中科院1区-北中医: 虎杖苷调节糖尿病大鼠肝脏糖脂代谢的机制研究

微科盟原创微文，欢迎转发转载。

导读

背景：虎杖，即蓼科植物虎杖的根茎，在临床实践中常用于预防和治疗糖尿病及其并发症，但其活性成分和调控机制尚未得到全面分析。

目的：我们采用网络药理学结合多组学分析方法，剖析虎杖发挥抗糖尿病活性的物质基础和作用机制。

方法：本研究运用表型指标进行基线评估，随后综合运用网络药理学、代谢组学、转录组学和qPCR技术进行分析，以阐明虎杖的活性成分和药理机制。

结果：网络药理学分析显示，虎杖苷是虎杖发挥抗2型糖尿病药理作用的潜在活性成分。体内实验结果表明，虎杖苷可显著调节糖尿病大鼠的血糖、血脂水平、肝功能和肝脏病理损伤。转录组学、代谢组学分析结果以及qPCR验证表明，虎杖苷通过调节胆汁酸代谢、脂肪酸氧化和脂肪生成，全面调控2型糖尿病的糖脂代谢。

结论：虎杖苷是虎杖治疗2型糖尿病的关键成分，其调控机制多样，具有显著的开发潜力。

论文ID

原名：Polydatin from Polygoni Cuspidati Rhizoma et Radix regulates glucolipid metabolism in the liver of diabetic rats: Multiscale analysis of network pharmacology and multiomics

译名：虎杖中的虎杖苷调节糖尿病大鼠肝脏糖脂代谢：网络药理学和多组学多尺度分析

期刊：Phytomedicine

IF：6.7

发表时间：2024.11

通讯作者：张燕玲

通讯作者单位：北京中医药大学

实验设计

实验结果

1. 虎杖活性成分及作用靶点的收集

为了确定虎杖的主要活性成分并阐明其分子机制，我们汇总了成分及其相关靶点的信息。在TCMSP和HERB数据库中，根据口服生物利用度（OB）≥20%和类药性（DL）≥0.18的筛选标准，我们发现虎杖含有21种成分（去除相关靶点较少的成分后）和260个靶点（去除重复后），如补充表1所示。GSE163211数据集包含93例2型糖尿病（T2DM）患者和70例正常个体，分别指定为T2DM组和对照组。我们使用P<0.05的标准并去除重复后，共获得267个T2DM相关靶点。随后，利用维恩图（图1A），我们确定了虎杖与T2DM之间的27个重叠靶点，并进一步构建了蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络（图1B）和虎杖-靶点-T2DM网络（图1C）。对虎杖-靶点-T2DM网络的度值进行排序后，我们确定了虎杖治疗T2DM的关键成分，包括槲皮素、木犀草素、β-谷甾醇、芹菜素、异佛手柑内酯、虎杖苷等。基于虎杖与T2DM之间的27个靶点交集，我们构建了一个由27个节点和208条边组成的PPI网络。根据节点度值排名，虎杖治疗T2DM的前三个关键靶点包括白细胞介素1β（IL1B）、白细胞介素6（IL6）和肿瘤坏死因子（TNF）。在虎杖的关键成分中，调节IL1B的成分包括虎杖苷和槲皮素，调节IL6的成分包括虎杖苷、槲皮素、木犀草素，调节TNF的成分包括虎杖苷、槲皮素、木犀草素。因此，可以看出虎杖苷和槲皮素可能在虎杖缓解T2DM中发挥关键作用。特别是虎杖苷，与槲皮素相比，更能体现虎杖的独特特性，适合进一步研究。虎杖与T2DM的交集靶点用于京都基因与基因组百科全书（KEGG）和基因本体（GO）富集分析。KEGG富集结果揭示了关键通路，如脂质和动脉粥样硬化、糖尿病并发症中的晚期糖基化终产物（AGE）-晚期糖基化终产物受体（RAGE）信号通路。GO富集分析表明，正调控凋亡过程和正调控细胞迁移是关键生物过程，质膜外侧和含胶原的细胞外基质是关键细胞成分，而核受体活性和蛋白酶结合是重要分子功能，如图1D所示。

