Využití kyseliny chlorogenové proti diabetu a jeho komplikacím

Abstrakt

Kyselina chlorogenová (CA) je fenolická sloučenina, která se běžně vyskytuje v lidské rostlinné stravě. CA je hlavní složkou mnoha přípravků tradiční čínské medicíny a v posledních letech bylo zjištěno, že má hypoglykemické, hypolipidemické, protizánětlivé, antioxidační a další farmakologické vlastnosti. Konkrétně CA zmírňuje účinky diabetu mellitu (DM) a zabraňuje jeho vzniku. Kromě toho CA příznivě působí také proti komplikacím vznikajícím v důsledku DM, jako je diabetická nefropatie (DN), diabetická retinopatie (DR) a diabetická periferní neuropatie (DPN). V tomto článku podáváme přehled o využití CA v prevenci a léčbě DM a jeho komplikací a poskytujeme podklady pro další výzkum a lékařské využití.

1. Úvod

Kyselina chlorogenová (CA), nazývaná také kyselina 5-kafeoylchinová (5-CQA) , patří do skupiny hydroxycinamových kyselin a je tvořena kyselinou kávovou a chinovou. CA vzniká v rostlinách cestou kyseliny šikimové během aerobního dýchání. Tato sloučenina je složkou nejen potravin, ale také přípravků tradiční čínské medicíny . V těch bylo zjištěno, že má hypoglykemické , hypolipidemické , antibakteriální , antioxidační a protizánětlivé účinky. V této souvislosti vzbudily pozornost hypoglykemické a hypolipidemické účinky CA, konkrétně jejich možné využití při prevenci a léčbě diabetes mellitus (DM) . DM je metabolické onemocnění způsobené abnormální funkcí inzulínu a charakterizované hyperglykémií. Jeho hlavními podtypy jsou (1) DM 1. typu s absolutním nedostatkem inzulinu a (2) DM 2. typu neboli DM nezávislý na inzulinu s relativním nedostatkem inzulinu a inzulinovou rezistencí.

Podle odhadů Světové zdravotnické organizace trpí DM na celém světě 366 milionů pacientů, přičemž do roku 2030 se očekává nárůst tohoto počtu na 500 milionů . DM je vysoce rizikovým faktorem pro vznik cévní mozkové příhody, srdečních onemocnění a onemocnění ledvin, čímž vážně ovlivňuje kvalitu života a vážně omezuje sociální a ekonomický rozvoj . Navzdory mnoha studiím, které uváděly použití CA proti DM a jeho komplikacím, nebyly tyto studie systematické a informace jsou v literatuře rozptýlené. Předkládaný přehled si klade za cíl tyto informace uspořádat pro další výzkumnou práci a lékařské využití.

2. Využití CA k prevenci a léčbě DM

2.1. Využití CA k prevenci a léčbě DM. Vliv CA na metabolismus glukózy

Převažujícím znakem DM je trvalá hyperglykémie. V době vzniku DM buňky ostrůvků β nepřetržitě a nadměrně vylučují inzulin ke snížení hladiny glukózy v krvi, což nakonec způsobuje poškození buněk ostrůvků β a zhoršuje hyperglykémii. Při přetrvávající hyperglykémii způsobuje toxicita glukózy chronické komplikace DM . Bylo prokázáno, že CA snižuje hladinu glukózy v krvi nalačno; například když bylo 15 pacientů s poruchou glukózové tolerance vystaveno působení 400 mg CA podávaných třikrát denně po dobu 12 týdnů v randomizované, dvojitě zaslepené, placebem kontrolované klinické studii . V jiných klinických studiích byl extrakt ze zelených kávových zrn s obsahem CA použit ke snížení glykémie nalačno u 21 pacientů s metabolickým onemocněním, kdy byl extrakt podáván v 400 mg kapslích podávaných dvakrát denně po dobu celkem 8 týdnů . Dále byla glykémie u myší na dietě s vysokým obsahem tuků, kterým byl podáván extrakt ze zelených kávových zrn, který se skládá převážně z CA, po šesti týdnech významně nižší než u kontrolní skupiny, když extrakt dosáhl 100 mg/kg tělesné hmotnosti . V jiné studii byly potkanům s DM 2. typu po dobu 11 dnů podávány extrakty z listů moruše obsahující CA, rutin nebo isoquercitrin. Zatímco extrakt z listů moruše, CA a rutin výrazně snižovaly hladinu glukózy v krvi u léčených potkanů, izokvercitrin neměl žádný zjevný hypoglykemizující účinek, což naznačuje, že více než 50 % hypoglykemizujícího účinku pozorovaného u extraktu z listů moruše lze přičíst CA a rutinu . Také u laboratorních db/db myší bylo zjištěno nižší množství glukózy v krvi nalačno a zvýšené množství svalového glykogenu, když jim byl CA podáván gávem v dávce 80 mg/kg/den po dobu 12 týdnů . Během studie vlivu CA na postprandiální obsah glukózy v krvi Tunnicliffe et al. zjistili, že glukóza v krvi potkanů, kterým byl podáván CA po dobu 60 min po jídle, byla výrazně nižší než u potkanů, kterým bylo podáváno placebo. A konečně, nižší než normální hladina glukózy v krvi byla zaznamenána při léčbě potkanů s DM vyvolaným streptozotocinem a nikotinamidem pomocí CA v dávce 5 mg/kg/den po dobu 45 dnů, přičemž hladiny u léčených a kontrolních potkanů činily 105,2, resp. 282,28 mg/dl .

