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AMPK，全稱為AMP-activated protein kinase，即AMP激活蛋白激酶，是體內(nèi)能量穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)節(jié)因子。

1988年, 發(fā)表在European Journal of Biochemistry上的[1]一篇論文首次正式命名了AMPK。之后的30年里，科學家們獲得了許多關于其結構、調(diào)節(jié)以及生理作用的重要發(fā)現(xiàn)，并且對將該酶作為藥物靶點的興趣不斷攀升。

大量證據(jù)表明，熱量限制、運動、激素（如瘦素和脂聯(lián)素）以及許多被用于傳統(tǒng)草藥的天然產(chǎn)物能夠激活AMPK。此外，研究發(fā)現(xiàn)，世界上使用最廣泛的藥物二甲雙胍和水楊酸（阿司匹林和雙水楊酯的活性成分）也能夠激活AMPK，表明它們的藥效可能也與調(diào)節(jié)AMPK有關。前幾年被批準用于治療2型糖尿病的SGLT2抑制劑卡格列凈也被證明以類似二甲雙胍的方式間接激活AMPK。

不過，開發(fā)直接激活AMPK并能發(fā)揮治療作用的藥物一直是個挑戰(zhàn)。最近，已有一些小分子被發(fā)現(xiàn)能夠直接激活AMPK，很多團隊正在調(diào)查這類AMPK激動劑的臨床前和臨床療效，少數(shù)化合物已經(jīng)進入臨床試驗階段。

需要指出的是，盡管已經(jīng)取得這些進展，但AMPK激動劑究竟最適合治療哪種疾病，以及有哪些潛在的副作用仍在研究中。

圖片來源：Nature Reviews Drug Discovery

3月13日，來自加拿大麥克馬斯特大學和英國帝國理工學院的兩位科學家在Nature Reviews Drug Discovery[2]上發(fā)表了一篇深度綜述。文章詳細評估了靶向AMPK在多種疾病領域的治療潛力，包括代謝疾病、癌癥、神經(jīng)肌肉疾病、慢性腎病、疼痛和衰老，并突出了這類新藥研發(fā)的關鍵挑戰(zhàn)。

AMPK的結構

哺乳動物的AMPK是由3個亞基組成的異源三聚體復合物，具體包括：1）由PRKAA（protein kinase AMP-activated-α）編碼的α催化亞基；2）由PRKAB編碼的β調(diào)節(jié)亞基；3）由PRKAG編碼的γ調(diào)節(jié)亞基。其中，α亞基和β亞基都具有兩種亞型（α1、α2；β1、β2），而γ亞基具有3種亞型（γ1、γ2、γ3），這使得三種亞基可以搭配出12種可能的αβγ AMPK復合物。不同亞型之間一個明顯的區(qū)別是相對的組織分布。此外，不同物種（如人和小鼠）之間AMPK亞型的表達可能存在顯著差異。在嚙齒動物肝臟中，α1和α2表達水平相似，β1和γ1是主要表達的調(diào)節(jié)亞基亞型，也就是說，嚙齒動物肝臟表達主要α1β1γ1和α2β1γ1復合物的混合物。然而，在人類肝臟中，α1是主要表達的催化亞型，α1β2γ1是主要表達的AMPK復合物。同樣，γ2亞型在人類心臟中高表達，但在嚙齒動物心臟中，γ1似乎才是主要表達的γ亞基。了解這些差異對于AMPK激動劑的研發(fā)具有重要意義。

AMPK的活性調(diào)節(jié)

AMPK的活性受多種激素和代謝信號的嚴格調(diào)控，涉及許多不同的機制（圖1）。當活細胞內(nèi)的直接能量來源——ATP下降時，細胞內(nèi)的AMP和ADP水平會升高，從而導致AMPK被激活?？茖W家們對腺嘌呤核苷酸（AMP、ADP和ATP）調(diào)控AMPK已經(jīng)達成共識。結合AMP可使AMPK激活10倍，而AMP和ADP可增加Thr172（AMPK α亞基172位蘇氨酸）的磷酸化（Thr172被磷酸化后，AMPK被激活）。不過，這種調(diào)節(jié)受AMP或ADP/ATP比值（AMP/ADP:ATP ratio）的影響。