图1 虎杖治疗糖尿病的网络药理学分析。（A）虎杖与糖尿病交集的维恩图。（B）虎杖与糖尿病交集靶点的蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络。（C）虎杖-成分-靶点-糖尿病网络图。（D）虎杖与糖尿病交集靶点的KEGG和GO富集分析。

表1 引物列表

2. 糖尿病大鼠的生理指标

糖尿病可导致血糖水平长期升高，对机体全身器官造成损害。我们对糖尿病模型大鼠的血糖水平进行了监测和观察，并在四周内对其进行药物治疗（图2，血糖1-4）。结果表明，成功建立糖尿病大鼠模型后，血糖水平急剧升高，并在较长时间内保持高于正常大鼠的水平。给药一周后，二甲双胍显著降低了糖尿病大鼠的血糖水平，且这种降糖效果一直稳定到实验结束。在给药的前两周，虎杖苷对糖尿病大鼠的血糖调节作用不明显。从给药第三周开始，虎杖苷的降糖作用显现出来，并持续到研究结束。口服葡萄糖耐量试验（OGTT）是一种葡萄糖负荷试验，用于评估胰腺β细胞功能和机体调节血糖的能力。OGTT曲线结果显示，与正常大鼠相比，糖尿病大鼠的曲线角度更大，且测试后120分钟的血糖水平难以恢复到0分钟时的水平，表明葡萄糖耐量受损。经过二甲双胍和虎杖苷治疗后，与未治疗的糖尿病大鼠相比，曲线角度变小，且120分钟时的血糖水平更接近0分钟时的水平。此外，OGTT的曲线下面积（AUC）也支持这些结果，表明虎杖苷缓解了糖尿病大鼠的葡萄糖耐量受损，如图2所示。我们评估了反映肝细胞损伤的指标，包括ALP、AST、ALT和CHE，以及反映脂质状态的指标，包括HDL、LDL、TG和CHOL。结果显示，糖尿病大鼠的ALP、AST、ALT和CHE显著高于正常大鼠，表明糖尿病大鼠肝功能受损。此外，与正常大鼠相比，糖尿病大鼠的LDL、TG和CHOL显著升高，HDL显著降低，表明糖尿病大鼠脂质代谢异常。然而，经过二甲双胍和虎杖苷治疗后，糖尿病大鼠的肝功能以及脂质代谢相关指标显著改善，表明虎杖苷确实在缓解糖尿病进展中发挥了作用。

图2 糖尿病大鼠血糖、口服葡萄糖耐量试验（OGTT）、肝功能以及血脂水平的监测情况。##P<0.01，###P<0.001：与对照组相比。**P<0.01，***P<0.001：与模型组相比。

3. 糖尿病大鼠肝脏的病理变化

与正常大鼠相比，糖尿病大鼠的肝脏和脂肪系数均显著增加，表明发生了异常脂肪堆积。然而，虎杖苷显著降低了糖尿病大鼠的肝脏系数。二甲双胍和虎杖苷均显著降低了糖尿病大鼠的脂肪系数。苏木精-伊红（HE）染色结果显示，正常大鼠的肝细胞排列整齐、紧密，细胞形态清晰，细胞质丰富，细胞核染色均匀。相比之下，糖尿病大鼠的肝细胞明显肿胀，细胞质疏松，呈空泡状。经过二甲双胍和虎杖苷干预后，肝细胞的肿胀和细胞质疏松现象显著减轻。油红O染色结果显示，正常大鼠肝细胞的细胞质未染色，而在糖尿病大鼠中，细胞质和细胞间隙中有密集分布的红色脂滴，染色后清晰可见。然而，经过二甲双胍和虎杖苷治疗后，肝细胞中的脂滴分散，染色变浅，脂滴数量与未治疗的糖尿病大鼠相比显著减少，如图3所示。

图3 糖尿病大鼠的肝脏系数、脂肪系数、肝脏HE染色和油红O染色。###P<0.001：与对照组相比。*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001：与模型组相比。

