李平平团队《自然·通讯》:发现巨噬细胞分泌的Galectin-3抑制胰岛素分泌

2024-05-08 BioMed科技 BioMed科技 发表于上海

该研究发现了炎症诱导糖尿病胰岛细胞功能障碍的新机制,为改善细胞功能的药物研发提供新靶点和新策略。

研究背景

胰岛素抵抗和胰岛β细胞功能受损是2型糖尿病的两大特征[1]。肥胖导致胰岛素抵抗,继而引发胰岛β细胞代偿性胰岛素分泌增加,当超过最大分泌能力时β细胞失代偿,β细胞功能受损胰岛素分泌开始下降。在诊断为糖尿病时,早相胰岛素分泌能力仅剩正常的25%[2]。故β细胞功能失常在糖尿病发病前10年就已经发生,因此,保护β细胞功能对于2型糖尿病的预防和治疗至关重要。探寻β细胞功能受损的分子机制,寻找新的药物靶点十分重要。

半乳糖凝集素Galectin-3(Gal3)是一种主要由巨噬细胞分泌的炎症相关因子。课题组前期研究显示,在糖尿病患者和肥胖人群中,血浆Gal3的水平明显升高,肥胖时巨噬细胞大量入侵肝脏、脂肪等胰岛素靶组织,导致Gal3增加并引发胰岛素抵抗(2016,Cell)[3]。而Gal3对胰岛β细胞功能的直接作用尚未阐明。

论文概要

2024年5月1日,中国医学科学院药物研究所天然药物及核药基础与新药创制全国重点实验室李平平研究员团队,在Nature Communications在线发表题为“Galectin-3 Impairs Calcium Transients and -Cell Function”的研究论文。该研究发现了炎症诱导糖尿病胰岛细胞功能障碍的新机制,为改善细胞功能的药物研发提供新靶点和新策略。

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结果分析与阐述

肥胖(HFD)和糖尿病(db/db)小鼠胰岛中有大量巨噬细胞入侵,本研究首次发现胰岛中Gal3水平显著升高,并且Gal3与巨噬细胞有明显共定位。同时,HFD和db/db小鼠的胰岛β细胞功能降低,提示肥胖和糖尿病状态胰岛发生炎症,并且炎症状态下Gal3增加,增加的Gal3与胰岛β细胞功能障碍相关。Gal3短时间作用于β细胞系和小鼠原代胰岛,即可抑制葡萄糖刺激的胰岛素分泌(Glucose Stimulated Insulin Secretion, GSIS)。本研究首次证实Gal3直接降低小鼠胰岛β细胞GSIS(图1)

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图1 肥胖和糖尿病小鼠胰岛中巨噬细胞分泌的Gal3增加并抑制细胞GSIS

体内实验也表明,全身敲除Gal3明显改善HFD和db/db小鼠胰岛素分泌和糖耐量以及胰岛素耐量。作者进一步的研究显示,清除小鼠体内巨噬细胞以及特异性敲除小鼠巨噬细胞Gal3能够明显增加HFD小鼠一相胰岛素分泌和胰岛β细胞的GSIS,同时小鼠糖耐量也得到明显改善。胰腺病理切片的HE染色显示,全身敲除Gal3也能够明显改善HFD小鼠和db/db小鼠胰岛形态,增加胰岛中β细胞功能相关Ins1MafA等基因的表达。以上实验表明,肥胖和糖尿病小鼠体内导致胰岛β细胞功能障碍的Gal3主要来源于巨噬细胞,并且Gal3长期作用影响胰岛形态和功能

作者通过对GSIS发生过程的研究发现,Gal3主要通过抑制β细胞葡萄糖刺激的钙内流抑制GSIS。进一步的,作者通过CO-IP、免疫荧光等多种实验手发现其作用机制是Gal3与β细胞膜上电压依赖的钙通道的调节亚基CACNG1相互作用,给予抑制肽(blocking peptide, CBP)能够减弱Gal3与CACNG1的结合,并在β细胞上逆转Gal3抑制的钙内流和GSIS。分离全身敲除CACNG1和β细胞特异性敲除CACNG1的小鼠胰岛,发现敲除CACNG1后Gal3不能抑制胰岛葡萄糖刺激的钙内流,也不能抑制小鼠胰岛的GSIS。以上实验证明,Gal3抑制GSIS的作用机制是通过与β细胞膜上CACNG1蛋白结合,从而抑制葡萄糖刺激的钙内流,进而抑制GSIS(图2)

