Rostlinné látky ovlivňující metabolizmus diabetu 2. typu

Souhrn

Více než 1 000 druhů semenných rostlin a hub je aktivních v testu na hypoglykemizující účinek. Potenciál účinných molekul v nich zastoupených je značný, zrovna tak lze předpokládat, že i mechanizmus působení bude velmi rozmanitý. Přestože je většina informaci pouze screeningem hypoglykemické působnosti, objevují se již výsledky validních esejí, které informují o možných mechanizmech působení. Práce představuje pokus o kategorizaci rostlinných drog, jejich frakcí a izolovaných látek podle farmakologické aktivity a mechanizmu účinku.

Klíčová slova:
rostlinná hypoglykemika – rostlinné metabolity a diabetes mellitus 2. typu – kategorizace antidiabetického účinku

Úvod

Farmakognozie a farmakologie využívající poznatky etnobotaniky a etnofarmakologie realizuje jednu z metod vyhledávacího výzkumu antihyperglykemicky, či šířeji antidiabeticky působících nízkomolekulárních rostlinných metabolitů. Studie v těchto oborech neustávají ani po objevení inzulinu a syntetických antidiabetik. Rozvoj biologických věd umožňuje hledat cestu, jak validovat metody hodnocení antidiabetické aktivity a dalšího pozitivního zásahu do metabolické dysbalance diabetika především typu 2. Bohužel dlouhé období experimentů v této oblasti bylo zatíženo chybou nepřesného modelu a sporné aplikovatelnosti výsledků preklinického výzkumu do klinického testování a klinické praxe. První validní testy hypoglykemického účinku komplexních extraktů, jejich frakcí či izolovaných látek z rostlinných drog, prováděné na experimentálních zvířatech, byly publikovány až v 90. letech minulého století [1]. Postupně byla zavedena série dalších testů, která obohacovala pilotní studie hypoglykemického efektu o poznání jeho mechanizmu a pomáhala objasnit i další pozitivní ovlivnění diabetického syndromu (anti‑ROS aktivita, inhibice AR, profylaxe retinopatie apod.).

Úskalí v přenosu poznatků vyhledávacího výzkumu do klinické praxe

Úskalí přináší charakter sledovaného materiálu. Často jej tvoří komplex obsahových látek rostliny (extrakt, frakce extraktu, směsný rostlinný produkt), aniž by byly určeny jeho složky zodpovědné za biologickou aktivitu. Nedefinované agens je těžko standardizovatelné, a tím i validní testovací modely mohou být zatížené chybou. Je proto snaha izolovat a definovat látky odpovědné za farmakologickou aktivitu. Do 80. let 20. století bylo publikováno na 1 000 prací s prokázaným hypoglykemickým účinkem rostlinného extraktu (určujícím znakem účinnosti byla snížená hodnota glykemie). Rozvojem molekulární biologie a bioanalytických metod koncem 20. století se zintenzivnilo hledání aktivní složky a mechanizmu jejího působení. Výsledky vyhledávacího výzkumu předchozích let byly shrnuty v několika přehledech obvykle sestavených podle farmakobotanického třídění biologicky aktivního agens [2–5]. Rozsah současných informací však umožňuje rozdělit poznatky a z nich vycházející definice či hypotézy o biologické aktivitě sledovaných drog, jejich obsahových látek nebo standardizovaných směsí do několika skupin také podle mechanizmu účinku.

Předpokládané a ověřené principy působení rostlinných metabolitů

Působení na β-buňky pankreatu – stimulace biosyntézy a sekrece inzulinu; látky modulující vnitrobuněčné sekundární messengery sekrece inzulinu

Do této skupiny lze přiřadit působení alkaloidu chininu z Cinchona spp. [6,7] jako blokátoru ATP-K⁺ kanálu; diterpenu forskolinu z Coleus forskohlii [8] jako aktivátoru adenylát cyklázy; metylxanthinu teofylinu z Camellia sinensis [9] jako inhibitoru fosfodiesteráz a stimulans syntézy cAMP; působení flavonoidu kvercetinu z celé řady rostlinných taxonů jako inhibitoru buněčného efluxu Ca²⁺; flavanolu epikatechinu z Camellia sinensis a Pterocarpus marsupium [10] jako inhibitoru fosfodiesteráz, stimulans biosyntézy (pro)inzulinu a silného antioxidačního agens; působení pentacyklického triterpenu ursanového typu – kyseliny tormentové z Poterium spp. [11] jako stimulans inzulinové sekrece a biogeneze dosud neznámého mechanizmu; glykoproteinu DPG-3-2 z Panax gin‑seng [12] jako stimulans inzulinové biosyntézy a sekrece též dosud neznámým mechanizmem; působení kyseliny arachidonové z kapradin a mechů na zvýšení cytozolické hladiny Ca²⁺ s následným inzulino-sekretogogním efektem [13]. Ně­kte­ré rostlinné extrakty standardizované na dobře analyzovatelnou složku vykazovaly inzulinotropní účinky: Enicostema litorale (blokátor ATP-K⁺ kanálu, inzulinotropní efekt nevyžadoval influx Ca²⁺), Zingiber officinale, Allium sativum, Aloe arborescens [14–16].

