Uso dell’acido clorogenico contro il diabete mellito e le sue complicazioni

Abstract

L’acido clorogenico (CA) è un composto fenolico comunemente presente nelle diete umane a base di piante. L’acido clorogenico è il componente principale di molti preparati della medicina tradizionale cinese e negli ultimi anni si è scoperto che ha proprietà ipoglicemiche, ipolipemizzanti, antinfiammatorie, antiossidanti e altre proprietà farmacologiche. In particolare, la CA allevia gli effetti del diabete mellito (DM) e lo previene. Inoltre, la CA è anche benefica contro le complicazioni derivanti dal DM, come la nefropatia diabetica (DN), la retinopatia diabetica (DR), e la neuropatia periferica diabetica (DPN). Qui, rivediamo l’uso di CA nella prevenzione e nel trattamento del DM e delle sue complicazioni, fornendo un background per ulteriori ricerche e usi medici.

1. Introduzione

L’acido clorogenico (CA), chiamato anche acido 5-caffeoylquinico (5-CQA), appartiene alla famiglia degli acidi idrossicinnamici ed è formato da acido caffeico e acido chinico. Il CA è prodotto nelle piante nella via dell’acido shikimico durante la respirazione aerobica. Questo composto è un ingrediente, non solo negli alimenti, ma anche nei preparati della medicina tradizionale cinese. In questi ultimi, è stato trovato per esercitare effetti ipoglicemici, ipolipemizzanti, antibatterici, antiossidanti e antinfiammatori. In questo contesto, gli effetti ipoglicemici e ipolipidemici di CA hanno attirato l’attenzione, in particolare nella loro possibile applicazione nella prevenzione e nel trattamento del diabete mellito (DM). Il DM è una malattia metabolica causata da una funzione insulinica anormale e caratterizzata da iperglicemia. I suoi principali sottotipi sono (1) tipo 1, con carenza assoluta di insulina, e (2) tipo 2 DM, o DM non insulino-dipendente, con carenza e resistenza relativa all’insulina.

Secondo le stime dell’Organizzazione Mondiale della Sanità, il DM colpisce 366 milioni di pazienti nel mondo, un numero destinato a crescere fino a 500 milioni entro il 2030. Il DM è un fattore di rischio elevato per l’ictus, le malattie cardiache e le malattie renali, quindi, compromettendo seriamente la qualità della vita e limitando gravemente lo sviluppo sociale ed economico. Nonostante molti studi abbiano riportato l’uso di CA contro il DM e le sue complicanze, questi studi non sono stati sistematici e le informazioni sono sparse nella letteratura. La presente revisione ha lo scopo di organizzare queste informazioni per ulteriori lavori di ricerca e uso medico.

2. Uso di CA per prevenire e trattare il DM

2.1. Effetto dei CA sul metabolismo del glucosio

L’iperglicemia persistente è la caratteristica principale del DM. Al momento dell’insorgenza della DM, le cellule isletiche β secernono continuamente ed eccessivamente insulina per ridurre il glucosio nel sangue, il che alla fine causa un danno alle cellule isletiche β e aggrava l’iperglicemia. In condizioni di iperglicemia persistente, la tossicità del glucosio causa complicazioni croniche della DM. CA ha dimostrato di ridurre la glicemia a digiuno; per esempio, quando 15 pazienti con alterata tolleranza al glucosio sono stati esposti a 400 mg di CA, somministrati tre volte al giorno per 12 settimane, in uno studio clinico randomizzato, in doppio cieco, controllato con placebo. In altri studi clinici, l’estratto di chicchi di caffè verde contenente CA è stato utilizzato per ridurre la glicemia a digiuno in 21 pazienti con malattia metabolica, quando l’estratto è stato somministrato in capsule da 400 mg due volte al giorno per un totale di 8 settimane. Inoltre, la glicemia nei topi con una dieta ad alto contenuto di grassi trattati con l’estratto di chicchi di caffè verde, che è composto principalmente da CA, era significativamente inferiore a quella di un gruppo di controllo, quando l’estratto ha raggiunto 100 mg/kg di peso corporeo, dopo sei settimane. In un altro studio, i ratti con DM di tipo 2 sono stati trattati con estratto di foglie di gelso contenente CA, rutina o isoquercitrina per 11 giorni. Mentre l’estratto di foglie di gelso, la CA e la rutina hanno ridotto notevolmente la glicemia nei ratti trattati, l’isoquercitrina non ha avuto alcun effetto ipoglicemico evidente, suggerendo che oltre il 50% dell’effetto ipoglicemico osservato nell’estratto di foglie di gelso potrebbe essere attribuito alla CA e alla rutina. Inoltre, una minore glicemia a digiuno e un aumento del glicogeno muscolare sono stati trovati in topi di laboratorio db/db quando somministrato CA per gavage ad una dose di 80 mg/kg/giorno per 12 settimane. Durante uno studio sull’effetto di CA sul contenuto di glucosio nel sangue postprandiale, Tunnicliffe et al. hanno trovato che la glicemia nei ratti trattati con CA per 60 min dopo un pasto era nettamente inferiore a quella dei ratti trattati con placebo. Infine, una glicemia più bassa del normale è stata riportata quando i ratti DM indotti da streptozotocina-nicotinamide sono stati trattati con CA alla dose di 5 mg/kg/giorno per 45 giorni, con livelli nei ratti trattati e di controllo di 105.2 e 282.28 mg/dL, rispettivamente. Effetto di CA sul contenuto di lipidi

