Areviewofsaponininterventioninmetabolicsyndromesuggestsfurtherstudyonintestinalmicrobiota
年7月16日，国际著名药理学杂志PharmacologicalResearch在线发表了题为Areviewofsaponininterventioninmetabolicsyndromesuggestsfurtherstudyonintestinalmicrobiota的综述性文章。硕士研究生罗子宸为第一作者，药学院狄留庆教授和第一临床医学院单进军教授为该文章的通讯作者。基于此，团队在多年研究皂苷体内过程的基础上（FrontMicrobiol;JFunctFoods;JEthnopharmacol;中国中药杂志;中草药,,），提出了一种用于MetS中皂苷与肠道菌群相互作用的假设模型：一方面，MetS中肠道菌群的紊乱可能影响次生皂苷或皂苷元的生物转化；另一方面，一些原型皂苷可能对肠道菌群及其代谢物存在一些影响。对于潜在的抗MetS候选皂苷，在研究其作用机制时应阐明：（1）该皂苷的体内过程，包括在肠道菌群作用下的代谢；（2）该皂苷的次生代谢产物是否也可以作用于目标靶点；（3）MetS造成的肠道菌群紊乱对该皂苷转化以及药效的影响；（4）目标靶点的激活是否可能与皂苷在逆转肠道菌群紊乱中的作用有关。
该研究得到国家自然科学基金、江苏省“六大人才高峰”和江苏高校优势学科建设工程资助项目等项目的资助。
01
前言
代谢综合征（MetabolicSyndrome,MetS）是几种相互关联的代谢症状的集合，主要包括胰岛素抵抗、中心性肥胖、高空腹血糖水平、血脂异常和肝脂肪变性等，可发展为Ⅱ型糖尿病（T2DM）、非酒精性脂肪肝病（NAFLD）等危及人类生命健康的疾病。过度的热量摄入和久坐不动的生活方式是造成MetS的主要原因。能量的摄入大于能量的支出造成过多的脂肪形成，并通过增加循环系统中脂肪酸的通量，驱动产生胰岛素抵抗，从而引起各类症状。目前，控制饮食和加强体育锻炼仍是防治MetS的主要手段，部分病情较难控制的患者则需要药物干预。鉴于中枢性抗肥胖药物如西布曲明和利莫那班，以及胰脂肪酶抑制剂奥利司他等，均被报道具有强烈的不良反应，因此亟待寻找副作用小，耐受性良好的新药物。
皂苷类（Saponins）物质作为中草药重要的活性组分之一，近年被发现具有潜在的抗MetS活性。在临床研究中，一些含有皂苷的中药，如人参、绞股蓝和桔梗等已被报道具有减轻体重、调节血脂的作用。目前，国内外已有大量研究试图探讨皂苷类物质抗MetS的机制。
图1几种常见的皂苷苷元母核
A四环三萜类；B五环三萜类；C甾体类
02
MetS的发病机制
胰岛素抵抗（InsulinResistance，IR）在MetS的发病中占据了核心地位，与MetS中其它各症状均有一定程度上的关联。伴有过量脂肪酸通量的IR被视为MetS的主要特征之一。早期研究认为，游离脂肪酸（FFAs）可通过底物竞争降低葡萄糖的利用率，或通过DAG/PKC-θ途径，抑制IRS-1/PI-3K胰岛素信号传导通路，使下游葡萄糖转运蛋白4（GLUT4）对葡萄糖的摄取受损。而在肝脏中，FFAs可通过DAG/PKC-?抑制IRS/PI-3K，或转化为Cers，通过提高PP2A的活性，直接抑制Akt，削弱其对GSK-3和FoxO1的抑制，从而导致肝脏的糖原合成减少和生糖作用增加。肌细胞的葡萄糖摄取减少和肝葡萄糖的产生增加导致循环葡萄糖水平增加，刺激胰岛素分泌以降低血糖水平，使得胰岛素敏感性降低，造成IR。因此可通过减少脂肪酸来源和增加脂肪酸去路来防治IR及MetS，如抑制食欲、抑制脂肪吸收或激活AMPK途径等。
