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萝卜硫素协同氧化还原调节减轻糖尿病和心脏代谢综合征

发表于:2019-04-03   作者:Bijal Patel   来源:Free Radical Biology and Medic   点击量:

摘要

糖尿病和心血管代谢紊乱(如,高血压和肥胖)是心血管疾病发展的主要危险因素,大量证据表明氧化应激与这些疾病过程的发生和发病机理有关。随着全球心血管疾病(CVD)和糖尿病发病率的逐年上升,许多研究都集中在确认通过外源性抗氧化剂(如维生素E、维生素C)上调抗氧化防御,或激活内源性防御(如,核因子红细胞2相关因子2(NRF2)抗氧化防御通路)是否有益。膳食中的异硫氰酸酯成分--萝卜硫素(SFN)是多种疾病临床试验的样品,其中就包括评估其改善糖尿病和心脏代谢并发症的治疗潜力。SFN是一种研究深入且有效的NRF2诱导剂,但是最近的研究表明其保护作用可能部分来自于调控各种促炎性(例如,核因子kappaB(NFκB))和代谢(例如,过氧化物酶体增殖物激活物受体γ(PPARγ))信号通路。本综述的重点是详细分析已知的SFN调控NRF2、NFκB和PPARγ信号和串扰的机制,并对糖尿病和心脏代谢并发症相关转录通路与SFN介导的细胞保护之间联系的证据提供关键性的评价。为了比较啮齿动物和人类的研究,我们讨论了在NRF2、NFκB和PPARγ信号的背景下,啮齿动物和人类获得的SFN代谢物的生物利用度。此外,我们提供了最近在SFN治疗II型糖尿病患者的临床试验中报告的功能结果和牵连信号通路的最新信息。

1. 引言

据报道,天然存在的膳食成分异硫氰酸酯萝卜硫素(SFN)最初被鉴定为化学预防剂,在多种疾病状态中具有良好的作用,包括神经系统疾病(如自闭症,精神分裂症)[1,2],皮肤病(如皮炎,角蛋白疾病)[3]和呼吸系统疾病(如鼻炎,哮喘)[4]。虽然并非所有随机对照试验(RCT)都证明是成功的[5,6],但是新出现的证据和最近的证据RCT表明SFN可能对治疗糖尿病和潜在的心脏代谢并发症具有重要意义[7-9]。特别是在肥胖人口增加的西化文化中,糖尿病和心脏代谢障碍(例如,胰岛素抵抗,血脂异常,高血压和/或腹部肥胖)是心血管疾病(CVD)发展的关键驱动因素[4]。越来越多的研究集中在各种饮食,药理或生理因素如何预防CVD发病,从而减少CVD相关的发病率和死亡率的相当大的负担。

年轻男性和糖尿病女性中的老年人群和更为常见的人群[10,11]。一段时间以来,糖尿病和脑血管疾病被认为是伴随着氧化应激增强的标志物发生的[12-16]。然而,只有在过去的10-15年里,研究才开始证明,虽然氧化应激是组织功能障碍的标志,但氧化应激可能是糖尿病和心脏代谢并发症发病的关键驱动因素。正如本综述后面所讨论的,天然存在的膳食异硫氰酸盐SFN是氧化还原信号的一种有效调节剂,具有多种氧化还原敏感的转录途径,包括核因子红细胞2相关因子2(NRF2)、核因子kappa b(NFκB)和过氧化物酶体增殖物激活物受体Gamma(PPARγ)。虽然已有学者在NRF2抗氧化防御诱导的背景下,对SFN在心血管疾病和糖尿病中的保护作用进行了综述[17–19],但本综述的范围主要集中在评估SFN诱导的调控和关键的氧化还原敏感信号通路之间的串扰(NRF2、NFκB和PPARγ)的证据以及发挥各种抗氧化、抗炎和代谢作用。此外,我们回顾了来自活体动物模型和人体随机对照试验的证据,在组织水平上表明不同转录途径的调节如何有助于SFN介导的对糖尿病和心脏代谢疾病的保护。在讨论这一证据之前,考虑到已知的来源和影响啮齿动物模型和人类SFN生物利用度的各种因素是有用的。

2. SFN的来源、生物利用度、组织分布和安全性

SFN是由黑芥子酶对含有十字花科(Brassicaeae)蔬菜的萝卜硫苷的酶解后产生的,如,西兰花和孢子甘蓝芽[20​​,21]。除膳食来源外,含萝卜硫苷的补充剂(含有或没有黑芥子酶)是商业上可获得来源之一,水溶性SFN制剂(例如,SFX01)目前正处于临床试验中并已成功用于啮齿动物研究[22]。就膳食衍生的SFN而言,已显示出萝卜硫苷的水解强烈依赖于热处理。例如,蒸煮西兰花1-3分钟比生的或煮沸的西兰花产生更多的生物活性的SFN [23],这是由于黑芥子酶因子受热结构被破坏,促使了无生物活性的腈类物质大量增加。此外,由于一些肠道微量菌也可以将萝卜硫苷转化为异硫氰酸酯,这可能进一步影响SFN的生物利用度,从而解释了临床试验参与者中代谢物水平的个体间差异[24]。在这种情况下,最近的一项研究表明,人类肠道细菌可能能够分泌自己的黑芥子酶,从而产生具有生物活性的SFN [24]。一旦形成,异硫氰酸酯如SFN通过被动分解穿过胃肠道,结合血浆蛋白硫醇,SFN到达靶组织,穿过细胞膜发挥其生物学作用[25]。

