Användning av klorogensyra mot diabetes mellitus och dess komplikationer

Abstrakt

Klorogensyra (CA) är en fenolförening som ofta finns i människans växtbaserade kost. CA är huvudkomponenten i många traditionella kinesiska läkemedelspreparat, och på senare år har det visat sig att den har hypoglykemiska, hypolipidemiska, antiinflammatoriska, antioxidativa och andra farmakologiska egenskaper. CA lindrar särskilt effekterna av och förebygger diabetes mellitus (DM). Dessutom är CA även fördelaktigt mot komplikationer till följd av DM, t.ex. diabetisk nefropati (DN), diabetisk retinopati (DR) och diabetisk perifer neuropati (DPN). Här går vi igenom användningen av CA i förebyggande och behandling av DM och dess komplikationer, vilket ger en bakgrund för vidare forskning och medicinsk användning.

1. Introduktion

Klorogensyra (CA), även kallad 5-kaffeoylkinesyra (5-CQA) , tillhör familjen hydroxycinnaminsyror och bildas av koffeinsyra och kininsyra . CA produceras i växter i shikimiksyravägen under aerob respiration. Denna förening är en ingrediens, inte bara i livsmedel, utan även i traditionella kinesiska medicinska preparat . I de senare har den visat sig ha hypoglykemiska, hypolipidemiska, antibakteriella, antioxidativa och antiinflammatoriska effekter. I detta sammanhang har CA:s hypoglykemiska och hypolipidemiska effekter uppmärksammats, särskilt när det gäller deras möjliga användning för att förebygga och behandla diabetes mellitus (DM) . DM är en metabolisk sjukdom som orsakas av onormal insulinfunktion och kännetecknas av hyperglykemi. De viktigaste undertyperna är (1) typ 1, med absolut insulinbrist, och (2) typ 2 DM, eller icke insulinberoende DM, med relativ insulinbrist och insulinresistens.

Enligt Världshälsoorganisationens beräkningar drabbar DM 366 miljoner patienter världen över, ett antal som förväntas öka till 500 miljoner år 2030 . DM är en högriskfaktor för stroke, hjärtsjukdomar och njursjukdomar, vilket allvarligt påverkar livskvaliteten och allvarligt begränsar den sociala och ekonomiska utvecklingen . Trots att många studier rapporterat om användningen av CA mot DM och dess komplikationer har dessa studier inte varit systematiska, och informationen är spridd i litteraturen. Denna översikt syftar till att organisera denna information för vidare forskningsarbete och medicinsk användning.

2. Användning av CA för att förebygga och behandla DM

2.1. Effekt av CA på glukosmetabolismen

Persisterande hyperglykemi är det överordnade kännetecknet för DM. Vid tidpunkten för uppkomsten av DM utsöndrar β-cellerna i öarna kontinuerligt och överdrivet mycket insulin för att sänka blodglukoset, vilket så småningom orsakar skador på β-cellerna i öarna och förvärrar hyperglykemin. Vid ihållande hyperglykemi orsakar glukostoxicitet kroniska komplikationer vid DM. CA har visat sig sänka fasteblodglukos; till exempel när 15 patienter med nedsatt glukostolerans utsattes för 400 mg CA, administrerat tre gånger om dagen i 12 veckor, i en randomiserad, dubbelblind, placebokontrollerad klinisk prövning . I andra kliniska prövningar användes CA-innehållande extrakt av gröna kaffebönor för att sänka fasteblodglukos hos 21 patienter med metabolisk sjukdom, när extraktet administrerades i form av 400 mg kapslar som gavs två gånger om dagen i sammanlagt 8 veckor . Vidare var blodsockret hos möss på en fettrik diet som behandlades med extrakt av gröna kaffebönor, som till största delen består av CA, signifikant lägre än i en kontrollgrupp, när extraktet nådde 100 mg/kg kroppsvikt, efter sex veckor . I en annan studie behandlades råttor med typ 2-diabetes med CA-innehållande mullbärsbladsextrakt, rutin eller isoquercitrin i 11 dagar. Medan extrakt av mullbärsblad, CA och rutin sänkte blodsockret markant hos de behandlade råttorna hade isoquercitrin ingen uppenbar hypoglykemisk effekt, vilket tyder på att mer än 50 % av den hypoglykemiska effekt som observerats i extrakt av mullbärsblad kan tillskrivas CA och rutin . Man fann också lägre fasteblodglukos och högre muskelglykogen hos db/db-möss i laboratoriet när de fick CA i en dos av 80 mg/kg/dag i 12 veckor. Vid en studie av CA:s effekt på den postprandiala blodglukoshalten fann Tunnicliffe et al. att blodglukos hos råttor som behandlades med CA i 60 minuter efter en måltid var klart lägre än hos råttor som behandlades med placebo. Slutligen rapporterades lägre blodglukos än normalt när streptozotocin-nicotinamid-inducerade DM-råttor behandlades med CA i en dos av 5 mg/kg/dag i 45 dagar, med nivåer hos behandlade och kontrollråttor på 105,2 respektive 282,28 mg/dl .

