钒治疗糖尿病研究进展

1钒化合物治疗糖尿病的研究进展摘要：随着医学技术的发展，临床对糖尿病的发病机制以及病理、生理基础认识不断深入。钒是人体的微量元素，可以降低Ⅰ型和Ⅱ型糖尿病血糖，促进葡萄糖转运和糖原合成，具有“类胰岛素作用”。本文综述了钒化合物在降低和改善糖尿病症状的生物效应及其在治疗糖尿病中的应用研究进展，为糖尿病患者更好更有效的治疗提供有效依据。关键词：糖尿病；钒化合物；胰岛素类似物1.引言癌症、心血管疾病、糖尿病是威胁人类健康的三大疾病。糖尿病是因胰岛素分泌异常或缺陷所导致的一类糖代谢分泌紊乱疾病，表现为持续高血糖，对其他组织如眼、血管、心脏、肾和神经造成不同程度伤害，严重影响患者的生活质量。相关报道指出糖尿病的发病人数呈现出逐年增长趋势，我国糖尿病人数居世界之首，是主要发病国家[1]。通常将糖尿病分为两大类型。Ⅰ型糖尿病是由于分泌胰岛素的细胞被破坏导致的一种自身免疫性疾病；Ⅱ型糖尿病是患者不能有效利用自身分泌的胰岛素，并在发病过程中伴随着胰岛素抵抗、胰岛素分泌障碍以及肝糖原输出过多等许多代谢性障碍［2］。传统的降血糖药物如磺酰脲类、非磺酰脲类促胰岛素分泌剂、双胍类、噻唑烷二酮类增敏剂、α－葡萄糖苷酶抑制药等对血糖有较好的控制作用，但同时存在体重增加、低血糖和心血管损伤等副作用[3]，因此研究副作用少、保护胰岛β细胞的新型抗糖尿病药物成为当前的热点。中医中药被广泛的应用于治疗糖尿病，主要包括内服中药、中药浴足、穴位贴敷、针灸、中药热奄包等[4]。中药在治疗糖尿病方面有着自己独特的优势：采用中药治疗糖尿病不单纯是降糖，重在调理人体全面机能，整体恢复血管弹性，增加心、肝、肾、视网膜等组织营养性血流量［5］，特别是中药能够克服化学合成药在降血糖的同时产生的副作用或诱发加重并发症的事实。胰岛素及其类似物治疗糖尿病为临床合理用药提供了参考依据。胰岛素分为速效胰岛素、短效胰岛素、中效、长效胰岛素、预混胰岛素，可以注射给药，也可以非注射给药，对于Ⅰ型型及Ⅱ型需要长期服用降糖药而效果差的糖尿病患者以及合并有其他代谢性疾病、全身脏器疾病等患者，都适宜采用胰岛素治疗。胰岛素及其类似药物种类较多，临床通过对患者的诊断，给予恰当的胰岛素治疗方案，治疗中加强监测，出现不良反应及时处理，建议患者合理饮食、适量运动，指导患者正确服用药物或者使用给药器械，如果在观察期内控制效果较差，要及时更换药物和方案，积极预防低血糖发生及其他不良反应发生[6]。近年来，新型的抗糖尿病药物主要有胰高血糖素样肽－1受体激2动剂、AMP激活蛋白激酶激动剂、二肽基肽酶－4抑制剂、G蛋白偶联受体119激动剂、钠－葡萄糖同向转运体抑制剂、蛋白酪氨酸磷酸酶1B抑制剂等，新型抗糖尿病药物不断涌现，为糖尿病的治疗提供了更多选择[7]。钒化合物具有改善糖尿病人的身体状况和模拟胰岛素的生理功能,是一类具有良好应用前景的糖尿病治疗药物。目前已合成并研究生物活性的钒化合物可以归为两类:一是简单的无机钒化合物,比如钒酸钠、硫酸氧钒等；二是钒有机配合物。根据配体的种类和配位方式的不同,后者又可分为氧钒配合物、过氧钒配合物和羟胺氧钒配合物等。因为无机钒化合物的生物相容性问题,人们的研究兴趣又完全转向了钒有机配合物。自1992年第一个钒配合物双麦芽酚氧钒(BMOV)用于胰岛素活性研究以来,含各种配体的钒有机配合物的合成与生物活性的研究已成为钒类胰岛素模拟物研究的主体,其中羟胺氧钒配合物是一类新型的钒类胰岛素模拟化合物。钒有机配合物的胰岛素活性引起了包括生物、化学和医药等众多研究领域的关注,成为目前生物无机化学研究的热点课题之一。本文综述了近年来钒化合物在降低和改善糖尿病及其并发症中抗糖尿病作用机制的研究进展，为以后研发出更好的缓解糖尿病病情的降糖药物提供依据。2.胰岛素作用的信号转导过程胰岛素作为体内唯一的降糖激素，由胰岛G细胞合成分泌后，与胰岛素靶细胞的特异性受体结合而发挥生物学效应。