黃芩苷治療糖尿病及其并發癥的研究進展

馬光宇,羅慧娟,王冬菊,肖小敏

(暨南大學附屬第一醫院 婦產科,廣東 廣州 510000)

糖尿病是以高血糖為特征的代謝性疾病。2019年,全球糖尿病患病率約為9.3%(4.63億),2030年將升至10.2%(5.78億),2045年將升至10.9%(7億)[1]。糖尿病慢性并發癥是其患者死亡的主要原因,高血糖常會誘發腎臟、視網膜及神經等微血管病變,預防并發癥發生對糖尿病患者至關重要。高血糖介導的氧化應激、晚期糖基化終產物增加、二酰甘油-蛋白激酶C通路的激活、多元醇和己糖胺途徑通路量增加等途徑導致糖尿病并發癥發生[2]。目前,控制血糖主要依靠藥物,而對于糖尿病并發癥,尚未開發有效預防或治療方法。黃芩苷可通過抗氧化、糾正糖代謝異常、恢復胰島β細胞功能、逆轉胰島素抵抗(insulin resistance,IR)、增強自噬及抗炎等多途徑治療糖尿病及其并發癥。

1 黃芩苷的研究現狀

1.1簡介 黃芩作為傳統中藥,已被廣泛應用于腹瀉、痢疾、高血壓、出血、失眠、炎癥及感染的治療[3]。黃芩苷是從黃芩中提取出來的類黃酮化合物,有抗腫瘤、抗菌及抗氧化等作用[4]。黃芩苷在腎臟組織中分布濃度較高[5],這可能是其多用于治療糖尿病腎臟疾病(diabetic nephropathy,DN)的主要原因之一。黃芩苷作為糖苷酮,極性極大,不易被腸道吸收,通過腸道細菌β-葡萄糖醛酸酶(β-glucuronidase,β-G)介導作用下轉化為親脂性黃芩素,之后進入體內經小腸或肝臟尿苷二磷酸葡萄糖醛酸轉移酶再轉化為黃芩苷而發揮藥理作用,這一過程提高了黃芩苷在胃腸道各節段中的吸收率[6]。見圖1。

圖1 黃芩苷的分子式

1.2藥代動力學 黃芩苷已被證明有治療糖尿病的作用。在糖尿病模型中,黃芩苷藥代動力學非常特殊。黃芩苷腸道吸收主要通過腸道細菌β-G作用。Deng等[7]研究黃芩提取物在2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)大鼠糞便懸浮液與正常大鼠糞便懸浮液中孵育產生黃芩素的情況,結果發現,T2DM大鼠糞便懸浮液中產生的黃芩素是對照組的1.40倍。當黃芩提取物在人工腸液中孵育時,未檢測到黃芩素。同時發現,與正常大鼠相比,T2DM大鼠腸道中β-G活性升高,是正常大鼠的2.03倍,同時血漿黃芩苷濃度升高。糖尿病狀態下腸道β-G活性增加,會極大增加黃芩苷的吸收率,以及血藥濃度與生物利用度,對糖尿病治療效果顯著增加。

2 黃芩苷對糖代謝的調節作用

黃芩苷可降低空腹血糖和胰島素水平,增加糖異生,改善IR[8-11]。胰島素的刺激,可促進骨骼肌攝取葡萄糖,葡萄糖轉運體4(glucose transporter type 4,GLUT4)在維持血糖過程中起重要作用[12]。胰島素信號通路中,受體酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase,RTK)活性和受體介導的胰島素受體底物(insulin receptor substrate,IRS)磷酸化降低,會阻礙下游的磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K/ protein kinase B,PI3K/Akt)介導IR并導致T2DM,同時,引起GLUT4易位障礙[13]。黃芩苷可上調IRS-1磷酸化,介導GLUT4易位,進而加快骨骼肌細胞葡萄糖攝取,阻斷脂肪酸合成,提高胰島素敏感性(insulin sensitivity,IS)降低血糖[14]。同時,黃芩苷可激活肌管中Akt/AS160/GLUT4通路,觸發更多GLUT4易位和葡萄糖攝取,協同對抗高血糖[15]。黃芩苷也可保護胰腺β細胞功能和抗凋亡,促進胰島素分泌和生成[16]。

