食源性晚期糖基化終末產物對人體的健康危害研究進展

龔 頻 ，裴舒亞，韓業雯，楊文娟，常相娜，陳福欣

（1.陜西科技大學食品與生物工程學院，陜西西安 710021；2.西安科技大學化學與化工學院，陜西西安 710021）

晚期糖基化終末產物（advanced glycation end products，AGEs）是還原糖與蛋白質、核酸和脂質等大分子在非酶條件下作用生成的不可逆的共價化合物。還原性糖的醛基或酮基通過與蛋白等大分子的游離氨基端反應形成不穩定的席夫堿結構，即糖基化胺；而席夫堿結構經過阿馬多里重排進一步形成酮胺，稱為阿馬多里產物；阿馬多里產物可與肽或蛋白質發生交聯等一系列反應最終形成穩定的不可逆晚期糖基化終產物。AGEs呈棕紅色，不易被酶破壞，可在人體內逐漸積累，與許多細胞膜特異性受體結合發揮生物學效應[1]。研究表明，AGEs在體內蓄積會引起一系列氧化應激等級聯反應和炎性反應從而加速人體的衰老和各種疾病的發生和發展。如糖尿病及其并發癥、阿爾茲海默病、腸道疾病、神經疾病、癌癥等[2]。本文就近年來國內外關于AGEs對人體健康的危害及分子機制研究進展做一綜述，以期對治療糖尿病等慢性疾病提供新的方向。

1 AGEs的分類及結構特點

AGEs在體內有兩個來源，一是體內過量的糖和蛋白質在體內合成AGEs；二是通過進食將食物中存在的AGEs攝入體內。故AGEs一般分為內源性AGEs和外源性AGEs。目前常見的AGEs有羧甲基賴氨酸（CML）、羧乙基賴氨酸（CEL）、戊糖苷素（pentosidine）、乙二醛-賴氨酸二聚體（GOLD）、吡咯素（pyrraline）等（如圖1所示）[2]。這些物質雖然結構不同，但都含有賴氨酸殘基。其中CML的分子式為 C8H16N2O4，CEL的分子式為 C9H18N2O4。而CML可以通過各種途徑形成，包括葡萄糖與氨基賴氨酸的縮合和阿馬多里產物的連續重排，后者經歷氧化并形成CML。另一個途徑是中間產物乙二醛（GO）和氨基賴氨酸之間的直接反應。因此CML常常被用來作為AGEs的測量指標。

圖1 幾種常見的AGEs[3]Fig.1 Examples of AGEs[3]

1.1 食源性AGEs生成途徑

食源性AGEs的生成是在烹飪和熱加工過程中遇到較高溫度（100～250 ℃）下形成的，同時食物生產處于一個開放的系統中，容易受到外部因素的影響，如氧氣和光線等。食品中AGE含量可能會根據季節、地點、保存方法的不同而不同。此外AGEs與食品中未知成分的相互作用也不清楚。Han等參考內源性CML的生成研究了食源性CML的形成途徑[4]。圖2為AGEs的幾種生成途徑[5]。

圖2 體內AGEs的生成途徑[5]Fig.2 AGEs production pathway in the body [5]

1.2 食源性AGEs來源及其毒性作用機制

外源性AGEs主要來源于食物和煙草[6]，而決定食物中AGEs水平高低的主要因素包括營養成分（蛋白質＞脂肪＞碳水化合物）、溫度和加熱時間、濕度、酸堿度和微量金屬的存在。研究發現大部分食品中如大米面條，肉制品及乳制品，果蔬和調料中都含有AGEs[2]。比較不同加工食品的工藝后發現，高溫烘烤和油炸的食品中AGEs含量較高，低溫和蒸煮的食品中AGEs含量較低。因此，可通過改變加工工藝，而不是食品原料的營養成分來制定健康的飲食也是一個值得研究的方向。

