二甲双胍辅助抗结核的作用机制及临床价值

李百远，李元军, 2，高非凡

(1.延安大学附属医院 呼吸内科，陕西 延安 716000；2.延安市第二人民医院 呼吸与结核科，陕西 延安 716000)

结核病作为一种古老而慢性的传染病，一直以来是我国乃至全球面对的公共卫生问题之一，2018年全球结核病感染人数维持在1 000万左右[1]。为在短期内有效消除结核病，单纯依靠传统抗结核药物是不够的，需要更有选择性、耐受性更好和疗程更短的治疗方案。体外研究证实，包括贝达喹啉、德拉马尼、利奈唑胺等在内的多种新型抗结核药物因其独特作用机制在抗结核治疗方面有一定作用，但因临床研发成本较高、耗时较长，目前大多仍处于临床试验阶段，已上市药物价格高昂，无法在结核病患者中广泛推广使用[2]。因此，一个更便捷、更安全但有望在全球获得广泛接受的药物发现途径是“药物重新定位”(寻找现有药物的新适应症)，它遵循多重药理学的原则，即一种药物可以达到一个以上的临床目标。药物再利用可以大大减少新药开发所需的时间和成本。特别是治疗糖尿病的一线药物——二甲双胍，作为结核病宿主定向治疗的候选药物，它可减少结核相关的炎症和肺损伤，以及治疗持续时间和耐药率，受到了国内外学者的广泛关注[3]。因此，本文主要就二甲双胍在结核病防治中的临床价值及作用机理作一综述，明确二甲双胍在结核病中的应用前景。

1 糖尿病与结核病

糖尿病是结核病的一个关键、公认的风险因素[4-5]。全球糖尿病患病率在不到30年的时间里增加了20%，估计到2040年将有大约6.42亿人患有糖尿病[4, 6]。糖尿病及其相关并发症因其漫长的治疗周期、高昂的医疗费用，成为全球主要的公共卫生问题。糖尿病患者的高血糖状态通过以下机制干扰人体的免疫应答：①微血管对炎症介质(如组胺和缓激肽)的反应性降低；②肥大细胞脱颗粒减少；③白细胞与其他内皮细胞的相互作用；④释放肿瘤坏死因子(TNF)-α、白细胞介素(IL)-1β、前列腺素E2(PGE2)[7]。机体免疫系统的功能失调和衰竭，导致结核分枝杆菌(Mycobacteriumtuberculosis, Mtb)易感性增加以及潜伏性结核感染(latent tuberculosis infection，LTBI)的重新激活[8]。与非糖尿病者相比，糖尿病患者Mtb感染率高、治疗时间长。台湾学者证实，糖尿病可增加LTBI的风险。该研究总共招募2 948例40岁以上的糖尿病患者，453例来自社区的非糖尿病者，利用干扰素γ释放试验(IGRA)和结核菌素皮肤试验检测是否存在LTBI。结果显示，糖尿病与LTBI显著相关[9]。研究证实，糖尿病患者结核病感染的风险增加了2.39倍，结核病治疗失败的风险也增加了1.69倍[10-11]。结核病高负担国家，包括中国、印度、巴西、孟加拉国、印度尼西亚和俄罗斯，也是世界上糖尿病患病率最高的国家[4]。预计到2040年，在结核病高负担的国家中，糖尿病患者患结核病的风险将会进一步增加[4-5, 12]，全球结核病患病人数累计增加，对2030年实现“消灭结核病”这一目标提出严峻挑战。

因此，在控制糖尿病发病率的同时，迫切需要新的措施预防糖尿病患者这一高危群体感染Mtb，降低糖尿病患者结核病发病率，以及制定糖尿病合并结核病患者的合理化治疗策略，降低糖尿病、结核病相关死亡率。二甲双胍可通过多种机制发挥抗结核作用[13-14]，其在抗结核治疗中的临床价值或许将为全球糖尿病、结核病的控制均发挥一定的积极意义。

