1.FGF21:一个新颖的代谢调控因子
FGF21是一种激素，在调控动物和人的能量平衡中起着关键作用（见Box1）。因此，制药行业早早就有有显著的兴趣利用FGF21广泛的代谢调节作用来治疗代谢综合征。当有报道说FGF21在小鼠肥胖模型中降低了血浆葡萄糖（plasmaglucose）和甘油三酯（TG）；并且，FGF21的过度表达提升了接受高脂肪饮食（HFD）小鼠的抵抗体重增加的能力，FGF21的作为药物的治疗潜力首次就被识别了。Box1.FGF21及其受体胰岛素（insulin）和胰高血糖（glucagon）等激素在调控物质利用和能量平衡，以响应营养状态方面，具有十分确定的作用。近年来也发现了其它代谢激素，包括成纤维细胞生长因子21（FGF21）。FGF21是非典型的FGF家族的成员；该家族包括FGF15/19（FGF15和FGF19分别是小鼠和人类同源体）和FGF23；它们缺乏传统的FGF肝素结合域。因此，这些FFG可以扩散到远离其起源组织的其它组织和器官，并作为激素起作用。FGF15/19和FGF23在调节胆汁酸和磷酸盐平衡方面分别发挥着突出的作用。FGF21在肝脏，胰腺和白色脂肪组织（WAT）中表达非常丰富。FGF21结合，由经典的FGF受体所组成的细胞表面受体，而传导信号；这些受体是酪氨酸激酶并与?-Klotho形成复合物。?-Klotho是一种single-passmembrane-spanningproteinwith2glycosidasedomains。体外研究表明，FGF21优先结合FGFR1c/?-Klotho复合物，相对于其他FGFR等型（FGFRisotypes）。然而，有证据表明FGF21可以结合所有4个FGFR等型（FGFR1c/2c/3c/4）而发挥作用。虽然FGFR有着广泛的组织表达，?-Klotho则表达在更有限的组织，包括肝脏，WAT，胰腺和睾丸。预期这些将是FGF21作用的重要靶标组织。然而，目前已有的数据对现有概念提出了挑战，FGF21生物学的许多方面仍然是引起分歧的和/或理解不足的。此外，在实验室啮齿类动物的研究中发现的FGF21代谢调节作用中，只有一部分在人体上显现出来，这对于将经蛋白质工程改造的FGF21类药物转化为人类药物的潜力构成了重大挑战。事实上，一些使用FGF21类似物的人体临床研究未能观察到有意义的降低血糖和提升胰岛素敏感度的作用，尽管FGF21类似物对血脂异常和脂肪肝疾病标志物有显著改善（Box2）。因此，FGF21生物学正迅速进入新的领域：控制对宏观营养的偏好（macronutrientpreference），提供免受非酒精性脂肪性肝炎（NASH）和非酒精性脂肪肝疾病（NAFLD）侵袭的保护，或更广泛地作为疾病的生物标志物。同时，有必要回归到FGF21的自然生物学（naturalbiology），目的是更好地理解FGF21在这些疾病中的作用，并最大限度地发挥其治疗潜力（见Box3和4）。Box2.FGF21类似物的临床研究长效FGF21类似物已进入多项人体临床试验，显示出对代谢综合征的某些方面，但不是所有方面，的改善。在2型糖尿病（T2D）的超重/肥胖患者中，使用的LY（FGF21类似物）治疗，改善了禁食（fasting）下的胰岛素水平；但只是适度地，而非显著地降低了血液葡萄糖。同样，使用PF-（长效FGF21类似物）和Pegbelfermin（BMS-，PEGylated人类FGF21类似物）进行治疗时，并未对T2D超重/肥胖患者的血糖控制和HbA1c水平产生影响。这些FGF21类似物对体重的影响是可变（variable）的：使用BMS-治疗12周后未观察到任何变化；使用LY治疗4周后体重略有减少（-1.8%）；使用PF-治疗4周后体重小幅减少（-5%至-6%）。然而，所有研究都报告了血脂异常情况有所改善，血浆甘油三酯（TG）显著减少（可高达50%），改善了血浆lipoproteinprofile（总胆固醇降低可达20%；低密度脂蛋白降低约~30%；高密度脂蛋白增加可达25%）。总体而言，FGF21类似物对控制葡萄糖和减轻体重方面的影响充其量是适度的，无法与目前观察到的，基于现有药物和生活方式改变的治疗方法的效果相匹配；这些治疗方法旨在改善T2D患者的?-细胞功能和胰岛素敏感性。然而，如果结合其它当前控制血糖的疗法或作为单一疗法，FGF21类似物在改善血浆脂质状况和治疗NASH/NAFLD上，可能实现其药效潜力。自年首次从肝脏中分离以来，FGF21已被证明在代谢器官中广泛表达，包括胃肠道、脂肪组织和胰腺。FGF21已被证明可以穿过大鼠的血脑屏障；并在人类脑脊液（CSF）中可检测到，而且血清和CSF浓度之间有线性关系。此外，FGF21生物学表现出昼夜节律，即其血清浓度表现出清晰的昼夜节律（diurnalorcircadianrhythm）；该节律的失调与肥胖引起的脂质紊乱相关。尽管FGF21分布广泛，但各种FGF21基因敲除（KO）小鼠显示FGF21对体重及其组成，和血液中葡萄糖的影响是不同的和可变的。但是，这个理念本身就是有争议的，有报告称禁食下出现低血糖；而这可能是动物的年龄和/或不同的禁食时间造成的后果。虽然这些动物表现出正常的生长，发育和生育能力，但随后的研究表明，FGF21可能对这些生命过程有不利，但非致命，的影响。因此，FGF21的生理作用是适应代谢需求的改变，例如在受到压力（stress）时期；在各种生理干预（physiologicalinterventions）和致病事件（pathogenicevents）的情况下，FGF21水平会增加；这包括饥饿（在小鼠是短期的[acute]，在人类是长期的[chronic]），肥胖（小鼠和人类），和运动（小鼠和人类）。此外，外源性的FGF21作为药物表现出多种效益。本文将，从临床前和临床的角度，探讨动物模型和成人中FGF21生物学和生理学的复杂性，以及药理学和代谢调控的作用。2.脂肪组织是决定FGF21作用的关键