4. 糖尿病大鼠的代谢变化

为了研究不同组之间肝脏代谢功能的整体变化，我们对肝脏代谢组学数据进行了多变量统计分析。在主成分分析（PCA）得分图中，实验组之间肝脏代谢谱的分离趋势明显，如图4A和图5A所示。此外，热图直观地展示了所有代谢物的全局表达变化，并根据所有代谢物的表达水平揭示了聚类关系，如图4B和图5B所示。偏最小二乘判别分析（PLS-DA）得分图显示，与模型组相比，对照组和虎杖苷组之间有显著的分离趋势。R2Y和Q2Y均接近1，且R2Y>Q2Y，表明模型建立良好，如图4C-D和图5C-D所示。PLS-DA的响应置换检验图显示Q2和R2值均超过0.5，表明模型拟合良好，如图4E-F和图5E-F所示。我们使用PLS-DA模型和t检验，根据变量重要性投影（VIP）值和P值确定差异表达的代谢物。差异代谢物的筛选阈值设定为P<0.05且VIP>1.0。

在正离子模式下，模型组与对照组比较鉴定出230种差异代谢物（图4G），KEGG富集分析揭示了关键通路，包括硫胺素代谢、烟酸和烟酰胺代谢、脂肪细胞中脂解的调节、醛固酮合成和分泌、初级胆汁酸生物合成和氧化磷酸化（图4I）。虎杖苷组与模型组比较筛选出123种差异代谢物（图4H），KEGG富集分析表明显著通路包括花生四烯酸代谢、不饱和脂肪酸生物合成、血小板活化、烟酸和烟酰胺代谢、咖啡因代谢和VEGF信号通路（图4J）。维恩图描绘了模型组与对照组以及虎杖苷组与模型组之间差异代谢物的交集，共39种差异代谢物（图4K）。排除缺乏详细信息的未鉴定代谢物后，我们生成了交集差异代谢物的热图，如图4L所示。

在负离子模式下，模型组与对照组比较鉴定出190种差异代谢物（图5G），KEGG富集分析揭示了关键通路，包括氨酰-tRNA生物合成、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、ABC转运蛋白、蛋白质消化和吸收、氨基酸生物合成和苯丙氨酸代谢（图5I）。虎杖苷组与模型组比较筛选出118种差异代谢物（图5H），KEGG富集分析表明显著通路包括牛磺酸和亚牛磺酸代谢、FoxO信号通路、初级胆汁酸生物合成、抗叶酸耐药性、长寿调节通路和胆固醇代谢（图5J）。维恩图描绘了模型组与对照组以及虎杖苷组与模型组之间差异代谢物的交集，共41种差异代谢物（图5K）。排除缺乏详细信息的未鉴定代谢物后，我们生成了交集差异代谢物的热图，如图5L所示。

在模型组与对照组以及虎杖苷组与模型组的比较中，虎杖苷显著调节了β-烟酰胺单核苷酸、富马酸、牛磺酸、L-苹果酸、氢化可的松、甘氨鹅脱氧胆酸、血栓素B2、O-磷酸-L-丝氨酸、甘氨熊脱氧胆酸、甘氨脱氧胆酸、牛磺石胆酸、吡哆醛5'-磷酸、1-甲基烟酰胺、烟尿酸、血管紧张素IV、牛磺脱氧胆酸、1-甲基尿酸、腺苷5'-单磷酸等的代谢水平，如图6所示。详细信息见补充表2。

图4 正离子模式下的代谢组学分析。（A）PCA分析显示所有组的分布趋势。（B）所有代谢物的热图聚类。（C-D）模型组、对照组和虎杖苷组的PLS-DA分析。（E-F）模型组、对照组和虎杖苷组PLS-DA的响应置换检验图。（G-H）模型组、对照组和虎杖苷组差异代谢物的火山图。（I-J）模型组、对照组和虎杖苷组差异代谢物的KEGG富集分析。（K）模型组、对照组和虎杖苷组差异代谢物的维恩图。（L）模型组、对照组和虎杖苷组交叉差异代谢物的热图。

图5 负离子模式下的代谢组学分析。（A）PCA分析显示所有组的分布趋势。（B）所有代谢物的热图聚类。（C-D）模型组、对照组和虎杖苷组的PLS-DA分析。（E-F）模型组、对照组和虎杖苷组PLS-DA的响应置换检验图。（G-H）模型组、对照组和虎杖苷组差异代谢物的火山图。（I-J）模型组、对照组和虎杖苷组差异代谢物的KEGG富集分析。（K）模型组、对照组和虎杖苷组差异代谢物的维恩图。（L）模型组、对照组和虎杖苷组交叉差异代谢物的热图。

