潘東進(jìn),李嘉英,梁莉芬,姚紹嫦,梁方方,唐振洲**
(1.廣西中醫(yī)藥大學(xué)海洋藥物研究院,廣西南寧 530200;2.廣西中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院,廣西南寧 530200)
隨著人們生活水平的不斷提高以及生活方式的改變,肥胖已成為世界范圍內(nèi)第一大流行性疾病。目前,由于肥胖問題的嚴(yán)重性和危害性,亟需開發(fā)新的降脂減肥藥物來有效防治。近年來,食物中的功能成分已成為肥胖預(yù)防和治療研究的熱點(diǎn)。一系列研究表明,巖藻黃素(Fucoxanthin)在防治肥胖方面具有顯著功效[1],對(duì)胰島素抵抗[2-4]、癌癥[5-16]以及阿爾茲海默癥[17]等神經(jīng)退行性疾病也具有抑制和改善作用。2017年的一項(xiàng)人體臨床試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),巖藻黃素具有良好的減肥作用且安全性良好[1],2020年被美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)授予食品補(bǔ)充劑新膳食成分。隨著研究的深入,將會(huì)進(jìn)一步明確巖藻黃素的作用機(jī)制和靶點(diǎn),促進(jìn)巖藻黃素作為降脂減肥產(chǎn)品的研制與開發(fā),加速臨床上的應(yīng)用進(jìn)程,使肥胖、糖尿病的治療進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代。
巖藻黃素,3′-乙酰氧基-6′,7′-二脫氫-5,6-環(huán)氧-5,5′,6,6′,7,8-六氫-3,5′-二羥基-8-氧代-β,β-胡蘿卜素,又稱褐藻素、巖藻黃質(zhì),分子式為C42H58O6,分子量為658.906,密度為1.09 g/cm3,熔點(diǎn)為166-168℃。巖藻黃素為粉末狀固體物質(zhì),不溶于水,易溶于乙醇、石油醚、正己烷、三氯甲烷等有機(jī)溶劑,在酸性、避光和低溫條件下比較穩(wěn)定,而在強(qiáng)堿、強(qiáng)光或高溫條件下都容易發(fā)生降解[18]。巖藻黃素的吸收峰位于450 nm,紅外光譜分別在3 388,1 721 cm-1處出現(xiàn)羥基和羰基的特征吸收峰。與β-胡蘿卜素和蝦青素等其他類胡蘿卜素相比,巖藻黃素的結(jié)構(gòu)特征迥然不同,巖藻黃素結(jié)構(gòu)中的丙二烯鍵和共軛雙鍵使其具有很強(qiáng)的猝滅自由基活性[18]。此外,多烯烴鏈、單環(huán)氧基、羰基和羥基使其極易被氧化和異構(gòu)化[18](圖1)。巖藻黃素分布于眾多藻類[19-29](表1)。巖藻黃素在藻類細(xì)胞中發(fā)揮光捕獲和光傳遞作用,巖藻黃素-葉綠素a/c蛋白復(fù)合體[30]使藻類即使在弱光環(huán)境下也能夠順利進(jìn)行光合作用。目前,天然巖藻黃素主要來源于海帶提取物,其含量約占海帶總色素量的60%以上。巖藻黃素的生物合成途徑仍未被完全闡明,合成途徑依次經(jīng)過八氫番茄紅素合成酶(PSY)、八氫番茄紅素脫氫酶(PDS)、ζ-胡蘿卜素脫氫酶(ZDS)、類胡蘿卜素異構(gòu)酶(CRTISO)和番茄紅素β環(huán)化酶(LCYb)等調(diào)控,但該合成途徑的最后一步仍然未知。由于巖藻黃素含量低、養(yǎng)殖成本高、提取工藝復(fù)雜,嚴(yán)重制約巖藻黃素生物合成產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,造成巖藻黃素市場(chǎng)價(jià)格十分昂貴,生物合成產(chǎn)業(yè)鏈亟需尋求突破口。
