环烯醚萜苷类化合物治疗2型糖尿病及并发症机制研究概述

张月颖 张珊 布天杰 温志歌 倪青

近年来伴随着对植物药物降糖作用机制研究的逐渐深入,作为中药主要作用成分之一的萜类化合物成为研究热点。环烯醚萜属于单萜类化合物,主要结构类型有环烯醚萜苷类、裂环环烯醚萜和环烯醚萜酯,临床可发挥糖脂代谢的调节、神经系统的保护、抗肿瘤和保肝等生物活性作用[1]。环烯醚萜苷常见有梓醇、京尼平苷、栀子苷及马钱苷等,研究证实其具有降低糖尿病模型大鼠血糖血脂水平并且发挥抗炎抗氧化活性等作用[2],在2型糖尿病的治疗中得以广泛应用。

环烯醚萜苷广泛存在于玄参科、茜草科、马鞭草科以及龙胆科等双子叶药用植物中,常见于山茱萸、生地、玄参、女贞子、胡黄连、栀子和龙胆草等药物中,归纳其功效可分为养阴清热、补肾填精、清热解毒等。药理研究证实具有养阴清热功效的中药,如生地、玄参和女贞子等,其活性成分具有降血糖作用[3-4],此类中药共同富含的活性成分之一即为环烯醚萜苷。这些中药的降糖药理作用可概括为以下几个方面:减少肝糖输出、延缓肠道对葡萄糖的吸收、改善脂类代谢、减轻胰岛素抵抗以及促进胰岛素分泌等[5-11],此外其在糖尿病并发症的治疗中也受到极大关注。笔者查阅相关文献,从治疗2型糖尿病及并发症方面对环烯醚萜苷研究进展进行如下概述。

1 环烯醚萜苷可以改善胰岛素抵抗

胰岛素抵抗是2型糖尿病发生发展的中心环节,改善胰岛素抵抗是治疗2型糖尿病的主要治法之一。研究证实环烯醚萜苷类化合物可以减轻2型糖尿病胰岛素抵抗,增加肝脏、肌肉以及脂肪组织对胰岛素的敏感性,并在改善脂质分布中发挥积极作用[12-13]。

1.1 对肝脏胰岛素抵抗的作用

肝脏作为葡萄糖代谢重要器官之一,肝胰岛素抵抗表现为胰岛素作用于肝脏的受体及代谢通路发生障碍,进而导致肝脏利用葡萄糖能力下降,肝糖合成减少,血糖升高。在肝脏内,磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol3-kinase/protein kinase B, PI3K/Akt)通路是肝脏胰岛素信号传导主要通路,肝胰岛素代谢通路障碍导致肝糖异生增加,血糖升高。环烯醚萜苷类通过作用于胰岛素信号通路蛋白的表达进而阻止肝糖异生且可增加糖原合成,进而改善葡萄糖代谢。

Yan J等[14]在氨基葡萄糖诱导的人肝癌细胞研究中证实了梓醇可改善烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase 4, NOX4)介导的氧化应激并激活肝脏AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK),进而阻止了糖异生,增加了糖原合成。在经由PI3K抑制剂LY294002预处理之后,阻碍了梓醇的上述作用,这说明梓醇可能通过AMPK/NOX4/PI3K通路改善肝胰岛素代谢,进而降低外周血糖。

此外,胰岛素可通过影响肝脏酶的磷酸化修饰状态来调节糖异生作用。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)是糖异生过程中两种重要的限速酶,去乙酰化插头框蛋白-1(Forkhead box O1, FoxO1)是G6Pase和PEPCK的关键转录因子,在细胞核中作用于PEPCK和G6Pase的启动子,从而加强转录过程,促进肝脏中葡萄糖的生成。FoxO1被激活异位后,PEPCK和G6Pase的表达下降,从而抑制肝糖异生[15]。当发生胰岛素抵抗时,胰岛素对限速酶的作用减弱,PEPCK和G6Pase的活性增强,肝糖异生水平增加,血糖控制不佳。

