海藻中生物活性物质对糖尿病的影响

刘咏轩,马冠初,赵 林,姜康佳,孙 欣,李昆仑,岳秋林

齐鲁工业大学(山东省科学院) 生物工程学院,济南 250353

糖尿病(DM)是一种与内分泌系统代谢紊乱相关的慢性疾病,其主要特征为血液中葡萄糖浓度较高。糖尿病分为两种主要形式,一种是由于自身免疫系统介导的胰岛细胞发育不全或者胰岛细胞受损而导致的胰岛素分泌绝对不足引起的1型糖尿病(T1DM),多发于青少年人群,这种情况一般只能通过胰岛素注射来治疗[1],其他的药物治疗效果相对不好。另一种是由于胰岛素分泌不足和胰岛素抵抗所导致的胰岛素相对缺乏以及胰高血糖素水平增加而引起的2型糖尿病(T2DM),多发于中老年人,同时多伴随着肥胖等病症[2]。

世界卫生组织(WHO)预测,全球糖尿病患者总数将从2012年的3.71亿增加到2030年的近5.52亿[3]。其中,T2DM约占全球糖尿病病例的90%[4]。 T2DM的病理过程包括胰岛β细胞功能的恶化,慢性高血糖症以及肌肉骨骼和脂肪组织中的胰岛素抵抗[5],在任何医学诊断或表现之前,并发症可能会潜伏很长时间。通常,在诊断出糖尿病时,胰岛β细胞的功能会降低到正常水平的50%[6]。在正常个体中,胰岛β细胞会将恒定水平的胰岛素释放到血液中,这将在食物摄入时增加血液中激素水平。餐后胰岛素释放以及血糖水平的升高,会抑制肾脏和肝脏分泌的胰高血糖素进入循环系统,从而影响各种组织对葡萄糖的吸收。餐后高血糖患者食用食物后胰岛素分泌减少,对胰高血糖素释放的抑制作用降低,从而导致肝脏和肾脏的葡萄糖异常,细胞摄取的葡萄糖减少,血糖水平升高[7]。摄入的内源性葡萄糖进入循环系统的速率超过去除率,会导致长时间的高浓度血糖,导致体内餐后血糖稳态的控制丧失,继而成为糖尿病[8]。

目前临床上常用的降糖药物包括胰岛素及相关试剂,双胍类,磺酰脲类,α-糖苷酶抑制剂,格列奈类,噻唑烷二酮类,二肽基肽酶-Ⅳ抑制剂等[9]。但是这些化学口服药物或者注射药物有一定的不良反应或治疗成本较高等局限性[10]。当前的医疗保健手段采用了许多方法来调控高血糖症,这些方法多为控制高血糖症的病理因素和对生活方式的干预。适当的饮食和体育锻炼可使糖尿病的发生率降低58%[11],长期的血糖控制有助于降低T2DM患者发生微血管和大血管并发症的风险[12]。在最近几年中,越来越多的研究表明将食物中的某些营养物质可以用来预防T2DM,某些水果、全谷类和蔬菜可以预防或降低T2DM的发生风险[13]。

海藻作为一种常见且易食用的药食同源原料被人们所熟知,特别是在亚洲的沿海社区。据报道,日本人每人每天食用海藻约5.3 g[14]。另外,海藻还被规定用于亚洲传统医学系统中的多种疾病。当前,人们越来越意识到通过食用药食同源原料来维持健康并降低包括糖尿病在内的各种疾病的风险,这已超出了基本营养作用的价值[15]。日常饮食中大量食用海藻可以降低某些疾病的风险,例如心血管疾病和高脂血症[16],以及乳腺癌[17]。海藻中具有新型且结构多样的高生物医学潜力的生物活性化合物,这些化合物在陆生植物中通常不存在。在这篇综述文章中,我们旨在叙述海藻中有益成分和生物活性化合物的多样性,它们可能通过某种药理相关靶点来预防或治疗T2DM。