脂肪组织是一种高度动态化的器官；作为对内部环境的反应，该组织会经历广泛的重构（remodeling）。例如，限制热量的摄入（caloricrestriction）促进线粒体生物生成（mitochondrialbiogenesis）和脂肪酸氧化；而白色脂肪组织（WAT）则通过增加脂质储存和脂肪细胞数量，作为对导致肥胖的饮食的反应。这些都是源自进化的保护性机制，以确保大脑有足够的葡萄糖供应，并向外周器官输送自由脂肪酸（FFA）和氨基酸。众所周知，脂肪组织，在进餐后，对从饮食中衍生出来的FFA的起着至关重要的缓冲作用。然而，如果由于脂肪组织中胰岛素信号中断而使此作用受损，则过量的脂质会积聚在其他组织中，如肝脏和骨骼肌，并可能导致胰岛素抵抗现象的出现。因此，对提升脂肪组织的胰岛素敏感性的药物的需求量很大。图1.FGF21在季节性肥胖和消瘦状态下的作用。当西伯利亚仓鼠（Siberianhamsters）在暴露于短暂的白天时，就开始换毛，从夏天的agouticoat到冬天的whitewintercoat，并降低食欲，增加内脏白色脂肪（WAT）的代谢，从而将减轻体重作为冬季生存的策略。这与肝脏FGF21产生的增加有关。将FGF21作为药物给予夏季肥胖状态的仓鼠可诱发其对类似于自然短暂白天的反应的行为和生理变化：包括食欲下降；促进脂肪氧化而不是碳水化合物氧化（与肝脏中pyruvatedehydrogenase活性降低有关；PDC）；通过上调uncouplingprotein1（ucp1）和deiodinaseII（dio2）的基因表达，提高棕色脂肪组织（BAT）的发热能力。最初，FGF21被证明通过glucosetransporter1（GLUT1）刺激3T3-L1脂肪细胞吸收葡萄糖，这种效应依赖于ERK1/2和ELK-1信号传输。事实上，对ob/ob和db/db小鼠或饮食诱发肥胖的小鼠，急性FGF21给药迅速地改善了胰岛素敏感性并降低血浆葡萄糖。然而，在长期FGF21治疗的动物中，尽管血糖较低，但对脂肪组织中葡萄糖吸收和GLUT1的影响并不明显，这是通过抑制肝葡萄糖的生产而实现的。随后，在消瘦的小鼠中，FGF21被证明可增加棕色脂肪组织（BAT）和白色脂肪组织（WAT）的葡萄糖吸收，表明对FGF21的差异性反应取决于代谢和/或胖瘦状态（adiposity）。然而，长期接受FGF21治疗的小鼠确实增加了能量消耗，导致体重减轻；因而提升了胰岛素敏感性。然而，通过激活UCP1来分离呼吸与FGF21的药理作用，并没有完全得到解决。使用UCP1-KO小鼠的研究表明，有若干个，但并非所有代谢终点，是独立于UCP1的。虽然FGF21并不需要通过UCP1调控发热（thermogenesis），以降低体重，改善血糖控制，或减少血液循环中胰岛素和脂质，但在肥胖，不耐受葡萄糖的小鼠中，FGF21促进餐后葡萄糖耐受性的能力的会受损。然而，在一项研究中，FGF21增加能量消耗的能力显著减弱；而另一项研究中则没有减弱。因此，需要进一步的研究来阐明这些看似矛盾的研究发现。Box3.FGF21的生物学小鼠FGF21（基因ID）位于7号染色体上，包含三个编码外显子，并产生一个转录本，即个氨基酸（AA）的预蛋白，N终端信号肽为22AA。在人类中，FGF21（基因ID）也包含三个编码外显子；然而，该基因通过替代启动子（alternativepromoters）产生两个转录本；但两者都编码AA的预蛋白，包括28AA的信号肽。序列同源度大约为80%。在功能上，FGF超级家庭被分为三个亚家族：1.细胞内FGF，其缺乏信号肽；2.缺乏硫酸肝素结合能力的FGF表明它们有可能进入血液循环，从而发挥系统性作用；3.拥有高度硫酸肝素结合能力的FGF，其可能以自分泌/附分泌的方式起作用。在靶标组织中，FGF21结合并激活FGFR超级家族成员的受体酪氨酸激酶。FGF21在体外和体内激活FGFR，是依赖于必需的共同受体?-Klotho（KLB）；这是一个结合FGFR的单通跨膜蛋白。FGF21优先与FGFR1c-和FGFR3c-KLB复合物结合；因此，鉴于FGFR的广泛表达，组织特异性和敏感性主要受KLB的存在和相对表达支配。FGF21激活这些受体复合物会产生大量快速的信号传输事件。脂肪组织中的FGF21信号转导对于FGF21所起的短期胰岛素增敏（acuteinsulin-sensitizingeffects）的作用至关重要，特别是在棕色脂肪细胞中；但对体重的影响则不重要；体重减轻的效应是通过非脂肪组织起作用的。有趣的是，棕色脂肪组织（BAT）存在于人类体内，与身体质量指数（bodymassindex）和禁食血糖水平呈负相关。然而，与啮齿类动物相比，人类拥有相对较少的BAT，这可能是人体临床研究中观察到的FGF21降低葡萄糖的效应较小的原因（Box2）。