王文飛， 李德山

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150030）

2型糖尿病是一種由多種原因?qū)е碌?，以慢性高血糖為主要特征的代謝性疾病，目前臨床上尚無治愈的方法，患者需要終身服藥以維持血糖平穩(wěn)。糖尿病如果不能得到有效控制，可引起體內(nèi)多系統(tǒng)損害，導(dǎo)致眼、腎、神經(jīng)、心臟、血管等組織的慢性進行性病變，引起功能缺陷乃至衰竭。糖尿病因其并發(fā)癥多、致殘率高的特點已成為現(xiàn)階段全世界需要著力應(yīng)對的公共衛(wèi)生問題。國際糖尿病聯(lián)盟最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，目前全球糖尿病患者共有4.25億，比10年前增加近1倍，此外尚有3.52億人處于糖耐量受損狀態(tài)，這類人群具有極高的發(fā)病風(fēng)險。我國的糖尿病發(fā)病人數(shù)位列全球第一，目前我國成年人（20 ～ 79歲）中有1.14億人為糖尿病患者，用于糖尿病治療方面的費用超過千億元[1]。

盡管目前已有多種藥物用于糖尿病的臨床治療，但是這些藥物普遍存在低血糖、胃腸道反應(yīng)、肝腎功能損害、過敏反應(yīng)、加重心臟負擔(dān)等方面不良反應(yīng)。因此，開發(fā)理想的糖尿病治療藥物一直是醫(yī)藥研發(fā)領(lǐng)域的熱點。理想的糖尿病治療藥物需符合以下幾個要求：1）具有新穎的作用機制。目前傳統(tǒng)的降糖藥物多依賴于胰島素途徑，當(dāng)糖尿病患者處于嚴重的胰島素抵抗狀態(tài)時，多數(shù)藥物無法有效發(fā)揮作用，加量用藥則會大大提高副作用的發(fā)生率，所以開發(fā)不依賴胰島素通路、針對新靶點的降糖藥物勢在必行。2）與現(xiàn)有降糖藥物無拮抗。多數(shù)糖尿病患者需同時服用幾種藥物以控制病情，延緩并發(fā)癥的發(fā)生，因此，研發(fā)人員必須考慮新型藥物與傳統(tǒng)藥物的關(guān)聯(lián)性，最好是兩者有協(xié)同降糖效果。3）全面改善機體內(nèi)環(huán)境。隨著對糖尿病發(fā)病機制的研究，研究人員發(fā)現(xiàn)機體內(nèi)的脂代謝、氧化應(yīng)激、炎癥因子水平等都是糖尿病發(fā)生發(fā)展的危險因素。單純控制血糖而不解決上述因素，可能導(dǎo)致糖尿病病程后期對藥物的敏感性下降而影響治療效果。

基于以上認識，研究人員在研發(fā)時著重篩選符合上述要求的分子，目前已開發(fā)多個具備上述條件的分子，正在進行和準備進行臨床試驗。其中，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)李德山教授團隊和溫州醫(yī)科大學(xué)李校堃教授團隊分別研發(fā)的成纖維細胞生長因子21（ fi broblast growth factor 21，F(xiàn)GF-21）類似物就是其中的佼佼者。

1 成纖維細胞生長因子21功能概述

FGF-21是2000年發(fā)現(xiàn)的FGF家族的成員[2]，與該家族的其他成員不同，該因子不具備刺激細胞增殖的活性，但在調(diào)節(jié)機體物質(zhì)代謝方面表現(xiàn)出非比尋常的功 能。2005年，Kharitonenkov等[3]提 出，F(xiàn)GF-21可獨立誘導(dǎo)鼠3T3-L1脂肪細胞和人脂肪細胞糖吸收，效果顯著且持久。這一發(fā)現(xiàn)隨即引起了科研人員的廣泛關(guān)注。隨著研究的深入，越來越多的結(jié)果證實該細胞因子符合研究人員對理想糖尿病治療藥物的要求。