Zvýšení účinku inzulinu působením na receptory, bazální glukózový transport a inhibicí inzulin‑degradujícího enzymu (IDE)

Tato skupina zahrnuje: p-polypeptid z Momordica charantia [17], látku strukturně velmi blízkou hovězímu inzulinu, degradovatelnou IDE; indenový pigment brazilin z Caesalpinia sapan [18], který snižoval aktivitu proteinkinázy Ca zvyšoval glukózový transport do fi­broblastů a adipocytů; S-metyl-L-cystein z Allium, přecházející v různé alkyldisulfidy soutěžící s inzulinem o IDE, přičemž dochází ke zpomalení degradace aktivní formy hormonu [19–22]; rostlinné růstové faktory – indolyloctová kyselina, trigonelin, kyselina salicylová z Phaseolus, Trigonella [23,24] působící jako inhibitory IDE; metylhydroxychalkonový polymer z Cinnamomum s inzulinmimetickým efektem fosforylace a inhibice defosforylace receptoru [25,26].

Ovlivnění aktivity enzymů glykogeneze, glykogenolýzy, glukoneogeneze a glykolýzy

V této skupině lze uvést alkaloidy katarantin a leurosin z Catharanthus roseus [27] inhibující cytosolické i mitochondriální fosfoenolpyruvát karboxylkinázy, enzymy jaterní glukoneogeneze z laktátu nebo alaninu; pektiny z Coccinia indica [28] a Musa paradisiaca [29,30] stimulující glykolýzu, glykogensyntetázu a inhibující glykogenolýzu; guanidinový derivát galegin z Galega officinalis, potencující glykolýzu; chalkonový polymer (MHCP) z Cinnamomum spp. stimulující aktivitu glykogensyntázy a inhibující (glykogensyntázu) kinázu-3 [25]; fenylethylalkoholy a iridoidní monoterpeny z Rehmania glutinosa a Anemarrhena spp. [31–33] inhibující enzymy glukoneogeneze. Zde je možno přiřadit také mechanizmus toxicity neproteinových aminokyselin hypoglycinu A a B z nezralých plodů Blighia sapida (akee tree), které inhibují Coriho a Glc/Glc-6-P cykly, aktivitu Glc-6-fosfatázy, oxidaci mastných kyselin a glukoneogenezi vedoucí k hluboké hypoglykemii [34,35].

Zvýšení periferní utilizace glukózy

Do této skupiny je možné zařadit diterpenové atraktylozidy z Xanthium spp. redukující buněčné dýchání inhibicí ADP/ATP transportu přes mitochondriální membrány a akcelerující glykolýzu v periferních tkáních. Atraktylozidy blokují také hepatální glukoneogenezi [36–38]. Glykan – akonitan z Aconitum spp. zvyšoval aktivitu fosfofruktokinázy a akceleroval glykolýzu v periferních tkáních a játrech [39]. Glykany – ganodermany, produkty houby Ganoderma lucidum, stimulovaly enzymy glykolýzy v periferních tkáních [40]. Zvýšená utilizace bez známého mechanizmu je popisována také při aplikaci standardizovaného extraktu Prosopis fracta a Juniperis communis [41].

Ovlivnění mechanizmu resorpce glukózy z trávicího traktu (snížení aktivity trávicích enzymů, zpomalení vstřebávání), vliv na uvolňování hormonů GIT ovlivňujících sekreci inzulinu a střevní motilitu