3 黃芩苷治療糖尿病并發癥機制

3.1黃芩苷在糖尿病腎臟疾病中的應用 DN是引起終末期腎臟疾病(end-stage renal disease,ESDR)的常見原因,較其他并發癥有較高的致死率。DN病理學改變包括腎小球基底膜(glomerular basement membrane,GBM)增厚、腎小球系膜擴張、結節性腎小球硬化和腎小管間質纖維化等。近年來,黃芩苷治療DN的潛力逐漸被發現。黃芩苷可降低尿白蛋白、β2-微球蛋白(β2 microglobulin,β2-MG)和尿白蛋白排泄率(urinary albumin excretion rates,UAER)水平,改善腎臟功能,且黃芩苷腎臟分布濃度高的特點也有利于產生療效[5,17]。

3.1.1黃芩苷的抗氧化損傷作用 氧化應激會引起內皮修復和生成障礙,是導致糖尿病血管并發癥的主要因素[18],因此,保護細胞免于氧化應激是治療糖尿病及其并發癥的主要方法。核因子E2相關因子2(nuclear factor NF-E2-related factor 2,Nrf2)是細胞應對氧化應激的重要防御機制,其通過調節細胞內的抗氧化劑,抵消由活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)產生引起的損傷,促進細胞存活并維持細胞穩態[19]。高糖降低了磷酯酰肌醇-3-激酶(phosphoinositide 3-kinase,PI3K)、Akt和糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase 3β,GSK-3β)磷酸化,抑制Nrf2的核定位,使其下游抗氧化劑靶基因鈍化,誘導氧化應激。黃芩苷可通過AKT/GSK3β/Fyn介導Nrf2激活,增加抗氧化劑基因表達,保護血管細胞免于損傷,對抗ROS,發揮血管保護作用[20]。黃芩苷也可提高抗氧化酶活性,減少高血糖引起的氧化應激[21]。此外,γ-氨基丁酸A型(gamma-aminobutyric acid type A,GABAA)是重要的氯離子通道,對ROS敏感,黃芩苷可通過對GABAA的作用抑制向外整流的氯離子以對抗ROS,實現抗氧化的作用[22]。

醛糖還原酶(aldose reductase,AR)是對糖尿病慢性并發癥至關重要的酶,AR通過產生過多的超氧化物與多元醇途徑的其他氧化應激介質來促進糖尿病并發癥發生[23]。高糖可過度激活AR,激活多元醇旁路途徑,還原大量山梨糖醇,并在細胞蓄積。山梨糖醇有非常強的極性,很難穿過細胞膜,從而引起腎小球和腎小管結構損害,構成腎臟損害[24],通常使用AR抑制劑起到保護腎臟的目的。研究[25]表明,DN患者服用黃芩苷后AR活性降低,細胞高通透和氧化應激減少,改善腎功能。此外,黃芩苷來源廣泛,且尚未發現明顯不良反應,因此更適合DN患者。

3.1.2黃芩苷的抗炎作用 正常非激活狀態下,核轉錄因子κB(nuclear factor κB,NF-κB)與抑制蛋白(inhibitor of NF-κB,IκB)結合,當細胞受到刺激時,IκB激酶被激活,IκB被磷酸化降解,NF-κB被釋放,轉移到細胞核中,并與特定的靶基因結合,從而啟動靶基因轉錄,進一步誘發急性炎癥[26]。高糖會促進NF-κB激活,激活靶基因,使促炎性細胞因子,如白介素-6(interleukin-6,IL-6),單核細胞趨化蛋白-1(monocyte chemotactic protein 1,MCP-1)和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor α,TNF-α)等大量釋放,誘發急性炎癥[27]。黃芩苷可降低NF-κB活化,降低炎性因子產生[22]。NF-κB作為重要的炎癥因子,NF-κB的激活在DN發生發展中起中心作用。黃芩苷通過下調NF-κB的表達防止出現局部組織發炎并導致組織壞死,從而達到保護腎臟的目[28]。TGF-β1作為NF-κB誘導靶基因的產物,可介導腎臟纖維化,黃芩苷降低炎癥的同時也抑制了纖維化[29-30]。

