达能营养中心第十届学术研讨会论文集

刘小华 李舒梅﹡ 夏芳莲
（赣南医学院预防医学系，江西赣州,341000）


摘要：糖尿病是一种以血糖及尿糖增高为主要特征的全身慢性代谢异常综合症，现已成为世界上主要的公共卫生问题。常用降糖药虽有一定疗效，但毒副作用比较明显，这给临床医生治疗糖尿病带来了巨大的挑战。壳聚糖及其降解产物壳寡糖具有降血糖、降血脂等功能以及良好的生物粘附性、生物相容性和可降解性等活性，为糖尿病及其并发症的治疗开辟了一个新方向。本文就壳聚糖和壳寡糖对糖尿病模型动物血糖、血脂的影响以及对胰岛素的利用、基因治疗的作用及其可能机制等方面作了阐述。
关键词：壳聚糖；壳寡糖；糖尿病；研究进展

The Progress on Chitosan and Chitooligosaccharides
to Diabetes Mellitus
Liu xiaohuaLi shumeiXia fanglian

(Department of preventive medicine, Gannan medical university. Ganzhou，341400)
Abstract: Diabetes mellitus(DM) is a chronical metabolic disorder syndrome,which is characterized by high blood sugar and urine sugar. It has become one of main public health problems gradually. Although some drugs are effective in treatment of patients with DM, they may also cause lots of apparent side effects. This problem makes clinician face this challenge hardly. Chitosan and its degradation product, chitooligosaccharides(COS) have some functions such as lowering blood sugar and lipids, they also have good adherent property, biocompatibility biodegradation and so on. All of these are good for treatment of DM and its complications. In this review, we demonstrated that how chitosan and COS affected the blood sugar and blood lipids and how they affected the insulin level and genetic therapy in the model animals with DM. At the same time, the review summarized the possible mechanisms of chitosan and COS in treatment of DM. Keywords：Chitosan; Chitooligosaccharides; Diabetes mellitus; progress

1前言
1.1 糖尿病及其治疗现况