1.1 信號傳導(dǎo)途徑

與FGF家族的大部分成員一樣，F(xiàn)GF-21同樣通過成纖維細胞生長因子受體（ fi broblast growth factor receptors，F(xiàn)GFRs）傳遞信號。但是，與傳統(tǒng)的FGF成員不同的是，F(xiàn)GF-21結(jié)合FGFRs不依賴于肝素，而是需要另一個膜蛋白β-Klotho的輔助[4-5]。FGF-21分子的C端結(jié)合β-Klotho分子的胞外區(qū)后，在其幫助下繼續(xù)結(jié)合FGFR1c形成三聚體，誘導(dǎo)FGFR1c的磷酸化，啟動信號向細胞內(nèi)傳導(dǎo)[6]。已有研究證實，成纖維細胞生長因子受體底物2α（FGFR substrate 2α，F(xiàn)RS2α）、細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶1/2（extracellular regulated protein kinases 1/2，ERK1/2）、蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）等因子參與了FGF-21信號傳遞[7-8]，但是截至目前，研究人員對FGF-21信號在細胞內(nèi)的傳遞通路仍然不太清楚，未來仍然需要對FGF-21特有的信號傳導(dǎo)途徑進行進一步研究。

1.2 長效降糖活性

FGF-21降糖的長效性是其引起研究人員關(guān)注的重要原因，尤其是長時間應(yīng)用FGF-21刺激后，即使降低FGF-21作用劑量也能維持糖尿病模型鼠血糖水平平穩(wěn)[9-10]。最初研究人員試圖將FGF-21降糖的長效性歸功于FGF-21能夠顯著改善胰島素敏感性。但是最近的研究證明FGF-21對中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，CNS）的調(diào)節(jié)是造成該因子長效控制血糖平穩(wěn)的主要因素。肝臟或脂肪中beta-klotho基因被敲除的小鼠仍然能對FGF-21長時間的作用作出反應(yīng)[11-12]，而CNS上的beta-klotho基因被敲除后，F(xiàn)GF-21喪失了對機體血糖的調(diào)控能力[13-14]。以上研究結(jié)果證明：FGF-21調(diào)控機體代謝機制不僅僅局限在刺激肝臟、脂肪等傳統(tǒng)糖尿病治療藥物作用靶器官，還可以通過CNS調(diào)控交感神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)機體血糖平穩(wěn)。

1.3 與現(xiàn)有糖尿病治療藥物的協(xié)同作用

雖然FGF-21可不依賴現(xiàn)有降糖藥物獨立發(fā)揮作用，但該因子與胰島素等降糖藥物有顯著的協(xié)同效果。對胰島素途徑而言，F(xiàn)GF-21干預(yù)不僅能夠保護胰島細胞，改善機體內(nèi)源性胰島素的分泌，還能夠有效增強機體對胰島素的敏感性，緩解胰島素抵抗狀態(tài)，同時這2種蛋白疊加使用能夠顯現(xiàn)顯著的協(xié)同作用[3]。除胰島素外，也有報道指出利拉魯肽、二甲雙胍等常用糖尿病治療藥物也能與FGF-21產(chǎn)生協(xié)同作用或者直接通過促進FGF-21分泌來發(fā)揮自身的降糖活性[15-16]。

1.4 對糖尿病發(fā)病因素的緩解作用

糖尿病的治療不應(yīng)局限于糖代謝，而是需全方面調(diào)理機體的內(nèi)環(huán)境。例如改善脂代謝、糾正慢性低度炎癥反應(yīng)以及改善氧化應(yīng)激水平等方面，F(xiàn)GF-21表現(xiàn)得尤為出色。嚙齒類和靈長類動物實驗中，F(xiàn)GF-21都顯示了卓越的血脂調(diào)節(jié)能力[17-18]。此外，F(xiàn)GF-21對機體炎癥水平也有重要的調(diào)節(jié)作用：一方面，F(xiàn)GF-21通過改善脂肪代謝，減少機體脂肪細胞堆積來降低脂肪源炎癥因子表達[18]；另一方面，F(xiàn)GF-21還可以直接抑制不同細胞內(nèi)核因子 κB (nuclear factor kappa-B，NF-κB) 通路的過度活化[19]，緩解機體炎癥反應(yīng)[20]。FGF-21在改善機體氧化應(yīng)激上也有突出的表現(xiàn)，筆者課題組發(fā)現(xiàn)FGF-21可通過NrF2通路直接上調(diào)抗氧化酶系的表達，顯著降低機體內(nèi)活性氧 (reactive oxy gen species，ROS)和丙二醛 (malondialdehyde，MDA)含量[21-22]。

