環烯醚萜苷類化合物治療2型糖尿病及并發癥機制研究概述

張月穎 張珊 布天杰 溫志歌 倪青

近年來伴隨著對植物藥物降糖作用機制研究的逐漸深入,作為中藥主要作用成分之一的萜類化合物成為研究熱點。環烯醚萜屬于單萜類化合物,主要結構類型有環烯醚萜苷類、裂環環烯醚萜和環烯醚萜酯,臨床可發揮糖脂代謝的調節、神經系統的保護、抗腫瘤和保肝等生物活性作用[1]。環烯醚萜苷常見有梓醇、京尼平苷、梔子苷及馬錢苷等,研究證實其具有降低糖尿病模型大鼠血糖血脂水平并且發揮抗炎抗氧化活性等作用[2],在2型糖尿病的治療中得以廣泛應用。

環烯醚萜苷廣泛存在于玄參科、茜草科、馬鞭草科以及龍膽科等雙子葉藥用植物中,常見于山茱萸、生地、玄參、女貞子、胡黃連、梔子和龍膽草等藥物中,歸納其功效可分為養陰清熱、補腎填精、清熱解毒等。藥理研究證實具有養陰清熱功效的中藥,如生地、玄參和女貞子等,其活性成分具有降血糖作用[3-4],此類中藥共同富含的活性成分之一即為環烯醚萜苷。這些中藥的降糖藥理作用可概括為以下幾個方面:減少肝糖輸出、延緩腸道對葡萄糖的吸收、改善脂類代謝、減輕胰島素抵抗以及促進胰島素分泌等[5-11],此外其在糖尿病并發癥的治療中也受到極大關注。筆者查閱相關文獻,從治療2型糖尿病及并發癥方面對環烯醚萜苷研究進展進行如下概述。

1 環烯醚萜苷可以改善胰島素抵抗

胰島素抵抗是2型糖尿病發生發展的中心環節,改善胰島素抵抗是治療2型糖尿病的主要治法之一。研究證實環烯醚萜苷類化合物可以減輕2型糖尿病胰島素抵抗,增加肝臟、肌肉以及脂肪組織對胰島素的敏感性,并在改善脂質分布中發揮積極作用[12-13]。

1.1 對肝臟胰島素抵抗的作用

肝臟作為葡萄糖代謝重要器官之一,肝胰島素抵抗表現為胰島素作用于肝臟的受體及代謝通路發生障礙,進而導致肝臟利用葡萄糖能力下降,肝糖合成減少,血糖升高。在肝臟內,磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol3-kinase/protein kinase B, PI3K/Akt)通路是肝臟胰島素信號傳導主要通路,肝胰島素代謝通路障礙導致肝糖異生增加,血糖升高。環烯醚萜苷類通過作用于胰島素信號通路蛋白的表達進而阻止肝糖異生且可增加糖原合成,進而改善葡萄糖代謝。

Yan J等[14]在氨基葡萄糖誘導的人肝癌細胞研究中證實了梓醇可改善煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase 4, NOX4)介導的氧化應激并激活肝臟AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK),進而阻止了糖異生,增加了糖原合成。在經由PI3K抑制劑LY294002預處理之后,阻礙了梓醇的上述作用,這說明梓醇可能通過AMPK/NOX4/PI3K通路改善肝胰島素代謝,進而降低外周血糖。

此外,胰島素可通過影響肝臟酶的磷酸化修飾狀態來調節糖異生作用。磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase,PEPCK)和葡萄糖-6-磷酸酶(glucose-6-phosphatase, G6Pase)是糖異生過程中兩種重要的限速酶,去乙酰化插頭框蛋白-1(Forkhead box O1, FoxO1)是G6Pase和PEPCK的關鍵轉錄因子,在細胞核中作用于PEPCK和G6Pase的啟動子,從而加強轉錄過程,促進肝臟中葡萄糖的生成。FoxO1被激活異位后,PEPCK和G6Pase的表達下降,從而抑制肝糖異生[15]。當發生胰島素抵抗時,胰島素對限速酶的作用減弱,PEPCK和G6Pase的活性增強,肝糖異生水平增加,血糖控制不佳。

