徐鋒 陳滕 汪祖華 石慧 俸婷婷 周英
黃芩為唇形科植物黃芩ScutellariabaicalensisGeorgi的干燥根,其味苦性寒,具有清熱燥濕、瀉火解毒、止血和安胎的功效,主治濕溫、暑濕等證[1]?,F(xiàn)代研究表明黃芩的活性成分復(fù)雜,主要包括黃酮類、苯丙素類、甾體類、萜類等[2]。而藥理學(xué)研究發(fā)現(xiàn),黃芩具有抗氧化、抗炎、保肝、抗腫瘤、調(diào)節(jié)免疫、抗糖尿病等活性[3-7]。近年來,對(duì)于黃芩及其活性成分抗糖尿病方面的研究較為豐富和深入,表明黃芩對(duì)于糖尿病的防治具有重要價(jià)值,但是關(guān)于其抗糖尿病的作用與機(jī)制尚未見系統(tǒng)分析和整理。因此,本文針對(duì)近十年來黃芩及其含有的黃酮類成分抗糖尿病作用及機(jī)制進(jìn)行歸納和總結(jié),助力挖掘和闡明黃芩抗糖尿病的作用機(jī)制與藥效物質(zhì)基礎(chǔ),以期為黃芩的臨床應(yīng)用及其在抗糖尿病方面的進(jìn)一步研究與開發(fā)提供參考。
據(jù)報(bào)道經(jīng)黃芩及其有效成分黃芩苷治療后,可顯著降低2型糖尿病大鼠的血糖水平,表明黃芩降糖作用確切[8-9]。研究還發(fā)現(xiàn)黃芩中黃芩苷、漢黃芩苷和黃芩素均能明顯增加胰島素抵抗HepG2細(xì)胞的葡萄糖消耗量[10-11],黃芩苷還能增加糖尿病大鼠肝糖原的含量[12]。而黃芩中的野黃芩苷能顯著降低棕櫚酸刺激HepG2細(xì)胞的脂質(zhì)累積[13]??梢婞S芩具有調(diào)節(jié)糖脂代謝的作用,該效應(yīng)是黃芩抗糖尿病不可忽略的途徑之一。
糖尿病肝臟中磷酸烯醇丙酮酸羧激酶、果糖-1,6-雙磷酸酶、葡萄糖-6-磷酸酶、糖原磷酸化酶、葡萄糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶、糖原合酶、己糖激酶和糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase 3β,GSK-3β)酶的活性均與糖的代謝密切相關(guān)。黃芩可顯著降低2型糖尿病大鼠肝組織中磷酸烯醇丙酮酸羧激酶、果糖-1,6-雙磷酸酶、葡萄糖-6-磷酸酶和糖原磷酸化酶的活性,增加肝中葡萄糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶和糖原合酶的活性,從而影響糖尿病肝臟中糖的代謝[8]。另有研究發(fā)現(xiàn)黃芩苷能顯著提高己糖激酶的活性及抑制葡萄糖-6-磷酸酶、磷酸烯醇丙酮酸羧激酶基因的表達(dá)和GSK-3β酶的活性[14-16]。黃芩素能增加胰島素抵抗HepG2細(xì)胞丙酮酸激酶和葡萄糖激酶的活性,降低葡萄糖-6-磷酸酶和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶基因的表達(dá)[11]。
可見,通過調(diào)節(jié)肝臟中與糖代謝相關(guān)酶的活性,進(jìn)而促進(jìn)糖酵解和抑制糖異生是黃芩調(diào)節(jié)糖代謝的重要途徑。針對(duì)性地調(diào)節(jié)肝臟中酶的活性,有望為黃芩治療糖尿病創(chuàng)新藥物的發(fā)現(xiàn)提供可行途徑。此外,黃芩對(duì)于其他臟器和組織糖代謝相關(guān)酶活性的影響也值得探討。
