中醫藥治療2型糖尿病的現代生物學

孫 杰 劉 燕 吳英杰

(1 大連醫科大學重大疾病基因工程模式動物研究所，大連，116044； 2 大連醫科大學中西醫結合學院，大連，116044)

2型糖尿病是一種全身性代謝疾病，發病率高，難以治愈，涉及到全身所有組織器官[1]:目前糖尿病的治療主要依賴西醫西藥，西藥的不良反應或毒性成為其長期應用的瓶頸[2]。我國傳統中醫藥對糖尿病的認識歷史悠久，中醫把糖尿病歸為消渴的范疇，早在《黃帝內經》中就有“消渴”等記載，對消渴病的概念、病因病機、臨床表現、治則治法、預后及調攝方法等都做了詳細的論述[3]。中醫治療糖尿病強調整體觀和辨證論治，在糖尿病治療方面積累的大量經驗和理論[4]，但是由于缺乏現代生物學研究的論基礎，因此限制了中醫藥治療2型糖尿病的臨床應用和發展。利用現代生物學的理論和技術手段進行有效的挖掘、學習、闡釋和運用，對解決目前糖尿病治療過程中遇到的難題具有重要的意義。現從中西醫結合觀對糖尿病發的認識出發，利用現代生物學理論和技術中醫藥治療糖尿病進行闡釋和解讀，以期為中醫藥治療糖尿病找到分子依據，促進中醫藥治療糖尿病發展和國際化推廣。

1 中西醫結合觀認識糖尿病

中醫理論認為糖尿病的病機主要為陰津虧耗，燥熱偏盛，陰虛為本，燥熱為標，五臟柔弱。糖尿病在臟腑病機的不同，出現不同的證候[5]，表現為肺不布津，肝失調暢，胃火熾盛，脾陰不足，脾氣虛不能轉輸水谷精微，水谷精微不能濡養肌肉，腎陰虧損則虛火內生。治療方面，中醫講究分證論治，講究個體化治療，根據患者的表現，調整中藥的配伍和用量，這比西醫治療糖尿病的理論先進很多。

糖尿病是全身性的代謝疾病，整體認識論是治療糖尿病的指導原則。中藥治療糖尿病主要通過補氣、養陰、活血、清熱、健脾、補腎等治法，發揮中藥降血糖、降血脂、保護胰島B細胞、提高胰島素的分泌，提高周圍組織的糖利用[6]，改善微循環，提高機體免疫力[7]，減輕脂肪組織巨噬細胞炎性反應，對腸道菌群的調節作用等功效。系統生物學理論是中藥治療糖尿病的思想基礎[8]，多靶點同時作用于疾病的網絡系統，克服藥物單一靶點的局限性，并且不易產生耐藥性，強調整體性和臟腑經絡之間的聯系，充分體現中醫的整體觀。糖尿病也是一種糖脂代謝異常性疾病，精準醫學理念與中醫的同病異治理論相似[9]，中醫有關糖尿病的病機理論及辨證論治與西醫對糖尿病的理論和治療方法能夠一一對應上，氣虛的治療可以通過調節神經內分泌；肝虛可以通過治療脂肪肝、保護肝細胞進行調節；腎虛通過改善糖尿病腎病及腎臟的功能；脾虛可以通過調節消化功能、改善腸道菌群；降血脂，改善微循環和促進新陳代謝可以改善；肌肉胰島素抵抗與水谷精微不能濡養肌肉有直接的關系。

因此，中醫藥對糖尿病的解讀可以通過現代生物學手段進行，從神經內分泌調節(下丘腦、腦腸軸)、胰島素利用組織(肝、腎、肌肉)、胰島素生成組織(胰腺)中基因蛋白表達的變化，胰島素滅活組織(肝臟)，糖尿病并發癥組織器官(微循環、腎、心、眼)的分子變化，腸道微生物的改變，血脂血清指標，來研究中藥對胰島素抵抗和糖尿病作用，探討中藥改善胰島素抵抗、治療糖尿病的機制，全面挖掘和闡釋中醫藥的優勢。