图6 所选关键差异代谢物的相对丰度。#P<0.05，##P<0.01，#P<0.05，###P<0.01：与对照组相比。*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001：与模型组相比。

5. 糖尿病大鼠的转录变化

二维PCA图（图7A）显示模型组、对照组和治疗组之间有明显的分离趋势。三维PCA图（图7B）显示虎杖苷组和二甲双胍组倾向于向对照组靠拢，且仍与模型组有显著分离。随后，我们构建了热图以直观地描绘不同组的转录谱（图7C）。

我们设定P<0.05且|log2FC|>1的阈值来筛选并获得差异表达基因。在模型组与对照组比较中，我们鉴定出494个上调和472个下调的差异表达基因（图7D）。虎杖苷组与模型组比较显示390个上调和387个下调的差异表达基因（图7E）。模型组与对照组中下调的基因在GO术语中富集于氧运输、免疫应答激活、甾醇生物合成过程、免疫应答调节信号通路、免疫应答激活信号转导和胆固醇生物合成过程等（图7F）。KEGG富集包括类固醇生物合成、丁酸代谢、I型糖尿病、脂肪酸代谢、MAPK信号通路和AMPK信号通路等（图7G）。对于模型组与对照组中上调的基因，GO富集包括脂肪酸代谢过程、脂质分解代谢过程、细胞脂质分解代谢过程、脂肪酸分解代谢过程、单羧酸分解代谢过程和类固醇羟化酶活性等（图7H）。KEGG富集鉴定出PPAR信号通路、AMPK信号通路、脂肪细胞因子信号通路、胰岛素抵抗、胆汁分泌和脂肪酸代谢等通路（图7I）。

在虎杖苷组与模型组比较中，下调的基因在GO术语中富集于脂肪酸代谢过程、有机酸分解代谢过程、羧酸分解代谢过程、外源性物质代谢过程、对锌离子的反应和羧酸转运等（图7J）。KEGG富集揭示了包括丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢、脂肪酸延长、PPAR信号通路、脂肪细胞因子信号通路、脂肪消化和吸收、牛磺酸和亚牛磺酸代谢等通路（图7K）。虎杖苷组与模型组中上调的基因在GO术语中富集于类固醇代谢过程、细胞对钙离子的反应、纺锤体微管与动粒附着的调节、对含嘌呤化合物的反应、对有机磷的反应和甘油三酯代谢过程等（图7L）。KEGG富集包括胆汁分泌、脂肪酸代谢、甘油磷脂代谢、胰岛素分泌、脂肪酸生物合成和AMPK信号通路等（图7M）。

维恩图确定了模型组与对照组以及虎杖苷组与模型组之间355个重叠的差异表达基因（图7N）。进一步的KEGG富集分析揭示了关键通路，包括PPAR信号通路、AMPK信号通路、脂肪消化和吸收、不饱和脂肪酸生物合成、脂肪酸代谢和胰岛素分泌（图7O）。

图7 转录组学分析。（A-B）所有组的二维和三维PCA分析分布趋势。（C）显示所有基因的热图。（D-E）模型组、对照组和虎杖苷组差异基因的火山图。（F-I）模型组与对照组下调/上调差异基因的GO和KEGG富集分析。（J-M）虎杖苷组与模型组下调/上调差异基因的GO和KEGG富集分析。（N）模型组、对照组和虎杖苷组差异基因的维恩图。（O）模型组、对照组和虎杖苷组交叉差异基因的KEGG富集分析。

6. WGCNA和GSEA分析

利用加权相关网络分析（WGCNA），我们确定了对照组、模型组和虎杖苷组的相关基因，使用质量控制后10083个基因的标准化计数矩阵可以作为输入数据。为了创建无标度网络（图8A），我们将软阈值参数设置为β=20（无标度R2=0.9）。我们根据拓扑重叠生成了具有不同相似性的基因树状图，并使用模块颜色进行聚类（图8B）。我们基于模块特征基因（ME）确定与分组特征具有强相关性（COR）和显著性（P）的模块。