2.2. Glukóza v krvi po poledním jídle Vliv CA na obsah lipidů

Dysfunkční metabolismus lipidů je dobře známým vysoce rizikovým faktorem u DM , a několik zpráv zdůraznilo účinek CA na zlepšení metabolismu lipidů. U potkanů kmene Wistar vystavených dietě s vysokým obsahem glukózy a tuků CA zlepšila metabolismus lipidů, snížila přírůstek hmotnosti, hmotnost jater, hmotnost mezenterického a epididymálního tuku, obsah jaterního cholesterolu, triglyceridů, volných mastných kyselin a volných mastných kyselin v plazmě . Podobná pozorování byla zaznamenána i v dalších pokusech na zvířatech, pokud jde o přírůstek hmotnosti, hmotnost jater a volné mastné kyseliny v plazmě , a u myší vystavených dietě s vysokým obsahem tuků snížil extrakt ze zelených kávových zrn, který se skládá převážně z CA, obsah triglyceridů v plazmě, lipoproteinů s nízkou hustotou a lipoproteinů s vysokou hustotou. Ong a kol. uvedli, že myši db/db, kterým byl podáván CA v dávce 250 mg/kg/den po dobu 14 dnů, vykazovaly významně snížené hladiny celkového cholesterolu, triglyceridů a volných mastných kyselin v plazmě ve srovnání s kontrolní skupinou. Jaterní histomorfologie navíc ukázala, že CA inhibuje tvorbu tukových částic v hepatocytech léčených myší.

U potkanů SD vystavených dietě s vysokým obsahem glukózy a tuku CA dramaticky snížila celkový cholesterol, lipoproteiny o nízké hustotě, lipoproteiny o vysoké hustotě v plazmě a obsah lipidů v játrech , ale neměla žádný vliv na triglyceridy. To je v rozporu s jinou zprávou, která tvrdila pravý opak; účinek CA na triglyceridy, ale žádné snížení volných mastných kyselin a celkového cholesterolu v krvi, játrech nebo svalech.

Ve studii, která hodnotila vliv CA a tetrahydrokurkuminu na krevní lipidy u potkanů s DM, CA významně snížila obsah cholesterolu, triglyceridů, volných mastných kyselin, lipoproteinů s vysokou hustotou, lipoproteinů s nízkou hustotou, lipoproteinů s velmi nízkou hustotou v plazmě a lipidů v játrech a ledvinách . A konečně u zlatých křečků krmených dietou s vysokým obsahem tuků inhibovala CA přírůstek hmotnosti snížením obsahu viscerálního tuku, triglyceridů v plazmě, celkového cholesterolu, volných mastných kyselin, lipoproteinů s vysokou hustotou a lipoproteinů s nízkou hustotou, stejně jako triglyceridů a celkového cholesterolu v játrech a volných mastných kyselin ve svalech .