糖尿病(diabetes mellitus，DM)是一种具有遗传倾向常见的、多发的内分泌代谢病，是由于胰岛素绝对或相对不足所致的血糖及尿糖增高为主要特征的并导致糖、蛋白和脂肪代谢障碍的全身性慢性代谢异常综合症，常伴发心脑血管、肾、眼及神经等多种并发症[1]。WHO资料表明，糖尿病是继恶性肿瘤、心脑血管病后第3位严重威胁人类健康的慢性非传染性疾病，主要集中分布在中国、印度等发展中国家，已经成为世界上主要的公共卫生问题[2]。我国糖尿病患者数已超过4000万，并且以每年10%以上的速度增长，现已成为世界上糖尿病患者绝对人数仅次于印度的第二大国，今后10年糖尿病在我国的发病率有可能达到14%左右，严重地危害着我国人们的身心健康和经济发展[3]。
目前，较常见的糖尿病主要有胰岛素依赖性(I型)和非胰岛素依赖性(Ⅱ型)两类。I型糖尿病多为某些遗传因素导致胰岛细胞广泛破坏，胰岛素生产能力严重滞后，导致人体内胰岛素绝对不足，严重影响人体糖的正常代谢，需要补充胰岛素才能纠正机体正常代谢。Ⅱ型糖尿病常由高能量饮食而引起，其治疗主要利用药物刺激胰岛内分泌功能和激活胰岛素细胞使糖代谢指标趋于正常，合理有效地控制血糖水平，并尽量减少低血糖的发生是该型糖尿病治疗的关键。根据大量临床观察，常用降糖药比如胰岛素、优降糖等，虽有一定疗效，但其毒副作用比较明显，况且尚无一种能同时有效治疗糖尿病又能控制并发症的药物，这给临床医生治疗糖尿病带来了巨大的挑战[4]。 
1.2 壳聚糖和壳寡糖概述
壳聚糖(Chitosan)化学名为聚(1，4)2脱氧βD葡萄糖，是甲壳素(chitin)脱乙酰化的产物，于1859年由法国人Rouget首先得到。甲壳素广泛存在于昆虫、甲壳纲动物外壳及真菌细胞壁中，是自然界中产量仅次于纤维素的第二大天然多糖。壳聚糖具有免疫调节、抗癌、降血糖、降血脂等多种功能以及良好的生物粘附性、生物相容性和可降解性等生物活性，在医药方面有广泛用途[5]。有研究表明，壳聚糖能延长药物在吸收部位的滞留时间而提高生物利用度，还能通过与带负电的细胞膜相互作用而增加亲水性大分子细胞通透性，促进亲水性大分子药物的吸收[6]，此外，壳聚糖还可以通过多种途径抑制血糖的升高，具有明显的降血糖效果，且安全性高，不产生毒副作用[7]。
由于壳聚糖相对分子量较大，不能直接溶于水，其应用受到一定的限制。壳寡糖(chitooligosaccharides，COS)也称为低分子壳聚糖，是壳聚糖的降解产物，分子量小，溶于水，可被人体、动物及植物机体吸收利用，且能保持其原有壳聚糖生物功能的糖类物质。研究显示，壳寡糖较高分子壳聚糖具有更高的生物活性、更多的生理功能、更利于人体肠道的消化吸收，是一种安全可靠的天然生物活性多糖[8、9]，近年来国内外有关壳寡糖用于糖尿病治疗的研究也不断增多，这将为糖尿病及其并发症的治疗开辟一个新方向。
2壳聚糖对糖尿病的影响与作用
国外较早就有研究报道，壳聚糖具有增强免疫功能、降低胆固醇，降血压、降血糖，提高肝功能，防治胃溃疡、加速外伤愈合，对抗氧自由基，吸附体内有害物质并排出体外等重要作用[10，11]。
2.1 壳聚糖对糖尿病血糖的影响
众所周知，糖尿病是以血糖和尿糖增高为主要特征的慢性代谢性疾病，因此合理有效地控制血糖水平是糖尿病治疗的关键所在。郑铁生等[12]研究显示，龙虾壳聚糖对四氧嘧啶糖尿病模型小鼠具有降血糖和增强糖耐量的作用，而对正常小鼠的血糖水平无明显影响；也有研究用四氧嘧啶复制SD大鼠糖尿病，经壳聚糖治疗后，血糖浓度明显下降，血清胰岛素含量升高，其机理可能与其减轻自由基的损伤，影响血浆内皮素(ET)、一氧化氮(NO)产生以及促进胰岛β细胞损伤的恢复有关[13]。Miura等[14]报道，在饲料中加5%壳聚糖可显著降低链脲佐菌素（STZ）诱导的糖尿病小鼠血糖水平，并认为其降血糖作用可能是与壳聚糖能吸附H+，提高HCO3-浓度，从而使体液pH倾向碱性，酸性体质的改变可增强细胞活性和对胰岛素的敏感性有关；Kondo等研究认为壳聚糖还有直接作用于胰岛素受体，使其敏感性增强，抑制血糖增高的作用[15]；还有资料显示，壳聚糖有良好的降糖效果，且毒副作用小，可避免口服化学降糖药的低血糖作用[16]。由此看来，国内外关于壳聚糖纯粹对糖尿病血糖影响的研究并不多见。