MEgreen（COR=0.95，P=2e-06）和MEgreenyellow（COR=-0.83，P=9e-04）与虎杖苷组显著相关。MEpink（COR=-0.92，P=2e-05）和MEturquoise（COR=0.89，P=1e-04）与模型组显著相关。MEbrown（COR=0.95，P=2e-06）和MEyellow（COR=-0.78，P=0.003）与对照组显著相关（图8C）。对MEgreen的KEGG富集分析揭示了通路，如内质网中的蛋白质加工、胰岛素抵抗、PPAR信号通路、长寿调节通路、MAPK信号通路和mTOR信号通路（图8D）。MEgreenyellow富集包括辅因子生物合成、神经节苷脂系列的鞘糖脂生物合成、甘油磷脂代谢、脂肪消化和吸收、氨基糖和核苷酸糖代谢以及AMPK信号通路等通路（图8E）。MEpink富集涵盖了内质网中的蛋白质加工、PPAR信号通路、AMPK信号通路、脂肪酸降解、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢以及乙醛酸和二羧酸代谢等通路（图8F）。MEturquoise富集包括氧化磷酸化、非酒精性脂肪肝、脂肪酸降解、脂肪酸代谢、胆汁分泌和胰岛素抵抗等通路（图8G）。MEbrown富集涉及N-聚糖生物合成、核苷酸切除修复、补体和凝血级联、各种类型的N-聚糖生物合成、蛋白质输出和DNA复制等通路（图8H）。MEyellow富集涉及氨酰-tRNA生物合成、真核生物核糖体生物发生、RNA聚合酶、核质运输、长寿调节通路和补体和凝血级联等通路（图8I）。

GSEA的富集结果显示，在模型组与对照组比较中，脂肪生成（归一化富集分数NES=1.8069，P=0，错误发现率FDR q=3.46E-04）、凋亡（NES=1.2887，P=0.0224，FDR q=0.1081）、胆汁酸代谢（NES=1.4519，P=0.0094，FDR q=0.0285）、脂肪酸代谢（NES=1.8892，P=0，FDR q=0）、氧化磷酸化（NES=2.2983，P=0，FDR q=0）和P53通路（NES=1.3439，P=0.0159，FDR q=0.0724）有显著的正调控。相反，在虎杖苷组与模型组比较中，脂肪生成（NES=-1.4763，P=0，FDR q=0.0296）、脂肪酸代谢（NES=-1.6434，P=0，FDR q=0.0043）和氧化磷酸化（NES=-1.9438，P=0，FDR q=0）有显著的负调控，如图9所示。

图8 转录组WGCNA。（A）基于所有基因构建的无标度网络。（B）根据拓扑重叠生成的基因树状图，聚类模块颜色表示不同的相似性。（C）模型组、对照组和虎杖苷组的模块-性状关系图。（D-I）KEGG富集分析颜色模块与模型组、对照组、虎杖苷组强相关。

图9 基于模型组、对照组和虎杖苷组转录组学的GSEA。

7. 多组学联合分析

通过代谢组学和转录组学获得差异代谢物、差异基因和相关KEGG通路后，我们使用Pearson相关系数进行相关性分析，以评估所鉴定的差异基因和代谢物之间的关联程度。随后，我们将所有鉴定的差异基因和代谢物独立映射到KEGG通路数据库，以提取共享通路信息，确定这些成分共同参与的主要生化和信号通路；然后构建通路-通路相互作用网络，以描绘通路之间的相互作用。最后，我们将差异代谢物和基因共同富集的通路也映射到iPath（https://pathways.embl.de/）。

我们使用热图直观地观察对照组、模型组和虎杖苷组中代谢物和基因之间的关系（图10A-D）。在负离子模式下，模型组与对照组之间代谢组学和转录组学的协同KEGG富集分析揭示了缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解、丁酸代谢、卵巢类固醇生成、非洲锥虫病、2-氧代羧酸代谢、胆固醇代谢、AMPK信号通路和氨基酸生物合成等通路中的相互作用（图11A-B）。在正离子模式下，模型组与对照组之间代谢组学和转录组学的联合KEGG富集显示了氧化磷酸化、胆固醇代谢、AMPK信号通路和β-丙氨酸代谢等通路中的相互作用（图11C-D）。

