胰高血糖素样肽1对胰腺β细胞的作用及其机制

宋晓艳，何文俊 ，孙晓雅,，郝好杰 ，韩为东，母义明

1.解放军总医院 a.内分泌科；b.基础医学所分子生物室；北京 100853；

2.解放军总参谋部总医院 内分泌科，北京 100091

糖尿病已成为全球性的公共卫生问题，据估计，到2030年全球糖尿病患者将超过4.39亿[1]。糖尿病的特征是胰岛β细胞数目及功能的绝对和相对不足，治疗糖尿病的关键是恢复有胰岛素分泌功能的β细胞的数目及其功能。然而，目前的传统治疗手段并不能从根本上解决糖尿病患者β细胞数目及功能下降的问题，糖尿病患者随着病程进展最终均需长期胰岛素替代治疗，因而需要更有效的治疗方式，以恢复有功能的胰岛β细胞的数目及功能[2]。

胰高血糖素样肽1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）是由小肠和结肠内L细胞受到消化后食物刺激所分泌的一种肠促胰素。GLP-1能以葡萄糖依赖的模式刺激胰腺β细胞分泌胰岛素，同时还有刺激胃排空、抑制食物摄取、改善胰岛素敏感性、抑制胰高血糖素分泌、刺激胰岛素生物合成等作用。GLP-1还能通过促进β细胞增殖、再生并抑制其凋亡，对β细胞起保护作用。

在此，我们主要就目前GLP-1在糖尿病治疗中的作用，特别是对β细胞的作用及其机制进行讨论。

1 GLP-1概述

1902年，Bayliss和Starling首次发现了一种经食物刺激后肠道分泌并能促进胰液分泌的激素，即分泌素（secretin）。大约30年后，Zunz和La Barre从肠道内提取出一种可以刺激胰岛素分泌从而降低血糖的物质，命名为肠促胰素（incretin）。与静脉输注葡萄糖相比，口服葡萄糖能引起更加显著的胰岛素分泌反应，这被称为肠促胰素效应（incretin effect）。这种效应是肠道受到糖及其他营养物质刺激后产生肠促胰素所致[3-4]。

目前已知肠促胰素主要包括抑胃多肽（gastric inhibitor polypeptide，GIP）［又称葡萄糖依赖性促胰岛素分泌多肽（glucose dependent insulinotropic peptide，GIP）］和 GLP-1。GLP-1是胰高血糖素原（proglucagon）基因的编码产物之一。在不同组织中，胰高血糖素原在具有组织表达特异性的激素原转化酶（prohormone convertases，PC）作用下被剪切成不同的产物：在胰岛α细胞中，在激素原转化酶PC2的作用下，胰高血糖素原的主要翻译后处理产物是胰高血糖素（glucagon）；而在肠道L细胞中，则在激素原转化酶PC1/3的作用下，主要产物为GLP-1[5]。体内GLP-1呈双相分泌：进餐后10～15 min为早期分泌相，继以30～60 min的较长期二相分泌。GLP-1（7-37）多肽和 GLP-1（7-36）酰胺为活性GLP-1多肽形式，是由无活性的GLP-1（1-37）和GLP-1（1-36）酰胺经酶切去除N端6个氨基酸残基和C端酰胺化后转变而来的[6-7]。

GLP-1通过作用于细胞膜上的GLP-1受体（GLP-1R）起作用。GLP-1R为7次跨膜鸟苷酸蛋白偶联受体，广泛分布于胰腺β细胞、胰腺导管、肾、肺、心脏、皮肤、下丘脑、大脑皮质及免疫细胞中，这提示GLP-1在胰腺外亦发挥重要作用[8]。

GLP-1在体内半衰期极短（1.5～5 min），分泌后迅速被血液中的蛋白水解酶二肽基肽酶4（dipepti⁃dyl peptidase-4，DPP-4）降解失活。因此，基于GLP-1的糖尿病药物主要为长效GLP-1R激动剂和DPP4抑制剂。

2 GLP-1对胰岛β细胞的作用

2.1 GLP-1促进胰岛素分泌

静脉葡萄糖输注后正常的胰岛素呈双相分泌，第一相分泌迅速而短暂，第二相稍迟缓慢而持久[9]。早相分泌主要是由于β细胞内储存的胰岛素颗粒出胞所致，第二相分泌则是由于新合成的胰岛素释放所致。

1型糖尿病是因胰岛β细胞自身免疫性损伤引起胰岛素分泌绝对不足所致，而2型糖尿病则是因胰岛素抵抗引起胰岛素分泌相对不足所致。2型糖尿病末期，因β细胞数目明显下降，胰岛素分泌也几乎完全消失。2型糖尿病早期胰岛素分泌功能不足主要表现为早相分泌缺失而第二相分泌延迟并减少[10]。

GLP-1以葡萄糖依赖的模式刺激胰岛素分泌（glucose induced insulin secretion，GSIS）。GLP-1与GLP-1R结合后激活腺苷酸环化酶（adenylyl cy⁃clase，AC）并进而提高胰岛β细胞内cAMP的水平，继而通过激活蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）-磷脂酰肌醇-3-激酶（phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K）通路和直接被cAMP活化的交换蛋白2（cAMP-activated guanine nucleotide exchange fac⁃tors for Raslike GTPases 2，Epac2）通路，引发一系列细胞内事件，包括改变离子通道活性、提高细胞内钙离子浓度并促进胰岛素颗粒出胞，最终实现促进依赖葡萄糖浓度模式的胰岛素分泌[11-14]。