除FFAs外，脂肪组织分泌的脂肪因子（Adipokines），也被发现与IR及MetS关系密切。如瘦素（Leptin）可通过神经系统或直接作用于外周组织，激活AMPK介导的脂肪酸β氧化以提高胰岛素敏感性。但在肥胖的状态下，脂肪组织释放大量的瘦素，造成瘦素敏感性下降，驱动IR形成。脂联素通过与骨骼肌细胞和肝细胞上的脂联素受体结合，激活PPARα和AMPK，直接或间接增加脂肪酸的氧化以提高胰岛素的敏感性。此外，脂肪组织释放的炎症因子，如TNF-α和IL-6等也与IR的发生关系密切。因此，调节脂肪因子水平是抗IR的另一潜在机制。
图2肌肉（A）和肝脏（B）组织中胰岛素抵抗的发生机制
胰岛素除了调控肝细胞的葡萄糖代谢外，还通过肝脏X受体（LXR）激活甾体固醇元件-1c（SREBP-1c），诱导肝从头脂肪合成（DNL）。然而，当IR发生时，高循环FFAs通量可能导致肝脏中发生脂肪酸的再酯化，造成肝脂肪变性，这被称为肝脏的选择性胰岛素抵抗。此外，由于胰岛素可沉默载脂蛋白B（apoB）的转录，并通过PI-3K信号通路干扰极低密度脂蛋白（VLDL）前体与甘油三酯（TAG）液滴的结合，从而减少肝脏VLDL的分泌；因此IR发生后，肝脏VLDL的分泌抑制受损，将造成血浆甘油三酯浓度上升。
03
肠道微生态在Mets中
扮演的角色
近十五年的研究发现，肠道中的微生物群通过病原体相关分子模式（PAMPs，如LPS激活Toll样受体信号传导）和代谢物（Metabolites）直接或间接影响了MetS的发病和进展。正常情况下，肠道菌群主要发酵膳食纤维和抗性淀粉等人类上消化道难以消化吸收的食物，提供自身营养的同时维持宿主的健康。而高脂低纤维的西式饮食则使得宿主肠道内胆汁酸水平升高，且部分有益菌失去营养来源，这将塑造一种潜在有害菌大量繁殖而有益菌受抑制的菌群结构。有益菌丰度的降低导致肠腔内某些微生物抗原缺乏，造成肠粘膜免疫细胞诱导的抗菌肽（AMPs）和IgA等维持肠道屏障和粘膜免疫的分子分泌受损。而有害菌的过度繁殖则导致细菌脂多糖（LPS）的过度生成，通过粘液层降解等驱动肠壁固有层细胞Toll样受体（TLR）信号传导，促成肠壁屏障破坏。肠道屏障功能破坏伴随的炎症状态和内毒素血症将导致代谢性炎症和代谢紊乱，诱发肥胖和IR。
肠道菌群将宿主上消化道难以消化的膳食纤维等碳水化合物发酵，并代谢为琥珀酸和短链脂肪酸（SCFAs）等。SCFAs包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸等，是肠上皮细胞的营养来源。SCFAs通过上调紧密连接蛋白表达提高肠道屏障功能，以防止代谢性炎症和内毒素血症；并通过G蛋白偶联受体（GPRs）刺激肠内饱腹感激素，从而抑制食欲。进入循环后还可激活棕色脂肪组织以增加脂肪消耗，激活肝脏AMPK途径增加肝脂质氧化，并通过增加骨骼肌脂质氧化和抑制脂肪组织脂解改善IR。随着碳水化合物的逐渐消耗，远端结肠中的菌群转而以发酵蛋白质为主。多数蛋白质发酵的终产物是SCFAs，但NH3和一些特殊氨基酸的代谢产物如H2S、芳香酸、酚类会损害肠壁屏障。值得一提的是，支链氨基酸（BCAAs）以及芳香氨基酸（AAAs）代谢产物苯乙酸（PAAs）已在临床上被观察到是IR和脂肪肝的重要驱动因子。