2.3. Účinky CA na sekreci inzulinu a inzulinovou rezistenci

Uvádí se, že CA zmírňuje inzulinovou rezistenci, která je přímou příčinou DM . V klinickém testu , pokles glykémie nalačno a sekrece inzulinu u pacientů léčených CA po dobu 12 týdnů, naznačil, že CA může zmírnit inzulinovou rezistenci a zvýšit citlivost na inzulin. V jiném klinickém experimentu však CA nezvýšila sekreci glukagonu podobného peptidu-1 a glukózo-dependentního inzulin-stimulačního hormonu . Pokusy provedené na β buňkách předléčených CA ukázaly, že sekrece inzulinu byla zvýšena po kultivaci v médiu se 4 mM nebo 10 mM glukózy . V dalším experimentu s buněčnou linií INS-1E vylučující inzulín a potkaními Langerhansovými ostrůvky byla pozorována stimulace sekrece inzulínu po ošetření 50 μg/ml CA; účinek se blížil účinku způsobenému 5 mM glukózou, zatímco v 8,3 mM glukóze CA výrazně zvýšil sekreci inzulínu . U potkanů vystavených dietě s vysokým obsahem tuků a podávaných 50 mg/kg CA po dobu 20 týdnů bylo zjištěno zvýšení sekrece inzulinu a zlepšení inzulinové rezistence . Také léčba CA u obézních myší indukovaných vysokotučnou dietou i u spontánně obézních myší snížila hyperinzulinémii a zvýšila citlivost na inzulin, což naznačuje, že CA může zlepšit inzulinovou rezistenci související s obezitou . U myší vystavených vysokotučnému mléku CA zvýšila citlivost na inzulin a snížila inzulinovou rezistenci . A konečně, když byly obézní myši vystaveny dietě s vysokým obsahem tuku, podávání extraktu ze zelených kávových zrn s obsahem CA snižovalo inzulinovou rezistenci v závislosti na dávce . Jiné klinické experimenty však ukázaly, že pozorované snížení jaterní inzulínové rezistence vyvolané kávou při krátkodobém předávkování fruktózou nelze přičítat CA nebo kofeinu, ale jiným neidentifikovaným účinným látkám .

2.4. Vliv CA na aktivitu enzymů zapojených do metabolismu glukózy a lipidů

Aktivita enzymů spojených s metabolismem glukózy a lipidů a jejich regulace přírodními produkty se stala předmětem výzkumu v oblasti prevence a léčby DM . In vitro CA moduluje aktivitu enzymů zapojených do metabolismu glukózy. CA o koncentraci 100 μg/ml skutečně kompetitivně inhiboval α-amylázu a snížil její aktivitu o 75 %, podobně jako inhibiční účinek akarbózy , což je v souladu s výsledky Oboh et al. Bylo také prokázáno, že CA inhibuje aktivitu α-glukosidasy, ale tento účinek byl mnohem slabší než účinek akarbosy . Další studie in vitro ukázaly, že CA kompetitivně inhibuje glukosa-6-fosfatasu v játrech a snižuje hydrolýzu jaterního glykogenu, čímž přispívá k prevenci a léčbě DM .

V předchozí studii bylo prokázáno, že za pozorovanou inhibici CA je zodpovědná 4-kafeoylová skupina . CA inhiboval oba izozymy prasečí pankreatické α-amylázy (PPA), PPA-I i PPA-II, což naznačuje, že inhibitory α-amylázy by mohly být použity k prevenci a léčbě DM. CA může také modulovat aktivitu enzymů zapojených do metabolismu lipidů. Wenna et al. prokázali, že buď extrakt z Eucommia ulmoides obsahující CA, nebo čistá CA snižuje střevní absorpci a další přeměnu lipidů a cholesterolu a také snižuje syntézu cholesterolu v játrech. V této studii však byla inhibice aktivity pankreatické lipázy silnější u extraktu z Eucommia ulmoides než u stejné koncentrace kontrolní CA, což naznačuje, že extrakt může obsahovat i další účinné synergické složky. A konečně, u obézních myší vystavených dietě s vysokým obsahem tuku reguloval CA metabolismus lipidů tím, že inhiboval aktivitu syntázy mastných kyselin, HMG-CoA reduktázy a cholesterol acyltransferázy .

2.5. Účinky CA na signální přenosové cesty DM

Insulin zprostředkovává metabolismus glukózy v organismu a svou biologickou aktivitu uplatňuje po interakci s receptory. Signál je pak přenášen do nitra buňky především tyrozinkinázovou cestou. Na přenosu inzulínového signálu se podílí substrát inzulínového receptoru (IRS), fosfatidylinositol-3-kináza (PI3K) a serin/threonin kináza (Akt) a glukózový transportér (GLUT), které jsou ohniskem současného výzkumu molekulárního mechanismu inzulínové rezistence .