圖1 巖藻黃素的化學(xué)結(jié)構(gòu)
表1 天然巖藻黃素的主要來源
巖藻黃素在胃腸道內(nèi)被脂肪酶、膽固醇酯酶水解為巖藻黃醇,巖藻黃醇可通過淋巴系統(tǒng)進(jìn)入血液循環(huán)運(yùn)輸,少量巖藻黃醇在肝臟經(jīng)脫氫/異構(gòu)化轉(zhuǎn)化為Amarouciaxanthin A,巖藻黃醇和Amarouciaxanthin A通過異構(gòu)化、脫氫、脫乙酰基、氧化和脫甲基等一系列反應(yīng),最終被分解[31-33]。也有研究認(rèn)為,人和小鼠腸道吸收巖藻黃素后,由腸道細(xì)胞中的酶介導(dǎo)巖藻黃素酯化,酯化后的巖藻黃素被攜帶到包括皮膚在內(nèi)的多種組織[34]。巖藻黃素作為疏水性化合物,一直被認(rèn)為是通過簡(jiǎn)單擴(kuò)散的方式被腸上皮細(xì)胞吸收,巖藻黃素的正辛醇-水分配系數(shù)(logP)為11.4,親脂性高可能是其吸收有限的部分原因。影響巖藻黃素吸收速率的因素較多,包括飲食中脂質(zhì)種類和攝入量,結(jié)合基質(zhì)的穩(wěn)定性,以及其他膳食纖維等攝入物質(zhì)[35-37],將巖藻黃素與食用油或脂類結(jié)合食用,可提高巖藻黃素的吸收率[38]。由于脂溶性過高,口服巖藻黃素在人體內(nèi)的生物利用度和穩(wěn)定性較低[35-37]。但巖藻黃素和巖藻黃醇仍比蝦青素等其他葉黃素類的利用度要高[39],用阿拉伯膠和γ-環(huán)糊精乳化巖藻黃素可以提高其穩(wěn)定性和生物利用度[40]。
巖藻黃素在人體內(nèi)主要被代謝為巖藻黃醇、Amarouciaxanthin A和巖藻糖黃素[31-33],其代謝物被認(rèn)為是在體內(nèi)發(fā)揮生理功能的主要活性形式。攝入巖藻黃素24 h,其代謝物巖藻黃醇在小鼠肝臟中經(jīng)短鏈脫氫酶或還原酶作用進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為Amarouciaxanthin A[39],然后被迅速轉(zhuǎn)運(yùn)至其他組織。在大鼠肝臟中,巖藻黃素的主要代謝物也為Amarouciaxanthin A[31]。巖藻黃素、巖藻黃醇、Amarouciaxanthin A在小鼠脂肪組織中的比例分別為13%、32%和55%,在其他組織(肝、肺、腎、心、脾)中占的百分比分別為1%-11%、63%-76%和20%-26%,這表明Amarouciaxanthin A主要儲(chǔ)存在腹部白色脂肪組織,而巖藻黃醇可進(jìn)入血流并儲(chǔ)存在紅細(xì)胞、肝、肺、腎、心、脾和脂肪組織中,且主要積累在小鼠肝臟和心臟[39](圖2)。
圖2 巖藻黃素的吸收和代謝[31,32,38]
巖藻黃素對(duì)大鼠和小鼠的肝、脾、腎和性腺等均無明顯損害。Kadekaru等[41]用裙帶菜中巖藻黃素(純度>95%)給模型大鼠連續(xù)灌胃28 d,未觀察到大鼠有明顯的毒性癥狀。Beppu等[42]給ICR小鼠口服巖藻黃素(純度93%)持續(xù)30 d,單次給藥劑量為1 000或2 000 mg/kg,重復(fù)給藥劑量為500或1 000 mg/kg,受試鼠均未發(fā)生死亡或出現(xiàn)明顯的外觀異常;組織學(xué)觀察顯示,肝、腎、脾和性腺組織細(xì)胞也無異常變化。Iio等[43]研究發(fā)現(xiàn),含巖藻黃素的角刺藻油提取物的半數(shù)致死量(LD50)大于2 000 mg/kg。巖藻黃素及其代謝物不具有體外致癌、致畸、致突變性[44],500-2 000 mg/kg不會(huì)引起實(shí)驗(yàn)小鼠畸形[45]等副作用,可用于制備濃縮食品添加劑。