已有学者将肠道微生物对MetS的影响归结为胃肠道“多重打击”：（1）西式饮食改变了肠道菌群的结构，这是MetS的早期事件；（2）菌群失调以及饮食结构造成肠道屏障破坏，这是进一步打击；（3）代谢物易位诱导的代谢稳态破坏和PAMPs诱导的慢性低度炎症推动IR和其它代谢症状。
04
皂苷类物质减少食物摄入
MetS发生发展的一个重要驱动因素是能量摄入大于能量支出，减少食物摄入是抗肥胖、抗MetS的重要手段。5-HT可介导机体的饱腹感，是食欲抑制剂的热门靶点。紫花苜蓿的粗总皂苷被发现可增加大鼠纹状体透析液中5-羟基色胺（5-HT）的浓度，从而降低大鼠的食欲。而柴胡皂苷A则被报道为5-HT2C受体的潜在激动剂，且此机制可能与苷元母核C-28和C-3之间的醚键有关。福建山茶花中的三萜皂苷chakasaponinII可增强离体小鼠回肠中5-HT的释放，并降低小鼠下丘脑神经肽Y（NPY）的mRNA表达。而NPY作为可介导下丘脑的食欲刺激的多肽，还可被人参皂苷降低，且原人参二醇型的皂苷活性高于原人参三醇型。
图3原人参二醇型人参皂苷（A）和原人参三醇型人参皂苷（B）
05
皂苷类物质作用于经典的肠道
靶点以减少食源性脂质吸收
抑制脂质吸收可以降低食源性脂肪酸对肥胖和IR的贡献。由于小肠中的胰脂肪酶（PL）主要参与肠道内的脂质吸收，因此抑制PL是减少食源性脂质吸收的关键。体外研究显示，来源于西洋参的人参皂苷Rb1、Rb2、Rc和Rd，来源于罗汉果的罗汉果甜苷Ⅳ和Ⅴ，来源于竹节参的竹节参皂苷III和刺五加叶中的部分四环三萜皂苷均对PL具有一定抑制作用。五环三萜中，齐墩果烷型皂苷如桔梗皂苷A、C，3-O-葡萄糖桔梗皂苷元，chakasaponinII，日本七叶树种子中的escinIa，地肤子中的momordinIc，竹节参中的C-28去糖化竹节参皂苷IV等也具有抑制作用。总结发现，酰基的存在可加强齐墩果烷型五环三萜皂苷的抑制活性，而C-28的糖链存在则抑制作用。但鉴于皂苷的抑制能力比已上市的PL抑制剂奥利司他弱得多，我们认为抑制脂质吸收只是皂苷抗肥胖、抗MetS作用的一个方面。富含皂苷的中草药或许不会像奥利司他一样造成严重的脂肪便，但其在体内对脂肪吸收的抑制效率仍需进一步评估。
除阻碍脂质吸收外，许多富含皂苷的中草药也被发现具有降低胆固醇的作用。如桔梗皂苷D可与肠道中的胆固醇结合，增加后者的排泄。大豆皂苷则可与胆汁酸形成大型胶束，阻碍胆汁酸的吸收从而减少肝脏胆固醇合成。而三叶无患子的皂苷提取物则可将胆固醇从膳食混合胶束中置换出来，形成难以跨越肠道黏液屏障的胆固醇沉淀，从而增加胆固醇的粪便输出。此外，由于结构上的特殊性，部分皂苷也可能通过激活小肠法尼醇X受体（FXR）调节胆固醇代谢。
图4抑制PL活性的五环三萜皂苷
06
皂苷增加脂肪酸氧化，
减少DNL并调节脂肪组织
脂质代谢