鉴于BAT在不同人群中的分布变化，例如，更常见地与妇女和消瘦的个人相关联，需要进一步有针对性地进行临床研究，以确定人体中BAT对FGF21代谢调控效应的贡献。禁食造成血液循环中FGF21的增加导致了FGF21诱导脂肪组织中的脂肪分解（lipolysis）的假说。的确，体内研究证明了这一点。然而，在体外，FGF21被证明是小鼠（和人类）脂肪细胞中脂解的强力抑制剂（repressor）。短期和长期FGF21治疗都可减少FFA。因此，需要进一步的工作来剖析这种二元性，并确定FGF21在脂肪分解中的确切作用。在靶标组织中，FGF21结合并激活FGFR超家族成员的受体酪氨酸激酶。FGF21激活FGFR，是依赖于必需的共同受体?-Klotho（KLB），一种结合FGFR的单通跨膜蛋白。脂肪组织中缺乏FGFR1受体的小鼠对FGF21的代谢调控效应减弱。同样，全身或脂肪组织特异性地剔除了KLB基因的小鼠对FGF21的短期胰岛素增敏（acuteinsulin-sensitizing）和降血糖作用具有抗药性。在小鼠中，KLB表达在脂肪组织，肝脏，胆囊，结肠，胰腺，以及中枢神经系统的某些区域（thesuprachiasmaticandparaventricularnucleiofthehypothalamusanddiscreteregionsofthebrainstem）。事实上，脂肪组织中KLB的超量表达使的小鼠对内源性FGF21敏感，并能预防饮食引起的肥胖。其后发现，在饮食引起的肥胖期间，WAT中的KLB水平显著地下降。有趣的是，TNF-?抑制KLB表达，削弱了体外脂肪细胞对FGF21的响应；这是由TNF-?诱导的炎症所介导的一个机制；而胰岛素增敏和抗炎药物rosiglitazone恢复了KLB水平。此外，高葡萄糖抑制KLB表达，削弱了FGF21在小鼠胰岛上的作用。因此，业界有提出内源性“FGF21耐药性”的概念，但这需要进一步研究其生物学基础，因为尚未显示FGF21药理作用的削弱。此外，FGF21生物学的一个非常有趣的方面是最近动物研究的证据，即FGF21的作用在的肥胖度增加（increasedadiposity）的状态中得到加强。因此，增加KLB表达将是一个有益的治疗选择。事实上，GLP-1类似物和glitazones增加体内KLB的表达，因此可能增加对FGF21的敏感度，这有助于进一步改善代谢状况。然而，在WAT中维持KLB蛋白表达并不能减轻FGF21信号在这个组织的削弱或增加对FGF21的体内敏感度。尽管这些关于KLB作用的结果相互矛盾，对FGF21生物学及其胰岛素增敏作用而言，脂肪组织似乎是非常重要的。Box4.FGF21组织特异性的生理学成年小鼠中表达FGF21水平最高的是肝脏。肝脏也被认为是血液循环中FGF21的主要来源；在将FGF21-floxed小鼠（FGF21fl/fl）和albumin-Creline杂交而获得的的肝脏特异性缺失FGF21的小鼠中，血液循环中的FGF21显著地降低；而且通常观察到的在禁食的情况下FGF21增加的反应也不存在了。应对饥饿的正常适应性反应是需要由脂肪酸激活的核受体Peroxisomeproliferator-activatedreceptor（PPAR?）参与的。缺乏PPAR?的小鼠，在禁食和饥饿期间，会在肝脏累积甘油三酯并变得hypoketonemic（低血酮）。作为PPAR?的下游靶标，并且作为对饮食改变（禁食/fasting，生酮饮食/ketogenicdiet）的反应，肝脏产生的FGF21会增加；重新喂养小鼠则会迅速抑制FGF21的产生。事实上，FGF21被认为是禁食生物学中的“缺失环节”，其诱导脂肪组织分解，肝酮生成和对禁食状态的代谢适应性反应。此外，FGF21–/–小鼠进入ketosis的适应性能力受到削弱，而肝脏中FGF21基因表达的adenoviralknockdown使得食用生酮饮食的小鼠表现出脂肪肝，高血甘油三脂和脂肪氧化减少。在确定了FGF21对小鼠饥饿时的适应性代谢反应至关重要后，有新数据表明，剥夺氨基酸和限制蛋白质的摄入也会诱导FGF21的表达。这是由小鼠endoplasmicreticulumstressresponse的EIF-2?激活转录因子（ATF）4-CHOP轴介导的。食用缺乏methionine,leucine，和alanine的饮食的小鼠，其血清FGF21浓度增加。此外，小鼠食用缺乏methionine/choline的饮食会导致NASH，并增加FGF21的肝脏表达和血清水平。食用缺乏methionine/choline饮食的，FGF21敲除小鼠有更加恶化的表型，部分原因是由于激活脂肪酸氧化的不足，以及涉及脂肪吸收和合成的基因表达的增加。将FGF21作为药物治疗这些小鼠，可以达到治愈的结果。3.中枢神经系统(CNS):FGF21最后的前沿
