2型糖尿病临床病程的特点是β细胞量的进行性下降。β细胞量的变化反映了β细胞新生、胰岛新生和β细胞凋亡之间平衡的偏移。在糖尿病患者中，给予外源性胰高糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1，GLP-1)可改善其葡萄糖敏感性和胰岛素合成，并有助于增加β细胞量。随着人们对于GLP-1在分子和细胞水平上对β细胞作用的理解不断深入，研发能够利用和维持2型糖尿病患者内源性GLP-1的积极作用的治疗已经成为可能。体外研究、临床前期和II期临床试验的资料均显示，GLP-1类似物对于改善2型糖尿病患者的β细胞功能前景良好。例如，用分离的新生大鼠胰岛进行的体外研究表明，GLP-1类似物利拉鲁肽(Liraglutide)能够抑制β细胞的凋亡。用动物模型所做的体外研究证实，利拉鲁肽能够使β细胞量增加。近来在2型糖尿病患者中完成的II期临床试验证明，利拉鲁肽每日给药可显著改善β胞功能，表现为胰岛素的第一相反应和分泌能力增强，以及胰岛素原/胰岛素的比率降低。目前进行的III期临床试验进一步证实了利拉鲁肽对2型糖尿病的疗效。
关键词: 凋亡，β细胞，胰高糖素样肽-1类似物，胰岛素反应，新生
缩写
AUC 曲线下面积
DPP-4 二肽基肽酶-4
GLP-1 胰高糖素样肽-1
UKPDS 英国前瞻性糖尿病研究
1 引言
10年前，UKPDS证实强化血糖控制能够降低2型糖尿病的血管并发症风险[1]；但同时也指出，即使采用强化治疗，通常仍不能使血糖水平长期维持于目标值[2]。2型糖尿病是一种进行性疾病，其特点为β细胞功能的持续减退。在β细胞功能正常的个体中，血糖水平升高时，胰岛素分泌快速增加，称为第一相胰岛素反应。但在糖尿病患者中，β细胞对葡萄糖的反应在病程早期即开始减退。事实上，β细胞的功能在诊断前10年已经下降；到确定诊断时已明显下降，可高达50％，且即使接受治疗其功能仍继续恶化 [2]。由于磺脲类是胰岛素促泌剂，其作用的发挥须依靠残余的β细胞功能，因而它们控制血糖的能力会随着时间延长而减弱。目前正在研究造成2型糖尿病患者β细胞衰退的原因，以找到能减缓或逆转这一进程的治疗方法。
2 肥胖和2型糖尿病对β细胞的影响
β细胞量的维持是一个动态过程，反映了以下4个使之增加(β细胞复制、肥大和胰岛细胞新生)或减少(细胞凋亡)的变量之间的平衡(图1) [3]。在人类，β细胞量可因体重和有无糖尿病而变化。Butler及其同事检查了在124次尸体解剖中取得的胰腺组织，以确定肥胖(体重指数 > 27 kg/m2)和 2型糖尿病是否影响β细胞量(用β细胞相对体积进行评估) [3]。为了确定β细胞量变化的原因，他们还测定了β细胞的凋亡、复制和新胰岛形成的频度。β细胞相对体积是胰腺组织切片中有代表性区域的b细胞面积/外分泌细胞面积的比率。在没有糖尿病的情况下，肥胖者的β细胞体积比体瘦者大50％ (P = 0.05) (图 2) [3]。一些研究者认为，这一增高是由与肥胖相关的胰岛素抵抗引起，后者也是新胰岛形成增加的主要原因。相比之下，所有2型糖尿病患者的β细胞量均显著减少，而与其体重高低无关。尤其是与无糖尿病者相比，肥胖糖尿病患者的β细胞量减少63％ (P < 0.01)，体瘦糖尿病患者减少41％ (P < 0.05)，而不管是否采用胰岛素、磺脲类或饮食控制治疗[3]。空腹血糖受损者的β细胞量比无糖尿病者低40％ (P < 0.05) ，提示这在2型糖尿病发病机理中是重要的一环[3]。
