钠-葡萄糖协同转运蛋白功能与作用研究进展

洪庆霞，梅文柳，刘文雅，贺岩，吴成军*，孙铁民*（沈阳药科大学基于靶点的药物设计与研究教育部重点实验室制药工程学院，沈阳 006；.北部战区总医院药剂科，沈阳 0840）

糖尿病是一种常见的内分泌紊乱的代谢性疾病[1]，目前已成为威胁人类健康的三大慢性非传染性疾病之一。据估计，到2035年，全球发病率可达10.1%，而中国患病人群已超过9240 万，约占全球糖尿病患者的1/4[2]。糖尿病是一种以高血糖为特征的代谢性疾病，长期存在的高血糖状态，导致各种组织（特别是眼、肾、心脏、血管、神经）出现慢性损害以及功能障碍[3]。

糖尿病主要分为1型糖尿病和2型糖尿病（见图1），1 型糖尿病是一种因胰岛β细胞被破坏而导致胰岛素缺乏，具有酮症倾向的糖尿病。目前认为病因是在遗传易感性的基础上，外界环境因素（可能包括病毒感染）引发机体自身免疫功能紊乱，导致胰岛β细胞损伤和破坏，胰岛素分泌不足，从而引发1 型糖尿病。自身免疫系统缺陷、遗传因素、病毒感染等可能是诱因。与1 型糖尿病一样，2 型糖尿病有较为明显的家族史。2型糖尿病患者体内产生胰岛素的能力并非完全丧失，有的患者体内胰岛素甚至产生过多，但胰岛素的作用效果较差，因此胰岛素是一种相对缺乏的状态。流行病学研究表明，肥胖、高热量饮食、体力活动不足以及年龄增长是引发2 型糖尿病最主要的因素，高血压、血脂异常等因素也会增加患病风险[4-5]。

糖尿病的病因是多方面的（见图2），治疗药物品种繁多，针对不同靶点发挥作用，如双胍类、磺脲类或胰岛素主要降低空腹血糖，其他药物如α-葡萄糖苷酶抑制剂、格列奈类主要是降低餐后血糖水平，但其余抗糖尿病药物如噻唑烷二酮类、二肽基肽酶-4 抑制剂可以同时发挥这两种功能[6-9]。目前，钠-葡萄糖共转运体（SGLT）抑制剂已被确定为治疗糖尿病的新型药物，可通过尿液促进葡萄糖的排泄，从而减少肾元内葡萄糖的再吸收。SGLT 抑制剂的作用机制不涉及胰岛素，因此可以用于任何阶段糖尿病的治疗。SGLT 抑制剂也被发现在胰岛素抵抗和胰岛β细胞功能障碍中发挥重要疗效，为糖尿病治疗提供了一种特殊的选择方向[10]。

图2 引发高血糖的原因Fig 2 Causes of hyperglycemia

1 钠-葡萄糖协同转运蛋白的结构与功能

钠-葡萄糖协同转运蛋白（SGLTs）属于膜蛋白家族，它可以促进葡萄糖、氨基酸、维生素等化合物以及各种离子通过近曲小管和肠上皮转运。高血糖情况下，SGLTs 呈饱和状态，大量葡萄糖随尿液排出[11]。SGLT 蛋白家族已扩展到12 个：SGLT1～SGLT6 以及6 个SLC5A 蛋白。其中，SGLT1 和SGLT2 在糖尿病治疗中起主导作用（见表1）[12]。

在整个进化过程中，SGLT1 高度保守，已经在细菌、酵母、无脊椎动物和脊椎动物中发现了超过55 个SGLT1 成员[13]。SGLT1 转运蛋白由SLC5A1基因编码，是高亲和力、低转运力的转运蛋白，主要分布于小肠、心肌细胞、肾近端小管远端S2 和S3 段，以相似的亲和力转运葡萄糖和半乳糖，以2∶1 的比例运输钠和葡萄糖。SGLT1基因缺陷可引起葡萄糖-半乳糖吸收障碍综合征，导致可能危及生命的腹泻和脱水，这类患者很少或没有尿糖排出[14]。

SGLT2基因位于人第13 号染色体p11.2 区，由SLC5A2基因编码，主要表达于肾皮质，在大脑和肝脏中也有低水平表达。SGLT2 是肾近端小管中主要的葡萄糖转运体，对葡萄糖的选择性高于半乳糖，以1∶1 的比例运输钠和葡萄糖[15]。SGLT2基因突变会引发家族性肾性糖尿，这类患者每日从尿中排出的葡萄糖常大于100 g，有的高达160 g，此类人群大多数除了尿液中葡萄糖排泄量增加外没有其他异常（见表1）[16-17]。

