黄芪及其提取物治疗糖尿病心肌病的药理机制研究进展

侯可可 陈琳 沙雯君 杨芸艺 徐媛颖 雷涛

糖尿病性心肌病(diabetic cardiomyopathy,DCM)是一类由高血糖和胰岛素抵抗引起的且不能用高血压、冠状动脉疾病、心脏瓣膜病以及病毒等其他原因来解释的心肌结构和功能改变。DCM的病理机制十分复杂,主要表现为糖脂能量代谢障碍相关的体内炎症激活及氧化应激,导致心肌纤维化、微血管病变,最终心肌细胞凋亡、坏死[1]。现代药理学研究表明,黄芪有效成分多样,主要包括黄酮类、皂苷类、多糖类及氨基酸类物质[2],具有改善糖脂代谢、调节免疫、改善心肌结构、抗糖尿病等作用。近年来,有许多研究表明,黄芪及其提取物对DCM具有确切的治疗作用,但是关于黄芪治疗DCM的文献总结性说明较少,故本文针对近年来黄芪及其含有的有效成分治疗DCM的作用机制进行总结,为后续黄芪治疗DCM的进一步开发提供参考。

1 改善心肌代谢障碍

机体的能量主要来自糖、脂代谢。心肌代谢障碍是糖尿病心肌病发展的基础环节,主要包括糖脂和能量代谢障碍。有研究表明,黄芪的多种成分均具有改善糖脂及能量代谢的作用,如黄芪甲苷(astragaloside Ⅳ,ASIV)可以明显降低糖尿病(diabetes mellitus,DM)大鼠的心肌糖脂代谢水平[3],黄芪总苷(astragalosides,AST)可降糖和脂肪酸水平[4],黄芪多糖(astragalus polysaccharide,APS)不仅可降血糖[5],还可以改善心肌的能量代谢[6]。可见黄芪具有改善心肌糖脂及能量代谢的作用,是黄芪治疗DCM的重要作用之一,且作用机制多样。

1.1黄芪影响胰岛素抵抗改善心肌糖脂代谢

胰岛素抵抗(insulin resistance indexes,HOMA-IR)是指各种原因导致胰岛素促进葡萄糖摄取利用降低,机体出现高胰岛素血症来维持血糖稳态。胰岛素抵抗会导致糖利用降低,脂氧化增加,使糖脂代谢障碍,而改善HOMA-TR可以延缓DCM病变[7]。黄芪及其提取物可通过改善胰岛素抵抗来延缓糖尿病心肌病变。

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APS可以改善HOMA-IR,抑制游离脂肪酸(free fatty acid,FFA)活化,降低心肌脑钠肽(brain natriuretic peptide,BNP)的分泌,抑制心肌重构,减少细胞凋亡[5]。体外研究表明,APS可活化腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase,AMPK)从而促进胰岛素抵抗H9C2心肌细胞的葡萄糖摄取,改善HOMA-IR,抑制心肌病变[8]。APS可改善大鼠的胰岛素抵抗,降低胰岛素抵抗大鼠的血浆瘦素、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF-α)水平,改善脂代谢[9]。黄芪饮片可以降低T2DM的患者的胰岛素抵抗,降低糖化血红蛋白、空腹血糖、餐后2小时血糖,提高空腹胰岛素、服糖后2小时胰岛素水平[10]。

APS可抑制T2DM大鼠的心肌组织炎症因子NF-κB、TNF-α等的过度表达,抑制炎症反应,保护心肌细胞[33]。APS还可以降低炎症因子IL-6水平,改善炎症反应,保护心肌细胞[34-35]。

1.2黄芪调控PPARα机制改善心肌糖脂代谢

过氧化物酶体增殖激活受体(peroxisome proliferators-activated receptor, PPAR)机制在糖脂代谢中占据重要作用。PPAR是广义核受体超家族中的配体激活转录因子家族,有三个成员:PPARα、PPARβ、PPARγ。PPARα心肌细胞特异性过表达[11],可导致心肌脂肪酸利用受到抑制,使心肌脂质积累。黄芪及提取物可以调控心脏PPARα机制明显减轻糖脂代谢紊乱。

Chen W等[12]证明APS可明显降低心肌PPARα及其下游基因脂肪酸转运蛋白和乙酰辅酶A合成酶(acy-l CoA synthetase,ACS)的基因表达,升高葡萄糖转运蛋白4(glucose transporter 4,GLUT4)的基因表达,明显改善DM仓鼠心肌葡萄糖和脂质代谢紊乱,保护心肌细胞。且还有研究表明APS可通过改善肝脏沉默信息调节因子1(silent information regulator 1,SIRT1)-PPARα细胞内信号传导和抑制糖脂代谢,减弱肝脏脂肪变性和改善胰岛素抵抗[13]。APS还可以降低心肌组织中PPARα、肌肉型—肉毒碱棕榈酰转移酶-1和ACS的蛋白表达水平,降低DM小鼠的脂肪酸摄取利用率、游离脂肪酸氧化率和三酰甘油含量,改善心脏功能[14]。