Guo L等[16]在高糖處理的HepG2細胞研究中,發現京尼平苷可以刺激AMPK和FoxO1磷酸化,導致PEPCK和G6Pase的酶活性受到顯著抑制,證實京尼平苷可基于AMPK-FoxO1信號通路激活AMPK的表達,以劑量依賴的方式抑制PEPCK和G6Pase的酶活性進而抑制肝糖異生。申美玉等[17]在探討梓醇調控miR-143-3p干預Th17糖酵解和細胞分化的機制實驗中證實了梓醇可以促進PI3K/Akt/葡萄糖轉運蛋白2(glucose transporter type 2,GLUT-2)信號通路蛋白表達并抑制肝臟PEPCK和G6Pase的表達。

綜上,梓醇、梔子苷等環烯醚萜苷可通過影響肝胰島素代謝通路蛋白表達以及肝糖異生限速酶活性進而起到改善肝胰島素抵抗的作用。

1.2 對肌肉胰島素抵抗的作用

肌肉是除了大腦以外消耗葡萄糖較多的器官,一旦肌細胞出現胰島素抵抗,血漿葡萄糖就很難被消耗。肌細胞胰島素代謝同樣依賴PI3K/Akt通路,在肌肉組織中胰島素抵抗是由于“近端”信號通路發生障礙,并將其定義為可以激活Akt活性的中間體[18]。肌細胞出現胰島素抵抗后,會消耗身體的肌糖原儲備和自身的肌肉組織,因此在治療過程中除了增加肌細胞對胰島素的敏感性以外還應注重生肌調節因子的表達和肌細胞的生成。

XU D等[19]檢測了梓醇在db/db小鼠和成肌細胞C2C12中的降血糖機制,研究發現梓醇改善了胰島素代謝PI3K/Akt通路,增強了成肌細胞對葡萄糖的攝取,與二甲雙胍作用機制不同,梓醇對PI3K/Akt信號通路的激活依賴于增加的生肌決定因子(myogenic differentiation antigen, MyoD)、肌細胞生成素(myoglobin,MyoG) 和肌球蛋白重鏈(myosin heavy chain, MHC)的表達,對于肌肉的生成和維持也發揮著重要作用。

此外,共激活因子1α(PPARγ coactivator-1α,PGC-1α)是與能量代謝關系密切的轉錄輔助活化因子之一,在線粒體合成、骨骼肌纖維類型轉化等過程中發揮重要作用。骨骼肌的代謝適應性與線粒體密切相關,AMPK的活化可以誘導激活PGC-1α和線粒體的生物發生,其中包括線粒體轉錄因子A(transcription factor A, mitochondrial, TFAM)、過氧化物激活受體γ(peroxisome proliferator activated receptor γ, PPARγ)和PGC-1α蛋白表達的增加[20]。

Xu DQ等[21]在高糖高脂對肌細胞影響的研究中發現梓醇可通過增加骨骼肌MyoD/MyoG/MHC的表達誘導肌生成,并通過線粒體依賴性蛋白酶途徑AMPK/PGC-1α/PPAR-γ和增強TFAM信號改善了線粒體功能,以此證實了梓醇可通過影響肌細胞線粒體生物發生來增強肌細胞代謝。

1.3 對脂肪胰島素抵抗的作用

脂肪組織胰島素抵抗的發生往往早于肝臟和骨骼肌,蛋白酪氨酸磷酸酶1B(protein tyrosine phosphatase-1 B, PTP1B)是一種非跨膜蛋白酪氨酸磷酸水解酶,與蛋白絡氨酸激酶(protein tyrosine kinase, PTK)共同維持著酪氨酸蛋白磷酸化的平衡,參與細胞信號轉導。脂肪細胞胰島素受體蛋白為葡萄糖轉運蛋白4(glucose transporter type 4, GLUT-4),GLUT-4向質膜移位受損被認為是導致脂肪細胞胰島素抵抗和2型糖尿病的最早缺陷之一[22],PTP1B廣泛存在于脂肪細胞上,PTP1B過表達會引起GLUT-4上的酪氨酸殘基去磷酸化,從而導致其向質膜移位障礙,減少胰島素介導的葡萄糖攝取。