2 二甲双胍抗结核的优势

二甲双胍作为结核病宿主定向治疗的候选药物，主要有以下几点优势：第一，二甲双胍可增强传统抗结核药物的疗效。Singhal等[15]利用小鼠模型证实，二甲双胍可提高小鼠体内Mtb清除率，增强抗结核药物的作用。在Mtb感染小鼠后第7天，给予二甲双胍或二甲双胍联合异烟肼(isoniazid, INH)、二甲双胍联合乙硫异烟胺(ethionamide, ETH)进行抗结核治疗。结果发现，单用二甲双胍(500 mg/kg)治疗的小鼠肺和脾中的细菌负荷降低。与单独接受INH、或ETH治疗组相比，二甲双胍+INH、二甲双胍+ETH治疗组小鼠的肺部细菌载量均显著降低。在慢性Mtb感染小鼠(Mtb感染后42天)模型中进一步评估了二甲双胍的疗效，结果同样表明，二甲双胍可作为抗结核治疗辅助用药。Bachmakov等[16]研究表明，二甲双胍与利福平在抗结核方面亦有协同作用。第二，二甲双胍可减轻结核引起的组织病理炎症损伤并增强免疫反应。研究发现，二甲双胍除了可加速细菌清除率外，还可促进组织病理学的消退，与未经治疗组相比，给予INH或ETH治疗的小鼠器官大小和组织损伤明显减少，在此基础上，予以二甲双胍+INH或二甲双胍+ETH联合治疗可进一步降低组织病理损伤[15]。此外，研究人员还发现，二甲双胍治疗可促进CD8+T细胞和CD4+T细胞在肺内的蓄积，这一效应也可能有助于控制结核感染[15]。第三，二甲双胍的临床使用与糖尿病患者的结核病预防和治疗效果均相关。二甲双胍可降低糖尿病患者LTBI的患病率[17]。Lee等[18]的观点与之一致。Zhang等[19]认为，二甲双胍的使用与糖尿病患者活动性结核发病率显著降低有关；对于糖尿病合并结核病患者，二甲双胍可降低其发生死亡的风险。

3 二甲双胍辅助抗结核的作用机制

3.1自噬诱导 作为宿主先天性和适应性免疫反应的重要组成部分，巨噬细胞自噬在保护宿主抵抗结核病方面起着重要作用。但是，休眠的细菌可以从自噬小体逃逸和(或)抑制自噬，从而在宿主内存活更长的时间，潜在机制尚不明确。热休克蛋白16.3是LTBI期间表达的免疫优势蛋白之一，它可能通过抑制巨噬细胞自噬而有助于维持Mtb的蛋白质稳定性和长期生存能力，从而导致LBTI[20]。Ernst[21]亦认为，Mtb通过抑制宿主巨噬细胞的自噬而具有逃逸机制。因此，改善自噬过程可提高抗结核治疗效果。二甲双胍可激活单磷酸腺苷活化蛋白激酶(adeno monophosphate kinase, AMPK)和随后的UNC-51样激酶1(unc-51-like kinase 1, ULK1)的磷酸化，然后AMPK作为哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)抑制剂发挥作用，激活细胞自噬[22]。在一项针对糖尿病合并结核病患者的观察性临床研究中，标准抗结核治疗联合二甲双胍可改善自噬[23]。此外，自噬在限制炎症病理的同时控制病原体进一步扩散[24]。

3.2氧化应激 氧化应激和抗氧化防御机制在结核病感染和治疗中起着关键作用。氧化应激是由于游离活性氧(reactive oxygen species, ROS)和抗氧化机制之间的失衡引起的[25]。ROS的过量形成会引发一系列化学反应并对细胞造成损害[25]。此外，ROS可以通过蛋白激酶途径、转录因子和致炎调节剂的基因组表达启动炎症信号级联反应，导致免疫系统过度激活[26]。已知肺部存在多种生物机制，包括氧化应激反应来抵抗Mtb感染。Mtb感染会触发宿主吞噬细胞(主要是巨噬细胞)产生ROS。二甲双胍可通过AMPK信号通路增加线粒体ROS产生[15]。ROS不仅可以破坏宿主细胞，也可以杀死入侵宿主体内的病原体。ROS对细菌有很高的毒性，它可通过破坏DNA，蛋白质和脂质来直接杀死细胞内的Mtb，或者通过利用芬顿(Fenton)反应和三羧酸循环等，通过氧化核苷酸池来间接杀死细胞内的Mtb[27]。

二甲双胍可提高炎症时宿主体内超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)水平[28]。SOD是宿主抗氧化防御系统中产生的一种酶。研究证实，SOD参与了Mtb中的过氧化氢酶/过氧化物酶(KatG)从前药到活性药激活INH这一过程[29]。较高的SOD与INH抑制Mtb的效果有关。二甲双胍联合INH发挥协同效应，提高了INH的抗结核疗效。二甲双胍还通过增加有机阳离子转运蛋白1(organic cation transporter-1, OCT-1)的表达与利福平有协同作用，OCT-1的表达具有抑制Mtb转录的作用[16]。