巖藻黃素能耦合亞油酸,使肥胖大鼠的體重、腹內(nèi)脂肪含量、甘油三脂(TG)、血糖和瘦素水平顯著降低[46-48]。Hosokawa等[49]發(fā)現(xiàn),巖藻黃素能夠緩和Ⅱ型糖尿病動(dòng)物模型KK-Ay小鼠的肥胖癥,體重抑制率可達(dá)12.5%。Woo等[50]發(fā)現(xiàn),巖藻黃素可顯著抑制高脂飼養(yǎng)的C57BL/6N小鼠體重,抑制率達(dá)20%。另外,巖藻黃素還能促進(jìn)脂類排泄,調(diào)控過氧化物酶體增殖物激活受體(PPARs)基因表達(dá),干擾肝脂肪代謝酶的活性[50],降低脂肪在小鼠肝組織中的異位沉積。2017年,日本東方職業(yè)健康協(xié)會(huì)東京分會(huì)上野檢測(cè)中心一項(xiàng)人體臨床研究發(fā)現(xiàn),巖藻黃素對(duì)肥胖人群具有良好的減肥作用,可改善輕微肥胖人群的體重[1]。目前的研究發(fā)現(xiàn),巖藻黃素可以抑制脂肪細(xì)胞分化,誘導(dǎo)白色脂肪細(xì)胞棕色化,調(diào)節(jié)線粒體生物發(fā)生和功能運(yùn)作,調(diào)節(jié)膽固醇代謝[51,52]。
脂肪細(xì)胞分化及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與肥胖、胰島素抵抗的關(guān)系是當(dāng)前研究的熱點(diǎn),抑制脂肪細(xì)胞分化可以達(dá)到預(yù)防或治療肥胖的目的。脂肪細(xì)胞分化過程涉及多轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控,起正向調(diào)控作用的轉(zhuǎn)錄因子主要有CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白(C/EBPs)、PPARs等;負(fù)調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子主要有脂肪細(xì)胞定性和分化因子1 (ADD1),又稱固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1-c (SREBP1-c)[53-56](圖3)。
圖3 脂肪細(xì)胞分化和棕色化誘導(dǎo)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及巖藻黃素的作用機(jī)制[54,64,65]
巖藻黃素及巖藻黃醇均可通過抑制過氧化物酶體增殖物激活受體γ (PPARγ)的表達(dá),實(shí)現(xiàn)抑制脂肪細(xì)胞分化,半最大效應(yīng)濃度(EC50)均小于5 μmol/L。巖藻黃素及其在白色脂肪組織中的優(yōu)勢(shì)代謝物均有降脂作用,其代謝物Amarouciaxanthin A也可抑制3T3-L1細(xì)胞的分化[57,58]。巖藻黃素及其代謝物還可抑制3-磷酸甘油醛脫氫酶的活性并抑制脂滴融合,從而起到減肥效果[59-61]。
也有研究認(rèn)為,巖藻黃素是PPARγ激活劑,可作為配體激活PPARγ和下游基因解耦聯(lián)蛋白1 (UCP1)等的表達(dá),能激活白色脂肪細(xì)胞棕色化并提高產(chǎn)熱代謝能力,如巖藻黃素可作為PPARγ完全激活劑,增強(qiáng)分化后3T3-L1細(xì)胞中PPARγ下游靶基因的表達(dá)[62]。巖藻黃素在3T3-L1細(xì)胞分化早期、中期和晚期具有不同的效應(yīng),即在3T3-L1細(xì)胞分化的不同時(shí)期添加巖藻黃素,其抑制脂質(zhì)積累和抗肥胖效應(yīng)會(huì)截然不同。