腺苷酸活化蛋白激酶[adenosine 5′-monophosphate (AMP)-activated protein kinase,AMPK]能促進(jìn)骨骼肌對(duì)葡萄糖的攝取和減少肝糖原的合成,提示AMPK是藥物發(fā)揮降血糖作用的重要靶點(diǎn)[17]。據(jù)報(bào)道黃芩苷能顯著增加糖尿病大鼠肝臟和骨骼肌中AMPK的磷酸化,表明黃芩苷可能通過激活肝臟和骨骼肌AMPK途徑,抑制肝臟糖異生和促進(jìn)骨骼肌糖原合成,從而發(fā)揮抗糖尿病作用[14-16]。黃芩苷還能顯著提高高脂飲食(high-fat diet,HFD)誘導(dǎo)小鼠和HFD+鏈脲佐菌素誘導(dǎo)小鼠肝臟和骨骼肌的AMPK、乙酰輔酶A羧化酶(acetyl CoA carboxylase,ACC)、蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)和GSK-3β蛋白的磷酸化,以及顯著增加HepG2細(xì)胞AMPK、ACC、Akt和GSK-3β蛋白的磷酸化,抑制脂肪酸合成并促進(jìn)糖原生成[18]。此外,黃芩的活性成分漢黃芩苷能激活A(yù)MPK,進(jìn)而增加過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferators-activated receptor,PPAR)-α和脂聯(lián)素的表達(dá),調(diào)節(jié)糖的代謝[19];另有研究發(fā)現(xiàn),黃芩素能增加細(xì)胞胰島素受體(insulin receptor,InsR)、胰島素受體底物1(insulin receptor substrate 1,IRS-1)、磷酸肌醇3激酶(phosphatidylin-ositol-3-kinase,PI3K)、Akt和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(glucose transporter,GLUT)-2的蛋白表達(dá),表明黃芩素能促進(jìn)葡萄糖攝取和糖酵解,抑制肝細(xì)胞糖異生,其可能是通過InsR/IRS-1/PI3K/Akt通路改善葡萄糖的代謝[11]。
黃芩能通過AMPK相關(guān)的途徑發(fā)揮調(diào)控葡萄糖代謝的作用,提示以AMPK為靶點(diǎn),應(yīng)用液相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)和分子對(duì)接技術(shù)可深入篩選黃芩抗糖尿病的活性成分。另外,雖然研究表明黃芩素能直接調(diào)節(jié)胰島素相關(guān)信號(hào)通路,但黃芩藥材整體能否作用于胰島素信號(hào)通路調(diào)節(jié)糖的代謝,目前尚缺乏直接證據(jù)。
減少糖吸收是藥物發(fā)揮抗糖尿病作用的重要途徑之一,臨床上應(yīng)用的α-葡萄糖苷酶抑制劑(阿卡波糖、伏格列波糖)即是基于該途徑發(fā)揮降糖作用[20]。抑制α-葡萄糖苷酶可以延緩碳水化合物的吸收,降低糖尿病患者的餐后高血糖。現(xiàn)代研究表明黃芩對(duì)α-葡萄糖苷酶有良好的抑制作用,具有重要的開發(fā)潛力。有研究報(bào)道利用微透析/液相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)從黃芩中篩選出了10個(gè)潛在的α-葡萄糖苷酶抑制化合物[21],另有學(xué)者應(yīng)用UPLC Triple TOF-MS/MS技術(shù)從黃芩中鑒定出抗α-葡萄糖苷酶的活性化合物13個(gè)[22]。黃芩的富黃酮提取物能顯著抑制α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶的活性,從而發(fā)揮抗糖尿病作用[23]。黃芩含有的黃酮類成分也具有良好的抗α-葡萄糖苷酶活性,研究發(fā)現(xiàn)黃芩素、漢黃芩素、白楊素、千層紙素等與α-葡萄糖苷酶有良好的親和力,并在體外表現(xiàn)出強(qiáng)大的抗α-葡萄糖苷酶活性[24]。
