天然產物中黃酮 多酚及生物堿類化合物治療2型糖尿病研究進展△

朱曉丹，江冰潔，劉新元，谷悅，夏婷，韓麗瑩，喬歐，張藝，高文遠*

1.天津中新藥業集團股份有限公司隆順榕制藥廠，天津 300457；2.天津大學 藥物科學與技術學院，天津 300072

糖尿病是一種以持續性高血糖為特征的代謝性疾病，也是全世界高發病率的疾病之一。近些年來，隨著人民生活方式的改變和生活水平的提高，糖尿病患病人數呈現逐年增長的趨勢，已由2011年的3.66億增長為2017年的4.51億，預計到2045年全球糖尿病總患病人口將上升到6.93億[1-2]。其中2型糖尿病的發病率占總發病率的90%以上，危害程度也最大，可導致各種組織如腎、足、眼、心血管等發生功能障礙[3]。目前，臨床上對于2型糖尿病的治療方式主要依靠胰島素以及化學合成降糖藥，雖起效快，但是不良反應較多。天然產物因其毒副作用小、療效穩定、多通路多靶點的獨特優勢越來越受到關注與重視。本文將對2型糖尿病的發病機制以及近年來報道的天然產物中黃酮、多酚、生物堿等類化合物的降糖作用通路進行綜述，旨在為天然產物進一步研究和治療2型糖尿病提供參考。

1 2型糖尿病發病機制

1.1 胰島素抵抗

2型糖尿病是由多種因素相互作用引起的，并非由單一的發病機理所導致。目前一般認為，胰島素抵抗和β細胞功能障礙可導致胰島素缺乏，是造成2型糖尿病發病的關鍵因素。胰島素抵抗是指機體組織對胰島素反應敏感性降低，從而造成功能異常，這種異常可導致胰島素受體后信號傳導障礙，使胰島素介導的葡萄糖的利用率降低[4]。胰島素抵抗素(Resistin)是Steppan等[5]在2001年發現的脂肪源性多肽類激素，是由脂肪細胞分泌的信號分子，可在白色脂肪組織中特異性表達。其編碼的蛋白可作用于靶組織(脂肪組織、骨骼肌和肝臟)，使其靶細胞(脂肪細胞、骨骼肌細胞、肝細胞等)對胰島素的敏感性降低。另外，有研究發現，大量的胰島素受體突變也與2型糖尿病的發病過程有關。當胰島素受體數目越多或者親和力越強時，組織對胰島素的敏感性就越強；反之，當機體內胰島素受體數目越少或者親和力越弱時，組織對胰島素的敏感性就越弱，即產生胰島素抵抗[6]。

1.2 胰島β細胞功能障礙

胰島β細胞功能障礙主要表現為β細胞分泌胰島素的質量、數量、節律出現異常以及胰島β細胞數量發生變化。越來越多的研究證實，胰島β細胞功能障礙是2型糖尿病發病的必要環節。如果說胰島素抵抗是2型糖尿病發生的始動因素，那么胰島β細胞功能是否正常是2型糖尿病能否發生的決定性因素[7]。只有當β細胞分泌功能異常以及總量減少，才會引起糖耐量受損并逐漸發展為糖尿病[8]。造成胰島β細胞功能障礙的病理機制主要包括脂毒性和糖毒性。脂毒性是指進入血液中的游離脂肪酸超過脂肪組織的儲存能力和各組織對游離脂肪酸的氧化能力，從而使過多的游離脂肪酸在細胞中過度沉積。如果游離脂肪酸在β細胞內過度堆積，高濃度的游離脂肪酸會通過非氧化代謝途徑生成第二信使神經酰胺，神經酰胺可導致誘導型一氧化氮合酶合成增加，從而引起細胞凋亡和β細胞功能衰退[9]。另外，長期高血糖可降低胰島β細胞對葡萄糖的感知能力，影響β細胞中胰島素的合成與分泌，從而造成胰島β細胞功能障礙，最終引起血糖升高。

