胰島β細胞功能紊亂與2型糖尿病以及中藥的干預

王克柱，劉保林

中國藥科大學 中藥藥理教研室，南京 211198

糖尿?。╠iabetes mellitus，DM）是一組由遺傳和環(huán)境因素共同作用而引起的臨床代謝綜合征[1]。胰島β細胞功能紊亂和胰島素抵抗是2型糖尿病的兩個發(fā)病機制。早期胰島β細胞通過胰島素高分泌來代償這種胰島素抵抗狀態(tài)，來維持正常血糖水平，但是，到達某一個點以后，不能夠分泌足量的胰島素時，此時就會發(fā)生糖尿病[2]。本文主要對胰島β細胞功能紊亂發(fā)生機制及相關(guān)藥物改善胰島β細胞功能的作用作一綜述。

1 2型糖尿病患者胰島β細胞分泌胰島素特點

正常人的胰島素分泌呈現(xiàn)雙相性。餐后血糖的迅速升高可引起胰島素的快速釋放，3至5 min達到高峰，之后迅速下降，此過程持續(xù)10 min左右，稱之為“第一相胰島素分泌”，之后胰島素分泌緩慢增加，并持續(xù)數(shù)個小時，直至血糖水平恢復正常，稱之為“第二相胰島素分泌”[3]。葡萄糖誘導的胰島素第一時相分泌受損是胰島β細胞功能障礙的最早標志之一，在2型糖尿病早期階段，第一時相胰島素分泌減少或者消失，常低于50 mU·L-1，由于第一時相異常導致血糖升高，使第二時相胰島素分泌量增加，且分泌峰值時間向后推移。隨著患者胰島功能的衰竭，第二時相可無峰值出現(xiàn)，最后基礎(chǔ)分泌也逐漸消失[4]。

2 糖尿病發(fā)展過程中，胰島β細胞功能紊亂的五個時相

Weir[5]等認為糖尿病發(fā)展過程中存在5個時相，每個時相都存在胰島β細胞體積、表型和功能的變化。第一時相（代償期）：胰島素分泌增多補償胰島素抵抗，以維持機體血糖平衡。此時相胰島β細胞復制及胰島新生與胰島細胞凋亡尚保持一定的平衡，胰島體積有所增大，仍然保持了葡萄糖介導的急性胰島素分泌的胰島β細胞分化功能。第二時相（穩(wěn)定適應期）：在血糖濃度維持在5.0～6.5mmol·L-1時，糖刺激所致的胰島素分泌尚維持正常，但口服糖負荷所引起的胰島素第一時相分泌能力顯著下降而出現(xiàn)糖耐量異常，而第二時相的胰島素分泌上維持正常。此時相胰島β細胞數(shù)量及功能雖基本穩(wěn)定，但胰島細胞表征缺失和分化停止，伴有促凋亡的基因表達增加。第三時相 （早期不穩(wěn)定失代償期）：當血糖水平繼續(xù)快速升高到7.3 mmol·L-1時，就進入了短暫的早期不穩(wěn)定失代償期。此時胰島增生與胰島素抵抗關(guān)系出現(xiàn)失代償，不再相適應，胰島體積減小和胰島素分泌下降，病人可出現(xiàn)多尿和體重下降等癥狀。第四時相（穩(wěn)定失代償期）：此期仍有部分胰島β細胞分泌足量的胰島素，防止酮酸癥的發(fā)生。大部分的2型糖尿病患者此時相會持續(xù)一生。研究表明，2型糖尿病患者此時相中胰島β細胞數(shù)量可以減少到50%，胰島β細胞去分化嚴重。第五時相（嚴重失代償期）：胰島形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，胰島纖維化，β細胞數(shù)量損失嚴重，不能分泌足量的胰島素，從而產(chǎn)生酮酸癥和嚴重高血糖（見圖1）。

