牛蒡多糖調(diào)控糖脂代謝的研究進展

曾 鳳 ，尹震花，申 麗 *，黃午陽

1.揚州大學醫(yī)學院，江蘇 揚州 225000

2.江蘇省中西醫(yī)結合老年病防治重點實驗室，江蘇 揚州 225001

3.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，江蘇 南京 210014

4.河南省食藥兩用植物資源綜合利用工程技術研究中心，河南 鄭州 450063

糖脂代謝是機體能量的主要來源，其穩(wěn)態(tài)平衡對機體內(nèi)外環(huán)境至關重要。糖脂代謝的病理生理學非常復雜，主要與高三酰甘油、高低密度脂蛋白、低高密度脂蛋白、胰島素抵抗和糖耐量異常密切相關[1]。2010 年以來代謝性疾病發(fā)病率每年上升1.5%，到2019 年已占全球健康總損失（亦稱疾病負擔，以DALYs 衡量）的近20%，比1990 年10.4%的代謝性疾病發(fā)病率提高了50%。2019 年，1/5 死亡率（近1100 萬）是由高血壓所導致，另有650萬人死于高血糖、500 萬人死于高身體質(zhì)量指數(shù)（body mass index，BMI）、440 萬死于高膽固醇[2]。高血糖、高BMI 和高膽固醇是肥胖的罪魁禍首，2015～2019 年我國6 歲以下兒童超重者占6.8%，肥胖者占3.6%；6～17 歲兒童和青少年超重占11.1%，肥胖占7.9%；成人（≥18 歲）超重者為34.3%，肥胖者為16.4%。超重和肥胖造成的非傳染性疾病死亡人數(shù)從1992 年的5.7%上升到2019 年的11.1%[3-4]。多項大規(guī)模的臨床和流行病學研究顯示，肥胖與糖尿病、心血管疾病、哮喘、膽囊疾病、骨關節(jié)炎以及某些癌癥的發(fā)病率之間存在顯著相關性[5]。

研究發(fā)現(xiàn)，多糖、酚類、三萜及皂苷類等天然產(chǎn)物具有干擾營養(yǎng)吸收、減少脂肪形成、增加能量消耗、抑制食欲、改變腸道微生物群組成、增加脂肪排泄等減肥功效，并且不良反應少、綠色環(huán)保[6]。其中，多糖廣泛存在于動物、植物、真菌和細菌中，具有保護肝臟、抗氧化、抗癌、抗炎、免疫調(diào)節(jié)等多種藥理活性[7]。多糖在肥胖及相關代謝疾病的防治中逐漸顯示出其潛力，香茶藨子多糖可顯著降低高脂蔗糖飲食誘導的小鼠三酰甘油和總膽固醇水平，增加高密度脂蛋白水平，從而改善脂質(zhì)積累，降低血清中炎癥因子的表達，減輕肝臟脂肪變性、炎癥和纖維化[8]。當歸多糖同樣可降低三酰甘油、總膽固醇丙氨酸氨基轉移酶、高密度脂蛋白膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇，從而減少脂質(zhì)蓄積和脂肪再生，改善肝臟脂質(zhì)變性[9]。綠蘿卜多糖通過增加緊密連接蛋白表達和結腸長度縮短改善腸道通透性，使小鼠腸道微生物組成維持在正常飲食條件下，并可調(diào)節(jié)高脂飲食誘導的脂質(zhì)代謝相關蛋白表達以及白色脂肪組織中脂肪細胞的大小[10]。牛蒡Arctium lappaL.也稱惡實、大力子，桔梗目菊科牛蒡?qū)俣晟荼局参?。性寒，味苦，無毒，瘦果和根皆可入藥，《本草綱目》記載其能“通十二經(jīng)脈，洗五臟惡氣”“久服輕身耐老”[11]。牛蒡中含有多糖、木脂素、脂肪酸、乙炔化合物、植物甾醇、咖啡?？鼘幩嵫苌?、類黃酮、萜類等化合物和揮發(fā)性物質(zhì)，其中多糖是牛蒡中重要的生物活性成分。藥理學研究和臨床試驗表明，牛蒡多糖具有降血糖、調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、抗氧化、抗炎和調(diào)節(jié)腸道菌群等藥理作用，在非酒精性脂肪肝、糖尿病、高血脂等代謝性疾病中具有潛在的開發(fā)應用價值[12-13]，本文對其在糖脂代謝中的作用及機制進行了探討。