2 中醫藥治療糖尿病的現代生物學思路

2.1 胰島素信號通路 胰島素信號通路是研究糖尿病發生機制、病理改變的經典通路，糖尿病時這一信號通路轉導出現異常，藥物治療能夠改變信號轉導，促進糖的利用，改善細胞功能。胰島素受體、胰島素受體底物、腺苷酸激活蛋白激酶(AMPK)、PI3K/Akt/mTOR信號通路及糖異生途徑和三羧酸循環相關的酶、轉錄因子等等與胰島素信號通路一起構成一個細胞內的信號網絡[10]，影響基因修飾，內質網功能，細胞增殖、凋亡與自噬等，同時一些激素、細胞因子以及細胞內分子和細胞器也通過這個網絡影響到胰島素信號通路，涉及面廣，相關的研究還有待進一步深入。

中藥治療糖尿病的作用靶點不外乎胰島素信號網絡上的分子，因此研究中藥治療糖尿病時，信號通路是研究藥物作用機制的重要對象，在經典的治療靶點之外發現新的作用靶點，以期為糖尿病的治療提供新的理論依據。

2.2 炎性反應與免疫 炎性反應與肥胖和2型糖尿病關系密切，長期慢性的低度炎性疾病，是脂肪組織、肝臟和肌肉發生胰島素抵抗以及2型糖尿病的危險因素[11]，多種炎性反應介質參與了其病理生理過程及并發癥的發生、發展，但是炎性反應產生的機制及促發胰島素抵抗的病理生理過程并未完全明了，巨噬細胞(Macrophages，Mφ)被認為在胰島素抵抗中起關鍵作用的因素，脂肪組織巨噬細胞(Adipose Tissue Macrophages，ATMs)被激活，能夠釋放多種細胞因子，如TNF-α、IL-6和MCP-1等，使細胞內的胰島素受體底物-1(IRS-1)發生絲氨酸磷酸化，使胰島素信號轉導受阻，從而發生胰島素抵抗；這些細胞因子能夠通過通過JNK信號通路引起內質網應激，影響細胞內的糖脂代謝，引發細胞自噬和凋亡的異常；同時不斷增加的細胞因子分泌引起廣泛脂肪細胞溶解、游離脂肪酸大量釋放，產生脂毒性，進一步加重全身的胰島素抵抗和高血糖。

很多用于治療糖尿病的中藥都具有免疫調節的作用，而且具有雙向調節免疫的作用，在免疫力低下時增強免疫力，刺激體液免疫和細胞免疫，促進細胞因子的分泌；在免疫力亢進時減輕炎性反應，抑制過敏原的釋放，保護機體免受免疫損傷，但是其免疫調節的機制還尚不明確。中藥的免疫調節作用在糖尿病的治療中能起到減毒增效、扶正固本的作用，基于這一點開發能夠與二甲雙胍等西藥聯合用藥的中藥。

2.3 神經內分泌 神經內分泌的紊亂與糖尿病的發生發展有著密切的關系，糖穩態依靠神經內分泌網絡的調節[12]，下丘腦-垂體-甲狀腺軸、下丘腦-垂體-生長軸、下丘腦-垂體-腎上腺軸(HPA軸)、下丘腦-垂體-性腺軸(HPG軸)都參與到了糖代謝的調節[13]。內分泌腺體分泌的激素可以直接參與糖代謝，也能夠通過神經內分泌軸正負反饋作用于下丘腦，影響下丘腦對能量調節的作用[14]。