CA je hlavní fenolová kyselina v Sonchus oleraceus, která zlepšila citlivost na inzulín v buňkách HepG2 . Snížila také pokles exprese IRS-1 způsobený vysokou koncentrací inzulínu, zabránila inaktivaci dráhy PI3K/Akt a také zabránila snížení hladiny GLUT4 pozorovanému po vystavení vysoké koncentraci glukózy. Tyto výsledky jsou v souladu s výsledky Liang et al. , kde myši ošetřené CA, které byly předtím vystaveny působení mléka s vysokým obsahem tuku, vykazovaly zvýšení hladiny mRNA GLUT-4 v kosterním svalu. Za tento účinek však mohou být zodpovědné i jiné složky extraktu fenolických kyselin ze Sonchus oleraceus než CA. Stejně tak není známo, zda účinek na dráhu tyrosinkinázy působí CA nebo jiné složky.

Peng et al. prokázali ve střevních segmentech potkanů vystavených vysokotučné stravě potlačení downregulace GLUT2 po podání CA. Pokusy na zvířatech navíc ukázaly, že tato downregulace mohla být zprostředkována aktivací proteinkinázy aktivované adenosin 5-monofosfátem (AMPK), kterou usnadňuje CA . Tito autoři totiž prokázali, že CA podporuje fosforylaci AMPK a Akt za účelem zvýšení transportu GLUT4 do plazmatických membrán, čímž usnadňuje transport glukózy. Ve skutečnosti nebylo možné pozorovat transport GLUT4 po vyřazení AMPKa1/2 nebo inhibici AMPK. Bylo také prokázáno, že CA podporuje expresi a translokaci GLUT4, případně inhibuje produkci glukózy v játrech, ale tato inhibice po inhibici nebo vyřazení AMPK zmizela . Nicméně za aktivaci AMPK v kosterním svalu, která usnadňuje transport glukózy, může být v konečném důsledku zodpovědná spíše kyselina kávová, metabolit CA, než CA samotná .

2.6. Způsoby aktivace AMPK v kosterním svalu. Účinky CA na oxidační stres a zánětlivou odpověď

Oxidační stres a zánětlivá odpověď jsou klíčovými faktory při vzniku a rozvoji DM 2. typu . Tyto faktory vedou k poškození buněk β ostrůvků , urychlují inzulinovou rezistenci a zvyšují rozvoj komplikací souvisejících s DM . Proto by prevence a léčba DM měla těžit ze zmírnění oxidativního stresu a zánětlivé reakce.

U potkanů na modelu DM podávání CA snížilo obsah lipidového peroxidu vodíku a zvýšilo obsah neenzymatických antioxidantů v krvi, jako je glutathion (GSH), vitamin C, vitamin E a ceruloplazmin , což naznačuje, že CA chrání před DM vystaveným oxidativnímu stresu vyvolanému streptozotocinem a nikotinamidem. V játrech a ledvinách CA snížila hladiny reaktivních látek kyseliny thiobarbiturové a hydroperoxidu a zvýšila aktivitu superoxiddismutázy (SOD), katalázy (CAT), glutathionperoxidázy (GSH-Px) a glutathion S-transferázy (GST) . V játrech a bílé tukové tkáni CA inhibovala expresi proteinů a mRNA F4/80 a CD68 a zmírnila zánětlivou reakci . Kromě toho měla CA ochranný účinek na buňky vylučující inzulin (INS-1E) vystavené streptozotocinu (STZ) . V této studii CA podporovala sekreci inzulínu v buňkách INS-1E a zvyšovala obsah GSH a aktivitu GSH-Px. Snížila také produkci reaktivních forem kyslíku (ROS) a morfologické změny buněk způsobené STZ, čímž chránila β buňky.

3.1. Účinky CA na diabetickou nefropatii (DN)

DN je jednou z nejčastějších mikrovaskulárních komplikací DM a také jednou z hlavních příčin úmrtí pacientů s DM . Byly učiněny některé pokusy o využití CA v prevenci a léčbě DN. U experimentálních potkanů s DM CA snížila hladinu malondialdehydu (MDA) v ledvinách, zvýšila aktivitu SOD a GSH-Px a snížila expresi faktorů (IL-6, TNF-α a IL-1β) souvisejících s oxidačním stresem a zánětlivou reakcí v ledvinách . V této studii bylo patologickým vyšetřením zjištěno, že CA snižuje glomerulární hypertrofii a expanzi mezangiální matrix. Další pokus na zvířatech byl v souladu s těmito výsledky a ukázal, že CA zvyšuje aktivitu SOD, GSH-Px a CAT v ledvinách, snižuje hladinu MDA, snižuje expresi proteinu cyklooxygenázy 2 (COX-2) a snižuje proliferaci a expanzi mezangiálních buněk. Výše uvedené výsledky tedy naznačují, že CA může předcházet DN a léčit ji zmírněním oxidačního stresu a zánětlivé reakce v ledvinách.

