海藻中生物活性物質(zhì)對(duì)糖尿病的影響

劉詠軒,馬冠初,趙 林,姜康佳,孫 欣,李昆侖,岳秋林

齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 生物工程學(xué)院,濟(jì)南 250353

糖尿病(DM)是一種與內(nèi)分泌系統(tǒng)代謝紊亂相關(guān)的慢性疾病,其主要特征為血液中葡萄糖濃度較高。糖尿病分為兩種主要形式,一種是由于自身免疫系統(tǒng)介導(dǎo)的胰島細(xì)胞發(fā)育不全或者胰島細(xì)胞受損而導(dǎo)致的胰島素分泌絕對(duì)不足引起的1型糖尿病(T1DM),多發(fā)于青少年人群,這種情況一般只能通過胰島素注射來治療[1],其他的藥物治療效果相對(duì)不好。另一種是由于胰島素分泌不足和胰島素抵抗所導(dǎo)致的胰島素相對(duì)缺乏以及胰高血糖素水平增加而引起的2型糖尿病(T2DM),多發(fā)于中老年人,同時(shí)多伴隨著肥胖等病癥[2]。

世界衛(wèi)生組織(WHO)預(yù)測,全球糖尿病患者總數(shù)將從2012年的3.71億增加到2030年的近5.52億[3]。其中,T2DM約占全球糖尿病病例的90%[4]。 T2DM的病理過程包括胰島β細(xì)胞功能的惡化,慢性高血糖癥以及肌肉骨骼和脂肪組織中的胰島素抵抗[5],在任何醫(yī)學(xué)診斷或表現(xiàn)之前,并發(fā)癥可能會(huì)潛伏很長時(shí)間。通常,在診斷出糖尿病時(shí),胰島β細(xì)胞的功能會(huì)降低到正常水平的50%[6]。在正常個(gè)體中,胰島β細(xì)胞會(huì)將恒定水平的胰島素釋放到血液中,這將在食物攝入時(shí)增加血液中激素水平。餐后胰島素釋放以及血糖水平的升高,會(huì)抑制腎臟和肝臟分泌的胰高血糖素進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng),從而影響各種組織對(duì)葡萄糖的吸收。餐后高血糖患者食用食物后胰島素分泌減少,對(duì)胰高血糖素釋放的抑制作用降低,從而導(dǎo)致肝臟和腎臟的葡萄糖異常,細(xì)胞攝取的葡萄糖減少,血糖水平升高[7]。攝入的內(nèi)源性葡萄糖進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)的速率超過去除率,會(huì)導(dǎo)致長時(shí)間的高濃度血糖,導(dǎo)致體內(nèi)餐后血糖穩(wěn)態(tài)的控制喪失,繼而成為糖尿病[8]。

目前臨床上常用的降糖藥物包括胰島素及相關(guān)試劑,雙胍類,磺酰脲類,α-糖苷酶抑制劑,格列奈類,噻唑烷二酮類,二肽基肽酶-Ⅳ抑制劑等[9]。但是這些化學(xué)口服藥物或者注射藥物有一定的不良反應(yīng)或治療成本較高等局限性[10]。當(dāng)前的醫(yī)療保健手段采用了許多方法來調(diào)控高血糖癥,這些方法多為控制高血糖癥的病理因素和對(duì)生活方式的干預(yù)。適當(dāng)?shù)娘嬍澈腕w育鍛煉可使糖尿病的發(fā)生率降低58%[11],長期的血糖控制有助于降低T2DM患者發(fā)生微血管和大血管并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)[12]。在最近幾年中,越來越多的研究表明將食物中的某些營養(yǎng)物質(zhì)可以用來預(yù)防T2DM,某些水果、全谷類和蔬菜可以預(yù)防或降低T2DM的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[13]。

海藻作為一種常見且易食用的藥食同源原料被人們所熟知,特別是在亞洲的沿海社區(qū)。據(jù)報(bào)道,日本人每人每天食用海藻約5.3 g[14]。另外,海藻還被規(guī)定用于亞洲傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)系統(tǒng)中的多種疾病。當(dāng)前,人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到通過食用藥食同源原料來維持健康并降低包括糖尿病在內(nèi)的各種疾病的風(fēng)險(xiǎn),這已超出了基本營養(yǎng)作用的價(jià)值[15]。日常飲食中大量食用海藻可以降低某些疾病的風(fēng)險(xiǎn),例如心血管疾病和高脂血癥[16],以及乳腺癌[17]。海藻中具有新型且結(jié)構(gòu)多樣的高生物醫(yī)學(xué)潛力的生物活性化合物,這些化合物在陸生植物中通常不存在。在這篇綜述文章中,我們旨在敘述海藻中有益成分和生物活性化合物的多樣性,它們可能通過某種藥理相關(guān)靶點(diǎn)來預(yù)防或治療T2DM。