Kang等[63]將3T3-L1前脂肪細(xì)胞分化分為早期(0-2 d)、中期(2-4 d)以及晚期(4 d以后) 3個(gè)階段,在分化的早期階段,巖藻黃素上調(diào)PPARγ、固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白-1(SREBP-1)和CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白α (C/EBPα)表達(dá),促進(jìn)3T3-L1細(xì)胞分化及甘油三酯的積累;在分化中、晚期階段,巖藻黃素抑制PPARγ和C/EBPα的表達(dá)。
白色脂肪細(xì)胞棕色化可促進(jìn)能量消耗并限制體重增長(zhǎng),受PR結(jié)構(gòu)域蛋白16 (PRDM16)、過氧化物酶體增殖激活受體-γ輔激活因子-1α (PGC-1α)等眾多因素調(diào)控[66],這些調(diào)控因素對(duì)于探索機(jī)體能量代謝紊亂相關(guān)的肥胖、糖尿病等代謝綜合征有重要意義。UCP1在褐色脂肪組織中特異性表達(dá),是調(diào)節(jié)產(chǎn)熱代謝的關(guān)鍵分子,利用UCP1使脂肪酸和葡萄糖氧化分解產(chǎn)生的能量以產(chǎn)熱的形式消耗,可以促進(jìn)甘油三酯的分解和利用[67,68],抑制脂肪的過度積累,使大鼠和小鼠腹內(nèi)脂肪重量顯著降低[69],從而改善肥胖[4,68,69]。PPARγ是UCP1表達(dá)的一個(gè)重要調(diào)節(jié)元件,白色脂肪棕色化及UCP1的表達(dá)必須依賴PPARγ的完全激動(dòng)劑[66,70]。激活PPARγ可以誘導(dǎo)棕色脂肪特異基因的表達(dá),促進(jìn)棕色化過程[71]。巖藻黃素是PPARγ的完全激動(dòng)劑之一,可增強(qiáng)PPARγ下游靶基因C/EBPα、PLIN、HSL、GLUT4等的表達(dá)[62]。Woo等[72]發(fā)現(xiàn),膳食巖藻黃素對(duì)PPARγ的調(diào)節(jié)[60]可刺激白色脂肪組織中線粒體內(nèi)膜UCP1的表達(dá),從而誘導(dǎo)白色脂肪細(xì)胞棕色化[31,65],提高有氧呼吸速率,促進(jìn)線粒體再生。此外,Maeda等[4]研究表明,巖藻黃素可促進(jìn)肥胖模型小鼠白色脂肪組織(WAT)中β3-腎上腺素受體Adrb3的mRNA表達(dá),而Adrb3被認(rèn)為是調(diào)節(jié)脂肪分解和產(chǎn)熱的重要原因。
與小鼠和大鼠實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同的是,0.1 μmol/L巖藻黃素及巖藻黃醇對(duì)人原代脂肪細(xì)胞沒有誘導(dǎo)棕色化效應(yīng),巖藻黃素和巖藻黃醇對(duì)人體脂肪細(xì)胞耗氧率和UCP1、CPT-1β、GLUT4等 mRNA表達(dá)均無影響,以及對(duì)PGC-1α、過氧化物酶體增殖物激活受體α (PPARα)、PPARγ、丙酮酸脫氫酶激酶4 (PDK4)、脂肪酸合成酶(FAS)及脂解酶的基因表達(dá)也無顯著影響(P>0.05)[5]。