2.2. Effekt av CA på lipidinnehåll

Dysfunktionell lipidmetabolism är en välkänd högriskfaktor vid DM , och flera rapporter har lyft fram effekten av CA för att förbättra lipidmetabolismen. Hos Wistar-råttor som utsattes för en diet med hög glukos och hög fetthalt förbättrade CA lipidmetabolismen, minskade viktökning, levervikt, mesenterisk och epididymal fettvikt, innehåll av leverkolesterol, triglycerider, fria fettsyror och fria fettsyror i plasma . Liknande observationer rapporterades i andra djurförsök när det gäller viktökning, levervikt och fria fettsyror i plasma , och hos möss som utsattes för en fettrik kost minskade extrakt av gröna kaffebönor, som till största delen består av CA, triglycerider i plasma, lipoproteiner med låg densitet och lipoproteiner med hög densitet. Ong et al. rapporterade att db/db-möss som behandlades med CA i en dos av 250 mg/kg/dag i 14 dagar uppvisade signifikant minskade nivåer av totalt kolesterol, triglycerider och fria fettsyror i plasma jämfört med en kontrollgrupp. Dessutom visade leverhistomorfologi att CA hämmade bildandet av fettpartiklar i hepatocyterna hos behandlade möss.

I SD-råttor som utsattes för en diet med hög glukos och hög fetthalt minskade CA dramatiskt totalkolesterol, lipoprotein med låg densitet, lipoprotein med hög densitet i plasma och lipidinnehållet i levern , men hade ingen effekt på triglycerider. Detta står i kontrast till en annan rapport som hävdade raka motsatsen; en effekt av CA på triglycerider, men ingen minskning av fria fettsyror och totalt kolesterol i blod, lever eller muskler.

I en studie som utvärderade effekten av CA och tetrahydrocurcumin på blodfetter hos DM-råttor minskade CA signifikant innehållet av kolesterol, triglycerider, fria fettsyror, lipoproteiner med hög densitet, lipoproteiner med låg densitet, lipoproteiner med mycket låg densitet i plasma och lipider i lever och njurar . I guldhamstrar som fick en fettrik diet hindrade CA slutligen viktökning genom att minska innehållet av visceralt fett, triglycerider i plasma, totalt kolesterol, fria fettsyror, lipoprotein med hög densitet och lipoprotein med låg densitet samt triglycerider och totalt kolesterol i levern och fria fettsyror i musklerna .

