成纤维细胞生长因子21在糖尿病中的转化应用研究进展

王文飞， 李德山

（东北农业大学生命科学学院, 黑龙江 哈尔滨 150030）

2型糖尿病是一种由多种原因导致的，以慢性高血糖为主要特征的代谢性疾病，目前临床上尚无治愈的方法，患者需要终身服药以维持血糖平稳。糖尿病如果不能得到有效控制，可引起体内多系统损害，导致眼、肾、神经、心脏、血管等组织的慢性进行性病变，引起功能缺陷乃至衰竭。糖尿病因其并发症多、致残率高的特点已成为现阶段全世界需要着力应对的公共卫生问题。国际糖尿病联盟最新的统计数据显示，目前全球糖尿病患者共有4.25亿，比10年前增加近1倍，此外尚有3.52亿人处于糖耐量受损状态，这类人群具有极高的发病风险。我国的糖尿病发病人数位列全球第一，目前我国成年人（20 ～ 79岁）中有1.14亿人为糖尿病患者，用于糖尿病治疗方面的费用超过千亿元[1]。

尽管目前已有多种药物用于糖尿病的临床治疗，但是这些药物普遍存在低血糖、胃肠道反应、肝肾功能损害、过敏反应、加重心脏负担等方面不良反应。因此，开发理想的糖尿病治疗药物一直是医药研发领域的热点。理想的糖尿病治疗药物需符合以下几个要求：1）具有新颖的作用机制。目前传统的降糖药物多依赖于胰岛素途径，当糖尿病患者处于严重的胰岛素抵抗状态时，多数药物无法有效发挥作用，加量用药则会大大提高副作用的发生率，所以开发不依赖胰岛素通路、针对新靶点的降糖药物势在必行。2）与现有降糖药物无拮抗。多数糖尿病患者需同时服用几种药物以控制病情，延缓并发症的发生，因此，研发人员必须考虑新型药物与传统药物的关联性，最好是两者有协同降糖效果。3）全面改善机体内环境。随着对糖尿病发病机制的研究，研究人员发现机体内的脂代谢、氧化应激、炎症因子水平等都是糖尿病发生发展的危险因素。单纯控制血糖而不解决上述因素，可能导致糖尿病病程后期对药物的敏感性下降而影响治疗效果。

基于以上认识，研究人员在研发时着重筛选符合上述要求的分子，目前已开发多个具备上述条件的分子，正在进行和准备进行临床试验。其中，东北农业大学李德山教授团队和温州医科大学李校堃教授团队分别研发的成纤维细胞生长因子21（ fi broblast growth factor 21，FGF-21）类似物就是其中的佼佼者。

1 成纤维细胞生长因子21功能概述

FGF-21是2000年发现的FGF家族的成员[2]，与该家族的其他成员不同，该因子不具备刺激细胞增殖的活性，但在调节机体物质代谢方面表现出非比寻常的功 能。2005年，Kharitonenkov等[3]提 出，FGF-21可独立诱导鼠3T3-L1脂肪细胞和人脂肪细胞糖吸收，效果显著且持久。这一发现随即引起了科研人员的广泛关注。随着研究的深入，越来越多的结果证实该细胞因子符合研究人员对理想糖尿病治疗药物的要求。

1.1 信号传导途径

与FGF家族的大部分成员一样，FGF-21同样通过成纤维细胞生长因子受体（ fi broblast growth factor receptors，FGFRs）传递信号。但是，与传统的FGF成员不同的是，FGF-21结合FGFRs不依赖于肝素，而是需要另一个膜蛋白β-Klotho的辅助[4-5]。FGF-21分子的C端结合β-Klotho分子的胞外区后，在其帮助下继续结合FGFR1c形成三聚体，诱导FGFR1c的磷酸化，启动信号向细胞内传导[6]。已有研究证实，成纤维细胞生长因子受体底物2α（FGFR substrate 2α，FRS2α）、细胞外调节蛋白激酶1/2（extracellular regulated protein kinases 1/2，ERK1/2）、蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）等因子参与了FGF-21信号传递[7-8]，但是截至目前，研究人员对FGF-21信号在细胞内的传递通路仍然不太清楚，未来仍然需要对FGF-21特有的信号传导途径进行进一步研究。