肥胖是脂肪酸β氧化功能異常導(dǎo)致甘油三酯過度積累的結(jié)果,線粒體是脂肪酸β氧化的主要場(chǎng)所,其數(shù)量和功能調(diào)節(jié)是當(dāng)前肥胖研究的新熱點(diǎn)。巖藻黃素可猝滅氧自由基,避免生物膜的過氧化損傷,抑制肝勻漿液及線粒體中丙二醛的生成和脂質(zhì)過氧化,緩解肝線粒體腫脹[2]。此外,巖藻黃素還可以增強(qiáng)線粒體的生物合成[73]。Jang等[74]研究發(fā)現(xiàn),巖藻黃素可有效阻斷花生四烯酸聯(lián)合鐵處理引起的細(xì)胞死亡、凋亡相關(guān)蛋白procaspase-3和多聚(ADP-核糖)聚合酶表達(dá)改變、線粒體功能障礙等病理改變。Wu等[75]研究發(fā)現(xiàn),巖藻黃素能顯著上調(diào)皮下腹股溝白色脂肪和附睪白色脂肪中線粒體融合蛋白MFN1、MFN2、視神經(jīng)萎縮相關(guān)蛋白OPA1的表達(dá),而對(duì)線粒體分裂蛋白FIS1的表達(dá)沒有影響。Kang等[76]研究證實(shí),巖藻黃素使高脂膳食小鼠附睪組織中腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)和乙酰輔酶A羧化酶(ACC)磷酸化水平下降得到改善,激活了AMPK信號(hào)通路。
巖藻黃素在一定濃度下具有顯著的降血脂功效。Jeon等[68]研究發(fā)現(xiàn),海藻中的巖藻黃素不僅能夠降低C57BL/6J小鼠體重和甘油三酯水平,還會(huì)使血液總膽固醇水平降低[77]。巖藻黃素(80-320 mg/kg)會(huì)使ICR雄性小鼠血漿及肝臟總膽固醇、甘油三酯及丙二醛含量顯著降低,增加血清中高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)水平、肝臟谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)和超氧化物歧化酶(SOD)活力,其中160 mg/kg巖藻黃素效果最顯著,80 mg/kg巖藻黃素效果次之[78]。但也有報(bào)道稱,巖藻黃素單次給藥和重復(fù)給藥處理均會(huì)使ICR小鼠血漿膽固醇濃度升高。給小鼠口服巖藻黃素的劑量(500和1 000 mg/kg)遠(yuǎn)高于大鼠,但總膽固醇濃度增加的程度與大鼠實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng),甚至是更高劑量的巖藻黃素,總膽固醇水平最多增長(zhǎng)2倍。大鼠口服含0.1%的角黃素或蝦青素,血清總膽固醇水平可以增加至1.8倍和1.3倍,表明部分類胡蘿卜素可能會(huì)增加血清總膽固醇水平,促進(jìn)膽固醇的循環(huán)再利用。也有研究發(fā)現(xiàn),大鼠每天口服50 mg/kg巖藻黃素持續(xù)28 d和小鼠口服1 000 mg/kg巖藻黃素30 d,所檢測(cè)的血漿、血液中的總膽固醇水平和高密度脂蛋白水平均升高[42,43]。由以上結(jié)果可知,80-320 mg/kg低劑量巖藻黃素會(huì)使大、小鼠肝臟和血清總膽固醇含量均下降,但500和1 000 mg/kg高劑量巖藻黃素會(huì)增加大、小鼠血漿膽固醇水平,推測(cè)可能的原因是高劑量巖藻黃素作用于膽固醇代謝的某些環(huán)節(jié),如促進(jìn)膽固醇的釋放和循環(huán)利用,促進(jìn)高密度脂蛋白膽固醇合成等,從而導(dǎo)致總膽固醇水平不降反升。然而,關(guān)于巖藻黃素是否在更高劑量下增加大、小鼠體內(nèi)高密度脂蛋白膽固醇水平仍需要進(jìn)一步評(píng)估。
實(shí)時(shí)逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)(RT-PCR)和蛋白免疫印跡(Western blot)驗(yàn)證結(jié)果表明,巖藻黃素可通過上調(diào)ICR小鼠肝臟固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白2(SREBP2)的表達(dá),使其與羥甲基戊二酰輔酶A還原酶(HMG-CoA)相結(jié)合,從而抑制肝臟膽固醇的合成,同時(shí)也伴隨著肝臟中HMG-CoA還原酶蛋白表達(dá)下調(diào);通過抑制膽固醇?;D(zhuǎn)移酶(ACAT)的表達(dá)進(jìn)而抑制肝臟膽固醇的吸收;通過上調(diào)Cyp7a1基因的表達(dá)促進(jìn)膽固醇轉(zhuǎn)化為膽汁酸排出體外,刺激肝臟生成二十二碳六烯酸(DHA),且DHA可以幫助降低膽固醇水平[79]。