3.2. Účinky CA na diabetickou retinopatii (DR)

DR je mikrovaskulární komplikace DM, která je celosvětově hlavní příčinou zhoršení zraku u lidí středního a staršího věku . Úloha CA v prevenci a léčbě DR je proto předmětem intenzivního výzkumu. Léčba myší s DM extraktem ze zimolezu, u kterého se pomocí vysoce účinné kapalinové chromatografie prokázalo, že obsahuje především CA, potlačila STZ indukovanou proliferaci cév sítnice a snížila obsah vaskulárního endoteliálního růstového faktoru (VEGF) v séru . V pokusech na buňkách a zvířatech CA také působí proti účinku hypoxií indukovaného faktoru 1-α a snižuje expresi VEGF během DR, čímž zlepšuje neovaskularizaci sítnice. Tyto výsledky jsou v souladu s imunofluorescenčním barvením diferenciačních shluků sítnice a histopatologickými pozorováními . U potkanů s DM navíc CA zlepšila snížení okludinu, proteinu těsného spojení a součásti hematoencefalické bariéry, a inhibovala expresi VEGF . Celkově výše uvedené výsledky ukazují, že CA může zmírnit účinek DR v souvislosti s cévní propustností sítnice.

3.3. Účinky CA na diabetickou periferní neuropatii (DPN)

Jednou z nejčastějších chronických komplikací DM je diabetické systémové onemocnění, které se projevuje především jako periferní neuropatie . Proto byly studie zaměřeny na vliv CA na diabetickou neuropatii. U myší s DM CA zlepšila sluchovou funkci zevního zvukovodu, zmírnila dysfunkci centrální sluchové dráhy, přispěla k obnově poškození vnějších vláskových buněk kochleárního aparátu, zabránila vzniku neuromu a ochránila vláskové buňky ucha . Tyto účinky odpovídají zlepšujícímu účinku CA na sluchové funkce. Také pomocí mechanického testu tlakem drápů CA účinně zmírňovala neuropatickou bolest vyvolanou DM, pravděpodobně prostřednictvím snížení hladiny glukózy v krvi a zmírnění oxidačního stresu .

4. Shrnutí a výhled

CA je přírodní produkt získatelný z různých zdrojů, který má široké farmakologické spektrum. Ve srovnání se stávajícími hypoglykemizujícími léčivy má nízkou toxicitu nebo vedlejší účinky. Vzhledem ke svým multisystémovým a multitargetním farmakologickým účinkům se CA může stát užitečným klinickým lékem v léčbě komplexní patogeneze typické pro DM a také jeho souvisejících komplikací. Tento přehled však ukazuje, že použití CA k tomuto účelu má stále řadu omezení. Za prvé, navzdory použití CA v prevenci a léčbě DM za různých podmínek zůstává mechanismus účinku a specifické cíle nejasné. Za druhé, dávkování CA aplikované u DM je třeba potvrdit dalšími důkazy. Zatřetí, dosavadní snahy se zaměřovaly pouze na DN, DR a DPN, ale tyto studie nezahrnují diabetická cerebrovaskulární onemocnění a diabetická srdeční onemocnění. Začtvrté, existuje možnost kombinované aplikace CA se západními hypoglykemizujícími léky nebo s jinými tradičními čínskými léčivy. Ty mohou přinést snížení toxicity a zvýšení účinnosti při útoku na nejvýznamnější účinek DM, kterým je glykémie. A konečně, vývoj CA jako nového léčiva pro prevenci a léčbu DM vyžaduje zlepšení stability, rozpustnosti a absolutní perorální biologické dostupnosti.

Konflikty zájmů

Autoři prohlásili, že nejsou ve střetu zájmů.

Poděkování

Tato práce byla podpořena Fondem vědeckého výzkumu Ministerstva školství provincie Hunan (č. 17C0123) a Fondem vědeckého výzkumu Podnikatelského výboru pro zdraví a plánování provincie Hunan (č. C2017010). Autoři by rádi vyjádřili poděkování společnosti EditSprings (https://www.editsprings.com/) za poskytnuté odborné jazykové služby.