3.1.3黃芩苷的抗纖維化作用 T2DM和DN患者導致轉化生長因子β1(transforming growth factor-β,TGF-β1)水平升高[31]。TGF-β1是DN纖維化的主要介質,腎臟纖維化是導致ESDR的不可逆過程。高糖可誘導近端腎小管、腎小球上皮細胞和系膜細胞中TGF-β1表達,TGF-β1與受體結合觸發Smad2/3磷酸化,并與Smad4結合形成復合物,調節靶基因的轉錄,引起腎小球系膜細胞肥大和細胞外基質蓄積,最終導致腎小球硬化與間質纖維化,且TGF-β1也在尿排泄白蛋白、水、電解質和葡萄糖中發揮病理生理作用[32-33]。黃芩苷可降低TGF-β1表達水平,抑制大鼠腎臟組織中Smad2/3的磷酸化,改善腎臟纖維化,治療DN[17,26]。可見,TGF-β/Smad是黃芩苷預防腎臟纖維化以治療DN的重要通路之一。

3.1.4黃芩苷對抗血管增生的作用 實驗[17]發現,黃芩苷可降低DN患者血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)水平,降低腎血管通透性,改善腎功能,保護腎臟。研究[34]顯示,DN患者血清中VEGF升高,血清VEGF可作為糖尿病腎臟損傷程度的重要指標。VEGF可使小球基底膜通透性增加,刺激血管內皮細胞增生和新血管生成,增加血管通透性,改變腎臟血液動力學,引起腎小球損傷和腎間質損傷[35]。

3.1.5黃芩苷增強自噬的作用 自噬是通過溶酶體降解細胞質成分的進化上高度保守的代謝途徑,在不同應激狀態下被激活,對于去除細胞中的蛋白質聚集體、錯疊的蛋白質、代謝廢物及病原體等至關重要[36]。高糖可通過增加p62的表達,降低GATA結合蛋白4(GATA-binding protein4 ,GATA4)及GATA5的表達,抑制細胞自噬[37]。黃芩苷可增加p62的泛素,升高LC3-II/LC3-I和Beclin1,加速自噬通量,促進自噬,促進清除受損的細胞器,減輕高血糖誘導的胚胎心血管畸形[22]。腎臟足細胞在高糖下自噬不足,自噬受損的問題可能與DN的發病機制有關[38]。且自噬增加也可抑制VEGF表達,減少新血管生成,對DN有影響[39]。但目前并無黃芩苷通過調節自噬對DN產生益處的報道,其是否可調節足細胞自噬也未知。

3.1.6黃芩苷調節腸道菌群的作用 在1項T2DM患者腸道菌群組成變化的研究[40]發現,與對照組比較,T2DM組腸道菌群出現嚴重失衡。黃芩苷可調節腸道菌群,通過產生更多短鏈脂肪酸,長期減輕小鼠體重和降低脂肪,控制血糖,改善糖代謝異常,緩解和治療T2DM癥狀;同時,有研究[41-42]還發現,擬桿菌門的嗜黏蛋白阿克曼氏菌增加,該菌與胰島自身免疫有關,其能降低血清脂肪酶(lipase,LPS)水平及胰島Toll樣受體(toll-like receptors,TLR)表達,調節機體免疫,延緩糖尿病發展。有研究[43]表明,短鏈脂肪酸水平升高可減輕腎臟炎癥和纖維化對DN患者產生有益作用。因此,黃芩苷也可能對DN的治療產生有益作用。黃芩苷可通過多種途徑影響腸道微生態,為其治療糖尿病提供了嶄新的視角。

3.2黃芩苷在糖尿病視網膜病變(diabetic retinopathy,DR)中的應用 黃芩苷經胃內給藥后,可穿透血眼屏障進入晶狀體,服藥后0.9h藥物濃度快速達峰值[44]。這一特點或許可用于治療DR。DR是高血糖引起視網膜小血管正常功能喪失和神經元與視網膜色素上皮細胞損傷,從而引起眼底病變及失明[45]。視力喪失常見的原因是糖尿病黃斑水腫(diabetic macular edema,DME),但也可能是增生性糖尿病視網膜病變(proliferative diabetic retinopathy,PDR)并發癥的結果。