1 海藻的生物活性物質(zhì)及其對(duì)糖尿病的影響

1.1 海藻中的不飽和脂肪酸

海藻中富含不飽和脂肪酸,包括單不飽和脂肪酸(MUFA)和多不飽和脂肪酸(PUFA)。其對(duì)于維持正常細(xì)胞的生理功能非常重要,并且已在全世界范圍內(nèi)被廣泛用來制作預(yù)防包括T2DM在內(nèi)的保健食品。有研究發(fā)現(xiàn),在飲食中用多不飽和脂肪酸代替飽和脂肪酸可以有效改善葡萄糖耐受者的胰島素敏感性[18]。研究發(fā)現(xiàn)高碳水化合物的飲食不會(huì)提高非糖尿病受試者的胰島素敏感性,其原因是由單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸的共同作用來降低低密度脂蛋白膽固醇水平,但不會(huì)產(chǎn)生不良的影響[19]。用不飽和脂肪酸取代飽和脂肪酸和反式脂肪酸對(duì)胰島素敏感性有好處,并可能降低患2型糖尿病的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)于胰島素抵抗患者來說多不飽和脂肪酸飲食可以代替普通脂肪酸[20]。不飽和脂肪酸可以通過促進(jìn)細(xì)胞質(zhì)膜上葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(GLUT1)和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4(GLUT4)的豐度來刺激基礎(chǔ)葡萄糖的攝取。研究表明富含MUFA的飲食可以有效預(yù)防心血管疾病,改善2型糖尿病的血糖平衡[21]。與MUFA相比,PUFA在結(jié)構(gòu)和生理性質(zhì)上也具有重要的生物功能,參與細(xì)胞和組織代謝等。海藻作為PUFA良好的來源,約占海藻干重的2%,在海藻中主要以ω-3和ω-6脂肪酸的形式存在,二者在人類飲食中都必不可少[22]。

1.2 海藻中的膳食纖維

先前的研究表明,膳食纖維的大量攝入可以顯著降低T2DM的發(fā)生率[23]。許多國際組織提出建議,健康個(gè)體每日的膳食纖維攝入量應(yīng)為30 g/d,而對(duì)糖尿病患者而言應(yīng)為50 g/d[24]。與其他植物相比,海藻類的總纖維含量較高。每8 g海藻就可以滿足個(gè)人每日纖維需求的近12.5%,這表明少量食用海藻即可實(shí)現(xiàn)高纖維攝入,降低血糖值,因此適合T2DM的管理[25]。實(shí)驗(yàn)表明,糖尿病患者連續(xù)四周食用含裙帶菜和海帶的食物,總膳食纖維含量為正常飲食的2.5倍,結(jié)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,總膳食纖維的消耗會(huì)降低胰島素抵抗的生物標(biāo)志物含量[27]。

1.3 海藻中的海藻多糖

有研究表明,從紫菜中提取的多糖可以作為新的降解酶抑制劑,可以抑制淀粉酶的活性,從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膽固醇作用,同時(shí)對(duì)糖尿病及動(dòng)脈粥樣硬化也有一定的改善作用。從伸長海條藻中提取獲得的粗多糖顯著降低了四氧嘧啶誘導(dǎo)的糖尿病兔的血糖水平[28],并且有進(jìn)一步的研究表明,是伸長海條藻中的褐藻多糖起到了降低糖尿病兔血糖的作用。據(jù)報(bào)道,從海藻中提取的多糖也可作為胰島素分泌的刺激劑,特別是約為3 kDa的低分子量寡糖[29]。從海藻中提取的多糖和膳食纖維都可以改善飽腹感,從而有助于降低血糖水平和改善胰島素敏感性。

2 海藻的多種抗糖尿病機(jī)制

對(duì)海藻中生物活性物質(zhì)的研究是相對(duì)廣泛的,同時(shí)那些來自蔬菜和水果中的某些化合物成分也表現(xiàn)出了多種活性,包括抗糖尿病[30]。而本部分內(nèi)容中,我們將試圖討論海藻中生物活性化合物的抗糖尿病作用靶點(diǎn),包括抑制參與維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)的酶,如α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶、醛糖還原酶和蛋白酪氨酸磷酸酶1B (PTP1B)等,改善胰島素抵抗,促進(jìn)細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝取,抗肥胖,以及抗炎和保護(hù)β細(xì)胞。

