Usługiwanie się kwasem chlorogenowym w walce z cukrzycą i jej powikłaniami

Abstrakt

Kwas chlorogenowy (CA) jest związkiem fenolowym powszechnie występującym w diecie roślinnej człowieka. CA jest głównym składnikiem wielu preparatów tradycyjnej medycyny chińskiej, a w ostatnich latach odkryto, że ma on właściwości hipoglikemiczne, hipolipidemiczne, przeciwzapalne, przeciwutleniające i inne właściwości farmakologiczne. W szczególności, CA łagodzi skutki i zapobiega cukrzycy (DM). Ponadto, CA jest również korzystne przeciwko powikłaniom wynikającym z DM, takim jak nefropatia cukrzycowa (DN), retinopatia cukrzycowa (DR) i obwodowa neuropatia cukrzycowa (DPN). W niniejszym opracowaniu dokonano przeglądu zastosowania CA w zapobieganiu i leczeniu DM i jej powikłań, stanowiąc tło dla dalszych badań i zastosowań medycznych.

1. Wprowadzenie

Kwas chlorogenowy (CA), zwany również kwasem 5-kafeinowym (5-CQA), należy do rodziny kwasów hydroksycynamonowych i jest tworzony przez kwas kofeinowy i kwas chinowy. CA jest wytwarzany w roślinach na drodze kwasu szikimowego podczas oddychania tlenowego. Związek ten jest składnikiem nie tylko żywności, ale również preparatów tradycyjnej medycyny chińskiej. W tych ostatnich stwierdzono, że ma działanie hipoglikemizujące, hipolipidemiczne, antybakteryjne, antyoksydacyjne i przeciwzapalne. W tym kontekście, hipoglikemizujące i hipolipidemiczne efekty CA przyciągnęły uwagę, szczególnie w ich możliwym zastosowaniu w zapobieganiu i leczeniu cukrzycy (DM). DM jest chorobą metaboliczną spowodowaną nieprawidłową funkcją insuliny i charakteryzującą się hiperglikemią. Jej główne podtypy to (1) cukrzyca typu 1, charakteryzująca się bezwzględnym niedoborem insuliny, oraz (2) cukrzyca typu 2, czyli cukrzyca nieinsulinozależna, charakteryzująca się względnym niedoborem insuliny i opornością na insulinę.

Według szacunków Światowej Organizacji Zdrowia cukrzyca występuje u 366 milionów pacjentów na całym świecie, a do 2030 roku liczba ta ma wzrosnąć do 500 milionów. DM jest czynnikiem wysokiego ryzyka wystąpienia udaru mózgu, chorób serca i nerek, co poważnie wpływa na jakość życia i poważnie ogranicza rozwój społeczny i gospodarczy. Mimo że w wielu badaniach donoszono o stosowaniu CA przeciwko DM i jej powikłaniom, badania te nie były systematyczne, a informacje na ten temat są rozproszone w literaturze. Niniejszy przegląd ma na celu uporządkowanie tych informacji dla dalszych prac badawczych i wykorzystania w medycynie.

