成纤维细胞生长因子21对糖尿病心血管疾病的保护作用

心血管疾病是2型糖尿病最常见的慢性并发症之一。与一般人群相比，2型糖尿病病人心血管疾病的发病率及死亡率均显著增高，且发病年龄更早、病变更严重、更广泛。因此，对于2型糖尿病病人而言，心血管并发症的防治意义重大。研究表明，成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factors，FGFs)可调节糖脂代谢，改善胰岛敏感性，增加能量消耗，还可保护血管内皮细胞、抗炎、抗氧化应激，在心血管疾病的发生、发展中发挥着重要作用。

1 FGFs概述

FGFs是一类与细胞增殖分化、血管形成、神经发育以及代谢稳态等一系列生理及病理过程密切相关的细胞因子[1]。目前共发现22个成员，其中人类的FGF19与小鼠FGF15同源。人类成纤维细胞生长因子家族根据作用机制的不同可分为胞分泌型、旁分泌型及内分泌型三大类，其中胞分泌型、旁分泌型FGFs与硫酸肝素糖胺聚糖有较高的亲和力，以其作为辅助受体结合并激活细胞表面的成纤维细胞生长因子受体(FGFRs)，进而发挥生物学作用[2]。而FGF19亚族，亦称为内分泌型FGFs，包括FGF19、FGF21、FGF23，它们因缺乏肝素结合位点，需要跨膜糖蛋白α-Klotho或β-Klotho作为辅因子与FGFRs结合，并分泌入血液循环参与代谢调节[3]。α-Klotho与β-Klotho具有相似的结构和特点，是由1 000个氨基酸组成的单通道跨膜蛋白。其中FGF21主要以β-Klotho作为辅因子[4]，与FGFR分布广泛不同的是，β-Klotho仅在几种代谢活跃的组织中高度表达，包括脂肪组织、肝脏、胰腺及下丘脑等，其分布特异性决定了FGF21的组织特异性。

FGFRs基因家族主要包括4个成员，即FGFR1、FGFR2、FGFR3、FGFR4，属于酪氨酸激酶受体家族，是由800个氨基酸构成的单通道跨膜蛋白，在多种组织中均有分布。FGFRs主要由胞外配体结合区、跨膜区以及胞内酪氨酸激酶区3部分组成，其中细胞外区包括3个免疫球蛋白样区域和一个肝素结合域。FGFR1、FGFR2、FGFR3基因分别编码了免疫球蛋白样结构域Ⅲ的两种剪接变异体(即b和c)，因此共有7种FGFRs蛋白，即FGFR 1b、1c、2b、2c、3b、3c和4。FGF21在脂肪组织和肝脏分别主要作用于FGFR1和FGFR4[5]。

2 FGF21概述

FGF21是目前唯一一种只有代谢效应没有促有丝分裂效应的成纤维细胞生长因子。FGF21可通过多种信号通路降低血糖，改善血脂谱，增加胰岛素敏感性，促进脂肪酸氧化，增加能量消耗等。与胰岛素不同的是，FGF21过量不会引起低血糖[6]。

血液循环中的FGF21主要由肝脏产生，脂肪组织、骨骼肌及胰腺等也可产生少量FGF21。越来越多的证据表明，PPARγ激动剂(噻唑烷二酮类药物)的降糖和胰岛素增敏作用以及PPARα激动剂(非诺贝特)的调脂作用部分是由FGF21所介导的，因此FGF21是PPARα和PPARγ的下游靶点。FGF21的氨基酸序列与小鼠FGF21有75%同源。人类血清FGF21的分泌有昼夜节律性，在正常情况下FGF21的浓度从午夜开始上升，05:00达到高峰，下午下降到最低点。

FGF21的碳端和氮端分别与β-Klotho及FGFRs结合，组成FGF21/β-Klotho/FGFRs复合体后才能发挥代谢调节作用，上述复合体形成后，FGFRs被激活并发生二聚化，诱导胞质内酪氨酸残基磷酸化，从而激活下游多种信号通路，如Akt、ERK1/2及AMPK等。