PPARs是一类与MetS密切相关的核受体蛋白，具有α/β/γ三种亚型，可调控脂肪酸代谢和脂肪细胞分化等生物功能的各种靶基因。海参皂苷可上调大鼠肝脏PPAR-α以及下游的脂肪酸氧化相关蛋白的表达以缓解肝脂肪变性。匙藤酸可上调肝脏、骨骼肌和脂肪组织中的PPAR-β来增强脂肪酸氧化以缓解IR。此外，桔梗酸，火麻索皂苷，滇黄精皂苷，人参皂苷Re、Rb1和20S-原人参三醇可激活或上调脂肪细胞或组织中的PPAR-γ。而大豆皂苷Aa、Ab、桔梗皂苷D、人参皂苷Rc、Rg3、F2以及CK（人参皂苷次生代谢物）则显示出拮抗或下调PPAR-γ的作用，并减少脂肪细胞的分化和脂肪组织的脂肪形成。由此可见不同的皂苷对PPAR-γ的调节作用是不统一的，激活作用可减少脂肪组织脂解，使脂肪酸隔绝在脂肪细胞内，以减轻IR，但这也会增加脂肪的形成；拮抗作用可阻碍脂肪生成，但带来脂解增加的风险。
AMPK抑制其下游的SREBP1-c，后者激活ACC1、FAS、SCD-1等与DNL相关的关键蛋白，而其中的ACC1介导乙酰辅酶A转化而成的丙二酸单酰辅酶A又可抑制CPT1，干预脂肪酸β氧化。苦丁茶皂苷D，薯蓣皂苷，人参皂苷Rg1、Rg2、Rg3和CK可激活3T3-L1脂肪细胞和动物脂肪组织中AMPK/SREBP1-c通路，加强脂肪消耗。人参皂苷Rb1，桔梗皂苷D，罗汉果苷V，海参皂苷和薯蓣皂苷则可激活肝细胞系和肝组织AMPK/SREBP1-c通路，减少肝脂肪合成。滇黄精总皂苷、人参皂苷Rg1、绞股蓝中的新型皂苷和entagenicacid等则可通过AMPK/GLUT4增加肌细胞和肌肉组织对葡萄糖的摄取，以缓解骨骼肌的IR。
LXR是分布于肝脏的一种核受体，有LXR-α和LXR-β两种亚型，调节脂质代谢和胆固醇代谢。20(S)原人参三醇，匙羹藤酸的次级皂苷以及薯蓣皂苷元可通过LXR/SREBP1-c途径减少肝DNL并增加脂肪酸氧化。此外，由于LXR可被内源性氧固醇激活，一些结构与之类似的皂苷，如绞股蓝中的一种新型皂苷被证实可激动LXR-α。
07
皂苷调节脂肪因子改善IR
七总皂苷，茶皂素，人参皂苷Rb1可提高动物体内的瘦素水平，或提高下丘脑的瘦素敏感性，从而提高葡萄糖耐量以干预MetS。红参皂苷组分，人参皂苷Re，桔梗酸和火麻索皂苷可提高体内外模型中脂联素的表达。人参皂苷Rb1和竹节参皂苷Iva则可增加脂联素受体的表达，或增加脂联素下游分子的水平。
人参皂苷Re，红参皂苷组分，茶皂苷下调脂肪细胞或脂肪组织中TNF-α或IL-6的表达和释放。人参皂苷Rg1降低糖尿病大鼠循环中TNF-α和IL-6水平，黄芪甲苷处理使得暴露于棕榈酸的肌管TNF-α、IL-6表达下调，而三七皂苷R1减轻TNF-α对大鼠原代胰岛β细胞的凋亡和磨损作用，阻止其功能障碍。
08
皂苷通过调节肠道微生态
干预MetS
皂苷通过肠道微生态干预MetS的方式主要有三个方面，恢复肠道菌群组成，改善肠壁屏障和调节菌群代谢产物。给予麦冬皂苷D可改善高脂饮食造成的小鼠肠道营养不良并逆转肠道菌群的紊乱。而冬凌草皂苷D和冬凌草皂苷A1的8周联合给药除改善肠道菌群组成外，还上调回肠紧密连接蛋白-1（ZO-1）的表达，并改善肝组织炎症状态，表明这其提高了小鼠肠壁屏障的作用从而减轻了代谢性炎症的发生。而茶皂苷直接被报道降低了DIO小鼠血浆LPS的水平，这也与其维持肠道菌群稳态的作用相关。近期，一项有关人参的研究发现，给予人参提取物可显著改善db/db小鼠体重增长、肝脂肪变性等MetS症状。并且，人参提取物还增加了db/db小鼠粪便中粪肠球菌的丰度，而直接给予此菌也可缓解db/db小鼠的MetS症状。最终研究确定粪肠球菌通过酰基辅酶A转移酶产生的肉豆蔻油酸是小鼠棕色脂肪组织的产热蛋白（UCP1）激活元件，使得小鼠能量消耗增加，从而缓解了肥胖等MetS症状。尽管该研究未明确说明此调节作用来自人参提取物中的皂苷类物质，但提示了我们肠道菌群在皂苷干预MetS机制方面的巨大潜力。
