胰岛β细胞功能紊乱与2型糖尿病以及中药的干预

王克柱，刘保林

中国药科大学 中药药理教研室，南京 211198

糖尿病（diabetes mellitus，DM）是一组由遗传和环境因素共同作用而引起的临床代谢综合征[1]。胰岛β细胞功能紊乱和胰岛素抵抗是2型糖尿病的两个发病机制。早期胰岛β细胞通过胰岛素高分泌来代偿这种胰岛素抵抗状态，来维持正常血糖水平，但是，到达某一个点以后，不能够分泌足量的胰岛素时，此时就会发生糖尿病[2]。本文主要对胰岛β细胞功能紊乱发生机制及相关药物改善胰岛β细胞功能的作用作一综述。

1 2型糖尿病患者胰岛β细胞分泌胰岛素特点

正常人的胰岛素分泌呈现双相性。餐后血糖的迅速升高可引起胰岛素的快速释放，3至5 min达到高峰，之后迅速下降，此过程持续10 min左右，称之为“第一相胰岛素分泌”，之后胰岛素分泌缓慢增加，并持续数个小时，直至血糖水平恢复正常，称之为“第二相胰岛素分泌”[3]。葡萄糖诱导的胰岛素第一时相分泌受损是胰岛β细胞功能障碍的最早标志之一，在2型糖尿病早期阶段，第一时相胰岛素分泌减少或者消失，常低于50 mU·L-1，由于第一时相异常导致血糖升高，使第二时相胰岛素分泌量增加，且分泌峰值时间向后推移。随着患者胰岛功能的衰竭，第二时相可无峰值出现，最后基础分泌也逐渐消失[4]。

2 糖尿病发展过程中，胰岛β细胞功能紊乱的五个时相

Weir[5]等认为糖尿病发展过程中存在5个时相，每个时相都存在胰岛β细胞体积、表型和功能的变化。第一时相（代偿期）：胰岛素分泌增多补偿胰岛素抵抗，以维持机体血糖平衡。此时相胰岛β细胞复制及胰岛新生与胰岛细胞凋亡尚保持一定的平衡，胰岛体积有所增大，仍然保持了葡萄糖介导的急性胰岛素分泌的胰岛β细胞分化功能。第二时相（稳定适应期）：在血糖浓度维持在5.0～6.5mmol·L-1时，糖刺激所致的胰岛素分泌尚维持正常，但口服糖负荷所引起的胰岛素第一时相分泌能力显著下降而出现糖耐量异常，而第二时相的胰岛素分泌上维持正常。此时相胰岛β细胞数量及功能虽基本稳定，但胰岛细胞表征缺失和分化停止，伴有促凋亡的基因表达增加。第三时相 （早期不稳定失代偿期）：当血糖水平继续快速升高到7.3 mmol·L-1时，就进入了短暂的早期不稳定失代偿期。此时胰岛增生与胰岛素抵抗关系出现失代偿，不再相适应，胰岛体积减小和胰岛素分泌下降，病人可出现多尿和体重下降等症状。第四时相（稳定失代偿期）：此期仍有部分胰岛β细胞分泌足量的胰岛素，防止酮酸症的发生。大部分的2型糖尿病患者此时相会持续一生。研究表明，2型糖尿病患者此时相中胰岛β细胞数量可以减少到50%，胰岛β细胞去分化严重。第五时相（严重失代偿期）：胰岛形态结构发生改变，胰岛纤维化，β细胞数量损失严重，不能分泌足量的胰岛素，从而产生酮酸症和严重高血糖（见图1）。

