食源性黃酮通過腸道菌群調節Ⅱ型糖尿病的作用機制研究進展

曹維,金杜欣,2*,劉瑞,吳滿剛,葛慶豐,于海

1(揚州大學 食品科學與工程學院,江蘇 揚州,225127)2(揚州大學 廣陵學院,江蘇 揚州,225000)

Ⅱ型糖尿病是一類受多因素影響的慢性代謝性疾病。根據2021年國際糖尿病聯合會發布的數據顯示,全球共有5.37億成年人(20～79歲)患有糖尿病,預計到2045年糖尿病患者人數將達到7.83億。Ⅱ型糖尿病的發病會引起許多臨床并發癥,如心血管疾病、眼病、腎病等[1-2]。因此,控制Ⅱ型糖尿病的發生及發展是保障國民健康的重要議題。目前,治療Ⅱ型糖尿病發展的常規方法是口服降糖藥物如雙胍類、磺酰脲類和格列奈類等,但長期服用降糖藥物會產生耐藥性及藥物副作用。因此,尋找天然源低毒、高效的降糖活性產物對于Ⅱ型糖尿病的防治是當前社會的迫切需求,且具有重要的現實意義。

黃酮類化合物是一類以2-苯基色原酮為基本母核衍生的次生代謝產物,廣泛存在于蔬菜、水果和茶葉等中,在改善和防治Ⅱ型糖尿病中發揮重要的作用[3-4]。然而,大部分黃酮類化合物由于自身分子結構原因,導致其在體內的生物利用度極低。而黃酮類化合物進入體內后與腸道微生物相互作用直接影響它們的生物活性。此外,越來越多的研究證實腸道菌群與Ⅱ型糖尿病之間的關聯性。從黃酮類化合物調節的腸道菌群出發探究其改善Ⅱ型糖尿病的途徑可能為闡明黃酮類化合物調節Ⅱ型糖尿病的分子機制提供新的思路。因此,本文將結合近年來國內外研究動態,從腸道菌群與Ⅱ型糖尿病之間的關系、黃酮類化合物對腸道菌群及其代謝產物的調節和黃酮類化合物調節腸道菌群改善Ⅱ型糖尿病的機制等多個角度進行全面的綜述,以期闡明黃酮類化合物調節Ⅱ型糖尿病的分子機制,并為天然源降糖藥物的開發奠定基礎。

1 腸道菌群與Ⅱ型糖尿病之間的關系

人體腸道中寄生的微生物種群統稱為腸道菌群,鑒于其數量龐大、種類繁多,又被稱為“人類第二大基因組”。腸道菌群分布平衡對人體健康發揮著重要的作用。Ⅱ型糖尿病與腸道菌群關系緊密,腸道內有益菌群減少或條件性致病菌群的增多,會引起腸道慢性炎癥,導致Ⅱ型糖尿病的發生。研究表明,Ⅱ型糖尿病患者的腸道菌群出現不同程度的紊亂,主要表現為一些產丁酸鹽細菌的豐度降低和一些條件致病菌豐度的增加[5]。REN等[6]將經過芹菜素喂養小鼠的糞菌移植到高脂飲食喂養小鼠體內,發現小鼠體重減輕和腸道菌群發生改變,與直接用芹菜素喂養的小鼠研究結果一致,進一步證實了芹菜素的改善作用是由腸道菌群介導的,表明黃酮化合物在一定程度上可以通過調節腸道菌群改善Ⅱ型糖尿病。由此可見,調節腸道菌群可能為Ⅱ型糖尿病提供新的預防和治療策略。

2 黃酮類化合物調控Ⅱ型糖尿病效果

近幾十年來,大量體外、動物模型以及相關臨床試驗表明,膳食中的黃酮類化合物可改善Ⅱ型糖尿病。在7項前瞻性隊列研究的薈萃分析中發現,黃酮類化合物攝入量最高受試者比攝入量最低受試者患Ⅱ型糖尿病的風險降低了11%[7]。另外,研究得出可可黃烷-3-醇對受試者體內的脂質代謝、胰島素抵抗和全身炎癥有顯著的改善[8]。在一項針對93名糖尿病女性進行的為期一年的雙盲隨機臨床試驗中,根據胰島素抵抗穩態模型指數評估發現,在含有黃酮類化合物的飲食干預下,顯著降低胰島素抵抗和改善胰島素敏感性[9]。同樣,ASADI等[10]讓62名Ⅱ型糖尿病患者每天2次口服富含黃酮的香蜂花提取物膠囊,持續服用12周后發現香蜂花提取物可使受試者胰島β細胞活性顯著提高。綜上,黃酮類化合物可能是調節Ⅱ型糖尿病及相關并發癥的有益活性產物。然而,黃酮類化合物對Ⅱ型糖尿病影響的臨床試驗開展稍不足,因此,需要更具體的實驗設計和更大樣本量的臨床試驗,以揭示黃酮類化合物在調控Ⅱ型糖尿病發揮的作用。