1 海藻的生物活性物质及其对糖尿病的影响

1.1 海藻中的不饱和脂肪酸

海藻中富含不饱和脂肪酸,包括单不饱和脂肪酸(MUFA)和多不饱和脂肪酸(PUFA)。其对于维持正常细胞的生理功能非常重要,并且已在全世界范围内被广泛用来制作预防包括T2DM在内的保健食品。有研究发现,在饮食中用多不饱和脂肪酸代替饱和脂肪酸可以有效改善葡萄糖耐受者的胰岛素敏感性[18]。研究发现高碳水化合物的饮食不会提高非糖尿病受试者的胰岛素敏感性,其原因是由单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸的共同作用来降低低密度脂蛋白胆固醇水平,但不会产生不良的影响[19]。用不饱和脂肪酸取代饱和脂肪酸和反式脂肪酸对胰岛素敏感性有好处,并可能降低患2型糖尿病的风险,对于胰岛素抵抗患者来说多不饱和脂肪酸饮食可以代替普通脂肪酸[20]。不饱和脂肪酸可以通过促进细胞质膜上葡萄糖转运蛋白1(GLUT1)和葡萄糖转运蛋白4(GLUT4)的丰度来刺激基础葡萄糖的摄取。研究表明富含MUFA的饮食可以有效预防心血管疾病,改善2型糖尿病的血糖平衡[21]。与MUFA相比,PUFA在结构和生理性质上也具有重要的生物功能,参与细胞和组织代谢等。海藻作为PUFA良好的来源,约占海藻干重的2%,在海藻中主要以ω-3和ω-6脂肪酸的形式存在,二者在人类饮食中都必不可少[22]。

1.2 海藻中的膳食纤维

先前的研究表明,膳食纤维的大量摄入可以显著降低T2DM的发生率[23]。许多国际组织提出建议,健康个体每日的膳食纤维摄入量应为30 g/d,而对糖尿病患者而言应为50 g/d[24]。与其他植物相比,海藻类的总纤维含量较高。每8 g海藻就可以满足个人每日纤维需求的近12.5%,这表明少量食用海藻即可实现高纤维摄入,降低血糖值,因此适合T2DM的管理[25]。实验表明,糖尿病患者连续四周食用含裙带菜和海带的食物,总膳食纤维含量为正常饮食的2.5倍,结果糖尿病患者有效的增加抗氧化酶的活性并改善了血糖和血脂水平[26]。此外,总膳食纤维的消耗会降低胰岛素抵抗的生物标志物含量[27]。

1.3 海藻中的海藻多糖

有研究表明,从紫菜中提取的多糖可以作为新的降解酶抑制剂,可以抑制淀粉酶的活性,从而有效的控制血糖水平,有良好的降糖作用。 很多褐藻中含有的海藻多糖具有抗氧化和清除自由基的特性,海藻提取物中的多糖具有降胆固醇作用,同时对糖尿病及动脉粥样硬化也有一定的改善作用。从伸长海条藻中提取获得的粗多糖显著降低了四氧嘧啶诱导的糖尿病兔的血糖水平[28],并且有进一步的研究表明,是伸长海条藻中的褐藻多糖起到了降低糖尿病兔血糖的作用。据报道,从海藻中提取的多糖也可作为胰岛素分泌的刺激剂,特别是约为3 kDa的低分子量寡糖[29]。从海藻中提取的多糖和膳食纤维都可以改善饱腹感,从而有助于降低血糖水平和改善胰岛素敏感性。

2 海藻的多种抗糖尿病机制

对海藻中生物活性物质的研究是相对广泛的,同时那些来自蔬菜和水果中的某些化合物成分也表现出了多种活性,包括抗糖尿病[30]。而本部分内容中,我们将试图讨论海藻中生物活性化合物的抗糖尿病作用靶点,包括抑制参与维持葡萄糖稳态的酶,如α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶、醛糖还原酶和蛋白酪氨酸磷酸酶1B (PTP1B)等,改善胰岛素抵抗,促进细胞对葡萄糖的摄取,抗肥胖,以及抗炎和保护β细胞。