中枢神经系统（CNS）集成了来自外周（theperiphery）的大量信号，进而调控饮食行为和能量平衡；其失调则导致肥胖和T2D。这些信号（激素和营养物质，加上它们的副产物）直接作用于脑下丘（hypothalamus），后脑（hindbrain），或外周（peripheral）的，终结于thenucleusofthesolitarytract的神经元。如上所述，FGF21可以穿过啮齿类动物的血脑屏障；在人类CSF中可以检测到血清和CSF水平之间的线性关系，表明血液循环中的FGF21是中枢神经系统中FGF21的来源；这对于其主要靶标位于CNS的药物而言是非常关键的。FGFR亚型在CNS中有广泛的表达，而KLB在脑下丘和一些后脑区域的suprachiasmaticnucleus中表达很高。Bookout等人使用filmautoradiography/insituhybridization的策略进行了相关研究，结论是不排除KLB在较低水平或在大脑其他区域的孤立细胞中表达的可能性。Liang等人报告了KLB在小鼠脑下丘paraventricularnucleus的Westernblot和immunostaining数据。FGF21的超量表达会降低血液胰岛素水平，并激活HPA轴；同时也抑制生殖轴（reproductiveaxis）。此外，脑内注射（intracerebroventricularinjection）FGF21增加了BAT的交感神经的活性；这种效应在缺乏中枢神经系统KLB的小鼠中减弱。有趣的是，普通的?-blocker能够减弱中枢神经系统FGF21给药的影响，但不影响外周FGF21给药的疗效。为了在肥胖的小鼠模型中对能量消耗，体重降低和胆固醇水平产生药效，可能需要FGF21作用于中枢神经系统。最近证明，FGF21作用于脑下丘神经元，能够抑制简单糖和无热量甜味剂的消耗。此外，FGF21可降低小鼠对酒精的偏好，同时刺激饮水行为。后一种效应被?-adrenergicreceptorantagonists所抑制，表明交感神经系统（sympatheticnervoussystem）在这些响应中起到介导FGF21效应的关键作用。FGF21作为啮齿类动物和人类对于食物偏好的调节因子出现，以及它在代谢调控中的作用，表明了FGF21在肥胖个体的食欲/享乐行为和能量消耗的双重调控中所能够起到的治疗潜力。Box5.来自啮齿类动物模型的经验教训提供了以肝脏为中心的视角FGF21领域的许多悖论之一是，肝脏的FGF21表达也随着营养过剩而增加；在啮齿类动物和人类中都发现了这个过程，这可能由碳水化合物反应元素结合蛋白（thecarbohydrateresponseelement-bindingprotein，ChREBP）介导的。该蛋白可能参与NAFLD的发病机制。在db/db肥胖的糖尿病小鼠中，与其消瘦的db/+小鼠相比，肝脏和脂肪组织的FGF21水平升高了；对长期维持食用高脂肪饮食（HFD）的成年雄性恒河猴，和在超重/肥胖个人的血清中，FGF21水平也升高了。血清FGF21与肥胖，禁食后血液循环中的胰岛素，和甘油三酯呈正相关；logistic回归分析表明血清FGF21与代谢综合征之间有独立的关联性（independentassociation）。后来证明，作为摄入碳水化合物的反应，肝脏产生了FGF21，其通过作用于脑下丘的副细胞核（theparaventricularnucleus）来选择性地抑制糖的摄入。因此，FGF21是生物体营养状态的关键调节因子，协调适应性代谢反应；而FGF21的诱导产生，作为对宏量营养素摄入变化的反应，对代谢适应很重要。然而，肝脏是否是FGF21作用的重要靶标组织，是有争议的。ERK1/2磷酸化和FGFR-KLB复合物下游的即时早期基因标记（immediateearlygenemarkers）的mRNA表达，很容易在脂肪组织中对外源性FGF21的响应中观察到；在肝脏中则并不明显。然而，在消瘦的动物和ob/ob动物中可以观察到肝脏中的Akt磷酸化；在这些动物中，FGF21抑制葡萄糖的生产，并增加对胰岛素的敏感度。此外，其他研究表明，在消瘦和肥胖动物的肝脏，FGF21确实诱导FRS2和ERK1/2磷酸化，以与脂肪组织相类似的时间过程和剂量响应。此外，在HepG2细胞中，FGF21诱导ERK1/2磷酸化，这提供了FGF21可能直接地作用于肝细胞的证据。事实上，FGF21对肝脏的能量代谢有双重影响，调控碳水化合物和脂肪代谢的净通量。因此，通过刺激肝脂肪氧化，FGF21可能是一个防止肝脏脂肪含量增加和胰岛素抵抗（这二者经常伴随肥胖和T2D）的有吸引力的目标。事实上，针对肝脏脂肪积累和胰岛素抵抗是应对NAFLD和NASH的主要治疗方法；NAFLD和NASH两种最常见的肝脏疾病，与肥胖和T2D密切相关。FGF21的一种工程变异体（LY）已被证明在NASH的动物模型中能够减缓NASH的进展；而在一个临床II期研究（NCT）中，重组FGF21（BMS-)）显著降低了NASH患者的肝脏脂肪含量和肝脏纤维化的生物标志物。因此，FGF21可能正在成为治疗脂肪肝疾病的新药。4.季节性经验
虽然基因工具的随时可用性，使得小鼠近年来成为研究能量代谢基础机制的主要动物模型，但在标准动物房的状况下，小鼠的高代谢率、快速生长和对棕色脂肪热发生的依赖性，限制了它们的转化研究价值。大多数哺乳动物的生命，生理活动是随季节变化的，因为它们在食欲，脂肪代谢，生殖和体重方面表现出深刻的年度周期。在此背景下，研究FGF21的功能能够对其生物学提供不同的洞见，因为身体脂肪沉积不会导致代谢功能障碍。因此，这使得，在没有胰岛素抵抗或NAFLD的情况下，研究FGF21对健康的肥胖症的影响成为可能。西伯利亚仓鼠（PhodopusSungorus）已被广泛用作季节性啮齿动物模型，因为它们可以很容易地在动物设施中喂养；仅需要通过改变环境的日光（白天）长度，就可以模拟能量代谢的季节性周期。