3 黃酮類化合物與腸道菌群的相互作用調節Ⅱ型糖尿病

3.1 黃酮類化合物對腸道菌群結構的影響

在Ⅱ型糖尿病患者中,腸道菌群的失調會導致胰島素抵抗的發生,而眾多研究證實攝入富含黃酮類化合物如槲皮素、芹菜素等食物可以改善腸道菌群紊亂,降低胰島素抵抗,抑制炎癥和氧化應激[11-12]。表明黃酮化合物在一定程度上可以通過調節腸道菌群結構來改善Ⅱ型糖尿病。

3.2 黃酮類化合物對腸道菌群代謝產物和酶的影響

通常情況下,腸道菌群代謝產物有助于維持宿主的正常生理功能,而腸道菌群產生的有害代謝產物會導致代謝性疾病的發展。黃酮類化合物不僅調節腸道微生物多樣性,腸道菌群代謝產物也會受到一定的影響。黃酮類化合物可增加產短鏈脂肪酸菌群的豐度,促進腸道微生物對黃酮類化合物的代謝并產生乙酸、丙酸和丁酸等短鏈脂肪酸。此外,黃酮類化合物在調節腸道菌群組成的同時,可影響腸道菌群產生與宿主能量代謝、物質代謝及遺傳信息傳遞等生理過程密切相關的酶,除了幾種羥化酶(包括糖苷酶、葡萄糖醛酸酶、硫酸酯酶、酰胺酶和酯酶)之外,還有催化各種氧化、還原、脫羧、去甲基和環裂解反應的微生物酶,腸道菌群產生的各種酶對機體的代謝具有重要的影響[13]。研究表明,黃烷醇可引起消化酶和葡萄糖轉運蛋白發生拮抗,減少葡萄糖轉移,有助于代謝障礙患者維持葡萄糖穩態[14]。KRAVCHENKO等[15]研究發現,槲皮素可提高Wistar大鼠腸道內β-半乳糖苷酶、β-葡萄糖苷酶和β-葡萄糖醛酸酶的活性。

3.3 腸道菌群對黃酮類化合物的代謝轉化作用

大多數情況下,腸道菌群對黃酮類化合物的代謝不是通過單一的腸道微生物,而是通過多種腸道微生物的共同協作,借助腸道菌群產生的特定酶的作用共同完成的復雜過程。黃酮類化合物通常以O-糖苷或C-糖苷形式存在,在大腸和小腸中都會發生去糖基化,不同黃酮化合物會被不同部位的酶或腸道菌代謝,其轉化過程一般包括去糖基化反應、去甲基化反應、脫羥基化反應、氧化還原反應以及環裂變反應等,不同黃酮類化合物在腸道菌群介導代謝下形成的產物結構相似。對于單糖黃酮苷,可以被腸細胞中的酶和腸道菌群水解為相應的苷元,而非單糖黃酮苷需要盲腸和大腸中的專性或兼性厭氧菌作用下才會發生去糖基化。黃酮苷被糖苷酶水解后,若黃酮母核上有取代基(甲氧基或羥基)在腸道菌中的相應酶作用下脫甲基或脫羥基化。然后進一步經過C環還原加氫、開環裂解等過程生成小分子環裂解代謝物。食源性黃酮在腸道菌群作用下的代謝產物主要包括間苯三酚、苯乙酸衍生物和苯丙酸衍生物等。目前已被報道證實槲皮素可以在細枝真桿菌、梭狀芽胞桿菌、脆弱擬桿菌、產氣莢膜梭菌等腸道菌群的作用下被還原,還原C環2,3位的雙鍵,開環裂解形成對應的互變異構體查耳酮,最終水解為間苯三酚和苯乙酸衍生物[16-18]。橙皮素在長雙歧桿菌R0175、鼠李糖乳桿菌NCTC10302、糞鏈球菌、楔狀桿菌、丁酸弧菌作用下發生環裂變,生成3-(3′-羥基-4′-甲氧基苯基)丙酸,然后去甲基化生成3-(3′,4′-二羥基苯基)丙酸,再通過連續的去羥基化轉化為3-(3′-羥基苯基)丙酸和3-(苯基)丙酸[19-20]。而大豆異黃酮被腸道菌群分泌的酶如黃豆苷元還原酶、二氫黃豆苷元酶等酶分解,通過去糖基化、去甲基化、去羥基化和還原反應產生2種主要代謝物,一種還原產物雌馬酚,另一個是去氧甲基安哥拉紫檀素[21]。其中代謝產物雌馬酚能夠降低Ⅱ型糖尿病大鼠腎臟組織氧化應激和炎癥因子水平,發揮腎臟保護效應[22]。由此可見,腸道菌群可以促進食源性黃酮在人體中代謝吸收,進一步提高黃酮化合物及其代謝產物的生物活性,在促進人體健康上有著不可或缺的作用。

