靶向MC4R和GLP-1R的双重激动剂KCEM1：糖尿病与肥胖治疗的新策略

《Methods》：A melanocortin 4- and glucagon-like peptide 1 receptor multiple agonist for the treatment of diabetes and obesity

本刊推荐：为解决当前GLP-1受体激动剂治疗肥胖和2型糖尿病时存在胃肠道副作用和高停药率的问题，研究人员设计了一种新型单体多肽激动剂KCEM1，可同时靶向黑皮质素4受体（MC4R）和GLP-1受体。研究结果表明，KCEM1在饮食诱导肥胖大鼠模型中不仅能产生与semaglutide和tirzepatide相当的体重减轻效果，还能提供更优的血糖控制，并显著增加骨骼肌中GLUT4和Pgk1的表达，降低肝脏炎症标志物IL-6和TNF-α水平。该研究为代谢综合征的多受体联合药物治疗提供了新思路。

　　

在当今全球范围内，肥胖及其相关并发症已成为导致发病和死亡的主要原因之一。尽管基于胰高血糖素样肽-1受体（GLP-1R）激动剂的治疗方法，如semaglutide（索马鲁肽）和tirzepatide（替尔泊肽），在体重减轻方面表现出显著效果，但这些药物常伴随明显的胃肠道副作用，导致高达30%的患者在治疗3个月内停药，约50%的患者在一年内停止治疗，并出现体重反弹。此外，儿童和青少年群体中的副作用问题更为突出。因此，开发耐受性更佳、疗效更持新的肥胖和/或2型糖尿病（T2D）疗法成为临床上的迫切需求。

黑皮质素（Melanocortin, MC）系统在能量稳态调节中扮演关键角色，尤其是黑皮质素4受体（MC4R）。MC4R激动剂（如setmelanotide）在治疗遗传性、综合征性或获得性下丘脑肥胖方面已显示出潜力，但其单药治疗效果有限，且可能引起恶心、呕吐和皮肤色素沉着等副作用。近年来，多受体“多药疗法”（polypharmacy）策略逐渐受到关注，例如将GLP-1R激动剂与MC4R激动剂联合使用，可能通过协同作用增强疗效并减少副作用。基于这一思路，研究人员开展了一项创新性研究，设计并评估了一种新型单体多肽激动剂KCEM1，它能同时靶向MC4R和GLP-1R，旨在为代谢综合征治疗提供新方案。相关成果发表在《Methods》期刊上。

为开展本研究，研究人员采用了多种关键技术方法。他们通过固相肽合成法合成并纯化了KCEM1肽，并利用放射性配体结合实验和cAMP报告基因检测法评估了其与GLP-1R、MC3R、MC4R、MC5R的结合亲和力和激动活性。体内实验采用长期高脂饮食诱导的肥胖（DIO）雄性和雌性Wistar大鼠模型，通过每日皮下注射KCEM1、semaglutide、tirzepatide或对照溶剂，持续最多7周，系统监测体重变化和食物摄入量。研究人员还进行了腹腔葡萄糖耐量试验（IPGTT）以评估血糖调节功能，并通过酶联免疫吸附测定（ELISA）检测胰岛素水平。肝脏脂质含量采用Folch法提取和定量，肝组织切片进行H&E染色并由专业肝病理学家进行盲法MASH（代谢功能障碍相关脂肪性肝炎）评分。基因表达分析通过实时定量PCR（qPCR）技术检测肝脏、骨骼肌和白色脂肪组织中与葡萄糖转运、脂质代谢和炎症相关的基因mRNA水平。骨骼肌GLUT4蛋白水平通过蛋白质免疫印迹法（Western Blot）进行定量。统计数据采用GraphPad Prism软件处理，使用双向方差分析（ANOVA）或混合效应模型等进行差异显著性检验。

3.1. KCEM1嵌合多肽多重激动剂的设计与合成

研究人员基于Exendin-4（Ex-4，艾塞那肽）和α-MSH（α-黑皮质素刺激激素）的结构，采用理性设计策略合成了新型多重激动剂KCEM1。该肽的N端包含了Ex-4中与GLP-1R结合的关键区域，C端则包含了α-MSH中与黑皮质素家族受体结合的区域，并在第二位氨基酸使用了D-丝氨酸以抵抗二肽基肽酶-IV（DPP-IV）的降解。

3.2. KCEM1与GLP-1R和MC3/4R的结合

结合实验表明，KCEM1与人GLP-1R（hGLP-1R）的解离常数（K_D）为9.9 nM（Ex-4为5.9 nM），与MC4R结合的半数抑制浓度（IC₅₀）为163 nM（α-MSH为1.57 nM）。KCEM1与MC3R的K_D为647 nM（NDP-α-MSH为3.79 nM）。这表明KCEM1能够有效结合目标受体，尽管其亲和力弱于天然配体。