圖1 糖尿病發(fā)生發(fā)展的五個階段示意圖

3 胰島β細胞產(chǎn)生功能紊亂的原因

3.1 糖毒性

糖毒性在2型糖尿病發(fā)展過程中起著非常重要的作用。當血糖持續(xù)升高，超過16.6 mmol·L-1時，胰島素的分泌量不但不隨血糖的升高而增加，反而會使β細胞分泌胰島素的能力顯著降低而發(fā)生持續(xù)高血糖現(xiàn)象，這就是所謂的“高血糖毒性作用”。這種高血糖毒性作用可以嚴重損傷胰島β細胞功能，胰島功能損害開始表現(xiàn)在有更多的未成熟的胰島素原進入血液循環(huán)，使成熟的胰島素數(shù)量減少，高血糖使胰島素的質(zhì)量下降，胰島素的降血糖作用減弱，從而使血糖迅速升高，加重持續(xù)高血糖現(xiàn)象，進而胰島素分泌量減少和高血糖走向惡性循環(huán)[6]。高血糖主要是通過氧化應激反應損傷胰島β細胞，使胰島細胞分泌胰島素異常。其可能的機制是：體內(nèi)過度升高的血糖經(jīng)過胰島β細胞代謝后，產(chǎn)生大量的活性氧自由基（ROS），與機體肝臟等其他組織細胞相比，胰島β細胞內(nèi)超氧化物歧化酶等抗氧化酶水平低[7]，導致ROS在體內(nèi)蓄積。蓄積的ROS可以通過直接抑制胰島素基因的轉(zhuǎn)錄、表達，也可以抑制胰腺-十二指腸同源盒-1（PDX-1）mRNA的表達、MafA蛋白的表達以及促進凋亡，共同抑制胰島素的分泌，導致胰島β細胞功能損傷，進而導致糖尿病的發(fā)生（見圖2）。

3.2 脂毒性

圖2 氧化應激與胰島β細胞功能紊亂的關(guān)系體內(nèi)過高的葡萄糖經(jīng)三羧酸循環(huán)產(chǎn)生過多的活性氧（ROS）。胰島β細胞內(nèi)抗氧化酶水平低，導致ROS在體內(nèi)蓄積。蓄積的ROS直接損壞胰島β細胞。

臨床上不難發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病病人在高血糖的同時，往往伴有一系列脂質(zhì)代謝異常，以循環(huán)游離脂肪酸（FFA）和甘油三酯水平升高為主[8]，還會伴有不同組織脂肪異位沉積[9]。故有學者提出了“脂毒性”學說：即高水平的FFA短期內(nèi)可以刺激胰島素分泌，長期則再酯化異位沉積于非脂肪器官，致使周圍組織對胰島素的敏感性降低，并使胰島細胞功能受損，最終導致T2DM的發(fā)生。細胞實驗證實：胰島細胞在高FFA環(huán)境中培養(yǎng)超過24～48 h（小時），葡萄糖刺激的胰島素分泌（GSIS）功能不同程度地受到抑制[10-13]。說明高FFA長期刺激胰島細胞則導致胰島β細胞功能異常。目前認為FFA升高損傷胰島β細胞功能的機制有以下幾個方面：（1）FFA影響胰島素原基因的轉(zhuǎn)錄、活化、表達[14]；（2）FFA使β細胞線粒體氧化磷酸化解耦連[15]，抑制胰島素的分泌；（3）促進胰島β細胞凋亡[16]等。

3.3 糖基化終末產(chǎn)物（AGEs）

高級糖基化終末產(chǎn)物（AGEs）是指在無酶催化條件下，葡萄糖分子游離醛或酮基與蛋白質(zhì)氨基通過親核加成反應形成糖基化蛋白。近年大量研究證明，在高血糖狀態(tài)下蛋白質(zhì)發(fā)生的非酶糖基化在糖尿病慢性并發(fā)癥的發(fā)病中起著重要作用。AGEs毒性主要途徑是：AGEs與AGEs受體（RAGE）結(jié)合，激活一系列胞內(nèi)信號通路，促使細胞產(chǎn)生血管細胞黏附分子（VCAM-1）[17]、內(nèi)皮細胞粘附分子（ICAM-1）和一些炎性因子如白介素-1（IL-1）、白介素-6（IL-6）、腫瘤壞死因子（TNF-α）、血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）[18]。炎性因子可以作用于胰島素通路，阻斷了胰島素的分泌及作用（見圖3）。

圖3 高級糖基化終末產(chǎn)物（AGEs）誘導胰島β細胞功能紊亂的原理圖

AGEs與AGEs受體（RAGE）結(jié)合，激活一系列胞內(nèi)信號通路，包括核轉(zhuǎn)錄因子（NF-κB）。NF-κB激活后，促使細胞產(chǎn)生一系列的粘附因子（VCAM-1，ICAM-1）以及炎性因子（TNF-α，IL-6，VEGF)。炎性因子可以作用于胰島素通路，阻斷了胰島素的分泌及作用。