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图2 Gal3与CACNG1结合抑制胰岛素分泌

最后,作者体外给予Gal3抑制剂或Gal3的抗体均能明显逆转β细胞Gal3抑制的GSIS,db/db小鼠体内长期给与Gal3抑制剂可明显改善β细胞GSIS和葡萄糖耐量以及胰岛素抵抗。此外,Gal3在2型糖尿病患者胰岛中亦显著增加,并且Gal3对人原代胰岛GSIS也有明显抑制。这些实验证明了Gal3作为糖尿病治疗药物靶点的可行性(图3)。至此,本研究确定靶向Gal3的治疗能够同时改善胰岛素抵抗和胰岛β细胞功能障碍,可以更有效的治疗糖尿病

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图3 抑制Gal3改善β细胞功能和db/db小鼠葡萄糖稳态

文章结论与讨论,启发与展望

本研究报道了肥胖和糖尿病状态下胰岛内Gal3明显升高,且升高的Gal3主要来源于巨噬细胞,Gal3短时间作用即能够直接抑制β细胞GSIS,其作用机制是通过与β细胞上的CACNG1结合抑制钙电流(图4)。而Gal3长期作用则能够影响胰岛形态。糖尿病小鼠体内长期给予Gal3抑制剂能够同时改善β细胞功能、葡萄糖耐量以及胰岛素敏感性。胰岛素抵抗和胰岛β细胞功能障碍是2型糖尿病的两大特征,也是2型糖尿病发生发展的重要原因。而本研究及之前的研究(2016,Cell)[3]表明Gal3对二者同时具有明显改善作用。体现了Gal3作为治疗糖尿病药物新靶点可能具有很大的优势,为糖尿病的治疗提供新策略。

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图4. Galectin-3通过CACNG1引起β细胞胰岛素分泌障碍

作者简介

李平平课题组姜茜助理研究员、赵其锦助理研究员、博士研究生陈艺兵马春晓助理研究员为该论文的共同第一作者,李平平研究员为通讯作者。该研究得到中国医学科学院医学与健康科技创新工程(2021-I2M-1-026),北京市教委、科技部和国家自然基金委等基金资助。感谢天津市第一中心医院副主任医师王树森,北京大学陈良怡教授,浙江大学孟卓贤教授以及中国医学科学院药物研究所崔冰研究员对该工作的重要贡献。感谢北京大学程和平院士、中国科学院生物物理研究所徐涛院士为该工作提供的大力支持和帮助。

通讯作者简介

李平平,研究员,博士生导师。曾在美国加州大学圣迭戈分校先后做博士后、项目科学家和助理教授。2015年回国后在中国医学科学院药物研究所建立实验室。致力于肥胖及相关代谢性疾病发病新机制和治疗新靶点研究工作。现为在中国医学科学院药物研究所研究员和博士生导师,中国医学科学院代谢紊乱和肿瘤发生相关机制和靶点发现重点实验室主任。曾获得协和学者特聘教授、国家自然基金委优秀青年、求是杰出青年科学家、北京高校“卓越青年”科学家、树兰医学青年奖。

参考文献

1. Shubrook, C.W.J., Beta-cell failure in type 2 diabetes: mechanisms, markers, and clinical implications. Postgraduate Medicine, 2020.

2. PANG Can, B.Y.-q., WANG Chen, LU Jun-xi, JIA Wei-ping and XIANG Kun-san Relationship between the level of fasting plasma glucose and beta. Chinese Medical Journal, 2008. 121(21): p. 2119-2123.

3. Li, P., et al., Hematopoietic-Derived Galectin-3 Causes Cellular and Systemic Insulin Resistance. Cell, 2016. 167(4): p. 973-984.e12.

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