牛蒡多糖通過5 種途徑調(diào)控糖脂代謝：①降血糖：抑制α-葡萄糖苷酶阻止機體對葡萄糖的吸收和轉運，達到降血糖作用；②調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝：激活p-AMPK，抑制其下游靶點SREBP-1 和ACC-1 調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝，達到調(diào)血脂作用；③抗氧化：抑制氧化應激關鍵生物標志物MDA，減少超氧化物、羥基和過氧化氫等活性氧產(chǎn)生，間接抑制炎癥反應與胰島素抵抗；④抗炎：抑制PKC、MAPK、JNK 和NF-κB 信號通路來抑制脂肪因子誘導的炎癥因子生成，抑制胰島素抵抗來調(diào)節(jié)糖脂代謝；⑤調(diào)節(jié)腸道菌群：增加腸道SCFAs、調(diào)節(jié)腸道菌群的組成和比例減輕炎癥，改善代謝綜合征（圖1）。

圖1 牛蒡多糖調(diào)控糖脂代謝的作用機制Fig.1 Mechanism of polysaccharides in A.lappa on regulating glycolipid metabolism

1 抑制α-葡萄糖苷酶

α-葡萄糖苷酶是生物體內(nèi)負責分解復雜碳水化合物的酶[14]。α-葡萄糖苷酶抑制劑可阻止或延遲碳水化合物的消化或吸收，通過抑制腸道α-葡萄糖苷酶阻止機體對葡萄糖的吸收和轉運，能有效降低餐后高血糖和高脂血癥，并減少高血糖氧化應激對胰腺等臟器的刺激，保護胰腺功能，減少脂質(zhì)的生成[15]。牛蒡多糖是一種有效的α-葡萄糖苷酶抑制劑。Yuan等[16]從牛蒡根中提取得到相對分子質(zhì)量為2958 的菊粉型低聚果糖，其對α-葡萄糖苷酶的半數(shù)有效抑制濃度（half maximal inhibitory concentration，IC50）為0.499 6 mg/mL。該牛蒡低聚果糖能降低鏈脲佐菌素和高脂飲食誘導的糖尿病小鼠的空腹血糖水平，快速減輕體質(zhì)量，改善糖耐量，還能減少胰島、肝和腎的損傷。王佳佳等[17]也發(fā)現(xiàn)，牛蒡根多糖具有較強的α-葡萄糖苷酶抑制活性，其IC50（0.518 4 mg/mL）與阿卡波糖的IC50（0.416 7 mg/mL）相近；同時，體內(nèi)實驗表明，牛蒡根多糖對糖尿病小鼠具有一定的治療作用，可顯著降低糖尿病模型鼠空腹血糖水平，改善糖耐量和胰腺損傷能力。上述研究顯示，牛蒡多糖能通過抑制α-葡萄糖苷酶的活性，阻止機體對葡萄糖的吸收和轉運，發(fā)揮降血糖和保護胰腺的功能。