表1挑選了一些常見食品采用ELSA法測量其中的AGEs含量（以CML計）。根據表1數據，脂肪類食品的AGEs含量相對碳水類食品普遍較高。高脂肪類食品（如黃油、奶酪、蛋黃醬）可能是由于其提取工藝涉及加熱的過程，長期積累AGEs在其中[8]。碳水類食物中的水分含量往往較高，或者抗氧化劑和維生素含量較高，這可能會減少AGEs的形成。此外，在碳水類食品中，大多數多糖由非還原糖組成，不太可能導致AGEs的形成。在這碳水類食品中，每克食品中AGE含量最高的是干熱加工食品，如餅干、薯條和餅干。這可能是因為添加了黃油、油、奶酪、雞蛋和堅果等成分，在干熱加工過程中，這些成分加快了AGE的生成。雖然這些零食類食物的AGEs含量仍然遠遠低于肉類中的AGEs，但對于那些在一天中吃多種零食或作為快餐的人來說，它們可能是一個重要的健康危害[9]。根據表1中數據，比較發現加工的溫度比加工工藝對食品中AGEs含量影響更大。用中低火在平底鍋里煎雞蛋的AGEs含量大約是用高火煎的雞蛋的一半。水煮或清蒸雞肉的AGEs含量不到烤雞AGEs含量的四分之一。同時還有研究認為食品中MG含量與CML含量成正比，即可認為MG衍生成CML。根據Uribarri等[8]調查的關于紐約市地區健康成年人平均一天攝入AGEs含量為14700±680 kU/d，可以以此評估是否為低或高AGEs飲食。根據表1，可以看出經常食用炙烤食品，富含脂肪和深加工食品的飲食結構AGEs攝入量很容易超過20000 kU/d，相反的，素食類飲食結構或食用煮肉燉肉其AGEs攝入量僅為上述飲食結構的一半。因此，低AGEs飲食在臨床上值得關注，可通過降低AGEs攝入量降低各種疾病的發生。除了改變加工工藝，研究發現可通過酸性條件來降低AGEs生成，將牛肉浸泡在醋或檸檬酸中1 h，150 ℃烘烤15 min，其AGEs含量顯著下降[8]。但目前的飲食結構偏西方，關于中式飲食AGEs的研究較少，還需要進一步研究。

表1 AGEs在常見食品中的含量[7]Table 1 AGEs content in common food[7]

參考內源性AGEs的作用機制，食源性AGEs的誘發病理機制可以分為兩種方式。第一種為AGEs可以與蛋白質交聯，直接改變它們的結構，從而改變它們的性質和功能，引起疾病。研究發現AGEs可使細胞外基質蛋白失去其彈性和機械功能[10]。第二種為AGEs通過幾種受體和非受體介導的機制激活細胞內信號，導致活性氧和炎性細胞因子的產生增加，從而誘導疾病發生。常見的AGEs受體為RAGE，P60/OST-48蛋白（AGEs-R1）、80K-H磷酸蛋白（AGEs-R2）、半乳糖凝集素（AGEs-R3）等。其中RAGE為免疫球蛋白超家族的多配體受體，廣泛存在人體的各個組織中，可參與誘導炎癥反應，促進促炎細胞因子、生長因子和粘附分子表達的轉錄因子核因子-κB（NF-κB）的激活[11]。具體來說，RAGE 通過激活NADPH氧化酶增加氧化應激，從而刺激NF-κB 增加[12]。同時，AGEs-R1、AGEs-R2 或 AGEs-R3等表面受體，參與調節AGEs的內吞和清除[13]。