在下丘腦弓形核(ARC)中含有促進和抑制食欲的神經元：肽基因相關蛋白(AgRP)神經元和阿黑皮素原(POMC)神經元，通過分泌的食欲素、饑餓素(Ghrelin)、神經Y肽、5-羥色胺、β-內啡肽等能夠直接影響機體的食欲和能量代謝，還可以調控外周組織的胰島素敏感性，新近研究發現下丘腦POMC神經元中轉錄因子4(ATF4)通過激活核糖體S6K蛋白激酶(p70 S6K1)，進而抑制肝臟的胰島素敏感性，調節機體能量平衡和脂質代謝[15]。另一方面下丘腦通過腦腸軸，影響內分泌組織的分泌功能，影響腸道對食物的分解吸收和利用。在高糖刺激下，下丘腦會發生內質網應激，使蛋白分子的折疊發生障礙，影響細胞的功能；下丘腦的內質網應激還能夠介導瘦素抵抗，參與肥胖和糖尿病的發生[16]。

中藥組方治療糖尿病理論都是圍繞整體功能進行的，例如腎為先天之本，在腎虛型糖尿病時補腎法能夠調節內分泌功能，調節神經，增強免疫，促進物質代謝。從肝論治糖尿病考慮到了肝失疏泄、肝郁氣滯影響到神經內分泌、免疫、消化、糖脂代謝等功能，因此從血液、神經、內分泌和免疫等方面進行統一性調節[17]，達到治療糖尿病的目的。

2.4 腸道微生物 人體微生物的數量遠遠超出了我們的想象，正常成人腸道內約有100萬億微生物，這些微生物與人和諧共生，成為調節腸道功能、參與人體生老病死的重要成員。2型糖尿病與腸道菌群的關系研究是近幾年的研究熱點，腸道菌群可能成為預防和治療肥胖和2型糖尿病的新靶點[18]，隨著基因測序技術的不斷進步，使腸道微生物的檢測成為可能。腸道微生物能夠參與人體的代謝，提供各種代謝所需要的酶、能量、維生素，分解膽汁和發揮解毒作用等，還能調節脂肪和葡萄糖的代謝。腸道微生物還能通過影響腦腸軸和神經內分泌參與大腦信號的調節，影響食欲，控制胃腸道功能[19]。研究證實2型糖尿病患者的腸道菌群與正常人群比較存在顯著性差異，益生菌和致病菌之間存在拮抗關系，糖尿病患者糞便中的厚壁菌門、梭菌類明顯減少，擬桿菌與厚壁菌比例以及普氏擬桿菌與大腸埃希菌比例與血糖水平正相關。腸道宏基因組與2型糖尿病之間存在潛在關聯，通過檢測患者腸道菌群，可以預測患者罹患糖尿病的風險，腸道微生物的宏基因組能夠作為2型糖尿病的標志物[20]。二甲雙胍作為目前糖尿病治療的經典老藥，已有幾十年的歷史，以往的研究均認為其降糖作用主要是通過改善肝臟、肌肉和脂肪的胰島素抵抗而實現的，Nature Medicine最新報道二甲雙胍能夠作用于腸道微生物而發揮降糖作用[21]，顛覆了人們對降糖藥的傳統認識，也為糖尿病的藥物治療提供了新的思路。

中醫理論認為肺與大腸相表里，現代微生物學已經證實腸道菌群影響肺的功能，西奈山伊坎醫學院的研究人員通過研究發現，存在于機體中數以萬億的微生物群落或可調節機體肺臟樹突細胞產生免疫應答的能力，大腸功能的失調勢必會影響肺氣的宣發肅降，肺主一身之氣，肺的功能失常，影響宗氣的生成和氣的運動，清氣不能入，濁氣不能出，新陳代謝出現異常，水濕痰濁，氣血運行不暢，血脂血黏度增加，出現肥胖和胰島素抵抗以及糖尿病。脾為后天之本，脾的運化功能失常，胃腸功能的紊亂，食物的消化吸收和排泄異常，腸道微生物的存在于脾的功能之間的互動關系是不容忽視的。