1.3 氧化應激

有文獻報道，人體在高游離脂肪酸和持續性高血糖狀態下，會刺激產生大量的自由基，從而激活體內的氧化應激反應。氧化應激是指機體在遭受各種有害刺激時，體內高活性信號分子如活性氧和活性氮產生過多，機體抗氧化能力下降，導致氧化系統與抗氧化防御系統之間失衡，造成機體組織細胞和生物大分子如核酸、脂質、蛋白質等發生氧化損傷的一種應激狀態[10]。有關糖尿病的多項研究顯示，長期的高血糖和高游離脂肪酸狀態會共同導致一系列副產物生成并且激活活性氧簇(ROS)信號，使胰島細胞的抗氧化能力失衡，誘導氧化應激的發生，使線粒體結構和功能嚴重破壞，造成細胞損傷嚴重；ROS水平的升高還會破壞蛋白質和酶促反應系統，導致酶失活，酶促反應受阻，蛋白質變性以及生物功能降低，直接損傷胰島β細胞，導致β細胞功能衰退[11]。另外，ROS還可以激活如p38絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)等多條信號通路，從而影響胰島素信號通路，間接抑制β細胞功能，造成胰島素抵抗，使β細胞受損，胰島素分泌水平降低，進而發展為糖尿病[12]。

1.4 炎癥

近年來，國內外均有研究顯示，炎癥因子在糖尿病的發生和發展過程中扮演著至關重要的角色，并且炎癥因子的升高可預測2型糖尿病的發生[13-14]。一項前瞻性研究顯示，炎癥因子和炎性介質可能是通過β細胞凋亡和胰島素抵抗來誘導2型糖尿病的發生。在正常生理條件下，胰島素信號蛋白與細胞表面的胰島素受體結合后使胰島素受體磷酸化，從而導致胰島素受體底物的酪氨酸發生磷酸化反應，隨后其下游的底物被激活，胰島素信號被轉導至效應器，進而發生一系列生物學反應。當細胞受到刺激時，細胞會通過識別相應的受體激活炎癥信號通路，釋放一系列炎癥因子。這些炎癥因子會使體內的一系列激酶被激活，導致胰島素底物發生磷酸化反應。但是該磷酸化位點發生在酪氨酸附近的絲氨酸/蘇氨酸上，從而干擾正常的酪氨酸的磷酸化水平，導致胰島素受體底物與胰島素受體結合松散，以及下游底物磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3-K)活性降低，從而減弱細胞胰島素信號轉導，造成胰島素抵抗，進而誘導2型糖尿病發生[15]。

1.5 凋亡

有研究顯示，2型糖尿病的發生與胰島β細胞凋亡有著十分密切的關系。細胞凋亡是指有核細胞在凋亡信號的作用下，通過啟動細胞內的死亡機制，激活一系列信號轉導通路，造成細胞發生程序性死亡的過程。Bax和Bcl-2是凋亡過程中具有代表性的促凋亡基因和抑制凋亡基因。其中，Bcl-2主要是通過調節線粒體內外膜的通透性來抑制細胞凋亡。另外，Caspase家族作為介導細胞凋亡的重要半胱氨酸蛋白酶，是細胞凋亡過程中最終的執行者，在糖尿病細胞凋亡過程中發揮重要的調控作用。高血糖、高游離脂肪酸條件下，ROS水平升高會刺激細胞啟動凋亡程序，導致Bcl-2水平降低，Bax表達明顯升高，Bcl-2/Bax比例失衡，造成線粒體膜的通透性增加，線粒體中與凋亡有關的分子細胞色素C以及Apaf-1被釋放出來，激活Caspase信號轉導通路，進而引起一系列級聯反應誘導細胞凋亡，當β細胞的凋亡率達到一定的閾值后就不能維持其正常的生理功能，進一步發展為糖尿病[16]。另外，NF-κB作為細胞凋亡的另一調節者，當NF-κB被激活后會轉位到細胞核內，與凋亡相關的基因結合，誘導細胞凋亡[17]。

以往的研究表明，2型糖尿病主要由胰島素抵抗和β細胞功能障礙所引起。上述總結發現，氧化應激，炎癥和凋亡可能代表2型糖尿病新的發病機制(見圖1)和治療途徑。高血糖可誘導氧化應激的發生，氧化應激增強炎癥反應，而氧化應激和炎癥進一步促進細胞凋亡的發生。另外，除上述所提到的發病機制外，誘導2型糖尿病發生的因素還有很多。例如自噬[18]、內質網應激[19]、蛋白質折疊[20]、翻譯后修飾、DNA甲基化[21]以及microRNAs等[22]。然而，這些誘導因素并不是孤立存在，它們之間往往相互作用，互相影響，最終導致2型糖尿病的發生。