1.3 食源性AGEs在人體內的吸收、消化和排泄

食品中AGEs修飾的蛋白質可以滲透胃腸道粘蛋白層，進一步水解為雙肽和三肽被吸收。研究發現低分子量的AGEs（游離氨基酸和結合二肽和三肽的AGEs）可以通過簡單擴散或肽轉運蛋白被吸收，但交聯的低分子AGEs由于其對消化酶的抵抗力，很難被腸道吸收。除此之外，高分子量AGEs不能在上消化道消化，這是由于交聯和蛋白質聚集。通過大腸，作為糞便排泄或作為結腸微生物的發酵底物[14]。有研究表明，尿CML和糞便CML水平與AGEs攝入量有關[15]。但經細菌發酵后，氨基酸可能進一步形成有毒代謝物的底物。根據動力學研究估計，食源性AGEs攝入量為10%～30%，被腸道吸收并進入體內循環系統[16-17]。通過放射性標記AGEs發現最先累積的部位為腎臟和肝臟組織，同時AGEs可通過循環分布在全身各個部位[18-19]。18名健康志愿者食用椒鹽脆餅棒、咖啡或含一定量的MRPs（果糖賴氨酸、吡咯啉、戊糖苷等）的奶油，對其尿液中的MRPs進行分析，發現食用椒鹽脆餅棒和咖啡會導致尿樣中吡咯堿和戊糖苷含量增加。在椒鹽脆餅棒中存在的吡咯堿中，約有50%是從尿液中回收的。戊糖苷的回收率是從咖啡釀造中攝取的游離衍生物的60%[20]。研究發現通過對比健康大鼠和5/6腎切除大鼠，發現面包皮里的CEL、CML和戊糖苷可以被肝臟，腎臟和血漿吸收，然后經過尿液排出[21]。這些研究表明食品中AGEs會在體內積累，對人體造成危害。

2 AGEs對糖尿病及其并發癥的影響

2.1 AGEs對糖尿病的影響

糖尿病是一種因多種因素引起的以高血糖為特征的代謝性疾病。目前，我國糖尿病發病人數高達1.16億，位居世界第一，其中糖尿病年輕化的趨勢越來越明顯，這與食源性AGEs的積累有所聯系。許多研究表明AGEs參與糖尿病的形成。其中，糖尿病人中AGEs含量比非糖尿病人高，宋登華等[22]通過比較糖尿病認知功能障礙組和糖尿病非認知功能障礙組中的血清AGEs表達水平和MoCA評分，發現血清AGEs水平與MoCA評分之間呈負相關性關系，認為血清AGEs升高是T2DM患者發生認知功能障礙的一個重要危險因素。AGEs和AGEs受體（RAGE）結合后介導細胞內一系列信號通路的激活，產生應激氧化和炎癥反應，導致細胞代謝紊亂。同時細胞內AGEs的大量積累會破壞細胞內功能蛋白的正常生理功能，對細胞造成損傷，并引起其他并發癥的產生[23]。

2.2 AGEs對糖尿病腎病的影響

糖尿病腎病（DKD）是最為常見的糖尿病并發癥，AGEs在腎臟組織中積累促進DKD的形成。研究發現DM患者血清及組織中的AGEs水平明顯高于非DM人群，其中終末期腎衰竭（ESRD）患者AGEs含量約為非腎臟疾病人群的2倍[24]。AGEs參與疾病主要通過和RAGE結合激活相關的信號通路引起腎臟損傷。RAGE能夠在腎小管上皮細胞中表達，AGEs與RAGE結合引發氧化應激，產生大量的活性氧誘發細胞自噬，導致足細胞及腎小管上皮細胞自噬軸功能異常[25]，引起腎臟損傷。同時，AGEs引發細胞氧化應激（OS）與炎癥反應，導致腎臟損傷。用高AGEs飼料喂養小鼠發現小鼠體內超氧化物歧化酶（SOD）升高，腎臟組織受到損傷，表明AGEs可能刺激細胞OS發生[26]。章依峰等[27]研究發現血清AGEs表達水平與糖尿病腎病患者腎損傷的程度有關，通過比較不同級別CKD患者血清中AGEs含量，得出AGEs的含量與腎損傷程度成正比。除此之外，研究發現AGEs能通過活化mTOR阻礙TFEB核轉位，導致足細胞自噬障礙，引起腎臟病變[28]。AGEs也可能是通過引起腎小球系膜細胞和腎小管上皮細胞的表型轉化參與腎病的形成[29]。