2.2 壳聚糖对糖尿病血脂的影响
糖尿病虽然是一种葡萄糖代谢紊乱的疾病，但是往往伴随有脂质代谢异常的现象，壳聚糖降血糖作用也可能与改善体内脂质代谢有关。
有研究表明，壳聚糖是带正电荷的有机高分子化合物，能与食物中带负电的脂肪自动附着结合，具有良好的吸附作用和整合能力，可阻断脂肪分解酵素，同时吸收胆固醇和胆汁酸，使得脂肪在肠内不被吸收然后排出体外，从而降低了血脂的含量[17]。杨铭铎等[18]模拟体外消化研究显示，壳聚糖与胆汁酸比例为1:8时，壳聚糖可以较好地络合胆汁酸，干扰机体对脂肪的吸收。用STZ诱导的Ⅱ型糖尿病模型大鼠血胆固醇含量增高,通过壳聚糖吸收胆汁酸后，胆固醇不能被胆固醇酶催化，无法在肠道吸收，从而起到减少血液胆固醇浓度的作用[19]。王淑玲等[20]认为壳聚糖可降低高能量饮食加STZ所诱发的Ⅱ型糖尿病模型大鼠血糖、血清胆固醇和TG浓度，改善2型糖尿病病变，该研究进一步指出血糖的降低也导致了血清胆固醇和TG含量明显下降，其机制可能与其减轻自由基的损伤影响ET、NO的产生以及促进胰岛β细胞损伤的恢复，提高血清胰岛素含量升高有关[21]。
当然，壳聚糖对糖尿病血中脂类的影响还有其它的机制。林友文等[22]研究结果显示，1.5%壳聚糖组降脂作用比1.0%壳聚糖组、1.5%羧甲基壳聚糖组强，因前者所含氨基数量较后者多，结合胆酸、胆固醇的能力更强；羧甲基壳聚糖的N和O部分被羧甲基取代相对减少了游离氨基的含量，并转化为两性聚电解质，对带阴离子基团的胆酸结合能力下降，降脂作用减弱，因此认为壳聚糖降脂作用可能与其结构中的氨基含量有关。现已发现，游离脂肪酸(FFA)在胰岛素抵抗和高胰岛素血症的发病过程中起到非常重要的作用，FFA水平增高既可增加胰岛素抵抗，又可引起高胰岛素血症和Ⅱ型糖尿病，壳聚糖可通过氨基的静电桥联作用吸附FFA，Tai等[23]发现壳聚糖通过对血浆脂蛋白的作用而产生对II型糖尿病的影响。
2.3 壳聚糖对糖尿病胰岛素利用的影响
胰岛素(INS)是一种广泛用于糖尿病治疗的多肽药物，随着全球糖尿病患病率的上升，使用胰岛素的人数亦相应增加，由于其易被消化道蛋白酶降解而口服无效，必须注射给药，这给病人带来了不便和痛苦。为了减少胃肠道对胰岛素的降解灭活，许多学者采用如脂质体，高分子化合物为载体帮助胰岛素经肠道吸收已获得不同程度的降糖效果，壳聚糖的生物粘附性、正电荷性等使其对INS具有良好促吸收作用，对提高胰岛素的相对生物利用率有着重要作用[24、25]。近年来，有研究[26]利用壳聚糖包覆胰岛素脂质体，得出在最佳制备工艺条件（乙醚10ml、旋转蒸发温度20℃、探头式超声0.5min后加壳聚糖、包覆温度10℃、时间0.5h）下的产品经大鼠和小鼠口服后，血糖值下降至最低时分别为实验前的39.13%和16.94%。黄慧等[27]研究也显示，壳聚糖胰岛素微球口服制剂对链脲菌素致糖尿病大鼠具有一定的降糖效果，其机理可能是由于壳聚糖的碱性、其对胰岛素的包裹性以及微球优良靶向性，这样可使壳聚糖胰岛素微球在一定程度上避免消化道蛋白酶对胰岛素的分解，并靶向分布于小肠、肝、脾等器官，逐渐释放出胰岛素而起到降血糖作用，且作用延长至第2d。Ma等[28]通过离子凝胶法精制了壳聚糖-胰岛素微球，在一定剂量下它能够有效地降低STZ诱导糖尿病大鼠血清葡萄糖水平，共聚焦显微镜照片表明，在给药3h后大鼠肠内上皮细胞和壳聚糖微球间有强交互作用。