1.2 长效降糖活性

FGF-21降糖的长效性是其引起研究人员关注的重要原因，尤其是长时间应用FGF-21刺激后，即使降低FGF-21作用剂量也能维持糖尿病模型鼠血糖水平平稳[9-10]。最初研究人员试图将FGF-21降糖的长效性归功于FGF-21能够显著改善胰岛素敏感性。但是最近的研究证明FGF-21对中枢神经系统（central nervous system，CNS）的调节是造成该因子长效控制血糖平稳的主要因素。肝脏或脂肪中beta-klotho基因被敲除的小鼠仍然能对FGF-21长时间的作用作出反应[11-12]，而CNS上的beta-klotho基因被敲除后，FGF-21丧失了对机体血糖的调控能力[13-14]。以上研究结果证明：FGF-21调控机体代谢机制不仅仅局限在刺激肝脏、脂肪等传统糖尿病治疗药物作用靶器官，还可以通过CNS调控交感神经系统调节机体血糖平稳。

1.3 与现有糖尿病治疗药物的协同作用

虽然FGF-21可不依赖现有降糖药物独立发挥作用，但该因子与胰岛素等降糖药物有显著的协同效果。对胰岛素途径而言，FGF-21干预不仅能够保护胰岛细胞，改善机体内源性胰岛素的分泌，还能够有效增强机体对胰岛素的敏感性，缓解胰岛素抵抗状态，同时这2种蛋白叠加使用能够显现显著的协同作用[3]。除胰岛素外，也有报道指出利拉鲁肽、二甲双胍等常用糖尿病治疗药物也能与FGF-21产生协同作用或者直接通过促进FGF-21分泌来发挥自身的降糖活性[15-16]。

1.4 对糖尿病发病因素的缓解作用

糖尿病的治疗不应局限于糖代谢，而是需全方面调理机体的内环境。例如改善脂代谢、纠正慢性低度炎症反应以及改善氧化应激水平等方面，FGF-21表现得尤为出色。啮齿类和灵长类动物实验中，FGF-21都显示了卓越的血脂调节能力[17-18]。此外，FGF-21对机体炎症水平也有重要的调节作用：一方面，FGF-21通过改善脂肪代谢，减少机体脂肪细胞堆积来降低脂肪源炎症因子表达[18]；另一方面，FGF-21还可以直接抑制不同细胞内核因子 κB (nuclear factor kappa-B，NF-κB) 通路的过度活化[19]，缓解机体炎症反应[20]。FGF-21在改善机体氧化应激上也有突出的表现，笔者课题组发现FGF-21可通过NrF2通路直接上调抗氧化酶系的表达，显著降低机体内活性氧 (reactive oxy gen species，ROS)和丙二醛 (malondialdehyde，MDA)含量[21-22]。

1.5 安全性

糖尿病患者需终身服药，因此FGF-21的安全性评价对其能否成为糖尿病治疗药物至关重要。促进细胞增殖是大部分FGF家族成员主要的活性特征，而该活性意味着潜在的致癌作用，因此，研究人员非常关注FGF-21是否具有类似的功能。庆幸的是，截至目前，尚未见提示FGF-21有类似功能的报道。当然，在上千篇报道中，研究人员在啮齿类动物实验中发现FGF-21也会诱发一些不良反应，例如降低骨密度和抑制生殖能力等[23-24]，但这些结果与灵长类动物研究以及临床调查结果并不一致[25-26]。而且也有研究证明，FGF-21对啮齿类动物骨骼生长和生殖能力的影响并非直接的生物学作用，而是由于FGF-21引起的大量能量消耗，从而导致的营养不足[27]。此外，有报道称FGF-21高表达可显著延长啮齿类动物的寿命[28]。美国FDA也批准了多个FGF-21类似物进入临床研究。因此，至今尚没有证据证实FGF-21对人体产生严重的副作用。

2 临床试验进展

鉴于FGF-21调节机体代谢尤其是糖代谢的优异作用，众多医药公司将其视为治疗糖尿病等代谢性疾病的潜在药物，而投入大量的人力、物力进行研究。礼来是世界上首个尝试利用FGF-21类似物治疗糖尿病的公司，在给肥胖和糖尿病患者应用FGF-21类似物28 d后，患者的血脂异常得到显著缓解，胰岛素水平降低，但意外的是血糖水平只是显示了轻微的剂量依赖性下降倾向，效果并不显著[29]。辉瑞公司其后也进行了相应的为期29 d的临床试验，其结果与礼来公司的数据相似，辉瑞公司的FGF-21类似物PF-05231023能够改善患者体质量和血脂，但是对血糖的调控并不明显[14]。近期发表的文献显示，在为期12周和16周的临床试验中，聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）修饰的FGF-21类似物对脂肪肝治疗表现出优异的治疗效果，并降低了肥胖及糖尿病患者的胰岛素抵抗水平，但是对糖化血红蛋白水平没有显著的影响[30-31]。虽然与啮齿类动物相比，人体的棕色脂肪含量较低，脂肪介导的能量消耗占总体能量消耗不如啮齿类动物，从而间接导致FGF-21在人体上展现的生物学活性弱于啮齿类动物，但是，以上结果也提示FGF-21的生物学活性可能存在种属特异性[32]。