2. Zastosowanie CA w zapobieganiu i leczeniu DM

2.1. Wpływ CA na metabolizm glukozy

Utrzymująca się hiperglikemia jest nadrzędną cechą DM. W momencie wystąpienia DM, komórki β wysepek stale i nadmiernie wydzielają insulinę w celu zmniejszenia stężenia glukozy we krwi, co ostatecznie powoduje uszkodzenie komórek β wysepek i pogłębia hiperglikemię. W warunkach utrzymującej się hiperglikemii, toksyczność glukozy powoduje przewlekłe powikłania DM. Wykazano, że CA zmniejsza stężenie glukozy we krwi na czczo; na przykład, gdy 15 pacjentów z upośledzoną tolerancją glukozy było narażonych na 400 mg CA, podawanego trzy razy dziennie przez 12 tygodni, w randomizowanym, podwójnie ślepym, kontrolowanym placebo badaniu klinicznym. W innych badaniach klinicznych, CA zawierające ekstrakt z zielonych ziaren kawy był używany do zmniejszenia stężenia glukozy we krwi na czczo u 21 pacjentów z chorobą metaboliczną, gdy ekstrakt był podawany w 400 mg kapsułek podawanych dwa razy dziennie przez łącznie 8 tygodni. Ponadto, stężenie glukozy we krwi u myszy na diecie wysokotłuszczowej leczonych ekstraktem z zielonych ziaren kawy, który składa się głównie z CA, było znacznie niższe niż w grupie kontrolnej, gdy ekstrakt osiągnął 100 mg/kg masy ciała, po sześciu tygodniach. W innym badaniu szczury z typem 2 DM były leczone ekstraktem z liści morwy zawierającym CA, rutynę lub izoquercitrin przez 11 dni. Podczas gdy ekstrakt z liści morwy, CA i rutyna znacznie obniżyły poziom glukozy we krwi u leczonych szczurów, izokwercytryna nie miała wyraźnego działania hipoglikemizującego, co sugeruje, że ponad 50% efektu hipoglikemizującego obserwowanego w ekstrakcie z liści morwy można przypisać CA i rutynie. Również niższy poziom glukozy we krwi na czczo i podwyższony poziom glikogenu mięśniowego stwierdzono u myszy laboratoryjnych db/db, którym podawano CA przez zgłębnik w dawce 80 mg/kg/dzień przez 12 tygodni. Podczas badania wpływu CA na poposiłkową zawartość glukozy we krwi Tunnicliffe i wsp. stwierdzili, że stężenie glukozy we krwi u szczurów, którym podawano CA przez 60 min po posiłku, było znacznie niższe niż u szczurów, którym podawano placebo. Wreszcie, niższe niż normalne stężenie glukozy we krwi odnotowano, gdy szczury z DM wywołaną streptozotocyną i nikotynamidem były leczone CA w dawce 5 mg/kg/dzień przez 45 dni, z poziomami u leczonych i kontrolnych szczurów wynoszącymi odpowiednio 105,2 i 282,28 mg/dl

2.2. Wpływ CA na zawartość lipidów

Dysfunkcja metabolizmu lipidów jest dobrze znanym czynnikiem wysokiego ryzyka w DM, a kilka raportów podkreśliło wpływ CA w poprawie metabolizmu lipidów. U szczurów Wistar narażonych na dietę wysokoglukozową i wysokotłuszczową, CA poprawił metabolizm lipidów, zmniejszył przyrost masy ciała, masę wątroby, masę tłuszczu krezkowego i najądrza, zawartość cholesterolu wątrobowego, triglicerydów, wolnych kwasów tłuszczowych i wolnych kwasów tłuszczowych w osoczu. Podobne obserwacje zostały zgłoszone w innych doświadczeń na zwierzętach w odniesieniu do przyrostu masy ciała, masy wątroby i osocza wolnych kwasów tłuszczowych, a u myszy narażonych na diety wysokotłuszczowej, zielone ziarno kawy ekstrakt, który składa się głównie z CA zmniejszone triglicerydy osocza, lipoprotein o niskiej gęstości i lipoprotein o wysokiej gęstości. Ong i wsp. donoszą, że myszy db/db leczone CA w dawce 250 mg/kg/dzień przez 14 dni wykazały znacznie obniżony poziom cholesterolu całkowitego, triglicerydów i wolnych kwasów tłuszczowych w osoczu, w stosunku do grupy kontrolnej. Ponadto histomorfologia wątroby wykazała, że CA hamował tworzenie się cząsteczek tłuszczu w hepatocytach leczonych myszy.

W szczurach SD narażonych na dietę wysokoglukozową i wysokotłuszczową, CA drastycznie zmniejszał poziom cholesterolu całkowitego, lipoprotein o małej gęstości, lipoprotein o dużej gęstości w osoczu i zawartość lipidów w wątrobie, ale nie miał wpływu na trójglicerydy. To jest w przeciwieństwie do innego raportu, który twierdził, że tylko odwrotnie; wpływ CA na trójglicerydy, ale nie zmniejszenie wolnych kwasów tłuszczowych i cholesterolu całkowitego we krwi, wątrobie, lub mięśni.