2.3 AGEs對糖尿病視網膜病的影響

視網膜病的發病機制復雜，蘇爭宏等[30]通過研究糖尿病視網膜病變和糖尿病非視網膜病變患者中AGEs含量，比較晶狀體羧乙基賴氨酸、戊糖苷素、咪唑酮水平。發現AGEs與糖尿病視網膜病變密切相關，減少糖尿病患者的晶狀體AGEs對預防糖尿病眼部并發癥具有重要的臨床意義。Kowluru等[31]研究糖尿病大鼠視網膜，發現氧化應激水平較高，導致眼周圍細胞凋亡，而這種氧化應激與抗氧化劑酶超氧化物歧化酶活性呈負相關，使視網膜微血管受到損傷。AGEs除了通過增加血管通透性、氧化應激作用，促進周細胞的凋亡、新生血管生成，損傷血視網膜屏障、視網膜細胞，促使Muller膠質細胞功能紊亂，同時還與RAGE結合激活下游信號通路等途徑引起視網膜病變。楊潔等[32]發現糖尿病視網膜病變神經細胞凋亡與晚期糖化終產物受體基因374T/A多態性等位基因關聯較大，表明AGEs通過與RAGE結合導致視網膜神經細胞凋亡。

2.4 AGEs對糖尿病周圍神經病變的影響

在高糖環境下，體內AGEs可以通過影響炎癥信號通路、氧化應激、多元醇途徑等導致周圍神經病變[33]。AGEs的過度積累會導致神經微循環血管收縮，導致損傷神經組織的結構和功能。同時，AGEs和RAGE結合后激活的信號通路，導致神經組織缺氧造成神經元功能紊亂。研究證明AGEs與內皮細胞表面RAGE相互作用，使內皮一氧化氮合成酶（eNOS）絲氨酸殘基磷酸化反應減弱，導致eNOS的活性降低一氧化氮合成減少，而使微血管舒張功能障礙[34]。Kishore等[35]研究表明，AGEs和RAGE結合激活NF-κB通路，導致促炎基因表達，包括巨噬細胞和系膜細胞（IL-1β、IGF-1、TNF-α、TGF-β）表達細胞因子和生長因子，最終誘導神經元細胞凋亡。

2.5 AGEs對糖尿病心血管病的影響

研究表明，AGEs與心血管疾病的形成密切相聯。通過比較患有冠心病的糖尿病患者和不患有冠心病的糖尿病患者之間的血清AGEs，發現患有冠心病的糖尿病患者的血清AGEs的水平顯著升高，這表明AGEs的積累與心血管病的生成密切相關[36]。Obayashi等[37]在糖尿病患者的冠狀動脈粥樣硬化病變中檢測到AGEs，證明了AGEs可能導致糖尿病患者動脈粥樣硬化的產生。糖尿病患者血清AGEs水平升高會間接通過其血管效應（冠狀動脈功能障礙、動脈粥樣硬化和血栓形成）和直接通過對心肌的直接作用加速心力衰竭的發展和進展[38]。而在前者中，AGEs與內皮細胞、平滑肌細胞和單核細胞上的細胞表面受體（RAGE）結合，從而誘導廣泛的信號通路，觸發炎癥、動脈粥樣硬化形成和血管收縮，導致冠狀動脈功能障礙、動脈粥樣硬化和血栓形成[39]。研究發現AGEs-RAGE相互作用還可以激活NADPH氧化酶，產生活性氧（ROS），而ROS通過改變蛋白質、脂質和核酸的結構和功能，削弱細胞水平的興奮-收縮偶聯，進而導致心臟功能障礙[40]。后者通過與蛋白質進行交聯促進心血管疾病的形成，心肌和/或血管膠原與AGEs的交聯影響組織的機械性能，并導致血管彈性、心肌柔韌性的降低以及血管和心肌硬度的提高，導致舒張功能障礙。還有研究發現在糖尿病性心肌病中，AGEs會引起RyR功能障礙，導致Ga2+平衡紊亂，進而導致心臟收縮能力降低，AGEs對SERCA的損害也會導致心臟舒張功能障礙[41-42]。但還有研究發現低劑量的AGEs可能對機體有保護作用，用含AGEs的面包皮作用小鼠的心臟成纖維細胞，發現當面包皮含量到30 mg/mL時，細胞活力不受影響。這可能是作用時間短，劑量低或者食源性AGEs和內源性AGEs結構不同，但具體起保護作用的結構式還有待研究[43]。