2 調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝

AMPK 是真核生物能量平衡的主要能量傳感器和調(diào)節(jié)因子，AMPK 激活后能直接或間接調(diào)節(jié)限速代謝酶、轉錄和翻譯因子，恢復能量平衡，在脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用[18-19]。膽固醇調(diào)節(jié)元件蛋白-1（sterol regulatory element binding protein-1，SREBP-1）為p-AMPK 的下游靶點，主要通過調(diào)控下游多種脂質(zhì)合成酶基因，如硬脂酰輔酶 A 去飽和酶-1（stearoyl-CoA desaturase-1，SCD-1）、乙酰輔酶 A 羧化酶-1（acetyl-CoA carboxylase-1，ACC-1）和脂肪酸合成酶（fatty acid synthase，F(xiàn)AS）的表達來調(diào)控脂質(zhì)代謝，在游離脂肪酸和三酰甘油的合成及血清總膽固醇代謝中發(fā)揮重要作用。SCD-1 是催化飽和長鏈脂肪酸轉化為單不飽和脂肪酸（三酰甘油的主要成分）中重要的限速酶，當其蛋白水平上調(diào)時，脂質(zhì)合成增加，引起脂肪變性[20-21]。Yuan 等[16]利用鏈脲佐菌素和高脂飲食誘導的糖尿病小鼠實驗發(fā)現(xiàn)，牛蒡低聚果糖能降低肥胖小鼠的膽固醇、三酰甘油、低密度脂蛋白膽固醇水平以及提高高密度脂蛋白膽固醇水平。王佳玥[22]提取得到一種牛蒡菊糖，該牛蒡菊糖通過改善肝細胞排列分布，減少肝臟脂滴積累，下調(diào)非酒精性脂肪肝模型小鼠肝臟中脂質(zhì)代謝關鍵酶FAS 和SREBP-1c 的mRNA 表達，從而調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝紊亂。牛蒡子多糖處理高糖高脂誘導的糖尿病大鼠，不僅能降低膽固醇和三酰甘油，而且能保護糖尿病大鼠的肝臟，減少肝臟的脂肪堆積，減緩纖維化癥狀；Western blotting 實驗顯示，p-AMPK 和AMPK 的表達增加，SREBP-1 和SCD-1 的表達下降，說明牛蒡子多糖可能通過SREBP-1/SCD-1 軸調(diào)節(jié)2 型糖尿病大鼠的脂質(zhì)代謝[23]。因此，牛蒡多糖調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝的作用機制可能是通過激活單磷酸腺苷活化蛋白激酶 AMPK，抑制其下游靶點 SREBP-1 和ACC-1，從而達到降血脂作用。

