任志芳, 任 洁, 刘 睿,2, 肖金凤,2, 秦 洁,2

(1. 山西医科大学第五临床医学院, 山西 太原, 030012; 2. 山西省人民医院, 山西 太原, 030012)

2型糖尿病(T2DM)是一种以糖脂代谢紊乱为主要表现的慢性代谢性疾病,发病过程可能伴随胰岛β细胞数量减少、功能减退及凋亡增加。胰岛β细胞多因素致病反应是T2DM发病的重要机制,包括细胞铁代谢障碍(铁沉积、铁过载、铁死亡等)、内质网应激、细胞膜损伤和受体介导的信号转导异常等多种病理生理过程。目前,多种胰高血糖素样肽-1(GLP-1)受体激动剂或类似物已被广泛应用于临床,可改善胰岛β细胞铁代谢及糖尿病相关慢性并发症,为T2DM及其并发症的防治提供了新思路。

1 铁代谢障碍在T2DM及其并发症中的作用机制

铁代谢障碍涉及铁沉积、铁过载、铁死亡、铁自噬等多种病理生理过程,在T2DM等多种代谢性疾病的发生和发展中发挥重要作用。研究者在遗传性血色病(HH)中观察到铁代谢与T2DM的关系, HH是由先天性铁过多沉积于肝细胞、胰腺上皮细胞、心肌细胞、关节软组织细胞等引起相应脏器损伤的疾病,近半数患者确诊时已存在T2DM, 且患者发生T2DM的风险是普通人的7倍[1]。目前, HH相关性糖尿病的发病机制尚未完全阐明,胰岛素缺乏和胰岛素抵抗被认为是主要的致病因素, HH患者胰岛β细胞功能衰退,不能及时调控胰岛素分泌水平,若存在胰岛素抵抗,则糖尿病发生风险显著增加[2]。研究[3]表明,胰岛β细胞及靶器官中铁代谢障碍、内质网膜损伤和受体介导的信号转导异常等病理生理过程在T2DM及其慢性并发症的发生过程中发挥重要作用。

1.1 铁沉积、铁过载参与T2DM的作用机制

铁代谢障碍与T2DM相关,尤其是胰岛细胞中的铁沉积、铁过载。铁沉积是胰岛细胞炎症的重要标志之一,可预测糖尿病发生风险[4]。铁过载又称铁负荷过多,是指铁的供给量超过需要量,可导致机体内总铁量增加并过量沉积于组织器官中,引发多种器官功能障碍[5]。

研究[6]证实,铁沉积、铁过载会显著增加糖尿病发生风险。外源性输血所致铁过载和内源性血清铁浓度升高、胰岛β细胞铁蛋白沉积均会导致胰腺组织铁过载,进而增加T2DM发病风险。这一现象亦符合T2DM中胰岛β细胞凋亡的病理机制,即胰岛β细胞通过铁转运蛋白增加铁输入,引发铁沉积、铁过载[7], 进而影响调控胰岛素分泌的8-氧代鸟嘌呤DNA糖基化酶(OGG1)和突触结合蛋白7(SYT7)。铁过载通过扰乱OGG1对SYT7的转录调控抑制胰岛素分泌,并损害胰岛β细胞功能[8]。

此外,铁沉积和铁过载会引起活性氧增加、巨噬细胞转变为促炎表型,进而诱发胰岛细胞线粒体功能障碍[9]、氧化应激反应和炎症反应[10],干扰胰岛素合成与分泌,影响体内葡萄糖稳态的调控。这对T2DM疾病进展中的胰岛β细胞损伤具有重要作用,且与T2DM相关脂肪变性及糖尿病晚期慢性并发症(例如糖尿病性心肌病、视网膜病变、肾病和神经病变)具有一定相关性,可显著升高糖尿病及其并发症的致死率[11]。相反,限制铁摄入可改善胰岛素抵抗小鼠的胰岛β细胞功能及糖代谢[12]。

1.2 铁死亡参与T2DM的作用机制

铁死亡是一种以细胞内脂质过氧化及铁沉积、铁过载为特征的铁调节障碍诱导的细胞死亡,不同于细胞凋亡和细胞坏死,其本质是谷胱甘肽耗竭,谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)活性下降,脂质氧化物不能通过GPX4催化的谷胱甘肽还原酶反应代谢,此后二价铁离子氧化脂质产生活性氧增强细胞氧化应激反应,引发铁死亡,使得胰岛素信号转导异常,进而增加T2DM发生风险[13]。因此,控制铁死亡的重要思路之一是保护细胞抗脂质过氧化的能力,尤其是GPX4的功能。