黃芩含有抗α-葡萄糖苷酶活性的成分豐富,但目前關(guān)于黃芩抑制α-葡萄糖苷酶或α-淀粉酶活性的研究主要集中于黃酮類成分,其他大類成分是否也具有通過抑制酶活性影響糖吸收的作用,值得探索。
機(jī)體所需的能量主要來源于糖和脂肪,糖尿病體內(nèi)的糖代謝和脂代謝關(guān)系密切,藥物在影響機(jī)體糖代謝的同時(shí)往往也會(huì)作用于脂代謝。整理文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),黃芩主要通過4種途徑調(diào)節(jié)糖尿病中的脂代謝。
首先,研究已證實(shí)AMPK是調(diào)節(jié)脂肪酸和膽固醇的合成及三酰甘油分解的關(guān)鍵因子[17]。漢黃芩苷可通過激活A(yù)MPK增加PPAR-α和脂聯(lián)素的表達(dá),PPAR-α能改善胰島素抵抗、調(diào)節(jié)胰島素分泌和加速脂質(zhì)排泄,脂聯(lián)素能促進(jìn)骨骼肌細(xì)胞的脂肪酸氧化、糖的吸收和增加糖異生作用及抑制肝臟中糖的生成,從而起到調(diào)節(jié)2型糖尿病脂質(zhì)代謝的作用[19]。此外,漢黃芩素能升高3T3-L1脂肪細(xì)胞內(nèi)脂聯(lián)素水平,并抑制3T3-L1脂肪細(xì)胞分泌脂聯(lián)素,其機(jī)制可能是通過蛋白激酶C-δ/AMPK/沉默信息調(diào)節(jié)因子1信號(hào)通路調(diào)節(jié)脂聯(lián)素的表達(dá)和分泌[25]。其次,有學(xué)者以1型糖尿病小鼠和3T3-L1脂肪細(xì)胞為載體,發(fā)現(xiàn)漢黃芩苷能通過抑制p38 MAPK和激活PPAR-α途徑下調(diào)脂肪細(xì)胞中骨橋蛋白的表達(dá),間接發(fā)揮抗糖尿病的作用[26]。另外p-62 Dok蛋白作為受體酪氨酸激酶信號(hào)通路的下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白分子,參與了肝臟的脂代謝。漢黃芩素能刺激1型糖尿病小鼠肝臟中Dok-1和Dok-2的表達(dá),進(jìn)而作用于肝臟中的脂代謝,發(fā)揮抗糖尿病的作用[27]。研究還發(fā)現(xiàn)野黃芩苷能降低棕櫚酸刺激HepG2細(xì)胞的白細(xì)胞分化抗原36、脂肪酸合成酶和ACC的基因表達(dá),下調(diào)雷帕霉素(mammalian target of rapamycin,mTOR)磷酸化和n-SREBP-1c蛋白水平,通過mTOR依賴性途徑降低肝臟的脂質(zhì)蓄積[13]。
上述研究結(jié)果表明,黃芩的活性成分對(duì)糖尿病脂代謝具有良好的調(diào)節(jié)作用,提示黃芩可能通過多個(gè)途徑發(fā)揮調(diào)節(jié)糖尿病脂代謝的作用,這也為黃芩臨床用于治療脂代謝紊亂引發(fā)的疾病(如動(dòng)脈粥樣硬化、心血管疾病等)提供了一定的依據(jù),為黃芩的開發(fā)利用拓展研究空間。