如表1所示,使用各种萝卜硫苷或西兰花制剂的各种人体试验的累积数据表明,SFN的最大血浆浓度可在0.03和7μM之间显着变化(相差233倍左右),摄入后1.5-3h达到峰值[26-32]。 如上所述,这种变化可能大大归因于含有萝卜硫苷的食物的热处理以及肠道微生物群的变化,这一结果突出了进一步研究如何使SFN生物利用度最大化才是关键。

在已发表的啮齿类动物研究中,使用的SFN的剂量差异很大(约为50倍)。根据公布的总SFN代谢产物的血浆浓度推断,给予啮齿类动物约0.5–80 mg/kg SFN的剂量将达到约0.05–6μm的血浆浓度,即与人类相当[33,34]。然而,值得注意的是,由于研究几乎只报告了低于3μm的SFN血浆水平,以可比浓度进行体外和体内研究可能会改善转化。在体内研究中,急性或间歇性给药后,相对较高剂量(如25-50mg/kg)的SFN报告更频繁,慢性给药组几乎仅限于此。在啮齿类动物和人类中使用浓度接近刻度下限(例如0.5–5 mg/kg)。为清楚起见,在可能的情况下,我们将本综述中引用的研究限制在使用测量血浆范围内的浓度,以消除潜在的影响目标,例如,在超生理浓度下的细胞毒性。
在小鼠中,SFN代谢物显示出差异性的组织分布。血浆,小肠,膀胱,肾,肝,肺,皮肤和大脑之间萝卜硫素的浓度分布逐渐下降[33,35]。值得注意的是,SFN与所有取样组织中的化学预防或氧化还原保护作用相关,表明即使在低浓度下SFN也具有生物活性。事实上,据报道SFN依赖性基因诱导在慢性给药后累积[36],当其与谷胱甘肽(GSH)相对较低的结合时[37],可以解释为什么即使在低剂量下SFN也发挥细胞保护作用。在SFN的安全性测试中,重复给予SFN证实SFN代谢物在人类中被迅速消除[38,39],并且在小鼠和人类中每天给予SFN 3个月诱导无不良反应[8,40]。鉴于其报告的各种疾病模型中的保护作用不仅限于糖尿病或心血管疾病,未来的研究还应关注高危人群(如儿童、孕妇和老年人),以确定其安全性和有效性。此外,作为亲脂性物质,表征SFN组织分布如何通过身体表型(例如,肥胖个体)或性别[41]的变化而改变,将在评估SFN的器官特异性基因组和功能作用方面提供更多的信息。

3. SFN的氧化还原调节

SFN靶向和蛋白或小分子(例如谷胱甘肽(GSH)上的反应性巯基,从而能够调节它们的活性。许多体外和体内研究已经证明SFN调节多种氧化还原敏感的转录因子。最广泛报道的,以及本综述的重点是SFN的全面性保护作用,这是由于诱导NRF2抗氧化防御途径、抑制促炎性NFκB信号传导以及其最近报道的对PPARγ信号传导和能量代谢的影响。在讨论SFN如何诱导这些氧化还原敏感途径的调节可能与糖尿病或心脏代谢病理学的治疗有关之前,我们简要回顾SFN调节细胞信号传导以调节NRF2,NFκB和PPARγ活性的已知机制。

3.1. SFN激活NRF2抗氧化防御途径

NRF2是普遍表达的转录因子。作为Cap'n'Collar基本亮氨酸拉链(bZip)转录因子家族的成员[42],NRF2作为诱导型应激防御基因的主要调节因子起作用。在非胁迫条件下,NRF2的细胞更新速度很快,据报道它的半衰期<30min [43]。其高转换率是由于细胞溶质sca蛋白Kelch样ECH相关蛋白1(Keap1)[44-46]的快速隔离,导致其通过结合的Cul3-Rbx 1 E3泛素连接酶复合物泛素化并靶向降解通过26S蛋白酶体[46-49]。在氧化或亲电应激的条件下,包括在用生理浓度的SFN攻击后,NRF2途径被激活。NRF2激活涉及抑制NRF2降解,允许NRF2易位至细胞核并与小肌肉腱膜肉瘤(sMaf)蛋白质异二聚化。NRF2/小Maf复合物结合靶基因的启动子区域内的顺式作用抗氧化剂/亲电子响应元件(ARE / EpRE)以诱导转录[50-55]。可以通过Keap1的亲电改性来抑制NRF2降解的关键机制。在SFN的作用背景下,光谱学研究已经证实Keap1硫醇是由SFN(50μM)加成的[54]。有趣的是,一些最具反应性的半胱氨酸包含在Keap1中(例如Cys77,Cys257等)[56]不是那些在功能上被鉴定为控制NRF2诱导的那些。半胱氨酸点突变研究已经证明,虽然Cys273和Cys288的突变阻断了Keap1依赖性NRF2泛素化,因此在调节基础NRF2周转中起重要作用,但是在Keap1上Cys151的取代强烈地抑制了NRF2的稳定,它具有核转位和/或ARE荧光素酶活性[ 57-59],在HEK293细胞中的研究报道,相对低剂量的SFN(2μM),ARE荧光素酶活性变得最大[56]。

