多金屬氧酸鹽抗氧化特性及其在糖尿病治療的研究進(jìn)展

王 力，楊 晗，羅 丹，陳丙年，張清穩(wěn)，倪 輝

(1.集美大學(xué)海洋食品與生物工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建省食品微生物與酶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021 ；3.廈門大學(xué)醫(yī)院外科，福建 廈門 361005)

0 引言

多金屬氧酸鹽(polyoxometalates，POMs)是一類多金屬氧簇化合物，已有近200 a的研究歷史[1]。隨著技術(shù)的發(fā)展，POMs的合成與表征手段也在不斷發(fā)展，合成過程中將POMs 中具有缺位結(jié)構(gòu)的雜多酸離子與金屬離子進(jìn)行配位并修飾，或引入稀土離子形成稀土多金屬氧酸鹽。POMs的經(jīng)典結(jié)構(gòu)有Keggin、Dawson、Silverton、Anderson、Waugh、Lindqvist等[2]。POMs在生物[3]、光(電)催化[5]、醫(yī)藥[6]、納米修飾電極[7]、氧化催化[8]等領(lǐng)域的研究日益增多。此外，POMs與多學(xué)科交叉融合，也為其他相關(guān)學(xué)科的科研工作者提供新的研究思路，在醫(yī)藥方面的抗癌[9]、抗病毒[10]、抑菌[11],以及糖尿病領(lǐng)域[12]展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。

近年來，POMs化合物在藥物化學(xué)方面的研究進(jìn)展引人注目[13]，它在應(yīng)用方面的價(jià)值及可開發(fā)前景引起了眾多化學(xué)、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域研究者的關(guān)注[14-18]。相關(guān)研究[19]結(jié)果發(fā)現(xiàn)，POMs在糖尿病方面具有降血糖作用，但POMs對糖尿病的作用機(jī)制還不明確，有待進(jìn)一步研究。越來越多的研究表明，氧化應(yīng)激在糖尿病的發(fā)病機(jī)制中起主要作用[20]，氧化應(yīng)激中產(chǎn)生的自由基及幾條主要通路會造成機(jī)體損傷，最終引起糖尿病并發(fā)癥等疾病?？寡趸瘎┑淖饔檬亲鳛檫€原劑，給未配對的氧電子提供質(zhì)子氫，而POMs可作為一種抗氧化劑，處于還原狀態(tài)的POM簇可以作為良好的還原劑。本文對POMs在糖尿病治療和抗氧化方面的應(yīng)用進(jìn)行綜述，并對其在糖尿病方面的研究進(jìn)行了展望。

1 糖尿病氧化應(yīng)激機(jī)制

1.1 糖尿病

糖尿病是一種常見的代謝性疾病，主要由遺傳、年齡、種族、環(huán)境等因素引起[21]，它使機(jī)體內(nèi)的糖、蛋白質(zhì)、脂肪代謝紊亂，同時(shí)伴隨水、電解質(zhì)代謝紊亂，最終造成急性并發(fā)癥[22]。糖尿病一般分為1型、2型、特殊類型和妊娠型4種類型[23]，2型糖尿病外的類型僅占約5%～10%。在我國，近30 a來，糖尿病從少見病變成常見病，糖尿病在疾病中的比例已達(dá)到11.6%。由2019年國際糖尿病聯(lián)盟公布的數(shù)據(jù)來看，中國、印度、美國糖尿病患者分別為1.164，0.77，0.31億人，位居世界前三。全球48.1%的糖耐量受損人群的年齡在50歲以下，其中20～39歲的年輕人占28.3%，這類人群一旦最終發(fā)展為糖尿病，將意味著其一生將與糖尿病相伴[24]。迄今為止，有雙胍類、苯甲酸衍生物類、二肽基肽酶- 4抑制劑和α-葡萄糖苷酶抑制劑等口服降血糖藥可供患者使用[25]。

1.2 氧化應(yīng)激產(chǎn)生機(jī)制

氧化應(yīng)激是機(jī)體在不利環(huán)境因素中被刺激所產(chǎn)生的一種應(yīng)激反應(yīng)[26]，糖尿病發(fā)生后氧化應(yīng)激增加，最終將造成機(jī)體自身的細(xì)胞和組織損傷[27]。被刺激后的機(jī)體損傷主要是由于體內(nèi)生產(chǎn)出超出自身清除程度、嚴(yán)重影響自身氧化平衡的自由基，主要是活性氧自由基(reactive oxygen species，ROS)和活性氮自由基(reactive nitrogen species，RNS)產(chǎn)生較多，造成失衡。氧化應(yīng)激的主要通路有葡萄糖氧化途徑、多元醇通路、晚期糖基化終末產(chǎn)物途徑、蛋白激酶通路、己糖氨途徑等。