Butler等的发现表明[3]，2型糖尿病患者β细胞量的减少可能是由于β细胞凋亡 (凋亡速率=细胞凋亡频率/β细胞相对体积) 显著增高。与无糖尿病者相比，肥胖糖尿病患者的β细胞凋亡率高3倍，体瘦2型糖尿病患者则高10倍 (P均 < 0.05) [3]。值得关注的是，胰岛的新生在某种程度上随体重上升而增高, 而糖尿病患者和无糖尿病者间似无差别，形态亦均完整。研究者得出结论，防止β细胞凋亡的药物对治疗2型糖尿病可能十分有效，因为这类药物有可能使β细胞量保持不变，甚或使之恢复正常[3]。
3 β细胞和GLP-1的作用
胰岛中有三种细胞：β细胞、a细胞和δ细胞 [4]，通过它们分泌的三种激素(分别为胰岛素、胰高糖素和生长激素释放抑制激素)，相互密切配合，调节血糖水平[5–7]。此外，胰岛中的激素分泌很可能受到肠道产生的促胰岛素因素，如肠促胰素 (incretins) 的影响[5]。其中与糖尿病关系最大的是GLP-1，后者对胰腺细胞有直接作用，可影响a、β和δ三种细胞的激素分泌[6,7]。
GLP-1的最重要作用之一是增加胰岛素分泌[7,8]。但由于该作用是葡萄糖依赖性的，因而GLP-1能降低血糖但不会诱发低血糖[6,9,10]。GLP-1对胰高糖素的分泌也有调节作用，部分通过增加生长激素释放抑制激素的分泌，部分则是对a细胞的直接作用。胰高糖素分泌减少使肝脏葡萄糖输出下降，进而使清晨空腹血糖水平保持正常[6]。
有两项研究的结果支持GLP-1对胰岛素分泌的刺激作用有葡萄糖依赖性。第一项研究将非空腹大鼠麻醉后分离胰腺，进行原位灌注，测定其胰岛素分泌量。与基础分泌量相比 (1.4 ± 0.5 pmol/min)，用 3 mmol/L葡萄糖和GLP-1一起灌注，胰岛素分泌量未增加 (2.0 ± 0.6 pmol/min) [11]。而用11 mmol/L葡萄糖灌注则可引起胰岛素的双相分泌；加用GLP-1后，第二相胰岛素分泌显著增加 (115.4 ± 14.1 对 30.1 ± 7.6 pmol/min，P = 0.001) (图3A) [11]。
第二项研究在9名口服糖耐量正常的健康志愿者中进行。这些志愿者在空腹条件下接受普通胰岛素 (1 mU/kg/min) 输注360 min，共两次[10]；一次静脉给予外源性GLP-1 (1.2 pmol/kg/min，使血药浓度稳定于125 pmol/L)，另一次则输注氯化钠作为安慰剂。通过钳夹技术使毛细血管葡萄糖浓度稳定于4.3、3.7、3.0 和2.3 mmol/L各90 min (步进式低血糖钳夹术)。在血糖浓度正常 (基础状态) 时，一开始输注GLP-1，胰岛素分泌率即上升，与以前的研究结果一致。但是，这一促胰岛素活性仅存在于从高血糖逐步降至低血糖的钳夹试验的开始阶段，此时的血糖浓度不能低于4.3 mmol/L (图3B, 3C) [10]。
在不表达GLP-1受体，因而也无GLP-1内在生物活性的动物模型中，胰岛的结构也不同。GLP-1受体敲除小鼠的胰岛大小和细胞分布均不正常。Ling及其同事在这些小鼠中研究了GLP-1对a和β细胞的分布和形态的影响[12]，检查无GLP-1受体 (GLP-1R-/-) 小鼠中这些细胞的大小、数量和分布的变化，并与正常小鼠进行比较。在GLP-1R-/- 小鼠中，虽则β细胞的总数和体积仍在正常范围内，但其分布则从大胰岛向中小胰岛转移[12]。此外，与正常小鼠相比，基因敲除小鼠中a细胞的分布更集中于胰岛中央。因此，GLP-1可能是保持a和b细胞正常分布的一个必需因素。