胰岛移植也是治疗糖尿病的比较有效的手段之一，采用该技术不仅可解决长期使用免疫抑制剂带来的副作用，还可采用异种胰岛，缓解了胰岛供体严重不足的矛盾，为了比较海藻酸-聚赖氮酸-海藻酸微囊化(APA)大鼠胰岛和海藻酸-壳聚塘-聚乙烯乙二醇微囊化(ACP)大鼠胰岛移植对小鼠糖尿病的治疗作用，楼文晖等[29]用STZ给小鼠造模成功后分别用这两种微囊进行移植，结果发现APA微囊和ACP微囊一样具有免疫隔离作用，但是ACP微囊化异种胰岛移植可纠正小鼠糖尿病，并且克服了后者生物相容性差的缺点。壳聚糖微囊的优良生物相容性、可调控降解特性代表了微囊发展的方向，相信经过不断完善，壳聚糖微囊将在胰岛移植领域有广阔的应用前景。
2.4 壳聚糖对糖尿病基因治疗的作用
Ⅰ型糖尿病主要是由某些遗传因素引发的机体自身免疫功能紊乱，导致胰岛β细胞的损伤和破坏，最终使胰岛素分泌绝对不足的一种疾病。目前治疗除注射外源性胰岛素外，既无其他切实有效的方法能使Ⅰ型糖尿病病人达到长期缓解，也无有效的方法预防该病的发生。Ⅰ型糖尿病的基因治疗，在实验方面却有了可喜的进步，基因治疗有望成为攻克糖尿病的重要手段之一。

近年来国内外一些研究表明，体内直接转染胰岛素基因治疗糖尿病是可行的。Matsunaga等[30]报道利用壳聚糖可以在体内或体外将质粒DNA导入细胞内或体内组织，其最大优点是安全、无毒，并具有良好的组织相容性。和其他一些多聚阳离子试剂一样，壳聚糖和DNA的相互作用是通过静电结合的，这种结合相当牢固，只有当它们进入细胞后才会解离，而且它还能有效包埋DNA，防止DNA被DNA酶降解，提高转染效率[31]。沈亚非等[32]采用壳聚糖体外转染鼠成纤维细胞，对转染后72h细胞应用免疫组织化学方法检测胰岛素的表达，结果重组质粒pCMV•INS转染大约10%的细胞有胰岛素表达，且转染大鼠血浆胰岛素显著高于生理盐水组和pCMV组。有研究[33]采用类似的方法进一步发现接受胰岛素表达载体细胞的糖尿病大鼠血糖明显下降，体重逐渐恢复。这些都说明人胰岛素基因能成功转染非胰岛β细胞，并且表达的目的基因使血糖水平下降，故认为基因治疗有望成为Ⅰ型糖尿病的重要治疗手段，壳聚糖是一种很有前途的胰岛素基因载体。
3壳寡糖对糖尿病的作用
壳寡糖也叫低分子壳聚糖，是壳聚糖的降解产物，由于水溶性好，它较壳聚糖有更高的生物活性、更多的生理功能，更利于人体肠道的消化吸收，是一种安全可靠的天然生物活性多糖。2002年日本就有专利[34]报道低分子量壳聚糖及其盐具有抗糖尿的作用，研制了壳聚糖可提高糖尿病药物的抗糖尿效应，可以用来治疗多糖症即糖尿病。近年来，国内外有关壳寡糖用于糖尿病治疗的研究也有所增多。
3.1 壳寡糖对糖尿病小鼠的影响
有研究[35]表明，低分子水溶性壳聚糖中剂量(500mg/kg)、高剂量(1000mg/kg)能使糖尿病小鼠血糖显著降低；高剂量壳聚糖能使胰岛β细胞明显增多，其降血糖机制可能与促进胰岛β细胞的增殖有关。任林等[36]也认为低分子壳聚糖是高分子水不溶性壳聚糖的氧化产物，具有水溶性，对糖尿病小鼠具有降血糖作用。糖尿病患者的餐后血糖一般较难控制，而餐后持续高血糖往往会加重胰岛β细胞的负担，随着时间的延长会损害其正常功能，Hayashi等[37]研究指出，0.8%甲壳低聚糖对于STZ糖尿病小鼠和肥胖型糖尿病KKAY小鼠有显著改善血清餐后高血糖的作用。也有研究显示，甲壳素及其衍生物（包括壳寡糖）在胃酸的作用下可以被溶解并呈现胶态，容积增加，延长胃中食物排空时间，并延缓与减少小肠对糖分的吸收；加上在小肠中抑制α葡萄糖苷酶的作用，从而可以降低餐后高血糖，减轻对胰岛素分泌的刺激和β细胞的负担，保持其恢复正常功能[38]。另有文献报道，甲壳低聚糖能促使体外培养非肥胖糖尿病(NOD)小鼠胰岛细胞增殖而使胰岛素分泌增加[39]。