SGLT3 由SLC5A4基因编码，该蛋白质主要存在于骨骼肌、小肠、肾脏和胆碱能神经元中。人SGLT3 是一种基本的葡萄糖门控离子通道，它不具有葡萄糖转运活性，一般不作为钠-葡萄糖的转运体，可能在肠神经系统中发挥葡萄糖传感器的作用[18]。相比于葡萄糖，SGLT4 对甘露糖表现出更高的亲和力，并可能发挥甘露糖转运体作用[19]。SGLT5 在肾皮质中高表达，相比于葡萄糖，对甘露糖具有更高的亲和力[20]。SGLT6，也被称为SMIT2，运输肌醇而不运输葡萄糖[21]。

2 肾脏对葡萄糖的处理

肾脏每日过滤约180 L 的血浆，在正常糖耐量个体中，每日的平均血糖浓度为100 mg·dL－1，约180 g 的葡萄糖被过滤[12]。葡萄糖在肾小管里的重吸收由葡萄糖转运蛋白（GLUTs）和SGLTs完成。GLUTs 以易化扩散的方式转运葡萄糖，而SGLTs 则以主动运输的方式转运葡萄糖（见图3）。在正常的葡萄糖耐受性受试者中，几乎所有的葡萄糖都在近端小管中被重新吸收，最终没有葡萄糖通过尿液排出[22]。

图3 肾脏对葡萄糖的重吸收Fig 3 Glucose reabsorption by the kidney

SGLT2 位于肾近端小管S1 段，负责80%～90%的过滤后葡萄糖的重吸收。SGLT1 位于近端小管（S2/S3 段）的更远端，负责重新吸收剩余的10%～20%的过滤后葡萄糖（见图4）[12，23]。SGLT1 结合1 mol 的葡萄糖，2 mol 的Na＋，形成Na＋-载体-葡萄糖复合物，顺Na＋的浓度梯度进入细胞后，SGLT1 的构象还原到原始状态，重新暴露其表面结合位点，以便再次与葡萄糖结合。Na＋不断被细胞侧基底膜的Na＋/K＋-ATP 泵泵出，维持细胞内Na＋浓度与胞外浓度的差值，这种电位差产生的能量使葡萄糖逆浓度被转运到细胞内。细胞内的葡萄糖由位于侧基底膜的载体GLUT1，经易化扩散进入到组织间隙液。SGLT2则是结合1 mol 的葡萄糖，1 mol 的Na＋，形成Na＋-载体-葡萄糖复合物，进入到细胞中[24]。

图4 肾脏的解剖结构Fig 4 Anatomical structure of the kidney

近端小管的最大葡萄糖运输能力（Tm）在个体之间存在差异，平均值约为375 mg·min－1。在非糖尿病受试者中，过滤后的葡萄糖负荷小于375 mg·min－1，所有过滤后的葡萄糖都被重新吸收并返回循环。在2 型糖尿病受试者中，过滤后的葡萄糖负荷可能超过Tm，所有超过Tm的葡萄糖都被从尿中排泄出来[24]。

有研究显示，高血糖动物和人类的肾近端小管细胞中，SGLT2 的基因与蛋白表达增加，并显示出葡萄糖运输量的增加[25-26]。Farber 等[27]的研究结果显示，纠正高血糖导致了葡萄糖的Tm降低和尿糖的出现，提示慢性高血糖症会导致肾脏中葡萄糖的Tm升高。

正常葡萄糖耐受性受试者对葡萄糖的Tm远远高于过滤后的葡萄糖负荷，这有利于为大脑保存关键的能量来源。然而，在糖尿病患者中，这种适应机制产生了负面影响，肾脏对葡萄糖的Tm升高，从而减少了尿糖，加剧了高血糖[28]。基于这些病理生理学的考虑，发展肾脏SGLT 转运蛋白抑制剂为糖尿病患者的治疗提供了一种合理且新颖的方法。但是要注意避免抑制SGLT1 转运蛋白（它存在于肠道和肾脏中），否则会导致葡萄糖吸收不良和腹泻[29]。