1.2.1 葡萄糖氧化途徑

1.2.2 多元醇通路

多元醇通路是導(dǎo)致糖尿病患者氧化還原失衡的一個(gè)主要途徑，煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)對底物葡萄糖進(jìn)行催化，最終將其還原為山梨醇，醛糖還原酶在多元醇通路中起到限制性作用[30]。山梨醇再通過山梨醇脫氫酶轉(zhuǎn)化為果糖，并還原煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NADH)，造成機(jī)體氧化還原失衡[31]，使得ROS生成明顯增加，氧化應(yīng)激增強(qiáng)。多元醇通路還會導(dǎo)致NADPH酶和一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)活性增強(qiáng)，氧化平衡失調(diào)，造成ROS明顯增加。NADPH氧化酶和線粒體對糖尿病患者來說至關(guān)重要，它們不僅與ROS的生成密切相關(guān)，還與胰島素有關(guān)，直接干擾胰島素信號[32]。

1.2.3 晚期糖基化終末產(chǎn)物途徑

據(jù)英國政府統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在的中小學(xué)生在未來有可能從事的工作有60%還沒有被發(fā)明出來。老師與家長替孩子所做的職業(yè)選擇和職業(yè)規(guī)劃在未來極有可能失效，這其中的絕大部分是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的職業(yè)。隨著計(jì)算機(jī)行業(yè)快速發(fā)展，行業(yè)版圖拓展之快超乎人們想象，培養(yǎng)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的專業(yè)人才成為我國現(xiàn)代教育的重中之重，計(jì)算機(jī)信息化教育的加入將會彌補(bǔ)我國相關(guān)教育領(lǐng)域的技術(shù)空白。

糖尿病患者由于長時(shí)間血糖升高，大量葡萄糖堆積，其另一條氧化還原失衡的通路是細(xì)胞無氧糖酵解反應(yīng)，胞內(nèi)葡萄糖與DNA等分子發(fā)生一系列特殊反應(yīng)，晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end products，AGEs)大量生成[33]。AGEs與其受體相結(jié)合，誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)信號相互傳遞，氧化應(yīng)激增強(qiáng)[34]，增加細(xì)胞內(nèi)ROS的生成，從而導(dǎo)致慢性肌纖維損傷[35]。

1.2.4 蛋白激酶通路

蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)通路也是造成糖代謝紊亂的通路之一[36]。PKC是一個(gè)蛋白質(zhì)家族，它通過一系列反應(yīng)中的磷酸化過程調(diào)節(jié)其他蛋白質(zhì)的活性。在高血糖環(huán)境下，甘油醛-3-磷酸脫氫酶被抑制而導(dǎo)致甘油醛-3-磷酸的積累，在此情況下，二羥丙酮-3-磷酸(dihydroxyacetone-3-phosphate，DHA-3-P)水平升高，DHA-3-P隨后被還原為甘油-3-磷酸，甘油-3-磷酸又與脂肪酸結(jié)合，通過1-酰基甘油-3-β-?；D(zhuǎn)移酶和磷脂酸鹽磷酸水解酶的作用推動二酰甘油(diacylglycerol，DAG)的合成。DAG含量升高使 PKC通路被激活，從而誘發(fā)ROS等高活性分子大量生成，通過誘導(dǎo)合成酶發(fā)生解偶聯(lián)，引起內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡[37]。

1.2.5 己糖氨途徑

己糖氨途徑使糖尿病及其相關(guān)并發(fā)癥(腎病)中的毒性和促氧化作用發(fā)生[38]。果糖-6-磷酸(F-6-P)被葡萄糖-果糖酰胺轉(zhuǎn)移酶(glucose fructosamide transferase，GFAT)代謝為葡萄糖-6-磷酸(G-6-P)，隨后通過乙酰葡糖胺-1-磷酸尿苷轉(zhuǎn)移酶(UDP-N)轉(zhuǎn)化為尿苷二磷酸-乙酰葡糖胺(UDP-GlcNAc)[39]。在正常血糖水平下，極少量的F-6-P從糖酵解進(jìn)入己糖氨途徑；在高血糖條件下，過量的F-6-P被引導(dǎo)到己糖氨途徑。因此，GFAT的活性被上調(diào)，UDP-GlcNAc水平升高，隨后O-氨基葡萄糖-N-乙酰轉(zhuǎn)移酶活性升高[40]。