此外，GLP-1还可通过中枢（下丘脑等）及外周（迷走神经）神经系统间接刺激胰岛素分泌[15]。其机制尚未完全明确。

2.2 GLP-1促进胰岛素的合成

GLP-1可促进胰岛素原（proinsulin）的基因表达和合成，并维持其RNA稳定性[16]。

GLP-1通过cAMP-PKA依赖性及非依赖性信号通路及Ca2+信号通路参与了胰岛素基因的转录和胰岛素的合成。其中转录因子——活化T细胞的核因子（nuclear factor of activated T cells，NFAT）与胰腺十二指肠同源异形盒1（panereatic duodenumho⁃meobox-1，PDX1）发挥了重要作用[17-18]。

GLP-1还可通过表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）和 PI3K/PKB 通路使FOXO1发生磷酸化并促发其出细胞核，继而活化FOXA2使之结合于PDX1基因启动子，最终活化的PDX1结合于胰岛素启动子的cAMP位点，从而增加了胰岛素的转录与合成[19]。

此外，GLP-1还增加了β细胞上的葡萄糖感受器——葡萄糖转运蛋白-2（glucose transporter，GLUT-2）和葡萄糖激酶（glucokinase）的表达，从而增加了β细胞接受葡萄糖刺激后分泌胰岛素的敏感性[20-21]。

2.3 GLP-1对胰岛β细胞增生及凋亡的影响

尽管相对于啮齿类动物，正常人体胰岛β细胞复制率非常低，但在特定条件下，如怀孕、肥胖、新发的1型糖尿病及胃泌素瘤，可以发现β细胞的复制。这提示，研究β细胞在成体内的生长，有助于发现新的重建胰岛的治疗手段[22-23]。

β细胞数量的维持处于新生（neogenesis）［包括增生（proliferation）及分化（differentiation）］和凋亡（apoptosis）之间的动态平衡中。糖尿病患者中胰岛β细胞数目因凋亡大于新生而进行性下降。动物实验发现GLP-1可促进β细胞新生并抑制β细胞凋亡，从而有利于β细胞数目的维持[24]，但人体内尚未发现类似作用。

GLP-1与β细胞膜上的GLP-1R结合后，通过c-Src-EGFR-PI3K-PKC或PKB-FOXO1通路结合于PDX1启动子促进其表达，从而最终实现对β细胞的促进其增殖及新生的作用[25]。

此外，CREB介导的IRS2、胰岛素样生长因子1受 体（insulin-like growth factor-1 receptor，IGF1R）、周期蛋白 D、Epac1、Wnt/β-catenin/TCFL2等通路也参与了促进β细胞的新生[26-30]。

2型糖尿病中β细胞的损伤主要由于糖毒性和脂毒性，并最终使β细胞消亡。研究发现GLP-1可作用于离体人胰岛细胞，通过降低活性caspase3并增加Bcl2的表达而抑制β细胞的凋亡[31]。其中PI3K和PKB信号通路及FOXO1均参与了抗凋亡作用。

此外，GLP-1R激动剂通过直接调节内质网应激发挥维持β细胞生存的作用；还可通过mTOR/AMPK/p70S6信号通路作用于β细胞上对营养物质的感应信号，从而间接减少糖脂毒性对β细胞的损伤[32]。

另一方面，GLP-1对β细胞促增殖的作用引发了人们对其致癌及胰腺炎的担心，但目前这种作用存在较大争议，需要更大规模的随机临床试验以明确。

2.4 GLP-1对β细胞分化与新生的作用

正常人胰岛β细胞复制率极低，但在胰腺大部切除、β细胞损伤及妊娠、肥胖时出现自身复制增生。尽管谱系追踪技术发现新生的β细胞大多源于现存的β细胞复制，但在胰腺导管及胰岛内仍能发现胰腺多能干细胞。这说明除了β细胞复制外，新生β细胞还可能源于胰腺导管、胰腺泡细胞及α细胞的转分化（transdifferentiaiton）。体外研究发现GLP-1及exendin-4可通过PKC-MAPK通路作用于PDX1，从而促使胰腺腺泡细胞转分化为胰岛素分泌细胞[33]。

动物实验发现GLP-1治疗糖尿病大鼠后β细胞数目的增加远大于体积增加，提示GLP-1可引起β细胞新生。这一作用是通过促进PDX1的表达完成的[34]。

还发现GLP-1可通过hedgehog、cAMP、PI3K等通路促使人胚胎干细胞HUES1分化为胰岛素分泌细胞[35]。这种促分化作用使其在干细胞诱导分化移植及1型糖尿病胰腺移植方面有更多应用空间。

但目前为止在人类体内试验尚未发现GLP-1促进胰岛β细胞新生的证据。

2.5 胰岛内GLP-1的作用

正常情况下胰高血糖素原在肠道和大脑的L细胞中PC1/3作用下分解生成GLP-1，而在胰岛α细胞的PC2酶作用下分解生成胰高血糖素。但在新生大鼠及离体的α细胞系中发现，在高糖条件下，胰岛α细胞增生伴随PC1基因表达增多亦可生成GLP-1（这种α细胞被认为是一种不成熟的α细胞）[36-37]。这种胰岛内源性的GLP-1很可能促进了胰岛素分泌、β细胞增生及抑制其凋亡，其具体机制有待进一步研究。

近年来，GLP-1因其独特的生物学效应，成为一种新的糖尿病治疗手段。由于GLP-1半衰期短，临床应用主要为GLP-1R激动剂和DPP4抑制剂两大类。虽然其对β细胞的促再生等作用目前仍难以在人体内得到验证，但随着新的非创胰岛影像学研究手段的发展，将可能使人们进一步研究其功能。在应用GLP-1治疗的同时，还要注意观察其远期效应及可能带来的副作用，如急性胰腺炎及胰腺肿瘤等。

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