W badaniu, które oceniało wpływ CA i tetrahydrokurkuminy na lipidy we krwi u szczurów z DM, CA znacząco zmniejszył zawartość cholesterolu, triglicerydów, wolnych kwasów tłuszczowych, lipoprotein o dużej gęstości, lipoprotein o małej gęstości, lipoprotein o bardzo małej gęstości w osoczu oraz lipidów w wątrobie i nerkach. Wreszcie, u złotych chomików karmionych dietą wysokotłuszczową, CA hamował przyrost masy ciała poprzez zmniejszenie zawartości tłuszczu trzewnego, triglicerydów w osoczu, cholesterolu całkowitego, wolnych kwasów tłuszczowych, lipoprotein o dużej gęstości i lipoprotein o małej gęstości, jak również triglicerydów i cholesterolu całkowitego w wątrobie i wolnych kwasów tłuszczowych w mięśniach .

2.3. Effects of CA on Insulin Secretion and Resistance

CA has been reported to relieve insulin resistance which is the direct cause of DM . W badaniu klinicznym, spadek stężenia glukozy we krwi na czczo i wydzielania insuliny u pacjentów leczonych CA przez 12 tygodni, sugerował, że CA może złagodzić insulinooporność i zwiększyć wrażliwość na insulinę. Jednak w innym doświadczeniu klinicznym CA nie zwiększał wydzielania glukagonopodobnego peptydu-1 i zależnego od glukozy hormonu stymulującego wydzielanie insuliny. Eksperymenty przeprowadzone na komórkach β poddanych działaniu CA wykazały, że wydzielanie insuliny było zwiększone po hodowli w podłożu z 4 mM lub 10 mM glukozy. W innym eksperymencie z linią komórek INS-1E wydzielających insulinę i szczurzymi wysepkami Langerhansa obserwowano stymulację wydzielania insuliny po traktowaniu 50 μg/mL CA; efekt był zbliżony do wywołanego przez 5 mM glukozy, natomiast w 8,3 mM glukozy CA znacząco zwiększał wydzielanie insuliny. U szczurów poddawanych diecie wysokotłuszczowej i podawanych 50 mg/kg CA przez 20 tygodni stwierdzono wzrost wydzielania insuliny i poprawę insulinooporności. Ponadto, leczenie CA zarówno myszy otyłych indukowanych dietą wysokotłuszczową i myszy spontanicznie otyłych zmniejszyło hiperinsulinemię i zwiększyło wrażliwość na insulinę, co sugeruje, że CA może poprawić insulinooporność związaną z otyłością. U myszy narażonych na wysokotłuszczowe mleko, CA podniósł wrażliwość na insulinę i zmniejszył oporność na insulinę. Wreszcie, gdy otyłe myszy były narażone na dietę wysokotłuszczową, podawanie CA zawierającego ekstrakt z zielonych ziaren kawy zmniejszyło oporność na insulinę w sposób zależny od dawki. Jednakże, inne eksperymenty kliniczne wykazały, że obserwowana redukcja insulinooporności wątroby wywołana kawą przez krótkotrwałe przedawkowanie fruktozy nie może być przypisana CA lub kofeinie, ale innym niezidentyfikowanym związkom aktywnym .

2.4. Effect of CA on the Activity of Enzymes Involved in Glucose and Lipid Metabolism

Aktywność enzymów związanych z metabolizmem glukozy i lipidów oraz ich regulacja przez produkty naturalne stały się przedmiotem badań w zapobieganiu i leczeniu DM. In vitro, CA moduluje aktywność enzymów zaangażowanych w metabolizm glukozy. Rzeczywiście, 100 μg/mL CA kompetycyjnie hamowało α-amylazę, zmniejszając jej aktywność o 75%, podobnie jak hamujące działanie akarbozy, co jest zgodne z wynikami Oboh i wsp. Wykazano również, że CA hamuje aktywność α-glukozydazy, ale efekt ten był znacznie słabszy niż w przypadku akarbozy. Inne badania in vitro wykazały, że CA kompetycyjnie hamuje glukozo-6-fosfatazę w wątrobie i zmniejsza hydrolizę glikogenu wątrobowego, przyczyniając się w ten sposób do zapobiegania i leczenia DM .