2.1 海藻通過抑制α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶活性來降低葡萄糖水平

哺乳動(dòng)物中的淀粉消化主要是通過小腸中的α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶進(jìn)行的,餐后血糖濃度的突然升高是由于碳水化合物的水解所致。隨后,由α-淀粉酶作用產(chǎn)生的麥芽糖和異麥芽糖被α-葡萄糖苷酶水解,α-葡萄糖苷酶是一種存在于小腸上皮的膜結(jié)合酶,可水解產(chǎn)生葡萄糖[31]。 抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的活性均可以顯著減弱碳水化合物攝入后血糖的升高,這是預(yù)防和控制T2DM患者血糖水平的合理方法。研究發(fā)現(xiàn)從海藻中提取的許多混合物和生物活性化合物可顯著抑制這些碳水化合物水解酶的活性。

大多數(shù)研究都集中在褐藻物種上,其中巖衣藻(Ascophyllumnodosum)可能是研究最廣泛的物種,在早期的一篇報(bào)道中發(fā)現(xiàn),給鏈脲佐菌素糖尿病小鼠口服富含多酚的A.nodosum提取物會(huì)使糖尿病癥狀得到一定的改善,口服葡萄糖耐量試驗(yàn)后,空腹血糖平緩升高,體外測定實(shí)驗(yàn)提供了提取物抑制酶的能力的直接證據(jù)?？偁钷г?C.racemosa)和馬尾藻(S.schroederi)的丙酮粗提物在體外抑制α-淀粉酶活性半數(shù)有效量(ED 50)分別為0.09 mg/mL和0.58 mg/mL。 匍匐昆布藻(Halimedamacroloba)的粗制水提取物在體外抑制α-葡萄糖苷酶活性的IC50值為6.388 mg/mL。還研究了幾種棕色海藻物種的粗提物,包括團(tuán)扇藻(Padinasulcata)、羊棲菜(Sargassumbinderi)和棕葉藻(Turbinariaconoides),都可以抑制α-葡萄糖苷酶的活性[32]。據(jù)研究報(bào)道,幾種來自褐藻類(Eisenia bicyclis)的苯三酚衍生物在1 mM時(shí)具有較好的α-淀粉酶抑制活性,其中二烯酚和鵝掌菜酚的抑制作用分別為97.5%和87.5%。與二氧萘并二氫萘酚(IC50 = 472.70μM)相比,褐藻類中的氟呋喃甲酚A對(duì)α-淀粉酶(IC50=42.91μM)的抑制潛能更強(qiáng)[33]。從紅海紫菜(Odonthaliacorymbifera)分離出的幾種溴酚顯示出對(duì)啤酒酵母α-葡萄糖苷酶活性的強(qiáng)抑制作用,IC50值范圍為0.098～89.0 μM,其中2,3-二溴-4,5-二羥基芐基效果是最好的。紅海藻物種(Symphyocladialatiuscula)的溴酚也有較好的抑制釀酒酵母α-葡萄糖苷酶的效果,其中丁二醇縮水甘油醚(BDDE)(IC50=0.03 μM)表現(xiàn)出最強(qiáng)的抑制作用,其次是2,3,6-三溴-4,5-二羥基芐醇(IC50=11.0 μM)[34]。

2.2 海藻通過改善胰島素敏感性來降低葡萄糖水平

改善胰島素敏感性可能是治療T2DM最有效的手段,臨床上主要使用的兩大類藥物是雙胍類藥物(例如二甲雙胍)和噻唑烷二酮類(例如吡格列酮)。二甲雙胍可以提高體內(nèi)胰島素敏感性,從而降低血漿葡萄糖濃度,增加葡萄糖攝取并減少糖異生。盡管尚未完全闡明二甲雙胍的確切作用機(jī)制,但已證明它可通過三磷酸腺苷(AMP)激活的蛋白激酶(AMPK)依賴性的機(jī)制起作用,其藥理作用較為復(fù)雜,涉及多器官的相互作用和抗炎作用[35]。格列酮可結(jié)合于核調(diào)節(jié)蛋白過氧化物酶增殖受體γ(PPARγ),該蛋白影響胰島素敏感基因以增強(qiáng)胰島素依賴型酶mRNA的產(chǎn)生并提高細(xì)胞對(duì)葡萄糖的利用。通過以上研究可得知若尋找具有潛在抗糖尿病作用的海藻提取物時(shí),應(yīng)通過以下目標(biāo):胰島素受體底物(IRS-1),最終導(dǎo)致葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUT4)易位至質(zhì)膜,從而促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)葡萄糖攝?。籄MP依賴的蛋白激酶(AMPK)在骨骼肌中誘導(dǎo)GLUT4囊泡與質(zhì)膜融合,從而刺激葡萄糖吸收,通過激活糖原磷酸化酶來刺激糖酵解,并通過抑制糖原合成酶的磷酸化來抑制糖原合成,而在肝臟中抑制糖異生；蛋白酪氨酸磷酸酶1B(PTP1B)是胰島素的一種負(fù)調(diào)節(jié)劑,可通過胰島素受體和活化的胰島素受體亞基的去磷酸化作用起作用。