3 FGF21与心血管疾病

3.1 FGF21与动脉粥样硬化(AS) AS作为冠心病、脑卒中等心脑血管疾病发病的病理基础，是目前人类死亡率最高的疾病之一。糖尿病病人存在慢性高血糖的同时还常合并有血脂代谢紊乱、胰岛素抵抗、肥胖、高血压、炎性反应等，而这均是发生动脉粥样硬化性疾病的危险因素。有证据表明，FGF21可降低血清低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)水平和升高血清高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)水平，并显著减少动脉粥样硬化斑块的大小[7]。伍熙等[8]发现FGF21不仅能改善apoE-/-小鼠的血脂谱，还可使C反应蛋白(CRP)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等炎性指标的表达降低，延缓主动脉斑块进展。因此，FGF21不仅可以维持血脂代谢平衡，还可以减轻血管壁炎症反应，进而干预AS早期病变。此外，FGF21还可增强肝脏X受体α依赖的ABCA1和ABCG1介导的胆固醇外流从而发挥对抗动脉粥样硬化的作用[9]。Lin等[10]发现FGF21通过ERKl/2-PPARγ-LxRα通路使膜转运蛋白ABCA1表达上调，从而增加THP-1巨噬细胞来源的泡沫细胞中胆固醇流出，并使泡沫细胞形成减少，最终减轻或延缓AS。

血管内皮细胞损伤、通透性增高是AS形成过程中的主要推动作用。当氧化型低密度脂蛋白胆固醇(oxLDL-C)致心脏微血管内皮细胞损伤后，可诱导其分泌FGF21反应性增高；且当给予PPARα激动剂苯扎贝特后不仅使FGF21表达增加，还可抑制内皮细胞凋亡[11]，表明FGF21可通过保护血管内皮细胞，防止AS病变的发生与发展。此外，研究表明FGF21可增加超氧化物歧化酶水平，降低还原型谷胱甘肽和丙二醛水平发挥抗氧化应激作用[7，12]，并抑制apoE-/-小鼠内质网应激介导的细胞凋亡，从而预防AS[7]。

Lin等[13]研究发现，DKO(FGF21及apoE双缺陷)小鼠与apoE-/-小鼠相比，其血清脂联素及不同脂肪组织(包括附睾、皮下、肾周及血管周围的脂肪组织)中脂联素 mRNA的表达均显著减少；在给予重组小鼠FGF21(rmFGF21)16周后，DKO小鼠循环脂联素显著增加，且整个主动脉粥样硬化的面积显著减少，说明FGF21可通过诱导脂联素的表达及分泌来发挥抗AS的作用。此外分别用rmFGF21及脂联素处理DKO小鼠，发现rmFGF21可以明显降低DKO小鼠的血清胆固醇水平，且小鼠头臂动脉的胆固醇酯含量降低了56%，而脂联素干预组仅降低了22%；因此FGF21主要通过非脂联素依赖机制，即降低肝脏中固醇调节元件结合蛋白2(SREBP-2)的转录活性和表达，从而影响胆固醇的合成。

3.2 FGF21与心肌缺血再灌注损伤 心肌再灌注是目前急性心肌梗死最为有效的治疗手段。然而再灌注治疗在改善心肌供血的同时，还会导致心肌细胞坏死和凋亡，诱发无复流现象、再灌注心律失常等心脏不良事件，即心肌缺血再灌注损伤。缺血再灌注损伤的高危因素很多，目前已证实糖尿病病人对心肌缺血后再灌注造成的损伤更为敏感。长期高血糖导致的内皮细胞和单核细胞功能障碍，心肌细胞能量代谢障碍以及氧化应激加剧，均可加重心肌缺血后的再灌注损伤。与普通人相比，糖尿病病人在心肌缺血后接受再灌注治疗，更容易发生心力衰竭且心肌梗死面积更大。

