J. Future Foods | 紅景天提取物對秀麗隱杆線蟲胰島素抵抗的影響

Introduction

胰島素抵抗（Insulin resistance）指機體對胰島素的敏感度下降，導致葡萄糖攝取和利用受影響的一種病理狀態。紅景天（Rhodiola rosea L.）是一種廣泛分佈於我國的西藏、青海、雲南等高寒地區的多年生草本植物，紅景天和紅景天苷很可能是通過對AMPK信號通路的調控，降低血糖水平，進而改善糖尿病及其併發症。秀麗隱杆線蟲在糖尿病研究中是一個強有力模型生物，它具備使用簡單、壽命相對較短、操作性強且成本低的特點。

廣東海洋大學食品科技學院滕慧、陳雷教授等在本文以秀麗隱杆線蟲爲模型，探究紅景天提取物干預對高糖培養的秀麗隱杆線蟲體內氧化酶、活性氧積累水平、細胞凋亡產生的影響，從而評價紅景天提取物EAE對秀麗隱杆線蟲的胰島素抵抗作用。再利用q-PCR技術測定紅景天提取物對DAF-2、DAF-16、AKT-1、SKN-1、AAK-2、SOD-3基因表達水平的影響，進而明確紅景天提取物對秀麗隱杆線蟲胰島素抵抗作用的分子機制。

Results and discussion

胰島素信號分析

DR1564成蟲、dauer蟲外觀差別明顯，如圖1所示，成蟲身體較胖，頭尾圓潤，在顯微鏡下能夠看到卵；dauer期線蟲身體細長，遊動速度快，在顯微鏡下能夠很快分辨出來。

經過120 h的營救治療，空白組和高糖模型組的成蟲率無明顯差異，說明高糖培養並未影響起到改善胰島素強度的作用。低高劑量的EAE組與陽性對照二甲雙胍和釩酸鈉組成蟲率與空白組相比均有程度不同的顯著差異，以高劑量的EAEH組的治療效果最佳，與空白組相比，成蟲率提高了52.46%。這說明經過120 h藥物的干預，有超過一半的秀麗隱杆線蟲從dauer期被解救，且藥物的干預效果與給藥劑量成正相關。

葡萄糖水平測定

圖2秀麗隱杆線蟲體內葡萄糖含量

秀麗隱杆線蟲在葡萄糖濃度40 mmol/L的NGM培養基下，體內的葡萄糖水平顯著提高，這說明葡萄糖的添加極大提高了線蟲體內葡萄糖含量。在給藥干預後，能夠明顯觀察到各組都表現出程度不同的降糖效果，低劑量EAEL組的效果與二甲雙胍組的降糖效果基本一致，釩酸鈉也表現出了較好的降糖效果，但都未能將葡萄糖含量恢復到正常水平。高劑量EAEH組的降糖能力最強，可將葡萄糖含量恢復到正常水平。

活性氧（ROS）水平測定

圖3對秀麗隱杆線蟲體內ROS水平的影響

高糖環境下促使線蟲體內活性氧水平的大量累積，其中模型組的ROS水平是空白組的1.71 倍。在經過EAEL、EAEH、二甲雙胍、釩酸鈉藥物治療後，ROS水平均得到了顯著的下降，但沒有表現出劑量依賴性。

抗氧化酶（SOD、CAT）水平測定

圖4 對秀麗隱杆線蟲體內SOD(A)、CAT(B)、GSH-Px(C)、GSH(D)含量水平的影響

模型組、EAEL組、EAEH組、二甲雙胍組、釩酸鈉組在高糖環境下培養秀麗隱杆線蟲體內超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）的活性顯著下降，沒有起到一個良好的自由基清除效果。由此可以推斷紅景天乙酸乙酯萃取物降低線蟲ROS水平的可能途徑之一是超氧化物歧化酶活性和過氧化氫酶活性提高。

GSH-Px酶和GSH含量測定

谷胱甘肽（GSH）是由三個氨基酸分子組成的具有解毒作用的一種小分子肽，能夠與自由基結合，將有害物質轉爲無害並排出體外。谷胱甘肽過氧化物酶（Glutathione peroxidase，GSH-Px）作爲氧化應激的標誌物，能夠催化GSH轉化爲GSSH，是機體內廣泛存在的一種重要的過氧化物酶。圖6中，高糖環境下，GSH-Px的活性顯著下降，經過給藥干預後的GSH-Px水平相對於模型組皆有明顯的提高，還原型GSH含量的增加。GSH-Px酶活降低導致GSH不能被及時催化，而使其含量呈現出一個明顯的上升趨勢，谷胱甘肽過氧化物酶活的降低和谷胱甘肽含量的提高也是導致線蟲體內活性氧水平累積的重要因素。