4 黃酮類化合物通過腸道菌群調節Ⅱ型糖尿病的作用及機制

目前,食源性黃酮類化合物通過腸道菌群調節Ⅱ型糖尿病的作用途徑主要包括:a)作用于胰腺,通過調節胰島素相關信號通路,改善胰島功能、促進胰島素分泌;b)作用于肝臟,通過促進糖原合成,抑制糖異生,改善肝功能及糖代謝;c)抑制促炎因子分泌,減少炎癥反應及氧化應激損傷;d)作用于腸道,抑制腸道對糖吸收,并調節腸道菌群結構及腸道菌群代謝產物水平,促進腸道健康從而改善Ⅱ型糖尿病。

4.1 調節胰島素相關信號通路

食源性黃酮化合物在腸道菌群作用下代謝生成的酚酸可改善肝臟、肌肉組織、脂肪細胞及胰島細胞的胰島素信號傳導。通過修復胰島β細胞,減少胰島β細胞凋亡促進胰島素分泌。研究表明磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)/絲氨酸-蘇氨酸激酶(serine-threonine kinase,AKT)是胰島素信號傳導的經典途徑之一。胰島β細胞釋放胰島素后激活肝臟、骨骼肌細胞表面胰島素受體底物1(insulin receptor substrate 1,IRS1)受體磷酸化,進而活化PI3K,促使磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate,PIP2)向磷脂酰肌醇3,4,5-三磷酸(phosphatidylinositol 3,4,5-triphosphate,PIP3)的轉化后激活AKT,促進葡萄糖轉運蛋白4(glucose transporter,GLUT4)表達,進而改善胰島素信號傳導,改善胰島素抵抗(insulin resistance,IR),維持血糖的穩定。GLUT4在促進骨骼肌和肌肉組織中葡萄糖吸收中起重要作用,GLUT4易位至細胞膜可刺激葡萄糖攝取,促進肝臟中糖原合成。腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate activated protein kinase,AMPK)被激活后促進葡萄糖轉運蛋白GLUT4轉位,增加骨骼肌葡萄糖攝取。研究證明,槲皮素及其腸道代謝產物可通過激活AMPK通路和IRS1/PI3K/AKT信號通路,增加肌肉細胞對葡萄糖的攝取,降低血糖水平[23]。5-(3′,5′-二羥基苯基)-γ-戊內酯是表沒食子兒茶素沒食子酸酯在腸道菌群作用下生成的主要環裂解代謝物之一,也被發現對GLUT4的轉位有促進作用,同時也促進AMPK信號通路的磷酸化[24]。ORMAZABAL等[25]在肥胖受試者的內臟脂肪組織中研究了花青素及其主要代謝物原兒茶酸對脂肪組織的胰島素反應性和炎癥的影響,研究證明該化合物能夠通過增加肥胖志愿者內臟脂肪組織中的IRS1和AKT磷酸化水平來預防IR。此外,原兒茶酸還可以減輕炎癥反應,抑制促炎因子的分泌。

絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信號通路與IR、胰島細胞增殖緊密相關。細胞外調節蛋白激酶(extracellular regulated protein kinase,ERK)、c-Jun氨基末端激酶(c-jun n-terminal kinase,JNK)和p38 MAPK是MAPK主要成員。ERK/p38MAPK通路可改善胰島β細胞,促進胰島素分泌;抑制JNK磷酸化可有效保護胰島細胞,上調骨骼肌攝取葡萄糖的能力,改善IR、降低血糖。黃酮類化合物在體內腸道菌群作用下的代謝產物(如3,4-二羥基苯乙酸和3-羥基苯丙酸)可以通過ERKs等途徑增加Wistar大鼠β細胞生成和胰島素分泌,同時保護胰腺β細胞免受氧化應激的損傷[26-27]。