圖1 2型糖尿病發病過程可能涉及的機制以及信號通路

2 天然產物防治T2DM研究進展

2.1 黃酮類化合物降糖作用研究

黃酮類化合物是目前研究和應用較為廣泛的具有降糖活性的天然產物，其生物活性多樣，具有很高的藥用價值。根據其化學結構的不同，黃酮類化合物可分為黃酮類、異黃酮類、二氫黃酮類和黃酮醇類等。蘆丁是在植物和蔬菜中發現的黃酮醇類化合物。有研究證實，蘆丁可顯著性改善2型糖尿病大鼠的空腹血糖水平，降低血清中甘油三酯(TG)、低密度脂蛋白(LDL-C)以及極低密度脂蛋白(VLDL)含量，升高高密度脂蛋白(HDL-C)濃度，提高對胰島素的敏感性，減輕胰島素抵抗[23]。另外，蘆丁還可抑制葡萄糖-6-磷酸酶活性，增強己糖激酶活性，激活肌肉組織和脂肪組織中的葡萄糖轉運蛋白-4(GLUT4)，上調AMP依賴的蛋白激酶(AMPK)的表達來維持葡萄糖穩態，改善葡萄糖耐量異常[24-25]。

槲皮素是五羥基黃酮化合物，廣泛存在于植物的葉、花和果實中。Chis等[26]發現，槲皮素可顯著改善鏈脲佐菌素所誘導的糖尿病小鼠的高血糖、高甘油三酯以及高膽固醇血癥，其機制可能與有效地清除體內的自由基，減輕氧化應激所造成的損傷有關。Wang等[27]發現，槲皮素可降低高血糖狀態下肝臟的炎癥反應和脂質堆積，刺激骨骼肌中GLUT4發生易位反應，抑制肝細胞中葡萄糖-6-磷酸酶的活性來維持體內的葡萄糖穩態。另外，槲皮素還可通過降低糖尿病大鼠中轉化生長因子-1和結締組織生長因子的表達水平來實現對糖尿病大鼠腎臟的保護作用[28]。

木犀草素是存在于金銀花、菊花、百里香等植物中的四羥基黃酮類化合物。有研究發現，將木犀草素應用于KKAy小鼠，可以明顯降低其體內甘油三酯和硫代巴比妥酸反應物質的含量，改善高血糖引起的脂質代謝紊亂和氧化應激[29]。此外，木犀草素還可以通過下調腫瘤壞死因子-α(TNF-α)的表達，激活過氧化物酶體增殖物激活受體-γ(PPAR-γ)，增強脂肪細胞蛋白激酶B2(Akt2)的磷酸化來抑制炎癥反應，減輕胰島素抵抗[30]。

葛根素是從中藥葛根中提取的異黃酮類化合物，具有很好的降糖活性。有研究發現，葛根素能顯著降低血清中甘油三酯，總膽固醇和低密度脂蛋白的水平，可通過上調胰島素受體底物以及胰島素生長因子的表達來提高體內葡萄糖的利用率[31]。葛根素還可以通過升高超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶的活性，降低氧化終產物丙二醛含量來減輕體內的氧化應激程度[32]。另外，有研究證實，葛根素可通過增加PPAR-γ的表達，促進GLUT-4轉位到細胞膜內，增加葡萄糖向細胞內轉運和葡萄糖的消耗，降低體內葡萄糖的濃度，改善高血糖和胰島素抵抗狀態，保護胰島β細胞[33]。此外，其他一些天然產物中具有抗2型糖尿病活性的黃酮類化合物及其作用機制見表1。

2.2 多酚類化合物降糖作用研究

植物多酚為單寧的前體化合物以及聚合物，根據其化學結構的不同，主要分為水解單寧和縮合單寧等。白藜蘆醇為多酚類化合物，是一種天然植物抗毒素，主要存在于葡萄科、桑科、廖科等植物中，對糖尿病及其并發癥具有很好的治療作用。研究表明，白藜蘆醇能夠顯著改善線粒體功能紊亂，促進線粒體生物合成以及脂肪酸的β-氧化，緩解骨骼肌的胰島素抵抗[39]。另有研究發現，利用白藜蘆醇對高脂飼料聯合小劑量鏈脲佐菌素(STZ)誘導的2型糖尿病模型進行藥物干預，可刺激胰島素受體-1酪氨酸磷酸化，提高蛋白激酶B(AKT)磷酸化水平，進而刺激糖原合成酶激酶-3發生磷酸化，促進肝糖原合成，顯著性降低空腹血糖水平[40]。

葡萄籽多酚為葡萄籽提取物的主要成分，是一類含有苯環結構的天然多酚類化合物。仇菊等[41]發現，葡萄籽多酚可顯著提高2型糖尿病大鼠血清中超氧化物歧化酶活性，降低血清中丙二醛的含量，上調胰腺中胰島素的表達，促進胰島素分泌，從而使體內血糖穩定，改善葡萄糖耐受程度。