胰岛素与胰岛素受体(IR)的亚单位结合后，引起构象改变，使IR-β亚单位的酪氨酸磷酸化，激活胰岛素受体蛋白酪氨酸激酶(IR-PTK)，进而使胰岛素受体底物(HIS)的多个酪氨酸残基磷酸化，，从而发挥胰岛素的葡萄糖转运、糖原合成和蛋白合成等生物学效应。促进IR和IRs的酪氨酸磷酸化在启动胰岛素信号转导中至关重要，而蛋白酪氨酸磷酸酶(PTPase)催化的IR和IRS脱磷酸化则能减弱和终止胰岛素的作用[8]。3.钒元素的基本化学性质及及其抗糖尿病作用3.1钒元素的基本化学性质钒是一种稀有金属，是人体必需微量元素之一，其含量约占地壳构成的0102%。钒在人体内含量不足1mg。钒的化学性质十分稳定，常温下不会被氧化，在933K以上的温度中被氧化成五氧化二钒V2O5。钒化合物毒性很高，含钒的尘埃被吸入后会致肺癌。自然界中，钒的矿物一般与其它金属矿物共生，约有65种钒的化合物。常见化学价为+2—+5,其中以+5价最为稳定。当pH值小于3.5时,钒多以氧钒根(VO2+)形式存在；在体液条件下(pH4—8),以偏钒酸根(VO3-)或正钒酸根(VO43-)形式存在。VO3-经离子转运3系统或自由进入细胞后,在胞内被还原型谷胱甘肽(GSH)还原成VO2+(+4价氧化态)，即氧钒根离子。由此可见,钒的水溶液化学性质较为复杂[9]。3.2钒元素的基本化学性质无机磷酸盐及其衍生物是蛋白激酶和磷酸酶的固有配体，通过加入或脱去高能磷酸基团而活化或失活蛋白质，参与细胞内的信号转导。钒类化合物在磷酸酯的水解反应中具有与磷酸盐相似的三角双锥构型,也有与磷酸根一样的四面体结构和原子电荷分布,因而模拟磷酸酯的功能,干预胰岛素的信号转导。此外,钒作为一种过渡金属,主要以+3、+4和+5价的形式存在于生物体内,通过其阳离子和阴离子的形式直接或取代酶中的其他金属离子间接与生物大分子相互作用来发挥其降糖生物学效应[10]。目前研究认为，钒对信号转导过程的作用靶点可能为两个：PTPase和脂质磷酸酶，后者即磷酸酶和弹力蛋白类似物(PTEN)。钒抗糖尿病作用的分子机制主要有以下几个方面：（1）影响蛋白酪氨酸磷酸酶。体外研究表明，钒可抑制多种形式的PTPase活性，包括Src同源结构域2(SH-2)的PTPase、Pase、PTP-1B和总PTPase，研究表明，钒盐通过抑制PTPase的活性，阻止IR一β亚单位的酪氨酸脱磷酸此，从而增加IRS一1磷酸酪氨酸的含量，激活胰岛素信号通路。但钒刺激IRS一1的酪氨酸磷酸化，最终激活PI3一K／PKB信号系统的确切机制还未阐明[11]。（2）影响脂质磷酸酶钒的另一个靶点可能是脂质磷酸酶，即PTEN，它可使PIP3去磷酸化，对PI3-K信号转导产生负性调节。PI32K信号通路是胰岛素作用的重要靶点之一，活化的胰岛素受体底物复合体可以激活PI3-K，而PI3-K磷酸化磷脂酰肌醇(PI)生成磷脂酰肌醇三磷酸(PIP3),进一步激活磷脂依赖性激酶(PDK)以及一系列的下游信号蛋白激酶。（3）作用于胰岛素受体的下游位点。钒的胰岛素样效应似乎可绕过胰岛素触发的早期磷酸化脱磷酸化级联反应，而影响葡萄糖代谢。即使胰岛素转导途径不能正常发挥作用，钒也有降糖作用。因此认为，钒的作用位点位于IR的下游，可能与胞浆内PTK的激活有关。3.3钒化合物与Ⅰ型和Ⅱ型糖尿病研究发现，无机钒酸盐均有良好的抗Ⅰ型糖尿病作用[12-15]，但是,无机钒酸盐的胃肠道吸收率低,使得其生物利用度降低。当服用高剂量无机钒酸盐后,实验动物常出现腹泻、精神萎靡、死亡等症状和毒副反应，因此合成有机钒化合物以提高钒在机体的生物利用度。有机钒化合物不仅可以降低金属的使用剂量和毒副作用,而且还能够增加钒化合物的溶解度,延长其药物的作用时间和药效。在钒化合物与Ⅱ型糖尿病的研究中,使用db/db、4ob/ob、Zucker以及KK等Ⅱ型糖尿病模型研究了无机或有机钒化合物的降糖效果及降低胰岛素抵抗等作用，发现钒化合物能够显著改善胰岛素抵抗、提高胰岛素敏感性。钒化合物不仅具有“类胰岛素作用”,还有“促胰岛素作用”。3.4钒化合物参与体内代谢糖尿病的糖原代谢紊乱和脂质代谢异常主要与葡萄糖和糖原代谢的关键酶活性改变有关。