铁死亡所致胰岛β细胞功能障碍具有以下特点: ①铁死亡是一种铁依赖性的细胞死亡形式。铁死亡与机体内铁沉积、铁过载密切相关,研究[14-15]证实糖尿病患者各种组织中存在不同程度铁沉积,可能进一步导致铁死亡。②铁死亡是一种由脂质氧化还原失衡所驱动的细胞死亡形式。由于机体内胰岛β细胞抗氧化酶(超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶和过氧化氢酶等)表达水平相对较低,活性氧易累积,极易引发铁死亡[16]。ZHOU Y[17]发现,桑叶提取物隐绿原酸(CCA)可通过提高GPX4水平,激活Xc-/GPX4系统以及核因子E2相关因子2(Nrf2)通路,改善T2DM诱导的脂质过氧化及氧化应激过程,抑制铁死亡,发挥抗氧化及保护作用。CCA还可减轻高血糖引起的胰岛β细胞损伤,促进胰岛β细胞再生[18]。其他研究[14,19]也得出类似结论,即抑制脂质过氧化可有效改善T2DM模型大鼠胰岛β细胞的铁死亡现象。另有研究[20]表明,铁代谢与脂联素(ADPN)水平也存在相关性,ADPN可通过纠正脂肪酸氧化/过氧化物失衡诱导的铁死亡,改善妊娠糖尿病所致胎盘损伤。因此,维持脂质氧化还原平衡对于糖代谢稳态的调控至关重要。③线粒体自噬可调控铁死亡。相关途径的激活可导致胰岛素分泌功能障碍[13],研究[21]发现水飞蓟宾可以增强Pink1/Parkin介导的线粒体自噬,进而抑制胰岛β细胞铁死亡。④铁死亡具有可调节性。铁死亡抑制剂(铁抑素-1/去铁胺)或铁螯合剂(槲皮素)可逆转细胞铁死亡过程,发挥抗炎、抗氧化、减轻胰岛β细胞氧化应激等作用[18,22-23],这将成为防治T2DM的新途径之一。

1.3 铁死亡参与T2DM相关并发症的作用机制

铁死亡和铁素体吞噬在糖尿病相关并发症(糖尿病肾病、糖尿病性心肌病、糖尿病性动脉粥样硬化、糖尿病卒中及神经退行性改变等)的发生和发展中发挥着重要作用[24-27], 这可能与铁代谢参与糖尿病诱导的内皮功能障碍有关,抑制铁死亡对糖尿病诱导的心肌细胞缺血再灌注损伤具有保护作用[28]。然而,铁死亡参与糖尿病诱导的内皮细胞功能障碍的具体机制目前尚未完全明确。在糖尿病进程中,p53信号通路被激活,并进一步激活p53-XCT(系统XC-的底物特异性亚基)-谷胱甘肽(GSH)轴,导致GSH合成减少,引发内皮细胞铁死亡,继而导致内皮功能障碍[29]。目前,关于铁死亡在T2DM相关内皮功能障碍中作用的基础研究及临床研究相对较少,未来可聚焦这一领域深入探讨,为药物研发及临床诊疗提供新思路。

1.4 铁缺乏参与T2DM的作用机制

尽管大量研究证明铁过载与糖尿病风险相关,但值得注意的是,缺铁与糖尿病另一关键风险因素肥胖也存在关联,肥胖合并缺铁状态更易因胰岛素分泌不足和胰岛素抵抗的协同作用诱发T2DM[30]。铁调素水平上升及其引发的功能性缺铁状态,可加剧胰岛素抵抗和葡萄糖耐量异常。铁调素是铁稳态的关键调节因子,其与铁蛋白对胞浆内生物活性铁含量的变化非常敏感; 在糖尿病和肥胖症中,促炎信号通路的激活会直接促进铁调素和铁蛋白的合成,导致铁调素水平升高,阻断十二指肠对铁的吸收和网状内皮系统内源性储存铁的释放,故肥胖患者血清铁水平较低。血清铁蛋白浓度与双歧杆菌、乳杆菌和微细杆菌的丰度呈负相关,与拟杆菌和普氏菌的丰度呈正相关,在病理环境中,上述肠道微生物群的代谢活性下降,与喂食正常食物的大鼠相比,喂食缺铁饮食大鼠的代谢产物(丁酸盐、丙酸、短链脂肪酸)水平显著降低,不能有效刺激GLP-1调节血糖,更易出现胰岛素分泌异常和葡萄糖稳态失调情况[8, 31]。由此表明,炎症介导的铁调素和铁蛋白水平升高是糖尿病患者功能性缺铁的主要驱动因素,而这些铁生物标志物的增加及由此产生的功能性缺铁状态可能进一步加剧胰岛素抵抗和葡萄糖耐量异常[32-33]。