1.5 安全性

糖尿病患者需終身服藥，因此FGF-21的安全性評價對其能否成為糖尿病治療藥物至關(guān)重要。促進細胞增殖是大部分FGF家族成員主要的活性特征，而該活性意味著潛在的致癌作用，因此，研究人員非常關(guān)注FGF-21是否具有類似的功能。慶幸的是，截至目前，尚未見提示FGF-21有類似功能的報道。當(dāng)然，在上千篇報道中，研究人員在嚙齒類動物實驗中發(fā)現(xiàn)FGF-21也會誘發(fā)一些不良反應(yīng)，例如降低骨密度和抑制生殖能力等[23-24]，但這些結(jié)果與靈長類動物研究以及臨床調(diào)查結(jié)果并不一致[25-26]。而且也有研究證明，F(xiàn)GF-21對嚙齒類動物骨骼生長和生殖能力的影響并非直接的生物學(xué)作用，而是由于FGF-21引起的大量能量消耗，從而導(dǎo)致的營養(yǎng)不足[27]。此外，有報道稱FGF-21高表達可顯著延長嚙齒類動物的壽命[28]。美國FDA也批準了多個FGF-21類似物進入臨床研究。因此，至今尚沒有證據(jù)證實FGF-21對人體產(chǎn)生嚴重的副作用。

2 臨床試驗進展

鑒于FGF-21調(diào)節(jié)機體代謝尤其是糖代謝的優(yōu)異作用，眾多醫(yī)藥公司將其視為治療糖尿病等代謝性疾病的潛在藥物，而投入大量的人力、物力進行研究。禮來是世界上首個嘗試利用FGF-21類似物治療糖尿病的公司，在給肥胖和糖尿病患者應(yīng)用FGF-21類似物28 d后，患者的血脂異常得到顯著緩解，胰島素水平降低，但意外的是血糖水平只是顯示了輕微的劑量依賴性下降傾向，效果并不顯著[29]。輝瑞公司其后也進行了相應(yīng)的為期29 d的臨床試驗，其結(jié)果與禮來公司的數(shù)據(jù)相似，輝瑞公司的FGF-21類似物PF-05231023能夠改善患者體質(zhì)量和血脂，但是對血糖的調(diào)控并不明顯[14]。近期發(fā)表的文獻顯示，在為期12周和16周的臨床試驗中，聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）修飾的FGF-21類似物對脂肪肝治療表現(xiàn)出優(yōu)異的治療效果，并降低了肥胖及糖尿病患者的胰島素抵抗水平，但是對糖化血紅蛋白水平?jīng)]有顯著的影響[30-31]。雖然與嚙齒類動物相比，人體的棕色脂肪含量較低，脂肪介導(dǎo)的能量消耗占總體能量消耗不如嚙齒類動物，從而間接導(dǎo)致FGF-21在人體上展現(xiàn)的生物學(xué)活性弱于嚙齒類動物，但是，以上結(jié)果也提示FGF-21的生物學(xué)活性可能存在種屬特異性[32]。

3 國內(nèi)成纖維細胞生長因子21的轉(zhuǎn)化研究進展

3.1 應(yīng)用研究

與科學(xué)研究不同，應(yīng)用研究在探討產(chǎn)品功能的同時，也著重于解決影響產(chǎn)品上市的實際問題，例如是否有專利權(quán)、生產(chǎn)工藝等。由于FGF-21野生型分子序列已被國外申請專利，所以獲得擁有自主產(chǎn)權(quán)的分子是FGF-21應(yīng)用研究的首個問題，此外，野生型FGF-21也具有制約其成為新型糖尿病治療藥物的瓶頸問題——半衰期短。因此，研究人員必須通過大量實驗來尋找最優(yōu)的蛋白改造方法，一方面是通過改造蛋白來獲得具有自主知識產(chǎn)權(quán)的候選分子，另一方面也是希望通過改造基因以解決野生型FGF-21半衰期短的問題。筆者所在團隊在對鼠源FGF-21多個氨基酸進行人源化修飾后，結(jié)合蛋白C端修飾，最終所得的人源化FGF-21重組蛋白——“脂糖素”的降糖活性不僅優(yōu)于野生型蛋白，還顯著優(yōu)于商品化的長效降糖藥物利拉魯肽和甘精胰島素。這些研究結(jié)果為最后獲得擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品打下了堅實的基礎(chǔ)[33-34]。除了獲得蛋白的專利權(quán)外，建立高效穩(wěn)定的蛋白生產(chǎn)工藝，也是推動FGF-21走向轉(zhuǎn)化應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。野生型FGF-21蛋白熱穩(wěn)定性差，體外生產(chǎn)時產(chǎn)量較低，且該因子在體外不與任何物質(zhì)發(fā)生可逆性親和，增加了純化難度。為達到利用原核表達平臺高效生產(chǎn)FGF-21重組蛋白的目的，研究人員利用SUMO融合表達技術(shù)[35]建立了大腸桿菌可溶性表達體系，利用蛋白修飾和親和色譜相結(jié)合的方法獲得了純度達到99.5%的FGF-21重組蛋白，并利用PEG修飾延長FGF-21在體內(nèi)的半衰期[8,9,36]。