W poprzednim badaniu wykazano, że grupa 4-kofeylowa jest odpowiedzialna za obserwowane hamowanie przez CA . CA hamował obie izozymy α-amylazy trzustkowej świń (PPA), PPA-I i PPA-II, sugerując, że inhibitory α-amylazy mogą być stosowane w zapobieganiu i leczeniu DM. CA może również modulować aktywność enzymów biorących udział w metabolizmie lipidów. Wenna i wsp. wykazali, że zarówno ekstrakt z Eucommia ulmoides zawierający CA, jak i czysty CA zmniejszają wchłanianie jelitowe i dalszą konwersję lipidów i cholesterolu, a także zmniejszają wątrobową syntezę cholesterolu. Jednakże w tym badaniu hamowanie aktywności lipazy trzustkowej było silniejsze dla ekstraktu z Eucommia ulmoides niż dla tego samego stężenia kontrolnego CA, co sugeruje, że ekstrakt może również zawierać inne skuteczne składniki synergistyczne. Wreszcie, u otyłych myszy narażonych na dietę wysokotłuszczową, CA regulował metabolizm lipidów poprzez hamowanie aktywności syntazy kwasów tłuszczowych, reduktazy HMG-CoA i acylotransferazy cholesterolu .

2.5. Wpływ CA na szlaki transdukcji sygnału DM

Insulina pośredniczy w metabolizmie glukozy w organizmie i wywiera swoją aktywność biologiczną po interakcji z receptorami. Sygnał jest następnie przekazywany do wnętrza komórki głównie za pośrednictwem szlaku kinazy tyrozynowej. Transdukcja sygnału insulinowego obejmuje substrat receptora insulinowego (IRS), fosfatydyloinozytol-3-kinazę (PI3K) i kinazę serynową / treoninową (Akt) oraz transporter glukozy (GLUT), które są ogniskami obecnych badań nad molekularnym mechanizmem insulinooporności .

CA jest głównym kwasem fenolowym w Sonchus oleraceus, który poprawił wrażliwość na insulinę w komórkach HepG2 . Zmniejszał również spadek ekspresji IRS-1 spowodowany wysokim stężeniem insuliny, zapobiegał inaktywacji szlaku PI3K/Akt, a także zapobiegał obniżeniu poziomu GLUT4 obserwowanemu po wysokiej ekspozycji na glukozę. Wyniki te są zgodne z wynikami badań Liang i wsp. , u których myszy poddane działaniu CA, wcześniej eksponowane na wysokotłuszczowe mleko, wykazały wzrost poziomu mRNA GLUT-4 w mięśniach szkieletowych. Jednak za ten efekt mogą być odpowiedzialne inne składniki ekstraktu kwasów fenolowych z Sonchus oleraceus niż CA. Podobnie, czy wpływ na szlak kinazy tyrozynowej jest wywierany przez CA czy przez inne składniki pozostaje nieznany.

W segmentach jelitowych szczurów narażonych na dietę wysokotłuszczową, Peng i wsp. wykazali tłumienie downregulacji GLUT2 po podaniu CA. Co więcej, eksperymenty na zwierzętach wykazały, że zmniejszenie to może być spowodowane aktywacją kinazy białkowej aktywowanej adenozyno-5-monofosforanem (AMPK) ułatwioną przez CA. Istotnie, autorzy ci wykazali, że CA promował fosforylację AMPK i Akt w celu zwiększenia transportu GLUT4 do błon plazmatycznych, ułatwiając w ten sposób transport glukozy. W rzeczywistości, transport GLUT4 nie mógł być obserwowany po nokaucie AMPKa1/2 lub inhibicji AMPK. Wykazano również, że CA promuje ekspresję i translokację GLUT4, ostatecznie hamując wątrobową produkcję glukozy, ale to zahamowanie zniknęło po zahamowaniu lub nokaucie AMPK . Niemniej jednak, kwas kofeinowy, metabolit CA, a nie samo CA, może być ostatecznie odpowiedzialny za aktywację AMPK w mięśniach szkieletowych w celu ułatwienia transportu glukozy .