2 GLP-1对T2DM中铁代谢的调控作用

GLP-1是一种由肠道L细胞分泌的激素,主要靶器官是胰腺,对β细胞和α细胞具有双向调节功能。GLP-1受体(GLP-1R)在多种器官和组织中广泛分布,包括中枢神经系统、心血管系统、胃肠道、肌肉和皮肤等。GLP-1具有葡萄糖浓度依赖性降糖作用,其受体激动剂(GLP-1RA)能模拟GLP-1的生理作用,是治疗糖尿病与肥胖症的重要药物,对心血管系统、中枢神经系统及肾脏等亦有保护作用[34]。近年来,随着对肠促胰素作用机制的深入了解, GLP-1RA药物的研发不断取得突破,从最初的短效GLP-1药物迭代至现今的长效GLP-1药物,治疗范围亦从降糖拓宽至减重,并有望拓展至慢性心血管疾病、慢性肾炎、非酒精性脂肪肝病和阿尔茨海默病等领域。

2.1 GLP-1改善胰岛β细胞功能

GLP-1RA具有多重生物学效应,可通过消除糖脂毒性、促进胰岛β细胞新生及抑制其凋亡等作用,改善T2DM患者胰岛素分泌功能和血糖控制水平,实现“标本兼治”的终极目标。

2.1.1 促进胰岛β细胞新生及抑制其凋亡: 一方面, GLP-1RA通过与G蛋白α亚基耦合,激活环磷酸腺苷(cAMP)/蛋白激酶A(PKA)信号通路,调控胰岛素受体底物2基因表达,从而促进胰岛β细胞新生和抑制其凋亡; 另一方面, GLP-1RA可经原癌基因酪氨酸蛋白激酶反式激活表皮生长因子受体,进而通过磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B信号通路发挥促进胰岛β细胞再生及抗凋亡作用[35]。

2.1.2 促进胰岛细胞转分化: 胰岛素抵抗小鼠除了会发生胰腺肥大,还会发生胰腺α细胞和β细胞比例失调、凋亡现象,司美格鲁肽可有效促进胰岛细胞增殖,恢复胰岛大小和α细胞、β细胞比例及功能,使机体维持适宜的葡萄糖、脂联素、瘦素、胰岛素、胰高糖素水平,降低白细胞介素(IL)-1β、IL-6、肿瘤坏死因子等促炎标志物水平,从而减轻胰岛素抵抗[36]。原α细胞产生的GLP-1可诱导成纤维细胞生长因子21(FGF21)表达, FGF21通过增加 PPAR-γ促进β细胞转录因子PDX-1和Ngn-3表达增加(PDX-1、Ngn3是胰腺发育和祖细胞分化为β细胞表型的重要转录因子),进而促进α细胞转分化为β细胞[37]。

2.1.3 改善胰岛β细胞外基质: 细胞外基质是由胶原蛋白、纤维连接蛋白、肌动蛋白等多种分子构成的三维网络结构,其在细胞凋亡、增殖、分化和表型稳定性等方面具有重要作用,是胰岛细胞正常发挥内分泌功能的基础,在T2DM的发病机制中起关键作用。司美格鲁肽可有效降低胰岛细胞外基质中硫酸肝素蛋白聚糖、透明质酸、硫酸素蛋白聚糖和胶原蛋白水平,同时减少细胞损伤相关淀粉样蛋白沉积的生成,从而有助于重建适宜胰岛功能修复的良好微环境[38]。

