果蔬中的花色苷及其防治2型糖尿病作用機(jī)制研究進(jìn)展

賴燈妮 江玉琴 田 艷 吳艷陽 趙玲艷 鄧放明

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128)

花色苷屬于類黃酮，廣泛存在于植物的花、葉、果實(shí)、莖等器官中。自然界中，常見的花色苷為矮牽牛素、飛燕草素、矢車菊素、錦葵素、天竺葵素和芍藥素6種。花色素苷元的基本骨架是3,5,7-三羥基苯并吡喃，由于花色素在自然界中不穩(wěn)定，所以C-3,5位上的羥基易被糖苷取代，或進(jìn)一步被有機(jī)酸酰化形成穩(wěn)定的花色苷。根據(jù)糖苷化或酰化的數(shù)目、位置、種類不同，形成了種類繁多的花色苷。根據(jù)流行病學(xué)研究[1-2]發(fā)現(xiàn)，攝入一定量的花色苷可有效降低某些慢性病的發(fā)生，其中包括糖尿病、心血管疾病和癌癥等。

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的報(bào)告[3]，至2015年全球糖尿病患者突破4.22億。此外，2012年因糖尿病直接導(dǎo)致150萬人死亡，且由于高血糖等并發(fā)癥導(dǎo)致220萬人死亡[4]。全球診斷和治療糖尿病每年花費(fèi)高達(dá)825億美元。糖尿病給病人和家屬帶來巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，且嚴(yán)重影響國家經(jīng)濟(jì)[4]。因此，糖尿病預(yù)防和疾病管理成為全球研究的熱點(diǎn)。糖尿病主要分為1型、2型以及妊娠糖尿病，其中2型糖尿病占90%以上[5]。而2型糖尿病與β細(xì)胞功能的損傷以及胰島素抵抗有著密切的關(guān)系，其中β細(xì)胞功能的損傷主要與遺傳因素、脂毒性、糖毒性、胰沉淀素過度沉積、GLP-1缺乏、增齡等因素有關(guān)[6]。2型糖尿病是多基因突變或多態(tài)性變化有關(guān)的疾病(圖 1)，但是發(fā)病的確切機(jī)制尚未闡明。

目前治療2型糖尿病的主要治療方法為飲食治療、運(yùn)動療法、口服抗糖尿病、胰島素治療，由于服用或者注射胰島素藥物會對人體產(chǎn)生一定的并發(fā)癥[7]，如：磺酰脲類、格列奈類不僅會導(dǎo)致低血糖的癥狀，且經(jīng)常發(fā)生低血糖反應(yīng)是極其有害的，而且會對中樞神經(jīng)系統(tǒng)有不良影響和出現(xiàn)局部紅斑等變態(tài)反應(yīng)等。

近年來，人們越來越關(guān)注植物中的生物活性物質(zhì)及營養(yǎng)成分對慢性疾病的預(yù)防[8-9]。花色苷作為一種天然植物多酚，其在體外和動物模型中均能有效控制血糖和調(diào)控代謝[10-12]，且攝入富含花色苷的蔓越莓防治2型糖尿病的試驗(yàn)已在臨床上得以證實(shí)[13-14]。本文系統(tǒng)地介紹了果蔬中花色苷類物質(zhì)的主要成分及對2型糖尿病防治作用，闡述了花色苷通過減少氧化應(yīng)激、改善胰島素抵抗、促進(jìn)胰島素分泌和保護(hù)β細(xì)胞四方面防治2型糖尿病的作用機(jī)制，旨在為果蔬中多酚類化合物的綜合利用提供理論依據(jù)。

圖1 2型糖尿病發(fā)病機(jī)制Figure 1 The pathogenesis of type 2 diabetes

1 果蔬中主要花色苷成分及其防治糖尿病的作用

有色果蔬中富含花色苷，如桑葚、葡萄、藍(lán)莓、楊梅、紫色馬鈴薯、紫色甘薯。花色苷對于預(yù)防和治療慢性疾病具有一定的作用。不同果蔬中的花色苷種類和含量不同(表 1)，防治效果及其作用機(jī)制亦不同。

