胰高血糖素样肽1 (GLP-1)对心血管疾病治疗的研究进展

蒋摇静(综述) 李俊峰 任丽伟 王庆华,3(审校)

(1复旦大学附属华山医院内分泌与代谢病科 上海 200040; 2武汉大学人民医院内分泌科 武汉 430060;3加拿大圣米高医院内分泌与代谢病科 多伦多 M5B 1W8)

胰高血糖素样肽1(glucagon-like peptide 1,GLP-1)作为一种肠道L细胞分泌的肽类激素[1],目前已广泛应用于2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)的治疗。心血管疾病是T2DM的常见并发症和首要死因[2]。最近研究发现,GLP-1不仅可以调节胰岛素和胰高血糖素分泌、改善β细胞功能和维持β细胞量、减轻体重,并且可直接或间接的发挥心血管保护作用[3-4],因此将GLP-1应用于心血管疾病的治疗已成为近年来研究的热点。本文就GLP-1的心血管保护作用及其生理学新进展作一综述,探讨GLP-1应用于心血管疾病的治疗的新策略。

GLP-1及其受体GLP-1是肠道L细胞合成和分泌的由30个氨基酸组成的肽类激素[1],其在体内有两种生物活性形式,分别为GLP-1(7-37)和GLP-1(7-36a),7-36a为7-37的酰胺化产物。GLP-1约80%的生物活性来自7-36a。7-36a在体内的半衰期很短(1～2 min),被二肽基肽酶4(diaminopeptidyl peptidase-4,DPP4)快速降解为GLP-1(9-36a)[5-6],因此9-36a是GLP-1在循环中的主要形式[7]。GLP-1通过与其特异性受体结合发挥作用,GLP-1受体(GLP-1R)属于B族G蛋白偶联受体,主要在胰岛β细胞中表达,此外在心肌细胞、内皮细胞及血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cells,VSMCs)中也有表达[1,8-9]。在人或动物的心血管系统中,GLP-1R主要表达于心房心肌细胞[8,10-12]。临床前及临床研究表明,GLP-1通过结合并激活GLP-1R,增加静息心率及左心室射血分数、增加心肌葡萄糖摄取、舒张血管、减少缺血性损伤等[5,13-15]发挥心血管保护作用。由于GLP-1的心血管作用以往被认为全部由GLP-1R所介导[4],而9-36a缺乏促胰岛素分泌作用且对GLP-1R亲和力低,因此一直被视为无活性的GLP-1衍生物[16]。但进一步研究发现,在缺血再灌注损伤的野生型及GLP-1R敲除(GLP-1R-/-)小鼠的离体心脏模型中,7-36a和9-36a均具有心血管保护效应;其中7-36a的心血管保护效应,尤其是血管舒张作用可被DPP4抑制剂显著削弱,提示7-36a及9-36a分别通过GLP-1R依赖及非依赖途径作用于心血管系统[17]。

GLP-1信号通路GLP-1的降糖作用以及对胰岛β细胞的作用机制已被广泛研究。GLP-1通过与GLP-1R结合,促进β细胞增殖和再生[18-19]。然而,GLP-1对心血管系统的作用机制尚未明确。GLP-1对多种心血管细胞均有保护作用。GLP-1可以激活正常及糖尿病小鼠心肌细胞的促存活信号通路,改善其心脏功能并且提高心肌梗死后的存活率[20]。GLP-1R激动剂利拉鲁肽促进心肌保护基因的表达及活性,包括Akt、GSK3β、核受体PPARβ/δ以及核转录因子Nrf2[21]。研究发现9-36a和GLP-1R激动剂艾塞那肽均可预防新生小鼠的心肌缺血再灌注损伤,通过ERK1/2和Akt的磷酸化水平,抑制乳酸脱氢酶释放和caspase-3激活,改善心肌细胞活性[22-23]。两者的心肌保护作用均可被GLP-1R拮抗剂exendin (9-39)所减弱[23]。与艾塞那肽不同,9-36a对GLP-1R-/-心肌细胞仍有保护作用,提示9-36a的作用方式有别于经典GLP-1R途径[21,23]。

GLP-1在内皮细胞中的作用研究表明,GLP-1通过GLP-1R依赖和非依赖途径促进内皮细胞增殖[24-25]。GLP-1R激动剂利拉鲁肽及9-36a均可促进人脐静脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cells,HUVECs)中内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)的磷酸化,增加NO释放,并抑制NF-кB活化[26-27]。此外,艾塞那肽、 7-36a和9-36a在人冠状动脉内皮细胞(human coronary artery endothelial cells,HCAECs)中发挥类似的促内皮细胞增殖作用,进一步证实了上述观点[25]。其中艾塞那肽及7-36a还可以抑制HCAECs的脂性凋亡(lipoapoptosis),该效应可被PKA、PI3K/Akt、eNOs及GLP-1R的拮抗剂抑制[25]。但9-36a对HCAECs的脂性凋亡并无作用,提示GLP-1通过GLP-1R依赖途径发挥抑制内皮细胞脂性凋亡的作用[25]。

