Verapamil對於糖尿病的作用與機轉
林英耀
大千綜合醫院藥劑科
摘要
糖尿病為國人十大死因之一，罹患人數龐大且人數每年持續上升，對於日常生活影響甚大，甚至可能引起許多併發症。第一型糖尿病患者胰臟中的β細胞經自體免疫系統而逐漸被破壞，β細胞質量下降導致胰島素分泌不足，β細胞功能異常和凋亡是第一型和第二型糖尿病發病機轉中的關鍵過程，而研究發現，硫氧環蛋白相互作用蛋白（thioredoxin-interacting protein, TXNIP）為調節胰腺β細胞功能異常和死亡的主要因素，而L-type鈣離子阻斷劑—verapamil除用來治療高血壓等症狀外，可降低β細胞內TXNIP表現量，保護β細胞免於急遽凋亡；本文將探討verapamil抑制β細胞中TXNIP的機轉及可能在糖尿病治療上的保護作用。
關鍵字： 糖尿病、β細胞、胰島素、TXNIP、verapamil
壹、 前言
根據2019年台灣糖尿病年鑑統計指出，糖尿病的盛行率已達11%，約為20萬人，位居於國人十大死因第五名，糖尿病是由於葡萄糖代謝異常而引起的慢性代謝性疾病。胰島素由胰腺β細胞分泌並負責調節血糖，糖尿病患者具有胰島素供應不足或胰島素利用不充分（胰島素功能不良）的困擾，從而導致葡萄糖代謝異常，血液中過多的葡萄糖會導致高血糖（hyperglycemia），因此高血糖是糖尿病患者的主要特徵。此外，胰島素在脂肪和蛋白質的代謝和利用中也具重要作用，所以糖尿病不僅影響血糖水平，更會導致膽固醇代謝異常而引發許多慢性併發症，例如視網膜病變、神經病變和腎臟疾病等。糖尿病的類型主要分為：第一型糖尿病（type 1 diabetes mellitus, T1DM）、第二型糖尿病（type 2 diabetes mellitus, T2DM）和妊娠糖尿病（gestational diabetes mellitus, GDM）。目前早期治療是非藥物治療為目標。當非藥物治療無法再達到正常血糖水平時，藥物治療將變得很重要。藥物治療分為胰島素注射劑和口服降糖藥物。胰島素注射劑主要用於T1DM和晚期的T2DM病人，胰島素又分為速效、短效、中效和長效型，而口服降糖藥物包括sulfonylureas, glinides, biguanide, α-glucosidase inhibitors, dipeptidyl peptidase-4（DPP-4）inhibitors, sodium-glucose cotransporter 2（SGLT2） inhibitors and thiazolidinediones（TZDs）等。
貳、 TXNIP與糖尿病的關係
胰腺β細胞受損在糖尿病的病理機制中具關鍵角色，β細胞的凋亡會導致胰島素分泌下降、加劇高血糖現象，然而糖尿病的治療主要藉由給予口服降血糖藥和胰島素注射劑來控制血糖，但是無法阻止β細胞的凋亡，屬於漸進式惡化疾病；於2002年的研究指出，葡萄糖會誘導硫氧環蛋白相互作用蛋白（thioredoxin-interacting protein, TXNIP）的表現量上升1，而TXNIP基因的啟動子（promotor）具有碳水化合物反應元件（carbohydrate response element, ChRE）轉錄因子的結合位點（binding site），能進而促使β細胞的異常與凋亡2，研究團隊使用HcB-19小鼠並做TXNIP基因點突變技術產生TXNIP缺陷小鼠，使TXNIP mRNA及蛋白質表現大幅下降，並發現TXNIP缺陷小鼠與控制組相比，胰腺β細胞的質量增加，並且在Streptozotocin（STZ）誘導的糖尿病中促進β細胞的存活，小鼠實驗中發現TXNIP的缺乏會保護胰腺β細胞免受於氧化刺激、葡萄糖毒性及避免β細胞凋亡，甚至能夠透過保留胰腺β細胞的量與功能來緩解小鼠中第一型及第二型糖尿病3，總結TXNIP機轉示意圖如圖一。
圖一 TXNIP機轉示意圖
參、 鈣離子阻斷劑verapamil抑制β細胞中TXNIP的表現