3 抗氧化作用

肥胖是脂肪細胞積累大量脂肪并變大的一種現(xiàn)象。由于脂肪細胞的增生和肥大，白色脂肪沉積大量增加，白色脂肪組織產(chǎn)生一系列被命名為脂肪因子或脂肪細胞因子的活性物質(zhì)，包括纖溶酶原激活物抑制劑-1、TNF-α、抵抗素、瘦素和脂聯(lián)素等。脂肪因子誘導活性氧的產(chǎn)生，刺激發(fā)生氧化應激和胰島素抵抗。肥胖產(chǎn)生氧化應激有3 種機制：一是脂肪酸的線粒體和過氧化物酶體氧化，可在氧化反應中產(chǎn)生ROS；二是氧的過度消耗，在線粒體呼吸鏈中產(chǎn)生自由基，與線粒體中的氧化磷酸化偶聯(lián)；三是脂質(zhì)含量豐富的食物改變氧的代謝產(chǎn)生ROS[24-25]。氧化應激可引起體內(nèi)脂質(zhì)過氧化物損害肝臟，導致脂質(zhì)代謝異常，因此，減少超氧化物、羥基和過氧化氫等活性氧產(chǎn)生，增加抗氧化酶的活性可改善肥胖及相關代謝綜合征。Li 等[26]從牛蒡根部得到粗多糖和4 個水溶性牛蒡多糖（A.lappapolysaccharides，ALP）純化組分（ALP-1、ALP-2、ALP-3 和ALP-4），盡管4 種純化多糖在單糖組成、相對分子質(zhì)量和連接方式上存在差異，但均表現(xiàn)出較好的抗氧化能力。在H2O2誘導人肝癌HepG2 細胞損傷的模型中，ALP-4 清除H2O2的能力最強，與模型組相比，ALP-4 處理后A450提高42.56%；而ALP-1 的體內(nèi)抗氧化活性最好，其緩解甲硝唑誘導的斑馬魚氧化損傷能力比維生素C 高1.8%。Liu 等[27]通過水提醇沉法得到相對分子質(zhì)量為4600 的牛蒡水溶性多糖，體外抗氧化實驗表明，該多糖具有中等的ABTS 清除活性、較強的羥基自由基清除活性和鐵離子還原能力；在體內(nèi)抗氧化試驗中，水溶性牛蒡多糖顯著增強抗氧化酶活性和總抗氧化能力，并降低了衰老小鼠血清和肝臟中的丙二醛水平。喻俊等[28]用超聲波輔助熱水法提取得到的牛蒡子多糖清除DPPH、羥基自由基、超氧自由基和對鐵離子的還原力呈劑量相關性，IC50值分別為1.05、1.21、1.25、1.43 mg/mL。牛蒡低聚果糖也可降低糖尿病小鼠ROS、MDA 和一氧化氮合成酶（nitric oxide synthase，NOS）水平，同時提高超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）[16]。此外，Ding 等[29]研究發(fā)現(xiàn)，牛蒡低聚果糖對汞誘導的大鼠腎小管上皮細胞（rat renal tubular epithelial cells，NRK-52E）氧化損傷的保護作用與抑制ROS、增加線粒體膜電位以及過氧化氫酶和SOD 水平、調(diào)節(jié)Bcl-2 和Bax蛋白表達有關，提示牛蒡低聚果糖通過調(diào)節(jié)Nrf2/HO-1 信號通路，抑制細胞凋亡和氧化應激，從而保護NRK-52E 細胞免受汞誘導的損傷。簡而言之，牛蒡多糖可能通過抑制氧化應激關鍵生物標志物MDA 產(chǎn)生，減少超氧化物、羥基和過氧化氫等活性氧產(chǎn)生，增加抗氧化酶活性改善糖脂代謝紊亂。

4 抗炎作用

肥大-增生的脂肪細胞產(chǎn)生一系列細胞因子，促進單核細胞滲出至內(nèi)臟脂肪基質(zhì)轉化為巨噬細胞，啟動脂肪和單核細胞之間的促炎循環(huán)，從而促進局部產(chǎn)生促炎性細胞因子和促血管生成因子。而低度炎癥是胰島素抵抗的誘因之一，造成糖脂代謝異常[30]。牛蒡子水溶性多糖能有效調(diào)節(jié)巨噬細胞RAW264.7 和脂多糖誘導的炎癥小鼠血清中的炎性細胞因子白細胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）、白細胞介素-6（interleukin-6，IL-6）、白細胞介素-10（interleukin-10，IL-10）和TNF-α[31]。Zhang 等[32]用0.5 mol/L NaOH溶液從牛蒡子中成功提取得到堿溶性多糖，這是相對分子質(zhì)量為1.2×105的均一多糖，由鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、葡萄糖和半乳糖以1.2∶4.4∶0.9∶0.9∶2.6 的物質(zhì)的量比組成。該堿溶性多糖能顯著抑制脂多糖處理的巨噬細胞和炎癥小鼠血清中一氧化氮和促炎細胞因子（IL-6、IL-1β 和TNF-α）的產(chǎn)生，增加抗炎細胞因子IL-10 的產(chǎn)生；體內(nèi)外實驗表明，其通過調(diào)節(jié)抗炎因子的比例平衡有效緩解細胞炎癥。此外，牛蒡水溶性果聚糖還有腸道炎癥抑制作用，能顯著改善結腸炎引起的促炎細胞因子（IL-1β、IL-6和TNF-α）和抗炎細胞因子（IL-10）的失調(diào)[33]。

蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）在多個與細胞增殖功能相關的信號轉導中發(fā)揮重要作用，PKC 增加核因子κB 激酶亞單位β（IKKβ）抑制劑的磷酸化，從而導致活化B 細胞的NF-κB 活化[34]。NF-κB 激活可促進多種促炎因子的表達，如：環(huán)氧合酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）、一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）和炎癥細胞因子（IL-1、IL-2、IL-6、IL-8 和TNF-α）[35]。Li等[36]檢測牛蒡子多糖對鏈脲佐菌素誘導的糖尿病大鼠中肝臟脂質(zhì)代謝因子表達的影響，結果發(fā)現(xiàn)，糖尿病大鼠肝臟中PKC-α、PKC-β 和P-選擇素的表達顯著增加，表明糖尿病大鼠肝臟中PKC 被激活，PKC 的激活誘導NF-κB p65 蛋白的上調(diào)；而牛蒡子多糖通過抑制PKC 的表達，抑制高糖誘導的細胞內(nèi)活性氧的生成，并阻斷NF-κB 通路來抑制炎癥，調(diào)節(jié)糖尿病大鼠的脂代謝。劉晶[37]用LPS 處理小鼠巨噬細胞RAW264.7 建立體外炎癥模型，進一步實驗發(fā)現(xiàn)，牛蒡低聚果糖可顯著抑制LPS 上調(diào)的IL-6、單核細胞趨化因子-1（human macrophage chemoattractant protein-1，MCP-1）和TNF-α 的mRNA 轉錄水平和蛋白表達水平，同時抑制COX-2及iNOS 的表達；實驗還發(fā)現(xiàn)，牛蒡低聚果糖可激活RAW264.7 細胞中NF-κB 信號通路，抑制LPS介導的ERK、p38 MAPK 和JNK 的磷酸化，提示該牛蒡低聚果糖通過抑制NF-κB 和MAPKs 信號通路發(fā)揮抗炎作用。糖脂代謝紊亂主要特征是炎癥反應，因此，牛蒡多糖可通過阻斷NF-κB 信號通路，抑制炎癥因子的表達，調(diào)節(jié)糖脂代謝紊亂。

5 調(diào)節(jié)腸道菌群

人類腸道菌群是1 個由100 萬億個微生物組成的復雜群落（超過1000 個種），腸道菌群的數(shù)量及比例的相對恒定對維持人體內(nèi)外環(huán)境的穩(wěn)態(tài)具有重要作用。正常的腸道菌群能維持機體能量代謝的平衡，而腸道菌群失調(diào)可引起機體能量和脂肪代謝異常、腸道屏障功能障礙、激活炎癥反應等[38-40]。短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs），如乙酸、丙酸和丁酸，主要由腸道微生物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生，具有一定的抗炎作用，在參與炎癥和免疫應答的不同細胞中呈現(xiàn)多種效應，能抑制刺激誘導的黏附分子表達、趨化因子生成，從而抑制單核/巨噬細胞和中性粒細胞募集，這在調(diào)節(jié)能量代謝和能量供應以及維持腸道環(huán)境的穩(wěn)態(tài)中起重要作用[41-42]。Zhang 等[31]采用GC-MS 法測定小鼠糞便中乙酸、丙酸和丁酸的水平，實驗顯示，牛蒡子水溶性多糖能顯著提高炎癥小鼠腸道SCFAs 的濃度。

益生元是不易消化、不易水解的碳水化合物，包括菊糖、低聚果糖、低聚半乳糖等。近年來，越來越多的研究顯示，益生元對體質(zhì)量、BMI、腰圍、脂肪沉積、血脂和慢性炎癥狀態(tài)有潛在治療作用。益生元可通過調(diào)節(jié)腸道微生物群來降低LPS 的產(chǎn)生，以減少腸道低度炎癥、改善腸道屏障完整性、調(diào)節(jié)內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)改善代謝平衡、促進腸道L細胞的飽腹感肽誘導飽腹感等方式改善肥胖，這可能是治療和預防肥胖及相關代謝紊亂的新方法[43-44]。牛蒡多糖益生元也可能通過調(diào)控腸道微生物群，降低腸道低度炎癥，改善腸道屏障的完整性，從而改善代謝平衡，促進體質(zhì)量減輕。