Guo L等[16]在高糖处理的HepG2细胞研究中,发现京尼平苷可以刺激AMPK和FoxO1磷酸化,导致PEPCK和G6Pase的酶活性受到显著抑制,证实京尼平苷可基于AMPK-FoxO1信号通路激活AMPK的表达,以剂量依赖的方式抑制PEPCK和G6Pase的酶活性进而抑制肝糖异生。申美玉等[17]在探讨梓醇调控miR-143-3p干预Th17糖酵解和细胞分化的机制实验中证实了梓醇可以促进PI3K/Akt/葡萄糖转运蛋白2(glucose transporter type 2,GLUT-2)信号通路蛋白表达并抑制肝脏PEPCK和G6Pase的表达。

综上,梓醇、栀子苷等环烯醚萜苷可通过影响肝胰岛素代谢通路蛋白表达以及肝糖异生限速酶活性进而起到改善肝胰岛素抵抗的作用。

1.2 对肌肉胰岛素抵抗的作用

肌肉是除了大脑以外消耗葡萄糖较多的器官,一旦肌细胞出现胰岛素抵抗,血浆葡萄糖就很难被消耗。肌细胞胰岛素代谢同样依赖PI3K/Akt通路,在肌肉组织中胰岛素抵抗是由于“近端”信号通路发生障碍,并将其定义为可以激活Akt活性的中间体[18]。肌细胞出现胰岛素抵抗后,会消耗身体的肌糖原储备和自身的肌肉组织,因此在治疗过程中除了增加肌细胞对胰岛素的敏感性以外还应注重生肌调节因子的表达和肌细胞的生成。

XU D等[19]检测了梓醇在db/db小鼠和成肌细胞C2C12中的降血糖机制,研究发现梓醇改善了胰岛素代谢PI3K/Akt通路,增强了成肌细胞对葡萄糖的摄取,与二甲双胍作用机制不同,梓醇对PI3K/Akt信号通路的激活依赖于增加的生肌决定因子(myogenic differentiation antigen, MyoD)、肌细胞生成素(myoglobin,MyoG) 和肌球蛋白重链(myosin heavy chain, MHC)的表达,对于肌肉的生成和维持也发挥着重要作用。

此外,共激活因子1α(PPARγ coactivator-1α,PGC-1α)是与能量代谢关系密切的转录辅助活化因子之一,在线粒体合成、骨骼肌纤维类型转化等过程中发挥重要作用。骨骼肌的代谢适应性与线粒体密切相关,AMPK的活化可以诱导激活PGC-1α和线粒体的生物发生,其中包括线粒体转录因子A(transcription factor A, mitochondrial, TFAM)、过氧化物激活受体γ(peroxisome proliferator activated receptor γ, PPARγ)和PGC-1α蛋白表达的增加[20]。

Xu DQ等[21]在高糖高脂对肌细胞影响的研究中发现梓醇可通过增加骨骼肌MyoD/MyoG/MHC的表达诱导肌生成,并通过线粒体依赖性蛋白酶途径AMPK/PGC-1α/PPAR-γ和增强TFAM信号改善了线粒体功能,以此证实了梓醇可通过影响肌细胞线粒体生物发生来增强肌细胞代谢。

1.3 对脂肪胰岛素抵抗的作用

脂肪组织胰岛素抵抗的发生往往早于肝脏和骨骼肌,蛋白酪氨酸磷酸酶1B(protein tyrosine phosphatase-1 B, PTP1B)是一种非跨膜蛋白酪氨酸磷酸水解酶,与蛋白络氨酸激酶(protein tyrosine kinase, PTK)共同维持着酪氨酸蛋白磷酸化的平衡,参与细胞信号转导。脂肪细胞胰岛素受体蛋白为葡萄糖转运蛋白4(glucose transporter type 4, GLUT-4),GLUT-4向质膜移位受损被认为是导致脂肪细胞胰岛素抵抗和2型糖尿病的最早缺陷之一[22],PTP1B广泛存在于脂肪细胞上,PTP1B过表达会引起GLUT-4上的酪氨酸残基去磷酸化,从而导致其向质膜移位障碍,减少胰岛素介导的葡萄糖摄取。