Il metabolismo lipidico disfunzionale è un noto fattore di rischio nel DM, e diversi rapporti hanno evidenziato l’effetto di CA nel migliorare il metabolismo lipidico. Nei ratti Wistar esposti a una dieta ad alto contenuto di glucosio e di grassi, la CA ha migliorato il metabolismo lipidico, ridotto l’aumento di peso, il peso del fegato, il peso del grasso mesenterico ed epididimale, il contenuto di colesterolo epatico, i trigliceridi, gli acidi grassi liberi e gli acidi grassi liberi nel plasma. Osservazioni simili sono state riportate in altri esperimenti su animali per quanto riguarda l’aumento di peso, il peso del fegato e gli acidi grassi liberi nel plasma, e nei topi esposti a una dieta ad alto contenuto di grassi, l’estratto di chicchi di caffè verde che è principalmente composto da CA ha ridotto i trigliceridi del plasma, le lipoproteine a bassa densità e le lipoproteine ad alta densità. Ong et al. hanno riferito che i topi db/db trattati con CA alla dose di 250 mg/kg/giorno per 14 giorni hanno mostrato livelli significativamente ridotti di colesterolo totale, trigliceridi e acidi grassi liberi nel plasma, rispetto a un gruppo di controllo. Inoltre, l’istomorfologia epatica ha mostrato che il CA ha inibito la formazione di particelle di grasso negli epatociti dei topi trattati.

Nei ratti SD esposti a una dieta ad alto contenuto di glucosio e di grassi, il CA ha ridotto drasticamente il colesterolo totale, le lipoproteine a bassa densità, le lipoproteine ad alta densità nel plasma e il contenuto di lipidi nel fegato, ma non ha avuto effetti sui trigliceridi. Questo è in contrasto con un altro rapporto che sosteneva proprio il contrario; un effetto di CA sui trigliceridi, ma nessuna riduzione degli acidi grassi liberi e del colesterolo totale nel sangue, fegato o muscolo.

In uno studio che ha valutato l’effetto della CA e della tetraidrocurcumina sui lipidi del sangue nei ratti DM, la CA ha ridotto significativamente il contenuto di colesterolo, trigliceridi, acidi grassi liberi, lipoproteine ad alta densità, lipoproteine a bassa densità, lipoproteine a bassissima densità nel plasma, e lipidi nel fegato e nel rene. Infine, nei criceti dorati alimentati con una dieta ad alto contenuto di grassi, CA ha inibito l’aumento di peso riducendo il contenuto di grasso viscerale, trigliceridi plasmatici, colesterolo totale, acidi grassi liberi, lipoproteine ad alta densità e lipoproteine a bassa densità, così come trigliceridi e colesterolo totale nel fegato e acidi grassi liberi nei muscoli. Effetti di CA sulla secrezione di insulina e la resistenza

