果蔬中的花色苷及其防治2型糖尿病作用机制研究进展

赖灯妮 江玉琴 田 艳 吴艳阳 赵玲艳 邓放明

(湖南农业大学食品科学技术学院，湖南 长沙 410128)

花色苷属于类黄酮，广泛存在于植物的花、叶、果实、茎等器官中。自然界中，常见的花色苷为矮牵牛素、飞燕草素、矢车菊素、锦葵素、天竺葵素和芍药素6种。花色素苷元的基本骨架是3,5,7-三羟基苯并吡喃，由于花色素在自然界中不稳定，所以C-3,5位上的羟基易被糖苷取代，或进一步被有机酸酰化形成稳定的花色苷。根据糖苷化或酰化的数目、位置、种类不同，形成了种类繁多的花色苷。根据流行病学研究[1-2]发现，摄入一定量的花色苷可有效降低某些慢性病的发生，其中包括糖尿病、心血管疾病和癌症等。

根据世界卫生组织的报告[3]，至2015年全球糖尿病患者突破4.22亿。此外，2012年因糖尿病直接导致150万人死亡，且由于高血糖等并发症导致220万人死亡[4]。全球诊断和治疗糖尿病每年花费高达825亿美元。糖尿病给病人和家属带来巨大的经济负担，且严重影响国家经济[4]。因此，糖尿病预防和疾病管理成为全球研究的热点。糖尿病主要分为1型、2型以及妊娠糖尿病，其中2型糖尿病占90%以上[5]。而2型糖尿病与β细胞功能的损伤以及胰岛素抵抗有着密切的关系，其中β细胞功能的损伤主要与遗传因素、脂毒性、糖毒性、胰沉淀素过度沉积、GLP-1缺乏、增龄等因素有关[6]。2型糖尿病是多基因突变或多态性变化有关的疾病(图 1)，但是发病的确切机制尚未阐明。

目前治疗2型糖尿病的主要治疗方法为饮食治疗、运动疗法、口服抗糖尿病、胰岛素治疗，由于服用或者注射胰岛素药物会对人体产生一定的并发症[7]，如：磺酰脲类、格列奈类不仅会导致低血糖的症状，且经常发生低血糖反应是极其有害的，而且会对中枢神经系统有不良影响和出现局部红斑等变态反应等。

近年来，人们越来越关注植物中的生物活性物质及营养成分对慢性疾病的预防[8-9]。花色苷作为一种天然植物多酚，其在体外和动物模型中均能有效控制血糖和调控代谢[10-12]，且摄入富含花色苷的蔓越莓防治2型糖尿病的试验已在临床上得以证实[13-14]。本文系统地介绍了果蔬中花色苷类物质的主要成分及对2型糖尿病防治作用，阐述了花色苷通过减少氧化应激、改善胰岛素抵抗、促进胰岛素分泌和保护β细胞四方面防治2型糖尿病的作用机制，旨在为果蔬中多酚类化合物的综合利用提供理论依据。

图1 2型糖尿病发病机制Figure 1 The pathogenesis of type 2 diabetes

1 果蔬中主要花色苷成分及其防治糖尿病的作用

有色果蔬中富含花色苷，如桑葚、葡萄、蓝莓、杨梅、紫色马铃薯、紫色甘薯。花色苷对于预防和治疗慢性疾病具有一定的作用。不同果蔬中的花色苷种类和含量不同(表 1)，防治效果及其作用机制亦不同。