3.2 壳寡糖对糖尿病大鼠的影响
尤行宏等[40]采用腹腔一次性注射STZ来复制Ⅱ型糖尿病大鼠，然后通过灌胃给予低分子壳聚糖，结果表明，低分子壳聚糖可显著降低该大鼠的血糖浓度，使血胰岛素含量升高，并能对抗体重的降低；同时其对正常大鼠血糖、血胰岛素无影响，只是在血糖异常时，可能通过促进胰岛β细胞的修复，提高胰岛素分泌，增加外周组织对胰岛素的敏感性等机制来降低血糖，达到调节机体糖代谢的作用。Liu等[41]通过对STZ诱导的糖尿病大鼠进行口服灌胃研究发现，壳寡糖能激活该大鼠胰岛β细胞效能，改善细胞内胰岛素的释放；喂养60天后，各剂量壳寡糖都能不同程度地改善模型大鼠的一般临床症状、减少餐后2小时血糖、尿糖，使糖耐量紊乱得到纠正，其中以500mg/kg为最佳剂量。有研究[42]用同样的造模方法，通过低分子壳聚糖灌胃可降低糖尿病模型大鼠的血糖、血清胆固醇和甘油三酯(TG)浓度，具有减少和延缓DM并发症的发生，改善DM病变的作用，并指出DM大鼠高血糖与血清高胆固醇、高TG呈正相关，血脂的增高可能由血糖升高引起。Lee等[43]研究显示，给予STZ致非胰岛素依赖型糖尿病大鼠0.3%低聚糖后空腹血糖降低了19%，葡萄糖耐量逐渐升高，甘油三酯水平下降了49%，胆固醇下降了10%，胰岛素分泌显著增加，这可能是胰岛β细胞功能改善和胰岛素分泌正常化的结果。另外，研究表明壳寡糖可以降低甘油三酯浓度，载脂蛋白B浓度，升高载脂A1/载脂B值，但对胆固醇和载脂A1的质量浓度无明显变化，并指出壳寡糖能够调节糖尿病大鼠血脂机理[44]，主要有以下三点：第一，壳寡糖在酸性环境中带正电，与带负电的分子(如脂肪)结合，可阻止消化系统吸收TG和TC；第二，正电性的壳寡糖还可与负电性的胆汁酸结合而使其排出体外，从而打断了胆汁酸的肠肝循环，破坏了胆固醇在胆盐作用下形成的紧密结合微胶粒，阻止胆固醇进入肠粘膜细胞，降低了胆固醇的吸收；第三，壳寡糖还可以促使胆固醇在肝脏内转化，壳聚糖与胆汁酸结合并排出体外后，为了保持胆囊中有一定的储量，胆固醇在肝脏中加速转化生成胆汁酸，从而大大减少了进入血管的胆固醇量。

4研究展望
壳聚糖及其降解产物壳寡糖是近年来世界各国都在开发的第四代功能性保健品，是自然界唯一的动物性膳食纤维，除具有膳食纤维多种特殊性能和功效外，还具有降血糖、抑制脂类吸收、生物相容性好及在体内易降解等特性，而且其安全性高，无毒副作用，因此在防治糖尿病及其并发症方面显示了广阔的应用前景。值得注意的是，它们的结构中除了含有羟基外，还有活泼的氨基，易于化学改性，引入多功能基团，这更加拓宽了其应用领域。
当然，壳聚糖及其降解产物壳寡糖应用于糖尿病的研究还有许多方面值得进一步探讨。比如用壳聚糖为载体制备胰岛素微球来实现胰岛素口服应用具有一定的开发潜力，但尚需对其生物利用度的提高、改进微球的制作工艺以及在体内壳聚糖生物降解的半衰期等方面进一步研究；Ⅰ型糖尿病的基因治疗是随着分子生物学和医学免疫学发展起来的一种生物技术，该技术已经取得许多进展，尤其是对胰岛素释放反应的生化及分子机制的进一步认识以及高效基因转移技术的出现，但是糖尿病的基因治疗还只是起步阶段；壳聚糖和壳寡糖对糖尿病及其并发症的研究目前仍停留在动物实验阶段，尚未进入临床应用。相信随着研究工作的不断深入，必将发生突破性进展，给糖尿病患者带来福音，使他们的生活质量得到提高并造福人类健康。
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