2.3. Effekter av CA på insulinutsöndring och resistens

CA har rapporterats lindra insulinresistens som är den direkta orsaken till DM . I ett kliniskt test , en minskning av fasteblodsocker och insulinsekretion hos patienter som behandlades med CA i 12 veckor, tyder på att CA kan förbättra insulinresistens och öka insulinkänsligheten. I ett annat kliniskt försök ökade CA dock inte utsöndringen av glukagonliknande peptid-1 och glukosberoende insulinstimulerande hormon . Experiment som utförts på β-celler som förbehandlats med CA har visat att utsöndringen av insulin ökade efter odling i medier med 4 mM eller 10 mM glukos . I ett annat experiment med den insulinutsöndrande cellinjen INS-1E och Langerhansöarna från råttor observerades en stimulering av insulinutsöndringen efter behandling med 50 μg/ml CA; effekten låg nära den som orsakades av 5 mM glukos, medan CA i 8,3 mM glukos signifikant ökade insulinutsöndringen . Råttor som utsattes för en fettrik kost och fick 50 mg/kg CA i 20 veckor visade en ökning av insulinsekretionen och en förbättring av insulinresistensen . Dessutom minskade CA-behandling av både möss med fetthaltsinducerad fetma och spontant feta möss hyperinsulinemi och förbättrade insulinkänsligheten, vilket tyder på att CA kan förbättra fetmarelaterad insulinresistens . Hos möss som utsattes för mjölk med hög fetthalt ökade CA insulinkänsligheten och minskade insulinresistensen . Slutligen, när överviktiga möss utsattes för en fettrik diet, minskade administrering av CA-innehållande extrakt av gröna kaffebönor insulinresistensen på ett dosberoende sätt . Andra kliniska experiment har dock visat att den observerade kaffeinducerade minskningen av insulinresistens i levern orsakad av kortvarig överdosering av fruktos inte kan tillskrivas CA eller koffein, utan andra oidentifierade aktiva föreningar .

2.4. Effekt av CA på aktiviteten hos enzymer som är involverade i glukos- och lipidmetabolism

Aktiviteten hos enzymer som är associerade med glukos- och lipidmetabolism och deras reglering med hjälp av naturprodukter har blivit ett forskningsfokus vid förebyggande och behandling av DM . In vitro modulerar CA aktiviteten hos enzymer som är involverade i glukosmetabolismen. Faktum är att 100 μg/mL CA konkurrerande hämmade α-amylas och minskade dess aktivitet med 75 %, vilket liknar den hämmande effekten av acarbose , vilket stämmer överens med resultaten från Oboh et al . CA har också visat sig hämma α-glukosidasaktiviteten, men denna effekt var mycket svagare än acarboses . Andra in vitro-studier har visat att CA konkurrerande hämmar glukos-6-fosfatas i levern och minskar hydrolysen av leverglykogen, vilket bidrar till förebyggande och behandling av DM .

I en tidigare studie visades att en 4-caffeoylgrupp var ansvarig för den observerade hämmningen av CA . CA hämmade båda isoenzymerna av porcins pankreatiskt α-amylas (PPA), PPA-I och PPA-II, vilket tyder på att α-amylashämmare skulle kunna användas för att förebygga och behandla DM. CA kan också modulera aktiviteten hos enzymer som är involverade i lipidmetabolismen. Wenna et al. visade att antingen ett CA-innehållande extrakt av Eucommia ulmoides eller ren CA minskade tarmabsorptionen och den fortsatta omvandlingen av lipid och kolesterol och även minskade kolesterolsyntesen i levern. I den studien var dock inhiberingen av pankreaslipasaktiviteten starkare för Eucommia ulmoides-extraktet än för samma koncentration av kontroll-CA, vilket tyder på att extraktet också kan innehålla andra effektiva synergistiska komponenter. Slutligen, hos överviktiga möss som utsattes för en fettrik kost, reglerade CA lipidmetabolismen genom att hämma aktiviteten hos fettsyrasyntas, HMG-CoA-reduktas och kolesterolacyltransferas .

2.5. Effekter av CA på DM-signaltransduktionsvägar

Insulin medierar glukosmetabolismen i kroppen och utövar sin biologiska aktivitet efter interaktion med receptorer. Signalen överförs sedan till cellens inre huvudsakligen via en tyrosinkinasväg. Insulinets signaltransduktion involverar insulinreceptorsubstratet (IRS), fosfatidylinositol-3-kinas (PI3K) och serin/treoninkinas (Akt) samt glukostransportören (GLUT), som är fokus för den nuvarande forskningen om den molekylära mekanismen för insulinresistens .