3 治疗糖尿病

3.1 抑制肾小管重吸收，降低糖化血红蛋白

糖化血红蛋白是血液中的葡萄糖与红细胞内的血红蛋白非酶糖基化产物，是代表过去2～3个月平均血糖水平的指标，其受贫血、血红蛋白疾病以及平均血糖水平的影响[30]，正常值是4%～6%，当糖化血红蛋白大于6.5%时就可能诊断为糖尿病，通过增高的糖化血红蛋白，可以大概估算平均血糖水平[31]。英国有前瞻性糖尿病控制以及并发症试验表明，糖化血红蛋白每降低1%，微血管并发症的风险就降低37%[32-33]。SGLT 抑制剂作用于肾近曲小管，抑制SGLT 转运蛋白，可减少肾脏对葡萄糖的重吸收，增加尿糖排泄（见图5），从而降低患者的血糖水平，显著降低糖尿病患者的糖化血红蛋白，且葡萄糖在肠黏膜的转运主要是通过SGLT1 来完成的，所以即使是对伴有肾脏病变的患者仍然有明显的降糖作用，但可能导致葡萄糖吸收不良和腹泻等肠道不良反应的发生[34]。

图5 钠-葡萄糖共转运抑制剂作用机制Fig 5 Mechanism of sodium-glucose cotransport inhibitor

3.2 改善胰岛素抵抗，提高胰岛素敏感性

慢性高血糖可引起胰岛素抵抗，抑制胰岛素分泌，即糖毒性[35]。营养过度导致肌肉以及肝脏脂肪组织肥大、增生和三酰甘油异位沉积，这是胰岛素抵抗的关键特征。在切除部分胰腺（90%）的糖尿病大鼠模型中，慢性高血糖导致骨骼肌和肝脏出现严重的胰岛素抵抗，可抑制GLUT4 易位和内在活性。采用SGLT 抑制剂根皮苷治疗的大鼠骨骼肌中，GLUT4 含量增加，胰岛素诱导的GLUT4 转位到质膜得到纠正[36-37]。在肝脏中，SGLT 抑制剂治疗增加了胰岛素受体、胰岛素受体底物-1 和胰岛素受体底物-2 酪氨酸磷酸化，增强了磷脂酰肌醇-3 激酶活性，改善了胰岛素抵抗[38]。胰岛素敏感性的提高与降低葡萄糖氧化和增加脂质氧化有关。由于增加的肌内脂肪在骨骼肌胰岛素抵抗中起主要作用，研究人员推测，抑制SGLT 后增加的脂肪氧化降低了肌内脂肪含量，有助于提高胰岛素敏感性[39]。提示SGLT 抑制剂可以通过纠正高血糖改善肌肉和肝脏胰岛素抵抗来提高胰岛素敏感性。

3.3 恢复胰岛β 细胞功能

研究发现，糖毒性在胰岛β细胞功能障碍的发展中有着重要影响，使用SGLT 抑制剂能降低血糖浓度，同时也能改善糖尿病患者的β细胞功能[40]。糖尿病患者较高的血糖水平会抑制胰岛β细胞分泌胰岛素并降低外周组织对胰岛素的敏感性，从而加重胰岛素抵抗。为使血糖水平恢复正常，胰岛β细胞需超负荷分泌更多胰岛素，这无疑进一步加速了胰岛β细胞功能的衰竭。SGLT 抑制剂通过降低血糖水平可打断胰岛β细胞功能衰竭的恶性循环，从而在一定程度上恢复胰岛β细胞功能[41-42]。

3.4 降低糖异生

糖尿病患者的血浆游离脂肪酸水平升高，刺激肝脏产生葡萄糖并引起肝脏胰岛素抵抗，即糖异生[43]。慢性高血糖也可通过刺激葡萄糖-6-磷酸酶，或者增强肌肉对葡萄糖的摄取，来增强糖异生。糖尿病患者葡萄糖氧化和糖原合成明显受损，增强了葡萄糖酵解，释放大量乳酸回到肝脏刺激肝脏产生葡萄醣。SGLT 抑制剂可降低血糖和游离脂肪酸浓度，降低葡萄糖-6-磷酸酶含量，减少肌肉和脂肪细胞中乳酸的产生，减少肝脏中用于糖异生的乳酸，抑制糖异生，从而纠正高血糖[44-46]。