Lee B等[23]通過研究生地黃中環烯醚萜苷化合物對3T3-L1脂肪細胞中的葡萄糖攝取的作用,發現環烯醚萜苷可通過PI3K/Akt通路提高GLUT-4表達水平,抑制PTP1B的表達進而改善GLUT4易位和胰島素信號激活,進而可提高脂肪細胞的胰島素敏感性。此外,Liu ZH等[24]在地塞米松處理的3T3-L1脂肪細胞的葡萄糖攝取研究中報道了環烯醚萜苷可以通過激活PI3K/Akt信號通路,上調GLUT4蛋白的表達,進而促進了脂肪細胞對葡萄糖的攝取利用。其團隊還研究了環烯醚萜苷之一的敗醬草苷通過上調胰島素受體磷酸化水平激活PI3K/Akt信號軸,導致PI3K在磷酸化Akt之前激活,最終導致GLUT4易位,改善了葡萄糖轉運能力[25]。以此證實,環烯醚萜苷能夠改善脂肪細胞胰島素抵抗,促進脂肪細胞對葡萄糖的吸收利用,其作用機制可能與調節PI3K/Akt/GLUT4胰島素代謝通路有關。

2 環烯醚萜苷可以促進胰島素分泌

胰島β細胞功能障礙導致β細胞分泌胰島素絕對不足是糖尿病后期血糖控制不佳的直接原因。進食后血糖升高刺激胰島β細胞分泌胰島素,由腸道L細胞分泌的促胰高血糖素樣肽1(glucagon-like peptide-1, GLP-1)其主要生物作用包括刺激β細胞葡萄糖介導的胰島素合成與分泌,對β細胞增殖與凋亡有重要影響。

2.1 抑制β細胞中質子載體表達

解耦聯蛋白2(uncoupling protein 2, UCP2)是位于線粒體內膜的一種質子載體,在高糖高脂等信號的作用下,可將線粒體內膜外質子轉運至內膜內,從而改變線粒體跨膜電位。β細胞葡萄糖刺激的胰島素分泌能力及線粒體內活性氧簇(reactive oxygen species, ROS)水平依賴于線粒體跨膜電位的變化,因此可被UCP2調節。UCP2負向調節胰島素分泌,UCP2缺陷(通過基因敲除)可改善高葡萄糖誘導的β細胞功能障礙[26-27]。

Zhang CY[28]等在京尼平苷對ob/ob小鼠血糖代謝及胰島功能研究實驗中,發現京尼平苷在胰島細胞中可通過快速抑制UCP2介導的質子泄漏增加線粒體膜電位,提高ATP水平,關閉K(ATP)通道,并刺激胰島素分泌,證實京尼平苷這一作用可能依賴于UCP2的方式發生。

2.2 促進GLP-1分泌

腸促胰素降糖藥物主要依賴受體GLP-1R發揮作用,GLP-1在體內發揮作用后會迅速被二肽基肽酶-4(dipeptidyl peptidase-4, DPP-IV)降解而失去生物活性,因此降糖藥物的開發不僅對GLP-1及其受體本身發揮作用,也有抑制DPP-IV生物活性作用。Yin F等[29]在研究3-嗎啉基-斯德亞胺鹽酸鹽(3-Morpholinosydnonimine hydrochloride, SIN-1)對PC12細胞損傷作用中證實梔子苷可通過cAMP/PKA/CREB信號通路增強血紅素加氧酶1(heme oxygenase 1, HO-1)的表達,從而保護PC12細胞免受SIN-1造成的氧化損傷。此外,Sn原卟啉IX或shRNA介導的Glp-1r敲低對HO-1活性的抑制降低了京尼泊苷對PC12細胞的神經保護作用,從而證實了梔子苷可作為一種新型GLP-1受體激動劑且可通過MAP激酶途徑防止PC12細胞氧化損傷。此外,草蓯蓉苷是草蓯蓉的主要環烯醚萜苷,體外研究證實其可導致DPP-IV活性降低,同時增強STC-1細胞的GLP-1分泌,通過調節GLP-1的活性在體內發揮作用[30]。