3 AGEs對神經退行性疾病的影響

研究表明，AGEs對神經退行性疾病（如阿爾茨海默病、帕金森病和其他不太常見的疾病，如皮克病、朊病毒病和肌萎縮性側索硬化）的產生有影響，發現AGEs在目標組織中具有顯著病理學特征的區域（如阿爾茨海默病的海馬區、帕金森病的黑質和肌萎縮側索硬化的腹側脊髓）中積累[44]。其中過量的AGEs會導致神經受損，引起認知功能障礙。常見的認知功能障礙表現為海馬突觸可塑性受損，通過鏈脲佐菌素誘導小鼠糖尿病，檢驗RAGE信號對小鼠海馬體的關系，發現高血糖小鼠海馬區的AMPA受體功能障礙需要RAGE信號，證明AGEs參與認知功能障礙的形成[45]。Choi等[46]在阿爾茨海默病轉基因小鼠模型的星形膠質細胞中發現RAGE通過星形細胞炎癥導致認知功能障礙。Gasparotto等[47]研究發現，阻斷海馬體中的RAGE可以抑制長期的認知功能障礙。除此之外，研究發現乙二醛在神經退行性疾病中的潛在影響。在小鼠模型中的實驗證據表明，乙二醛酶I在P301L轉基因小鼠的顳葉皮層錐體神經元中過度表達[48]。同時研究表明糖化能促進神經毒性的發生，β-淀粉樣蛋白（Ab）能夠糖基化產生AGEs，而AGEs與RAGE結合激活GSK-3來增加Ab的毒性，導致神經損傷，加快阿爾茲海默病的形成[49]。

4 AGEs對肺癌的影響

用高AGE的乳酸菌飲料（5400 U/mL）喂養小鼠發現可增加肝臟表達因子VEGF的表達[50]。研究表明，AGEs與配體結合后可激活細胞內多條信號通路，引起炎癥反應增強，導致組織重塑，從而引發多種肺部疾病的病理生理改變。而在Ⅰ型肺泡上皮細胞基底膜上發現RAGE表達，因此RAGE可被認為是Ⅰ型肺泡上皮細胞的特異性標志物[51]。研究發現在哺乳動物中，肺的基礎RAGE表達水平最高，肺的生理性RAGE可能與AT-1細胞的粘附和擴散以及肺穩態的維持有關[52]。許多研究表明，肺癌的形成主要是由于自由基產生炎癥反應[53-54]。研究表明CML和戊糖苷可與RAGE的結合，對兩種非小細胞肺癌細胞系A549和CALU-6有增殖、侵襲和轉移的影響[55]。這是由于A549和CALU-6產生了轉化生長因子β（TGF-β），這表明CML和戊糖苷參與了腫瘤細胞的發生和發展，進一步促進了ROS和炎性細胞因子的產生。ROS的異常產生可能上調NF-κB和MAPK通路基因的表達。MAPK又激活NF-κB的表達。從而調節A549和CALU-6細胞中細胞間黏附分子-1、RAGE和基質金屬蛋白酶-2（MMP-2）的表達。在長期的氧化應激條件下，細胞內ROS的產生激活了RACI介導的NF-κB信號，從而通過激活基質金屬蛋白酶增強腫瘤細胞的侵襲能力[56-57]。研究表明RAGE可通過激活NF-κB，導致炎癥途徑激活，誘導細胞因子分泌，導致腫瘤微環境中淋巴和髓系免疫細胞數量增加，ROS產生增加，炎癥反應導致肺損傷[58]。可通過對這些機制通路的阻斷，來抑制肺癌的形成，這對臨床治療肺癌具有重大意義。

5 AGEs對腸道疾病的影響

目前已有研究表明，AGEs在人體內腸道組織中表達。Ling等[59]研究發現AGEs在正常和糖尿病大鼠胃及小腸的上皮細胞有表達。在腸道中食源性AGEs可能會改變腸道菌群，俞佼等[60]通過比較不同膳食結構喂養的小鼠的腸道菌群結構，發現攝入過量AGEs使腸道菌群群落豐富度降低，腸道菌群組成發生改變，使入血的內毒素增多，導致血糖升高和胰島素抵抗。周文君等[61]研究發現AGEs干預腸道L細胞后，AGEs濃度與GLP-1分泌水平呈負相關，與炎癥因子（TNF-α、IL-1、IL-6）分泌水平呈正相關，表明AGEs與RAGE結合后激活NADPH/p38 MAPK/NF-κB信號通路可能導致腸道細胞炎癥損傷。其原因是AGEs氧化激活p38MAPK后活化NF-κB，促進炎癥，從而導致細胞GLP-1分泌水平下降。