此外,巖藻黃素可上調(diào)低密度脂蛋白受體(LDLR)蛋白的表達(dá),促使低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)快速代謝,防止動(dòng)脈粥樣硬化[78,80]。
巖藻黃素在其他方面應(yīng)用廣泛。在血糖調(diào)節(jié)方面,Maeda等[69]研究發(fā)現(xiàn),巖藻黃素可減少腹內(nèi)脂肪重量進(jìn)而減輕肥胖,通過抑制腫瘤壞死因子表達(dá)以及降低KK-Ay小鼠血糖和血漿胰島素的濃度,有效調(diào)節(jié)血糖水平。此外,巖藻黃素還能改善外圍組織的胰島素抗性,有效防止和改善Ⅱ型糖尿病。Maeda等[4]和Park等[81]研究發(fā)現(xiàn),巖藻黃素可顯著降低飲食誘導(dǎo)的肥胖鼠中空腹血糖濃度、血漿胰島素水平及胰島素抵抗指數(shù)。Woo等[50]研究發(fā)現(xiàn),巖藻黃素可使高脂飼養(yǎng)C57BL/6N小鼠中的血糖水平、血紅蛋白(A1C)和血漿胰島素濃度顯著降低,而血漿中胰高血糖素濃度無明顯變化。Nishikawa等[82]發(fā)現(xiàn),巖藻黃素能降低糖尿病KK-Ay小鼠的血糖水平,上調(diào)骨骼肌中葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-4 (GLUT4)和胰島素受體IR的表達(dá)以及蛋白激酶B (Akt)的磷酸化水平,因此認(rèn)為巖藻黃素是通過刺激胰島素信號(hào)通路促進(jìn)GLUT4表達(dá)而降低血糖含量。在成熟脂肪細(xì)胞中,巖藻黃素還可以通過抑制胰島素受體底物1 (IRS-1)的磷酸化來抑制葡萄糖的攝取。此外,巖藻黃素在降糖、抗腫瘤、抗炎癥等方面也表現(xiàn)出明顯活性[83,84](表2)。
表2 巖藻黃素在其他方面的應(yīng)用及其作用機(jī)制
多項(xiàng)研究結(jié)果表明,巖藻黃素及其衍生物對(duì)肥胖、胰島素抵抗、糖尿病等代謝綜合征疾病具有明顯的防治效果。目前,巖藻黃素的生物活性和作用機(jī)制研究主要集中在降脂方面,如誘導(dǎo)白色脂肪細(xì)胞棕色化、抑制脂肪細(xì)胞分化、調(diào)節(jié)線粒體再生功能以及調(diào)節(jié)膽固醇代謝等。雖然有研究證實(shí)巖藻黃素可以影響PPARγ和UCP1的表達(dá)和活性,但其直接作用靶點(diǎn)還需進(jìn)一步驗(yàn)證。另外,巖藻黃素代謝產(chǎn)物巖藻黃醇具有更高的生物活性,研究巖藻黃素的代謝化學(xué)對(duì)闡明巖藻黃素的降脂作用機(jī)制具有重要意義。隨著巖藻黃素作用機(jī)理研究的深入和生物利用度的提高,其在醫(yī)療保健方面有廣泛的應(yīng)用前景。
目前,國際市場(chǎng)上巖藻黃素商品多為褐藻粗提物的單方和復(fù)方制劑形式,主要用作食品添加劑、保健品及化妝品,而國內(nèi)尚未有合法流通的產(chǎn)品出現(xiàn)。因此,加快巖藻黃素生物合成研究(包括結(jié)構(gòu)修飾與改造),降低生產(chǎn)成本,提高生物利用度,可為開發(fā)出活性顯著、結(jié)構(gòu)新穎、生物利用度更高的新型抗肥胖藥物提供科學(xué)依據(jù)和保障,同時(shí)也可推動(dòng)巖藻黃素的高值化開發(fā)利用。