


班廷奖获得者带您走进新型胰岛素敏感剂发现的台前幕后

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编者按:美国糖尿病协会(ADA)在每年ADA年会期间都会颁发全美糖尿病最高荣誉奖项——班廷奖,该奖项是对杰出、长期致力于糖尿病认识、治疗或预防领域研究工作者的肯定。2017年班廷奖获得者、哥伦比亚大学医学院内分泌部主任Domenico Accili教授因其变革性的研究结果而备受关注,打开了糖尿病生物学研究新纪元。众所周知,β细胞去分化是糖尿病发病机制中一个非常重要的因素,意味着β细胞失去了分泌胰岛素的功能,变成无法分泌激素的细胞。而Accili教授发现的叉头转录因子(FOXO)在肝脏中可通过发挥双重调节作用,选择性抑制FOXO以预防β细胞去分化,同时发现肠道靶向FOXO抑制剂可能成为1型糖尿病(T1DM)的治愈之道。这些研究结果改变了我们对糖尿病发生发展的认知,增加了我们对糖尿病发生机制的理解。
近日,代谢网采访了2017年班廷奖获得者Accili教授,请他介绍了他们团队发现FOXO台前幕后的故事,以及现在正在进行的工作。
代谢网:是什么样的契机让您从研究胰岛素在质膜上的作用转移到细胞核,从而发现了叉头转录因子(FOXO)在胰岛素和胰高糖素作用中的重要性?
Domenico Accili教授:当我开始涉足生物医学研究时,关于胰岛素的作用机制还只是未知数。那时候,人们只知道胰岛素与细胞表面的蛋白质结合后会发生一些反应,但没人清楚发生了什么。因此,我与我的团队一起花费了多年时间来了解胰岛激和其靶细胞究竟发生了什么反应。我们对该领域最大的贡献是将大家的注意力从细胞表面转移到细胞核——那里才是细胞发出指令的地方。35年前,没人会料到胰岛素的大部分作用实际上都发生在细胞内而非细胞外。
我们真正感兴趣的是β细胞如何对代谢应激做出反应,随后FOXO转录因子被发现,它会根据β细胞的代谢应激状态被激活或失活。当时我们猜想,如果FOXO被激活是不是意味着β细胞发生凋亡?之所以有这种假设,是因为细胞凋亡被认为是β细胞死亡的主要机制。但实际上,并没有发现细胞凋亡,它们都还活着,只是失去了分泌胰岛素的特征,于是我们意识到这个过程其实是β细胞去分化。由此可见,人们对胰岛素生物学的认识是循序渐进的过程,从发现β细胞响应,到FOXO转录因子,再到β细胞去分化。
代谢网:您能否与我们分享下您的团队具体是如何发现FOXO的?最初是在哪个动物模型中进行研究的?
Domenico Accili教授:人们一直对胰岛素如何调节肝脏中葡萄糖的生成感兴趣。糖尿病患者会在肝脏中产生过多葡萄糖,并且已知胰岛素的功能之一是抑制该过程的发生。因此,多年来人们一直在研究胰岛素是如何阻止肝脏生成过多葡萄糖。我们首先在小鼠模型中进行测试,证明糖尿病发病机制和胰岛素作用间的相关性。在这个动物模型中,我们发现一种调节胰岛素敏感性的转录因子,即DNA结合蛋白。我们从这个实验中推断人类糖尿病的发病机制,认为类似的蛋白质会对胰岛素控制葡萄糖生成有影响。通过对细胞、动物模型和人类遗传学的各种研究,我们最终确定了一个名为FOXO的基因,其功能是介导胰岛素对肝脏生成葡萄糖产生影响。如果能够控制这个基因,这将成为糖尿病(特别是2型糖尿病)治疗的另一种强大方法。
我们最初在糖尿病基因敲除小鼠模型中发现了β细胞去分化。后来我们也寻找了其他糖尿病小鼠模型,如用高脂饮食建立的DBDB小鼠模型。在这些模型中,我们发现了相同的特征: FOXO的失活和β细胞的去分化。 随后我们的问题变成,人类是否也具有相似的现象? 因此,我们和另一个小组也研究了人类糖尿病去分化现象,并且发现糖尿病患者存在与β细胞去分化特征类似的细胞。
代谢网:糖尿病发病机制有两大基石,分别是胰岛素抵抗和β细胞功能衰竭。那么,您认为FOXO的发现给糖尿病治疗带来的最大突破是什么?