同样，在负离子模式下，虎杖苷组与模型组之间代谢组学和转录组学的联合KEGG富集揭示了β-丙氨酸代谢、类固醇激素生物合成、精氨酸生物合成、色氨酸代谢、不饱和脂肪酸生物合成、胆固醇代谢、TCA循环、AMPK信号通路、胆汁分泌和碳代谢等通路中的相互作用（图11E-F）。在正离子模式下，虎杖苷组与模型组之间代谢组学和转录组学的联合KEGG富集显示了β-丙氨酸代谢、丙酸代谢、化学致癌作用、色氨酸代谢、不饱和脂肪酸生物合成、细胞色素P450介导的外源性物质代谢、甘油磷脂代谢、花生四烯酸代谢、烟酸和烟酰胺代谢等通路中的相互作用（图11G-H）。

我们使用iPath可视化差异代谢物和基因共同富集的通路，其中节点代表各种生化分子，线条代表生化反应。iPath通路可视化表明，模型组与对照组影响脂质代谢、碳水化合物代谢、氨基酸代谢、能量代谢、核苷酸代谢、辅因子和维生素代谢以及其他次生代谢物的生物合成（图12A）。另一方面，虎杖苷组与模型组主要影响脂质代谢、碳水化合物代谢、氨基酸代谢、能量代谢和其他氨基酸的代谢（图12B）。

图10 转录组学和代谢组学相关性分析。（A-B）正/负离子模式下模型组与对照组差异代谢物-差异基因相关性分析。（C-D）正/负离子模式下虎杖苷组与模型组差异代谢物-差异基因相关性分析。

图11 代谢物与基因的富集分析。(A-D)正/负离子模式下模型组与对照组差异代谢物与差异基因的KEGG分析及通路-通路相互作用网络。(E-H)正/负离子模式下虎杖苷组与模型组差异代谢物与差异基因的KEGG分析及通路-通路相互作用网络。

图12 iPath通路图谱分析。(A)模型组与对照组差异代谢物及差异基因的iPath通路图谱。(B)白藜芦醇苷组与模型组差异代谢物及差异基因的iPath通路图谱。

8.虎杖苷对糖尿病大鼠胆汁分泌、PPAR和AMPK信号通路的影响

为了阐明虎杖苷治疗糖尿病的机制作用，我们评估了胆汁分泌、PPAR和AMPK信号通路中相关基因的表达水平。结果显示，糖尿病大鼠AMPK通路中的Srebp1c、Fas、Acc1、Scd-1和Acc2显著上调，Cpt-1下调。相反，虎杖苷能够逆转AMPK通路中的基因表达趋势。在胆汁分泌通路中，糖尿病大鼠的Fxr表达受到抑制，而虎杖苷恢复了Fxr的表达。在PPAR信号通路中，虎杖苷上调了在糖尿病大鼠中受到抑制的Pparα，同时下调了在糖尿病大鼠中升高的Cyp7a1、Cyp8b1和Cyp27，如图13所示。

图13 通过实时定量聚合酶链反应（qPCR）分析的关键差异基因的相对mRNA水平。#P<0.05，##P<0.01，###P<0.001与对照组相比。*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001与模型组相比。

当胰岛素作用与胰岛素分泌之间的反馈回路受损时，胰岛素在肝脏、肌肉和脂肪组织等胰岛素敏感组织中的功能以及胰腺β细胞的胰岛素分泌都会受到损害。这导致胰岛素抵抗和β细胞功能障碍，进而引起血糖水平异常。在一定胰岛素水平下，胰岛素抵抗会增加肝脏葡萄糖生成并减少肌肉和脂肪组织中的葡萄糖摄取。此外，β细胞功能障碍导致胰岛素释放减少，不足以维持正常血糖水平。胰岛素抵抗和β细胞功能障碍均发生在T2DM的早期阶段，并在从正常葡萄糖耐量发展为葡萄糖耐量受损，最终发展为T2DM的过程中持续存在。在此基础上，T2DM的进一步并发症出现，传统上分为大血管并发症（如心血管疾病）和微血管并发症（如影响肾脏、视网膜和神经系统的并发症）。虎杖是一种著名的治疗糖尿病的传统草药。研究表明，虎杖提取物可有效调节糖尿病大鼠的血糖、血脂水平和肝功能，预防肾病和视网膜病变等并发症。