GLP-1在血管平滑肌细胞中的作用与GLP-1抑制内皮细胞凋亡不同,GLP-1可促进VSMCs的凋亡,从而抑制动脉粥样硬化的发生及发展[28]。在予艾塞那肽治疗血管内膜损伤的SD大鼠及C57BL/6小鼠4周后,结果均显示艾塞那肽可以选择性抑制VSMCs增殖并促进其凋亡[29]。氧化低密度脂蛋白(oxidized low-density lipoprotein,ox-LDL)是动脉粥样硬化形成过程中的关键分子[28]。利拉鲁肽可以减少ox-LDL诱导的人主动脉VSMCs的线粒体活性氧(reactive oxygen species,ROS)生成,该作用可能与血凝素样氧化低密度脂蛋白受体1(ectin-like oxidized low-density lipoprotein scavenger receptor-1,LOX-1)有关[28]。GLP-1对VSMCs的促凋亡作用可以被GLP-1R拮抗剂exendin(9-39)所抑制,提示该作用是由GLP-1R依赖途径介导的。

GLP-1(7-36a)的心血管作用7-36a可以保持体外心肌细胞和内皮细胞的活性,增加野生型小鼠离体心脏的左心室收缩压,缩小心肌的梗死面积并且改善缺血再灌注损伤后的心功能[14,30-32]。临床研究发现,对需要经皮冠状动脉介入治疗的心肌缺血患者,输注7-36a可以预防和改善缺血状态下心肌的收缩和舒张功能障碍,减少再灌注损伤,促进心肌功能恢复[33]。此外,7-36a输注能够改善非糖尿病受试者及T2DM患者的内皮细胞功能[34-35]。健康年轻男性在输注7-36a后骨骼肌的新生毛细血管增加,而葡萄糖摄取并不增加,同时给予奥曲肽(抑制GLP-1的促胰岛素分泌作用)时该作用并未被减弱,进一步支持了GLP-1的心血管效应不依赖于血胰岛素水平的改变[36]。此外,GLP-1治疗可以逆转高脂饮食诱导的早期胰岛素抵抗,提升胰岛素的作用,如促毛细血管新生和骨骼肌细胞的葡萄糖摄取[37]。

GLP-1对心血管系统的直接和间接作用研究显示,T2DM伴肥胖的患者经GLP-1R激动剂利拉鲁肽治疗后,胰岛素分泌增加,糖脂代谢改善,内脏脂肪含量及体重下降,以上作用说明GLP-1可以间接影响心血管疾病的发生和发展[38]。此外,GLP-1还具有缓解炎症及抗动脉粥样硬化的作用。利拉鲁肽可以激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK),从而抑制NF-кB信号及炎症反应[26]。此外有研究显示,GLP-1R激动剂艾塞那肽可通过激活cAMP/PKA途径减少载脂蛋白E基因敲除(Apo E-/-)小鼠动脉管壁中单核/巨噬细胞的堆积[39]。同时,艾塞那肽可以抑制C57BL/6小鼠的平滑肌细胞增殖以及损伤后的新生血管内膜生成,从而减轻动脉粥样硬化,此作用不依赖于葡萄糖代谢的改变,因此预测GLP-1可以预防动脉粥样硬化及支架术后再狭窄[29,39-40]。

GLP-1(9-36a)的心血管作用9-36a由7-36a经DPP4快速降解产生,是GLP-1在体循环中的主要形式[7]。9-36a由于缺乏促胰岛素分泌作用且对已知的GLP-1R亲和力低,之前一直被视为无活性的GLP-1衍生物[16]。然而,越来越多的证据显示9-36a对心血管系统也有重要作用。9-36a具有类胰岛素效应,可以显著改善GLP-1R-/-小鼠左心室舒张末期压力及缺血再灌注损伤后的心脏功能,提示9-36a通过GLP-1R非依赖途径发挥作用[41]。C57BL/6小鼠冠状动脉左前降支永久性结扎后,持续4周输注9-36a,心室舒张功能障碍明显改善,心脏促炎症因子表达及巨噬细胞浸润减少[42]。值得注意的是,正常大鼠在长期持续注射7-36a后,局部血流动力学得到明显改善,而注射9-36a后却未显示同样的心血管获益[43];但在高脂喂养的肥胖型小鼠中,注射9-36a可以有效减轻肥胖型小鼠体重,缓解胰岛素抵抗[44]。临床试验中也观察到相似现象,即9-36a抑制肥胖及胰岛素抵抗患者的肝糖生成,但对健康受试者无此作用[45]。与9-36a相反,7-36a对肥胖和T2DM患者的作用较健康受试者减弱[46]。根据上述实验结果,我们推测9-36a更适用于治疗伴胰岛素抵抗相关疾病(如肥胖、T2DM及代谢综合征)的心血管疾病患者[17,47]。