氧化應(yīng)激通路的具體機(jī)制如圖1所示。

2 POMs在抗氧化中的應(yīng)用

2017年，Reddy等[41]對[V6O19]8-家族進(jìn)行研究，對多酸-有機(jī)雜化物TBA2[V6O13{(OCH2)3C-NH-CO-C11H9O}2]、TBA2[V6O13{(OCH2)3C-NH-CO-C10H8NO}2]和TBA2[V6O13{(OCH2)3C-NH-CO-C13H10N}2]進(jìn)行合成、表征及體外抗氧化研究，標(biāo)準(zhǔn)抗氧化實(shí)驗(yàn)對3個(gè)雜化物的抗氧化性能進(jìn)行評價(jià)，以TBA3[H3V10O28]為對照化合物，以抗壞血酸為標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，雜化物優(yōu)于未衍生化的化合物，雜化物表現(xiàn)出更好的抗氧化性能，為尋找出一種可靠的無機(jī)雜化合成抗氧化劑提供了可能。

2021年，Gong等[43]研究10核雜原子簇合物SbW8O30，通過蛋白質(zhì)組學(xué)分析得出，SbW8O30通過影響蛋白質(zhì)的表達(dá)來抑制ATP的產(chǎn)生，SbW8O30對體內(nèi)代謝功能和活性氧應(yīng)激引起的細(xì)胞增殖進(jìn)行阻滯，SbW8O30的氧化還原機(jī)制使FAD/FMn結(jié)合酶低表達(dá)。SbW8O30保護(hù)過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶，阻止ROS傷害細(xì)胞，表明POMs可能是特異的氧化、抗氧化調(diào)節(jié)劑。

2016年，Ueda等[44]用聚吡咯、聚3，4-乙二氧基噻吩和聚苯胺3種導(dǎo)電聚合物，研究了幾種Keggin型POMs，還對POMs固定電極在不同條件下的伏安行為進(jìn)行研究，最終選擇最合適的PMo12O40-PPy電極作為氧化還原探針。同時(shí)，對幾種典型的抗氧化劑的抗氧化活性進(jìn)行電位法評價(jià)，POMs固定在電極上，評價(jià)食品的抗氧化能力，該方法顯示出POMs用于檢測抗氧化劑的抗氧化能力具有很高的潛力。

2021年，Yadav等[45]研究了POMs對氧化鈰納米顆粒(ceria nanoparticles，CeNPs)的模擬酶活性的影響，表明CeNPs具有生物酶模擬活性，可以清除細(xì)胞培養(yǎng)和動物模型中的活性氧和氮，保護(hù)機(jī)體免受亞硝化和氧化應(yīng)激的有害影響。磷鉬酸和磷鎢酸都是電子密集型分子，表現(xiàn)出快速、可逆的多電子氧化還原反應(yīng)，磷鎢酸與CeNPs的相互作用提高了CeNPs(3+)的SOD活性和類過氧化氫酶活性， CeNPs(4+)表現(xiàn)出了很好的類過氧化氫酶活性，這種活性在與POMs相互作用后得到了增強(qiáng)。細(xì)胞研究表明，CeNPs-磷鎢酸可以作為一種有效的抗氧化劑來降解細(xì)胞質(zhì)中多余的H2O2。

3 POMs在糖尿病治療中的應(yīng)用

1985年，Heyliger等[46]報(bào)道，釩酸鹽像胰島素一樣能刺激酪氨酸殘基上的胰島素受體磷酸化，證實(shí)釩酸鹽類似于胰島素在受體磷酸化上有相似的作用，在糖原合成酶和糖酵解等細(xì)胞實(shí)驗(yàn)上也有相似的作用。

1992年，F(xiàn)illat等[47]對類似于釩酸鹽的鉬酸鹽和鎢酸鹽在離體肝細(xì)胞中葡萄糖代謝應(yīng)用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，3個(gè)化合物均在糖酵解途徑上具有胰島素樣作用。對于糖原磷酸化酶的激活，釩酸鹽是這3種化合物中最有效的，但是否對糖尿病動物起到正常血糖胰島素樣作用還有待進(jìn)一步研究。