近年來,腸道菌群和腸道代謝成為藥物抗糖尿病作用的研究熱點(diǎn),通過調(diào)控腸道菌群比例失衡和干預(yù)腸道代謝是創(chuàng)新藥物發(fā)現(xiàn)的重要途徑[28]。文獻(xiàn)報(bào)道黃芩能顯著增加2型糖尿病大鼠腸道中短鏈脂肪酸產(chǎn)生菌的數(shù)量,包括擬桿菌屬S24-7組、真核細(xì)菌組、傘形菌、傘形科UCG-001、Ruminiclostridium菌和Ruminiclostridium 9菌,提示黃芩可能通過調(diào)控腸道微生物和它們的代謝產(chǎn)物發(fā)揮抗糖尿病作用[29]。而黃芩素可以降低擬桿菌屬的相對(duì)豐度,減少氫氣的產(chǎn)生,還可以通過抑制淀粉水解產(chǎn)物來調(diào)節(jié)產(chǎn)短鏈脂肪酸的腸道微生物,進(jìn)而改善糖尿病[30]。另有學(xué)者應(yīng)用糞便代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn),黃芩對(duì)2型糖尿病大鼠的鞘脂類代謝及脂肪酸代謝有影響,同時(shí)對(duì)于三羥基三甲基吲哚酮、白三烯E4、亮氨酰脯氨酸和雌二醇的含量具有調(diào)節(jié)作用[31]。
黃芩可能一方面通過入血成分對(duì)糖尿病發(fā)揮較好的干預(yù)作用,另一方面通過作用于腸道菌群和腸道代謝起到抗糖尿病的效應(yīng)。這也體現(xiàn)出中藥治療疾病是多途徑綜合作用的結(jié)果,具有復(fù)雜性和模糊性。
胰島素抵抗指機(jī)體對(duì)胰島素的敏感性和反應(yīng)性下降,常出現(xiàn)胰島素抵抗的組織主要包括肝臟、骨骼肌、脂肪等[32]。胰島素抵抗是代謝性疾病發(fā)病的重要原因,改善胰島素抵抗對(duì)于糖尿病的治療具有重要意義。研究表明黃芩對(duì)胰島素抵抗具有良好的改善作用,提示黃芩對(duì)2型糖尿病可能具有良好的治療效果,具有較好的開發(fā)前景。
黃芩提取物能顯著上調(diào)2型糖尿病大鼠肝臟中胰島素信號(hào)通路關(guān)鍵靶標(biāo)IRS-1、PI3K、Akt-2和GLUT-2基因,PI3K和Akt蛋白磷酸化及GLUT-2蛋白的表達(dá),進(jìn)而改善胰島素抵抗,發(fā)揮抗2型糖尿病的作用[8]。黃芩苷能顯著改善胰島素抵抗小鼠的胰島素抵抗、肝臟脂肪變性和脂質(zhì)沉積,提高肝臟鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶β(calcium/calmodulin-dependent protein kinase β,CaMKKβ)、AMPK和ACC的磷酸化,提示黃芩苷改善胰島素抵抗的機(jī)制可能與其調(diào)節(jié)肝臟CaMKKβ/AMPK/ACC的脂肪酸合成有關(guān)[33]。而漢黃芩苷能下調(diào)胰島素抵抗HepG2細(xì)胞受細(xì)胞因子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制分子3調(diào)控的瘦素水平,激活胰島素通路相關(guān)蛋白瘦素受體、IRS-2、p-PI3K/PI3K(p85)、p-Akt/Akt和GLUT-1/2/4的表達(dá),表明漢黃芩苷可促進(jìn)IR-HepG2細(xì)胞的葡萄糖攝取和增加糖原合成,改善肝臟的胰島素抵抗[10]。此外,野黃芩苷可通過經(jīng)SREBP-1c蛋白抑制的mTOR途徑調(diào)節(jié)肝細(xì)胞脂質(zhì)代謝來改善肝的胰島素抵抗[34]。另有研究發(fā)現(xiàn),野黃芩苷還可能通過調(diào)控肝臟中胰島素信號(hào)通路(IRS-l-PI3K-Akt-GSK3β)及AMPK信號(hào)通路,并降低c-Jun氨基末端激酶活性進(jìn)一步活化胰島素通路,發(fā)揮改善胰島素抵抗的作用[13,35]。