表沒食子兒茶素沒食子酸酯是茶葉中特有的兒茶素，是茶多酚的主體部分。研究發現，其對糖尿病有預防作用。祝宇銘等[42]發現，表沒食子兒茶素沒食子酸酯可通過抑制小腸中α-葡萄糖苷酶的活性來延緩腸道對葡萄糖的吸收作用，降低餐后血糖持續升高，改善餐后高血糖現象，發揮對血糖的調節作用。另有研究發現，表沒食子兒茶素沒食子酸酯具有類胰島素作用，能夠抑制限速酶醛生成酶的基因表達，上調3-磷酸肌醇激酶的表達，發揮胰島素樣功能[43]。

表1 天然產物中具有降糖作用的黃酮類化合物及其作用機制

此外，其他一些天然產物中具有抗2型糖尿病活性的多酚類化合物及其作用機制見表2。

表2 天然產物中具有降糖作用的多酚類化合物及其作用機制

2.3 生物堿類化合物降糖作用研究

目前，從天然產物中分離得到的具有降糖活性的生物堿類化合物中小檗堿的研究較為廣泛。小檗堿亦稱黃連素，是從黃連、黃柏等植物中分離得到的異喹啉類生物堿?，F代藥理研究表明，小檗堿具有很好的降糖活性，其鹽酸鹽和硫酸鹽在臨床上得到廣泛應用。有研究發現，小檗堿可降低2型糖尿病大鼠的血糖和脂質代謝水平，增加胰島素分泌，增強口服糖耐量，改善胰島素抵抗[48]。小檗堿還能夠通過提高胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)水平，降低ROS的產生，顯著改善線粒體功能障礙，減輕內皮細胞微粒所介導的氧化應激[49]。另外，Turner等[50]在2008年對小檗堿進行結構修飾，獲得其衍生物二氫小檗堿。藥理研究發現，二氫小檗堿改善嚙齒動物胰島素抵抗的活性強于小檗堿。

波爾定堿屬于阿樸菲型生物堿，主要存在于樟科植物潺槁樹、檬立米科植物博路都樹、天臺烏藥等植物中。近年的研究表明，波爾定堿可顯著降低空腹血糖水平，逆轉糖尿病所造成的體質量減輕。此外，波爾定堿還可通過清除自由基生成，抑制糖尿病大鼠胰腺組織中的氧化應激，減輕胰腺的病理變化，達到保護胰島β細胞的目的[51]。

此外，其他一些天然產物中具有抗2型糖尿病活性的生物堿類化合物及其作用機制見表3。

表3 天然產物中具有降糖作用的生物堿類化合物及其作用機制

以上一系列實驗研究表明，黃酮類化合物的降糖作用主要是通過調節脂質代謝紊亂，清除自由基，抑制炎癥反應的發生，激活肝臟、肌肉和脂肪組織中的信號通路，減輕胰島素抵抗，提高葡萄糖利用率來維持體內葡萄糖穩態。多酚類化合物主要是通過抑制高血糖所引起的氧化應激，上調骨骼肌PI3K-AKT信號通路，降低α-葡萄糖苷酶的活性，對抗炎癥反應來改善糖尿病胰島素抵抗。生物堿類化合物改善2型糖尿病的機制主要為上調胰島素信號通路相關蛋白的表達，提高胰島素敏感性，對抗氧化應激以及減輕脂毒性等。

3 結語

2型糖尿病被稱為“隱形殺手”，醫學界現已明確將其列為繼腫瘤、心血管疾病之后的第三大慢性非傳染性疾病，嚴重威脅人類的身體健康。隨著對2型糖尿病發病機制研究的不斷深入，發現2型糖尿病的發生與胰島素抵抗、脂質代謝紊亂、β細胞功能障礙、氧化應激以及炎癥等有著非常密切的關系。與臨床上常規降糖西藥相比，天然產物具有不良反應少、延緩糖尿病并發癥的優勢。另外，在本研究所列舉的各類天然產物中，有很多種化合物能夠通過提高胰島素信號通路相關蛋白的表達，抑制氧化應激，改善脂質代謝，對抗炎癥反應等來減輕2型糖尿病胰島素抵抗。因此，對這些天然產物的降糖分子機制，作用通路以及作用靶點進行深入研究，有助于更加全面地了解中藥治療糖尿病的作用機理，為研發抗糖尿病的中藥單體或者復方提供思路參考。