3.3免疫调节 体内外研究均证实，二甲双胍可发挥免疫调节作用。人β-防御素(human β-defensins，hBDs)属于抗菌肽(antimicrobial peptide，AMP)家族，主要在人类肺上皮细胞表达。hBDs作为呼吸道先天免疫反应的关键因素，可激活炎症细胞和调节获得性免疫[30]。机体感染Mtb后，hBDs是控制细菌生长的关键分子。二甲双胍可通过上调hBD-2、hBD-3和hBD-4的表达，降低肺泡巨噬细胞和肺上皮细胞中的Mtb负荷[14]。另外，二甲双胍可通过抑制早期生长反应因子1(early growth response-1，Egr-1)的表达和细胞外信号调节蛋白激酶(extracellular signal regulated protein kinase，ERK)1/2的磷酸化，干扰人单核细胞中ERK1/2-Egr-1通路，从而抑制肿瘤坏死因子和组织因子的产生，减轻部分炎症反应[31]。健康志愿者的外周血单核细胞中加入二甲双胍可增强体外细胞代谢，同时抑制mTOR的p70S6K和4EBP1，从而减少细胞因子的产生和细胞增殖，并增强细胞吞噬作用。给健康志愿者服用二甲双胍后，氧化磷酸化、mTOR信号和I型干扰素反应通路相关基因显著下调，尤其是在Mtb刺激后，吞噬和ROS产生的相关基因上调。这些体内效应伴随着二甲双胍诱导的髓系细胞从经典单核细胞向非经典单核细胞的转变[32]。

4 其它降糖药物辅助抗结核作用机制

体外实验表明，阿卡波糖能有效抑制Mtb肽基-脯氨酰异构酶B(peptidyl-prolyl isomerase-B, PpiB)和MurE(Rv2158c)的表达[33-34]。Mtb有两种Ppi，肽基-脯氨酰异构酶A(PpiA)和肽基-脯氨酰异构酶B(PpiB)，其中PpiB参与Mtb生物被膜的形成，对病原体的生存是必需的[33]。体外研究证实，环孢菌素A、阿卡波糖或镓纳米颗粒(gallium nanoparticle，GaNP)以剂量依赖的方式与Mtb的PpiB结合，从而抑制生物膜的形成。环孢菌素A、阿卡波糖或GaNP与抗结核药物联合治疗可增加Mtb对这些药物的敏感性[33]。MurE(Rv2158c)作为Mtb的必需基因，通过参与编码特有蛋白质合成，催化Mtb肽聚糖生物体合成[35]。Brindha等[34]研究证实，阿卡波糖可与MurE紧密结合，从而抑制Mtb肽聚糖的生物合成。此外，阿卡波糖与Mtb细胞壁成分海藻糖合酶(trehalose synthase，treS)有很强的结合能力[35]。treS参与能量储存、信号传递和蛋白质保护等多种生理功能，treS在Mtb中催化麦芽糖可逆转化为海藻糖，海藻糖对Mtb存活至关重要。阿卡波糖作为treS的竞争性抑制剂，可抑制体内Mtb生长。

另外，有研究指出，噻唑烷二酮类(thiazolidinediones，TZDs)降糖药物诱导的过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptor gamma, PPARγ)通过激活巨噬细胞甘露糖受体(CD206)和髓系细胞白血病基因1(myeloid cell leukemia-1，MCL-1)的表达来抑制结核病的发病[36-37]。