研究显示,7-36a及9-36a均可导致GLP-1R-/-小鼠的动脉血管舒张,而GLP-1R激动剂艾塞那肽则无此作用,这提示GLP-1的血管舒张效应是通过9-36a及GLP-1R非依赖途径实现的[17]。经NOS抑制剂L-NNA预处理后,GLP-1的血管舒张作用会被完全抵消,提示GLP-1的作用与NOS依赖的cGMP形成有关[17]。在HUVECs模型中,9-36a通过促进NO释放,增加eNOS活性及表达而发挥作用,此作用不依赖于胰岛素浓度改变[27,36]。

此外,9-36a同样具有抗动脉粥样硬化作用[48]。在高脂喂养的Apo E-/-小鼠模型中,通过腺病毒转染过表达7-36a及9-36a均可减少巨噬细胞在动脉管壁的堆积以及基质金属蛋白酶-9(matrix metalloproteinase-9,MMP-9)的表达,降低斑块内炎症反应,增加斑块稳定性[49]。GLP-1R激动剂(如利拉鲁肽、艾塞那肽)、DPP4抑制剂(如西格列汀)和天然GLP-1及其代谢物均有类似作用,表明GLP-1的抗动脉粥样硬化作用同时与GLP-1R依赖及非依赖两种途径相关。另外,7-36a与9-36a均有细胞保护作用,表现为拮抗高脂或高糖诱导的心肌细胞凋亡/坏死,同时具有抗增生和抗纤维化作用[50]。

GLP-1治疗的策略GLP-1相关药物的研发策略,无论是已被批准的还是尚处于临床试验阶段的,均从免受DPP4降解的角度着手[21]。临床使用的GLP-1制剂主要分两类:一类是DPP4抑制剂,如西格列汀、维格列汀及沙格列汀等,可以一定程度上升高内源性GLP-1水平;另一类是耐DPP4的GLP-1R激动剂,如利拉鲁肽及艾塞那肽等[51]。

DPP4抑制剂研究显示,DPP4抑制剂治疗糖尿病小鼠后发生心肌纤维化和心脏功能障碍[52]。然而,多数临床前期研究表明DPP4抑制剂可发挥心脏保护作用,通过增加内源性DPP4底物,使内皮祖细胞聚集于心血管受损处,改善心脏功能及小鼠心肌梗死后的结局[31,53-54]。在Apo E-/-小鼠模型中,DPP4抑制剂西格列汀可以缓解动脉粥样硬化,减少斑块的巨噬细胞浸润以及MMP-9表达,增加斑块稳定性[48]。然而,目前的临床试验中尚未能观察到DPP4抑制剂的心血管获益。

GLP-1R激动剂临床试验显示,GLP-1R激动剂利拉鲁肽及索马鲁肽均可减少T2DM患者的心血管事件[55-56];而DPP4抑制剂如沙格列汀、西格列汀、阿格列汀尚未观测到心血管获益[57-59]。此外,T2DM患者在长期使用GLP-1R激动剂后,血压下降,但长期服用DPP4抑制剂后血压下降不显著甚至无改变[60-61]。由此,GLP-1R激动剂较DPP4抑制剂显示出更多的心血管获益、更强的降糖减重疗效。究其原因,一方面可能与前者药理学疗效更强有关,研究显示GLP-1R激动剂的临床剂量可以提升内源性7-36a浓度近10倍,而DPP4抑制剂只有2～4倍的提升作用[62-63]。另一方面,不排除两类药物间疗效的差异部分源于DPP4抑制剂导致的9-36a生成减少。

结语GLP-1具有多种作用,包括促胰岛素分泌及类胰岛素作用。天然GLP-1 (7-36a)及其代谢产物9-36a具有部分重叠但明显区别的心血管保护作用。7-36a通过GLP-1R依赖途径发挥心血管效应,主要是促进心肌细胞的葡萄糖摄取;9-36a则通过GLP-1R非依赖途径发挥心血管效应,主要是舒张血管、保护心肌细胞免受缺血再灌注损伤、改善心脏功能等,或可作为治疗心血管疾病合并胰岛素抵抗相关疾病的理想药物。此外,7-36a和9-36a还具有间接心血管效应,如改善糖脂代谢、肥胖及胰岛素抵抗,从而改善心血管疾病的预后。目前的GLP-1治疗有两种策略:耐DPP4的GLP-1R激动剂和DPP4抑制剂,但二者均未充分利用9-36a的心血管效应。理想的GLP-1治疗策略是兼具7-36a和9-36a的优势,使患者更多的心血管获益和代谢改善。全人源结构的GLP-1类似物不仅能改善糖尿病,还能使心血管获益。这些天然GLP-1类似物包括已经在临床中使用的短效制剂贝那鲁肽[64-65]和在临床研究阶段的长效制剂苏帕鲁肽[66-67],相关的临床研究结果将验证这一假说。