海藻提取物對(duì)胰島素敏感性影響的相關(guān)研究較少。在T2DM大鼠模型(高脂肪、高糖飲食和低劑量鏈脲佐菌素誘導(dǎo))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會(huì)影響血漿胰島素水平,其降血糖作用是由于胰島素敏感性增加而不是促胰島素作用引起的[36],這種結(jié)果可能是該海藻中含量豐富的巖藻黃質(zhì)的抗氧化作用,在小鼠中檢測到晚期糖基化終產(chǎn)物(AGE's)含量減少,表明糖尿病狀態(tài)下引起的組織損傷減少。和此結(jié)果相似的研究中,在非酒精性脂肪肝疾病(NAFLD)模型中顯示巖藻依聚糖可以類似地降低空腹血糖并降低胰島素抵抗,同時(shí)保護(hù)肝臟免受損傷,降低炎性因子含量[37]。在小鼠T2DM模型中,低分子量巖藻依聚糖和巖藻黃質(zhì)都降低了空腹血糖并增加了肝糖原含量,而巖藻黃質(zhì)增加了IRS-1,GLUT-4和PPAR-γ的表達(dá),在脂肪組織中,表明了胰島素的增敏作用,而且?guī)r藻黃質(zhì)和巖藻依聚糖的在胰島素敏感性標(biāo)記物的表達(dá)增加中表現(xiàn)出了協(xié)同作用。

從空莖昆布(Ecklonia cava)中提取的多酚類化合物可減少空腹血糖和胰島素水平,這種作用與葡萄糖-6-磷酸脫氫酶的活性降低和肝細(xì)胞受到抑制而導(dǎo)致肝糖原生成減少相關(guān),其作用機(jī)制與T2DM中過表達(dá)的葡萄糖調(diào)節(jié)基因磷酸烯醇丙酮酸羧激酶等有關(guān),同時(shí)提取物還減少了血漿和肝臟中脂質(zhì)的含量,這有可能有助于改善葡萄糖含量,因?yàn)樵黾拥闹|(zhì)與胰島素抵抗的發(fā)展呈正相關(guān)。之后的研究也證明了純化的二甲酚在糖尿病小鼠中的降血糖作用與骨骼肌中AMPK/Akt磷酸化的增加有關(guān)[38]。這些研究結(jié)論都是正確的,使用氟貝沙星誘導(dǎo)斑馬魚的糖尿病模型中多酚類化合物被證明可以增加骨骼肌中的Akt途徑并改善對(duì)肝組織葡萄糖代謝的調(diào)節(jié),海藻中生物活性物質(zhì)的效果與二甲雙胍效果類似。

2.3 海藻對(duì)糖尿病相關(guān)疾病的影響

營養(yǎng)過剩和熱量攝入過多而引起的代謝超負(fù)荷可導(dǎo)致高血糖癥和肥胖癥。 血糖和游離脂肪酸水平過高會(huì)給胰島β細(xì)胞和其他胰島素敏感性細(xì)胞帶來壓力,最終導(dǎo)致局部分泌炎性因子引起炎癥。促炎因子會(huì)釋放到全身循環(huán)中會(huì)引起其他組織,包括胰島β細(xì)胞的炎癥反應(yīng)。高血糖癥和肥胖癥引起的靶組織炎癥顯著增加了胰島素抵抗和胰島β細(xì)胞衰竭的風(fēng)險(xiǎn),從而導(dǎo)致T2DM。