2.1 海藻通过抑制α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶活性来降低葡萄糖水平

哺乳动物中的淀粉消化主要是通过小肠中的α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶进行的,餐后血糖浓度的突然升高是由于碳水化合物的水解所致。随后,由α-淀粉酶作用产生的麦芽糖和异麦芽糖被α-葡萄糖苷酶水解,α-葡萄糖苷酶是一种存在于小肠上皮的膜结合酶,可水解产生葡萄糖[31]。 抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的活性均可以显著减弱碳水化合物摄入后血糖的升高,这是预防和控制T2DM患者血糖水平的合理方法。研究发现从海藻中提取的许多混合物和生物活性化合物可显著抑制这些碳水化合物水解酶的活性。

大多数研究都集中在褐藻物种上,其中岩衣藻(Ascophyllumnodosum)可能是研究最广泛的物种,在早期的一篇报道中发现,给链脲佐菌素糖尿病小鼠口服富含多酚的A.nodosum提取物会使糖尿病症状得到一定的改善,口服葡萄糖耐量试验后,空腹血糖平缓升高,体外测定实验提供了提取物抑制酶的能力的直接证据。总状蕨藻(C.racemosa)和马尾藻(S.schroederi)的丙酮粗提物在体外抑制α-淀粉酶活性半数有效量(ED 50)分别为0.09 mg/mL和0.58 mg/mL。 匍匐昆布藻(Halimedamacroloba)的粗制水提取物在体外抑制α-葡萄糖苷酶活性的IC50值为6.388 mg/mL。还研究了几种棕色海藻物种的粗提物,包括团扇藻(Padinasulcata)、羊栖菜(Sargassumbinderi)和棕叶藻(Turbinariaconoides),都可以抑制α-葡萄糖苷酶的活性[32]。据研究报道,几种来自褐藻类(Eisenia bicyclis)的苯三酚衍生物在1 mM时具有较好的α-淀粉酶抑制活性,其中二烯酚和鹅掌菜酚的抑制作用分别为97.5%和87.5%。与二氧萘并二氢萘酚(IC50 = 472.70μM)相比,褐藻类中的氟呋喃甲酚A对α-淀粉酶(IC50=42.91μM)的抑制潜能更强[33]。从红海紫菜(Odonthaliacorymbifera)分离出的几种溴酚显示出对啤酒酵母α-葡萄糖苷酶活性的强抑制作用,IC50值范围为0.098～89.0 μM,其中2,3-二溴-4,5-二羟基苄基效果是最好的。红海藻物种(Symphyocladialatiuscula)的溴酚也有较好的抑制酿酒酵母α-葡萄糖苷酶的效果,其中丁二醇缩水甘油醚(BDDE)(IC50=0.03 μM)表现出最强的抑制作用,其次是2,3,6-三溴-4,5-二羟基苄醇(IC50=11.0 μM)[34]。