Domenico Accili教授:β细胞去分化的这一过程实际上与疾病的进展过程相同,糖尿病患者病情的进展是先慢后快。但是众多研究表明,在疾病早期是有可能扭转这一进程的,使β细胞重新学会如何分泌胰岛素,并使患者再次获得健康。因此,我认为FOXO的发现给糖尿病治疗带来的最大突破应该是,以前认为β细胞衰竭是β细胞死亡导致的,但实际上仅仅是由于β细胞失去了分泌胰岛素的能力,但β细胞并没有消失。这点非常重要,因为如果细胞还存在,一旦找到让它恢复分泌胰岛素的方法,就可以逆转许多影响糖尿病患者的问题。这就是我们现在正努力做的事,即通过阻止这种去分化过程来逆转β细胞衰竭。
FOXO活性能很好地反映β细胞的功能,因糖尿病发展过程中β细胞中FOXO的活性发生了明显改变。当血糖正常时,FOXO无活性,β细胞呈现健康状态;早期轻微高糖环境下,FOXO活化并发生核内转移,刺激β细胞分泌胰岛素,并出现代谢障碍;随着糖尿病的发展及高血糖的加重,FOXO失活,β细胞发生去分化,失去β细胞特征。因此,通过测量β细胞中的FOXO活性,可以非常精确地判断β细胞的功能状态。
代谢网:对于这种有广泛作用的FOXO抑制剂治疗糖尿病,是否会带来一些副作用?你们团队是否在这方面进行过研究?大概什么时候可以进行临床研究呢?
Domenico Accili教授:我们目前正在开发FOXO抑制剂作为糖尿病治疗新型药物。正如其他胰岛素敏感剂一样,抑制FOXO也会促进脂质产生。当然,这还有很长的路要走,因为我们需要首先在动物模型中证明它是安全有效的,然后在上市之前需要对人体进行安全性和有效性试验。我们会非常坚定地继续进行下去,希望在接下来的两年内能够获得FDA的批准,给广大糖尿病患者带来福音。
代谢网:有人说“肠道靶向FOXO抑制剂或可成为1型糖尿病的治愈之道”,这个真的可以实现吗?
Domenico Accili教授:在T1DM患者的肠道中存在可以产生胰岛素的细胞,在我们的另一个实验中发现了FOXO的第二个功能,FOXO基因敲除小鼠的肠道内分泌细胞可分化为胰岛素阳性细胞,即抑制肠道内分泌细胞的FOXO基因后,这个内分泌细胞可以转化为葡萄糖敏感性胰岛素生成细胞。近期在体外培养的人体肠道细胞中的研究也发现,通过加入FOXO抑制剂,也会出现有产生胰岛素功能的细胞。
这将是一种只在肠道内应用的药物,因此它不会被全身吸收。若能研发出肠道靶向的FOXO抑制剂,就可将某些肠道内分泌细胞转化为有胰岛素分泌功能的细胞,进而替代β细胞。如果我们能够成功,肠道靶向FOXO抑制剂可将T1DM从一个需要多次注射胰岛素和频繁监测血糖的状态,转变为可用口服药物治疗且无需持续血糖检查的状态,并且没有低血糖风险,以及不发生胰岛素注射后的不良反应,进而为治愈T1DM带来希望。
代谢网:您认为未来糖尿病药物治疗还会有哪些重大进展?
Domenico Accili教授:对我们的研究来说,下一个挑战是怎样利用药物来扭转β细胞去分化这一进程,并且这个药物还能让所有糖尿病患者服用。最初我们团队测试了一些现在已经上市的糖尿病治疗药物,令人惊讶的是,这些药物在逆转去分化方面效果不甚理想。现在我们已经开发出筛选现有药物的方法,它能够在非偏倚的情况下检测药物逆转去分化的能力。 我们将继续进行这项实验,希望能够发现一些具有逆转β细胞去分化的候选药物。
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