Uplatnění v oficiální terapii dosáhla akarbóza, mikrobiální produkt (Actinoplanes aj.) inhibující α-glukozidázy, γ-amylázy, sacharázy a maltázy. Flavonoidy ze Sophora flavescens [kushenol A, (–)-kurarinon, soforaflavanon, 8-prenylkaempferol, izoxanthumol aj.] a levandulylchalkony vykazovaly selektivní α–glukozidázovou inhibiční aktivitu [42]. Vláknina semen Psyllium spp. [43] snižovala střevní glukózovou absorpci v klinickém pokusu. Galaktomanany (necelulózní vláknina) bobovitých (Cyamopsis, Trigonella, Medicago, Trifolium) zpomalují střevní absorpci glukózy ovlivněním vlastností tráveniny, změnou střevní motility a uvolňování střevních hormonů [44–46]. Trávicí enzymy α-amyláza a β-D-fruktofuranosidáza jsou také ovlivněny čajovými katechiny (polymerní flavonoly) [47]. Polyhydroxypiperidinový alkaloid moranolin z Morus spp. (jehož molekula byla modelovou strukturou pro glitazony) inhibuje aktivitu α-glukozidázy [48]. Alkaloid kastanospermin z Castanospermum spp., strukturně blízký k pyranozové formě glukózy, inhibuje střevní enzymy (β-D-fruktofuranosidázu aj.) s hypoglykemickou odezvou [49,50]. Gymnema silvestre obsahuje směs triterpenových gymnemových kyselin považovanou za antihyperglykemické agens. Její dlouholeté setrvávání v materia medica tradiční medicíny je důvodem intenzivního pátrání po mechanizmu působení. Jednoznačný závěr však nelze dosud udělat [51].

Ligandy (aktivátory) nitrojaderných receptorů PPAR‑ γ, PPAR‑α (Peroxisome Proliferator‑activated receptor)

Tento typ jaderných receptorů hraje klíčovou roli v glukózové a lipidové homeostáze. Jejich syntetické aktivátory jsou odvozené od thiazolidindionů (glitazony). Agonisty PPAR‑ γ jsou však také karnosová kyselina a karnosol – diterpenové polyoly z listů Salvia officinalis a Rosmarinus officinalis. I ně­kte­ré rostlinné extrakty s dosud neidentifikovaným přesným složením aktivních látek se chovají jako signifikantní aktivátory PPAR subtypu γ. Efekt závislý na dávce vykazují extrakty z Alisma plantago-aquatica, Catharanthus roseus, Acorus calamus, Euphorbia balsamifera, Jatropa curcas, Majorana hortensis, Zea mays, Capsicum frutescens, Urtica dioica.

Bez prokázané závislosti na dávce extrakty z Angelica archangelica, Vaccinium myrtillus, Gentiana lutea, Syzygium cumini, Lavandula angustifolia, Cinnamomum verum, Olea europaea, Agrimonia eupatoria, Rubus idaeus, Populus nigra, Curcuma longa [52,53].

Inhibice α-buněk nebo jiných hyperglykemizujících faktorů (α- a β‑adrenergních a kortikotropních receptorů)

Ně­kte­ré rostlinné metabolity reagují s výše uvedenými receptory s výsledným inzulinomimetickým efektem a zvýšenou lipogenezí. V tomto smyslu je známa aktivita námelových alkaloidů, DH-ergotaminu, johimbinu z Pausinystalia, diterpenových forbolů z Euphorbiaceae, alkaloidu reserpinu z Rauwolfia, fytosterolů z houby Ganoderma lucidum a polypeptidů z Momordica charantia [6,54–56].

Inhibice glykace proteinů (HbA_1c)

Z rostlin byly izolovány látky inhibující neenzymovou reakci mezi cukrem a aminoskupinou proteinů, a bránící tak vzniku AGEs (především hyperglykovaného hemoglobinu, kde se glukóza váže na α-aminoskupinu terminálního valinu v β-řetězci globinu). Základem účinku je pravděpodobně významná antioxidační aktivita (standard – kyselina askorbová), kterou všechny zkoumané antiglykačně působící látky (standard – aminoguanidin) vykazovaly. Z Plantago asiatica byl získán derivát kyseliny kávové purpureasid A (plantamajosid), který in vitro dosahoval hodnoty antiglykační a antioxidační aktivity srovnatelné se standardem [57]. Redukce tvorby pozdních glykačních produktů byla zjištěna i u flavonoidní frakce (směs tvořená kvercetinem, eriodictyolem, cirsainineolem aj.) z Thymus vulgaris, flavonoidního glykosidu diosminu z Zanthoxylum avicennae nebo Citrus spp., erigeroflavanonů z Erigeron annuus, kyseliny kumarové izolované z různých rostlinných taxonů aj. Kurkumin, diarylheptanoid z Curcuma longa, signifikantně snižoval hodnoty glykemie a HbA_1c, působil významně antioxidačně a normalizoval erytrocytární a jaterní antioxidační enzymové aktivity [58,59].