在最近的研究中，研究人员发现虎杖通过激活Keap1/Nrf2通路减少果糖喂养大鼠的肝脏脂质积累，从而降低氧化应激和甘油三酯水平。这表明其对果糖诱导的肝脏疾病具有潜在的治疗作用。此外，它通过抑制HMGB1-RAGE-NF-κB通路减少糖尿病视网膜病变中的视网膜炎症，可能防止糖尿病视网膜中的血管通透性和紧密连接松动。此外，虎杖通过调节包括亚油酸和甘油磷脂代谢在内的各种代谢途径来对抗高脂血症，从而有助于脂质调节。所有这些证据表明虎杖在治疗糖尿病方面具有发展潜力。然而，虎杖治疗糖尿病的物质基础和作用机制仍不清楚。因此，我们通过结合网络药理学和GEO中糖尿病患者的转录组数据，初步预测了虎杖治疗糖尿病的潜在活性成分和调控机制。结果表明，在虎杖的众多成分中，虎杖苷可能是发挥抗糖尿病活性的关键成分。一些研究表明，虎杖苷可改善糖尿病动物模型的糖脂代谢，保护肝脏，减轻心脏功能障碍，增强自噬通量，增强线粒体功能，降低肾脏氧化应激水平，减轻肾脏纤维化。虎杖苷通过激活Akt通路、增强胰岛素信号传导和抑制脂质积累来调节糖尿病模型中的糖脂代谢。此外，它通过下调Nox4和上调Cx32表达减少肾脏纤维化，从而降低氧化应激并减轻纤维化因素。此外，虎杖苷通过下调PCSK9、LDLR和GCK蛋白水平并抑制它们在HepG2细胞和db/db小鼠中的相互作用，改善2型糖尿病中的脂质和葡萄糖代谢。此外，它通过上调Sirt3在糖尿病小鼠心脏和心肌细胞中增强心脏功能、增加自噬通量并改善线粒体生物能量学，从而减轻糖尿病心肌病。此外，虎杖苷通过抑制NADPH氧化酶和NF-κB活性减轻糖尿病心肌病，从而增强心脏功能并减少高血糖条件下大鼠和H9c2细胞中的氧化应激和炎症。最后，虎杖苷通过上调PPAR-α/β表达、减少促炎细胞因子并改善小鼠肝脏损伤来改善糖尿病肝病。所有这些发现表明虎杖苷是虎杖治疗糖尿病的潜在成分。因此，我们进一步建立了糖尿病大鼠模型，以阐明虎杖苷的抗糖尿病机制。生理指标分析结果显示，虎杖苷显著改善了糖尿病大鼠的血糖、血脂谱（HDL、LDL、TG、CHOL）、肝功能（ALP、AST、ALT、CHE）、肝脏病理损伤和肝脏脂滴积累。

我们采用多组学方法进一步阐明虎杖苷在体内的调控机制。代谢组学结果表明，虎杖苷可调节多种代谢通路，如烟酸和烟酰胺代谢、牛磺酸和亚牛磺酸代谢、FoxO信号通路和初级胆汁酸生物合成。研究表明，肥胖和衰老会损害烟酸和烟酰胺代谢中烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）的生物合成，导致代谢功能障碍，进而促进T2DM的发病机制。β-烟酰胺单核苷酸可恢复NAD+水平，增强糖尿病模型中的胰岛素敏感性和分泌，显著改善葡萄糖耐量受损，并有效恢复与T2DM相关的各种代谢通路（如氧化应激、炎症反应和昼夜节律）。在牛磺酸和亚牛磺酸代谢中，研究人员发现补充牛磺酸可改善T2DM患者血清中的某些氧化应激指标和炎症生物标志物。此外，它增强了糖尿病小鼠肝脏中的葡萄糖代谢并降低了肾脏中的氧化应激。补充牛磺酸还改善了糖尿病大鼠的脂质代谢并增强了肾功能，有效预防了糖尿病肾病的发展。Ge等人发现腺苷5'-单磷酸通过FoxO信号通路参与T2DM中的肝脏糖异生。Ardiansyah等人发现腺苷5'-单磷酸可降低易患中风的自发性高血压大鼠的血压，改善肾功能，抑制肝脏脂质积累，并改善葡萄糖和脂质代谢。研究表明，甘氨熊脱氧胆酸具有抗T2DM活性，可能通过改变胆汁酸代谢来正向调节肠道微生物群，从而诱导胆汁酸受体TGR5的激活并上调解偶联蛋白UCP-1的表达，促使白色脂肪组织产热增加。此外，甘氨熊脱氧胆酸改善了小鼠HFD诱导的胰岛素抵抗和肝脏脂肪变性，同时抑制内质网应激。