Ca è stato segnalato per alleviare la resistenza all’insulina che è la causa diretta del DM. In un test clinico, un calo della glicemia a digiuno e la secrezione di insulina dei pazienti trattati con CA per 12 settimane, ha suggerito che CA può migliorare la resistenza all’insulina e migliorare la sensibilità all’insulina. Tuttavia, in un altro esperimento clinico, CA non ha aumentato la secrezione di glucagon-like peptide-1 e l’ormone insulino-stimolante dipendente dal glucosio. Gli esperimenti effettuati in cellule β pretrattate con CA hanno dimostrato che la secrezione di insulina era aumentata dopo la cultura in mezzi con 4 mM o 10 mM di glucosio. In un altro esperimento con la linea cellulare insulino-secernente INS-1E e isolotti di ratto di Langerhans, la stimolazione della secrezione di insulina è stata osservata dopo il trattamento con 50 μg/mL CA; l’effetto era vicino a quello causato da 5 mM di glucosio, mentre in 8,3 mM di glucosio, CA ha aumentato significativamente la secrezione di insulina. I ratti esposti a una dieta ad alto contenuto di grassi e somministrati 50 mg/kg di CA per 20 settimane hanno mostrato un aumento della secrezione di insulina e un miglioramento della resistenza all’insulina. Inoltre, il trattamento con CA di topi obesi indotti da una dieta ad alto contenuto di grassi e di topi spontaneamente obesi ha ridotto l’iperinsulinemia e migliorato la sensibilità all’insulina, suggerendo che CA può migliorare la resistenza all’insulina legata all’obesità. Nei topi esposti al latte ad alto contenuto di grassi, CA ha elevato la sensibilità all’insulina e ridotto la resistenza all’insulina. Infine, quando i topi obesi sono stati esposti a una dieta ad alto contenuto di grassi, la somministrazione di CA contenente estratto di chicchi di caffè verde ha ridotto la resistenza all’insulina in modo dose-dipendente. Tuttavia, altri esperimenti clinici hanno dimostrato che la riduzione indotta dal caffè della resistenza epatica all’insulina causata da un sovradosaggio di fruttosio a breve termine non può essere attribuita a CA o caffeina, ma ad altri composti attivi non identificati. Effetto di CA sull’attività degli enzimi coinvolti nel metabolismo del glucosio e dei lipidi

L’attività degli enzimi associati al metabolismo del glucosio e dei lipidi e la loro regolazione da parte dei prodotti naturali è diventata un obiettivo di ricerca nella prevenzione e nel trattamento della DM. In vitro, CA modula l’attività degli enzimi coinvolti nel metabolismo del glucosio. Infatti, 100 μg/mL di CA hanno inibito competitivamente l’α-amilasi, riducendo la sua attività del 75%, simile all’effetto inibitorio dell’acarbosio, che è coerente con i risultati di Oboh et al. CA ha anche dimostrato di inibire l’attività dell’α-glucosidasi, ma questo effetto era molto più debole di quello dell’acarbosio. Altri studi in vitro hanno dimostrato che la CA inibisce competitivamente la glucosio-6-fosfatasi nel fegato e riduce l’idrolisi del glicogeno epatico, contribuendo così alla prevenzione e al trattamento del DM.

In uno studio precedente, un gruppo 4-caffeoyl è stato dimostrato essere responsabile dell’inibizione osservata dalla CA. CA ha inibito entrambi gli isozimi dell’α-amilasi pancreatica suina (PPA), PPA-I e PPA-II, suggerendo che gli inibitori dell’α-amilasi potrebbero essere usati per prevenire e trattare la DM. CA può anche modulare l’attività degli enzimi coinvolti nel metabolismo dei lipidi. Wenna et al. hanno dimostrato che un estratto di Eucommia ulmoides contenente CA o CA puro ha ridotto l’assorbimento intestinale e l’ulteriore conversione di lipidi e colesterolo e ha anche ridotto la sintesi epatica del colesterolo. Tuttavia, in quello studio, l’inibizione dell’attività della lipasi pancreatica era più forte per l’estratto di Eucommia ulmoides che per la stessa concentrazione di CA di controllo, suggerendo che l’estratto può contenere anche altri componenti sinergici efficaci. Infine, nei topi obesi esposti a una dieta ad alto contenuto di grassi, CA ha regolato il metabolismo dei lipidi inibendo l’attività della sintasi degli acidi grassi, della HMG-CoA reduttasi e dell’aciltransferasi del colesterolo. Effetti dell’AC sulle vie di trasduzione del segnale del DM

L’insulina media il metabolismo del glucosio nel corpo ed esercita la sua attività biologica dopo l’interazione con i recettori. Il segnale viene poi trasferito all’interno della cellula principalmente attraverso una via tirosin-chinasica. La trasduzione del segnale dell’insulina coinvolge il substrato del recettore dell’insulina (IRS), la fosfatidilinositolo-3-chinasi (PI3K) e la serina/treonina chinasi (Akt), e il trasportatore del glucosio (GLUT), che sono i fuochi della ricerca attuale sul meccanismo molecolare dell’insulino-resistenza. Ha anche ridotto la diminuzione dell’espressione di IRS-1 causata da un’alta concentrazione di insulina, ha impedito l’inattivazione della via PI3K/Akt e ha anche impedito la riduzione del livello di GLUT4 osservato dopo l’esposizione al glucosio. Questi risultati sono coerenti con quelli di Liang et al. , dove i topi trattati con CA precedentemente esposti al latte ad alto contenuto di grassi hanno mostrato un aumento dei livelli di mRNA GLUT-4 nel muscolo scheletrico. Tuttavia, altri componenti nell’estratto di acido fenolico da Sonchus oleraceus diversi da CA possono essere responsabili di questo effetto. Allo stesso modo, se l’effetto sul percorso della tirosina chinasi sia esercitato da CA o da altri componenti rimane sconosciuto.