Verapamil為一種L型鈣離子通道阻斷劑，具有抗心律不整、抗心絞痛和降血壓作用，已被上市使用超過30年歷史，除了以上作用，更有研究證明verapamil可減少β細胞中TXNIP的表達且預防由STZ誘導而罹患的糖尿病4，至於其他鈣離子阻斷劑像是diltiazem在細胞培養實驗中，抑制胰島細胞分泌TXNIP的成效並無verapamil的效果來得好。除了細胞實驗，同樣在動物實驗中確認小鼠罹患糖尿病（多次低劑量連續五天注射STZ, 40 毫克/公斤/天）後，開始口服給予verapamil（累積藥物量：100 毫克/公斤/天），甚至能使小鼠血糖恢復為正常水平、胰島中萃取出的TXNIP蛋白質含量較低，且在胰腺切片免疫組織染色圖顯示，STZ嚴重破壞小鼠胰島，口服給予verapamil後的小鼠胰島素含量較高，而β細胞凋亡則利用TUNEL檢測（Terminal-deoxynucleotidyl transferase mediated nick end labeling）來分析，結果顯示verapamil治療後小鼠的β細胞凋亡減少，以上結果顯示verapamil降低了促凋亡的TXNIP並促進β細胞存活（示意圖如圖二）。
圖二 在小鼠試驗中verapamil對於STZ所誘導之糖尿病和β細胞凋亡的影響4
肆、 臨床研究
於2018年發佈在Nature Medicine的臨床試驗（NCT02372253,
Repurposing of Verapamil as a Beta Cell Survival
Therapy in Type 1
Diabetes）屬隨機、雙盲、安慰劑對照、前導性及可行性研究（pilot and
feasibility
trials）的第二期臨床試驗，評估在近期確診（recent-onset）第一型糖尿病的成年受試者之標準胰島素治療中添加口服verapamil、為期12個月的有效性和安全性5，此試驗著重在患者自身的β細胞質量與胰島素分泌；一開始收32名在過去三個月內被診斷為T1DM且年齡落在18至44歲之間的受試者，進行了混合膳食耐受性測試（MMTT,
mixed-meal tolerance
tests），篩選出其c胜肽（c-peptide）值增加幅度≥0.2 nmol /
L並且具至少一種與T1DM相關的抗體，篩選後共26名合格受試者，除接受胰島素治療外，還進行一天一次口服verapamil或安慰劑的隨機分組，分組前排除兩位受試者（一位為復發濫用藥物，一位拒絕使用胰島素幫浦），最後verapamil組及安慰劑組分別由11位與13位受試者所組成（兩組間在一開始的%HbA1c非常相近，分別為6.6和6.8），共24位受試者接完成為期一年的試驗。
為了評估主要療效指標（primary endpoint）—內生性β細胞功能，研究團隊在基線、3個月和12個月時測量了曲線下的MMTT刺激的C胜肽面積（AUC, area under curve），verapamil組在3個月和12個月的刺激性C胜肽AUC均顯著大於安慰劑組（p=0.0270及p=0.0186），研究團隊還評估了每個受試者在3個月和12個月時相對於基線的變化，結果再次顯示，與安慰劑組相比verapamil組的受刺激C胜肽AUC百分比顯著差異更高（p=0.0491及p=0.0451）5。再來評估次要療效指標（secondary endpoint）—外源性胰島素需求量的變化，利用分析維持血糖控制所需的胰島素每日總劑量（TDDI, total daily dose of insulin）來評估，在0個月時verapamil組與安慰劑組對於胰島素需求量相同（0.26單位/公斤/天），到12個月時，安慰劑組的TDDI增加了70%，與疾病進展一致，而verapamil組的TDDI僅增加了27%，兩組間出現顯著差異（p=0.0312）；兩組初始之糖化血色素（%HbA1c）均維持在6到7的區間，然而在第6個月時，verapamil組出現些微降低趨勢（p=0.0083），除此之外，verapamil組在低血糖（hypoglycemic）發生次數與血糖控制達標比例均優於安慰劑組，以上結果顯示，verapamil組與安慰劑組相比，需要較少的外源性胰島素以達到更好的血糖控制，並且，口服verapamil可以促進和維持新確診第一型糖尿病患者的內生性β細胞功能5。
除了國外發表的臨床試驗結果，於2017年JCEM（Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism）發表了利用台灣健保資料庫進行的一項研究，發現口服verapamil與其他CCBs（calcium channel blockers, 鈣離子阻斷劑）相比，與新診斷出的第二型糖尿病的發生率降低有關6，此篇研究屬回溯性世代研究（retrospective cohort study），研究分為兩組：一組為接受口服verapamil處方、另一組則為口服其他CCBs處方，兩組各含4930位病患，並排除已確診T2DM的患者，結果顯示：verapamil組糖尿病的發生率為6.41，口服其他CCBs組則為8.07（每1000人/年, p=0.005），雖此研究並未囊括各年齡層，但與另一研究統計2000-2009年20-79歲之糖尿病盛行率(7.64 至 9.32/1000人/年) 7相比較低，總之這項回溯性世代研究結果為：與其他CCBs相比，verapamil與新確診的T2DM的發生率降低是密切相關的，且在不同年齡層中得到的結果一致，尤其在老年患者族群中更為明顯。