CA är den viktigaste fenolsyran i Sonchus oleraceus, som förbättrade insulinkänsligheten i HepG2-celler . Den minskade också minskningen av IRS-1-uttrycket som orsakades av hög insulinkoncentration, förhindrade inaktivering av PI3K/Akt-vägen och förhindrade också minskningen av GLUT4-nivån som observerades efter exponering för hög glukos. Dessa resultat överensstämmer med resultaten från Liang et al , där CA-behandlade möss som tidigare exponerats för högfettmjölk visade en ökning av GLUT-4 mRNA-nivåerna i skelettmuskulaturen. Andra komponenter i fenolsyreextraktet från Sonchus oleraceus än CA kan dock vara ansvariga för denna effekt. På samma sätt är det fortfarande okänt om effekten på tyrosinkinasvägen utövas av CA eller av andra komponenter.

I tarmsegment av råttor som utsatts för en fettrik kost visade Peng et al. att nedregleringen av GLUT2 undertrycktes efter administrering av CA. Dessutom visade djurförsök att denna nedreglering kan ha medierats av aktiveringen av adenosin 5-monofosfataktiverat proteinkinas (AMPK) som underlättas av CA . Författarna visade att CA främjade fosforylering av AMPK och Akt för att öka transporten av GLUT4 till plasmamembranen och därmed underlätta transporten av glukos. I själva verket kunde GLUT4-transporten inte observeras efter knockout av AMPKa1/2 eller AMPK-hämning. CA visade sig också främja uttrycket och translokationen av GLUT4, vilket så småningom hämmade leverns glukosproduktion, men denna hämning försvann efter AMPK-hämning eller knockout . Koffeinsyra, en metabolit av CA, snarare än CA i sig, kan dock i slutändan vara ansvarig för aktiveringen av AMPK i skelettmuskulaturen för att underlätta glukostransporten .

2.6. Effekter av CA på oxidativ stress och inflammatorisk reaktion

Oxidativ stress och inflammatorisk reaktion är nyckelfaktorer i uppkomsten och utvecklingen av typ 2 DM . Dessa faktorer resulterar i skador på β-celler i öarna , accelererar insulinresistens och ökar utvecklingen av DM-relaterade komplikationer . Därför bör förebyggande och behandling av DM gynnas av att lindra oxidativ stress och inflammatorisk respons.

I DM-modellråttor minskade administrering av CA innehållet av lipidväteperoxid och ökade innehållet i icke-enzymatiska antioxidanter i blodet såsom glutation (GSH), C-vitamin, E-vitamin och ceruloplasmin , vilket tyder på att CA skyddar mot DM som utsätts för streptozotocin-nikotinamid-inducerad oxidativ stress. I lever och njure minskade CA nivåerna av reaktiva ämnen i tiobarbiturinsyra och hydroperoxid och ökade aktiviteten hos superoxiddismutas (SOD), katalas (CAT), glutationperoxidas (GSH-Px) och glutation-S-transferas (GST) . I lever och vit fettvävnad hämmade CA protein- och mRNA-uttrycket av F4/80 och CD68 och lindrade det inflammatoriska svaret . Dessutom hade CA en skyddande effekt på insulinutsöndrande IE-celler (INS-1E) som utsattes för streptozotocin (STZ) . I den studien främjade CA insulinutsöndringen i INS-1E-celler och ökade GSH-innehållet och GSH-Px-aktiviteten. Dessutom minskade det produktionen av reaktiva syrearter (ROS) och de morfologiska förändringar av cellerna som orsakades av STZ, vilket skyddar β-celler.

3.1. Effekter av CA på diabetisk nefropati (DN)

DN är en av de vanligaste mikrovaskulära komplikationerna av DM och även en av de viktigaste dödsorsakerna hos DM-patienter . Det har gjorts en del försök att använda CA för att förebygga och behandla DN. Hos experimentella DM-råttor minskade CA malondialdehydnivåerna (MDA) i njurarna, ökade SOD- och GSH-Px-aktiviteten och minskade uttrycket av faktorer (IL-6, TNF-α och IL-1β) relaterade till oxidativ stress och inflammatorisk respons i njurarna . I den studien visade den patologiska undersökningen att CA minskade glomerulär hypertrofi och mesangial matrixexpansion. Ett annat djurexperiment överensstämde med dessa resultat och visade att CA ökade SOD-, GSH-Px- och CAT-aktiviteten i njuren, minskade MDA-nivåerna, nedreglerade uttrycket av cyklooxygenas 2 (COX-2)-protein och minskade proliferationen och mesangialexpansionen av mesangialceller . Ovanstående resultat tyder alltså på att CA kan förebygga och behandla DN genom att lindra oxidativ stress och inflammatorisk respons i njuren.