3 国内成纤维细胞生长因子21的转化研究进展

3.1 应用研究

与科学研究不同，应用研究在探讨产品功能的同时，也着重于解决影响产品上市的实际问题，例如是否有专利权、生产工艺等。由于FGF-21野生型分子序列已被国外申请专利，所以获得拥有自主产权的分子是FGF-21应用研究的首个问题，此外，野生型FGF-21也具有制约其成为新型糖尿病治疗药物的瓶颈问题——半衰期短。因此，研究人员必须通过大量实验来寻找最优的蛋白改造方法，一方面是通过改造蛋白来获得具有自主知识产权的候选分子，另一方面也是希望通过改造基因以解决野生型FGF-21半衰期短的问题。笔者所在团队在对鼠源FGF-21多个氨基酸进行人源化修饰后，结合蛋白C端修饰，最终所得的人源化FGF-21重组蛋白——“脂糖素”的降糖活性不仅优于野生型蛋白，还显著优于商品化的长效降糖药物利拉鲁肽和甘精胰岛素。这些研究结果为最后获得拥有自主知识产权的产品打下了坚实的基础[33-34]。除了获得蛋白的专利权外，建立高效稳定的蛋白生产工艺，也是推动FGF-21走向转化应用的重要环节。野生型FGF-21蛋白热稳定性差，体外生产时产量较低，且该因子在体外不与任何物质发生可逆性亲和，增加了纯化难度。为达到利用原核表达平台高效生产FGF-21重组蛋白的目的，研究人员利用SUMO融合表达技术[35]建立了大肠杆菌可溶性表达体系，利用蛋白修饰和亲和色谱相结合的方法获得了纯度达到99.5%的FGF-21重组蛋白，并利用PEG修饰延长FGF-21在体内的半衰期[8,9,36]。

3.2 基础研究推动成纤维细胞生长因子21顺利转化

科技成果转化是推动我国高质量发展的重要技术支撑，推动FGF-21走向应用是笔者所在团队在研究初期就设立的目标。目前，“脂糖素”已转让天津天士力制药集团有限公司，双方正积极推进其进入临床试验。此外，温州医科大学李校堃团队研发的FGF-21类似物也已经完成了临床前所有的准备工作，目前正在申请临床试验，预计2019年可拿到临床试验许可。这2个团队之所以能够稳步推进FGF-21转化，主要原因就是两者能够很好地平衡基础研究与应用研究之间的关系。在进行应用研究的同时，2个团队一直未放松在FGF-21作用机制等方面的基础研究，并取得多项重要的研究成果。例如李校堃团队报道FGF-21/adipnectin轴在FGF-21生物学活性中的作用[37]，为深入了解该因子的功能提供了重要的理论依据。理论研究不仅坚定了笔者所在团队开发FGF-21的信心，也有助于对FGF-21药用价值进行深入开发。结合基础研究数据，笔者所在团队和李校堃团队陆续发现了FGF-21对肝癌[38]、类风湿性关节炎[39]、肝纤维化[40-41]、动脉粥样硬化等疾病的治疗效果[42]，引起了国内外同行的广泛关注，从而加快了转化进程。由此可见，坚实的基础研究是科研成果最终能成功转化的基石。

4 展望

大量研究结果证明，脂代谢异常、炎症和氧化应激是胰岛素抵抗，进而发展成为2型糖尿病的病理基础，持续高血糖又进一步恶化了体内炎症和氧化应激环境，从而引起大血管、微血管、视网膜、肾损伤等并发症，甚至导致死亡。笔者所在团队和国内外同行的研究结果都证明，FGF-21不仅可以同步调节血糖/血脂，还可以有效缓解2型糖尿病的炎症和氧化应激状态，并降低由持续高血糖引起的晚期糖基化终末产物的水平，从而减少和防止糖尿病并发症的发生和发展。迄今为止，国内外还没有任何降糖药物像FGF-21那样，全面、系统地改善2型糖尿病的病理状态。上述研究结果使FGF-21脱颖而出，有望成为治疗糖尿病的理想药物。我国不论在FGF-21的应用研究还是基础研究方面都处于国际领先的地位，在我国当前科技成果转化效率低的大环境下，治疗糖尿病的FGF-21类似物率先将基础研究转化为应用研究，将应用研究成果向产业化推进，有望在世界率先推向临床，成为我国自主创新的新型2型糖尿病治疗药物。