此外,使用药理学抑制剂的研究表明,各种激酶途径也可以增强NRF2的活化,PI3K/Akt途径与SFN介导的NRF2激活特别相关[60,61]。相反,磷酸酶如PPLPP2(Akt Ser473特异性)[62]和PTP1B(酪氨酸磷酸酶)[63]可通过靶向NRF2抑制糖原合酶激酶3βGSK-3β/β转导重复序列蛋白(β-TrCP)来抑制NRF2活化,介导降解[64]。目前尚不清楚其对磷酸酶活性的直接调控作用。然而,据报道至少一些磷酸酶对氧化还原敏感[65]。SFN与GSH的相对较低的结合率[37]可能使SFN能够诱导NRF2活化,部分原因是细胞硫醇库的广泛氧化导致GSH耗竭[66,67]。虽然目前尚未涉及SFN介导的NRF2激活[68],但自噬衔接蛋白sequestosome 1(SQSTM1 / p62)可通过自噬介导的Keap1降解(非经典NRF2途径)诱导NRF2活化,并进一步调节NRF2活性,通过转录抑制发生。BTB结构域和CNC同源物1(Bach1)是bZIP转录因子家族的转录失活成员,其可以与NRF2竞争结合抑制NRF2依赖性基因表达的ARE共有序列。此外,最近的研究表明,Bach1可以在改变的O2环境[69]或衰老[70,71]中选择性地调节NRF2靶基因。

对NRF2的基因操作已经鉴定出数百个NRF2靶基因,其中许多是对SFN[72–74]和其他氧化或亲电化学品和/或重金属的诱导反应。已知的NRF2靶基因来自许多类别,包括但不限于GSH相关和II解毒酶(例如谷胱甘肽链酶(GST)、NAD(P)H:醌氧化还原酶1(NQO1))[75,76]、诱导酶和抗氧化酶(例如血红素加氧酶-1(HO-1)、过氧化氢酶(CAT))[77,78]、蛋白原基因(例如SQSTM1/P62)蛋白酶体亚单位[79–81]和溶质转运体(谷氨酸胱氨酸转运体xCT)[82,83]。而且,与本综述的范围高度相关,它是SFN介导的一个重要作用。NRF2活化和随后调节促炎/血管重塑相关途径(例如NFκB,TGF-β)以及与脂肪细胞分化和能量代谢相关的那些(例如PPARγ)越来越被认识到。

3.2. SFN抑制NFκB的活化

与NRF2一样,NFκB也是Rel蛋白家族的普遍表达的可诱导的异源/同源二聚体转录因子家族,包括转录活性Rel成员RelA(p65),RelB和c-Rel,它们共享高度保守的同源区域,负责与之相互作用,抑制蛋白,DNA和家族的其他成员[84,85]。在未刺激的细胞中,NFκB二聚体与抑制性κB(IκB)蛋白的富含锚蛋白的区域结合。NFκB结合掩盖了IκB的核定位信号,在胞质溶胶中以无活性形式螯合IκB[86]。

正如其他研究者评论的那样,NFκB活化可以由氧化剂以及其他刺激物引发,包括细胞因子,有丝分裂原,病毒产物,紫外线和物理应激[87,88]。在经典NFκB激活途径中,IκB激酶的激活诱导IκBα的磷酸化,导致NFκB的解离和核转位以及IκB的蛋白酶体降解[89]。NFκB结合调节基因的NFκB DNA位点,现已识别出数百种NFκB靶基因,其中一些也可在正反馈环中起作用以进一步增加NFκB活化。靶基因包括控制组织重塑,细胞凋亡(B细胞淋巴瘤2(Bcl2)),增殖,粘附(细胞间粘附分子-1(ICAM-1),血管细胞粘附分子-1(VCAM-1),CD62抗原样家族成员E( Eselectin)),炎症(肿瘤坏死因子(TNFα)),细胞应激(诱导型一氧化氮合酶(iNOS))和先天性和适应性反应(IL-12)[84,87,89]。越来越多的证据表明NFκB活性是心脏病,如动脉粥样硬化,压力,心脏病和糖尿病肾病的中枢介质[84,90-92],使其成为治疗靶向的合适候选者。

