新型PPAR激动剂P633和C333的药效评价及药理学作用机制研究

糖尿病是一种严重威胁人类健康的内分泌代谢紊乱性疾病,其中90%以上为2型糖尿病(T2DM)。T2DM常与肥胖、脂代谢紊乱等并存,并与代谢综合症(MS)一起成为了一种流行性、日益严重的世界公共卫生难题。现有口服降糖药物不能有效改善糖尿病伴发的脂代谢紊乱,且存在长期使用的副作用问题。因此,研发新型、安全性更好的创新药物具有重要意义。 过氧化合物酶体增殖因子活化受体(PPAR),是核受体超家族成员之一,有三种亚型:α、β/δ和γ。其中PPARα和PPARγ分别是降脂药物贝特类和糖尿病治疗药物噻唑烷二酮类的作用靶标。鉴于PPARα和γ激动剂各自具有的药理学作用特点,具有PPARα和PPARγ双重激动活性的化合物理论上可能具有各亚型激动剂的优势,并能够因此避免多种药物合用的相互作用问题。因此,以PPARα、PPARγ为靶标,开发兼具PPARα/γ双重激动活性的药物成为继罗格列酮之后,又一个“重磅炸弹”式T2DM预防和治疗药物的研究重点和热点。 P633和C333是基于PPARα和PPARγ受体结构,设计合成的全新结构化合物。前期实验结果表明,两者均具有明确的PPARα和PPARγ的激动活性(P633的EC50分别是0.012μM和0.032μM,C333的EC50分别是0.399μM和0.155μM)和降低实验动物血糖水平的作用,同时具有良好的成药性。本课题的研究目标是通过对上述两种初步确定的结构全新的候选药物进行系统的药效评价和深入的作用机制研究,以期充分了解P633和C333的有效性和安全性,确定具有开发价值的候选新药。 本研究工作由四部分内容组成:第一部分,化合物体外生物活性及作用机制研究,从核受体水平、细胞水平对P633和C333与受体的结合作用、调节作用、及对核转录调控因子的影响,在靶细胞上的生物学活性进行了研究;第二、三部分,在两种遗传性2型糖尿病和两种胰岛素抵抗性实验动物模型上,分别以PPARγ激动剂罗格列酮和/或PPARα/γ双重激动剂GW409544作为对照药物,评价了P633和C333的药效;深入探讨了其靶标相关和非相关作用机制。第四部分,针对罗格列酮临床使用出现的常见副反应,在C57 BL /6J小鼠上,初步观察了C333的相关作用。 第一部分,分别采用表面等离子体共振分析技术和哺乳动物细胞双杂交实验方法,观察化合物与PPARγ蛋白的结合作用,以及对PPARγ2与核共激活因子(CBP)、共抑制因子(NCOR1)相互作用的影响;在前脂肪细胞分化和肝细胞脂肪酸摄取实验上,分别观察了化合物对PPARγ和PPARα靶标激活相关的细胞功能的影响及其对靶基因的调控作用。结果表明,P633和C333对PPARγ具有较高的亲和特性,其KD值分别为6.74×10-7 M和4.50×10-6 M(与PPARγ激动剂曲格列酮相近,KD值为2.74×10-7M);两化合物均能够促进核共激活因子CBP与PPARγ2结合、促进共抑制因子NCOR1从PPARγ2解离,但其作用强度均弱于PPARγ激动剂罗格列酮和PPARα/γ双重激动剂GW409544;在小鼠3T3-L1前脂肪细胞和HepG2肝细胞上,0.1-10μM的P633和C333均剂量相关的促进前脂肪细胞分化、促进肝细胞摄取游离脂肪酸、促进PPARγ下游直接靶基因ap2、LPL、GLUT4和PPARα下游直接靶基因ACO表达。因此,P633和C333可以与PPARγ结合,有效调节PPARγ2与核辅助调控因子的相互作用,并通过调节PPARα、PPARγ的靶基因实现其靶标作用相关的生物学功能。也进一步证实,与转译激活水平筛选结果相一致,新结构类型的PPARα/γ激动剂P633和C333是通过作用于PPARα、PPARγ实现其药理学作用。 第二部分,在具有代谢综合征特征的MSG诱导肥胖小鼠上,10mg/kg的P633给药2周,能够改善模型小鼠的葡萄糖不耐受、餐后高血糖、以及高瘦素和高胰岛素血症,升高血中HDLc水平。在遗传性糖尿病db/db小鼠上,2.5 mg/kg和10mg/kg P633给药2周能够改善db/db小鼠胰岛素敏感性、高血糖、高瘦素和高胰岛素血症,降低血中TG、TC和FFA水平,但不产生罗格列酮和GW409544样的增加体重和脂肪重的作用;在遗传性糖尿病KKAy小鼠上,给药5天时出现降糖趋势,至第10天时不再降糖,至2周后出现升糖趋势,并剂量依赖性的升高血清胰岛素,但低剂量(1 mg/kg和2.5 mg/kg)可部分改善血脂紊乱。 