3.2 基礎(chǔ)研究推動成纖維細胞生長因子21順利轉(zhuǎn)化

科技成果轉(zhuǎn)化是推動我國高質(zhì)量發(fā)展的重要技術(shù)支撐，推動FGF-21走向應(yīng)用是筆者所在團隊在研究初期就設(shè)立的目標。目前，“脂糖素”已轉(zhuǎn)讓天津天士力制藥集團有限公司，雙方正積極推進其進入臨床試驗。此外，溫州醫(yī)科大學(xué)李校堃團隊研發(fā)的FGF-21類似物也已經(jīng)完成了臨床前所有的準備工作，目前正在申請臨床試驗，預(yù)計2019年可拿到臨床試驗許可。這2個團隊之所以能夠穩(wěn)步推進FGF-21轉(zhuǎn)化，主要原因就是兩者能夠很好地平衡基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究之間的關(guān)系。在進行應(yīng)用研究的同時，2個團隊一直未放松在FGF-21作用機制等方面的基礎(chǔ)研究，并取得多項重要的研究成果。例如李校堃團隊報道FGF-21/adipnectin軸在FGF-21生物學(xué)活性中的作用[37]，為深入了解該因子的功能提供了重要的理論依據(jù)。理論研究不僅堅定了筆者所在團隊開發(fā)FGF-21的信心，也有助于對FGF-21藥用價值進行深入開發(fā)。結(jié)合基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)，筆者所在團隊和李校堃團隊陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了FGF-21對肝癌[38]、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎[39]、肝纖維化[40-41]、動脈粥樣硬化等疾病的治療效果[42]，引起了國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注，從而加快了轉(zhuǎn)化進程。由此可見，堅實的基礎(chǔ)研究是科研成果最終能成功轉(zhuǎn)化的基石。

4 展望

大量研究結(jié)果證明，脂代謝異常、炎癥和氧化應(yīng)激是胰島素抵抗，進而發(fā)展成為2型糖尿病的病理基礎(chǔ)，持續(xù)高血糖又進一步惡化了體內(nèi)炎癥和氧化應(yīng)激環(huán)境，從而引起大血管、微血管、視網(wǎng)膜、腎損傷等并發(fā)癥，甚至導(dǎo)致死亡。筆者所在團隊和國內(nèi)外同行的研究結(jié)果都證明，F(xiàn)GF-21不僅可以同步調(diào)節(jié)血糖/血脂，還可以有效緩解2型糖尿病的炎癥和氧化應(yīng)激狀態(tài)，并降低由持續(xù)高血糖引起的晚期糖基化終末產(chǎn)物的水平，從而減少和防止糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生和發(fā)展。迄今為止，國內(nèi)外還沒有任何降糖藥物像FGF-21那樣，全面、系統(tǒng)地改善2型糖尿病的病理狀態(tài)。上述研究結(jié)果使FGF-21脫穎而出，有望成為治療糖尿病的理想藥物。我國不論在FGF-21的應(yīng)用研究還是基礎(chǔ)研究方面都處于國際領(lǐng)先的地位，在我國當(dāng)前科技成果轉(zhuǎn)化效率低的大環(huán)境下，治療糖尿病的FGF-21類似物率先將基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)化為應(yīng)用研究，將應(yīng)用研究成果向產(chǎn)業(yè)化推進，有望在世界率先推向臨床，成為我國自主創(chuàng)新的新型2型糖尿病治療藥物。