另有研究證明,硫氧還蛋白相互作用的蛋白(thioredoxin-interacting protein,Txnip)的過度表達可誘導胰腺β細胞凋亡,降低骨骼肌和脂肪等組織的胰島素敏感性。大豆異黃酮在腸道內經微生物降解后的代謝產物S型雌馬酚,可調控碳水化合物反應元件結合蛋白(carbohydrate response element binding protein,ChREBP)和Max樣蛋白(max-like protein x, Mlx)表達抑制Txnip信號通路,并通過上調IRS1、PI3K和GLUT4蛋白表達改善HepG-2細胞糖原合成和葡萄糖攝取能力,從而改善HepG-2細胞胰島素敏感性[28]。

綜上,圖1歸納了黃酮類化合物通過腸道菌群在人體主要代謝組織中對Ⅱ型糖尿病的調控和改善作用,其中包括保護胰島β細胞、促進胰島素分泌以及調節糖脂代謝的主要代謝途徑。

4.2 促進肝糖原合成,抑制糖異生

肝臟糖異生導致肝糖輸出增多是肝臟發生IR的重要誘因。肝臟中胰島素與其受體結合后通過IRS/PI3K/AKT信號通路,使糖原合成酶激酶-3(glycogen synthase kinase -3,GSK-3)發生磷酸化,從而激活GS促進糖原的合成。黃酮化合物通過抑制肝臟糖異生過程中限速酶葡萄糖-6-磷酸酶(glucose-6-phosphates,G6 Pase) 和磷酸烯醇型丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase,PEPCK)活性,以及環磷腺苷效應元件結合蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)的磷酸化表達,從而抑制肝臟糖異生,降低機體的血糖水平。黃酮體內代謝產物咖啡酸和肉桂酸可以通過AMPK途徑影響小鼠肝細胞和骨骼肌細胞中葡萄糖的攝取,抑制肝臟中PEPCK和GSK-3的活性,降低肝臟中GLUT2和GLUT4的表達,從而促進肝糖原合成,抑制糖異生[29]。

圖1 食源性黃酮通過腸道菌群作用調控Ⅱ型糖尿病機理路線圖Fig.1 Food-derived flavonoids mechanism roadmap of type Ⅱ diabetes through gut microbiota

4.3 抑制促炎因子分泌,減少氧化應激損傷

Ⅱ型糖尿病與體內炎癥因子釋放水平密切相關,促炎因子(如血清腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細胞介素(interleukin,IL)-6、IL-1β等)釋放會導致胰島炎癥加重。炎癥反應損害或抑制IRS1酪氨酸磷酸化,阻礙胰島素信號向下游PI3K/AKT/GLUT4通路傳遞,進而形成IR。黃酮類化合物在體內經吸收后可通過MAPK信號通路、轉錄因子-κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)信號通路等抑制炎癥因子的表達,改善糖尿病胰島炎癥[30]。研究發現,芹菜素通過糞便移植轉移調節肥胖小鼠體內IL-1β和TNF-α的mRNA表達[31]。甘草的黃酮提取物可重塑腸道菌群結構,抑制NF-κB通路中關鍵蛋白的表達,從而降低炎癥水平、改善Ⅱ型糖尿病小鼠的高血糖[32]。

4.4 調節腸道菌群代謝產物

4.4.1 短鏈脂肪酸

短鏈脂肪酸是膳食纖維和抗性淀粉在腸道菌群作用下生成的主要代謝產物,參與腸道微生物生長和宿主能量代謝。研究證實,糖尿病患者的腸道中具有產丁酸能力的腸道微生物豐度降低,使腸道中短鏈脂肪酸的含量減少,引起胰島β細胞功能受損,胰島素敏感性下降[33-34]。攝入富含黃酮類化合物的飲食可增加腸道中產短鏈脂肪酸微生物的種類與豐度、增加腸道中短鏈脂肪酸的水平。短鏈脂肪酸與其G蛋白偶聯受體43(g protein-coupled receptor,GPR43)結合后還可通過腸肝軸調節AMPK信號通路,降低糖異生途徑關鍵酶PEPCK和G6 Pase的活性,抑制肝臟糖異生[35]。研究表明,黃芩苷可以調節腸道微生物群,使其產生對腸道系統有益的短鏈脂肪酸,改善高脂飲食誘導小鼠的糖脂代謝異常[4]。此外,腸道中短鏈脂肪酸水平的升高會抑制IL-8和TNF-α等釋放;增加IL-10等抗炎因子釋放,從而緩解Ⅱ型糖尿病患者的腸道局部炎癥反應[36]。LIMA等[37]通過對10名健康女性進行的臨床試驗發現,飲用巴氏消毒橙汁2個月后,糞便樣本腸道中乳酸菌和雙歧桿菌的豐度增加,同時伴隨著短鏈脂肪酸(乙酸)的顯著增加,從而調節胰島素敏感性,改善腸道穩態。

