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磺脲类药物降血糖机制的深入探讨

磺脲类药物是一类最早发现且应用广泛的口服降糖药物。历经 60 余年的研究与发展,磺脲类药物从第一代的甲苯磺丁脲、氯磺丙脲、妥拉磺脲、醋磺己脲进展到第二代的格列本脲、格列吡嗪、格列齐特、格列喹酮、格列波脲,以及最新的第二代磺脲类降糖药格列美脲,确切的降糖疗效使其在口服降糖药物中占有重要的地位。本文拟就磺脲类药物降血糖机制的研究进展进行深入探讨。

1 胰腺内降糖作用机制

1.1 刺激胰岛素分泌机制 

胰岛β细胞分泌胰岛素受营养物质、神经递质和激素的精确调控,它们的作用部位可分为改变胞内第二信使物质水平的近端调节步骤 (Ca2+ 依赖性) 和直接作用于胞吐分子构件的末端调节步骤 (Ca2+ 非依赖性)。葡萄糖等营养物质主要通过转运、磷酸化和氧化代谢升高胞内的 ATP/ADP 比率,导致 KATP 关闭,细胞膜去极化,Ca2+ 内流这一途径增加胰岛素的分泌。磺脲类药物刺激胰岛β细胞分泌胰岛素的分子机制包括以下途径:

1.1.1 依赖 KATP 的途径 

KATP 是由调节亚基磺脲类受体 1(Sulfonylurea receptor 1,SUR1) 和通道形成亚基内向整流钾通道 (Kir6.2) 按 1:1 比例组成的异源性八聚体 (SUR1/Kir6.2)。Kir6.2 形成通道的核心,感知内源性 ATP 的活性。

而 SUR1 作为 ATP 结合盒转运蛋白超家族中的一员,提供与 Mg-ADP 相互作用的结合位点。磺脲类药物通过特异性结合于β细胞膜上的 SUR1,关闭 K 通道,细胞内 K 外流受阻,胞内 K 升高,使细胞膜去极化,从而触发 L 型电压依赖性 Ca2+ 通道开放,细胞外 Ca2+ 内流增加,胞浆内 Ca2+ 浓度升高,促进内含胰岛素原的囊泡和细胞膜结合及囊泡内容物外吐,从而完成刺激胰岛β细胞向外分泌胰岛素的过程 [1]

这一过程可能由 Ca2+ /钙调蛋白依赖的蛋白激酶 (Ca2+ /calmodulin-dependent protein kinase,CaMK) 介导。人类编码 Kir6.2,SUR1 基因 KCNJ11 、 ABCC8 的失活突变可以导致过量的胰岛素分泌,这也是婴儿持续性高胰岛素血症性低血糖症的主要病因;而 KCNJ11 和 ABCC8 的激活突变则通过影响胰岛素分泌,导致糖尿病的发生 [2]

1.1.2 非 K ATP 依赖的途径 

SUR1 或 Kir6.2 基因敲除的小鼠研究 [3] 显示,尽管 KATP 缺乏,细胞膜持续性去极化,但进食后仍能调节胰岛素分泌,提示存在非 KATP 依赖的胰岛素分泌途径。近十年来研究发现,磺脲类药物并不局限于与β细胞膜上的 SUR 结合。

研究显示,[3H] 标记的格列美脲和 [3H] 标记的格列本脲还可与β细胞内胰岛素分泌颗粒膜上的一种相对分子质量为 65000Da 的蛋白 (gSUR) 结合,使分泌颗粒内的 pH 值明显降低,引起分泌颗粒的胞吐分泌,从而增加胰岛β细胞的胰岛素释放量。在电压钳夹的β细胞,磺脲类药物可不通过关闭 KATP 而直接加强 Ca2+ 依赖的胰岛素分泌作用。这些均提示磺脲类药物具有不依赖 KATP 通道的促胰岛素分泌作用。

Renstrom 等 [4] 阐述了相关的分子模式:分泌颗粒内 pH 值降低是胰岛素分泌颗粒释放的必要条件,胰岛素分泌颗粒膜上的 v 型质子泵 (v-H+ -ATPase) 负责将 H+ 泵入分泌颗粒内使颗粒内环境酸化,这一过程需要颗粒膜上的 ClC-3 Cl- 通道同时将 Cl- 转运入颗粒内以保持电中性。磺脲类药物与胰岛素分泌颗粒膜上的 gSUR 结合后,引起与之偶联的 ClC-3 Cl- 通道活性增加,后者与分泌颗粒膜上的 v-H+ -ATPase 协同作用,分别将细胞质中的 Cl- 和 H+ 转运入分泌颗粒内,使颗粒内的微环境极度酸化,从而引起胰岛素以胞吐方式分泌 (见图 1)。