線蟲細胞凋亡

細胞凋亡是一種進化上保守的細胞自我毀滅程序，需要確保功能器官結構和維持組織穩態。在秀麗隱杆線蟲中，吖啶橙染液能夠透過細胞模與DNA結合，在顯微鏡下呈綠色熒光。而在凋亡細胞中，DNA被破碎分裂成大小不等的片段，也叫做凋亡小體，吖啶橙能使這些碎片在熒光顯微鏡下呈現緻密的黃綠熒光。與空白組相比各組的相對熒光強度均存在較顯著差異，說明高糖培養引起的氧化應激極大促進了細胞凋亡。與模型組相比，在給藥120 h後，細胞凋亡均得到一定程度的延緩，但並不明顯，只有高劑量的EAE組有顯著區別，表現出一定的細胞凋亡保護作用。

圖5 對秀麗隱杆線蟲細胞凋亡的影響

DAF-2和DAF-16基因表達水平

圖6 對秀麗隱杆線蟲DAF-2（A）和DAF-16（B）基因表達的影響

胰島素/IGF-1信號通路（IIS）通路控制着線蟲的衰老，在線蟲的壽命中發揮着至關重要的作用。在IIS通路中， DAF-2和DAF-16被廣泛認爲是影響線蟲壽命的關鍵基因。與模型組相比，DAF-2、DAF-16基因的表達均出現了一定程度的上調。其中，EAEH、二甲雙胍、釩酸鈉表現出明顯的DAF-2基因表達的上調。與模型組相比，給藥干預後的DAF-16表達並無明顯差異。僅有EAEH、二甲雙胍組表現出不顯著的上調趨勢。可以推測紅景天提取物可能會通過上調DAF-2、DAF-16基因的表達起到延長壽命的效果。且在對DAF-2的調控中起到明顯的劑量依賴性。

AKT-1和SKN-1基因表達水平

SKN-1轉錄因子是一種進化上保守的外源性應激調節因子和促長壽因子，通過調節抗氧化酶相關基因的表達，減緩氧化應激帶來的機體損傷。AKT是影響胰島β細胞功能和胰島素信號作用的重要因素，與葡萄糖的攝取、代謝息息相關。在AKT-1及SKN-1的基因表達中，模型組與空白組沒有差異，低劑EAEL組呈明顯下調，高劑量EAE、二甲雙胍、釩酸鈉都呈顯著上調。因此，推測紅景天提取物通過上調SKN-1、AKT-1表達提高胰島素信號，促進能量代謝，以達到改善胰島素抵抗的作用。

圖7 對秀麗隱杆線蟲AKT-1（A）和SKN-1（B）基因表達的影響

AAK-2和SOD-3基因表達水平

圖8 對秀麗隱杆線蟲AAK-2和SOD-3基因表達的影響

AAK-2是AMP活化蛋白激酶（AMPK）α亞基的秀麗隱杆線蟲同源物，可調節細胞能量穩態並在抗壓和延長壽命方面發揮作用。SOD-3作爲秀麗線蟲體內超氧化物歧化酶家族成員之一，與線蟲的氧化損傷相關。EAEL、EAEH、二甲雙胍顯著上調AAK-2的表達。高糖引起了氧化應激導致SOD-3的表達普遍提高，給藥干預後低劑量的EAEL組和釩酸鈉組SOD-3表現爲顯著下調。這說明紅景天提取物不是通過上調SOD-3的表達起到改善胰島素抵抗作用，而有可能是通過提高AAK-2基因表達起到胰島素抵抗的保護作用。

Conclusion

紅景天提取物對DR1564線蟲T2DM模型有一定的效果，提高其胰島素信號，使線蟲體內的葡萄糖水平顯著下降至接近於人的空腹血糖值。經過紅景天提取物給藥120 h後，能夠顯著降低高糖培養使線蟲體內ROS水平，GSH-Px的活性明顯提高，同時降低GSH-Px酶活性，導致GSH未能及時被轉化而在線蟲體內大量累積。此外，紅景天提取物能夠降低高糖飲食下線蟲細胞凋亡速率，也可通過上調DAF-2、DAF-16、AKT-1、SKN-1、AAK-2基因的表達，激活相關通路從而強化胰島素信號、促進營養吸收及代謝、增強抗氧化能力，最終實現秀隱杆線蟲胰島素抵抗作用的改善。