2.2 海藻通过改善胰岛素敏感性来降低葡萄糖水平

改善胰岛素敏感性可能是治疗T2DM最有效的手段,临床上主要使用的两大类药物是双胍类药物(例如二甲双胍)和噻唑烷二酮类(例如吡格列酮)。二甲双胍可以提高体内胰岛素敏感性,从而降低血浆葡萄糖浓度,增加葡萄糖摄取并减少糖异生。尽管尚未完全阐明二甲双胍的确切作用机制,但已证明它可通过三磷酸腺苷(AMP)激活的蛋白激酶(AMPK)依赖性的机制起作用,其药理作用较为复杂,涉及多器官的相互作用和抗炎作用[35]。格列酮可结合于核调节蛋白过氧化物酶增殖受体γ(PPARγ),该蛋白影响胰岛素敏感基因以增强胰岛素依赖型酶mRNA的产生并提高细胞对葡萄糖的利用。通过以上研究可得知若寻找具有潜在抗糖尿病作用的海藻提取物时,应通过以下目标:胰岛素受体底物(IRS-1),最终导致葡萄糖转运蛋白(GLUT4)易位至质膜,从而促进细胞内葡萄糖摄取；AMP依赖的蛋白激酶(AMPK)在骨骼肌中诱导GLUT4囊泡与质膜融合,从而刺激葡萄糖吸收,通过激活糖原磷酸化酶来刺激糖酵解,并通过抑制糖原合成酶的磷酸化来抑制糖原合成,而在肝脏中抑制糖异生；蛋白酪氨酸磷酸酶1B(PTP1B)是胰岛素的一种负调节剂,可通过胰岛素受体和活化的胰岛素受体亚基的去磷酸化作用起作用。

海藻提取物对胰岛素敏感性影响的相关研究较少。在T2DM大鼠模型(高脂肪、高糖饮食和低剂量链脲佐菌素诱导)的研究中,多孢藻的乙醇和水提物均表明可以降低空腹血糖而不会影响血浆胰岛素水平,其降血糖作用是由于胰岛素敏感性增加而不是促胰岛素作用引起的[36],这种结果可能是该海藻中含量丰富的岩藻黄质的抗氧化作用,在小鼠中检测到晚期糖基化终产物(AGE's)含量减少,表明糖尿病状态下引起的组织损伤减少。和此结果相似的研究中,在非酒精性脂肪肝疾病(NAFLD)模型中显示岩藻依聚糖可以类似地降低空腹血糖并降低胰岛素抵抗,同时保护肝脏免受损伤,降低炎性因子含量[37]。在小鼠T2DM模型中,低分子量岩藻依聚糖和岩藻黄质都降低了空腹血糖并增加了肝糖原含量,而岩藻黄质增加了IRS-1,GLUT-4和PPAR-γ的表达,在脂肪组织中,表明了胰岛素的增敏作用,而且岩藻黄质和岩藻依聚糖的在胰岛素敏感性标记物的表达增加中表现出了协同作用。

从空茎昆布(Ecklonia cava)中提取的多酚类化合物可减少空腹血糖和胰岛素水平,这种作用与葡萄糖-6-磷酸脱氢酶的活性降低和肝细胞受到抑制而导致肝糖原生成减少相关,其作用机制与T2DM中过表达的葡萄糖调节基因磷酸烯醇丙酮酸羧激酶等有关,同时提取物还减少了血浆和肝脏中脂质的含量,这有可能有助于改善葡萄糖含量,因为增加的脂质与胰岛素抵抗的发展呈正相关。之后的研究也证明了纯化的二甲酚在糖尿病小鼠中的降血糖作用与骨骼肌中AMPK/Akt磷酸化的增加有关[38]。这些研究结论都是正确的,使用氟贝沙星诱导斑马鱼的糖尿病模型中多酚类化合物被证明可以增加骨骼肌中的Akt途径并改善对肝组织葡萄糖代谢的调节,海藻中生物活性物质的效果与二甲双胍效果类似。

2.3 海藻对糖尿病相关疾病的影响

营养过剩和热量摄入过多而引起的代谢超负荷可导致高血糖症和肥胖症。 血糖和游离脂肪酸水平过高会给胰岛β细胞和其他胰岛素敏感性细胞带来压力,最终导致局部分泌炎性因子引起炎症。促炎因子会释放到全身循环中会引起其他组织,包括胰岛β细胞的炎症反应。高血糖症和肥胖症引起的靶组织炎症显著增加了胰岛素抵抗和胰岛β细胞衰竭的风险,从而导致T2DM。