Lee B等[23]通过研究生地黄中环烯醚萜苷化合物对3T3-L1脂肪细胞中的葡萄糖摄取的作用,发现环烯醚萜苷可通过PI3K/Akt通路提高GLUT-4表达水平,抑制PTP1B的表达进而改善GLUT4易位和胰岛素信号激活,进而可提高脂肪细胞的胰岛素敏感性。此外,Liu ZH等[24]在地塞米松处理的3T3-L1脂肪细胞的葡萄糖摄取研究中报道了环烯醚萜苷可以通过激活PI3K/Akt信号通路,上调GLUT4蛋白的表达,进而促进了脂肪细胞对葡萄糖的摄取利用。其团队还研究了环烯醚萜苷之一的败酱草苷通过上调胰岛素受体磷酸化水平激活PI3K/Akt信号轴,导致PI3K在磷酸化Akt之前激活,最终导致GLUT4易位,改善了葡萄糖转运能力[25]。以此证实,环烯醚萜苷能够改善脂肪细胞胰岛素抵抗,促进脂肪细胞对葡萄糖的吸收利用,其作用机制可能与调节PI3K/Akt/GLUT4胰岛素代谢通路有关。

2 环烯醚萜苷可以促进胰岛素分泌

胰岛β细胞功能障碍导致β细胞分泌胰岛素绝对不足是糖尿病后期血糖控制不佳的直接原因。进食后血糖升高刺激胰岛β细胞分泌胰岛素,由肠道L细胞分泌的促胰高血糖素样肽1(glucagon-like peptide-1, GLP-1)其主要生物作用包括刺激β细胞葡萄糖介导的胰岛素合成与分泌,对β细胞增殖与凋亡有重要影响。

2.1 抑制β细胞中质子载体表达

解耦联蛋白2(uncoupling protein 2, UCP2)是位于线粒体内膜的一种质子载体,在高糖高脂等信号的作用下,可将线粒体内膜外质子转运至内膜内,从而改变线粒体跨膜电位。β细胞葡萄糖刺激的胰岛素分泌能力及线粒体内活性氧簇(reactive oxygen species, ROS)水平依赖于线粒体跨膜电位的变化,因此可被UCP2调节。UCP2负向调节胰岛素分泌,UCP2缺陷(通过基因敲除)可改善高葡萄糖诱导的β细胞功能障碍[26-27]。

Zhang CY[28]等在京尼平苷对ob/ob小鼠血糖代谢及胰岛功能研究实验中,发现京尼平苷在胰岛细胞中可通过快速抑制UCP2介导的质子泄漏增加线粒体膜电位,提高ATP水平,关闭K(ATP)通道,并刺激胰岛素分泌,证实京尼平苷这一作用可能依赖于UCP2的方式发生。

2.2 促进GLP-1分泌

肠促胰素降糖药物主要依赖受体GLP-1R发挥作用,GLP-1在体内发挥作用后会迅速被二肽基肽酶-4(dipeptidyl peptidase-4, DPP-IV)降解而失去生物活性,因此降糖药物的开发不仅对GLP-1及其受体本身发挥作用,也有抑制DPP-IV生物活性作用。Yin F等[29]在研究3-吗啉基-斯德亚胺盐酸盐(3-Morpholinosydnonimine hydrochloride, SIN-1)对PC12细胞损伤作用中证实栀子苷可通过cAMP/PKA/CREB信号通路增强血红素加氧酶1(heme oxygenase 1, HO-1)的表达,从而保护PC12细胞免受SIN-1造成的氧化损伤。此外,Sn原卟啉IX或shRNA介导的Glp-1r敲低对HO-1活性的抑制降低了京尼泊苷对PC12细胞的神经保护作用,从而证实了栀子苷可作为一种新型GLP-1受体激动剂且可通过MAP激酶途径防止PC12细胞氧化损伤。此外,草苁蓉苷是草苁蓉的主要环烯醚萜苷,体外研究证实其可导致DPP-IV活性降低,同时增强STC-1细胞的GLP-1分泌,通过调节GLP-1的活性在体内发挥作用[30]。