在长白天的条件下，即日光相通常是每天14小时或更长，这些仓鼠变为高噬（高食欲），体重迅速增加；而在每天8小时或更短的日光相或短白天的条件下，他们减少食物消耗，并在几个月内失去高达30%的体重。这主要反映了内脏脂肪库的损失，虽然也发生leanmass的显著损失。因此，这种季节性哺乳动物的研究可以探讨，在自然条件下，FGF21的减肥和增重作用，并提供了研究FGF21在自然发生的肥胖和消瘦状态下的作用机制的机会（图1）。当暴露在短日光的时期里，在第8周，雄性仓鼠显示血液循环中FGF21显著增加，并在这个时间点与显著减肥（weightloss）和表皮脂肪垫质量的减少相关联。Westernblot分析显示，虽然FGF21在肝脏，白色脂肪，棕色脂肪和肌肉（gastrocnemius）中是可检测到的，但只有在肝脏和棕色脂肪中，随着仓鼠进入短日光时期，FGF21浓度有显著增加。肝脏与血浆FGF21浓度之间的密切相关性支持肝脏是血液循环中FGF21的主要来源的论点。在另一种季节性物种，13-linedgroundsquirrel（Ictidomystridecemlineatus）中，也观测到了类似现象。在秋季进入短日光时期的松鼠中，血清FGF21浓度增加；在冬季的麻状木状态动物，比唤醒状态的动物中，FGF21浓度增加得更多；然后，FGF21浓度在次年春天，随着日光时间的增加，而再次下降。同样，这些血液循环中FGF21的浓度，与肝脏中的FGF21mRNA的表达（经定量PCR评估）密切相关。一个关键问题是：血液循环中FGF21的增加是否有助于短日光时期引起的行为和生理学的适应性变化。长期输注FGF21给维持在夏季长日光时期的仓鼠会引起短日光时期的某些反应，例如食欲下降和体重减轻，表皮脂肪库重量的减轻，呼吸交换率（respiratoryexchangeratio）降低，这与全身脂肪氧化的增加相一致（图1）。输注FGF21的这些影响，在暴露于冬季短日光时期12周后测试的仓鼠中丧失，此时它们已达到季节性体重周期的最低点；输注FGF21的这些影响，对体重减轻了的老年的雄性西伯利亚仓鼠而言，也减弱了。在自然改变的肥胖状态中，观察到的现象支持的如下观点：FGF21的主要作用靶标是WAT。对用FGF21治疗过的仓鼠perirenalandsubcutaneousWAT的分析也支持这一结论。例如，在FGF21治疗的仓鼠中，FGFR1c和?-Klotho的表达上升，甘油三酯脂酶（triglyceridelipase）增加，甘油三酯含量降低，而FGFR1c-?-Klotho受体下游的信号转导事件，包括ERK1/2磷酸化，增加。虽然对仓鼠的这些研究表明，WAT是其全身对FGF21反应的主要决定因素，但它们也确定了其它靶标（图1）。发热基因ucp1和dio2（deiodinase2）的表达在膜间棕色脂肪（interscapularbrownfat）中显著增加，这很可能是注射了FGF21的仓鼠中全身能量消耗增加的基础。肝脏能量代谢也受到影响；与碳水化合物的氧化相比较，脂肪酸氧化更受青睐。事实上，输注FGF21减少了pyruvatedehydrogenase的活性（PDC，催化葡萄糖氧化中速率限制步骤的酶）和acetylcarnitine的积累（通过PDC的通量减少了），但增加了肝脏中的long-chainacylcarnitine的含量（说明通过?氧化的通量增加了）。FGF21对肝能量代谢的这些双重影响由PDK4蛋白的丰度（PDC的负调节因子），acetyl-CoAcarboxylase的磷酸化形式（向线粒体输送脂肪酸的负调节因子）和能量代谢转录共调节因子，PGC1?和SIRT-1，所调节（Box5）。有趣的是，系统循环中的FGF21似乎也在大脑中起作用。FGF21对仓鼠的食欲有consistentsuppressiveeffects。这与小鼠的研究形成鲜明对比：在小鼠中，FGF21治疗与食物摄入量增加有关，这大概是对增强了的全身能量消耗的补偿性反应。虽然这些效应不一定表示FGF21直接在中枢神经系统起作用，其可能反映其它外周信号向大脑发出的信号的改变；但在仓鼠中，FGF21抑制食欲的作用，与外周食欲不振的信号（如，瘦素和胰岛素，leptin和insulin）水平下降相关联。重要的是，外周FGF21诱导了仓鼠脑下丘的dio2的向上调控。这种酶在脑下丘的tanycytes中高度表达，将甲状腺激素的前体甲状腺素（T4）转化为具有生物活性的三碘甲状腺素（T3）形式。脑下丘中T3局部浓度的改变被认为是食欲和能量支出的季节性周期的主要驱动因子；因此，这是FGF21调节仓鼠食物摄入量的一种可能行动途径。在仓鼠中?-Klotho的分布尚未得到证实，但FGFR1c在仓鼠的tanycyte细胞层（tanycytecelllayer）中有表达。将抗FGFR1c单克隆抗体，通过脑室内注射给予仓鼠，可模拟FGF21的行为：即，降低食欲，增加全身能量消耗和脂肪氧化，并诱导体重减轻。鉴于最近有证据表明，tanycyte细胞实际上是脑下丘血脑屏障的一部分，对感知营养物质和外周激素（peripheralhormones）的状态至关重要；这可能是外周FGF21作用的靶标，但需要进一步验证。FGF21的分解代谢作用（cataboliceffects）与促进仓鼠，在短白天时期内，产生低食欲和脂肪分解状态的作用一致；但应记住，在这些研究中，FGF21所达到血液循环浓度是超出生理学范围（supraphysiologicalrange）的。