1.1 桑葚

桑葚中主要花色苷為矢車菊素-3-蕓香糖苷和矢車菊素-3-葡萄糖苷，對改善糖尿病小鼠的功能障礙和胰島素抵抗有潛在的益處[15]。體外試驗(yàn)[16]發(fā)現(xiàn)，在高糖和棕櫚酸誘導(dǎo)的HepG2細(xì)胞胰島素抵抗模型中桑葚花色苷提取物緩解胰島素抗性并增加葡萄糖消耗、葡萄糖攝取和糖原含量。桑葚花色苷提取物通過抑制PPARγ共激活因子1α(PGC-1α)和forkhead box蛋白O1( forkhead box protein O1，F(xiàn)OXO1)，致使磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK)和葡萄糖-6-磷酸酶( glucose-6-phosphatase，G6Pase)的活性降低；且通過磷酸化白激酶β(phosphorylation of protein kinase B，AKT)和糖原合酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK3β)，導(dǎo)致糖原合酶2(glycogen synthase 2，GYS2)的上調(diào)。在體內(nèi)試驗(yàn)[16]發(fā)現(xiàn)，用桑葚花色苷[50，125 mg/(kg·d) ]喂養(yǎng)db/db(糖尿病小鼠模型)小鼠能降低空腹血糖、血清胰島素、瘦素、甘油三酯和膽固醇水平，并提高脂聯(lián)素水平；且闡明了桑葚提取物通過激活肝臟、骨骼肌和脂肪組織AKT途徑和下游靶標(biāo)位點(diǎn)，從而改善相關(guān)代謝參數(shù)。用桑葚花色苷提取物喂養(yǎng)的組血糖水平和糖化血紅蛋白(Glycosylated Hemoglobin，Type A1C，HbA1c)顯著低于糖尿病對照組。此外，葡萄糖和胰島素耐量試驗(yàn)顯示花色苷提高了胰島素敏感性。桑葚花色苷可以通過激活骨骼肌中AMPK(adenosine 5’-monophosphate-activated protein kinase)和蛋白激酶AKT的一個新底物(AS160)的活性以及抑制肝臟中的糖異生來改善高血糖和胰島素敏感性[17]。

表1 果蔬中主要花色苷成分及其防治糖尿病的作用機(jī)理?Table 1 The regulatory effect of typical anthocyanins on diabetes mellitus

1.2 葡萄

葡萄中主要的花色苷為矢車菊素和飛燕草素，可通過抑制脂質(zhì)和糖基化蛋白，激活抗氧化蛋白從而防治糖尿病。體外試驗(yàn)[18]表明，結(jié)合態(tài)飛燕草素氯化物[100 mg/(kg·d)]可分別降低脂質(zhì)體和HbA1c糖基化的速率至(46.35±1.20)%和(3.60±0.25)%，且結(jié)合態(tài)形式的花色苷抗氧化活性高于游離態(tài)花色苷。體內(nèi)試驗(yàn)[19]發(fā)現(xiàn)，來自葡萄籽中的矢車菊素-3-O-β-葡萄糖苷氯化物在HK-2模型中激活p38MAPK和ERK1/2氧化酶活性的磷酸化以及抑制硫氧還蛋白互作蛋白(TXNIP)的表達(dá)，從而調(diào)節(jié)抗氧化和抑制細(xì)胞的凋亡。

1.3 紫色馬鈴薯

紫色馬鈴薯中花色苷主要為牽牛花色苷、芍藥素花色苷、天竺葵素花色苷、錦葵素色苷以及飛燕草素花色苷。目前對紫色馬鈴薯花色苷防治糖尿病的研究主要集中在對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶活性的潛在抑制作用，其中發(fā)現(xiàn)紫色馬鈴薯中的天竺葵素花色苷與咖啡酸或阿魏酸的酰化抑制麥芽糖酶效果最佳。推測糖苷配基B環(huán)上的3，5位的羥基對抑制麥芽糖酶是關(guān)鍵位點(diǎn)[20-21]。

