2000, 275(1):223-228.

[22] Owen MR, Doran E, Halestrap AP. Evidence that metformin exerts itsanti-diabetic effects through inhibition of complex 1 of the mitochondrialrespiratory chain[J]. Biochem J, 2000, 348(Pt.3):607-614.

[23] Guigas B, Detaille D, Chauvin C, et al. Metformin inhibitsmitochondrial permeability transition and cell death: a

pharmacological in vitro study[J]. Biochem J, 2004, 382(pt.3):877-884.

[24] Fu YN, Xiao H, Ma XW, et al. Metformin attenuates pressureoverload-induced cardiac hypertrophy via AMPK activation[J].Acta Pharmacol Sin, 2011, 32(7):879-887.

[25] Xiao H, Ma X, Feng W, et al. Metformin attenuates cardiacfi brosis by inhibiting the TGFβ1-smad3 signalling pathway[J].

Cardiovasc Res, 2010, 87(3):504–513.


    2012/3/7 15:04:02     访问数:3595
    转载请注明:内容转载自365医学网

大家都在说       发表留言

2013/2/1 13:46:32
李汉东:除了降血糖,还能抑制心肌重塑,真是好药!值得进一步研究和探讨。
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