In segmenti intestinali di ratti esposti a una dieta ad alto contenuto di grassi, Peng et al. hanno mostrato la soppressione della downregulation di GLUT2 dopo la somministrazione di CA. Inoltre, gli esperimenti sugli animali hanno mostrato che questa downregulation potrebbe essere stata mediata dall’attivazione dell’adenosina 5-monophosphate-activated protein kinase (AMPK) facilitata da CA . Infatti, questi autori hanno dimostrato che CA ha promosso la fosforilazione di AMPK e Akt per aumentare il trasporto di GLUT4 alle membrane plasmatiche, facilitando così il trasporto di glucosio. Infatti, il trasporto di GLUT4 non poteva essere osservato dopo il knockout di AMPKa1/2 o l’inibizione di AMPK. CA ha anche dimostrato di promuovere l’espressione e la traslocazione di GLUT4, inibendo infine la produzione di glucosio nel fegato, ma questa inibizione è scomparsa dopo l’inibizione o il knockout di AMPK. Tuttavia, l’acido caffeico, un metabolita di CA, piuttosto che CA stesso, può essere in ultima analisi responsabile per l’attivazione di AMPK nel muscolo scheletrico per facilitare il trasporto di glucosio

2.6. Effetti della CA sullo stress ossidativo e sulla risposta infiammatoria

Lo stress ossidativo e la risposta infiammatoria sono fattori chiave nella comparsa e nello sviluppo del DM di tipo 2. Questi fattori provocano un danno alle cellule β delle isole, accelerano la resistenza all’insulina e aumentano lo sviluppo delle complicazioni legate al DM. Pertanto, la prevenzione e il trattamento di DM dovrebbe beneficiare di alleviare lo stress ossidativo e la risposta infiammatoria.

Nei ratti modello DM, la somministrazione di CA ha ridotto il contenuto di perossido di idrogeno lipidico e aumentato il contenuto di antiossidanti non enzimatici nel sangue come il glutatione (GSH), vitamina C, vitamina E, e ceruloplasmina, suggerendo che CA protegge contro DM esposti a streptozotocin-nicotinamide indotta da stress ossidativo. Nel fegato e nel rene, CA ha ridotto i livelli di sostanze reattive dell’acido tiobarbiturico e di idroperossido e ha aumentato l’attività della superossido dismutasi (SOD), della catalasi (CAT), del glutatione perossidasi (GSH-Px) e della glutatione S-transferasi (GST). Nel fegato e nei tessuti adiposi bianchi, CA ha inibito l’espressione della proteina e del mRNA di F4/80 e CD68 e ha alleviato la risposta infiammatoria. Inoltre, CA ha avuto un effetto protettivo sulle cellule insulino secernenti-IE (INS-1E) esposte alla streptozotocina (STZ). In quello studio, CA ha promosso la secrezione di insulina nelle cellule INS-1E e ha aumentato il contenuto di GSH e l’attività di GSH-Px. Inoltre, ha ridotto la produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) e i cambiamenti morfologici delle cellule causati da STZ, proteggendo così le cellule β.

3.1. Effetti della CA sulla nefropatia diabetica (DN)

La DN è una delle complicazioni microvascolari più comuni della DM e anche una delle principali cause di morte nei pazienti DM. Ci sono stati alcuni tentativi di usare la CA nella prevenzione e nel trattamento della DN. Nei ratti DM sperimentali, la CA ha diminuito i livelli di malondialdeide (MDA) nel rene, ha aumentato l’attività di SOD e GSH-Px e ha ridotto l’espressione dei fattori (IL-6, TNF-α e IL-1β) legati allo stress ossidativo e alla risposta infiammatoria nel rene. In quello studio, l’esame patologico ha trovato che la CA ha ridotto l’ipertrofia glomerulare e l’espansione della matrice mesangiale. Un altro esperimento animale è stato coerente con questi risultati, mostrando che la CA ha migliorato l’attività di SOD, GSH-Px, e CAT nel rene, ha ridotto i livelli di MDA, downregolato l’espressione della proteina ciclossigenasi 2 (COX-2), e ridotto la proliferazione e l’espansione delle cellule mesangiali. Così, i risultati di cui sopra suggeriscono che CA può prevenire e trattare DN alleviando lo stress ossidativo e la risposta infiammatoria nel rene.