海藻中多种生物活性物质是天然的抗氧化剂,可以引起机体内多种抗氧化机制。有人对褐藻的各种粗提物和化合物的抗氧化特性进行了总结[39]。从空茎昆布腔藻类中提取的多酚类化合物和酶消化物被证明是可以抵抗由于高血糖而引起的氧化应激[40]。研究表明,给予机体以10～50μg/mL的多酚和10～100μg/mL的酶消化物是可减少高浓度的葡萄糖对人脐静脉内皮细胞的体外细胞氧化损伤的。此外,还可以减少活性氧(ROS)的产生,并且可以使炎症相关的蛋白(例如核因子-κB、环氧合酶-2(COX-2)、诱导型一氧化氮合酶(iNOS)的细胞过表达程度下降。

研究发现黄褐藻中的叶黄素、岩藻黄质可以通过上调线粒体解偶联蛋白-1(UCP1)的表达而显著减少糖尿病小鼠中白色脂肪组织的重量,线粒体解偶联蛋白-1(UCP1)是代谢热源的重要因素。为了防止脂肪过多积聚,还可以显着提高二十二碳六烯酸(DHA)[41]。由于UCP-1在增加能量消耗,产生热量和减少ROS的产生中起着至关重要的作用,因此可以通过利用组织特异性UCP-1来增加产热作用,并在高脂血症期间减少能量摄入来减少体重增加和患糖尿病的风险。此外,高脂饮食喂养10周的小鼠表现出了高血糖症,高胰岛素血症和高瘦素血症的征兆,单核细胞趋化蛋白1(MCP-1)的mRNA表达增加[42]。食用富含岩藻黄质的裙带菜可以使高脂饮食小鼠的脂质含量和体重得到显著抑制,促进了脂肪和骨骼脂肪组织中肾上腺素基因和葡萄糖转运蛋白mRNA的表达,此外,降低了MCP-1的mRNA表达[42]。因此通过食用海藻来控制体重增加和减轻与肥胖相关的炎症可能是T2DM预防或治疗中的有效方法。

3 总 结

综述中我们讨论了从海藻中分离出的多种生物活性化合物,这些物质已被证明对T2DM预防或治疗具有潜在的益处。通常,海藻含有大量具有不同作用机制的物质,包括与关键蛋白相互作用的特定机制和广泛的非特异性机制、抗炎反应和抗氧化酶的上调,这些都可以在2型糖尿病的治疗中得到适当的应用。海藻中富含不饱和脂肪酸,包括单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸,添加了单不饱和脂肪酸的饮食可以预防心血管疾病,维持血糖平衡,而多不饱和脂肪酸在参与细胞代谢中起到重要作用。海藻中的膳食纤维可改善餐后饱腹感,从而有助于降低血糖水平和改善胰岛素敏感性。海藻膳食纤维还有助于减轻体重或维持体重,因此有利于减轻肥胖风险,同时在减轻由于高血糖症和肥胖引起的炎症反应方面也很有益。海藻多糖具有抗氧化和清除自由基的特性,还可以降低胆固醇,改善动脉粥样硬化。从海藻中分离出的酚类和非酚类化合物对T2DM的预防和治疗也都具有积极影响。

某些海藻生物活性化合物的作用机制与其他已知的抗糖尿病药物类似,可以抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的酶活,从而降低碳水化合物的消化和吸收,减弱碳水化合物摄入后血糖的升高,其效果类似于阿卡波糖,胰岛素敏感性的改善效果类似于二甲双胍。此外,海藻的生物活性化合物是天然的抗氧化剂,可以引起体内多种抗氧化机制起作用。这类物质还可以通过增加细胞对葡萄糖的摄取,减少AGE的形成,保护组织免受损伤并增强对胰岛β细胞的保护作用以及其他功能来发挥抗糖尿病、抗肥胖症和相关的炎症作用。因此,海藻和海藻衍生的生物活性化合物都具有巨大的潜力,无论是作为膳食摄入的一部分,还是作为单纯的药物或补充剂都可以用于2型糖尿病预防和治疗。