综上,环烯醚萜苷主要通过改善胰岛β细胞线粒体膜电位水平及促进GLP-1分泌两方面发挥促进胰岛素分泌作用。

3 环烯醚萜苷可延缓碳水化合物吸收

减少碳水化合物的吸收可直接降低餐后血糖,人体摄入的食物中糖类包含葡萄糖、蔗糖、淀粉和果糖,与葡萄糖不同,果糖的主要代谢器官是肝,除部分代谢为葡萄糖外,主要代谢为脂肪酸,后者进一步合成甘油三酯增加脂肪肝的发病风险和胰岛素抵抗,其余甘油三酯可被转运至其他器官,增加肥胖和心血管系统疾病的发病风险。

3.1 降低葡萄糖转运蛋白5的表达

果糖通过葡萄糖转运蛋白5(glucose transporter 5 ,GLUT-5)进入小肠上皮细胞,通过GLUT-2扩散入血再进入肝脏,GLUT-5是整个过程的限制酶,所以每人每天能吸收的果糖总量其实是有限的,长期摄入高果糖能诱导小肠多生成GLUT-5,使得人体吸收果糖的能力得到进一步增强,从而摄入了更多热量。

Daniel MC等[31]通过模拟胃肠消化对智利浆果次级代谢产物含量和组成的影响,证实浆果成分之一的环烯醚萜苷在消化过程中具有较高的稳定性,能够降低小肠上皮细胞对果糖的摄取,实验中观察到GLUT-2、GLUT-5水平表达降低,证实环烯醚萜苷可以通过降低葡萄糖转运蛋白水平进而减少果糖的吸收起到降低血糖、减少脂肪酸作用。

3.2 抑制α-糖苷酶活性

食物中淀粉、糊精和双糖的吸收需要小肠黏膜刷状缘的α-糖苷酶,α-糖苷酶抑制剂抑制此类酶活性进而延迟碳水化合物的吸收,可降低餐后血糖。

Maria T等[32]在对杨梅降糖作用及药物活性成分研究中观察到环烯醚萜类主要存在于植物叶子中,可通过水醇浸渍提取获得,并且表现出较好的α-糖苷酶抑制性。此外,国外一项针对使用高效液相色谱分析相结合的方法,对全植物的紫盆花甲醇提取物进行了深入的植物化学展开的研究证实,环烯醚萜苷显示出强大的α-葡萄糖苷酶抑制活性(IC50=100 μg/mL),高于阳性对照阿卡波糖(IC50=196 μg/mL)[33]。

以上结果表明,环烯醚萜苷可以通过抑制小肠上皮细胞GLUT-5的表达降低果糖的吸收、减少脂肪酸沉积以及通过抑制α-糖苷酶活性起到延缓葡萄糖吸收作用,进而对降低餐后血糖发挥积极作用。

4 环烯醚萜苷可以减轻糖尿病炎症反应

在2型糖尿病及并发症的发生过程中,氧化应激环境造成的慢性炎症水平提高对胰腺组织等胰岛素靶器官有直接影响作用,导致血糖及组织炎症因子水平升高[34]。通过降低炎症因子水平阻断氧化应激是治疗2型糖尿病及并发症重要机制之一。

4.1 抑制核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)等转录因子的活性

NF-κB通路是对氧化应激最敏感的胞内信号传导途径之一,从转录水平上调控炎症因子的表达。过氧化物酶体增殖物激活受体α(peroxisome proliferator-activated receptor α, PPAR-α)是葡萄糖和脂质稳态的重要调节剂[35],活化的PPARγ可以通过抑制NF-κB等转录因子的活性来负向发挥间接转录调控的效应,明显抑制炎症反应,PPARγ/NF-κB 信号途径为调控炎症的一个重要靶点[36-37]。