4.4.2 次級膽汁酸

膽汁酸是膽固醇在肝細胞中通過一系列復雜反應生成的產物,它可以調節腸道微生物的豐度,保護腸道屏障的完整性。已有研究發現,腸道菌群-膽汁酸代謝是一些黃酮類化合物調節Ⅱ型糖尿病的有效途徑之一。黃腐酚衍生物可以腸道菌群的多樣性和豐度,尤其是擬桿菌門和軟壁菌門的比例,改變膽汁酸代謝,抑制炎細胞浸潤,減輕炎癥,從而改善代謝綜合征[38]。

4.4.3 其他腸道菌群代謝產物

黃酮類化合物在改善Ⅱ型糖尿病的過程中,也調節腸道中脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)、吲哚和支鏈氨基酸(branch chain amino acids,BCAAs)的含量。Ⅱ型糖尿病患者腸道微生物群的一個主要特征是致病微生物種類和豐度的增加,導致內源性LPS水平增加;其增加對腸道屏障將產生一定的破壞,導致促炎細胞因子的增加,進而導致炎癥和機體的氧化應激[39]。黃酮類化合物(如黃芩素等)在調節Ⅱ型糖尿病過程中,可調節腸道菌群組成,改善外周LPS水平,改善IR[40]。

吲哚是腸道中厚壁菌門和擬桿菌門等分解色氨酸產生的主要代謝產物。腸道菌群產生的代謝產物吲哚丙酸可以保護β細胞功能,降低Ⅱ型糖尿病的發病率[41-42]。黃酮類化合物可調節腸道菌群產吲哚代謝物的含量;研究發現,橙皮素-7-O-葡萄糖苷灌胃給予結腸炎小鼠后,引起結腸炎小鼠的腸道菌群組成和多樣性發生改變,同時,腸道菌群代謝產吲哚代謝物(吲哚-3-丙酸、吲哚乙酸)的含量增加[43]。

BCAAs包括纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸,對于維持葡萄糖穩態有著重要的意義[44]。當體內缺乏BCAAs時,會導致胰島素分泌減少,而補充適量的BCAAs(如亮氨酸)將激活胰島素受體磷酸化,下游靶點IRS1將通過PI3K/AKT途徑促進葡萄糖的攝取[45-46]。綜上所述,攝入適量的食源性黃酮可以維持健康腸道微生態,調節Ⅱ型糖尿病。

5 思考與展望

腸道菌群在參與黃酮類化合物改善Ⅱ型糖尿病中發揮著至關重要的作用,其中的作用機制復雜,機理尚不完善。目前相關研究大多停留在動物實驗水平,關于膳食性黃酮與腸道菌群相互影響調節Ⅱ型糖尿病的臨床研究仍處于缺乏狀態。因此,闡明黃酮類化合物通過腸道菌群調節Ⅱ型糖尿病的分子機制仍需更深入的探索。接下來的研究可將不同黃酮類化合物種類及攝入劑量與個體差異化因素(包括年齡、性別、Ⅱ型糖尿病發病原因、腸道菌群組成、黃酮類化合物的吸收率)綜合考慮到黃酮類化合物飲食對Ⅱ型糖尿病的調節作用研究中,有望開發出個體化調理Ⅱ型糖尿病的食源方案;同時,結合不同黃酮類化合物飲食對不同人群的健康調節作用可為制定個性化飲食與糖尿病調節提供數據參考。通過精準營養和個性化飲食來調節或重建合理的腸道菌群將成為果蔬營養和人類健康研究的一個新方向。相信隨著高通量測序技術和生物信息學工具的發展以及多組學技術的不斷成熟將有助于更加全面深入了解食源性黃酮與人體腸道菌群相互作用的分子機制進而預防和治療Ⅱ型糖尿病。