3.5 促进胰高血糖素样肽-1 分泌

SGLT1 负责吸收摄入的葡萄糖，抑制肠道内SGLT1 可改善餐后血糖浓度升高。抑制肠道葡萄糖重吸收将导致更多的葡萄糖到达L 细胞所在的远端肠，刺激胰高血糖素样肽1（GLP-1）的分泌[47-48]。GLP-1 具有保护β细胞的作用，其可促进胰岛素基因的转录、胰岛素的合成和分泌，并可刺激胰岛β细胞的增殖和分化，抑制胰岛β细胞凋亡。除此之外，GLP-1 还可作用于胰岛α细胞，抑制胰高血糖素的释放，并作用于胰岛δ细胞，促进生长抑素的分泌，生长抑素又可作为旁分泌激素参与抑制胰高血糖素的分泌。然而，由于SGLT1 是L 细胞中分泌GLP-1 的传感器，因此SGLT1 抑制剂可能会抑制GLP-1 分泌。但有研究表明，葡萄糖发酵产物，即短链脂肪酸，是L细胞分泌GLP-1 的有效刺激因子，可克服SGLT1抑制剂对GLP-1 分泌的影响。有研究结果显示，SGLT1/SGLT2 双抑制剂LX4211 可使小鼠血浆GLP-1 浓度小幅升高[49]。

4 保护心血管

4.1 改善心室负荷

SGLT 抑制剂可以增加尿钠排泄，发挥渗透性利尿作用，减少水钠潴留，减轻心脏前后负荷[50]。利钠反应也刺激肾小管-肾小球反馈，导致传入小动脉血管收缩，从而降低肾小球高血压[51]。SGLT 抑制剂可改善内皮功能和主动脉硬化指数，并可能通过激活电压门控钾通道和蛋白激酶G 来诱导血管舒张[52]。

4.2 影响Na＋/H＋交换

糖尿病患者的心肌细胞钠氢交换蛋白（NHE）表达增加，可能导致细胞质钠、钙水平升高，进一步导致心力衰竭。有研究证明，SGLT2抑制剂恩格列净能抑制心肌细胞NHE，并降低细胞质钠、钙水平，同时增加线粒体钙水平。由于心脏中不表达SGLT2 受体，作用于心肌细胞NHE 的机制尚不清楚[53]。有假设认为SGLT2 抑制剂还可以通过下调近端小管NHE3 的活性来促进利钠化，恢复全身钠稳态，减轻心力衰竭[54-55]。因此，抑制NHE1 和NHE3 可能是SGLT 抑制剂预防和治疗心力衰竭的一种心-肾机制。

4.3 抗心肌纤维化

心肌梗死大鼠实验模型研究数据表明，达格列净可通过促进M2 巨噬细胞的激活和抑制肌成纤维细胞分化来抑制胶原合成，显示出明显的抗心肌纤维化作用[56]。恩格列净能显著减弱转化生长因子β1蛋白（TGF-β1）诱导的成纤维细胞激活，并减少细胞介导的细胞外基质重塑，抑制关键的促纤维化标志物的表达，包括Ⅰ型胶原蛋白、α-平滑肌肌动蛋白、结缔组织生长因子和基质金属蛋白酶2，发挥抗纤维化作用[57]。

4.4 改善心脏代谢

SGLT 抑制剂可以轻微增加酮体β-羟基丁酸的含量，可能为糖尿病患者提供一种替代的心肌燃料来源。酮水平的升高被认为是提高胰高血糖素水平和肾脏减少酮体排泄引起的[58-59]。研究表明，恩格列净增加了心肌酮的消耗，并降低了心脏葡萄糖的消耗和乳酸的产生[60]。酮体β-羟基丁酸水平升高也可能抑制组蛋白去乙酰化酶，阻止促肥大转录通路，减少乙酰辅酶A，从而降低有害的线粒体酶的高乙酰化，提高线粒体的能量生产。SGLT 抑制剂这一作用使心脏收缩增强，心力衰竭风险降低，从而发挥心血管保护作用[61]。

5 保护肾脏

SGLT 抑制剂降血糖作用可以减轻高血糖对肾脏足细胞的损伤，抑制钠和葡萄糖在近端小管中的重吸收，影响肾内血流动力学，增加钠向肾小球旁器的运输，引起入球小动脉收缩，肾小球内压力降低，降低肾小球超滤和相关的损伤[62]。同时SGLT 抑制剂还可以减少白蛋白尿，阻断尿酸的再吸收，导致尿酸排泄增加，使血清尿酸浓度降低，发挥肾脏保护作用[63]。