萝卜硫素激活NFκB是通过多靶点来实现的。许多研究已经评估了其在炎症状态下的活性,尽管大多数研究使用非生理浓度的SFN [93-96]来确定其参与降低NFκB活性。因此,基于使用相关的饮食和生理学可达到的血浆浓度,重新评估SFN对NFκB活性的影响是很重要的[26,97,98]。在血管内皮细胞和平滑肌细胞中,不同浓度的SFN(0.5-25μM)已被证明可抑制TNF-α,氧化的低密度脂蛋白(oxLDL)或脂多糖(LPS)诱导的粘附分子和炎症。细胞因子表达,以及单核细胞与内皮细胞或平滑肌细胞的粘附[99-107]。SFN的这种抑制活性部分是由于对NFκB的作用,因此SFN预处理降低TNF-α,oxLDL或LPS诱导的NFκB DNA结合活性和p65核转位,阻止IκB激酶1/2和IκB-α磷酸化和降解[100-107]。

NFκB的活性也被其他转录因子如NRF2密切调节,在氧化应激条件下观察到这些途径之间存在显着的串扰[108]。事实上,当野生型和NRF2缺陷型(NRF2-/-)小鼠结肠炎受到NRF2激活剂葡聚糖硫酸钠(DSS)的攻击时,NRF2-/-小鼠显示NFκB调节基因如IL-1β1和TNF的显着上调-α与野生型小鼠相比[109],已显示NRF2靶基因HO-1通过在体外和体内降低细胞不稳定铁含量直接抑制NFκB活性[110]。HO-1缺乏(HO-1-/-)小鼠具有增加的不稳定铁含量并且显示增强的基础和TNF-α诱导的NFκB靶基因表达。此外,在转染HO-1或用铁螯合剂处理的内皮细胞中,TNF-α诱导的Rel1磷酸化和NFκB启动子活性显示为HO-1 /铁依赖性[110]。有趣的是,研究还表明NFκB依赖性调节NRF2活性,p65过表达显示减弱NRF2介导的HO-1诱导[111]。如随后所讨论的,在糖尿病和心脏代谢疾病状态中,似乎通常是这两种转录途径之间的不平衡导致促氧化状态和疾病进展,而SFN能够“重置”这种平衡。同时,SFN也调节着PPARγ信号传导。

3.3.SFN调节PPARγ信号传导

核受体过氧化物酶体增殖物-活化剂受体γ(PPARɣ)是一种配体激活的核受体,其中有2种同种型,PPAR-γ1表现出比PPAR-γ2更宽的表达模式。虽然PPARγ在脂肪组织中高度表达[112-115],但它也可以在其他细胞类型/器官中发现,包括淋巴,内皮细胞,肌肉和肠[113,116,117]。PPARγ信号传导的激活响应于一系列活化剂或配体如格列酮(噻唑烷二酮),以及15脱氧-δ-12,14-前列腺素J2(15d-PGJ2)和选择的多不饱和脂肪酸[118,119]。在细胞核中,PPARγ与类视黄醇X受体α(RXRα)异二聚体化,PPAR /RXRα异二聚化需要结合PPAR反应元件(PPREs)共有序列并启动靶基因诱导[120,121]。如后面所讨论的,PPARγ的作用可以通过CCAAT /增强子结合蛋白(C / EBP)家族成员的合作结合以及许多共激活因子(例如,PPARγ共激活因子1α,PCG1α)来增强[118]。与其他NRF2通路相互作用相比,NRF2-PPARγ串扰的定义相对较少,研究报道Nff2表达的遗传调节对PPARγ和PGC1α表达具有敲除效应[74,122],并且PPARγ启动子显示具有ARE共有序列[123]。在脂肪组织中,PPARγ的主要功能是通过诱导脂肪形成基因(例如脂肪细胞结合蛋白ap2)诱导脂肪细胞分化,但PPARγ对成熟脂肪细胞功能也很重要[118,124,125]。体外SFN也被证明可以抑制PPARγ和C/EBP的表达,导致脂肪形成和脂滴积聚受损[126]。虽然潜在的机制尚不清楚,但在前脂肪细胞经历分化时,早期RXRα表达最初也被NRF2抑制,然后转变为NRF2可诱导的,如,被SFN诱导和Keap1敲低所证明[72]。

如前所述[127],PPARγ信号通过调节脂肪,肝脏和肌肉组织中的各种PPARγ靶标在葡萄糖和脂质体内平衡中起重要作用。 PPARγ活化促进胰岛素敏化激素(例如,脂联素)的诱导并抑制抵抗素表达。已经确定了这一点:脂肪和肌肉中的GLUT4易位至质膜主要是胰岛素敏感的并且通过Akt信号传导级联[128,129]发生,并且也可以通过骨骼肌中的AMPK信号传导发生[130]。然而,也有证据表明PPARγ配体如,噻唑烷二酮(TZDs)可以诱导GLUT4表达并增强其向质膜的转运,增加脂肪组织中的胰岛素敏感性[131,132],PPARα和PPARγ活化调节心脏葡萄糖摄取。肌肉通过AMPK和eNOS信号通路[133]。就替代代谢底物而言,PPARγ通过促进FFA摄取(例如,脂肪酸转运蛋白(FATP),清道夫受体CD36,甘油三酯(TG)储存(例如,磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(PEPCK),甘油激酶(GSK))降低游离脂肪酸(FFA)水平。减少FFA合成(如,脂肪酸合成酶,FAS)和增加FFA氧化(酰基辅酶A合成酶,ACS)。同样,这些影响也可能被SFN调节,在糖尿病和心脏代谢病理的背景下,使PPARγ成为另一个有用的治疗靶点,与NRF2的抗氧化和抗炎症作用协同工作。