3.2. Effekter av CA på diabetisk retinopati (DR)

DR är en mikrovaskulär komplikation av DM som är den främsta orsaken till synnedsättning hos medelålders och äldre människor världen över . Därför har CA:s roll i förebyggande och behandling av DR varit föremål för intensiv forskning. Behandling av DM-möss med kaprifoljeextrakt, som med hjälp av högeffektiv vätskekromatografi visat sig huvudsakligen innehålla CA, undertryckte STZ-inducerad vaskulär proliferation i näthinnan och minskade innehållet av vaskulär endotelial tillväxtfaktor (VEGF) i serum . I cell- och djurförsök motverkar CA också effekten av hypoxiinducerbar faktor 1-α och minskar VEGF-uttrycket under DR, vilket förbättrar den retinala neovaskulariseringen. Dessa resultat stämmer överens med immunofluorescensfärgning av differentieringskluster i näthinnan och histopatologiska observationer . Hos DM-råttor förbättrade CA dessutom minskningen av occludin, ett tight junction-protein och en komponent i den blod-retinala barriären, och hämmade uttrycket av VEGF . Sammantaget visar ovanstående resultat att CA kan mildra effekten av DR i samband med retinal kärlpermeabilitet.

3.3. Effekter av CA på diabetisk perifer neuropati (DPN)

En av de vanligaste kroniska komplikationerna av DM är diabetisk systemsjukdom, som huvudsakligen manifesteras som perifer neuropati . Studier har därför riktats mot effekten av CA på diabetisk neuropati. Hos DM-möss förbättrade CA hörselfunktionen i den yttre hörselgången, lindrade dysfunktionen i den centrala hörselvägen, bidrog till återhämtningen av cochleära yttre hårcellsskador, förhindrade neurom och skyddade öronhårceller . Dessa effekter är förenliga med en förbättrande effekt av CA på den auditiva funktionen. Med hjälp av ett mekaniskt klottryckstest var CA också effektivt för att lindra DM-inducerad neuropatisk smärta, möjligen genom att minska blodglukosnivån och lindra oxidativ stress .

4. Sammanfattning och utsikter

CA är en naturprodukt som kan erhållas från en mängd olika källor och som har ett brett farmakologiskt utbud. Jämfört med de befintliga hypoglykemiska läkemedlen har den låg toxicitet eller biverkningar. På grund av dess farmakologiska multisystem- och multitarget-effekter kan CA bli ett användbart kliniskt läkemedel vid behandling av den komplexa patogenes som är typisk för DM och även dess relaterade komplikationer. Denna översikt visar dock att det fortfarande finns många begränsningar när det gäller tillämpningen av CA i detta syfte. För det första är verkningsmekanismen och de specifika målen fortfarande oklara, trots att CA används för att förebygga och behandla DM under olika förhållanden. För det andra måste doseringen av CA vid DM bekräftas genom ytterligare bevis. För det tredje har tidigare insatser endast varit inriktade på DN, DR och DPN, men dessa studier omfattar inte diabetiska cerebrovaskulära sjukdomar och diabetiska hjärtsjukdomar. För det fjärde finns det en potential för kombinerad tillämpning av CA med västerländska hypoglykemiska läkemedel eller med andra traditionella kinesiska läkemedel. Dessa kan ge minskad toxicitet och ökad effektivitet för att angripa den mest framträdande effekten av DM, nämligen blodglukos. Slutligen kräver utvecklingen av CA som ett nytt läkemedel för förebyggande och behandling av DM en förbättring av stabilitet, löslighet och oral absolut biotillgänglighet.

Intressekonflikter

Författarna förklarade att det inte finns några intressekonflikter.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av Scientific Research Fund of the Hunan Provincial Education Department (No. 17C0123) och Scientific Research Fund of the Hunan Provincial health and planning Business Committee (No. C2017010). Författarna vill uttrycka sitt tack till EditSprings (https://www.editsprings.com/) för de sakkunniga språktjänsterna.