1.1 桑葚

桑葚中主要花色苷为矢车菊素-3-芸香糖苷和矢车菊素-3-葡萄糖苷，对改善糖尿病小鼠的功能障碍和胰岛素抵抗有潜在的益处[15]。体外试验[16]发现，在高糖和棕榈酸诱导的HepG2细胞胰岛素抵抗模型中桑葚花色苷提取物缓解胰岛素抗性并增加葡萄糖消耗、葡萄糖摄取和糖原含量。桑葚花色苷提取物通过抑制PPARγ共激活因子1α(PGC-1α)和forkhead box蛋白O1( forkhead box protein O1，FOXO1)，致使磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK)和葡萄糖-6-磷酸酶( glucose-6-phosphatase，G6Pase)的活性降低；且通过磷酸化白激酶β(phosphorylation of protein kinase B，AKT)和糖原合酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK3β)，导致糖原合酶2(glycogen synthase 2，GYS2)的上调。在体内试验[16]发现，用桑葚花色苷[50，125 mg/(kg·d) ]喂养db/db(糖尿病小鼠模型)小鼠能降低空腹血糖、血清胰岛素、瘦素、甘油三酯和胆固醇水平，并提高脂联素水平；且阐明了桑葚提取物通过激活肝脏、骨骼肌和脂肪组织AKT途径和下游靶标位点，从而改善相关代谢参数。用桑葚花色苷提取物喂养的组血糖水平和糖化血红蛋白(Glycosylated Hemoglobin，Type A1C，HbA1c)显著低于糖尿病对照组。此外，葡萄糖和胰岛素耐量试验显示花色苷提高了胰岛素敏感性。桑葚花色苷可以通过激活骨骼肌中AMPK(adenosine 5’-monophosphate-activated protein kinase)和蛋白激酶AKT的一个新底物(AS160)的活性以及抑制肝脏中的糖异生来改善高血糖和胰岛素敏感性[17]。

表1 果蔬中主要花色苷成分及其防治糖尿病的作用机理†Table 1 The regulatory effect of typical anthocyanins on diabetes mellitus

1.2 葡萄

葡萄中主要的花色苷为矢车菊素和飞燕草素，可通过抑制脂质和糖基化蛋白，激活抗氧化蛋白从而防治糖尿病。体外试验[18]表明，结合态飞燕草素氯化物[100 mg/(kg·d)]可分别降低脂质体和HbA1c糖基化的速率至(46.35±1.20)%和(3.60±0.25)%，且结合态形式的花色苷抗氧化活性高于游离态花色苷。体内试验[19]发现，来自葡萄籽中的矢车菊素-3-O-β-葡萄糖苷氯化物在HK-2模型中激活p38MAPK和ERK1/2氧化酶活性的磷酸化以及抑制硫氧还蛋白互作蛋白(TXNIP)的表达，从而调节抗氧化和抑制细胞的凋亡。

1.3 紫色马铃薯

紫色马铃薯中花色苷主要为牵牛花色苷、芍药素花色苷、天竺葵素花色苷、锦葵素色苷以及飞燕草素花色苷。目前对紫色马铃薯花色苷防治糖尿病的研究主要集中在对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶活性的潜在抑制作用，其中发现紫色马铃薯中的天竺葵素花色苷与咖啡酸或阿魏酸的酰化抑制麦芽糖酶效果最佳。推测糖苷配基B环上的3，5位的羟基对抑制麦芽糖酶是关键位点[20-21]。

紫色马铃薯中的花色苷抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶、麦芽糖酶活性，使机体消化葡萄糖的效率降低、机体血糖下降，从而防治糖尿病。

1.4 蓝莓

蓝莓花色苷主要成分是飞燕草素半乳糖苷、矮牵牛素阿拉伯糖苷、矢车菊素半乳糖苷和锦葵素葡萄糖苷等[22]；在体外模型中，研究[23]发现通过富含花色苷蓝莓提取物(BAE)缓解了由高糖诱导INS832/13β细胞毒性。此外，BAE有效降低了细胞内甘油三酯(TG)水平，促进了胰岛素分泌。用不同剂量的蓝莓中花色苷提取物(BA)喂养糖尿病模型大鼠研究[24]显示BA不仅减缓糖尿病引起的体重减轻和血糖升高，而且还能上调视网膜的抗氧化能力，提高谷胱甘肽(GSH)含量和谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)活性，降低丙二醛(MDA)和活性氧(ROS)水平以及上调血管内皮生长因子(VEGF)和白细胞介素-1β(IL-1β)。此外，BA增加Nrf2和HO-1的mRNA水平，以及Nrf2的核定位和HO-1的蛋白质水平。 这些结果表明BA可以保护视网膜细胞免受糖尿病诱导的氧化应激和炎症，并且可以通过Nrf2/HO-1信号传导来调节。用添加蓝莓花色苷提取物喂养肥胖和偏瘦的大鼠的研究结果显示通过影响PPAR通路从而影响脂肪和肌肉组织的脂肪和葡萄糖代谢[25]。Kianbakht等[13]研究显示，在临床试验中食用蓝莓提取物(9.1 mg花色苷/d)连续8周，空腹血糖浓度比安慰剂组相比降低。Mirfeizi等[14]研究显示，与基线相比，每日蓝莓粉(1 g含9.8 mg花青素)补充剂可降低干预3个月后的空腹血糖浓度，但与安慰剂治疗无关。