圖1 AMPK的生理和藥理調(diào)節(jié)（圖片來源：Nature Reviews Drug Discovery）

組成AMPK的亞基亞型也影響著腺嘌呤核甘酸對AMPK的調(diào)節(jié)，尤其是γ亞基的亞型。γ亞基不同亞型共享著高度保守的羧基末端區(qū)域，該區(qū)域具有4個約60個氨基酸大小的胱硫醚-β-合酶（cystathionine-β-synthase，CBS）。包含全長γ1亞基的AMPK調(diào)節(jié)核心的晶體結構顯示，4個CBS域中有3個可結合核甘酸。CBS2不與核苷酸結合；CBS4位點含義一個在生理條件下永久結合的AMP分子；CBS1和CBS3這兩個位點以可交換的方式結合腺嘌呤核苷酸。

AMPK還能夠被細胞內(nèi)鈣離子的增加激活，這是由鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶激酶2（CAMKK2）介導的。由鈣介導的AMPK激活似乎在調(diào)節(jié)某些組織中AMPK對激素的響應方面起著重要作用。

AMPK的生理功能

AMPK的激活會導致不同代謝途徑中超過100種蛋白質(zhì)的磷酸化（圖2）。而其中大量關鍵代謝蛋白的磷酸化影響了脂質(zhì)、膽固醇、碳水化合物和氨基酸的代謝以及線粒體功能、自噬和細胞生長。

圖2 AMPK調(diào)控的蛋白和通路（圖片來源：Nature Reviews Drug Discovery）

調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝

AMPK通過多種底物的磷酸化來降低脂質(zhì)儲存，同時抑制脂肪酸和膽固醇合成。有研究發(fā)現(xiàn)，AMPK可在體外和小鼠肝臟中通過Ser872的磷酸化抑制HMGR（HMG-CoA reductase，羥甲基戊二酸單酰輔酶A還原酶）和膽固醇的合成，從而降低血清和肝臟膽固醇。

線粒體功能調(diào)節(jié)

AMPK還可通過調(diào)節(jié)線粒體功能間接控制脂肪酸氧化速率，而這與一種被稱為A激酶錨定蛋白1（A kinase anchor protein 1，AKAP1）的分子密切相關。

此外，很多研究獲得了1個一致的發(fā)現(xiàn)，即AMPK的激活增加了線粒體的含量。線粒體含量的這種變化可能是由于線粒體的合成（生物發(fā)生）和/或降解發(fā)生了改變，而AMPK似乎在這兩個方面都發(fā)揮了調(diào)節(jié)作用。AMPK可通過多種互補途徑促進線粒體生物發(fā)生，如上調(diào)轉(zhuǎn)錄共激活過氧物酶體PGC1α（proliferator-activated receptor-γ co-activator 1α）。

碳水化合物代謝調(diào)節(jié)

除了通過調(diào)節(jié)脂肪酸代謝間接影響碳水化合物的利用，AMPK還通過多種機制直接調(diào)節(jié)控制碳水化合物代謝的通路。

研究顯示，在嚙齒動物骨骼肌中，AMPK α2β2γ3異源三聚體的激活通過增強葡萄糖轉(zhuǎn)運體4（GLUT4）的易位增加了葡萄糖攝取。而一旦葡萄糖進入細胞，就會迅速轉(zhuǎn)化為葡萄糖-6-磷酸(G6P)，然后根據(jù)能量需求，G6P會直接進入糖酵解或糖原合成。在一些細胞中，AMPK的激活通過磷酸化和激活6-磷酸果糖-2激酶(PFK2)刺激了糖酵解。

此外，利用非特異性AMPK激活劑的早期研究表明，AMPK可抑制關鍵的葡萄糖異生基因，如那些編碼磷酸烯醇丙酮酸羧激酶（PEPCK）和葡萄糖-6-磷酸酶（G6Pase）的基因。這兩種基因都已被證明在代謝紊亂中導致了肝臟葡萄糖的產(chǎn)生異常。

AMP的藥理學激活

許多間接（表1，見文末）或直接（表2，見文末）增加AMPK活性的藥理學化合物已經(jīng)被開發(fā)出來，且很多化合物的作用模式已經(jīng)被闡明，少許化合物也已被批準使用或正在進行臨床試驗。