研究显示，急性冠脉综合征(ACS)病人在心肌缺血时FGF21水平降低，再灌注后升高，提示FGF21与心肌缺血再灌注损伤相关[14]。C57BL/6J小鼠心肌缺血时肝脏和脂肪细胞的FGF21表达上调并分泌到血液循环中。在心肌细胞形成FGF21/FGFR1/β-klotho复合体后激活其下游激酶和蛋白PI3K-Akt1-BAD，从而减少心肌缺血诱导的细胞凋亡，这是通过抑制Caspase-3的激活实现的。研究发现与野生小鼠相比，FGF21转基因小鼠的心肌缺血面积明显减小[15]。

心肌缺血再灌注后可影响心肌能量代谢，而FGF21以剂量依赖的方式促进能量供应，并通过AKT-GSK3β途径抑制炎症反应和细胞凋亡从而保护H9c2心肌细胞缺血再灌注损伤[16]。Schaap等[17]证实，心肌缺血损伤后会激活心肌细胞的内质网应激，转录激活因子4(ATF4)表达增加，有利于细胞存活。而ATF4被证实能促进FGF21的表达。此外Patel等[18]发现对大鼠心脏离体灌注模型进行全心缺血处理前给予注射重组大鼠FGF21可激活MAPK-PI3K-Akt通路减少心肌坏死，改善心功能进而对心肌缺血再灌注损伤发挥保护作用；且在缺血处理后心源性FGF21也表达上调，以旁分泌/自分泌的形式发挥作用。

3.3 FGF21与心肌肥厚 心肌肥厚是对多种因素引起的心肌组织超负荷的一种适应性改变。高血压病作为最常见的心血管疾病之一，常引起心肌肥厚、心室重塑，最终导致心脏功能减退。而高血压病病人常并发2型糖尿病，其可加重上述病理状态。研究表明，用异丙肾上腺素(ISO)诱导的心肌肥厚模型中，与野生型小鼠相比，FGF21-/-小鼠心脏重量相对增加，抗氧化基因(如Ucp3、Prdx5、Cat)表达减少，且Caspase-3/ 7活性增强，炎性因子TNF-α等表达增加；同样当腹腔注射LPS后FGF21-/-小鼠Ucp3、Prdx5表达亦降低。当给予重组FGF21治疗后，上述现象发生扭转，炎症反应及氧化应激均反应减轻，这主要是通过激活MAPK途径来实现的[19]。FGF21还可通过诱导多种抗氧化基因(如解耦连蛋白2和3、超氧化物歧化酶2等)的表达以及抑制活性氧的形成来抑制心肌肥厚[20]。此外，心肌细胞可通过激活Sirt-PPARα通路，从而以自分泌的方式产生FGF21，发挥对抗心肌肥厚、减轻炎性反应等作用[19]。

3.4 FGF21与糖尿病心肌病(DCM) 糖尿病心肌病(DCM)是由糖尿病引起的一种特异性心肌病，慢性高血糖导致活性氧过度分泌，进而对心肌细胞产生有害影响，导致线粒体功能紊乱、心肌细胞凋亡、继发性肥大和纤维化，最终引起心脏功能障碍。许多研究表明，DCM与氧化应激和线粒体功能障碍有关。FGF21基因敲除可导致Nrf2驱动的CD36表达上调，心肌细胞脂质摄取增加，进而影响心肌能量代谢，加重心脏氧化应激，最终加速DCM的发展[21]。在STZ/HFD诱导的糖尿病小鼠中，腺相关病毒(AAV)介导的FGF21的过度表达可以显著增强心肌AMPK活性、paraoxonase 1(PON1)的表达及其生物活性，从而缓解DCM。在培养的心肌细胞中，给予rmFGF21可激活AMPK-PON1轴从而抵消高糖诱导的氧化应激、线粒体功能障碍和炎症反应等[22]。

4 结 语

FGF21作为一种新型的内分泌细胞因子，除了具有调节糖脂代谢的功能，它还可通过抑制心肌细胞凋亡、抗炎、减轻病理性心肌重构、减轻氧化应激以及改善心肌能量供应等多种作用，预防甚至逆转各种心脏疾病，从而减缓心脏病发展。因此，FGF21可作为各种心血管疾病的潜在生物学标志物，可能是未来代谢紊乱和冠心病的潜在治疗靶点。