第一作者簡介

滕慧，女，韓國慶北大學食品科學與生物技術博士，廣東海洋大學副教授、碩士生導師。主要研究內容：食品中天然抗氧化成分的高效提取及功能食品研發；食品加工過程中危害物的控制及營養組分變化；食品中生物活性成分的快速定性定量、分離純化，及利用細胞模型和動物模型評價其生物有效性（降血糖，降血脂，抗炎症，防止氧化損傷等），建立活性成分與生物有效性的構效關係。以第一作者或通訊作者發表SCI論文30餘篇。

通信作者簡介

陳雷，男，韓國慶北大學農業生命科學博士，廣東海洋大學教授、博士生導師，2021年廣東海洋大學高層次引進人才，福建農林大學“校傑青”獲得者。eFood期刊副主編，Frontiers in Pharmacology和Food Science and Human Wellness期刊編委，Oxidative Medicine and Cellular Longevity、Frontiers in Pharmacology和Canadian Journal of Gastroenterology and Hepatology專刊客座主編，擔任“International association of dietetic nutrition and safety（IADNS）”秘書。主持國家自然科學基金面上項目、青年基金、中國博士後面上項目等5項，以第一或通訊作者發表的SCI/EI論文70餘篇，其中一區論文30篇，IF＞10的10篇，高被引論文6篇，熱點論文1篇，論文總被引>1500次（Elsevier），H-index=25。主要研究領域包括植物化學物質、功能營養物質的生物利用度。

Effects of Rhodiola rosea and its major compounds on insulin resistance in Caenorhabditis elegans

Hui Tenga, Hongting Denga, Yanzi Wub, Chang Zhanga, Chao Aia, Hui Caoa, Jianbo Xiaoa, Lei Chena,*

a Guangdong Provincial Key Laboratory of Aquatic Product Processing and Safety, Guangdong Province Engineering Laboratory for Marine Biological Products, Guangdong Provincial Engineering Technology Research Center of Seafood, Key Laboratory of Advanced Processing of Aquatic Product of Guangdong Higher Education Institution, College of Food Science and Technology, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China

b College of Food Science, Fujian Agriculture and Forestry University, Zhuzhou 350002, China

*Corresponding author.

E-mail address: chenlei841114@hotmail.com

Abstract

By establishing insulin resistance model of Caenorhabditis elegans, the effects of Rhodiola rosea extract and its compounds on glucose level, insulin signal intensity, antioxidant enzymes and cell apoptosis of C. elegans were investigated in present study. The mRNA expression of DAF-2, DAF-16, AkT-1, SKN-1, AAK-2 and SOD-3 were detected by qRT-PCR. The results revealed that R. rosea extract contain salidroside, kaempferol, chlorogenic acid, kaemphenol-7-O-glucoside, caffeic acid, and quercetin, etc. At the concentration of 200 μg/mL, R. rosea extract treated C. elegans showed increased insulin signal intensity by 52.46% compared with the normal group, while, glucose content decreased by 72.13% and reactive oxygen species (ROS) level decreased by 36.84%. Compared with high glucose model group, the activities of superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT) and glutathione peroxidase (GSH-Px) increased by 10.9, 14.2 and 27.9, respectively. After R. rosea extract intervention, the expression levels of DAF-2, AkT-1, AAK-2, SKN-1 and other genes significantly increased. These results also indicated that R. rosea extract could activate insulin receptor substrate (IRS) and adenosine 5′-monophosphate (AMP)-activated protein kinase (AMPK) pathways to enhance insulin signaling, promote nutrient metabolism, and achieve the effect for improving insulin resistance of C. elegans.

Reference:

TENG H, DENG H T, WU Y Z, et al. Effects of Rhodiola rosea and its major compounds on insulin resistance in Caenorhabditis elegans[J]. Journal of Future Foods, 2022, 2(4): 365-371. DOI:10.1016/j.jfutfo.2022.08.008.

文章編譯內容由作者提供

編輯：王佳紅；責任編輯：張睿梅

爲進一步促進動物源食品科學的發展，帶動產業的技術創新，更好的保障人類身體健康和提高生活品質，北京食品科學研究院和中國食品雜誌社在寧波和西寧成功召開前兩屆“動物源食品科學與人類健康國際研討會”的基礎上，將與鄭州輕工業大學、河南農業大學、河南工業大學、河南科技學院、許昌學院於 2022年12月3-4日 在河南鄭州共同舉辦“2022年動物源食品科學與人類健康國際研討會”。歡迎相關專家、學者、企業家參加此次國際研討會。