Nelson等人使用adenoviral方法，在groundsquirrels中过度表达FGF21，从而测试了FGF21在产生季节性代谢反应中的作用。如此增加的血液循环中的FGF21与循环胰岛素和FFA浓度的减少相关，但不足以诱发一场冬季麻木状态的发生。从脑下丘基因表达的分析中可以清楚地看出，仓鼠对血液循环中瘦素的减少没有响应；而瘦素的减少反映了热量摄入的减少和脂肪分解的增加，以及，在短日光时期内，补偿性的高食欲。也许FGF21在短日光时期内的作用是促进代谢适应于负能量平衡，而不是作为冬季生理学的基本驱动因子。鉴于FGF21，在仓鼠肥胖但并非代谢紊乱的状态下，也有疗效，那么在临床上使用FGF21的最佳策略可能是，在T2D出现之前，针对肥胖人群，特别是那些有心血管和脂肪肝危险因素的人群，进行治疗。5.FGF21生物学的进展:人体的角度
FGF21与人类许多临床和非临床疾病/状态有关，包括代谢综合征和T2D，肝脏疾病，和运动期间的代谢调控。然而，关于它作为人体中的饥饿激素，运动引起的myokine，和进餐后代谢调控因子的生物作用，则仍然存在未解答的问题；特别是FGF21与胰岛素作用和代谢综合症的联系。在各种动物模型中，FGF21经常被描述为一个禁食生物学的关键激素。然而，在人类中，生酮饮食（ketogenicdiet，长达3个月）和短期禁食（short-termfasting，长达48小时）都没有增加血清FGF21的水平。有趣的是，在长时间的禁食（7-10天）之后，观察到人类FGF21的升高；这可能是不同物种之间，对于禁食的不同的代谢速率（divergentmetabolicrates）和适应性（adaptations）所带来的后果。由于人类生酮响应发生在FGF21诱导生产之前，而且生酮饮食与血液循环中FGF21的浓度降低有关，因此，似乎不需要诱导FGF21来刺激人类的ketosis，但可能有助于促进代谢适应于长期的食物缺乏（fooddeprivation）。重要的是，最近的证据表明，FGF21是人类的一种依赖于胰岛素的进餐后激素（图2）。事实上，短期膳食碳水化合物，而非脂肪，的介入，会显著地增加禁食下FGF21的血液循环水平。此外，FGF21的分泌已被证明对口服碳水化合物有响应，果糖比葡萄糖在更大程度上增加人体FGF21的血浆水平。摄入果糖与血液中胰岛素水平的升高有关，尽管其程度低于葡萄糖摄入，这使得很难将其依赖于和独立于胰岛素的效应分离。利用口服葡萄糖耐受性测试以及hyperglycemicandhyperinsulinemicclamps方法的组合，Samms等人随后证明是胰岛素，而不是葡萄糖本身，可增加人类进餐后的那一时期（postprandialperiod）的总体的，和有生物活性的FGF21。这支持了早期横截面研究（cross-sectionalstudies）的观察，显示血浆胰岛素与人类受试者的FGF21总水平呈正相关。成纤维细胞活化蛋白（FAP）是一种丝氨酸蛋白酶，可剪切和灭活FGF21。有趣的是，与非糖尿病对照相比，T2D患者的FAP循环水平升高；这是作为对口服葡萄糖耐受性测试的反应，与生物活性与总体FGF21的比例的降低有关，这表明长期胰岛素抵抗的状态可能灭活FGF21，并限制其代谢调控效应。事实上，作为引入高脂肪饮食的响应（在健康人类中，这会改变胰岛素刺激的物质利用[insulin-stimulatedsubstrateutilization]），血液循环中正常诱导产生的FGF21（作为对胰岛素的反应）降低了。还需要进一步研究来确认，胰岛素和/或胰岛素抵抗，调控人类肝脏分泌FGF21和FAP的的机制，以及随后FGF21组织特异性的作用。鉴于T2D患者的FAP循环水平升高，FAP特异性抑制剂（与FGF21类似物结合使用）对这些患者可能是一种有吸引力的治疗策略，特别是因为FGF21只是改善人类代谢综合征的某些部分，而不是所有方面（Box2）。静脉输注肝素（heparin）和脂质乳液导致的血浆FFA水平的急性生理性升高，只使得血液循环中FGF21适度地（modest）升高；虽然在接受脂质耐受性测试的健康志愿者中，血浆FFA的急性升高降低了FGF21。相比之下，使用高脂肪饮食（HFD）过度喂养5天会导致FGF21的血液循环水平强劲增长，这可能是在能量供过于求的情况下增加脂肪氧化的补偿/适应性机制。短期（6天）地摄入isoenergeticHFDs不会改变禁食下总体或有生物活性的FGF21的水平。有关HFDs影响的长期研究尚未进行，但肥胖通常与人体高血清FGF21相关，这表明长期肥胖（chronicadiposity）可能导致对FGF21的耐药状态。这个概念特别耐人寻味：KLB是调节组织对FGF21敏感度的关键共同受体，而其基因（rs）中常见的单核苷酸多态性（single-nucleotidepolymorphism，SNP）与较高的身体质量指数（BodyMassIndex，BMI）相关；而且，在肥胖者的脂肪组织中，KLB的蛋白质水平降低，这可能也降低其对FGF21的体内响应。然而，在肥胖个体中KLB，FGFR1和FGFR3的肝脏表达都增加了，这可能改善肝脏，与脂肪组织相比，在这些条件下对FGF21上升的响应。大规模RNA测序研究表明，小鼠KLB基因主要在肝脏、胰腺和脂肪组织中表达，在骨骼肌中未检测到KLB表达。在人类中，除了肝脏和脂肪组织，在乳房、骨髓和胰腺也检测到了KLB。