3 現代生物學技術在研究中醫藥治療糖尿病中的應用

3.1 蛋白質組學 蛋白質是生物體內負責執行生命功能和傳遞信息不可代替的元素，蛋白質技術成為后基因組時代的基石。蛋白質組學技術能夠大規模、高通量、系統化研究某一細胞或組織器官中的全部蛋白，為中醫藥現代化帶來機遇，是研究中藥藥理和中醫證候的先進手段[22]。蛋白質復雜網絡關系與糖尿病病機復雜多樣性和分子網絡極度相似，中醫理論對糖尿病的辨證論治和同病異治能夠通過蛋白質組學的差異表達得到解釋和驗證。利用蛋白質組學技術和方法，能從分子水平解讀糖尿病病機理論的本質和科學內涵，篩選中藥作用的靶點和有效成分。蛋白質組學檢測的技術主要有雙向凝膠電泳、差異凝膠電泳、質譜分析等。生物信息學是蛋白質組學分析的核心技術之一，通過生物信息學分析，找出差異蛋白，進一步鑒定蛋白的結構與功能。

3.2 代謝組學 代謝組學的出現為中醫的整體觀和中藥的多靶點研究打開了一扇大門，使中醫藥理論體系的科學價值和豐富內涵得到前所未有的揭示和認可。代謝組學重點是把機體作為一個完整的系統來研究，通過測定組織、體液以及代謝物中代謝物的組成變化來研究疾病和藥物作用下機體代謝網絡的變化情況。質譜聯用技術和生物信息學技術支撐著代謝組學的研究，代謝組學的分析主要包括樣品的制備、數據采集和數據分析、尋找生物標志物、解讀其中蘊藏的生物學意義[23]。代謝組學研究一方面可以用于中醫證候特征的研究，檢測相關證候的關鍵分子，如脾虛、腎虛、肝陽亢等病證可以通過代謝組學的標志物進行分子生物學診斷；另一方面代謝組學能夠對中藥藥理學的研究提供有效的途徑，尤其是針對成分不單一的組方或是單味藥，把藥物的作用靶點以及體內的生物學變化能夠準確的反映出來。

糖尿病是全身性的內分泌代謝紊亂性疾病，血液和尿液中代謝物的變化以及生物標志物能夠反映出整體的代謝情況，是研究糖尿病的發病、病程、診斷、預后以及藥物對機體代謝的影響的重要對象[24]。代謝組學系統性的研究理念與中醫學整體觀的理論內涵十分相似，利用代謝組學來認識中醫的整體觀、系統觀和辨證論治將有助于中醫藥治療糖尿病理論的科學闡釋。

3.3 脂質組學 脂類是體內種類繁多的代謝物，具有重要的功能，能夠作為細胞膜的結構、儲存能量和參與信號通路等，脂質代謝異常在糖尿病的發病中扮演重要的角色。脂質組學在系統層面上研究脂質在生物體內的信號通路和網絡，反映機體的生理水平和預測疾病[25]。脂質組學研究體現了中醫整體觀，為中醫證本質的研究提供了全面系統性的策略，也促進了系統生物學的發展。中醫理論認為肥胖、糖尿病均與痰濕有關，而且現代醫學也認為糖尿病患者的脂肪代謝也存在異常，以前對脂肪組織以及脂質代謝、脂質化合物的作用沒有足夠的重視，脂質組學技術的發展為研究脂質代謝和全身的脂質環境提供有效的檢測手段。脂質組學是代謝組學的一個分支，與其他組學研究類似，通過脂質分析方法如液相色譜質譜聯用法(LC-MS)、氣相色譜質譜聯用法(GC-MS)、電噴霧電離質譜法(ESI-MS)和核磁共振法(NMR)等，規模性地檢測血液、組織或細胞等其中脂質變化，通過建立數據庫和生物信息學分析其脂質特征及與其相互作用，發現生物標志物[26]，揭示藥物治療的對脂質代謝的調控，從整體上探索中藥對糖尿病的作用機制。