4 中藥成分改善胰島細胞功能紊亂

目前上市的口服降糖藥主要有磺酰脲類（格列苯脲系列）和雙胍類（二甲雙胍）等。前者因通過刺激胰島β細胞分泌胰島素而表現(xiàn)出較強的降糖作用，一直作為一線藥而應用。國外多項基于長期臨床觀察的調(diào)查表明，長期服用格列苯脲系列藥物控制血糖并不能有效阻止糖尿病的發(fā)展和心血管并發(fā)癥的發(fā)生，糖尿病的致殘率和致死率并無顯著下降，而胰島功能紊亂持續(xù)性發(fā)展或缺失是其重要原因。有報道，臨床2型糖尿病人的胰島體積只有正常人的50%[19]。在胰島結(jié)構(gòu)和功能已顯著受損的情況下，繼續(xù)給予磺酰脲類藥物刺激胰島素分泌，無疑是加重胰島的負擔，使其長期超負荷運轉(zhuǎn)，最終導致胰島功能的不可逆型缺失。二甲雙胍降糖作用雖然較弱，因其通過改善胰島素抵抗，增加組織對糖的攝取利用而表現(xiàn)出胰島素增敏作用，有效減輕了胰島的負擔，表現(xiàn)出改善胰島功能的有效作用。臨床調(diào)查已證明，長期服用二甲雙胍可有效降低2型糖尿病的發(fā)展和減少心血管損害并發(fā)癥的發(fā)生，并可有效降低死亡率。所以二甲雙胍在沉寂十多年后，又重返口服降糖一線藥[20]。

目前上市的治療2型糖尿病的中藥新藥制劑達30余種，只注重考慮刺激胰島細胞，促進胰島素的分泌；在藥效評估中偏重單純的降糖作用，而對糾正胰島功能紊亂和改善胰島素抵抗認識不足。因此針對改善胰島功能紊亂設(shè)計的中藥新藥尚未問世，但學者們也在這方面做了一些中藥成分的研究。

陳培[21]研究發(fā)現(xiàn)，銀杏葉提取物（extract Gingko biloba，EGb）表現(xiàn)出對胰島β細胞的保護作用。銀杏葉提取物的主要成分是以黃酮苷形式存在。此類化合物中含有不飽和基團，易受氧化攻擊，分子進入細胞后，參與了氧化還原反應，消耗了活性氧自由基等，從而表現(xiàn)出強大的抗氧化、清除自由基、抑制脂質(zhì)過氧化等作用能力[22]。銀杏葉提取物可以通過降低胰島β細胞內(nèi)的氧化性的物質(zhì)的含量，部分逆轉(zhuǎn)環(huán)境變化導致的氧化應激，改善胰島β細胞功能結(jié)構(gòu)和胰島素分泌功能。大鼠2型糖尿病模型中，此類化合物表現(xiàn)出促進胰島β細胞分化增殖、促進細胞活化等作用，其可能的機制是：降低體內(nèi)ROS的蓄積，促進PDX-1 mRNA的表達、MafA蛋白的表達以及抑制β細胞的凋亡。

山藥多糖（yam polysaccharide）是從山藥塊莖中分離提取的活性成分，實驗證明，山藥多糖對于糖尿病動物具有明顯的降糖作用，其降糖機理可能是通過保護糖尿病大鼠的胰島細胞來實現(xiàn)的[23-24]。楊宏莉[25]采取體外培養(yǎng)大鼠胰島細胞發(fā)現(xiàn)，胰島細胞在高糖刺激下，山藥多糖可以顯著的提高胰島素的釋放量，對胰島細胞增殖有明顯的促進作用，保護其活性，其機制與凋亡抑制基因（bcl-2）表達增強有關(guān)。Bcl-2的表達增強抑制了胰島細胞的凋亡，這提示山藥多糖對糖尿病病變導致的胰島細胞損傷修復可能發(fā)揮一定的作用。