黃芩苷能改善胰島素抵抗模型小鼠骨骼肌的脂質(zhì)沉積,提高蛋白AMPK、ACC、Akt和GSK-3β磷酸化,提示黃芩苷改善胰島素抵抗的機(jī)制可能與其調(diào)節(jié)骨骼肌AMPK/ACC通路介導(dǎo)的脂肪酸合成有關(guān)[36]。另有報(bào)道發(fā)現(xiàn)黃芩苷能降低PPAR-γ協(xié)同激活因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1α,PGC-1α)的水平,提升肥胖小鼠骨骼肌和C2C12細(xì)胞肌管GLUT-4、PGC-1α、p-P38 MAPK、p-Akt和p-AS160蛋白及GLUT-4、PGC-1α、PPAR-γ和GLUT-1基因的表達(dá),提高骨骼肌對(duì)胰島素的敏感性,進(jìn)而改善胰島素抵抗[37]??梢婞S芩苷對(duì)糖尿病骨骼肌胰島素抵抗具有良好的改善作用,但是關(guān)于黃芩其他黃酮類成分對(duì)骨骼肌胰島素抵抗的研究尚未見報(bào)道,相關(guān)分子機(jī)制也還未明確。
黃芩苷能提升HFD誘導(dǎo)肥胖小鼠脂肪中p-p38 MAPK、p-ERK、p-Akt和PGC-1α蛋白及GLUT-4和PGC-1α基因的表達(dá),逆轉(zhuǎn)動(dòng)物的葡萄糖耐量、高血糖和胰島素抵抗[38]。據(jù)報(bào)道,肥胖是引發(fā)胰島素抵抗和2型糖尿病的主要危險(xiǎn)因素,脂肪組織胰島素抵抗會(huì)導(dǎo)致炎癥的產(chǎn)生,而產(chǎn)生的炎癥因子又是引起胰島素抵抗惡化的重要因素[39]。據(jù)此可知,黃芩可能通過抑制脂肪炎癥發(fā)揮抗糖尿病作用。
機(jī)體的氧化應(yīng)激對(duì)于糖尿病的發(fā)生發(fā)展具有重要影響,而黃酮類化合物具有良好的抗氧化活性,目前對(duì)黃芩的研究主要集中在黃酮類成分。因此,從抗氧化的角度探討黃芩對(duì)糖尿病的治療具有積極的意義。
黃芩苷能顯著增加2型糖尿病大鼠肝臟超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶的活性,并能降低血漿脂質(zhì)過氧化物的氧化應(yīng)激標(biāo)志物和蛋白質(zhì)羰基的含量,表明黃芩苷通過增加抗氧化酶的活性來減少高血糖引起的氧化應(yīng)激[40]。野黃芩苷可有效減輕HFD引起糖尿病小鼠肝臟中丙二醛水平,增加超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶、過氧化氫酶的活性和總抗氧化能力,表明其治療糖尿病與抗氧化應(yīng)激密切相關(guān)[35]。
有研究發(fā)現(xiàn)黃芩素治療糖尿病的機(jī)制可能為降低胰腺丙二醛水平和升高超氧化物歧化酶活性,從而降低氧化應(yīng)激,抑制胰島細(xì)胞的凋亡[41]。在糖尿病早期,應(yīng)用黃芩干預(yù)可能會(huì)起到抗氧化保護(hù)胰島β細(xì)胞的積極作用,這對(duì)糖尿病前期的防治意義重大。