紫色馬鈴薯中的花色苷抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶、麥芽糖酶活性，使機(jī)體消化葡萄糖的效率降低、機(jī)體血糖下降，從而防治糖尿病。

1.4 藍(lán)莓

藍(lán)莓花色苷主要成分是飛燕草素半乳糖苷、矮牽牛素阿拉伯糖苷、矢車菊素半乳糖苷和錦葵素葡萄糖苷等[22]；在體外模型中，研究[23]發(fā)現(xiàn)通過富含花色苷藍(lán)莓提取物(BAE)緩解了由高糖誘導(dǎo)INS832/13β細(xì)胞毒性。此外，BAE有效降低了細(xì)胞內(nèi)甘油三酯(TG)水平，促進(jìn)了胰島素分泌。用不同劑量的藍(lán)莓中花色苷提取物(BA)喂養(yǎng)糖尿病模型大鼠研究[24]顯示BA不僅減緩糖尿病引起的體重減輕和血糖升高，而且還能上調(diào)視網(wǎng)膜的抗氧化能力，提高谷胱甘肽(GSH)含量和谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)活性，降低丙二醛(MDA)和活性氧(ROS)水平以及上調(diào)血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)和白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)。此外，BA增加Nrf2和HO-1的mRNA水平，以及Nrf2的核定位和HO-1的蛋白質(zhì)水平。 這些結(jié)果表明BA可以保護(hù)視網(wǎng)膜細(xì)胞免受糖尿病誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激和炎癥，并且可以通過Nrf2/HO-1信號傳導(dǎo)來調(diào)節(jié)。用添加藍(lán)莓花色苷提取物喂養(yǎng)肥胖和偏瘦的大鼠的研究結(jié)果顯示通過影響PPAR通路從而影響脂肪和肌肉組織的脂肪和葡萄糖代謝[25]。Kianbakht等[13]研究顯示，在臨床試驗(yàn)中食用藍(lán)莓提取物(9.1 mg花色苷/d)連續(xù)8周，空腹血糖濃度比安慰劑組相比降低。Mirfeizi等[14]研究顯示，與基線相比，每日藍(lán)莓粉(1 g含9.8 mg花青素)補(bǔ)充劑可降低干預(yù)3個月后的空腹血糖濃度，但與安慰劑治療無關(guān)。

1.5 越桔

越桔中花色苷主要成分為矢車菊素花色苷、飛燕草素花色苷、芍藥素花色苷、矮牽牛素花色苷、錦葵素花色苷[26]。體內(nèi)研究[27]發(fā)現(xiàn)，越桔花色苷提取物通過激活A(yù)MP活化蛋白激酶(AMPK)從而改善對2型糖尿病小鼠中高血糖和胰島素敏感性，且伴隨著白色脂肪和骨骼肌中葡萄糖運(yùn)載體4(glucose transporter 4，Glut4)的上調(diào)以及肝臟中葡萄糖產(chǎn)生和脂質(zhì)含量的抑制。同時(shí)，在肝臟中乙酰輔酶A羧化酶失活，PPARα、酰基輔酶A氧化酶和肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1A上調(diào)。這些發(fā)現(xiàn)為越橘果實(shí)的使用提供了生化基礎(chǔ)，并且通過激活A(yù)MPK對預(yù)防和治療2型糖尿病具有重要意義。

2 花色苷防治糖尿病的作用機(jī)制

2.1 花色苷減少氧化應(yīng)激

糖尿病患者由于體內(nèi)高血糖、高血脂的聚集引發(fā)自由基的產(chǎn)生，從而使機(jī)體長期處于氧化應(yīng)激狀態(tài)。花色苷為類黃酮化合物，具有酚羥基結(jié)構(gòu)，屬于羥基供體，其中 A、B 環(huán)上羥基數(shù)目、位置以及C環(huán)雙鍵影響其抗氧化性活性[28]。因此，花色苷作為一種天然的抗氧化劑，可有效清除羥基自由基、超氧自由基等，抑制其對機(jī)體的氧化損傷，同時(shí)還能通過激活并調(diào)節(jié)體內(nèi)過氧化氨酶、過氧化物岐化酶等抗氧化酶防御體系，以此來達(dá)到防治糖尿病的目的。