劉曉萍[26]探討了石參水提物對高脂飲食誘導的2型糖尿病小鼠模型的影響。結(jié)果顯示，石參水煎液能明顯降低2型糖尿病小鼠的空腹血糖，顯著改善受損的葡萄糖耐量，促進胰島素的分泌，降低血清甘油三酯和游離脂肪酸水平，對胰島β細胞具有一定的保護作用。鏈脲佐菌素（STZ）誘導糖尿病的作用機制是通過誘導產(chǎn)生大量的ROS，破壞胰島細胞，導致胰島細胞壞死和胰島素分泌減少而誘發(fā)糖尿病[27]。Lin等人[28]發(fā)現(xiàn)，石參水提物中含有黃酮類、皂苷和還原性多糖，而大部分的黃酮類衍生物都表現(xiàn)有強烈的抗氧化活性。Yen等[29]研究表明，石參甲醇提取物在體外能顯著降低ROS活性，顯示出良好的抗自由基活性，進而推測石參醇提物保護胰島細胞功能，促進胰島素分泌的功能很有可能由其抗自由基活性所介導。同時石參醇提物可以降低血清甘油三酯和游離脂肪酸水平，表明石參可以改善糖尿病小鼠脂質(zhì)代謝紊亂的作用。胰島素抵抗與游離脂肪酸循環(huán)有密切的關(guān)系，游離脂肪酸的升高會導致骨骼肌胰島素抵抗和肝臟的胰島素抵抗。此外，氧化應激也可以導致胰島素抵抗。故而推測石參醇提物通過降低循環(huán)中的游離脂肪酸或減輕氧化應激水平，進而改善糖尿病小鼠胰島素抵抗。

大量研究表明，植物中的黃酮化合物，如槲皮素、蘆丁、兒茶素等B環(huán)上有鄰酚羥基的化合物具有較強的抗氧化性作用。研究表明，番石榴葉中含槲皮素或槲皮素苷元的黃酮類化合物，對糖尿病小鼠胰島組織結(jié)構(gòu)及合成分泌胰島素功能具有保護作用。王波[30]在STZ制備糖尿病小鼠模型中，對胰腺組織免疫組化和HE染色發(fā)現(xiàn)，糖尿病小鼠胰島組織結(jié)構(gòu)發(fā)生病理性的改變，如胰島中出現(xiàn)淀粉樣沉淀，胰島和胰島β細胞的數(shù)目、密度、體積減少，胰島素表達減少，胰島β細胞變性，β細胞凋亡增加。胰島損傷的結(jié)果造成了胰島β細胞功能障礙，胰島素合成和分泌減少，導致糖尿病進一步惡化。在給予番石榴葉提取物后，發(fā)現(xiàn)糖尿病胰島病理改變減輕，主要表現(xiàn)為胰島的數(shù)目和體積增加，內(nèi)分泌細胞變性程度減輕，抑制糖尿病的繼續(xù)惡化。其可能的原因與其抗氧化作用抑制自由基生成，或清除過量的氧自由基有關(guān)。

檳榔堿是從中藥檳榔果中提取的生物堿。元竹青[31]在研究高果糖誘導的大鼠2型糖尿病模型基礎(chǔ)上，采用檳榔堿干預模型大鼠，從胰腺組織形態(tài)觀察，TUNEL凋亡檢測都可以發(fā)現(xiàn)5 mg·kg-1檳榔堿有較好的胰腺細胞保護作用。對凋亡關(guān)鍵基因Bc1-2/Bax檢測發(fā)現(xiàn)，5 mg·kg-1檳榔堿能夠上調(diào)Bc1-2/ Bax比值，提示檳榔堿保護胰腺細胞可能是通過上調(diào)抑制凋亡基因，減少細胞凋亡，增加細胞數(shù)量相關(guān)。在研究胰島素分泌受損中，發(fā)現(xiàn)檳榔堿能有效逆轉(zhuǎn)2型糖尿病模型大鼠胰腺PDX-1基因表達，使其水平降低，同樣能增加糖尿病模型大鼠胰腺中與胰島素分泌及糖代謝密切相關(guān)的胰島素（insulin）、葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白2（GLUT2）、葡萄糖激酶（GK）的基因表達，有效地增強了胰島素的分泌。

5 小 結(jié)

胰島β細胞功能的正常對維持血糖平穩(wěn)有相當重要的作用，尤其是胰島β細胞的“第一相胰島素分泌”對控制餐后血糖起到關(guān)鍵性作用。當β細胞功能受損時，胰島素分泌障礙，控制血糖水平降低，反之，當血糖持續(xù)升高時，高血糖會反過來進一步損傷胰島β細胞，加重了胰島β細胞的負擔，導致病情惡化。從胰島β細胞功能代償期發(fā)展到糖尿病期，經(jīng)歷了五個時期，需要較長的時間。前三期通過藥物干預可以保護及改善胰島β細胞功能，從而延緩糖尿病病程，減少并發(fā)癥的發(fā)生，提高患者的生活質(zhì)量。

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