图1 糖尿病发生发展的五个阶段示意图

3 胰岛β细胞产生功能紊乱的原因

3.1 糖毒性

糖毒性在2型糖尿病发展过程中起着非常重要的作用。当血糖持续升高，超过16.6 mmol·L-1时，胰岛素的分泌量不但不随血糖的升高而增加，反而会使β细胞分泌胰岛素的能力显著降低而发生持续高血糖现象，这就是所谓的“高血糖毒性作用”。这种高血糖毒性作用可以严重损伤胰岛β细胞功能，胰岛功能损害开始表现在有更多的未成熟的胰岛素原进入血液循环，使成熟的胰岛素数量减少，高血糖使胰岛素的质量下降，胰岛素的降血糖作用减弱，从而使血糖迅速升高，加重持续高血糖现象，进而胰岛素分泌量减少和高血糖走向恶性循环[6]。高血糖主要是通过氧化应激反应损伤胰岛β细胞，使胰岛细胞分泌胰岛素异常。其可能的机制是：体内过度升高的血糖经过胰岛β细胞代谢后，产生大量的活性氧自由基（ROS），与机体肝脏等其他组织细胞相比，胰岛β细胞内超氧化物歧化酶等抗氧化酶水平低[7]，导致ROS在体内蓄积。蓄积的ROS可以通过直接抑制胰岛素基因的转录、表达，也可以抑制胰腺-十二指肠同源盒-1（PDX-1）mRNA的表达、MafA蛋白的表达以及促进凋亡，共同抑制胰岛素的分泌，导致胰岛β细胞功能损伤，进而导致糖尿病的发生（见图2）。

3.2 脂毒性

图2 氧化应激与胰岛β细胞功能紊乱的关系体内过高的葡萄糖经三羧酸循环产生过多的活性氧（ROS）。胰岛β细胞内抗氧化酶水平低，导致ROS在体内蓄积。蓄积的ROS直接损坏胰岛β细胞。

临床上不难发现，2型糖尿病病人在高血糖的同时，往往伴有一系列脂质代谢异常，以循环游离脂肪酸（FFA）和甘油三酯水平升高为主[8]，还会伴有不同组织脂肪异位沉积[9]。故有学者提出了“脂毒性”学说：即高水平的FFA短期内可以刺激胰岛素分泌，长期则再酯化异位沉积于非脂肪器官，致使周围组织对胰岛素的敏感性降低，并使胰岛细胞功能受损，最终导致T2DM的发生。细胞实验证实：胰岛细胞在高FFA环境中培养超过24～48 h（小时），葡萄糖刺激的胰岛素分泌（GSIS）功能不同程度地受到抑制[10-13]。说明高FFA长期刺激胰岛细胞则导致胰岛β细胞功能异常。目前认为FFA升高损伤胰岛β细胞功能的机制有以下几个方面：（1）FFA影响胰岛素原基因的转录、活化、表达[14]；（2）FFA使β细胞线粒体氧化磷酸化解耦连[15]，抑制胰岛素的分泌；（3）促进胰岛β细胞凋亡[16]等。

3.3 糖基化终末产物（AGEs）

高级糖基化终末产物（AGEs）是指在无酶催化条件下，葡萄糖分子游离醛或酮基与蛋白质氨基通过亲核加成反应形成糖基化蛋白。近年大量研究证明，在高血糖状态下蛋白质发生的非酶糖基化在糖尿病慢性并发症的发病中起着重要作用。AGEs毒性主要途径是：AGEs与AGEs受体（RAGE）结合，激活一系列胞内信号通路，促使细胞产生血管细胞黏附分子（VCAM-1）[17]、内皮细胞粘附分子（ICAM-1）和一些炎性因子如白介素-1（IL-1）、白介素-6（IL-6）、肿瘤坏死因子（TNF-α）、血管内皮生长因子（VEGF）[18]。炎性因子可以作用于胰岛素通路，阻断了胰岛素的分泌及作用（见图3）。

图3 高级糖基化终末产物（AGEs）诱导胰岛β细胞功能紊乱的原理图

AGEs与AGEs受体（RAGE）结合，激活一系列胞内信号通路，包括核转录因子（NF-κB）。NF-κB激活后，促使细胞产生一系列的粘附因子（VCAM-1，ICAM-1）以及炎性因子（TNF-α，IL-6，VEGF)。炎性因子可以作用于胰岛素通路，阻断了胰岛素的分泌及作用。