对P633用药后在KKAy出现的异常现象,采用组织病理学、电镜超微结构和免疫组化及定量PCR的方法,从胰岛素分泌组织到胰岛素作用的主要靶组织进行了分析。结果表明:10 mg/kg的P633剂量依赖性的显著上调肝脏糖异生关键酶PEPCK表达;显著促进胰岛增生、胰岛细胞核产生畸形样改变,线粒体肿胀,嵴消失;但P633降低小鼠肝脂含量,改善肝脏脂肪变性和肝细胞肥大,也未表现出脂肪组织胰岛素抵抗加重。可见,新结构化合物P633除具有PPARγ和PPARα激活作用外,还具有激活肝糖异生途径的靶标外作用的活性。提示,在基于靶标的新药发现过程中,全面评价候选分子的药理学作用十分必要。 第三部分,在前期KKAy小鼠、饮食诱导的胰岛素抵抗大鼠模型药效评价的基础上,在db/db小鼠和MSG诱导肥胖大鼠模型上,评价C333对糖尿病及其并发症的治疗作用。结果表明:在MSG大鼠模型上,3 mg/kg和10mg/kg C333给药40天能够增强MSG肥胖大鼠的胰岛素敏感性,促进葡萄糖钳夹时的葡萄糖输注量,改善肝脏和胰腺病理改变,同时在该模型上无罗格列酮样的增加体重和棕色脂肪重,及非诺贝特样的增加肝重的不良作用。在db/db小鼠上,10 mg/kg和20mg/kg C333显著改善胰岛素敏感性、降低其高血糖及血TG、LDLc水平和TC/HDLc比值,在20mg/kg时其降糖作用略强于或相当于罗格列酮,无罗格列酮和GW409544样的增加体重和促进脂肪增加的副作用。采用组织病理学、电镜超微结构、定量PCR、western blot等实验方法进行深入分析,结果表明C333在体内能够激活PPARα/γ,调解(促进或抑制)肝脏(如PEPCK和CPT1等)和脂肪(如adiponectin和LPL等)内糖、脂代谢关键靶基因表达、促进骨骼肌和脂肪组织胰岛素受体蛋白表达和脂肪组织葡萄糖转运体蛋白表达,显著抑制肝脏、肌肉和脂肪组织内的11βHSD1基因表达,对肝脏11HSD1的下调作用最强,这提示抑制局部糖皮质激素的再活化也是其改善胰岛素的敏感性作用机制之一。 第四部分,在C57BL/6J小鼠上观察了C333对正常小鼠体重及水钠潴留的影响,结果表明给药4周10-20 mg/kg的C333对正常小鼠的体重、脏器重量、血糖及血中乳酸含量均无明显影响,不上调介导水钠潴留作用的肾脏钠通道ENaCγ的蛋白表达;以上动物实验结果提示:C333促体重增加、产生水钠潴留和水肿等副作用的可能性较低,具有较好的安全性特征。 综上所述,本课题取得的主要进展如下: 1)证实新型PPARα/γ激动剂P633和C333在分子水平与PPARγ蛋白分子结合并具有较高的亲和特性。 2)成功建立了两种转录辅助调控因子与PPARγ2相互作用、细胞双杂交分析的新模型。发现P633和C333剂量依赖的促进核共激活因子CBP与PPARγ2结合、促进共抑制因子NCOR1从PPARγ2解离,但其作用强度弱于PPARγ激动剂罗格列酮和PPARα/γ双重激动剂GW409544。 3)证实P633和C333具有促进3T3-L1前脂肪细胞分化、促进肝细胞摄取游离脂肪酸、调节PPARγ和PPARα直接靶基因表达的靶标特异性作用特征。 4)完成了候选化合物C333有效增加MSG诱导肥胖大鼠、db/db和KKAy小鼠的胰岛素敏感性,降低血糖水平、改善脂代谢紊乱的药效学评价,确证其作用机制主要是激活肝脏、脂肪组织PPARγ和PPARα,调节糖、脂代谢靶基因表达。C333在实验动物上无增重、促进水钠潴留的副作用,具有良好的安全性特征。确定C333是一个具有开发价值的候选新药。 5)完成P633的药效学评价及作用机制研究,发现P633改善MSG诱导肥胖小鼠和db/db小鼠的胰岛素敏感性、高血糖、高瘦素和高胰岛素血症,并部分改善脂代谢紊乱症状,而无增重副作用。然而,P633却时间依赖性的升高KKAy小鼠的血糖,原因是非靶向的促进肝脏糖异生所致。 6)在基于特定机制和靶标的新药发现过程中,在开发早期即进行多模型、多指标的综合性评价十分必要,有利于及早发现潜在问题提高研发效率。