胰岛不间断的重塑更新纵贯人的一生，一般认为该过程为预防糖尿病所必需[13]。GLP-1通过维持β细胞量的稳定而在这一重建过程中有重要作用。动物研究发现，GLP-1通过刺激β细胞新生、生长和增殖使β细胞量增加 (图4) [13,14]。增殖细胞来自现有β细胞的分裂和分化，而新生细胞则来自胰管上皮中前体细胞向胰岛素分泌细胞的转化[13]。GLP-1还通过抑制凋亡而影响β细胞量。近年一项用新鲜分离的人胰岛进行的对照研究显示，在体外用GLP-1处理胰岛可减少β细胞的凋亡[14]。试验第3天，用GLP-1处理的样本中凋亡细胞核占6.1％，而在对照样本中这一比例为15.5％ (P < 0.01) ；在第5天，则两组凋亡比例分别为8.9％ 和 18.9％ (P < 0.01)。β细胞量增加和凋亡减少对于2型糖尿病的治疗尤为重要，因为β细胞功能的进行性减退是该病的主要病理生理变化之一。
4 GLP-1对2型糖尿病的作用
进食后GLP-1 分泌不足是2型糖尿病的一个特点，提示GLP-1水平降低也可能是一个重要的致病因素[15,16]。因此，提高GLP-1水平有可能改善β细胞功能，进而治疗2型糖尿病。Zander等[15] 在一项观察性单盲研究中调查了这一可能性，对于20名2型糖尿病患者采用胰岛素泵输注GLP-1或生理盐水，连续6周。在基线 (0周)、第1周和第6周用高糖钳夹试验 (30 mmol/L) 评估β细胞在葡萄糖刺激后的最大胰岛素分泌能力。第6周时，GLP-1组的C肽浓度从269.9 pmol/升至 516.8 pmol/L (P = 0.006) ，但生理盐水组仅从275.2升至299.2 pmol/L；这些结果表明，只有GLP-1组患者的β细胞功能得到显著改善[15]。其他显著变化亦仅见于GLP-1组，包括空腹血糖 (-4.3 mmol/L; P < 0.0001)、8小时平均血糖 (-5.5 mmol/L; P < 0.0001)和糖化血红蛋白A1c (-1.3％) 的下降，以及果糖胺水平恢复正常 (P = 0.0002)。
虽然Zander等的初步研究表明GLP-1对2型糖尿病有多种积极影响，如改善β细胞功能、葡萄糖敏感性和β细胞分泌能力，但天然GLP-1因半衰期短而使其临床应用价值不大。在体内，GLP-1被DPP-4快速降解而失去活性，在血循环中的半衰期仅为1–2 min[17]。克服这一困难的主要方法为开发半衰期长的GLP-1类似物。
在美国，用于治疗2型糖尿病的第一个GLP-1类似物是艾塞那肽(exenatide)(人工合成的 exendin-4) [18]，在体内和体外都能有效激活GLP-1受体，是在研究蜥蜴毒液时发现的一种生物活性多肽。Exendin-4由蜥蜴体内特有的基因编码，其约50％的氨基酸序列与哺乳类GLP-1相同，能够激活哺乳类的GLP-1受体，且有很强的抗降解能力[6,19]。艾塞那肽的血药浓度在用药2-3小时后达峰值[20,21]，约10小时后仍能在血中检测到[22]，证实它能对抗DPP-4的快速降解。
另一个GLP-1类似物是利拉鲁肽。在利拉鲁肽的研发过程中，通过两种方式对GLP-1的氨基酸序列进行了改良：第26位赖氨酸与酰化脂肪酸连结；第34位赖氨酸由精氨酸取代。这些改变使该药物的自缔合作用增强 (减慢皮下注射部位药物的吸收)，与白蛋白的结合力增高，对DPP-4的易感性降低，从而使其在血中的半衰期延长。