注:DIDS 4,4'-二异硫氰酸二丙乙烯-2,2'-二磺酸,一种非选择性的Cl-通道阻滞剂;g-SUR 相对分子质量为65000Da的磺脲类受体蛋白;ClC 氯离子通道;v-H+ -ATPase v-型质子泵

图1 磺脲类药物直接加强Ca2+ 依赖的促胰岛素分泌作用模式 [4]1.1.3 Epac2A-Rap1 途径

Epac2 作为小分子鸟苷三磷酸酶 Rap1 的鸟嘌呤核苷酸交换因子,可被腺苷 3'5'-单磷酸 (cyclic adenosine monophosphate,cAMP) 激活。早先的研究 [5] 显示,Epac2 可以介导非蛋白激酶 A 依赖的 cAMP 触发的胰岛素分泌。在胰岛β细胞,Epac2A/Rap1 信号通路被认为参与介导葡萄糖诱导的一相胰岛素分泌 [6]

2009 年,Zhang 等 [7] 通过荧光共振能量转移和结合实验发现,磺脲类药物能够直接作用于 Epac2,活化 Rap1。缺乏 Epac2 小鼠的体外和体内实验显示,磺脲类药物刺激胰岛素分泌的作用均显著减少,甲苯磺丁脲降糖作用在这些小鼠中亦有所下降。

现已发现,Epac2 具有 3 种亚型 Epac2A、Epac2B 和 Epac2C。通过分子对接模拟的方法,Takahashi 等 [8] 进一步明确了磺脲类药物的结合位点位于 Epac2A 的环核苷酸结合结构域 A(cNBD-A)。根据结合位点的不同,磺脲类药物可以分成 3 组:

①与 4 个氨基酸作用 (半胱氨酸 105、甘氨酸 114、丝氨酸 116 和组氨酸 124),较低浓度即可激活 Epac2A,包括格列本脲、格列吡嗪、格列美脲和醋磺己脲;

②与 3 个氨基酸作用 (甘氨酸 114、丝氨酸 116 和组氨酸 124),较高浓度激活 Epac2A,包括甲苯磺丁脲和氯磺丙脲;

③与 1 个氨基酸作用 (甘氨酸 114),不能激活 Epac2A,如格列齐特。

而 cAMP 结合于 Epac2A 的环核苷酸结合结构域 B(cNBD-B),与磺脲类药物协同激活 Epac2A。鉴于肠促胰岛素 (Incretin) 通过 cAMP 系统促进胰岛素分泌,因此,Epac2A-Rap1 途径可以增强 Incretin 和磺脲类药物联用时的促胰岛素分泌作用 [9] 。这种联合治疗模式有助于强化 2 型糖尿病患者的血糖控制,但同时也增加低血糖风险。这种增强效应依赖于磺脲类药物的结构,当胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1,GLP-1) 受体激动剂与格列美脲或格列本脲联用时,胰岛素分泌显著增加;而与格列齐特联用时,胰岛素分泌增加相当轻微 (见图 2) [10]


注:AC 腺苷酸环化酶;Δψ 膜去极化;Incretin 肠促胰岛素;Gs Gs蛋白;Gi Gi蛋白;SU 磺脲类药物;SUR1 磺脲类受体1;VDDC 电压依赖性Ca2+ 通道
图2 Epac2A是磺脲类药物和cAMP的共同靶点 [10]

1.2 对胰岛素分泌时相的影响 

大鼠体外胰腺灌注模型 [11,12] 显示,骤然升高葡萄糖浓度可以触发胰岛素的双相分泌。无论环境中葡萄糖水平如何,加入甲苯磺丁脲、格列吡嗪和格列喹酮均可诱导出双相的胰岛素分泌,随着药物灌注的停止,胰岛素迅速恢复至基础水平。而格列本脲常常诱导出延迟的单相胰岛素分泌,在药物停止输注后胰岛素达到最大值。格列美脲促进胰岛素的分泌模式又与以上两种模式不同。与甲苯磺丁脲、格列吡嗪和格列喹酮相比,格列美脲可以延长二相胰岛素的分泌;而与格列本脲相比,格列美脲可快速诱导一相胰岛素的释放 [13]