可以想象，KLB表达的组织差异可能有助于解释FGF21在小鼠和人类中不同的代谢调控作用。图2.FGF21在健康和疾病中的作用。蓝色箭头描绘了成纤维细胞活化的蛋白（fibroblastactivatedprotein，FAP）和FGF21的生物活性形式（aFGF21）在血液循环中浓度的减少（向下）或增加（向上）。红色“停止stop”符号表示在运动时没有分泌。红色十字和黑色方块箭头表示相关生物过程的损伤，当伴有“问号”时，则表示未决生物学的问题，需要进一步实验研究。在健康人（左图）中，膳食中的碳水化合物（CHO）以胰岛素依赖的方式增加总体和生物活性形式的FGF21；而FAP水平不受影响。运动是诱导肝脏，但不是骨骼肌，释放FGF21的关键刺激。运动也增加FAP的血液循环水平，但没有来自骨骼肌的明显贡献。肝脏是否对运动有响应并释放FAP，仍有待确定。脂肪组织是FGF21代谢效应的关键靶标组织。在靶标组织中，FGF21结合并激活FGFR受体酪氨酸激酶的超级家庭成员。此激活取决于必需的共同受体?-Klotho（KLB）。FGF21还通过脑下丘的paraventricularnucleus进行信号转导，显著地减少对甜食和酒精的偏好。碳水化合物膳食的摄入增加了FGF21的水平，这反过来又可能抑制简单糖和无热量甜味剂的消耗，这可能表明肝脏和大脑之间存在负反馈式的荷尔蒙循环（hormonalloop）。患有代谢综合征的肥胖患者和2型糖尿病患者（右图）的FAP血液循环水平升高，导致有生物活性的与总体FGF21的比值的降低（作为对口服碳水化合物（葡萄糖）耐受性测试），表明慢性/长期胰岛素抵抗的状态可能导致FGF21失活，并限制其有益的代谢作用。调控FGF21的组织敏感度的关键共同受体KLB与较高的bodymassindex相关，其蛋白质水平在肥胖者的脂肪组织中降低，这可能进一步降低其对FGF21的响应。旨在尽量减少FAP（代谢综合症或运动诱导的产生的）释放的策略可能有助于FGF21代谢效应的最大化。最后，肝脏和大脑之间的负反馈荷尔蒙循环（与碳水化合物的消耗和对甜食与酒精的偏好有关）是否在肥胖和DM患者中有任何扰乱/削弱（disturbed/impaired），以及其是否在这些条件下调控食欲，还有待观察。除了作为依赖于胰岛素的进餐后激素的作用外，在小鼠身上的研究表明，FGF21通过脑下丘的副细胞核信号，抑制了对简单糖和无热量甜味剂，而不是复杂的碳水化合物，蛋白质或脂质，的食欲。此外，作为药物使用的FGF21显著地减少了小鼠对甜食和酒精的偏好，以及cynomolgusmonkeys对甜食的偏好。在小鼠中，这些效应需要中枢神经系统中的FGF21共同受体KLB，并且与nucleusaccumbens中的多巴胺浓度的降低相关。FGF21的这些作用可能是物种之间的一种守恒的机制；因为，人类的基因研究表明，FGF21基因及其周围的SNPs与对宏量营养素的偏好有关，包括碳水化合物，脂肪，蛋白质摄入量，和酒精摄入量。食用膳食碳水化合物（如，果糖和蔗糖）可能会增加禁食下FGF21的水平，这反过来又可能抑制简单糖和无热量甜味剂的摄入，这可能表明肝脏和大脑之间存在负反馈hormonalloop（图2）。有趣的是，最近的研究也把KLB基因位点中的变异与人类酒精摄入量联系在一起。FGF21也能刺激小鼠的饮水行为，作为对酒精摄入的反应；此响应取决于?-adrenergic受体的信号转导。此外，注射重组FGF21可减少小鼠即兴地摄入酒精，而急性摄入酒精或酗酒会增加禁食下人血浆中的FGF21。因此，酒精诱发的FGF21肝脏分泌可能是一种适应性机制，旨在抑制饮用酒精的欲望，刺激人类饮水，从而防止长期饮用酒精诱发的肝损伤。也有建议说FGF21是一个运动诱导产生的myokine，因为它的血清水平作为对全身submaximalexercise的反应而升高。然而，最近使用tissuearteriovenousdifferences的一个优雅的研究表明，运动是诱导人体肝脏释放FGF21的关键刺激因素（图2）。事实上，在submaximalexercise期间，进入全身循环的FGF21大部分是通过肝脏，而不是骨骼肌，释放的。最近的一项研究表明，maximaleccentriccontractions不会刺激人类骨骼肌释放totalorbioactiveFGF21，而其FGF21蛋白质含量在运动时保持不变。有趣的是，eccentricexercise导致其调节酶FAP的arterializedandvenous浓度显著升高，但锻炼的腿部没有明显地贡献FAP的释放（图2）。这些发现增加了在此类运动中，FAP水平增加可能在灭活FGF21中发挥作用的可能性。总的来说，文献的结果表明，FGF21可能是一种运动引起的hepatokine，但不是myokine，而旨在尽量减少FAP释放的策略可能有助于最大限度地发挥FGF21的代谢作用，无论是使用外源性的FGF21，还是作为对运动的反应所产生的FGF21。最初，FGF21在各种动物模型中被描述为一种关键的饥饿激素。然而，最近对成年人的研究提供了有力的证据，证明FGFF21是一种依赖于胰岛素的进餐后激素，在酒精，水，简单糖和无热量甜味剂的消耗中，起着关键作用。进一步理解人体中对于FGF21调控宏量营养素的偏好和食欲的作用，有助于揭示其在肥胖、酗酒、饮食失调、成瘾行为和其他相关疾病的治疗潜力。6.基于FGF21的代表性NASH生物药