王冉冉等[38]通过观察梓醇对2型糖尿病大鼠损伤肝脏的保护作用,证实梓醇可能是通过PPARγ/NF-κB信号通路减轻其炎症反应,进而对2型糖尿病大鼠糖尿病肝损伤起到保护作用。此外,Li F等[39]报道在使用高脂饮食/链脲佐菌素诱导的糖尿病肾病小鼠中,发现京尼平苷对糖尿病肾病的保护作用与降低血糖、抑制氧化应激和炎症相关,部分参与AMPK/SIRT1/NF-κB依赖性通路,抑制下游炎症相关蛋白的表达。

4.2 清除晚期糖基化终产物,抑制糖基化终产物(Advanced glycation end products,AGEs)通路

AGEs可直接与细胞膜上受体(receptors for advanced glycation end products,rAGE)结合,启动下游MAPK、NADPH、NF-κB等通路导致组织损伤[40-42]。AGEs-rAGE其下游信号转导通路激活致大量促炎因子、促纤维因子的释放所介导的损伤是糖尿病并发症的核心病机,其中p38MAPK、4型NADPH(即NOX4)是足细胞rAGE下游的两条核心通路,与凋亡和氧化应激密切相关[35-36]。此外,糖尿病血管病变的发生与AGEs的形成和聚集有关,如糖尿病视网膜病变和糖尿病肾病等,降低AGEs的形成和聚集有利于糖尿病微血管病变的改善。

陈玉萍等[43]通过体内外研究检测了梓醇、马钱苷及其配伍对AGEs下游关键信号通路蛋白rAGE、p38MAPK和NOX4的作用,实验结果表明,梓醇、马钱苷及其配伍可以不同程度逆转糖尿病环境下rAGE、NOX4的表达上调及p38MAPK磷酸化增强。此外,Chen Y等[44]通过利用AGEs诱导自发性糖尿病肾病小鼠和足细胞损伤模型,证实马钱苷和梓醇可通过靶向AGEs-rAGE及其下游通路p38MAPK和NOX4的表达,下调肾脏AGEs水平和肾皮质rAGE蛋白的表达协同抵抗糖尿病肾病后足细胞的凋亡。吕兴等[45]在对AGEs加重链脲佐菌素诱导的糖尿病肾病小鼠中,发现环烯醚萜苷类之一莫诺苷作为山茱萸主要效应成分之一,可清除血清AGEs、抑制其生成以及降低尿蛋白水平。Shu A等[46]在构建的糖尿病肾病小鼠和AGEs诱导的小鼠肾小球内皮细胞(mice glomerular endothelial cells, MGECs)损伤模型中,证实梓醇显着降低糖尿病肾病小鼠和AGEs诱导的MGECs中的内皮功能障碍和巨噬细胞的炎症浸润,机制与梓醇抑制rAGE过表达的糖尿病肾病小鼠中的rAGE/Ras 同系物基因家族成员A(RhoA)/Rho相关激酶通路有关。

以上研究表明,环烯醚萜苷可以通过阻断NF-κB信号,抑制PPARγ活性及下游炎症相关蛋白的表达起到降低炎症因子水平的作用,还可以靶向AGEs-rAGE 及其下游通路蛋白的表达减轻AGEs对基底膜的损伤。

5 思考与展望

综上所述,环烯醚萜苷化合物在2型糖尿病治疗中疗效确切,在2型糖尿病及并发症的治疗中具有良好的前景。其通过增加靶器官对胰岛素的敏感性、促进胰岛素分泌、延缓肠道对碳水化合物的吸收以及改善糖尿病炎症反应等多方面调节糖脂代谢水平以及治疗糖尿病血管和神经并发症。

糖尿病的预防和早期发现是治疗重中之重,目前关于环烯醚萜苷在改善糖尿病糖脂代谢水平及对胰岛素作用等方面的研究仅处于探索和延缓病情进展阶段。笔者通过综述国内外环烯醚萜苷治疗糖尿病及并发症机制研究进展,望可以引起同道学者对环烯醚萜苷预防糖尿病及并发症发生的关注,这需要更深入的临床研究及科研实验来探索其相关作用及分子机理,以期进一步明确环烯醚萜苷对2型糖尿病的防治作用。