4. SFN减轻I型糖尿病(T1D)和心脏代谢综合征的氧化还原失衡

越来越多的证据表明,氧化还原失调和氧化损伤的标志物与糖尿病和心血管疾病[40,134-140]以及人类疾病模型中的器官功能障碍有关。虽然第3节中讨论的研究表明SFN调节几种氧化还原敏感途径以促进抗氧化,抗炎/纤维化作用以及代谢改变,但很少有研究严格研究SFN的保护作用是否是由于特异性氧化还原转录的调节。我们在这里回顾了迄今为止SFN介导的I型糖尿病和心脏代谢综合征模型中氧化还原保护的证据。
4.1.T1D和心脏代谢紊乱后NRF2信号的恢复

Zheng等人的一项开创性研究提供了第一个直接证据,证明SFN介导的氧化还原保护与糖尿病并发症的功能保护直接相关,其中发现NRF2是一个关键的治疗靶点。在I型链脲佐菌素(STZ)C57BL小鼠模型中,证明在NRF2-/-小鼠中,SFN介导的对血糖和尿量升高的保护作用被消除[40]。此外,SFN仅在野生型而非NRF2-/-小鼠中减轻肾脏重量,肾小球增厚,白蛋白尿和尿8-oxo-dG,这意味着氧化应激在糖尿病肾病中具有直接作用。最近,对具有心脏代谢综合征的野生型和NRF2-/-小鼠的研究也表明SFN诱导的NRF2激活在减轻高脂肪饮食(HFD)诱导的瘦素抵抗(增强的血浆瘦素作为指标)和肥胖方面的直接作用,如同改善胰岛素敏感性,葡萄糖耐量和预防心血管重塑[139,141,142]。虽然没有提供直接联系,但其他研究也报道了萝卜硫苷或SFN介导的NRF2和/或NRF2靶基因表达与T1D [134,140]以及高脂饮食(+/- STZ)诱导的心脏代谢的改善结果之间的关联[137-139,141]。
在证明NRF2和促炎信号传导途径之间发生的转录串扰时,Zheng等表明,NRF2的缺失与TGF-β的上调及其下游靶标纤连蛋白,胶原蛋白和p21有关,这有助于糖尿病引起的肾脏重塑[40]。最近的研究还表明TGF-β和下游靶标胶原蛋白和纤连蛋白在代谢综合征小鼠中上调,NRF2缺乏预防由TGF-β表达的抑制[139]。有趣的是,在他们的研究中Gu等人,能够证明SFN对TGF-β活性的减弱是由于NRF2靶基因金属硫蛋白(富含半胱氨酸的金属结合蛋白),使人联想到先前报道的不稳定铁对NFκB上调和促炎性表型发展的影响[110]。

4.2.SFN抑制T1D和心脏代谢综合征后的NFκB活化

虽然在T1D [143]或心脏代谢综合征动物模型[138,141]中没有建立NRF2和NFκB激活之间的直接联系,但许多研究表明,NRF2水平的下降与NFκB亚基表达的上调有关(例如p65),核积累和/或下游靶基因或NFκB激活刺激(例如TNF-α,VCAM-1)水平升高[134,137,138,140]。关键的是,尽管SFN与氧化损伤标志物的减少密切相关[40,134,135,137-139],但目前还不清楚这些是否主要是NRF2介导的抗氧化剂/ II期基因诱导或NRF2依赖性或独立抑制NFκB的结果。为了将SFN诱导的NRF2激活与NFκB的下调正相关确认,未来的研究应该解决在T1D或心脏代谢模型中,遗传NRF2调节是否与NFκB活性的影响有关,如果是,SFN诱导的器官特异性氧化还原和功能保护行为受到影响。此外,在NRF2 /NFκB缺陷或上调状态下检查各种糖尿病或心脏代谢相关因子的影响,进一步培养实验可证明是检查NRF2 /NFκB对细胞保护和NRF2 /NFκB串扰的相对贡献的有用工具。
4.3. SFN对T1D或心脏代谢综合征后PPARγ信号的调节

几项研究通过HFD喂养诱导心脏代谢综合征,探讨了SFN调节脂肪细胞功能和肥胖的潜在保护作用。研究表明,SFN可降低体重,即肾小球周围丙氨酸脱氨酶马拉多糖质量[141,144],在NRF2-/-小鼠中,SFN的抗肥胖作用失效,并与萝卜硫苷介导的PPARγ抑制有关[141]。虽然肥胖与脂联素表达降低有关[145],但据报道PPARγ激动剂可诱导脂联素表达并提高胰岛素敏感性[146]。在SFN治疗的HFD小鼠中,脂肪减少与脂肪生成受损以及脂肪组织中PPARγ和C /EBPα表达的抑制相关,导致瘦素和脂联素水平的正常化(增强)[144]。值得注意的是,在心脏和脂肪组织发现了SFN介导的AMPK依赖性脂肪生成抑制[138,144],而且在肝脏和心脏组织中观察到SFN介导的PCG1α,与线粒体代谢和FFA氧化相关的aPPARγ激活剂的恢复