转录组分析得出了与虎杖苷相关的多个关键转录通路，如PPAR信号通路、AMPK信号通路、脂肪酸代谢和胰岛素分泌。脂肪组织是PPARγ激动剂的主要靶组织，控制脂质代谢、葡萄糖稳态和脂肪因子分泌。PPARγ激动剂促进皮下脂肪组织的扩张和脂质储存能力。PPARα激动剂通过维持胰腺β细胞功能，增强脂肪组织和肌肉中的胰岛素敏感性，同时减少脂肪毒性以改善葡萄糖稳态。PPARβ/δ减少肝脏糖异生，增强葡萄糖摄取、糖原储存、糖酵解、戊糖磷酸途径和脂肪生成。AMPK主要通过抑制肝脏糖异生和葡萄糖生成来控制葡萄糖稳态，同时也减少脂肪合成。脂肪组织、肝脏、骨骼肌、肠道和胰腺中脂肪酸代谢的失调在T2DM的发展中起着关键作用。除了肥胖增加外，脂肪组织功能障碍，表现为脂质储存能力改变和脂肪因子分泌变化，可能导致脂质溢出、全身炎症和非脂肪组织（如肝脏、骨骼肌和胰腺）中过度的脂质积累。这些损害共同导致葡萄糖代谢受损、胰岛素抵抗和T2DM的进展。通过整合多组学联合分析，本研究重点关注AMPK、PPAR和胆汁分泌信号通路，评估这些通路中相关基因的水平。结果表明，虎杖苷促进胆汁酸合成，促进脂肪酸氧化，但抑制脂肪生成，以调节T2DM中的糖脂代谢。

本研究综合运用多种分析方法，包括生理指标分析、代谢组学和转录组学，全面阐明了虎杖苷治疗糖尿病的机制。此外，通过涉及多种代谢和转录通路的调节，本研究展示了虎杖苷在糖尿病治疗中的多方面潜力。然而，本研究也存在一些局限性。虽然讨论了虎杖苷对改善各种生理指标和代谢通路的影响，但研究结果主要来自动物模型，需要更多的临床研究来验证其在人类中的疗效。展望未来，未来的研究可以更多地关注虎杖苷的具体作用机制，并结合临床研究来评估其在人类中的疗效和安全性，为其临床应用提供更多证据。

总之，为了填补对虎杖治疗T2DM的物质基础和作用机制理解的空白，我们采用网络药理学和糖尿病患者转录组数据分析相结合的方法，初步预测了潜在的活性成分和调控机制。在众多成分中，虎杖苷成为发挥抗糖尿病活性的关键成分。因此，我们在糖尿病大鼠中进行了实验，证实虎杖苷显著改善了与糖尿病相关的各种生理指标。通过整合代谢组学、转录组学和多组学联合分析，我们的研究阐明了虎杖苷抗糖尿病作用的分子机制，可能是通过协同调节胆汁酸代谢、AMPK和PPAR信号通路来实现的（图14）。这些发现有助于我们理解虎杖的治疗潜力，并为开发新的T2DM治疗方法提供了见解。

图14 虎杖苷改善T2DM的机制图。

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39216300/

中医药基础科研服务：

相关咨询，加微信：1278317307。

【福利时刻】科研服务（点击查看）：、、、、、。咨询加微信：1278317307。