已有多个基于FGF21的生物药在不同阶段的临床前和临床开发中。本文仅初步介绍两个有代表性的，药效不错的NASH生物药，Efruxifermin（AKR-）和MK-（NGM）。后续文章将详细和深入介绍这两个生物药，基于本文介绍的对FGF21生物学的新洞见，并逐一评估其它若干临床上表现比较好的NASH生物药。EfruxiferminEfruxifermin（之前称为AKR-，Fc-FGF21（RGE），AMG）是一个长效人体免疫球蛋白1（IgG1）Fc-FGF21融合蛋白，在众多临床前动物模型中表现出增强的药理学效应。其C端区域有两个氨基酸替代（PG和AE）的改造。这些靶向突变可显著减少其被蛋白酶降解，增强了其与FGF21的必需共同受体?-Klotho结合的亲和力，增强了FGFR介导的信号传输活性，功能效力（functionalpotency）和体内的持续作用时间。通过其它氨基酸替代（L98R）也改善了Efruxifermin的稳定性；最大限度地减少了，作为注射剂使用时，聚合体的形成。Efruxifermin的长PK半衰期和药效（PD）期可以使其在代谢性疾病中实现FGF21激动剂的全部治疗潜力，同时最大限度地减少与其药理机制相关的，不需要的副作用。年6月30日AkeroTherapeutics报告了Efruxifermin（EFX，AKR-）在非酒精性甲酸性肝炎（NASH）患者上的临床II期BALANCED研究的次级和探索性终点16周分析的结果（见扩展阅读#1）。值得注意的是，在40名完成治疗后肝活检的受试者中，观察到48%的治疗响应者至少实现了肝纤维化的1个级别的改善（anone-stageimprovement），而NAFLD活性评分（NAS）没有恶化；28%的治疗反应者至少实现了纤维化2级别的改善。此外，48%的响应者实现了NASH消退，并且没有纤维化的恶化。在所有剂量组中也观察到血糖控制良好和血脂异常的改善，以及体重减轻。使用EFX治疗的耐受性一般良好。Akero此前报告说，与安慰剂相比，28、50和70mgEFX剂量组中每个组都达到主要终点，即肝脂肪的绝对减少率分别为12、13%和14%，而安慰剂为0.3%；肝脂肪相对减少63，71%和72%，安慰剂为0%。所有这些结果具有高度的统计显著性（p0.）。另外，HbA1c在50和70mg剂量组分别在统计意义上显著地减少了0.4和0.5（Placebo增加0.1，见扩展阅读#1）。HbA1c检测是一种常见的血液检项，用于诊断1型和2型糖尿病，并监测对糖尿病的管控。HbA1c测试结果反映了过去2到3个月的平均血糖水平。这说明在本临床研究期间，Efruxifermin取得了血糖水平下降的疗效。在第16周，70mg剂量组的受试者的体重减轻了3.7千克（约8磅），也达到统计学意义上显著的效果。总而言之，Efruxifermin，每周一次皮下注射，28，50，或70mg，表现出优异的临床效果和安全性；并在下列三个关键的方面显示出卓越的疗效：（1）改善肝组织学和纤维化；（2）改善脂质和糖尿病参数；（3）显著的减肥效益。显然，Efruxifermin对于同时罹患肥胖和/或T2D的NASH/NAFLD的患者可能是首先选择的药物。虽然预期Efruxifermin会结合多个FGFR受体亚型（需要看到invitro数据才能最终确定），因而也许并不具有特别高的选择性（与下面的NGM相比），其药效预期与天然的FGF21一致。后续文章将详细解读Efruxifermin的临床数据，以飨读者。MK-MK-（以前称为NGM）是一个有专利保护的在研激动剂抗体（agonisticantibody），其选择性地激活?-Klotho/FGFR1c受体复合物。NGM结合到?-Klotho的一个独特表位，并选择性地激活FGFR1c，然后通过基于FGF21类似药物所利用的通路和代谢途径传输信号。NGM不会激活其它FGF受体如FGFR2c/3c/FGFR4，并触发信号转导。在临床I期研究中，NGM已显示出作为每月注射一次的胰岛素增敏剂的潜力。在一个Phase1b研究中，25名NAFLD的胰岛素抵抗患者以2：1的比例随机地接受皮下注射一次单剂量的NGM，mg；或每日一次45mg的pioglitazone，共36天。入组标准：禁食血糖mg/dL；禁食胰岛素10mIU/mL；BMI30kg/m2和NAFLD，其MRI-PDFF测定的肝脂肪含量≥8%。主要研究终点是：1.胰岛素敏感性,从基线到第29天的变化；2.肝脂肪含量（LFC）从基线至第36天的变化。研究结果表明，使用一个单剂量的NGM（mg），可使肥胖，抗胰岛素，非糖尿病患者的肝脂肪含量大幅减少：1.绝对肝脂肪含量减少：-5.1%（第23天）和-6.3%（第36天）；2.肝脂肪含量相对减少：-30%（第23天）和-37%（第36天）。注意，这是NGM的singledose，在第23和第36天的疗效。虽然与Efruxifermin70mg/QW/治疗16周的数据，例如，肝脂肪的绝对和相对减少分别为14%和72%，不能直接比较，但仍然非常，非常地令人印象深刻！笔者预期NGM的药理作用与FGF21类似物大部分一致，但其显然对FGFR1c的选择性高于其它基于FGF21融合蛋白类生物药。在未来的临床研究中，在相同或很相近的条件下，例如，使用药物的总剂量，总给药次数，总持续时间，等，比较NGM和Efruxifermin二者的efficacyout