[74,138]。在T1D小鼠中,还有迹象表明SFN可以以组织特异性方式改变PPARγ信号传导。虽然有关SFN诱导葡萄糖摄取的报道[148,149],但SFN可改善葡萄糖耐量,增强肝糖原水平并降低血清TG水平[148]。在HFD小鼠中也观察到血清TG和FFA水平的降低,表明FFA摄取和作为能量底物的利用增强[141]。先前已在脂肪细胞中报道了增强的线粒体活性和FFA氧化,生理浓度的SFN显示剂量依赖性地增强脂肪细胞NRF2,Sirtuin 1(Sirt1)和PGC1α表达[149]。与SFN介导的NRF2诱导相关,他们的研究还表明SFN通过增加Glut4表达,葡萄糖摄取和脂肪分解来增强脂肪细胞的“褐变”,最终由于解偶联蛋白1(UCP1)表达升高,有助于增强线粒体FFA氧化而不会升高ATP的产生[149]。正如Nagata及其同事所描述的那样,在NRF2 -/-小鼠[141]中,增加的能量消耗和由葡萄糖肾上腺素诱导的白色脂肪组织中的UCP-1表达被消除,这意味着NRF2和至少部分PPARγ在介导SFN对新陈代谢的保护作用中起着直接作用。

5.组织特异性保护由SFN介导的氧化还原调节决定

综上所述,虽然萝卜硫素强烈促进NRF2激活,但NRF2与其他转录途径之间的相互作用也是显而易见的,这些各种信号级联的个体信号作用也被广泛评估。 在下文中,我们将回顾这些不同的信号通路如何在SFN介导保护的三个主要生物学靶标的背景下,促成SFN的抗糖尿病和心脏复律作用:葡萄糖稳态,肥胖/能量代谢和心血管效应。

5.1 葡萄糖稳态

我们和其他团队曾报道过,糖尿病和糖尿病前期患者的NRF2抗氧化防御活化可能会受到影响[12-15]。在T1D和心脏代谢综合征的模型中,萝卜硫苷或萝卜硫素预处理可改善小鼠的葡萄糖耐受性和/或胰岛素敏感性[8,138,143,150],在几乎所有研究中,这些保护作用在NRF2-/-小鼠[40,141]中减弱[151],这意味着直接参与NRF2介导的保护。在T1D小鼠中,SFN诱导的NRF2活化和下游的NFκB抑制与减少β-细胞死亡有关[143]。除了其对上述脂肪组织的影响(第4.3节)外,SFN还以部分NRF2依赖的方式减少了与肥胖相关的增强型肝脏糖异生[8]。进一步的研究也表明,在HFD小鼠中,萝卜硫苷的使用与肝NFκB表达的降低之间存在关联[141],这可能表明,调节促氧化剂转录途径可增强NRF2介导的保护作用。虽然其他人已经回顾了SFN在血管细胞中的保护作用和预防肾损伤[17,19],但应该强调的是,SFN介导的对抗肾氧化应激的保护作用再次与增强的Nrf2激活和促炎症的减少有关。TGF-β等具有SFN介导的细胞保护作用的因NRF2丢失而减弱的细胞保护[40,135]。

5.2肥胖与脂质稳态

如前所述,Nagata及其同事最近的研究提供了第一个明确的证据,即在患有心脏代谢综合征的小鼠中,SFN介导的Nrf2激活可通过促进脂肪细胞“褐变”来减少肥胖并增加能量消耗[141]。虽然许多涉及增强的脂解和FFA摄取的基因都是经过验证的PPARγ靶基因,但据我们所知,尚未证实SFN介导的PPARγ表达/活性与下游对体内线粒体功能的影响之间存在明显的联系。尽管SFN介导的Nrf2信号传导对线粒体功能的影响已在其他地方进行了综述[152],但值得强调的是,体外和体内研究确实支持SFN介导的Nrf2诱导与PPARγ/PCG1α表达调节之间的强相关性。对于未来的研究来说,探索在心脏代谢综合征的背景下,SFN介导的PPARγ信号对脂肪细胞分化及其脂质和葡萄糖稳态作用的相对作用将是有趣的。PPARγ是SFN介导的肥胖缓解的相关靶点的有力指标,在血浆FFA水平的降低和SFN/萝卜硫苷给药后,观察到葡萄糖摄取增强。然而,应当注意的是,在啮齿类动物研究中,尽管SFN也能降低血浆TG水平,但它在很大程度上对血浆胆固醇水平没有益处,甚至可能进一步增加[138,141,144]。此外,在代谢和心血管疾病状态的背景下,最近的证据还涉及对无菌刺激或非病原体相关刺激(包括损伤相关的分子模式或“危险信号”,如体外刺激)反应而形成的炎症体、细胞溶质多蛋白复合物的激活/细胞ATP[153154]。据报道,在HFD小鼠中,中高浓度的SFN(30mg/kg)可减轻脂肪变性,这与抑制肝脏炎症因子表达和抑制IL-1β成熟有关。SFN诱导AMPK的剂量依赖性(5-20μM)激活,导致NLRP3-in-flammasome的自噬激活和下调[155],同样,在巨噬细胞中,SFN(4-40μM)似乎抑制了NLRP3和NLRC4-in-flammasome的激活,而不是AIM2-in-flammasome的激活[156]。尽管SFN介导的对炎症的保护可能涉及抑制NFκB信号传导和诱导NRF2调节的抗氧化防御,但NRF2在抑制炎症激活中的直接作用仍有争议,在NRF2-/-小鼠中的研究得出结论:SFN介导的对炎症体的抑制独立于NRF2和抗氧化防御基因[157]。因此,进一步的研究有必要确定抑制炎症激活是否依赖于NFκB和Nrf2信号通路之间的相互作用。