綜上,環烯醚萜苷主要通過改善胰島β細胞線粒體膜電位水平及促進GLP-1分泌兩方面發揮促進胰島素分泌作用。

3 環烯醚萜苷可延緩碳水化合物吸收

減少碳水化合物的吸收可直接降低餐后血糖,人體攝入的食物中糖類包含葡萄糖、蔗糖、淀粉和果糖,與葡萄糖不同,果糖的主要代謝器官是肝,除部分代謝為葡萄糖外,主要代謝為脂肪酸,后者進一步合成甘油三酯增加脂肪肝的發病風險和胰島素抵抗,其余甘油三酯可被轉運至其他器官,增加肥胖和心血管系統疾病的發病風險。

3.1 降低葡萄糖轉運蛋白5的表達

果糖通過葡萄糖轉運蛋白5(glucose transporter 5 ,GLUT-5)進入小腸上皮細胞,通過GLUT-2擴散入血再進入肝臟,GLUT-5是整個過程的限制酶,所以每人每天能吸收的果糖總量其實是有限的,長期攝入高果糖能誘導小腸多生成GLUT-5,使得人體吸收果糖的能力得到進一步增強,從而攝入了更多熱量。

Daniel MC等[31]通過模擬胃腸消化對智利漿果次級代謝產物含量和組成的影響,證實漿果成分之一的環烯醚萜苷在消化過程中具有較高的穩定性,能夠降低小腸上皮細胞對果糖的攝取,實驗中觀察到GLUT-2、GLUT-5水平表達降低,證實環烯醚萜苷可以通過降低葡萄糖轉運蛋白水平進而減少果糖的吸收起到降低血糖、減少脂肪酸作用。

3.2 抑制α-糖苷酶活性

食物中淀粉、糊精和雙糖的吸收需要小腸黏膜刷狀緣的α-糖苷酶,α-糖苷酶抑制劑抑制此類酶活性進而延遲碳水化合物的吸收,可降低餐后血糖。

Maria T等[32]在對楊梅降糖作用及藥物活性成分研究中觀察到環烯醚萜類主要存在于植物葉子中,可通過水醇浸漬提取獲得,并且表現出較好的α-糖苷酶抑制性。此外,國外一項針對使用高效液相色譜分析相結合的方法,對全植物的紫盆花甲醇提取物進行了深入的植物化學展開的研究證實,環烯醚萜苷顯示出強大的α-葡萄糖苷酶抑制活性(IC50=100 μg/mL),高于陽性對照阿卡波糖(IC50=196 μg/mL)[33]。

以上結果表明,環烯醚萜苷可以通過抑制小腸上皮細胞GLUT-5的表達降低果糖的吸收、減少脂肪酸沉積以及通過抑制α-糖苷酶活性起到延緩葡萄糖吸收作用,進而對降低餐后血糖發揮積極作用。

4 環烯醚萜苷可以減輕糖尿病炎癥反應

在2型糖尿病及并發癥的發生過程中,氧化應激環境造成的慢性炎癥水平提高對胰腺組織等胰島素靶器官有直接影響作用,導致血糖及組織炎癥因子水平升高[34]。通過降低炎癥因子水平阻斷氧化應激是治療2型糖尿病及并發癥重要機制之一。

4.1 抑制核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)等轉錄因子的活性

NF-κB通路是對氧化應激最敏感的胞內信號傳導途徑之一,從轉錄水平上調控炎癥因子的表達。過氧化物酶體增殖物激活受體α(peroxisome proliferator-activated receptor α, PPAR-α)是葡萄糖和脂質穩態的重要調節劑[35],活化的PPARγ可以通過抑制NF-κB等轉錄因子的活性來負向發揮間接轉錄調控的效應,明顯抑制炎癥反應,PPARγ/NF-κB 信號途徑為調控炎癥的一個重要靶點[36-37]。