AMPK間接激動劑

AMPK是響應AMP和ADP水平的升高而被激活的，這也支持了間接激活AMPK的大量化合物的作用機制(圖1)。本質(zhì)上，任何導致AMP/ADP:ATP比值升高的處理都會導致AMPK的激活。因此，許多激活細胞內(nèi)AMPK的化合物是通過抑制線粒體電子傳遞鏈或?qū)е戮€粒體解偶聯(lián)來激活AMPK的。這并不奇怪，因為這兩種方法都可能降低線粒體ATP合成。

舉例來說，二甲雙胍（表1）可抑制線粒體中的復合物I，導致線粒體呼吸和ATP產(chǎn)生下降，被證明激活了AMPK。為了促進肝臟外AMPK的活化，一些研究小組已經(jīng)開始開發(fā)類似于二甲雙胍的復合物I抑制劑，如R419（表1）。

一些來源于植物的天然產(chǎn)物也可通過抑制線粒體呼吸間接激活AMPK，如黃連素、槲皮素、多酚白藜蘆醇（表1）。其中，白藜蘆醇被研究地最為廣泛，它通過多種機制激活AMPK，包括抑制線粒體功能和磷酸二酯，以及激活SIRT1。

AMPK間接激動劑還包括PT-1（通過抑制線粒體呼吸鏈激活AMPK）、卡格列凈（通過抑制復合物I激活AMPK）、dinitrophenol（通過增加AMP/ADP:ATP比值激活AMPK）。需要指出的是，由于這些化合物是間接激活AMPK，因此，它們的一些作用可能不是由AMPK介導的。

AMPK直接激動劑

開發(fā)AMPK直接激動劑最初主要聚焦在尋找能夠模擬核苷依賴激活的化合物，盡管當時AMPK上核苷酸結合位點的特性還不清楚。首個被發(fā)現(xiàn)的AMPK直接激動劑為5-氨基咪唑-4-羧酰胺核糖核苷酸（也稱為ZMP），該化合物是具有細胞滲透性的前體AICAR（AMPK activator 5-aminoimidazole-4-carboxamide Ribonucleoside）的單磷酸鹽衍生物（表2）。

最近，通過對AMP模擬物的篩選，有團隊鑒定出了強變構AMPK激動劑5-(5-hydroxyl-isoxazol-3-yl)-furan-2-phosphonicacid（簡稱C2）以及2-(2-(4-(trifluoromethyl)phenylamino)thiazol-4-yl)acetic acid。此外，也有科學家開發(fā)出了模擬ADP作用的分子，如O304。

直接激活AMPK的大多數(shù)化合物（如A-769662、PF249、PF06409577、PF739、SC4，表2）結合在一個由α和β亞基相互作用形成的特殊口袋上，這個口袋被稱為變構藥物和代謝物（allosteric drug and metabolite ,ADaM）位點。結合在ADaM位點上的配體可激活AMPK，防止其去磷酸化。迄今為止被鑒定出的所有ADaM位點激動劑都與包含β1亞基的AMPK復合物結合的更緊密（相比包含β2亞基的AMPK復合物）。

AMPK的雙重激活

AMPK可以被與結合酶內(nèi)不同位點的配體激活這一事實為用雙重處理激活AMPK提供了理論基礎。有研究顯示，當AMP聯(lián)合salicylate（表2） 或A769662使用時，產(chǎn)生了協(xié)同激活AMPK的作用。一些其它研究通過使用不同的AMPK激動劑證明了雙重激活AMPK的可能性。

靶向AMPK的治療應用

AMPK在調(diào)節(jié)多種細胞過程中的作用揭示了AMPK激活療法治療多種不同疾病的潛力(圖3)。

圖3 AMPK在代謝綜合征中的組織特異性作用（圖片來源：Nature Reviews Drug Discovery）

代謝疾病

肥胖和2型糖尿病的流行促使人們需要開發(fā)新的治療方法，以降低它們的發(fā)病率和相關的并發(fā)癥，包括非酒精性脂肪肝（NAFLD）、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)和心血管疾?。–VD）。正如前文所說，大量研究表明，AMPK的激活會促進脂肪酸氧化、線粒體功能、自噬和骨骼肌葡萄糖攝取，同時抑制炎癥、脂肪酸和膽固醇合成，這為靶向AMPK治療代謝疾病提供了強有力的理論依據(jù)。