由上可知,黄芪提取物可通过调控心脏及肝脏PPARα机制来改善糖脂代谢障碍,其多为多糖类,可以利用应用高分辨质谱联用技术及UPLC色谱法来进一步挑选黄芪调控PPARα机制的有效成分,比如黄酮类、皂苷类等。且SIRT1机制亦可促进心肌氧化应激、炎症、纤维化,进而导致DCM的发生,但尚未有研究表明黄芪对于SIRT1机制的作用。

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1.3黄芪调控线粒体功能改善心肌能量代谢

1.4黄芪通过调节肠道稳态改善代谢障碍

APS可以提高DCM大鼠的心肌组织中的UCP2表达及增强磷酸化能量感受器AMPK活性,降低血糖、升高胰岛素敏感指数,改善心肌能量代谢[6]。有研究表明,过氧化物酶体增殖受体γ辅激活因子α(peroxisome proliferators-activated receptor γ coactivator-1α,PGC-1α)在多种糖尿病并发症中均出现表达水平下降[17],同时影响下游的核呼吸因子(nuclear respiratory factor 1,NRF-1)的表达,致使线粒体生物生成减少及功能受损,影响心肌能量代谢。ASIV可通过激活PGC-1α路径促进NFR-1表达,而NRF-1又进一步活化线粒体转录因子A,促进心肌组织中线粒体的生物合成,改善能量代谢障碍[18]。

以上研究表明,黄芪提取物可以通过促进线粒体生物产生来改善机体能量代谢,延缓DCM病变,但是黄芪提取物通过调控线粒体的分裂及融合等方面影响DCM病变的研究较少,相关机制还不明确,还需进一步研究。

由上可知,黄芪提取物可以通过降低TGF-β1水平,进而延缓心肌纤维化,改善心功能,达到治疗DCM的目的。

线粒体是心肌细胞游离脂肪酸摄取和氧化,并为心肌产生三磷酸腺苷的重要场所,维持机体所需的能量平衡。解偶联蛋白2(uncoupling protein2,UCP2)是主要存在于线粒体内膜上的一种离子通道,其活性增加可促进动脉斑块形成[15-16]。而黄芪及其提取物可通过改善线粒体功能进而抑制心肌代谢障碍。

近年来,肠道稳态的破坏即肠道菌群紊乱及肠道代谢失衡都是糖尿病及其慢性并发症形成的潜在机制[19]。胰高血糖素样肽-1(glucagon like peptide-1,GLP-1)是一种由肠道L细胞分泌的肠促胰岛素激素,具有十分重要的心血管保护作用。黄芪及其提取物可通过影响肠道菌群稳态及肠促胰岛素水平来改善代谢障碍。

黄芪注射液可以提高GLP-1水平,提高大鼠的左室射血分数(left ventricular ejection fraction,LVEF)、左心室短轴缩短率(left ventricle fractional shortening,LVFS),改善心功能,且GLP-1水平与LVEF、LVFS呈正相关有关[20]。有研究表明,黄芪囊泡样纳米颗粒还可以通过提高有益菌相对丰度,降低有害菌相对丰度来调控肠道菌群的稳态,降低厚壁菌门/拟杆菌门比例进而改善降低DM小鼠血糖[21]。

由上可知,黄芪不仅可通过提高GLP-1水平治疗DCM,还可调控肠道菌群中的菌群丰度来改善糖代谢和心功能,也为中药治疗DCM提供了新靶点。

2 抗应激与炎症反应

氧化应激、内质网应激及炎症对DCM的发生发展有着重要作用,黄芪及提取物有良好的抗氧化、抗内质网应激及抗炎作用,黄芪减轻心肌的应激损伤及炎症损伤是保护糖尿病心肌细胞的重要手段。

2.1黄芪的抗氧化应激作用

对照组输液量小于镇静组（t=-2.83，P＜0.01），其余指标差异无统计学意义（P＞0.05，表1）。

氧化应激在DCM的发展过程中占据重要作用,其主要表现在氧化应激标志物如过氧化物岐化酶(superoxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)、丙二醛(malondialdehyde,MDA)等的提高及活性氧(reactive oxygen species, ROS)的存在,可促进细胞调亡导致DCM发展。而黄芪及其提取物可明显抑制心肌的氧化应激损伤。

2.2 构建CRC基因编辑小鼠模型 小鼠是肿瘤研究最常用的动物模型，传统的基因工程小鼠模型受限于大量的杂交、肿瘤生长周期长，而CRISPR/Cas9技术大大提高了制作动物模型的效率。Torres等[23]首次报道了应用CRISPR/Cas9技术构建癌症模型的研究。常规的