2.6. Effects of CA on Oxidative Stress and Inflammatory Response

Stres oksydacyjny i odpowiedź zapalna są kluczowymi czynnikami w występowaniu i rozwoju DM typu 2. Czynniki te prowadzą do uszkodzenia komórek β wysepki, przyspieszają insulinooporność i zwiększają rozwój powikłań związanych z DM. Dlatego też zapobieganie i leczenie DM powinno korzystać z łagodzenia stresu oksydacyjnego i odpowiedzi zapalnej.

W modelu DM szczurów, podawanie CA zmniejszyło zawartość nadtlenku wodoru w lipidach i zwiększyło zawartość nieenzymatycznych przeciwutleniaczy we krwi, takich jak glutation (GSH), witamina C, witamina E i ceruloplazmina, sugerując, że CA chroni przed DM narażoną na stres oksydacyjny wywołany przez streptozotocynę i nikotynamid. W wątrobie i nerkach, CA zmniejszył poziom substancji reaktywnych kwasu tiobarbiturowego i nadtlenku oraz zwiększył aktywność dysmutazy ponadtlenkowej (SOD), katalazy (CAT), peroksydazy glutationowej (GSH-Px) i S-transferazy glutationowej (GST). W wątrobie i białej tkance tłuszczowej, CA hamował ekspresję białka i mRNA F4/80 i CD68 oraz łagodził odpowiedź zapalną. Ponadto CA wywierał ochronny wpływ na komórki INS-1E (insulin secreting-IE) narażone na działanie streptozotocyny (STZ). W tym badaniu, CA promował wydzielanie insuliny w komórkach INS-1E oraz zwiększał zawartość GSH i aktywność GSH-Px. Ponadto, zmniejszył produkcję reaktywnych form tlenu (ROS) i zmiany morfologiczne komórek wywołane przez STZ, chroniąc w ten sposób komórki β.

3.1. Wpływ CA na nefropatię cukrzycową (DN)

DN jest jednym z najczęstszych mikronaczyniowych powikłań DM, a także jedną z głównych przyczyn zgonów u pacjentów z DM. Podejmowano próby wykorzystania CA w zapobieganiu i leczeniu DN. U szczurów z eksperymentalną DM, CA zmniejszał poziom dialdehydu malonowego (MDA) w nerkach, zwiększał aktywność SOD i GSH-Px oraz zmniejszał ekspresję czynników (IL-6, TNF-α i IL-1β) związanych ze stresem oksydacyjnym i odpowiedzią zapalną w nerkach. W badaniu tym, na podstawie badań patologicznych stwierdzono, że CA zmniejsza przerost kłębuszków nerkowych i rozrost macierzy mezangialnej. Inny eksperyment na zwierzętach był zgodny z tymi wynikami, pokazując, że CA zwiększył aktywność SOD, GSH-Px i CAT w nerkach, zmniejszył poziom MDA, zmniejszył ekspresję białka cyklooksygenazy 2 (COX-2) oraz zmniejszył proliferację i ekspansję komórek mezangialnych. Tak więc, powyższe wyniki sugerują, że CA może zapobiegać i leczyć DN poprzez łagodzenie stresu oksydacyjnego i odpowiedzi zapalnej w nerkach.