1.5 越桔

越桔中花色苷主要成分为矢车菊素花色苷、飞燕草素花色苷、芍药素花色苷、矮牵牛素花色苷、锦葵素花色苷[26]。体内研究[27]发现，越桔花色苷提取物通过激活AMP活化蛋白激酶(AMPK)从而改善对2型糖尿病小鼠中高血糖和胰岛素敏感性，且伴随着白色脂肪和骨骼肌中葡萄糖运载体4(glucose transporter 4，Glut4)的上调以及肝脏中葡萄糖产生和脂质含量的抑制。同时，在肝脏中乙酰辅酶A羧化酶失活，PPARα、酰基辅酶A氧化酶和肉毒碱棕榈酰转移酶1A上调。这些发现为越橘果实的使用提供了生化基础，并且通过激活AMPK对预防和治疗2型糖尿病具有重要意义。

2 花色苷防治糖尿病的作用机制

2.1 花色苷减少氧化应激

糖尿病患者由于体内高血糖、高血脂的聚集引发自由基的产生，从而使机体长期处于氧化应激状态。花色苷为类黄酮化合物，具有酚羟基结构，属于羟基供体，其中 A、B 环上羟基数目、位置以及C环双键影响其抗氧化性活性[28]。因此，花色苷作为一种天然的抗氧化剂，可有效清除羟基自由基、超氧自由基等，抑制其对机体的氧化损伤，同时还能通过激活并调节体内过氧化氨酶、过氧化物岐化酶等抗氧化酶防御体系，以此来达到防治糖尿病的目的。

花色苷在体外以及生物体内抗氧化试验中都显示出较强的抗氧化效果，其中对羟基、超氧自由、ABTS+、DPPH·、Fe3+等有很好的清除作用，可防止其氧化损伤。紫色马铃薯花和紫玉米中的花色苷对DPPH·、ABTS+、Fe3+均具有一定的抗氧化能力，且紫玉米中的花色苷抗氧化能力均比BHT更强[29-30]；体内试验[31]表明，黑米花色苷提取物提高谷胱甘肽(glutathione，GSH)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性，并增强大鼠肝脏和血清总抗氧化能力。草莓花色苷提取物能够降低糖尿病大鼠模型中肝脏的氧化型谷胱甘肽浓度，同时减少巴比妥酸反应物质(Barbituric acid reaction material，BARS)[32]。因此，花色苷的抗氧化活性对防治糖尿病起到十分重要的作用。

2.2 花色苷改善胰岛素抵抗

胰岛素受体的α亚基与胰岛素结合使得β亚基酪氨酸激酶活化，进而磷酸化胰岛素受体底物(insulin receptor substrate，IRS)，从而使一系列生化指标发生改变。然而在2型糖尿性中由于胰岛素对葡萄糖的吸收和利用不敏感，致使血糖、血浆中游离脂肪酸的增加从而形成胰岛素抵抗。胰岛素抵抗造成各组织中葡萄糖的转运和酵解、肝和肌肉中的糖原合成、糖异生和糖原分解紊乱，同时抑制胰岛素需依赖Glut4及许多关键酶如糖原合成酶、磷酸果糖激酶、葡萄糖激酶、丙酮酸激酶和丙酮酸脱氢酶等活性[33]。肥胖致使脂肪分解增加，游离脂肪酸(free fatty acid，FFA)浓度增高，通过脂肪酸—葡萄糖循环，相互影响糖和脂肪的代谢，导致胰岛素作用减弱和胰岛素抵抗。尤为甚者，沉积于肝、平滑肌和β细胞中的FFA和甘油三酯导致其功能减退，对胰岛素不敏感。