2.2 GLP-1通过调控铁代谢延缓T2DM发生发展

2.2.1 GLP-1减轻铁沉积、铁过载: 利拉鲁肽、艾塞那肽是临床常用的GLP-1类似物或GLP-1RA, 均可有效减轻胰岛细胞中的铁沉积、铁过载并改善胰岛β细胞功能,但具体机制有所不同。利拉鲁肽可通过降低转铁蛋白受体表达和增加铁输出蛋白表达而抑制铁沉积,并通过调控糖尿病小鼠肝脏中Nrf2/HO-1/GPX4信号通路而减少铁死亡[39-40]。利拉鲁肽还可增高血浆脂联素水平,降低炎性细胞因子和游离脂肪酸水平,进而减少脂肪酸氧化与过氧化物失衡诱导的铁死亡,且其降低血清游离脂肪酸水平的效果显著优于其他药物[41]。艾塞那肽通过促进胰岛素分泌,诱导Frataxin和Fe-S簇蛋白表达,降低氧化应激水平,进而改善葡萄糖稳态和线粒体功能,且其对背根神经节感觉神经元具有保护作用[42], 进一步阐明了铁稳态维持与胰岛β细胞功能储备之间的关系。

2.2.2 GLP-1抑制铁死亡: 铁死亡的2大特征是铁蓄积和脂质过氧化,而活性氧积累则是铁死亡的中心环节。T2DM发生发展过程中,胰岛β细胞脂质过氧化、抗氧化能力降低及线粒体形态结构改变与细胞铁死亡的病理过程是一致的。利拉鲁肽在减轻糖尿病小鼠铁沉积、氧化损伤、铁死亡和治疗T2DM相关并发症方面发挥至关重要的作用[43]。利拉鲁肽可通过逆转非酒精性脂肪肝中脂质代谢相关基因的异常表达,激活AMPK/ACC通路,有效减少不稳定铁池和细胞内活性氧的累积,控制脂质代谢并负向调节铁死亡,从而减轻T2DM相关非酒精性脂肪肝病情[44-45]。利拉鲁肽还可通过提高GPX4和谷氨酸/胱氨酸逆向转运蛋白的表达,抑制过量酰基辅酶合成酶长链家族成员4活性,降低机体氧化应激、脂质过氧化和铁过载水平,进一步抑制T2DM患者海马区的铁死亡,减轻对海马神经元和突触可塑性的损害,最终促进认知功能恢复[46]。细胞自噬参与调控铁死亡过程中铁依赖的脂质过氧化和活性氧累积,在高糖环境下,利拉鲁肽还可通过抑制糖尿病大鼠肾脏细胞自噬和铁死亡而发挥保护作用[47]。此外, GLP-1在糖尿病所致内皮细胞损伤中发挥保护作用,胡珂昕等[48]发现GLP-1及其小分子片段可减少晚期糖基化终末产物(AGE)诱导的人主动脉内皮细胞(HAEC)铁死亡,其机制可能与激活LKB1/AMPK信号通路有关。

总之,越来越多的研究证实铁代谢紊乱与T2DM及其慢性并发症的发生发展存在密切联系,体内低水平铁与肥胖密切相关,可增加T2DM发生风险。而体内铁超载可促进氧化应激反应激活和炎症反应发生,并损伤胰腺β细胞,进而导致T2DM的发生与发展。目前,关于铁代谢在糖尿病及其慢性并发症发生发展中具体机制的研究相对较少,未来还需探寻更多的证据支撑铁代谢作为干预T2DM及其相关并发症的新靶点。

3 总结与展望

当前研究已证实铁沉积、铁过载、铁死亡等病理性铁代谢途径可激活氧化应激、脂质过氧化、细胞自噬、细胞凋亡等生物过程,促进胰岛β细胞及靶器官炎症反应级联放大,降低抗氧化能力,从而促进T2DM及其并发症的发生与发展。血清铁水平较低则可增加肥胖或胰岛素抵抗等代谢性疾病的发生风险,因此,适宜的血清铁水平对维持糖代谢稳态具有重要作用。GLP-1类似物或GLP-1RA已逐渐被广泛应用于临床,其在调控机体铁代谢途径、改善铁代谢紊乱所致炎症反应方面发挥重要作用,可进一步促进胰岛β细胞增殖及分化,减轻胰岛素抵抗,抑制血管内皮细胞损伤及神经细胞退行性变。阐明该类药物在T2DM及其并发症防治中的潜在机制,或可为T2DM的精准治疗提供新的靶点和思路。但目前关于GLP-1类似物或GLP-1RA改善病理性铁代谢途径的基础研究仍较少,且涉及的信号转导通路尚未完全明确,有待进一步探索。