肥胖

降低熱量攝入和增加能量消耗都受AMPK的調(diào)節(jié)。通過聯(lián)合這兩種途徑來減少肥胖是有效治療心臟代謝疾病多個方面的手段之一。有研究表明，下丘腦AMPK響應饑餓素或低血糖被激活后，可刺激食欲；而響應瘦素和胰島素活性降低后，抑制了食欲。

此外，除了抑制食欲，下丘腦AMPK活性的降低也可能通過增加能量消耗來促進減肥。隨著最近越來越多特異性AMPK抑制劑被發(fā)現(xiàn)，如SBI-0206965，研究將AMPK抑制劑遞送到中樞神經(jīng)系統(tǒng)是否可能抑制食欲和促進減肥將是一件有趣的事情。此外，評估脂肪組織中AMPK的激活與食欲抑制療法（如GLP1受體激動劑）相結合是否能夠?qū)p肥和治療肥胖產(chǎn)生協(xié)同作用也將很有意思。

NAFLD、NASH

NAFLD被定義為肝脂肪堆積(占肝重量>5%)。目前能有效治療NAFLD和NASH的藥物有限。

有研究顯示，在嚙齒類動物模型中，利用A-769662激活肝臟AMPK可減少NAFLD（由于溶解度差、生物利用度有限以及效能一般，A-769662只能局限于臨床前研究）。之后也有多項研究表明，通過基因工程手段或藥理學手段激活AMPK可減少NAFLD、肝臟胰島素抵抗以及炎癥和肝纖維化的標志物。

不過，盡管大量AMPK激動劑在NAFLD小鼠模型中表現(xiàn)出了積極的作用，但開發(fā)治療人類NAFLD的AMPK直接激動劑有一個關鍵的挑戰(zhàn)：小鼠肝臟中主要表達的β亞基的亞型與人類肝臟不同，前者是β1，后者是β2。

CVD

大多數(shù)心臟病發(fā)作和中風是由血栓和動脈粥樣硬化斑塊形成導致的，而這兩個因素又與受AMPK調(diào)節(jié)的低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)和慢性低度炎癥的升高有關。研究表明，減少動脈粥樣硬化斑塊內(nèi)的脂質(zhì)負荷和炎癥性巨噬細胞可能是減少心血管事件的重要策略。

除了LDL-C和炎癥升高外，CVD的一個重要危險因素是高血壓。大量研究表明，AICAR可以降低嚙齒類動物和人類的血壓；一些研究證明，PF-06409577和O304也能發(fā)揮相同的作用。O304用于治療2型糖尿病患者的一項IIa期臨床研究顯示，AMPK激動劑具有抗高血壓作用，這說明，降血壓可能是AMPK激活減少心血管事件的一個重要機制。

小結

正如上文所述，AMPK的藥理激活對心臟代謝疾病的許多方面都有積極的作用，包括高血糖、高血脂、NAFLD、胰島素抵抗、高血壓和慢性低度炎癥。這些效應可能是通過同時調(diào)制多個不同組織中（包括脂肪組織、肝臟、巨噬細胞等免疫細胞、骨骼肌、心肌和腎臟）的多個分子靶點介導的。

癌癥

癌癥抑制因子和致癌基因（如PTEN、LKB1、mTOR、p53、RAS 和 MYC）的突變通常與AMPK活性降低有關。相反，AMPK表達和活性的增加與人類多種腫瘤類型的存活率提高有關，這表明AMPK在癌癥中可能發(fā)揮重要作用。研究表明，缺乏AMPK的腫瘤的一個顯著特征是乙酰輔酶A羧化酶（ACC）磷酸化的減少和新生脂肪生成速度的增加。AMPK間接激動劑（二甲雙胍、苯乙雙胍或卡格列凈）和直接激動劑（水楊酸、MT 63–78、991，見表2）誘導的對新生脂肪生成的抑制與多種腫瘤類型的增殖下降密切相關。

AMPK還可能通過直接和間接調(diào)節(jié)許多其它對調(diào)節(jié)細胞生長和增殖至關重要的重要途徑來發(fā)揮抗腫瘤活性。舉例來說，有研究表明，細胞生長可通過Hedgehog和Hippo通路的AMPK抑制而進一步受到限制。