5.3.心血管影响

如表2所示,SFN的生理浓度调节血管细胞中的抗氧化和抗氧化还原敏感转录途径。许多研究也支持SFN或其前体萝卜硫苷对糖尿病或肥胖相关的心血管重塑具有保护作用,其中大多数报告将SFN介导的心血管保护与NRF2表达的恢复或下游靶基因的上调联系起来[40,134,137-140,158,159]。在经过SFN或萝卜硫苷处理的啮齿类动物中,增强的Nrf2抗氧化防御能力与血管脂质过氧化标记物的减少[137]、血管舒张功能的改善[158,160]、血管损伤保护[106]和平均动脉血压升高的减弱[134142158–161]密切相关。虽然未来使用NRF2-/-的研究可能会积极证实NRF2与这些血管保护作用的关联,但SFN介导的糖尿病心肌病保护与NRF2活性直接相关。SFN介导的对糖尿病引起的心脏大小、心肌细胞面积增加、射血分数降低、左心室内径增加以及心脏氧化应激的保护与增强的Nrf2依赖性基因表达相关[134139]。关键的是,在NRF2-/-小鼠中,SFN介导的心血管保护作用减弱,确认NRF2活性升高确实会导致功能保护[139]。

此外,SFN可通过减弱促纤维化和炎症性TGF-β和NF-κB信号来增强心脏保护作用。研究表明,随着Nrf2通路的上调,SFN可降低TGF-β和NFκB(p65)的表达,以及纤维化或主动脉或心脏组织中的炎症标志物(如胶原,TNFα,VCAM-1)[134,137-140]。 Nrf2和TGF-β/NFκB抑制之间的这种关系在大多数糖尿病或心脏代谢研究中很难确定。然而Gu等人进行了相关的研究证明SFN诱导的TGF-β抑制在Nrf2- /-小鼠中被消除,并进一步暗示Nrf2靶基因金属硫蛋白在TGF-β抑制中具有直接作用,尽管令人惊讶的是没有心脏肥大或胶原沉积[139]。在这种情况下,不同的饮食或合成Nrf2活化剂产生几乎唯一的转录靶基因标记。因此,需要进一步研究特定的Nrf2靶基因参与介导氧化还原来保护心血管代谢或治疗糖尿病并发症的治疗剂。将来选择可能与SFN一起使用或作为SFN的潜在替代物使用。

6. 从实验室到临床;最近的临床数据和未来前景

如上所述,大量体外和体内证据支持饮食中的SFN浓度可预防糖尿病和/或心脏代谢并发症。然而,据我们所知,很少有研究调查了患有糖尿病或心脏代谢并发症的SFN患者的疗效。在一项小型随机临床试验(RCT)中,使用来自63名II型糖尿病(T2D)患者的数据,补充5-10g /天的花椰菜发芽粉(BSP,BroccoPhane®)4周,导致血浆胰岛素水平降低,与安慰剂相比,BSP患者的HOMA-IR指数较低[7]。最近,使用来自97名T2D患者的数据的进一步RCT也证实,给予BSP(150μmol SFN)12周可改善葡萄糖耐量[8]。