人体高葡萄糖钳夹试验亦可呈现两个时相的胰岛素分泌曲线。早期的研究 [14,15] 显示,格列吡嗪和格列本脲可以促进非糖尿病个体一相和二相胰岛素分泌,而对于 2 型糖尿病患者仅增加二相胰岛素分泌,但格列美脲和甲苯磺丁脲均可增加 2 型糖尿病患者的一相胰岛素分泌 [16,17]

磺脲类药物除对胰岛β细胞具有直接刺激作用外,还具有很多胰腺外作用 [18] 。葡萄糖钳夹技术研究显示,磺脲类药物可使人体外周葡萄糖利用增加 10%~52%(平均 29%)。但也有研究者认为,此作用可能继发于葡萄糖毒性作用的改善。体外研究显示,格列美脲和格列本脲可呈浓度依赖性地刺激肌肉和脂肪细胞的糖原合成和脂质合成,提示磺脲类药物具有独特的拟胰岛素和胰岛素增敏作用。

2 胰腺外降糖作用机制

2.1 拟胰岛素作用 

以格列美脲为例,其拟胰岛素信号是由吞饮小泡 (caveolae)/不溶于去污剂的富含糖脂筏 (detergent-insoluble glycolipid-enriched rafts,DIGs) 所介导。其可能的分子模式 [19,20] 为:格列美脲以一种时间依赖且不可饱和的方式直接插入脂肪细胞/肌细胞细胞膜上的 Caveolae/DIGs 区紧靠糖基磷脂酰肌醇 (glycosylphosphatidylinosi-tol,GPI)-脂质的部位,通过直接影响 DIGs 的结构/组成和 (或) 通过诱导 GPI-磷脂酶 C(phospholipase C,PLC) 的激活,使 GPI-脂质/蛋白从 DIGs 释放,进而引起特异性的 DIG/Caveolae 成分的重新分布。

结果,酰化的 pp59Lyn(一种非受体酪氨酸激酶) 从 Caveolin 分离并迁移至细胞膜的非 DIG 区而被解除抑制。这些过程伴随着 Caveolin 的酪氨酸磷酸化,进一步使 pp59Lyn 和 Caveolin 间的相互作用失去稳定或抑制它们重新结合。被活化的 pp59Lyn 使胰岛素受体底物 (insulin receptor substrate,IRS) 蛋白在特定的酪氨酸残基磷酸化,进而发动代谢性的拟胰岛素信号,通过磷脂酰肌醇 3 激酶 (phosphatidylinositol 3-kinase,PI-3K) 通路沿着 IRS 下游的胰岛素信号级联传向脂质和糖原合成途径及葡萄糖转运蛋白-4(glucose transporter 4,GLUT-4) 转位。

格列美脲还可激活细胞内特异的蛋白磷酸化酶而促进 GLUT-4/1 的转位,激活糖原合成酶,降低糖原合成酶激酶 3 的活性,从而促进外周组织葡萄糖的利用 [20] 。人体研究已证实,格列美脲具有改善胰岛素敏感性的能力。经格列美脲治疗的 2 型糖尿病患者,在血糖控制,即糖化血红蛋白 (hemoglobin A1c,HbA 1c ) 平稳的情况下,稳态模型胰岛素抵抗指数 (Methods The homeostasis model assessment of insulin resistance,HOMA-IR) 评估的胰岛素抵抗状态显著降低 [21]

2.2 激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ 

体外研究 [22-24] 还显示,有些磺脲类药物如格列美脲、格列本脲、格列喹酮和格列吡嗪具有激活脂肪细胞过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferators-activated receptor γ,PPAR-γ) 转录活性的能力。

其中,格列吡嗪作用较弱,格列美脲和格列喹酮均可在药理浓度范围内激活 PPAR-γ的转录活性,格列美脲在高浓度时可以竞争性抑制罗格列酮的作用 [23] ,而格列喹酮在诱导 PPAR-γ目的基因表达的能力上与吡格列酮相当 [24] 。磺脲类药物激活 PPAR-γ的这一胰腺外作用是否有助于改善 2 型糖尿病患者的胰岛素抵抗状态,亦或是否增加磺脲类药物心血管事件的风险尚有待临床数据的验证。

文章内容转载自药品评价杂志 2017 年第 4 期

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