李丹丹[45]提取得到的牛蒡菊糖型益生元，其主要是由12個呋喃型的果糖以β-(2→1) 糖苷鍵相連、末端1個吡喃型的葡萄糖以α-(1→2) 糖苷鍵連接到果糖上的線性直鏈結構。小鼠體內(nèi)實驗表明，牛蒡菊糖對腸道益生菌-雙歧桿菌和乳酸桿菌生長有增殖作用。Wang 等[33]從牛蒡中獲得一種水溶性多糖組分，結構表征發(fā)現(xiàn)該水溶性多糖是一種相對分子質(zhì)量為5120 的果聚糖，用此牛蒡果聚糖處理葡聚糖硫酸鈉誘導的結腸炎小鼠，能顯著增加腸道菌群中厚壁菌門、瘤胃球菌科、鉤端螺旋體科和乳桿菌的豐度，并顯著抑制變形菌門、產(chǎn)堿桿菌科、葡萄球菌和擬桿菌門的水平。徐永杰等[46]實驗也發(fā)現(xiàn)，牛蒡多糖能有效調(diào)節(jié)小鼠腸道菌群，劑量相關性地顯著促進小鼠腸道中乳桿菌和雙歧桿菌的增殖，但對腸球菌和腸桿菌并沒有顯著的影響。研究表明，雙歧桿菌能否利用果聚糖與聚合度密切相關，雙歧桿菌能利用短鏈的菊糖和低聚果糖，但不能利用長鏈菊糖[45]。此外，堿溶性牛蒡多糖還能通過降低微生物多樣性和調(diào)節(jié)腸道微生物群的組成和比例來減輕炎癥、改善代謝綜合征[32]。

因此，牛蒡多糖可通過提高SCFAs、降低微生物多樣性、調(diào)節(jié)腸道菌群微生物的組成和比例減輕炎癥，間接調(diào)節(jié)糖脂代謝紊亂，改善相關代謝綜合征。

6 結語

牛蒡多糖調(diào)節(jié)肥胖及相關代謝疾病的研究在細胞和動物水平皆有所開展，且以動物為主?，F(xiàn)有的細胞和動物研究表明，牛蒡多糖可有效調(diào)控糖脂代謝相關疾病，如糖尿病、高脂血癥、非酒精性脂肪肝等，其作用機制主要包括降血糖、調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝、抗氧化、減輕炎癥、調(diào)節(jié)腸道菌群紊亂和維護腸道屏障完整性等多種途徑，但是否存在協(xié)同作用以及如何協(xié)同目前尚不清楚。牛蒡多糖調(diào)控肥胖及其相關代謝疾病在人體臨床及流行病學方面的研究幾乎空白，動物和人體在有效劑量和吸收代謝方面差異較大，同時，牛蒡多糖在進入體內(nèi)復雜環(huán)境后，以何種形式發(fā)揮相應作用仍值得探討，今后研究也應該考慮其代謝物影響。多糖的化學結構是其生物活性的基礎，不同結構的牛蒡多糖生物活性存在明顯差異，但目前關于牛蒡多糖的結構研究主要圍繞在粗多糖，對純多糖的結構研究較少，且集中在一級結構，對牛蒡多糖高級結構的研究有限，構象影響生物活性的相關性不明。因此，牛蒡多糖的構象、高級結構及其與生物活性之間的關系，牛蒡多糖調(diào)控機體糖脂代謝的有效劑量、作用機制及體內(nèi)代謝過程均有待系統(tǒng)深入研究。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突