5 临床前研究
图5阐明了GLP-1类似物对动物和人类β细胞的多种治疗益处 [23–30]。利拉鲁肽对β细胞凋亡的作用已在两项临床前研究中得到证实。在第一个研究中，由新生鼠分离的胰岛用脂肪酸 (油酸和棕榈酸) 的培养液培养16小时[27]。脂肪酸已证实可导致β细胞凋亡，可能与2型糖尿病的发生有关。如培养液中不含脂肪酸，仅有2.7％的β细胞凋亡；如含脂肪酸，则有55.3％凋亡；但如同时加入脂肪酸和利拉鲁肽，结果只有26.9％凋亡[31]。而且，利拉鲁肽对抗脂肪酸引起β细胞凋亡的作用比GLP-1更明显。
一项关于利拉鲁肽对于细胞因子诱发细胞凋亡的作用的研究也得出了类似结果[28]。(炎症细胞因子与自身免疫性β细胞破坏有关)。在新生大鼠胰岛培养液中加入细胞因子 (干扰素-γ、肿瘤坏死因子-a和白细胞介素-1) 可使19.8％的细胞凋亡[31]。如同时加入细胞因子和利拉鲁肽，则这一比例可降至3.9％。同样地，利拉鲁肽对细胞因子诱发细胞凋亡的保护作用也较GLP-1明显[31]。利拉鲁肽通过减少β细胞的凋亡，而在维持糖尿病患者的β细胞量中发挥重要作用。
两项采用2型糖尿病动物模型所做的体内研究证实，利拉鲁肽在改善血糖指标的同时还能增加β细胞量。在第一项研究中，给予Zucker肥胖糖尿病大鼠皮下注射150 μg/kg 利拉鲁肽或赋形剂，每日2次共6周。治疗结束时与赋形剂组相比，利拉鲁肽组的糖尿病进展明显减弱[30]；血糖水平约低12 mM (P < 0.0002)；24-h正常喂食期中的血浆胰岛素高2-3倍(P < 0.001)。以后进行的组织学分析显示，利拉鲁肽组的β细胞量 (20.9 ± 2.6 mg) 明显高于赋形剂组(12.4 ± 1.8 mg; P < 0.03) [30]。
在第二项研究中，给db/db (糖尿病) 小鼠皮下注射赋形剂或利拉鲁肽 200 μg/kg，每日2次共2周。第1、第8和第15天进行的检测显示，利拉鲁肽组的血糖水平 (24-h AUC) 明显低于赋形剂组 (P < 0.001) [29]。此外，在试验结束时，利拉鲁肽组的β细胞量 (P < 0.05) 和增殖率 (P < 0.001) 均显著高于赋形剂组[29]。
6 利拉鲁肽和β细胞功能
初步研究的结果表明，GLP-1类似物还能显著改善β细胞的功能。Vilsbøll及其同事[23]在163名2型糖尿病患者中比较了利拉鲁肽单药治疗和安慰剂的作用。在14周治疗期末，稳态模型评估分析显示，与安慰剂相比，所有剂量的利拉鲁肽都能显著改善β细胞功能，其作用与剂量有关，呈钟形分布。最大增加值 (134％; P < 0.0001) 见于接受利拉鲁肽 1.25 mg/天治疗的患者(图6) [23]。
在同一试验中[23]还比较了利拉鲁肽组和安慰剂组在基线时和治疗14周后的胰岛素原/胰岛素比率。该比率的最大下降 (中位数) 发生于每日接受1.25 mg 利拉鲁肽的患者(-0.28; P = 0.0062)；接受1.90 mg (-0.19; P = 0.0111) 和 0.65 mg (-0.15; P = 0.0218) 的患者也有明显下降[23]。
7 利拉鲁肽和β细胞对葡萄糖的敏感性