胰島β細(xì)胞是機(jī)體唯一能分泌胰島素的細(xì)胞,且大量研究發(fā)現(xiàn)胰島β細(xì)胞的損傷是引發(fā)糖尿病的中心環(huán)節(jié)之一[42]。因此,從中藥中尋找保護(hù)胰島β細(xì)胞的新穎化合物,是糖尿病防治藥物發(fā)現(xiàn)的重要途徑。
黃芩苷能提升Min6細(xì)胞的生存、抑制細(xì)胞凋亡、調(diào)節(jié)半胱氨酸蛋白酶3和B細(xì)胞淋巴瘤2的表達(dá)[43],提示黃芩苷可以抑制胰島β細(xì)胞的凋亡,從而維持機(jī)體胰島素分泌水平,起到降血糖的作用。可以考慮采用現(xiàn)代高通量篩選技術(shù)對(duì)黃芩已報(bào)道的成分進(jìn)行篩選,以尋找更多具有抗胰島β細(xì)胞凋亡的活性成分。
黃芩苷能增加Min6細(xì)胞中誘導(dǎo)型一氧化氮合酶蛋白的表達(dá),其機(jī)制可能為上調(diào)miR-205,進(jìn)而激活PI3K/Akt途徑和抑制NF-κB途徑活化,發(fā)揮保護(hù)胰島β細(xì)胞的作用[43]。另有報(bào)道,黃芩素能通過細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶—血紅素氧合酶1依賴性途徑保護(hù)棕櫚酸誘導(dǎo)INS-1細(xì)胞免于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和炎癥損傷[44]。黃芩素還能改善胰島β細(xì)胞的存活率和質(zhì)量,進(jìn)而發(fā)揮抗2型糖尿病的作用[45]。黃芩苷和黃芩素均對(duì)胰島β細(xì)胞均有良好的抗炎保護(hù)作用,因此從抗炎角度解析黃芩抗糖尿病的作用具有重要的價(jià)值,可以適當(dāng)關(guān)注黃芩入血后分布于胰腺的活性成分,從藥靶角度發(fā)現(xiàn)黃芩抗糖尿病的藥效物質(zhì)基礎(chǔ)。
中醫(yī)藥在糖尿病的治療上優(yōu)勢顯著,對(duì)于一些作用顯著和副作用小的中藥挖掘是創(chuàng)新藥物發(fā)現(xiàn)的重要途徑。黃芩作為傳統(tǒng)中藥被廣泛用于組方治療糖尿病,現(xiàn)代研究也證實(shí)黃芩及其活性成分具有良好的抗糖尿病效果,可能通過影響糖脂代謝、改善胰島素抵抗、抗氧化、保護(hù)胰島β細(xì)胞等多方面發(fā)揮治療糖尿病的作用,這也充分體現(xiàn)了中藥治療疾病的多成分、多靶點(diǎn)、多途徑的作用特點(diǎn)。黃芩的抗糖尿病研究較為豐富,但是關(guān)于其抗糖尿病的物質(zhì)基礎(chǔ)的研究還是略顯不足,大多數(shù)研究集中于黃芩中黃酮類成分,包括黃芩苷、黃芩素、漢黃芩苷、漢黃芩素、野黃芩苷等,黃芩的其他大類成分是否也有抗糖尿病的作用尚不可知。另外,大量單一地研究黃芩所含的活性成分是否具有代表性也值得思考。有學(xué)者認(rèn)為2型糖尿病可視為一種慢性炎癥疾病,黃芩是否通過抗炎、調(diào)節(jié)免疫發(fā)揮抗糖尿病的作用,仍是值得探討的科學(xué)問題。隨著現(xiàn)代儀器分析技術(shù)和生物信息學(xué)的發(fā)展,綜合應(yīng)用多種現(xiàn)代方法和技術(shù),從整體上探討黃芩抗糖尿病的作用機(jī)制也是值得去嘗試的一件事。總而言之,黃芩抗糖尿病的作用確切,但是其整體藥效物質(zhì)基礎(chǔ)和作用機(jī)制仍需要更多的研究闡明,以利于黃芩的進(jìn)一步開發(fā)與應(yīng)用。