1998年，F(xiàn)oster等[48]發(fā)現(xiàn)，鎢(釩、鉬、磷)酸鹽具有共同的四面體結(jié)構(gòu)，作為G-6-P酶水解抑制劑，它不僅催化單元的活性部位，還與酶的磷酸底物競爭。鎢酸鹽通過抑制肝臟葡萄糖輸出來降低血糖水平，鎢酸鹽的急性胰島素樣作用可能包括對肝臟產(chǎn)生的關(guān)鍵酶G-6-P酶進(jìn)行抑制。

2001年，Nomiya等[49]對糖尿病小鼠進(jìn)行體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究了加釩和不加釩的POMs對全無機(jī)組成的金屬氧化物簇的擬胰島素效應(yīng)，幾種同源POMs和釩取代POMs均有降血糖作用。單體鎢酸鹽和釩酸鹽，鎢酸鹽和釩酸鹽簇合物的結(jié)構(gòu)因素可能在它們的生物學(xué)作用中發(fā)揮重要作用。

2014年，Ilyas等[50]合成不同的多氧鎢酸鹽，并在體外/體內(nèi)評價(jià)其對糖苷酶、醛糖還原酶和AGEs的作用，以尋找一種可能限制糖尿病相關(guān)并發(fā)癥的新的治療方法。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，[P6W18O79]20-和[H2W12O40]6-可作為糖尿病的一種新的治療方法。

2015年，Balici等[51]使用POMs對糖尿病大鼠治療3周后，與對照組相比，血糖水平有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的降低。經(jīng)治療的糖尿病大鼠胰腺β細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)分析證實(shí)，多酸有助于抑制鏈脲佐菌素所致的細(xì)胞變性，胰島素的囊泡數(shù)量有所增加。對實(shí)驗(yàn)組大鼠肝細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的研究表明，化合物也有保肝作用。這兩種化合物通過阻止鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的胰腺β細(xì)胞凋亡和刺激胰島素合成而達(dá)到降血糖作用。

2020年，戶晶晶等[52]在輪型簇鉬多金屬氧酸鹽研究中合成并表征4種化合物，通過酶動力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，4種化合物均有較好的抑制效果，4種化合物對α-葡萄糖苷酶的抑制機(jī)理為可逆性。

2020年，遲國祥[53]在關(guān)于多金屬氧酸鹽研究中，對Keggin型和Dawson型多酸在體外進(jìn)行α-葡萄糖苷酶抑制效果和機(jī)理的研究，酶動力學(xué)研究確定化合物的IC50、抑制機(jī)理、抑制類型和抑制常數(shù)，分子對接實(shí)驗(yàn)確定化合物與α-葡萄糖苷酶的結(jié)合能力，驗(yàn)證酶動力學(xué)。與臨床應(yīng)用的α-葡萄糖苷酶抑制劑阿卡波糖進(jìn)行對照，結(jié)果可知，磷鉬酸的IC50是阿卡波糖的117倍；通過分子對接模擬研究證實(shí)多酸與底物結(jié)合位點(diǎn)相互作用的抑制類型，多酸主要通過氫鍵和范德華力相互作用力與α-葡萄糖苷酶位點(diǎn)氨基酸相結(jié)合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為設(shè)計(jì)具有良好抑制效果、較低毒性、較好生物活性的多酸以及治療糖尿病的藥物提供了可能。關(guān)于對α-葡萄糖苷酶的相關(guān)實(shí)驗(yàn)和酶動力學(xué)結(jié)果如表1所示，分子對接模擬研究結(jié)果如表2所示。

表1 合成化合物對α-葡萄糖苷酶的抑制效果

表2 分子模擬結(jié)果及配體周圍重要氨基酸匯總

4 結(jié)論

自由基副產(chǎn)物ROS過度產(chǎn)生會引起氧化應(yīng)激，引起有氧生命系統(tǒng)的細(xì)胞損傷。氧化應(yīng)激與糖尿病等疾病的發(fā)病機(jī)制有關(guān)，是糖尿病及其并發(fā)癥發(fā)病的關(guān)鍵因素?？寡趸瘎┦菧p慢、阻止或中和自由基對靶分子的氧化損傷的一類物質(zhì)，抗氧化劑的攝入對糖尿病治療的作用值得研究。目前，POMs在藥物化學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景，一批以靶向藥物為代表的新型的治療糖尿病的方法也逐步出現(xiàn)，為研究多酸在糖尿病中的抗氧化作用機(jī)理研究提供了可能。期待未來會有更多、更安全、更有效的新型的治療糖尿病的藥物和治療方法出現(xiàn)。