生长分化因子15：减重治疗的新靶点

张梦潇， 韦 晓， 张少红， 陈国芳， 刘 超

（1. 盐城市中医院老年科，江苏 盐城 224000；2. 南京中医药大学附属中西医结合医院内分泌科 江苏省中医药研究院，江苏 南京 210028）

肥胖是诱发糖尿病（diabetes mellitus，DM）、高血压等疾病的独立危险因素，是导致早衰甚至死亡的重要原因[1]。 而体重减轻5%～10%可显著改善健康问题， 减轻15%以上可明显延缓2 型DM（type 2 DM，T2DM）等疾病的发生、发展[2]。然而，无论是生活方式干预、药物治疗还是代谢手术，都存在依从性差、耗时长以及易反弹等局限。 因此，需寻找更有效的减重靶点。 2006年，Baek 等[3]首次观察到生长分化因子（growth differentiation factor 15，GDF15）对小鼠体重的影响。随后，大量研究表明，GDF15 能够通过控制食欲、增加能量代谢及降低炎症水平达到减轻体重的效果， 使其成为学术界关注的焦点。

GDF15 及其受体

GDF15 是应激反应细胞因子[4]，因其被发现时的组织来源和功能不同又被称为巨噬细胞抑制因子及非甾体抗炎药激活基因-1 等[5]。 业已证实，GDF15参与多种生物学过程，包括能量代谢、体重调节、癌症以及恶病质等[6]。 GDF15 广泛表达于人体各组织，其最高水平见于胎盘和肝脏[5]，同时被认为是细胞应激的标志物。 在运动、肿瘤及心血管疾病等生理病理状态下，GDF15 水平均会升高[7]。 另外，年龄、吸烟、压力和环境因素都是可能导致GDF15升高的风险因素[5]。 故GDF15 被认为是全因死亡的预测指标[8]。

GDF15 与转化生长因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）具有高度同源性，被归为TGF-β 超家族的一员[9]。 但是， 始终无法确定GDF15 是否可以直接与TGF-β 的受体结合。 直到2017年，4 个独立研究团队同时发现，神经胶质细胞源性神经营养因子α 样受体（glial cell-derived neurotrophic factor receptor alpha-like，GFRAL）是GDF15 的受体[7,10-12]。 现研究发现，GFRAL 特异性表达于调节食欲的脑极后区（area postrema，AP）和孤束核（nucleus tractus solitarii，NTS），通过与GDF15 及辅助受体RET（rearranged during transfection）原癌基因结合，促使RET 磷酸化，从而激活蛋白激酶B、胞外调节蛋白激酶和磷酸酯酶C 等，发挥抑制食欲、减重等作用。

GDF15 与肥胖的关系

一、GDF15 与体重相关

GDF15 水平与体重高度相关。 基础及临床研究表明，肥胖患者或小鼠体内GDF15 水平升高[4]。 然而，更多的研究发现，手术或药物干预后，肥胖患者或小鼠的体重下降，伴随GDF15 升高。 由此推测，GDF15 在营养过剩期间轻度升高，只是肥胖的代偿保护机制，以此来限制能量摄入。

1. 动物实验： 在动物研究中，GDF15 的减重作用已被证实。 据报道，与野生型小鼠相比，GDF15 基因缺陷小鼠的体重和脂肪含量均增加[13]。 在GDF15对肌肉组织影响的研究中发现，GDF15升高可减轻代谢改变引起的肥胖，提高胰岛素敏感性。而GDF15 敲除小鼠却失去对肥胖的抵抗力[14]。在高脂饮食诱导轻度肥胖小鼠模型中，GDF15 的过表达可减轻转基因小鼠肥胖、肝脏脂肪变性和葡萄糖的不耐受程度[15]。同样，外源性注射成熟的GDF15 重组蛋白1 周后，小鼠食欲减退，体重下降[11]。 在另一项实验中，研究者每天给小鼠注射0.5 μg/g 成熟的GDF15 蛋白。21 周后，干预组小鼠食物摄入量减少，体重明显减轻，糖耐量提高[7]。 类似地，通过腺病毒载体每天给小鼠、大鼠和肥胖猴子注射人GDF15 重组蛋白，研究对象的体重均明显降低[6]。 因此，GDF15 水平升高是对抗肥胖的关键。