Inhibitory aldozoreduktázy (AR)

Je známo, že zvýšená aktivita AR způsobuje intracelulární akumulaci sorbitolu či galaktitolu a sehrává významnou roli v rozvoji katarakt v čočkách a také v dalších diabetických komplikacích. Enzym katalyzuje redukci glukózy na sorbitol za přítomnosti NADPH. U experimentálních zvířat a izolovaného orgánu (bovinní čočky) byl prokázán pozitivní inhibiční efekt na AR furanokumarinu byakangelicinu z Angelica dahurica a biflavonoidům z Ouratea spectabilis [60]. RLAR assay (potkaní čočka) prokázala AR inhibiční efekt u izochinolinových alkaloidů z Coptis sinensis [61], prenylovaných flavonoidů ze Sophora flavescens [42], antrachinonů ze Senna tora [62], flavonoidů z Nelumbo nucifera [63] a Myrcia spp. (myrciacitriny) [64], ergosterolperoxidu z houby Ganoderma applanatum [65] aj.

Profylaxe retinopatie

V klinickém pokusu, u pacientů s non-proliferativní diabetickou retinopatií, byly použity extrakty z Ruscus aculeatus a Fagopyrum esculentum. Jako pozitivní kon­trola byl aplikován troxerutin. Regrese změn na očním pozadí bylo signifikantně dosaženo u obou testovaných extraktů, zvláště pak u Ruscus. Účinnou složkou extraktu jsou steroidní saponiny a deriváty flavonoidu rutinu [66,67].

Další biologická aktivita

Z houby Emericella quadrilineata byl izolován β-aminobetain – emeriamin působící jako inhibitor karnitinpalmitoyltransferázy (enzym katalyzující oxidační štěpení vyšších mastných kyselin). V preklinickém experimentu se tento účinek projevil u pokusných zvířat hypoglykemickým a antiketogenním efektem [68]. U diabetických potkanů vyvolala perfuze vodným extraktem ze semen Lepidium sativum [69] významné snížení hodnot glykemie, a naopak zvýšila hodnoty glykosurie. Mnohé další studie přispěly k závěru, že příčinou je inhibice renální glukózové reabsorpce, zprostředkované SGLT 1, 2 (sodium glucose co-transporter 1, 2). Účinnou složkou extraktu jsou pravděpodobně thioglykozidy (glukozinoláty), kterým je tento efekt prokázán [70,71]. Thioglykozidy jsou charakteristickým metabolitem brukvovitých rostlin. Na stejném principu působí také flavonoidy z kořenů Sophora flavescens [kushenol A, (–)-kurarinon, soforaflavanon aj.]. Tyto poznatky jsou v dobré shodě s vývojem nové skupiny syntetických antidiabetik – inhibitorů SGLT 2 [72]. Sulforafan [1-izotiokyanato-4-(metylsulfinyl) butan] patří také mezi metabolické produkty čeledi brukvovitých s významnou biologickou aktivitou. Je aktivátorem transkripčního faktoru NRF2, který reguluje tvorbu řady protektivních proteinů, a předchází tak metabolickým dysfunkcím při hyperglykemiích např. mikrovaskulárních endoteliálních buněk [73].

Závěr

Rostlinné drogy a jejich obsahové látky ve stupni různého zpracování byly součástí materia medica pro diabetes mellitus dávno v době předinzulinové [74] a setrvávají dodnes. Cíleně vyhledané či etnobotanikou avizované taxony prochází moderní bioassay‑guided separací (BGS), která využívá základního pilotního testu k potvrzení farmakobotanické hodnoty a je výzvou k rozvinutí dalšího fytoanalytického a farmakologického bádání.

Stále je pravidlem, že pro většinu BGS je pilotním testem hodnocení hypoglykemizující aktivity na modelových stavech diabetu (validita těchto esejí musí být standardem). Rozvinutí těchto pilotních výsledků v navazujícím výzkumu přináší každoročně až stovky publikovaných odborných pojednání. Příspěvek se snaží postihnout ty zásadní. Snaha o kategorizaci má svá úskalí zvláště tehdy, když produkty prokazují účinnost přesahující charakter jedné kategorie, což platí zejména pro směsi látek. Přesto je účelná především pro zvážení kvality účinku, pro rozhodnutí o pokračování v dalším směrovaném bádání. Je použitelná při sledování možných vedlejších účinků, agonismu či antagonismu často nekontrolovaně používaných fytofarmak nebo potravinových doplňků.

Doručeno do redakce: 5. 2. 2009

prof. RNDr. Luděk Jahodář, CSc.

www.faf.cuni.cz

e‑mail: ludek.jahodar@faf.cuni.cz