花色苷在體外以及生物體內(nèi)抗氧化試驗(yàn)中都顯示出較強(qiáng)的抗氧化效果，其中對羥基、超氧自由、ABTS+、DPPH·、Fe3+等有很好的清除作用，可防止其氧化損傷。紫色馬鈴薯花和紫玉米中的花色苷對DPPH·、ABTS+、Fe3+均具有一定的抗氧化能力，且紫玉米中的花色苷抗氧化能力均比BHT更強(qiáng)[29-30]；體內(nèi)試驗(yàn)[31]表明，黑米花色苷提取物提高谷胱甘肽(glutathione，GSH)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性，并增強(qiáng)大鼠肝臟和血清總抗氧化能力。草莓花色苷提取物能夠降低糖尿病大鼠模型中肝臟的氧化型谷胱甘肽濃度，同時(shí)減少巴比妥酸反應(yīng)物質(zhì)(Barbituric acid reaction material，BARS)[32]。因此，花色苷的抗氧化活性對防治糖尿病起到十分重要的作用。

2.2 花色苷改善胰島素抵抗

胰島素受體的α亞基與胰島素結(jié)合使得β亞基酪氨酸激酶活化，進(jìn)而磷酸化胰島素受體底物(insulin receptor substrate，IRS)，從而使一系列生化指標(biāo)發(fā)生改變。然而在2型糖尿性中由于胰島素對葡萄糖的吸收和利用不敏感，致使血糖、血漿中游離脂肪酸的增加從而形成胰島素抵抗。胰島素抵抗造成各組織中葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)和酵解、肝和肌肉中的糖原合成、糖異生和糖原分解紊亂，同時(shí)抑制胰島素需依賴Glut4及許多關(guān)鍵酶如糖原合成酶、磷酸果糖激酶、葡萄糖激酶、丙酮酸激酶和丙酮酸脫氫酶等活性[33]。肥胖致使脂肪分解增加，游離脂肪酸(free fatty acid，F(xiàn)FA)濃度增高，通過脂肪酸—葡萄糖循環(huán)，相互影響糖和脂肪的代謝，導(dǎo)致胰島素作用減弱和胰島素抵抗。尤為甚者，沉積于肝、平滑肌和β細(xì)胞中的FFA和甘油三酯導(dǎo)致其功能減退，對胰島素不敏感。

一系列研究表明花色苷可降低膽固醇(Total Cholesterol，TC)、甘油三酯(Triglyceride，TG)、低密度脂肪蛋白膽固醇(Low density lipoprotein cholesterol，LDL-C)水平，提高載脂蛋白(Apolipoprotein，ApoA)、高密度脂蛋白膽固醇(High density lipoprotein cholesterol，HDL-C)表達(dá)水平。黑豆種皮花色苷通過調(diào)節(jié)Glut4從而預(yù)防胰島素抵抗和胰腺細(xì)胞凋亡[34]；矢車菊素通過調(diào)節(jié)Glut4和視黃醇結(jié)合蛋白質(zhì)和相關(guān)的脂肪細(xì)胞炎癥因子在抗糖尿病效應(yīng)方面具有顯著效果[35]。黑米花色苷飼養(yǎng)高脂的大鼠發(fā)現(xiàn)體重、白色脂肪、TG水平低于對照組[36]。總之，花色苷通過降低脂肪細(xì)胞相關(guān)炎癥因子和調(diào)節(jié)高低密度脂肪蛋白膽固醇水平，增加葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)載體蛋白并減少視黃醇結(jié)合蛋白的表達(dá)，激活A(yù)MPK信號通路和減緩氧化應(yīng)激，提高胰島素的敏感性，從而改善胰島素抵抗。