4 中药成分改善胰岛细胞功能紊乱

目前上市的口服降糖药主要有磺酰脲类（格列苯脲系列）和双胍类（二甲双胍）等。前者因通过刺激胰岛β细胞分泌胰岛素而表现出较强的降糖作用，一直作为一线药而应用。国外多项基于长期临床观察的调查表明，长期服用格列苯脲系列药物控制血糖并不能有效阻止糖尿病的发展和心血管并发症的发生，糖尿病的致残率和致死率并无显著下降，而胰岛功能紊乱持续性发展或缺失是其重要原因。有报道，临床2型糖尿病人的胰岛体积只有正常人的50%[19]。在胰岛结构和功能已显著受损的情况下，继续给予磺酰脲类药物刺激胰岛素分泌，无疑是加重胰岛的负担，使其长期超负荷运转，最终导致胰岛功能的不可逆型缺失。二甲双胍降糖作用虽然较弱，因其通过改善胰岛素抵抗，增加组织对糖的摄取利用而表现出胰岛素增敏作用，有效减轻了胰岛的负担，表现出改善胰岛功能的有效作用。临床调查已证明，长期服用二甲双胍可有效降低2型糖尿病的发展和减少心血管损害并发症的发生，并可有效降低死亡率。所以二甲双胍在沉寂十多年后，又重返口服降糖一线药[20]。

目前上市的治疗2型糖尿病的中药新药制剂达30余种，只注重考虑刺激胰岛细胞，促进胰岛素的分泌；在药效评估中偏重单纯的降糖作用，而对纠正胰岛功能紊乱和改善胰岛素抵抗认识不足。因此针对改善胰岛功能紊乱设计的中药新药尚未问世，但学者们也在这方面做了一些中药成分的研究。

陈培[21]研究发现，银杏叶提取物（extract Gingko biloba，EGb）表现出对胰岛β细胞的保护作用。银杏叶提取物的主要成分是以黄酮苷形式存在。此类化合物中含有不饱和基团，易受氧化攻击，分子进入细胞后，参与了氧化还原反应，消耗了活性氧自由基等，从而表现出强大的抗氧化、清除自由基、抑制脂质过氧化等作用能力[22]。银杏叶提取物可以通过降低胰岛β细胞内的氧化性的物质的含量，部分逆转环境变化导致的氧化应激，改善胰岛β细胞功能结构和胰岛素分泌功能。大鼠2型糖尿病模型中，此类化合物表现出促进胰岛β细胞分化增殖、促进细胞活化等作用，其可能的机制是：降低体内ROS的蓄积，促进PDX-1 mRNA的表达、MafA蛋白的表达以及抑制β细胞的凋亡。

山药多糖（yam polysaccharide）是从山药块茎中分离提取的活性成分，实验证明，山药多糖对于糖尿病动物具有明显的降糖作用，其降糖机理可能是通过保护糖尿病大鼠的胰岛细胞来实现的[23-24]。杨宏莉[25]采取体外培养大鼠胰岛细胞发现，胰岛细胞在高糖刺激下，山药多糖可以显著的提高胰岛素的释放量，对胰岛细胞增殖有明显的促进作用，保护其活性，其机制与凋亡抑制基因（bcl-2）表达增强有关。Bcl-2的表达增强抑制了胰岛细胞的凋亡，这提示山药多糖对糖尿病病变导致的胰岛细胞损伤修复可能发挥一定的作用。