不過，靶向AMPK來抗癌并不簡單。在某些情況下，增加或保持細胞AMPK活性可能是不可取的。比如，有研究發(fā)現(xiàn)，在KRAS和p53肺腫瘤中，AMPK的缺乏降低了腫瘤負荷。還有證據(jù)表明，用AMPK直接激動劑（A769662）處理腫瘤細胞促進了細胞在低氧條件下增殖。因此，調(diào)控AMPK來治療癌癥仍需被進一步研究。

新適應癥

神經(jīng)肌肉疾病

AMPK對肌肉功能有多方面的影響，這對神經(jīng)肌肉疾病的治療可能是有益的。研究表明，缺乏AMPK的小鼠的肌肉會迅速疲勞，而AMPK的慢性激活促進了慢肌纖維的發(fā)育，這種纖維對改善杜氏肌營養(yǎng)不良小鼠模型的肌肉功能很重要。此外，用AMPK激動劑治療小鼠和人類被證明增加了肌肉的血液灌注，這也可能有助于改善肌肉功能。未來，研究肌肉特異性AMPK激動劑在杜氏肌營養(yǎng)不良等肌病小鼠模型中的作用將具有重要意義。

腎臟疾病

慢性高血壓、肥胖和2型糖尿病加速了慢性腎病的發(fā)展以及常染色體顯性遺傳性多囊腎病向終末期腎病發(fā)展。研究顯示，二甲雙胍誘導的AMPK激活可改善腎功能。此外，有證據(jù)表明，AMPK的激活可能能夠通過抑制mTOR減少糖尿病腎病的發(fā)展。

慢性疼痛

許多研究表明，AMPK的激活可能會抑制促進神經(jīng)活動的通路，而這些神經(jīng)活動與病理性疼痛信號有關。有研究發(fā)現(xiàn)，在臨床前模型中，AMPK的激活能降低痛覺感受器的興奮性。雖然AMPK在痛覺中的確切作用目前還不清楚，但它為治療慢性疼痛提供了一個潛在的有吸引力的靶點。

衰老

科學家們知道AMPK活性會隨著人類和嚙齒動物組織衰老而減弱已有多年；然而，發(fā)生這種現(xiàn)象的機制尚不清楚。最近的研究表明，DNA依賴蛋白激酶（DNA-PK，該酶的活性會響應DNA雙鏈斷裂而增加；而DNA雙鏈斷裂會隨著衰老增加）通過抑制Thr172磷酸化抑制了AMPK活性。許多激活AMPK的療法，如耐力運動、熱量限制、白藜蘆醇和二甲雙胍，也能延長壽命。

研究表明，靶向AMPK會對衰老產(chǎn)生影響可能與調(diào)節(jié)了線粒體融合和自噬有關，因為衰老通常與巨大的、有缺陷的線粒體的積累有關。此外，也有證據(jù)顯示，激活AMPK可能有利于衰老是因為這種激活抑制了多種炎癥通路，而這些通路可能參與了線粒體含量的控制。有團隊發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍可以增加多種組織的AMPK和線粒體功能，而這種作用與小鼠氧化損傷、慢性低度炎癥降低以及壽命（包括健康壽命）改善有關。AMPK激動劑槲皮素與達沙替尼聯(lián)合使用時，也被證明在嚙齒動物中具有抗衰老作用。不過，這些在動物模型中觀察到的益處能否在人類中得以復制還有待確定。

總結

激活AMPK對多種慢性疾病的預防和治療有益這一假說得到了大量證據(jù)的支持。一些AMPK激動劑也已進入臨床開發(fā)階段。然而，靶向AMPK仍有一些重要的安全問題需要仔細考慮和調(diào)查，比如激活AMPK可能會促進心肌肥厚或癌細胞在低氧條件下存活。為了避免這類問題，可以嘗試開發(fā)針對特定組織（如肝臟、肌肉等）的AMPK激動劑。另一個需要重點考慮的問題是，激活AMPK的小分子藥物的最佳藥物動力學和藥效學。

與開發(fā)其它類型的藥物相同，最終，確定AMPK激動劑長期安全性和有效性的唯一方法將是進行更廣泛的臨床試驗。直到這些試驗完成，AMPK是否是多種疾病藥物的有效靶點這一多年未解之謎的答案才會真正浮出水面。

 表1 AMPK間接激動劑

表2 AMPK直接激動劑

數(shù)據(jù)來源：Nature Reviews Drug Discovery