一系列研究表明花色苷可降低胆固醇(Total Cholesterol，TC)、甘油三酯(Triglyceride，TG)、低密度脂肪蛋白胆固醇(Low density lipoprotein cholesterol，LDL-C)水平，提高载脂蛋白(Apolipoprotein，ApoA)、高密度脂蛋白胆固醇(High density lipoprotein cholesterol，HDL-C)表达水平。黑豆种皮花色苷通过调节Glut4从而预防胰岛素抵抗和胰腺细胞凋亡[34]；矢车菊素通过调节Glut4和视黄醇结合蛋白质和相关的脂肪细胞炎症因子在抗糖尿病效应方面具有显著效果[35]。黑米花色苷饲养高脂的大鼠发现体重、白色脂肪、TG水平低于对照组[36]。总之，花色苷通过降低脂肪细胞相关炎症因子和调节高低密度脂肪蛋白胆固醇水平，增加葡萄糖转运载体蛋白并减少视黄醇结合蛋白的表达，激活AMPK信号通路和减缓氧化应激，提高胰岛素的敏感性，从而改善胰岛素抵抗。

2.3 花色苷促进胰岛素分泌

2.4 花色苷保护胰岛β细胞

胰岛β细胞凋亡的信号转导途径主要包括外源性途径(死亡受体介导的信号途径)、内源性途径(线粒体凋亡信号途径)以及颗粒酶B途径[42-43]。这些信号转导通路的共同特征是：各种应激和刺激信号激活特定的信号通路，使半胱天冬蛋白酶(caspase)最终被激活。激活的caspase剪切胞内底物，从而破坏细胞结构和影响细胞代谢，导致细胞特有形态学和生化条件改变进而促进凋亡。另外，多种细胞因子IL-1β、IFN-γ和(或)TNF-α可通过激活各种核转录因子调节诱导大量β细胞凋亡[44]。

研究[45]发现，从桑树果实中分离出的矢车菊素-3-葡萄糖苷通过预防氧化应激诱导的β细胞凋亡来预防糖尿病。从枸杞中提取的花色苷通过ERK1/2和PI3K/Akt通路诱导HO-1上调从而保护β细胞免于H2O2诱导的细胞损伤[46]。蓝莓中的花色苷提取物促进胰岛βTC-tet细胞增殖，同时还抑制由高糖诱导的大鼠肾上腺嗜铬细胞瘤细胞 PC12 凋亡[47]。研究[48]发现，花色苷的抗凋亡作用机制是通过调节凋亡蛋白 Caspase3、Bax和 Bcl2的表达来实现。总之，这些研究结果表明花色苷通过减缓氧化应激、下调促凋亡蛋白的表达减少β细胞凋亡。

3 结语与展望

随着人们物质水平的不断提高，糖尿病的发病率和死亡率也随之不断上升。糖尿病已经被世界卫生组织认定为四大慢性疾病之一，目前临床上应用的众多糖尿病药物虽然效果较好，但有明显的副作用。近年来人们越来越关注植物生物活性物质及营养成分预防慢性疾病，果蔬中的花色苷不仅可以满足人体每天生理需要的营养素，而且有利于防治2型糖尿病。

花色苷通过减少氧化应激、改善胰岛素抵抗、保护β细胞和促进胰岛素分泌四方面防治2型糖尿病，因此，通过饮食补充疗法，给予糖尿病可食用的抗氧化功效物质，对降低糖尿病发生概率及抵御糖尿病患者健康疾患将是一个安全有效的策略。

但果蔬中的花色苷种类繁多，且不同结构的花色苷功能差别较大，所以探究花色苷在体内、体外的代谢且何种单体成分在2型糖尿病中发挥着核心作用仍需要进一步研究。花色苷作为植物多酚类物质之一，多酚类物质在机体内存在双重调控作用，每天食用花色苷的量，以及如何利用现代的生物技术提高花色苷的利用效率，都是未来研究的热点方向[49]。这些都将为花色苷营养功能开发和营养干预机制的研究拓宽思路。