刘晓萍[26]探讨了石参水提物对高脂饮食诱导的2型糖尿病小鼠模型的影响。结果显示，石参水煎液能明显降低2型糖尿病小鼠的空腹血糖，显著改善受损的葡萄糖耐量，促进胰岛素的分泌，降低血清甘油三酯和游离脂肪酸水平，对胰岛β细胞具有一定的保护作用。链脲佐菌素（STZ）诱导糖尿病的作用机制是通过诱导产生大量的ROS，破坏胰岛细胞，导致胰岛细胞坏死和胰岛素分泌减少而诱发糖尿病[27]。Lin等人[28]发现，石参水提物中含有黄酮类、皂苷和还原性多糖，而大部分的黄酮类衍生物都表现有强烈的抗氧化活性。Yen等[29]研究表明，石参甲醇提取物在体外能显著降低ROS活性，显示出良好的抗自由基活性，进而推测石参醇提物保护胰岛细胞功能，促进胰岛素分泌的功能很有可能由其抗自由基活性所介导。同时石参醇提物可以降低血清甘油三酯和游离脂肪酸水平，表明石参可以改善糖尿病小鼠脂质代谢紊乱的作用。胰岛素抵抗与游离脂肪酸循环有密切的关系，游离脂肪酸的升高会导致骨骼肌胰岛素抵抗和肝脏的胰岛素抵抗。此外，氧化应激也可以导致胰岛素抵抗。故而推测石参醇提物通过降低循环中的游离脂肪酸或减轻氧化应激水平，进而改善糖尿病小鼠胰岛素抵抗。

大量研究表明，植物中的黄酮化合物，如槲皮素、芦丁、儿茶素等B环上有邻酚羟基的化合物具有较强的抗氧化性作用。研究表明，番石榴叶中含槲皮素或槲皮素苷元的黄酮类化合物，对糖尿病小鼠胰岛组织结构及合成分泌胰岛素功能具有保护作用。王波[30]在STZ制备糖尿病小鼠模型中，对胰腺组织免疫组化和HE染色发现，糖尿病小鼠胰岛组织结构发生病理性的改变，如胰岛中出现淀粉样沉淀，胰岛和胰岛β细胞的数目、密度、体积减少，胰岛素表达减少，胰岛β细胞变性，β细胞凋亡增加。胰岛损伤的结果造成了胰岛β细胞功能障碍，胰岛素合成和分泌减少，导致糖尿病进一步恶化。在给予番石榴叶提取物后，发现糖尿病胰岛病理改变减轻，主要表现为胰岛的数目和体积增加，内分泌细胞变性程度减轻，抑制糖尿病的继续恶化。其可能的原因与其抗氧化作用抑制自由基生成，或清除过量的氧自由基有关。

槟榔碱是从中药槟榔果中提取的生物碱。元竹青[31]在研究高果糖诱导的大鼠2型糖尿病模型基础上，采用槟榔碱干预模型大鼠，从胰腺组织形态观察，TUNEL凋亡检测都可以发现5 mg·kg-1槟榔碱有较好的胰腺细胞保护作用。对凋亡关键基因Bc1-2/Bax检测发现，5 mg·kg-1槟榔碱能够上调Bc1-2/ Bax比值，提示槟榔碱保护胰腺细胞可能是通过上调抑制凋亡基因，减少细胞凋亡，增加细胞数量相关。在研究胰岛素分泌受损中，发现槟榔碱能有效逆转2型糖尿病模型大鼠胰腺PDX-1基因表达，使其水平降低，同样能增加糖尿病模型大鼠胰腺中与胰岛素分泌及糖代谢密切相关的胰岛素（insulin）、葡萄糖转运蛋白2（GLUT2）、葡萄糖激酶（GK）的基因表达，有效地增强了胰岛素的分泌。

5 小 结

胰岛β细胞功能的正常对维持血糖平稳有相当重要的作用，尤其是胰岛β细胞的“第一相胰岛素分泌”对控制餐后血糖起到关键性作用。当β细胞功能受损时，胰岛素分泌障碍，控制血糖水平降低，反之，当血糖持续升高时，高血糖会反过来进一步损伤胰岛β细胞，加重了胰岛β细胞的负担，导致病情恶化。从胰岛β细胞功能代偿期发展到糖尿病期，经历了五个时期，需要较长的时间。前三期通过药物干预可以保护及改善胰岛β细胞功能，从而延缓糖尿病病程，减少并发症的发生，提高患者的生活质量。

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