6 AGEs的控制以及預防方式

綜上所述，AGEs能夠對機體造成一系列的損傷，誘導慢性疾病的發生（表2），因此，如何控制AGEs對人體的危害值得關注。目前已知可以通過以下幾種方法達到此目的：a.ACEs人工合成抑制劑：氨基胍作為一種合成化合物，常用來臨床治療糖尿病等慢性疾病。研究表明氨基胍可有效減少AGEs的形成，通過與糖基化中間產物發生反應，與羰基作用生成不活躍物質，抑制AGEs的生成[1]；b.天然抑制劑：主要來源于藥用和食用植物的多酚（酚酸類、黃酮類和芪類），已有研究表明綠原酸對AGEs的形成具有抑制作用，其主要作用于阿馬多里產物向糖基化終產物轉換的階段，可達到標準抗糖基化氨基胍劑的效果[62]。姜黃素作為一種天然多酚類物質，具有抗氧化，抗炎癥的功效，對糖尿病等慢性疾病有治療功效，姜黃素可通過兩種方式抑制AGEs的積累：對丙酮醛（MGO）的清除能力和抗氧化能力[63]。前者由于MGO為AGEs的中間產物，可衍生形成AGEs,姜黃素可直接清除非細胞體系和人血管內皮細胞中的MGO抑制AGEs的形成。后者由于自由基可以促進糖化過程，姜黃素通過抗氧化即清除自由基來抑制AGEs的形成；c.RAGE阻斷劑：目前發現esRAGE可造成與RAGE相反的作用，但具體機制并不清楚。研究發現esRAGE可消除AGEs對培養細胞的影響，并且在小鼠中過表達esRAGE可以逆轉糖尿病血管功能障礙，表明esRAGE可能在機體中起到誘騙作用：已經提出了一種反饋機制，通過該機制，esRAGE可以阻止RAGE信號。除此之外還有可溶性RAGE（sRAGE）也可對RAGE起到阻斷作用，抑制AGEs與RAGE的過度結合及其隨后的炎癥反應[64-65]。

表2 AGEs對人體的毒害及作用機制Table 2 AGEs toxicity to human body and mechanism of action

除此之外還可以通過以下手段：a.飲食控制：食源性AGEs的積累來源于食物，因此對食物中AGEs含量的控制至關重要。Jaime等[66]總結了臨床低AGEs飲食治療糖尿病和非糖尿病人群的相關研究，發現低AGEs飲食可以降低糖尿病人氧化水平、sAGEs水平和炎癥反應。對于健康人群低AGEs飲食可以降低sAGEs水平，但不改變內皮功能和炎癥。研究發現低AGEs的飲食可以降低胰島素的敏感度。同時研究發現將一組糖尿病腎病患者用司維拉姆治療再現了低AGEs飲食治療的結果，患者體內的AGEs和炎癥標志物明顯降低[67]；b.運動：運動可以調節體內血糖血脂，常被用來輔助糖尿病等慢性病的治療。研究表明對老年受試者進行6個月的體力活動干預后，受試者的BMI和sRAGE顯著降低。同時研究表明在12個月內，每周進行2次太極運動，可以降低超重人群的血清AGEs的濃度[68]。

7 結論

AGEs對人體的健康有很大的影響，AGEs參與了糖尿病及其并發癥等多種疾病的形成，目前對于AGEs參與疾病的分子機制還并不完全清楚，對AGEs與RAGE結合激活的不同信號通路基因進行上調和下調，尋找新的治療手段，進一步研究給臨床治療提供新的方向，同時以AGEs為新的靶點，開發天然AGEs抑制劑，通過抑制AGEs的過度積累來阻礙疾病的形成，對人體的健康起到積極的指導作用。