采用分级葡萄糖输注法检测利拉鲁肽对β细胞敏感性的作用，方法为输注葡萄糖超过3小时使血糖水平逐渐从5 mmol/L (90 mg/dL) 升至12 mmol/L (216 mg/dL) [25]。在分级葡萄糖输注前约9小时，10名2型糖尿病患者皮下注射单剂利拉鲁肽 (7.5 μg/kg) 或安慰剂，试验按双盲、交叉(3-6周洗脱期)方式进行。另有一组健康对照者，没有接受任何注射。在整夜禁食后输注葡萄糖前，给所有受试者静脉注射小剂量胰岛素 (0.007–0.014 U/kg)，使健康对照者的血糖降至约5 mmol/L (90 mg/dL)，利拉鲁肽组和安慰剂组降至6 mmol/L (108 mg/dL)。然后开始进行分级葡萄糖输注，胰岛素分泌量则根据C-肽水平用反褶积法(deconvolution) 计算。
在所有组中，胰岛素分泌的增加均与血糖水平的增高相一致。2型糖尿病患者的胰岛素分泌率AUC与无糖尿病对照者相似，分别为1,130 ± 150 pmol/kg和1,206 ± 99 pmol/kg；但与安慰剂组(668 ± 106 pmol/kg) 显著不同 (P < 0.001) [25]。该文作者的结论是单剂利拉鲁肽 已足以使胰岛素对葡萄糖的反应恢复到与健康对照者相近的水平。
8 利拉鲁肽对第一相胰岛素反应的作用
2型糖尿病进程中的另一特点为对葡萄糖的第一相胰岛素反应缺失，这是β细胞功能减退引起的早期缺陷，随后则出现胰岛素的基础分泌和第二相反应的下降。在一项双盲、安慰剂对照研究[26]中，研究人员在13名2型糖尿病患者中观察了利拉鲁肽对葡萄糖刺激后第一相胰岛素反应的作用。试验前2周，患者停用过去使用的口服降糖药；然后皮下注射利拉鲁肽(6 μg/kg)，每日1次，连续1周；继以安慰剂皮下注射，每日1次，亦1周。静脉注射25 g葡萄糖后，利拉鲁肽组的第一相胰岛素反应明显大于安慰剂组 (在静脉注射葡萄糖后17 min，利拉鲁肽组和安慰剂组的胰岛素最大浓度分别为 262.6 ± 47.5 pmol/L 和 166.5 ± 32.4 pmol/L [P = 0.007]) (图 7) [26]这一研究表明，与安慰剂相比，利拉鲁肽能提高2型糖尿病患者的第一相胰岛素分泌。
9 讨论
尽管已有许多抗糖尿病药物能够使血糖下降至目标值，但研究证实即使进行了强化治疗，病情也仍在继续加重，因而仍需要研发新的药物。通常认为，β细胞功能减退是2型糖尿病发病机理的中心环节，而这一变化可在疾病得到诊断前10年即已开始。因此，最理想的治疗方法应当是减缓或阻止β细胞功能的恶化，但目前所有的治疗手段还不能影响这一进程。
已知GLP-1对β细胞功能有很大影响，能刺激胰岛素分泌及维持β细胞量的平衡。2型糖尿病的特点是进食后GLP-1 分泌不足。目前正在研究GLP-1类似物对2型糖尿病患者中β细胞功能和血糖指标的作用；其中，艾塞那肽已用于临床，而利拉鲁肽正在进行临床试验。早期的研究结果表明，GLP-1类似物可能有助于维持β细胞量，改善血糖指标而不会引起低血糖。这类药物看来前景良好，有可能改变2型糖尿病的实际进程，但它们的长期疗效尚有待大量临床研究的检验。
要点:
• 天然GLP-1 对于β细胞有多方面的有益作用。
• 利拉鲁肽是第一个每日只须注射1次的人GLP-1 类似物
• 利拉鲁肽每日注射1次能直接作用于β细胞，包括增加β细胞量(动物模型)，改善β细胞功能 (HOMA)、葡萄糖敏感性 (ISR) 、分泌能力和第一相胰岛素分泌
• 每日使用利拉鲁肽能显著改善2型糖尿病患者的β细胞功能