VEGF作為DR發病機制中的關鍵介質,在其發病中起重要作用,亦在DR新血管形成過程中起關鍵作用。VEGF激活酪氨酸激酶VEGF受體(VEGF receptor1,VEGFR-1)和VEGFR-2可調節生理病理性血管生成[46]。VEGFR-2激活被認為是DR病理性增殖和微血管通透性的主要原因,VEGFR-2激活刺激視網膜血管內皮細胞增殖、新血管生成和微血管通透性增加,導致視網膜屏障(blood-retinal barrier,BRB)破裂出血引發DME[47-49]。黃芩苷可降低病變視網膜VEGF的表達,在體內抑制視網膜新血管形成[50]。黃芩苷除下調VEGF外,還通過抑制視網膜阻斷腎素和血管緊張素轉化酶(angiotensin I-converting enzyme,ACE)來抑制管緊張素(angiotensin,Ang)[50-51]。大量研究[52-53]表明,糖尿病患者視網膜中Ang II水平升高可能在導致DR的神經血管損傷中起主要作用,視網膜血管生成由VEGFR-2、VEGF和血管生成素相互作用介導。此外,黃芩苷還抑制視網膜中基質金屬蛋白酶2(metalloproteinase-2,MMP-2)和MMP-9的表達[51]。以上結果表明,黃芩苷的抗血管生成作用是通過多種機制發生的。

氧化應激和炎癥反應也被認為DR發病的關鍵因素[54-55]。近年來,miRNA在DR中的作用逐漸被發現,如過表達microRNA-146a可保護視網膜內皮細胞(retinal endothelial cells,RECs)免受HG誘導的促炎反應[56]。同時,microRNA-145在HG處理的視網膜內皮細胞(retinal endothelial cells,RECs)中被下調,且microRNA-145的過度表達減輕了氧化應激和炎癥,研究[57]證實,microRNA-145可能在DR中發揮抗氧化和抗炎作用。此外,黃芩苷通過上調microRNA-145,阻斷NF-κB和p38MAPK信號通路,抑制炎癥和凋亡,對高糖誘導的RECs起保護作用[58]。

3.3黃芩苷在糖尿病神經病變中的應用 糖尿病對中樞神經系統有一定破壞性,糖尿病相關性認知缺陷(diabetes related cognitive dysfunction,DACD)是中樞神經系統的常見并發癥[59]。糖尿病患阿爾茨海默癥的幾率是正常人的2倍[60]。黃芩苷可通過血腦屏障(blood-brain barrier,BBB),且更傾向于在紋狀體、丘腦和海馬中蓄積[61]。這一藥理特性證明了其治療DACD的可能。黃芩苷可通過調節絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)級聯,提高腦源性神經影響因子 (brain derived neurotrophic factor,BDNF)水平,同時也增加海馬乙酰膽堿酯酶(acetylcholinesterase,AChE)活性,降低膽堿乙酰轉移酶(choline acetyltransferase,CHAT)活性[62]。MAPK是突觸可塑性和長期記憶的關鍵調節因子,對糖尿病大鼠大腦產生保護作用[63]。據報道[64-65],糖尿病大鼠模型海馬BDNF水平降低可導致嚴重的認知功能障礙,提高BDNF可減輕患輕度認知障礙的風險。AChE和CHAT也被認為是膽堿功能障礙的2個特定標志物,在糖尿病引起認知缺陷的發病機制中有關鍵作用[64]。可見,黃芩苷可對大腦起保護作用,通過多機制增加糖尿病患者的認知能力。

4 黃芩苷在妊娠期糖尿病中的應用

妊娠合并糖尿病(gestational diabetes mellitus,GDM)短期內可造成胎兒心臟畸形、巨大兒、流產、早產及產后低血糖等,肥胖率增加及患心臟疾病的長期風險更難以預測。目前,針對GDM的藥物主要是胰島素及口服降糖藥物,如二甲雙胍和格列本脲,越來越多的證據[66]表明,其可能會造成胎兒長期不良結局。高血糖直接影響胎兒心血管發育。動物實驗[22]表明,黃芩苷可通過胎盤,保護胎兒心血管,避免高糖所致的血管損害。Zhang等[67]給糖尿病Wistar大鼠飼喂黃芩苷,結果發現,黃芩苷組24 h食物攝入、空腹胰島素、甘油三酯和細胞凋亡水平降低,說明黃芩苷可預防糖尿病誘導的心肌細胞凋亡。

5 小結與展望

黃芩苷有抗氧化損傷、抗纖維化、抗炎及抗血管增生等作用,能從多機制、多器官、多靶點整體改善糖尿病及其并發癥,為該病防治與治療提供新思路。黃芩苷提取自黃芩,較其他藥物機體毒性較小,但由于治療GDM相關研究較少,且均為動物實驗,在糖尿病患者中的療效還需進一步證實。