5 二甲双胍在结核病防治中的临床价值

5.1降低糖尿病患者发生结核病的风险 研究证实，二甲双胍可降低2型糖尿病患者发生活动性肺结核的风险。使用二甲双胍是预测活动性结核病风险降低的独立因素，并且二甲双胍的这种保护作用是剂量依赖性的[38]。该研究结果与Tseng等[39]观点一致。Marupuru等[40]研究表明，糖尿病患者血糖控制不良是结核病发生的危险因素，二甲双胍可作为糖尿病患者抗Mtb感染的保护剂。该研究以是否发生肺结核为分组依据，选择确诊为肺结核的糖尿病患者为实验组，非肺结核的糖尿病患者为对照组，回顾性分析两组患者一般临床资料及降糖方案。结果表明，糖化血红蛋白(HbA1c)<7 %是结核病发生的相关保护因素。二甲双胍的使用显著降低了糖尿病患者发生肺结核的风险。但这种保护作用与剂量无关[40]。与以上结果不同的是，近期一项研究证实，二甲双胍对糖尿病患者的结核感染风险没有显著影响[41]。该研究通过评估五种口服降糖药物药物与糖尿病患者的结核感染风险之间的关系，证实α-葡萄糖苷酶抑制剂(α-glucosidase inhibitors, AGIs)可有效降低糖尿病患者的结核病风险，且AGIs对结核病风险的影响存在剂量-反应关系。但是，该研究并未观察到二甲双胍对糖尿病患者的结核感染风险存在显著影响。该研究首次报道AGIs对结核病感染风险的保护作用。但是，仍存在一定的局限性，无法排除研究对象既往是否存在LTBI。因此，关于AGIs与结核病之间的关系有待进一步研究证实。

5.2提高抗结核治疗的成功率、改善糖尿病合并结核病患者临床结局 Degner等[42]通过对年龄≥13岁、并经病原学证实的药物敏感性肺结核患者进行回顾性队列研究，证实糖尿病可增加结核病不良治疗结局的风险，但二甲双胍的使用可逆转结核病治疗期间与糖尿病相关的死亡率。糖尿病患者在结核病治疗期间死亡风险是非糖尿病患者的1.91倍，在治疗2个月后，痰培养仍为阳性的风险是非糖尿病患者的1.72倍。在糖尿病合并结核病患者中，与不使用二甲双胍的糖尿病患者相比，二甲双胍的使用可显著降低结核病治疗期间死亡率。Ma等[43]认为，二甲双胍联合抗结核方案可提高抗结核治疗的成功率，并降低糖尿病患者结核病的复发率。该研究共纳入糖尿病合并结核病患者58例，根据糖尿病治疗方案的不同，随机分为二甲双胍组和非二甲双胍组，连续服药8个月，每月监测患者的主要治疗结局。结果显示，两组患者在治疗成功率方面差异有统计学意义，二甲双胍组2个月末痰培养转阴率高于非二甲双胍组。在为期3年的随访中，二甲双胍组复发率更低。但因该研究样本量较小，且缺乏基因分型数据，无法区分复发是由于既往结核病灶复发或再感染所致，特别是在结核病高患病率地区。Lee等[44]研究表明，二甲双胍治疗对结核病合并糖尿病患者中的痰培养转阴率、结核病治疗完成后1年内复发没有显著影响。但是，二甲双胍可提高细菌负荷较高的空洞性肺结核患者痰培养转阴率。因此，针对空洞性肺结核合并糖尿病患者，二甲双胍可作为治疗2个月后提高痰培养转阴率的辅助药物。王淑霞等[45]研究发现二甲双胍可降低复治肺结核合并糖尿病患者治疗失败率和随访3年复发率，但仍需进一步扩大样本量验证。

不同于传统抗结核药物，二甲双胍在糖尿病患者的预防性用药、针对结核病患者的多重作用优势使得其成为新型抗结核药物中的候选药物。因不同地区、不同人群社会经济状况、对疾病认知、诊疗水平等的差异，糖尿病与结核病的管理目前尚缺乏统一的参考标准。有学者建议对所有确诊的结核病患者进行系统的糖尿病筛查，并建议对有结核病相关症状(咳嗽、发烧、盗汗、体重减轻和胸痛等)的糖尿病患者进行结核病筛查。做好疾病预防及控制工作，以确保适当、持续地治疗两种疾病[46]。

6 小结

以上就二甲双胍在抗结核中的作用机制及价值进行简要概述。二甲双胍作为一种用于治疗2型糖尿病的药物，由于其在体内和体外实验作为抗结核辅助剂的良好活性而备受关注，在结核病的防治方面显示出巨大的临床应用价值，将二甲双胍纳入结核病患者用药范畴，联合标准结核病治疗方案，对全球结核病流行、糖尿病控制均存在积极意义。为进一步确定二甲双胍作为结核病宿主导向治疗剂的价值，需进一步行大范围、更大样本量的前瞻性研究，评估在结核病患者辅助治疗中二甲双胍使用的确切剂量，明确二甲双胍与现有抗结核治疗方案联合是否可以缩短疗程，阐明二甲双胍抗结核的确切分子机制，结合患者自身情况正确选择及评估二甲双胍作为结核病辅助治疗的利弊。