双靶向“线粒体偶联效率和丙酮酸脱氢酶复合物PDC活性”策略改善高血糖症

Type 2 diabetes and obesity are associated with glucose and lipid metabolism disorder. Numerous evidence showed that mitochondrial uncoupler performed a preferable hypoglycemic and hypolipidemic effects through accelerating mitochondrial electron respiratory chain, promoting glucose and lipid oxidation and replacing ATP by heat production. DNP, a classical mitochondrial uncoupler, exerted the hypoglycemic and hypolipidemic effect and was once applied in clinic but was withdrawn shortly because of a combination of hyperthermia, hyperkalemia, hyperlactatemia and the risk of death. The side effect of DNP was clarified to closely associated with excessive promotion of fatty acid oxidation leading to ketones body release and fever, and the compensatary ATP generation by glycolysis contribution to lactic acid release. Pyruvate dehydrogenase complex (PDC) is another key switch point of glucose and lipid metabolism. Increasing activity of PDC would promote glucose but not fatty acid oxidation, inhibit ketone generation and lactic acid release and result in a significant hypoglycemia. Based on the hypothesis, our preliminary research verified, the enhanced activity of PDC could partially reverse the side-effect inspired by DNP in vitro and vivo, and a novel series of backbone with mitochondria uncoupling and PDC activity were identified. In this project, we aim to prove the concept of dual targeting to mitochondria uncoupling and PDC activity for treatment of hyperglycemia, and will provide the novel strategy for drug discovery, and the potential candidates for type 2 diabetes.

线粒体解偶联可加速电子呼吸链传递促进糖脂分解代谢，以热量形式代替ATP生成，减少糖脂累积，从而改善代谢综合症。经典的线粒体解偶联剂DNP问世证实了线粒体解偶联的降糖降脂药理作用，但DNP使用中出现持续高热、高血钾、高乳酸症以及死亡等副作用限制了其发展与临床应用。丙酮酸脱氢酶复合物（PDC）是线粒体调控糖、脂代谢转换的关键复合物，其活性提高促使脂肪酸转变为葡萄糖氧化，抑制乳酸以及酮体生成。我们在充分调研基础上提出科学假设 “提高PDC活性可消除线粒体解偶联的副作用”，在前期研究中初步论证了细胞水平和动物水平上PDC激活剂DCA可消除DNP的促乳酸生成和致死毒性反应，并通过筛选与改造发现了具备双靶向的小分子调节剂，具有良好的降糖作用。本课题旨在验证线粒体解偶联和PDC双靶点策略可有效改善糖尿病，得到具有双靶点功能的小分子且安全有效改善高血糖，从而为治疗2型糖尿病提供新的靶向策略与先导化合物。

以高血糖为主要特征的糖尿病已逐渐发展成为全球公共健康问题，持续高血糖会引发一系列严重的并发症，如心血管疾病、糖尿病肾病以及视网膜病变等，严重影响人类健康生活。2，4-二硝基苯酚（DNP），作为经典的线粒体解偶联剂，因其解偶联线粒体电子传递和ATP生成过程，促进糖脂代谢和提高基础代谢率，于20世纪30年代被用于肥胖治疗。然而在临床使用过程中，出现高热、高血钾、高乳酸血症甚至死亡等副作用，被迫退出市场。DNP产生副作用机制主要体现在强解偶联活性导致脂肪酸过度动员进行氧化、引发热量产生过多导致体温过高、无氧糖酵解能力被提高用于弥补ATP不足引发乳酸释放。因此，线粒体解偶联剂导致的毒副作用限制其在治疗糖尿病方面的应用。基于此，我们通过选择不同的细胞代谢调节剂与DNP的组合进行评估，发现了丙酮酸脱氢酶（PDC/PDH）激活剂-二氯乙酸（DCA）。在肌管细胞、肝细胞以及脂肪细胞上DCA和DNP联用可以显著抑制线粒体解偶联活性导致的乳酸释放以及脂肪酸氧化。在整体动物水平，DCA可以缓解高剂量DNP导致的乳酸释放、体温增加甚至动物死亡。与此同时，在高脂诱导胰岛素抵抗模型中，DCA和DNP联用可显著改善高血糖以及胰岛素敏感性。深入机制探讨表明，DCA通过激活丙酮酸脱氢酶，使得DNP解偶联促进的脂肪酸氧化以及无氧糖酵解转变成有氧氧化，从而降低了乳酸和热量的释放。基于DCA和DNP联用的降糖有效性和安全性，我们建立了线粒体功能与PDH活性调节的组合筛选体系，发现同时具备线粒体解偶联活性和提高丙酮酸脱氢酶活性的小分子化合物6j，并初步证明6j具备降糖的有效性和安全性。通过本项目的研究，我们证实了“双靶向线粒体解偶联和丙酮酸脱氢酶安全有效改善高血糖”的降糖新策略，且这一策略可能为糖尿病创新药物的开发研究提供新的药物靶标与研发思路。