6 在肿瘤治疗中的作用

因肿瘤细胞生存和生长所需的能量由葡萄糖提供，所以与健康细胞相比，肿瘤细胞对葡萄糖的摄取和利用都增加了[64]。研究发现在多种癌症中发现了SGLT 过表达，如胰腺腺癌、前列腺腺癌、肺腺癌、肝癌和淋巴结癌[65]。由于细胞的能量需求，肿瘤微环境往往表现为低血糖和缺氧。在低血糖状态下，由于主动转运和被动转运的差异，SGLT 相对于GLUT 的连续摄取能力较高，SGLT 被认为是肿瘤细胞葡萄糖的主要来源[66]。有报道称，过表达表皮生长因子受体（EGFR）可增加口腔鳞癌中SGLT1 的表达[67]。此外，电离辐射激活钾通道，可通过SGLT 增加葡萄糖摄取。辐射刺激和EGFR 激活增加SGLT 介导的人A549 肺腺癌细胞摄取葡萄糖，促进了肿瘤细胞的生存。研究发现EGFR 存在于多种癌症中，因此在这些癌症中，抑制SGLT 可能是一种新的治疗方法[68]。

7 在脑缺血和肠道缺血中的作用

钠离子与葡萄糖一起通过SGLT 运输，诱导内向电流，导致膜去极化，过量的钠离子通过脑SGLT 的流入加剧了缺血性神经元损伤。此外，钠通过SGLT 流入还可增加细胞内钙浓度，在脑缺血的情况下，钙超载诱导兴奋性毒性和神经元细胞死亡；细胞内钠离子和钙离子的稳态破坏，也可引起缺血性神经元损伤。虽然脑SGLT 诱导的钠内流加重了脑缺血神经元的损伤，但葡萄糖通过脑SGLT的内流保护了脑缺血应激。因此需要进一步的研究来阐明通过脑SGLT 的葡萄糖内流在脑缺血中的作用[69]。肠道缺血可引起黏膜屏障损伤和细菌移位，导致脓毒症和全身炎症。有研究显示，大鼠小肠缺血/再灌注可引起上皮细胞凋亡、黏膜屏障损伤和黏膜炎症反应，而肠道中细胞通过SGLT1 灌注葡萄糖可减轻这种损伤，因此，上皮细胞中的SGLT1 可减轻肠缺血相关的上皮屏障损伤[70]。

8 不良反应

8.1 低血压

SGLT 抑制剂具有利尿作用，导致血管内容量收缩。患者使用SGLT 抑制剂治疗后可观察到红细胞压积和血浆尿素氮与肌酐比值的小幅上升，有发生低血压的风险。特别是肾功能受损的患者，更易发生症状性低血压。因此在治疗时应密切监测患者，并根据患者的自身因素（年龄较大、收缩压低）和临床治疗反应及时对治疗方案进行调整[71]。

8.2 糖尿病酮症酸中毒

酮症酸中毒是SGLT 抑制剂的一个重要不良反应，症状与脱水和代谢性酸中毒一致，包括恶心、呕吐、腹痛、全身不适和呼吸短促。这可能是SGLT 抑制剂降低了肾脏对酮体的清除率导致的[72-73]。

8.3 尿路感染

慢性高血糖会抑制白细胞的吞噬活性，且SGLT 抑制剂会促进糖尿，额外的糖尿可能促进细菌生长，所以SGLT 抑制剂有造成尿路感染的风险。这些感染大多涉及下尿路，如由典型尿路病原体引起的膀胱炎[74]。

8.4 肾功能损伤

SGLT 抑制剂增加血清肌酐含量，降低肾小球滤过率，引起血管内容量收缩，一些低血容量、慢性肾功能不全、心力衰竭以及同时使用利尿剂、血管紧张素转换酶抑制剂、血管紧张素Ⅱ受体阻滞剂或非甾体抗炎药物的患者可能发展为急性肾损伤，需要住院和透析[75]。

9 总结

SGLT 抑制剂是一种有效且新颖的治疗糖尿病的药物，抑制SGLT 转运蛋白，可以减少肾脏对葡萄糖的重吸收，增加尿糖排泄，从而降低患者的血糖水平，显著降低糖尿病患者的糖化血红蛋白，且其是独立于胰岛素发挥作用的。此外，SGLT 抑制剂还具有其他的益处，比如改善胰岛素抵抗，提高胰岛素敏感性，恢复胰岛β细胞功能，降低糖异生，促进胰高血糖素样肽-1 分泌，保护心血管及肾脏等。尽管SGLT 抑制剂有着良好的应用前景，但也应该注意在治疗过程中可能出现的低血压、糖尿病酮症酸中毒、尿路感染、肾功能损伤等不良反应。虽然目前对SGLT 抑制剂的相关研究还存在不足，但相信未来SGLT 抑制剂必将在糖尿病以及其他疾病领域发挥越来越重要的作用。