值得注意的是,BSP摄取与ΔHbA1c水平的变化正相关,肥胖受试者的ΔHbA1c比非肥胖受试者具有更显着的降低。正如这些作者所建议的那样,SFN可能起到减少糖异生的作用[8],这在患有糖尿病失调和高ΔHbA1水平的T2D患者中被放大。与安慰剂相比,接受SFN的T2D失调的肥胖患者空腹血糖和ΔHbA1c水平降低明显。此外,在这些受试者中测得的血浆SFN水平(<2μM)与空腹血糖呈显著负相关,这可能表明某些个体的剂量调整可能进一步提高SFN的干预糖尿病的效率。据我们所知,在男性SFN给药后,包括有或没有心脏代谢综合征的糖尿病患者,没有报道功能性心血管参数。未来包括这些受试者可能有助于确定SFN的治疗潜力是否延伸到心血管系统,类似地,SFN的抗糖尿病效果尚未在T1D或其他糖尿病人群中得到验证,特别是肾脏保护[135]。关于SFN对肥胖或非肥胖T2D患者肥胖和脂质体内平衡的潜在有益影响,已证实12周的SFN对体重指数(BMI),血浆CHO或TG水平没有影响[8],然而,其他人确实报告说,在非肥胖的脂肪肝患者中,西兰花芽粉(BSP)可诱导血浆中的CHO和脂联素水平的适度降低,并且可以改善功能[165]。对比试验还报道,富含萝卜硫苷的花椰菜消耗在降低血浆CHO方面表现出增强的效果[9]。这些差异引起了有效的担忧,即在细胞/动物模型中观察到的SFN的保护作用可能无法完全转化为人或选择的目标人群,治疗持续时间或我们在某些患者中最大化SFN生物利用度的能力可能需要仔细重新考虑。

除了SFN作为T2D [7,8,39,97]以及其他疾病的有效和安全治疗的有希望的治疗潜力之外,最近对使用遗传修饰菌株和疾病模型的组合的SFN的作用的机制见解进一步拓宽了我们对氧化还原敏感转录改变如何影响关键生理过程的认识。特别令人感兴趣的是氧化还原调节对铁稳态,内分泌信号传导和能量代谢的影响,这无疑将演变为未来研究的令人兴奋的领域,并最终可能导致对SFN治疗敏感的新候选疾病过程的识别。此外,值得强调的是,与目前正在研究的其他营养品相比,与其他营养品(如姜黄素、白藜芦醇)相比,SFN具有更大的生物利用度,证明其具有更高的安全性,并能保持其生物活性。由于谷胱甘肽结合率相对较低[37],低水平对靶基因表达的累积影响以及以协同方式调节几种关键氧化还原敏感转录途径(如NRF2、NFκB和PPARγ)的有效能力。这种精心协调的血管平衡,考虑到糖尿病和心脏代谢并发症,并总结在图1(图形摘要)中,可以解释为一种人类涉及氧化、内分泌、代谢、免疫的复杂慢病的有效治疗方法。从这里提供的证据来看,毫无疑问Nrf2是SFN介导的糖尿病和心脏代谢并发症保护的主要因素,但它显然不是唯一重要的转录调节因子,多种转录途径的协同调节可能是SFN作为糖尿病和心脏代谢治疗剂的有效性。
 
缩写:

ACS,酰基辅酶A合成酶; ARE / EpRE,抗氧化/亲电子反应元件; Bcl-2,B细胞淋巴瘤2;体重指数,体重指数; BSP,西兰花芽粉; CAT,过氧化氢酶; C / EBP,CCAAT /增强子结合蛋白; CD36,CD36分子/血小板反应蛋白受体; CHO,胆固醇;CVD,心血管疾病; DSS,硫酸葡聚糖钠; Eselectin,CD62抗原样家族成员E; FFA,游离脂肪酸; FAS,脂肪酸; FATP,脂肪酸转运蛋白;GSH,谷胱甘肽; GsK,甘油激酶; GST,谷胱甘肽S-转移酶; HFD,高脂肪饮食; HO-1,血红素加氧酶-1; ICAM-1,细胞间粘附分子-1; IκB,抑制性κB蛋白; IL-12,白细胞介素-12; iNOS,诱导型一氧化氮合酶; Keap1,Kelch样ECH相关蛋白; LPS,脂多糖; NFκB,核因子-κB; Nrf2,核因子红细胞2相关因子2; NQO1,NAD(P)H:醌氧化还原酶1; oxLDL,氧化低密度脂蛋白; 15d-PGJ2,15-脱氧-δ-12,14-前列腺素J2; PEPCK,磷酸烯醇丙酮酸羧激酶; PGC1α,PPARγ共激活因子1α; PPRE,PPAR反应元素; PPARγ,过氧化物酶体增殖物激活受体γ; RCT,随机对照试验; RXRα,维甲酸X受体α; SFN,Sulforaphane; SIRT1,Sirtuin 1; sMaf,小肌肉腱膜纤维肉瘤蛋白; SOD,超氧化物歧化酶; SQSTM1 / p62,Sequestosome 1; T1D,1型糖尿病; T2D,II型糖尿病; TG,甘油三酯; TGF-β,转化生长因子-β; TNFα,肿瘤坏死因子α; VCAM-1,血管细胞粘附分子-1
 
 
 
 
文章亮点

萝卜硫素(SFN)同时调节Nrf2,NFκB和PPARγ信号传导。
糖尿病中直接Nrf2-PPARγ串扰的证据尚不明确。
SFN可以保护血管,脂肪,肝和/或胰腺细胞和组织。
SFN在II型糖尿病患者中的临床试验表明它可能是一种有前景的疗法。

图文摘要:


 



 

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