2. 临床研究：GDF15 与减重手术的关系之前存在争议。Frikke-Schmidt 等[16]研究发现，GDF15 的缺失不会改变小鼠袖状胃切除术（sleeve gastrostomy，SG）后的食物摄取量或体重,认为GDF15 对于代谢手术所引起的体重下降并非必要。然而，更多的研究与该团队报道的结果相悖。 在一项探讨肥胖患者胃旁路术前及术后体重变化与GDF15 水平相关性的研究中，发现术后1 周、3 个月、1年以及4年后，患者体重减轻，伴随GDF15 水平相应升高。另外，在一项针对21 例肥胖患者进行的SG 中， 研究人员检测了患者术前及术后GDF15 的水 平。 结果显示， 患者术后1、3 及12 个月的GDF15 水平较术前明显升高，且与体重下降水平直接相关[17]。由此证明， 代谢手术引起的体重下降与GDF15 水平升高密切相关[18]。

20 世纪50年代以来，二甲双胍一直被用作治疗T2DM，并被证明能够抑制食欲、降糖减重。 很多学者阐述过二甲双胍的降糖机制，但对其减重机制一直存有困惑[19]。 最新的流行病学调查指出， 二甲双胍的减重作用得益于循环中GDF15 水平升高[20]。在一项以超重人群为研究对象的随机对照试验中，分别使用二甲双胍和安慰剂治疗。2 周后，与安慰剂组相比，二甲双胍治疗组体重明显下降，GDF15 水平升高2.5 倍[21]。 故二甲双胍能够通过升高GDF15 水平，实现其抑制食欲及减重的作用。

甲状腺激素水平与体重息息相关， 其升高可上调GDF15 的表达。 一项纳入134 例甲状腺功能亢进（甲亢）患者和105 名健康者的研究检测其血清中的GDF15 水平。基线数据显示，甲亢患者的GDF15 水平明显高于正常组。43 例甲亢患者在接受抗甲状腺药物治疗3 个月后， 相关甲状腺激素水平恢复正常，体重较治疗前明显增加，同时伴随GDF15 显著降低。 调整潜在混杂因素的影响后，结果显示血清GDF15 水平与甲状腺激素具有独立相关性[22]。

无论是手术、 药物还是自身代谢导致的减重都与GDF15 的表达水平有关，但GDF15 减重的分子机制仍不完全清楚。

二、GDF15 的减重机制

关于GDF15 的减重机制，目前主要有降低食欲、提高能量代谢以及降低炎症水平3 种观点[23]。

1. GDF15 可降低食欲：血清GDF15 主要通过与表达于AP/NTS 的GFRAL 及辅助受体RET 结合， 诱导中枢神经系统中的神经递质胆囊收缩素释放，从而抑制食欲[24]。 同时，GDF15 还能抑制小鼠下丘脑中食欲相关的神经肽Y 表达， 使得抑食相关的激素前体阿黑皮素原表达增加，达到抑制食欲的效果[25]。 AP 受迷走神经支配，故GDF15 与GFRAL-RET 结合，一方面能够通过迷走神经传导，经过脑肠轴影响胃肠道功能，如减缓胃排空速率，降低食欲[26]。另一方面，GDF15 水平提高导致原癌基因产物c-fos（proto-oncogene proteins c-fos，c-fos），即神经元激活标志物在AP、迷走神经背侧运动核、NTS 以及杏仁核中广泛表达[6]， 从而增加饱腹感，同时诱导小鼠条件性味道规避，调节食物选择偏好，并诱发厌恶食物反应[27]，进而导致选择性的进食减少。