伍、 總結
有越來越多研究證實TXNIP與β細胞質量降低具高度關聯性，這些研究證明TXNIP對β細胞和糖尿病的發展具有影響，葡萄糖可誘導TXNIP含量上升，並導致β細胞凋亡，而將TXNIP含量降至基礎水平可逆轉這些有害效應，表示抑制TXNIP可能成為一種新的糖尿病治療方法；除上述提到的第二期臨床試驗（NCT02372253），臨床試驗資料庫（ClinicalTrials.gov）的登錄資料中將有一項第二期臨床試驗（NCT04545151）及一項第三期臨床試驗（NCT04233034）進一步探討verapamil在第一型糖尿病的治療成效，如果證明具有臨床意義，verapamil的使用將可以達到糖尿病的兩個目標：高血糖和高血壓。
The Effect and Mechanism of Verapamil on Diabetes
Ying-Yiu Lam
Department of Pharmacy, Da-Chien General
Hospital
Abstract
Diabetes is ranked in the top ten causes of death in Taiwan. There are huge numbers of people suffering from diabetes and grows continually, which even cause many complications and has a profound impact on daily life. Pancreatic β-cells were destroyed by autoimmune system in patients with type 1 diabetes, loss of functional beta cell mass result in insufficient insulin secretion. The β-cell dysfunction and apoptosis are a crucial component in the pathogenesis of both type 1 and type 2 diabetes. Previous studies have showed that TXNIP plays an important role in the dysfunction and apoptosis of pancreatic β-cell. A L-type calcium channel blocker, verapamil, not only for hypertension treatment but also reduces TXNIP expression in β-cell, which protect β-cell from dramatic apoptosis. Here we will discuss the mechanism of verapamil's inhibition of TXNIP expression in β-cell and the potential protective effect in diabetes treatment.
參考資料：
1. Shalev A, Pise-Masison CA, Radonovich M, et al: Oligonucleotide microarray analysis of intact human pancreatic islets: identification of glucose-responsive genes and a highly regulated TGFbeta signaling pathway. Endocrinology, 2002: 143(9); 3695-8.
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