3.2. Effetti di CA sulla retinopatia diabetica (DR)

DR è una complicazione microvascolare del DM che è la principale causa di deterioramento della vista nelle persone di mezza età e anziani in tutto il mondo. Pertanto, il ruolo dell’AC nella prevenzione e nel trattamento della DR è stato oggetto di intense ricerche. Il trattamento dei topi DM con l’estratto di caprifoglio, dimostrato dalla cromatografia liquida ad alta efficienza di contenere principalmente CA, ha soppresso la proliferazione vascolare retinica indotta da STZ e ridotto il contenuto del fattore di crescita endoteliale vascolare (VEGF) nel siero. Inoltre, in esperimenti cellulari e animali, la CA contrasta l’effetto del fattore 1α inducibile dall’ipossia e diminuisce l’espressione del VEGF durante la RD, migliorando così la neovascolarizzazione retinica. Questi risultati sono coerenti con la colorazione di immunofluorescenza retinica dei cluster di differenziazione e le osservazioni istopatologiche. Inoltre, nei ratti DM, CA ha migliorato la riduzione di occludina, una proteina della giunzione stretta e un componente della barriera emato-retinica, e ha inibito l’espressione di VEGF. Nel complesso, i risultati di cui sopra mostrano che CA può mitigare l’effetto della RD nel contesto della permeabilità vascolare retinica.

3.3. Effetti della CA sulla neuropatia periferica diabetica (DPN)

Una delle complicanze croniche più comuni della DM è la malattia sistemica diabetica, che si manifesta principalmente come neuropatia periferica. Così, gli studi sono stati diretti verso l’effetto di CA sulla neuropatia diabetica. Nei topi DM, CA ha migliorato la funzione uditiva del canale uditivo esterno, alleviato la disfunzione della via uditiva centrale, ha contribuito al recupero della lesione delle cellule ciliate esterne cocleari, ha impedito il neuroma, e protetto le cellule ciliate dell’orecchio. Questi effetti sono coerenti con un effetto migliorativo di CA sulla funzione uditiva. Inoltre, utilizzando un test di pressione meccanica dell’artiglio, CA è stato efficace per alleviare il dolore neuropatico indotto da DM, possibilmente attraverso la riduzione del livello di glucosio nel sangue e alleviando lo stress ossidativo.

4. Riassunto e prospettive

CA è un prodotto naturale ottenibile da una varietà di fonti che ha una vasta gamma farmacologica. Rispetto ai farmaci ipoglicemizzanti esistenti, ha una bassa tossicità o effetti collaterali. A causa dei suoi effetti farmacologici multisistemici e multitarget, l’AC può diventare un farmaco clinico utile nel trattamento della complessa patogenesi tipica del DM e anche delle sue complicanze correlate. Tuttavia, la presente revisione mostra che ci sono ancora molte limitazioni nell’applicazione dei CA a questo scopo. In primo luogo, nonostante l’uso di CA nella prevenzione e nel trattamento del DM in diverse condizioni, il meccanismo d’azione e i bersagli specifici rimangono poco chiari. In secondo luogo, il dosaggio di CA applicato nella DM deve essere confermato da ulteriori prove. In terzo luogo, gli sforzi passati si sono concentrati solo su DN, DR e DPN, ma questi studi non riguardano le malattie cerebrovascolari diabetiche e le malattie cardiache diabetiche. Quarto, c’è un potenziale per l’applicazione combinata di CA con farmaci ipoglicemizzanti occidentali o con altre medicine tradizionali cinesi. Questi possono portare una ridotta tossicità e una maggiore efficacia per attaccare l’effetto più saliente del DM, che è la glicemia. Infine, lo sviluppo di CA come un nuovo farmaco per la prevenzione e il trattamento del DM richiede un miglioramento della stabilità, della solubilità e della biodisponibilità assoluta orale.

Conflitti di interesse

Gli autori hanno dichiarato che non ci sono conflitti di interesse.

Riconoscimenti

Questo lavoro è stato sostenuto dal Fondo per la ricerca scientifica del Dipartimento provinciale dell’istruzione di Hunan (n. 17C0123) e dal Fondo per la ricerca scientifica del Comitato aziendale per la salute e la pianificazione di Hunan (n. C2017010). Gli autori desiderano esprimere la loro gratitudine a EditSprings (https://www.editsprings.com/) per i servizi linguistici esperti forniti.