2. GDF15 可提高能量代谢： 主要通过神经调控和体液调控这两个途径。 一方面， 在脂肪组织中，GDF15-GFRALRET 轴激活能通过交感神经传导诱导脂肪分解增加， 减少合成，增加能量代谢，从而减轻体重[23]。给予野生型小鼠和外源性注射GDF15 蛋白的小鼠相同的食物， 发现在能量摄入一致的情况下，GDF15 注射组小鼠体重仍然下降。 因此，研究人员认为，除了食欲的抑制，能量代谢的提高亦是导致体重降低的主要原因[25]。 另一方面，推测脂肪组织中可能含有尚未报道的GFRAL 或GDF15 其他类型受体的表达，以发挥GDF15 对脂肪组织代谢水平的调控作用。 在一项以正常或高脂饮食喂养异种移植B16-F10 皮肤黑色素瘤细胞的肥胖C57BL6 小鼠、 转基因GDF15 小鼠及野生型小鼠的研究中，与野生型小鼠相比， 肥胖C57BL6 小鼠和转基因GDF15 小鼠的饮食摄入量无明显差异，但白色脂肪组织（white adipose tissue，WAT）中脂肪分解基因β3 肾上腺素受体、甘油三酯脂肪酶和激素敏感脂肪酶的表达水平更高。 同时，棕色脂肪组织（brown adipose tissue，BAT）中产热及氧化代谢基因解耦联蛋白1、过氧化物酶体增殖物激活受体α 等表达也显著增加[15]。 故氧化代谢的改变也可导致脂肪减少，或许是GDF15发挥直接减重作用的关键。此时，GDF15 可以作为BAT 分化或脂肪棕色化的分化因子，通过上调BAT 和WAT 中的关键产热基因和脂溶基因，增加产热和能量消耗、脂肪分解和氧化代谢，从而调节代谢活性[28]。

3. GDF15 可降低炎症水平： 脂肪组织或细胞的炎症状态与肥胖息息相关。Lee 等[29]在体内外的研究中发现，辅助型T 细胞2 能够诱导小鼠脂肪组织或 （和）3T3-L1 脂肪细胞内的GDF15 表达增加， 激活JAK-信号转导及转录激活蛋白6（signal transducer and activator of transcription 6，STAT6）信号通路， 从而促进脂肪组织中M1 型促炎性巨噬细胞向M2型抑炎细胞转化，改善胰岛素抵抗及炎症状态。 提示脂肪组织或细胞中GDF15水平升高能够增加M2 型巨噬细胞，有利于降低炎症水平，提高胰岛素敏感性，恢复细胞氧化代谢的能力，从而减轻肥胖。 另外，GDF15 还能够分别和下丘脑中TGF-β 受体以及Erbb2 受体结合，激活下游信号通路，降低炎症水平[30]。 一方面，GDF15 能够与TGF-β 受体结合，磷酸化Smad2/3，最终降低核因子κB 的表达水平，降低炎症水平。 另一方面，GDF15 能够与Erbb2 结合，激活磷脂酰肌醇3 激酶 （phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/Akt 信号通路，导致内皮型一氧化氮合酶表达上调，减轻细胞凋亡，保护细胞功能，改善肥胖导致的血管功能障碍，预防肥胖相关血管并发症。

综上，GDF15 水平升高能够通过抑制食欲、提高组织的脂质氧化代谢水平以及降低炎症细胞因子表达， 从而减轻体重，改善肥胖。

总结与展望

GDF15 在人体内发挥多种生物学作用， 能够通过抑制食欲、提高能量代谢以及降低炎症水平，从而减轻体重。 目前的动物研究已经充分证实，外源性补充GDF15 可以有效减轻体重， 且不易反弹、 不良反应少见。 近年来， 研究人员致力于GDF15 受体激动剂以及改造GDF15 类似物的研究，已有相关临床1～3 期研究在进行，但尚未有临床上市应用的产品。 临床应用GDF15 治疗肥胖及相关并发症仍可能存在一定的困难。其主要原因在于GDF15 会引发恶心和呕吐等不良反应，故未来需要进行大样本随机对照试验来评估GDF15 与其不良反应的时效量效关系，如恶心、呕吐的发生频率以及是否可控。若其不良反应可控， 或可通过改变结构等途径达到增效减毒的目的，可以GDF15/GFRAL 信号转导途径为靶点，开发出能够直接诱导/升高GDF15 表达且不良反应少的药物， 或有望解决当前代谢手术以及药物干预治疗肥胖存在的局限性，减轻肥胖及其合并症对人类健康的威胁。