2.3 花色苷促進(jìn)胰島素分泌

2.4 花色苷保護(hù)胰島β細(xì)胞

胰島β細(xì)胞凋亡的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑主要包括外源性途徑(死亡受體介導(dǎo)的信號途徑)、內(nèi)源性途徑(線粒體凋亡信號途徑)以及顆粒酶B途徑[42-43]。這些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的共同特征是：各種應(yīng)激和刺激信號激活特定的信號通路，使半胱天冬蛋白酶(caspase)最終被激活。激活的caspase剪切胞內(nèi)底物，從而破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和影響細(xì)胞代謝，導(dǎo)致細(xì)胞特有形態(tài)學(xué)和生化條件改變進(jìn)而促進(jìn)凋亡。另外，多種細(xì)胞因子IL-1β、IFN-γ和(或)TNF-α可通過激活各種核轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)誘導(dǎo)大量β細(xì)胞凋亡[44]。

研究[45]發(fā)現(xiàn)，從桑樹果實(shí)中分離出的矢車菊素-3-葡萄糖苷通過預(yù)防氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的β細(xì)胞凋亡來預(yù)防糖尿病。從枸杞中提取的花色苷通過ERK1/2和PI3K/Akt通路誘導(dǎo)HO-1上調(diào)從而保護(hù)β細(xì)胞免于H2O2誘導(dǎo)的細(xì)胞損傷[46]。藍(lán)莓中的花色苷提取物促進(jìn)胰島βTC-tet細(xì)胞增殖，同時(shí)還抑制由高糖誘導(dǎo)的大鼠腎上腺嗜鉻細(xì)胞瘤細(xì)胞 PC12 凋亡[47]。研究[48]發(fā)現(xiàn)，花色苷的抗凋亡作用機(jī)制是通過調(diào)節(jié)凋亡蛋白 Caspase3、Bax和 Bcl2的表達(dá)來實(shí)現(xiàn)。總之，這些研究結(jié)果表明花色苷通過減緩氧化應(yīng)激、下調(diào)促凋亡蛋白的表達(dá)減少β細(xì)胞凋亡。

3 結(jié)語與展望

隨著人們物質(zhì)水平的不斷提高，糖尿病的發(fā)病率和死亡率也隨之不斷上升。糖尿病已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織認(rèn)定為四大慢性疾病之一，目前臨床上應(yīng)用的眾多糖尿病藥物雖然效果較好，但有明顯的副作用。近年來人們越來越關(guān)注植物生物活性物質(zhì)及營養(yǎng)成分預(yù)防慢性疾病，果蔬中的花色苷不僅可以滿足人體每天生理需要的營養(yǎng)素，而且有利于防治2型糖尿病。

花色苷通過減少氧化應(yīng)激、改善胰島素抵抗、保護(hù)β細(xì)胞和促進(jìn)胰島素分泌四方面防治2型糖尿病，因此，通過飲食補(bǔ)充療法，給予糖尿病可食用的抗氧化功效物質(zhì)，對降低糖尿病發(fā)生概率及抵御糖尿病患者健康疾患將是一個安全有效的策略。

但果蔬中的花色苷種類繁多，且不同結(jié)構(gòu)的花色苷功能差別較大，所以探究花色苷在體內(nèi)、體外的代謝且何種單體成分在2型糖尿病中發(fā)揮著核心作用仍需要進(jìn)一步研究。花色苷作為植物多酚類物質(zhì)之一，多酚類物質(zhì)在機(jī)體內(nèi)存在雙重調(diào)控作用，每天食用花色苷的量，以及如何利用現(xiàn)代的生物技術(shù)提高花色苷的利用效率，都是未來研究的熱點(diǎn)方向[49]。這些都將為花色苷營養(yǎng)功能開發(fā)和營養(yǎng)干預(yù)機(jī)制的研究拓寬思路。