海藻中多種生物活性物質(zhì)是天然的抗氧化劑,可以引起機(jī)體內(nèi)多種抗氧化機(jī)制。有人對(duì)褐藻的各種粗提物和化合物的抗氧化特性進(jìn)行了總結(jié)[39]。從空莖昆布腔藻類中提取的多酚類化合物和酶消化物被證明是可以抵抗由于高血糖而引起的氧化應(yīng)激[40]。研究表明,給予機(jī)體以10～50μg/mL的多酚和10～100μg/mL的酶消化物是可減少高濃度的葡萄糖對(duì)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的體外細(xì)胞氧化損傷的。此外,還可以減少活性氧(ROS)的產(chǎn)生,并且可以使炎癥相關(guān)的蛋白(例如核因子-κB、環(huán)氧合酶-2(COX-2)、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)的細(xì)胞過表達(dá)程度下降。

研究發(fā)現(xiàn)黃褐藻中的葉黃素、巖藻黃質(zhì)可以通過上調(diào)線粒體解偶聯(lián)蛋白-1(UCP1)的表達(dá)而顯著減少糖尿病小鼠中白色脂肪組織的重量,線粒體解偶聯(lián)蛋白-1(UCP1)是代謝熱源的重要因素。為了防止脂肪過多積聚,還可以顯著提高二十二碳六烯酸(DHA)[41]。由于UCP-1在增加能量消耗,產(chǎn)生熱量和減少ROS的產(chǎn)生中起著至關(guān)重要的作用,因此可以通過利用組織特異性UCP-1來增加產(chǎn)熱作用,并在高脂血癥期間減少能量攝入來減少體重增加和患糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)。此外,高脂飲食喂養(yǎng)10周的小鼠表現(xiàn)出了高血糖癥,高胰島素血癥和高瘦素血癥的征兆,單核細(xì)胞趨化蛋白1(MCP-1)的mRNA表達(dá)增加[42]。食用富含巖藻黃質(zhì)的裙帶菜可以使高脂飲食小鼠的脂質(zhì)含量和體重得到顯著抑制,促進(jìn)了脂肪和骨骼脂肪組織中腎上腺素基因和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白mRNA的表達(dá),此外,降低了MCP-1的mRNA表達(dá)[42]。因此通過食用海藻來控制體重增加和減輕與肥胖相關(guān)的炎癥可能是T2DM預(yù)防或治療中的有效方法。

3 總 結(jié)

綜述中我們討論了從海藻中分離出的多種生物活性化合物,這些物質(zhì)已被證明對(duì)T2DM預(yù)防或治療具有潛在的益處。通常,海藻含有大量具有不同作用機(jī)制的物質(zhì),包括與關(guān)鍵蛋白相互作用的特定機(jī)制和廣泛的非特異性機(jī)制、抗炎反應(yīng)和抗氧化酶的上調(diào),這些都可以在2型糖尿病的治療中得到適當(dāng)?shù)膽?yīng)用。海藻中富含不飽和脂肪酸,包括單不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸,添加了單不飽和脂肪酸的飲食可以預(yù)防心血管疾病,維持血糖平衡,而多不飽和脂肪酸在參與細(xì)胞代謝中起到重要作用。海藻中的膳食纖維可改善餐后飽腹感,從而有助于降低血糖水平和改善胰島素敏感性。海藻膳食纖維還有助于減輕體重或維持體重,因此有利于減輕肥胖風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)在減輕由于高血糖癥和肥胖引起的炎癥反應(yīng)方面也很有益。海藻多糖具有抗氧化和清除自由基的特性,還可以降低膽固醇,改善動(dòng)脈粥樣硬化。從海藻中分離出的酚類和非酚類化合物對(duì)T2DM的預(yù)防和治療也都具有積極影響。

某些海藻生物活性化合物的作用機(jī)制與其他已知的抗糖尿病藥物類似,可以抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的酶活,從而降低碳水化合物的消化和吸收,減弱碳水化合物攝入后血糖的升高,其效果類似于阿卡波糖,胰島素敏感性的改善效果類似于二甲雙胍。此外,海藻的生物活性化合物是天然的抗氧化劑,可以引起體內(nèi)多種抗氧化機(jī)制起作用。這類物質(zhì)還可以通過增加細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝取,減少AGE的形成,保護(hù)組織免受損傷并增強(qiáng)對(duì)胰島β細(xì)胞的保護(hù)作用以及其他功能來發(fā)揮抗糖尿病、抗肥胖癥和相關(guān)的炎癥作用。因此,海藻和海藻衍生的生物活性化合物都具有巨大的潛力,無論是作為膳食攝入的一部分,還是作為單純的藥物或補(bǔ)充劑都可以用于2型糖尿病預(yù)防和治療。