图5皂苷抗MetS的潜在机制
09
讨论
综合近几十年来相关的研究发现，皂苷类物质的起效机制主要分为减少脂质来源和增加脂质消耗两大类，相关靶点涉及中枢食欲，肠道中的胰脂肪酶和胆固醇，肝脏和脂肪组织中的PPAR、LXR等核受体，相关组织中的AMPK信号通路，机体的脂肪因子水平以及肠道微生态。
皂苷多具有溶血性，以口服为主，不宜直接注射。且其还具有脂溶性差、胃肠道稳定性不强等特点，因而口服绝对生物利用度很低，如人参皂苷Rg3约为3％，而薯蓣皂苷的BA仅为0.2％。因此，原型皂苷干预MetS的作用多被认为发生于肠道中，而抑制脂质和胆固醇吸收成为其经典的肠道内作用机制。在回顾过程中，我们发现皂苷还可以作用于体内其他一些与MetS相关的靶标，并且许多体外数据显示皂苷原型对肝细胞，肌细胞和脂肪细胞的作用。但是，很少有研究人员纳入药代动力学研究。简单的体内功效验证是不准确的，因为大多数皂苷会在消化道中逐步被去糖基化为次生糖苷或皂苷元，然后被吸收进入循环系统，到达人体的各个组织。因此，皂苷的这些生物学益处可能来源于其次生代谢产物，因此尚不清楚究竟是原型皂苷还是其次级皂苷或皂苷元在靶标上执行活化功能。值得注意的是，从皂苷的去糖基化作用主要发生在结肠中，并且依赖于肠道菌群的参与。因此，MetS中肠道菌群的紊乱是否会影响皂苷的去糖基化，以及这种作用是否会降低或提高次级皂苷的体内功效，这是两个通常被忽略的问题。此外，皂苷也被报道可调节MetS中肠道菌群的紊乱。因此，MetS中皂苷和肠道菌群之间的关系可能是相互的。
对此，我们提出了一个皂苷与肠道微生态在MetS中相互作用的假设模型。一方面，MetS中肠道微生态的失调可能导致皂苷的转化率发生改变，而这种转化率改变造成的影响尚待深入探索。例如一项研究发现，糖尿病大鼠的肠道菌群将人参皂苷Rb1转化为CompoudK的能力显著下降，而联用人参多糖可缓解肠道菌群的扰动，并大幅提高CompoudK转化率。但是，尚不清楚CompoudK的体内抗MetS活性是否强于人参皂苷Rb1，因此需进一步探索加入益生元的必要性。另一方面，部分皂苷的添入本身对MetS中肠道微生态失调就存在一定缓解作用，并通过改善肠壁屏障和菌群稳态干预MetS的症状。因此，基于此模型，当发现可以作用于体内MetS相关靶标的皂苷时，我们至少应阐明以下几点：（1）该皂苷的生理特性，包括结肠微生物群对其的代谢。（2）该皂苷的次生代谢物是否也可以作用于这些靶标。（3）MetS中肠道菌群失衡对此皂苷转化的影响。MetS中的微生物代谢障碍抑制或增强是否会降低或增强疗效。（4）这些靶标的激活是否可能与该皂苷逆转肠道微生物紊乱的作用有关。因此，我们建议将肠道菌群作为研究皂苷对MetS的影响的新目标。
此外，皂苷作用于MetS的研究尚缺乏大量临床数据的支撑，目前的临床研究多围绕富含皂苷的植物或提取物展开。植物提取物中成分复杂且皂苷的含量有限，有时甚至难以达到预期的结果。因此我们建议更多更有针对性的临床试验能够开展。
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