给糖尿病患者钒化合物治疗后，其肝脏PTP1B的酶活性受到明显抑制,由此认为PTP1B是钒化合物降糖作用的重要作用靶点，钒化合物均能够通过抑制PTP1B的活性而发挥其降糖作用。钒类化合物可刺激葡萄糖转运，作用在各种脂肪组织、肌肉组织、培养的脂肪细胞以及肌肉细胞。钒无论以何种形式给予动物，在动物血浆和体液中最终都转变为氧钒基一运铁蛋白和氧钒基一铁蛋白。体外试验表明：钒通过磷酸盐或其他阴离子传递系统以钒酸盐形式进入细胞。在红细胞内氧钒基与血红蛋白结合，而脂肪细胞内氧钒基则与谷胱甘肽构成复合物。细胞内和组织中的钒以氧钒的形式存在，因为氧钒和磷酸盐有很强的结合力，因此钒主要在细胞内积累，可以影响多种磷酸酶[16]。4.钒化合物在治疗糖尿病中的应用钒类化合物在糖尿病治疗方面具有很大的潜力，但无机钒的起效剂量大，动物易出现氧化应激等不良反应，因此降低钒的使用剂量和毒副作用是钒研究领域的重要课题。选用新型有机钒化合物双(a一呋喃甲酸)氧钒(BF0V)与Met联合应用，与单独用药组相比，BFOV和Met联合用药可剂量依赖性地降低四氧嘧啶糖尿病小鼠的血糖，改善葡萄糖耐量异常，增加肝糖原含量，同时降低血清胰岛素水平，降低胰岛素抵抗指数。BFOV和Met联合用药在机体水平可能整合了多靶点的作用，通过多靶点间的网络调节，从而较全面改善了模型动物的糖尿病状态。在增加肝糖原合成和糖摄取，抑制NF—kB信号转导通路等方面显示了一定的协同作用，减轻硝化/氧化应激可能是其作用机制之一[17]。北京大学的杨晓达教授目前正在研究钒化合物对热休克蛋白60的作用机制及抗糖尿病生物效应。他们发现热休克蛋白60（Hsp60）可能是氧钒离子的重要靶蛋白，并据此提出钒化合物抗糖尿病作用的新假设，计划研究氧钒离子和Hsp60结合的机制，阐明氧钒离子对Hsp60自组装及其与细胞受体蛋白相互作用的影响，在细胞水平观察氧钒离子-Hsp60作用对胰岛细胞的影响、对外源性因素（脂肪酸/炎症因子等）引起细胞损伤的保护作用及其信号转导和分子机制，并发现氧钒离子结合热休克蛋白组，企图从化学建构的思路上溯后续生物效应，而探索发现钒化合物抗糖尿病或毒性作用的新机理，为抗糖尿病钒化合物药物研发提5供新的理论和方法基础。以缬氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、组氨酸和邻氨基苯甲酸为配体,在水溶液和中性pH值条件下合成了5种羟胺氧钒配合物，活性实验结果表明,该配合物对PTP1B酶具有一定的抑制活性,是一类很有希望的新型的胰岛素模拟物,也有希望成为研究糖尿病治疗药物的先导化合物[18]。以乙酰丙酮氧钒作为钒源，以3-氯丙胺盐酸盐固体和邻香草醛一步反应得到的希夫碱作为配体，室温放置生长晶体，得到一种有生物活性的希夫碱氧钒配合物晶体的制备方法。测试结果晶体表现出生物活性，对PTP1B酶的平均抑制率为83.68%，对研究糖尿病治疗药物有指引作用[19]。此外，羧酸羟胺氧钒配合物、D-氨基葡萄糖氧钒和氨基酸羟胺氧钒配合物对PTP1B酶的抑制活性等都有一定影响，目前也正在研究当中。5.结语钒类化合物的抗糖尿病作用已得到广泛证实，其分子作用机制与激活胰岛素信号转导途径中的关键激酶如P13-K/PKB和ERK有关，且由于PTPase是胰岛素信号转导的负调节剂，钒也可能通过抑制PTPase活性而促进胰岛素的信号转导和作用。虽然仍然钒影响代谢和信号转导的作用靶点仍有不明之处，但其对动物水平的降糖效果还是蛮明显的，因此未来用于人类的治疗糖尿病前景广泛。在研究降糖药物中，如果把无机化学与有机化学结合起来，运用多种分析手段，提高生物化学领域中金属与类金属药物研究的水平，相信不久的将来，人类必定会摆脱糖尿病的困扰。参考文献：[1]徐斯盛,张惠斌,周金培等.新型抗糖尿病药物的研究进展[J].中国药科大学学报,2013,42(2):97-106.[2]邓卫燕.糖尿病治疗药物的研究进展[J].临床合理用药