王冉冉等[38]通過觀察梓醇對2型糖尿病大鼠損傷肝臟的保護作用,證實梓醇可能是通過PPARγ/NF-κB信號通路減輕其炎癥反應,進而對2型糖尿病大鼠糖尿病肝損傷起到保護作用。此外,Li F等[39]報道在使用高脂飲食/鏈脲佐菌素誘導的糖尿病腎病小鼠中,發現京尼平苷對糖尿病腎病的保護作用與降低血糖、抑制氧化應激和炎癥相關,部分參與AMPK/SIRT1/NF-κB依賴性通路,抑制下游炎癥相關蛋白的表達。

4.2 清除晚期糖基化終產物,抑制糖基化終產物(Advanced glycation end products,AGEs)通路

AGEs可直接與細胞膜上受體(receptors for advanced glycation end products,rAGE)結合,啟動下游MAPK、NADPH、NF-κB等通路導致組織損傷[40-42]。AGEs-rAGE其下游信號轉導通路激活致大量促炎因子、促纖維因子的釋放所介導的損傷是糖尿病并發癥的核心病機,其中p38MAPK、4型NADPH(即NOX4)是足細胞rAGE下游的兩條核心通路,與凋亡和氧化應激密切相關[35-36]。此外,糖尿病血管病變的發生與AGEs的形成和聚集有關,如糖尿病視網膜病變和糖尿病腎病等,降低AGEs的形成和聚集有利于糖尿病微血管病變的改善。

陳玉萍等[43]通過體內外研究檢測了梓醇、馬錢苷及其配伍對AGEs下游關鍵信號通路蛋白rAGE、p38MAPK和NOX4的作用,實驗結果表明,梓醇、馬錢苷及其配伍可以不同程度逆轉糖尿病環境下rAGE、NOX4的表達上調及p38MAPK磷酸化增強。此外,Chen Y等[44]通過利用AGEs誘導自發性糖尿病腎病小鼠和足細胞損傷模型,證實馬錢苷和梓醇可通過靶向AGEs-rAGE及其下游通路p38MAPK和NOX4的表達,下調腎臟AGEs水平和腎皮質rAGE蛋白的表達協同抵抗糖尿病腎病后足細胞的凋亡。呂興等[45]在對AGEs加重鏈脲佐菌素誘導的糖尿病腎病小鼠中,發現環烯醚萜苷類之一莫諾苷作為山茱萸主要效應成分之一,可清除血清AGEs、抑制其生成以及降低尿蛋白水平。Shu A等[46]在構建的糖尿病腎病小鼠和AGEs誘導的小鼠腎小球內皮細胞(mice glomerular endothelial cells, MGECs)損傷模型中,證實梓醇顯著降低糖尿病腎病小鼠和AGEs誘導的MGECs中的內皮功能障礙和巨噬細胞的炎癥浸潤,機制與梓醇抑制rAGE過表達的糖尿病腎病小鼠中的rAGE/Ras 同系物基因家族成員A(RhoA)/Rho相關激酶通路有關。

以上研究表明,環烯醚萜苷可以通過阻斷NF-κB信號,抑制PPARγ活性及下游炎癥相關蛋白的表達起到降低炎癥因子水平的作用,還可以靶向AGEs-rAGE 及其下游通路蛋白的表達減輕AGEs對基底膜的損傷。

5 思考與展望

綜上所述,環烯醚萜苷化合物在2型糖尿病治療中療效確切,在2型糖尿病及并發癥的治療中具有良好的前景。其通過增加靶器官對胰島素的敏感性、促進胰島素分泌、延緩腸道對碳水化合物的吸收以及改善糖尿病炎癥反應等多方面調節糖脂代謝水平以及治療糖尿病血管和神經并發癥。

糖尿病的預防和早期發現是治療重中之重,目前關于環烯醚萜苷在改善糖尿病糖脂代謝水平及對胰島素作用等方面的研究僅處于探索和延緩病情進展階段。筆者通過綜述國內外環烯醚萜苷治療糖尿病及并發癥機制研究進展,望可以引起同道學者對環烯醚萜苷預防糖尿病及并發癥發生的關注,這需要更深入的臨床研究及科研實驗來探索其相關作用及分子機理,以期進一步明確環烯醚萜苷對2型糖尿病的防治作用。