3.2. Effects of CA on Diabetic Retinopathy (DR)

DR jest mikronaczyniowym powikłaniem DM, które jest główną przyczyną upośledzenia wzroku u osób w średnim wieku i starszych na całym świecie. Dlatego rola CA w zapobieganiu i leczeniu DR była przedmiotem intensywnych badań. Leczenie myszy z DM ekstraktem z wiciokrzewu, który, jak wykazała wysokosprawna chromatografia cieczowa, zawiera głównie CA, hamowało proliferację naczyń siatkówki wywołaną STZ i zmniejszało zawartość czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego (VEGFs) w surowicy. Ponadto, w eksperymentach komórkowych i zwierzęcych, CA przeciwdziała efektowi czynnika indukowanego hipoksją 1-α i zmniejsza ekspresję VEGF podczas DR, poprawiając w ten sposób neowaskularyzację siatkówki. Wyniki te są zgodne z barwieniem immunofluorescencyjnym siatkówki klastrami różnicowania i obserwacjami histopatologicznymi. Ponadto, u szczurów z DM, CA poprawiła redukcję okludyny, białka ścisłego połączenia i składnika bariery krew-siatkówka, oraz zahamowała ekspresję VEGFs. Ogólnie rzecz biorąc, powyższe wyniki pokazują, że CA może złagodzić efekt DR w kontekście przepuszczalności naczyń siatkówki.

3.3. Wpływ CA na obwodową neuropatię cukrzycową (DPN)

Jednym z najczęstszych przewlekłych powikłań DM jest układowa choroba cukrzycowa, objawiająca się głównie jako neuropatia obwodowa. Dlatego też badania zostały ukierunkowane na wpływ CA na neuropatię cukrzycową. U myszy z DM, CA poprawiła funkcję słuchową przewodu słuchowego zewnętrznego, złagodziła dysfunkcję centralnej drogi słuchowej, przyczyniła się do regeneracji uszkodzeń komórek włosa zewnętrznego ślimaka, zapobiegła powstawaniu nerwiaków i chroniła komórki włosa ucha. Efekty te są spójne z polepszającym wpływem CA na funkcję słuchową. Ponadto, przy użyciu mechanicznego testu nacisku pazura, CA był skuteczny w uśmierzaniu bólu neuropatycznego wywołanego DM, prawdopodobnie poprzez obniżenie poziomu glukozy we krwi i złagodzenie stresu oksydacyjnego.

4. Podsumowanie i perspektywy

CA jest produktem naturalnym otrzymywanym z różnych źródeł, który ma szeroki zakres farmakologiczny. W porównaniu z istniejącymi lekami hipoglikemizującymi charakteryzuje się niską toksycznością i działaniami niepożądanymi. Ze względu na swoje wielosystemowe i wielocelowe działanie farmakologiczne CA może stać się użytecznym lekiem klinicznym w leczeniu złożonej patogenezy typowej dla DM, a także związanych z nią powikłań. Z przedstawionego przeglądu wynika jednak, że nadal istnieje wiele ograniczeń w stosowaniu CA w tym celu. Po pierwsze, mimo stosowania CA w prewencji i leczeniu DM w różnych stanach chorobowych, mechanizm działania i specyficzne cele pozostają niejasne. Po drugie, dawkowanie CA stosowane w DM wymaga potwierdzenia dalszymi dowodami. Po trzecie, dotychczasowe wysiłki koncentrowały się tylko na DN, DR i DPN, ale badania te nie obejmują cukrzycowych chorób naczyniowo-mózgowych i cukrzycowych chorób serca. Po czwarte, istnieje potencjał dla łącznego stosowania CA z zachodnimi lekami hipoglikemizującymi lub z innymi tradycyjnymi chińskimi lekami. Mogą one przynieść zmniejszoną toksyczność i zwiększoną skuteczność w atakowaniu najbardziej istotnego efektu DM, jakim jest glukoza we krwi. Wreszcie, rozwój CA jako nowego leku do zapobiegania i leczenia DM wymaga poprawy stabilności, rozpuszczalności i doustnej bezwzględnej biodostępności.

Konflikt interesów

Autorzy oświadczyli, że nie ma konfliktu interesów.

Podziękowania

Ta praca została wsparta przez Fundusz Badań Naukowych Departamentu Edukacji Prowincji Hunan (nr 17C0123) i Fundusz Badań Naukowych Komitetu Biznesowego ds. Zdrowia i Planowania Prowincji Hunan (nr C2017010). Autorzy pragną wyrazić swoją wdzięczność firmie EditSprings (https://www.editsprings.com/) za dostarczone eksperckie usługi lingwistyczne.