3.3. KCEM1对GLP-1R、GIPR和MC1/4/5R的激动作用

功能实验显示，KCEM1对hGLP-1R的半数有效浓度（EC₅₀）为275 pM（Ex-4为25 pM），对大鼠GIPR（rGIPR）的EC₅₀为319 nM（rGIP为470 pM）。对hMC4R的EC₅₀为636 nM（α-MSH为2.6 nM）。此外，KCEM1对MC1R和MC5R也表现出激动活性，EC₅₀分别为14.72 nM和247 nM。这些数据证实KCEM1是一种GLP-1R/MC1R/MC4R/MC5R的多重激动剂。

3.4. 慢性治疗对雄性DIO大鼠食物摄入和体重的减轻作用

在为期45天的干预中，与溶剂对照组相比，每日皮下注射KCEM1、semaglutide或tirzepatide均能显著降低雄性DIO大鼠的体重（分别降低14.0%、14.7%和12.9%）和累积食物摄入量（分别降低26.5%、19.9%和17.0%）。值得注意的是，KCEM1作为一种非脂化的、GLP-1R激动活性较弱的肽，其减重效果与强效GLP-1RAs相当。

3.5. 雄性DIO大鼠的血糖调节变化

在治疗第2周和第7周进行的IPGTT显示，KCEM1治疗组大鼠的血糖水平显著低于semaglutide、tirzepatide和溶剂对照组，表现出更优的血糖控制能力。尽管三组肽类药物刺激胰岛素分泌的模式相似（峰值出现在注射后15分钟），但KCEM1组在葡萄糖负荷后的最大血药浓度（C_max）显著降低，且血糖曲线下面积（AUC）更小，提示其可能通过GLP-1R非依赖的机制（如MC5R介导的肌肉葡萄糖摄取）改善糖代谢。

3.6. 雄性DIO大鼠的肝脏脂肪含量和MASH评分

治疗10周后，KCEM1能显著降低肝脏甘油三酯含量（相对于溶剂和semaglutide组）和胆固醇含量（相对于溶剂组）。肝脏组织学评估显示，tirzepatide能显著减轻肝脏脂肪变性，而KCEM1和semaglutide能显著减轻小叶炎症。肝细胞气球样变在各组间无显著差异，且所有组均未观察到纤维化。肝脏甘油三酯含量与脂肪变性评分呈正相关。

3.7. 骨骼肌、脂肪组织和肝脏中基因和蛋白表达的变化

基因表达分析揭示了KCEM1独特的分子作用机制。在骨骼肌中，KCEM1能显著上调葡萄糖转运蛋白4（GLUT4，由Slc2a4基因编码）和糖酵解关键酶磷酸甘油酸激酶1（Pgk1）的mRNA表达，并增加GLUT4蛋白水平，这与其促进肌肉葡萄糖摄取和利用的作用一致。在附睾白色脂肪组织（EWAT）中，KCEM1也上调了Slc2a4的表达，并下调了巨噬细胞标志物Cd68，表明其能减轻脂肪组织炎症。在肝脏中，KCEM1显著下调了炎症标志物白细胞介素-6（IL-6）和趋势性下调肿瘤坏死因子-α（TNF-α）及血红素加氧酶1（Hmox1）的基因表达，显示出抗炎作用。有趣的是，KCEM1上调了脂肪酸合酶（Fasn）的表达，这与semaglutide和tirzepatide的作用相反，其生理意义有待进一步研究。

3.8. 雄性和雌性大鼠的代谢变化

在雄性大鼠中，KCEM1、semaglutide和tirzepatide均能降低空腹血糖，但对空腹胰岛素水平无显著影响。KCEM1治疗还改变了血浆脂质谱，表现为高密度脂蛋白（HDL）升高，甘油三酯（Trig）升高，而计算出的低密度脂蛋白（LDL）有降低趋势。在雌性大鼠中，KCEM1同样能有效降低体重和食物摄入，但对血糖和血脂的改善作用不如雄性大鼠明显，且其血浆丙氨酸氨基转移酶（ALT）水平在正常参考范围内有所升高。这些结果提示KCEM1的作用可能存在性别差异。

综上所述，本研究成功设计并验证了一种新型GLP-1R/MC4R/MC5R多重激动剂KCEM1。尽管其体外受体亲和力和激动活性弱于相应的天然配体，但在DIO大鼠模型中表现出与当前标准治疗药物semaglutide和tirzepatide相当的减重效果，并在血糖控制、增加骨骼肌葡萄糖摄取和转运、改善肝脏脂肪变性和炎症方面展现出独特优势，甚至部分指标更优。这些发现有力地支持了多受体靶向联合治疗代谢综合征的理念。KCEM1通过同时调节食欲中枢（可能通过GLP-1R和MC4R）和增强外周组织（如骨骼肌，可能通过MC5R）的葡萄糖代谢，实现了协同增效的作用。该研究为开发耐受性更好、疗效更全面的肥胖和糖尿病治疗药物提供了新的候选分子和理论依据，尤其为那些对现有GLP-1RAs不耐受或疗效不佳的患者，以及下丘脑肥胖等特殊类型的肥胖患者带来了希望。未来的研究将集中于优化KCEM1的药代动力学性质、阐明其精确的作用机制以及评估其长期安全性和有效性。