3.4 腸道微生物測序分析 目前常用的并且先進的腸道微生物測序是16S rRNA測序技術。16S rRNA普遍存在于原核生物細胞內，堿基序列保守，是用于細菌的系統進化研究和微生物群落多樣性研究的靶分子。16SrRNA的全基因組由9個可變區和10個保守區組成，可變區具有菌種的特異性，利用高通量測序[27]，能夠與分辨出菌種間的差異和分類學特征，而保守區測序則能夠反映物種間的從屬關系。通過16S基因測序技術能夠獲得腸道微生物群落組成以及各種菌群的相對豐度，利用數據處理和序列聚類分析細菌間的網絡關系，微生物分類單位分析和分類單位功能分析探討菌群相對豐度與生理指標的相關性，尋找可用于標記糖尿病有害菌和治療糖尿病的益生菌，揭示細菌多樣性與飲食、肥胖、糖尿病之間的關系[28]。中藥多是經過口服，尤其是中藥組方更需要長期服用，所以中藥對胃腸道的影響作用巨大，對腸道微生物的影響是中藥治療糖尿病的又一特色[29]。

3.5 中藥質譜分析 中藥以及中藥組方由于其成分復雜、多靶點綜合作用而發揮降糖作用，一直以來其多以組分不被國際上的學術期刊認可，也阻礙了中醫藥的國際化進程。中藥質譜技術能夠進行中藥成分的分析和單一成分篩選，極大地推動了中藥的研究和現代化進程[30]。中藥復方如六味地黃丸、葛根芩連湯、消渴丸、天芪膠囊等雖然有明確的降糖作用，但其藥物的有效成分和機制、用法還需進一步研究；單味中藥如黃芪、葛根、苦瓜、人參、黃連等降糖作用的機制不明確；中藥質譜技術使重要的有效成分分析成為可能，中藥的有效組分如黃芪多糖、葛根素、人參皂苷等降糖作用和機制得到了進一步的研究。

3.6 基因工程模式小鼠 隨著人類基因組計劃的完成，科學研究已經不滿足于簡單的DNA序列，基因組研究的重點轉向基因功能，在基因水平探索人類健康和疾病的奧秘。糖尿病是多基因疾病，與基因的關系密切，中醫對糖尿病的證型分類有多種，可以分為上消、中消和下消，也有的分為氣虛型、陰虛性等[31]，不同證型分類與體質類型關系密切，而體質是先天的，由基因決定，所以基因研究對糖尿病的中醫治療有重要的意義，糖尿病小鼠模型能夠很好地模擬人糖尿病的發生發展過程，成為研究中醫證型和中藥作用機制的重要實驗動物[32]。

21世紀的基因組草圖使人類認識了自己，基因操作技術則使人類認識了基因，后基因組時代已經到來。切實有效的基因操作技術和能表現出特定基因表型的動物模型為基因功能的研究提供了有效的途徑和手段，基因工程模式小鼠為糖尿病的分子水平研究提供了有效的實驗對象，目前CRISPR/Cas9基因敲除技術和Cre-Loxp重組技術，以及應運而生的顯微注射技術和胚胎冷凍技術使基因工程模式小鼠的制備變得更加快捷方便。特定基因的敲除、編輯、插入或是高表達能夠模擬體內基因發揮作用的真實情況，組織特異性基因敲除小鼠為基因在特定組織中的功能研究提供了有效的途徑和手段，成為精確研究糖尿病分子機制及信號通路和藥物靶點的良好動物模型。

4 結語

健康與疾病是人類社會發展和進步的共同話題，不管中醫、西醫還是現代生物學，它們的終極任務都是為破解人類生命的難題，這些手段在本質上應該是相輔相成，在很多方面可以找到相通和共識，所以中西醫結合是對中醫學內涵的擴展，也是對西醫的補充，而現代生物技術的進步則為打通了一條由中醫通向現代醫學的方法之路。在糖尿病的治療中，西醫的治療手段已經到了一個平臺期，雖然能夠維持目前糖尿病患者的治療水平，但不能從根本上避免藥物的不良反應和治愈糖尿病，中醫藥的治則治法是從整體出發、辨證論治，而且在醫學古籍中有治愈糖尿病的記載，用現代生物學的技術挖掘中醫藥的精華是中醫藥發展的必由之路。