淺談糖化終產物抑制劑

文：張國柱（Chang, Kuo-Chu）

        台大醫學院退休

 

日期：2023/01/18

 

糖化終產物（advanced glycation end products，AGEs）可由還原糖（reducing sugar）和胺基酸經Maillard 反應而生成，於 1912 年為 Maillard 所發現。AGEs 是生物體不可避免之生化產物，可引發發炎反應和氧化壓力。隨著年齡的增加，年長者雖然血糖正常，但體內長期累積的結果，AGEs 有過量之虞，這跟年長者全身性的疾病有著莫大的關連。糖尿病患者由於血糖濃度高，能夠快速產生並累積大量的 AGEs，造成發炎反應和氧化壓力，導致心血管結構與功能的改變，是糖尿病致死的主因。慢性腎衰竭患者血糖濃度雖然正常，但體內存有大量的自由基，能夠促進 AGEs 的生成。此外受損的腎臟無法良好排除 AGE 生成過程的中間產物，因而導致大量 AGEs 的累積，加重腎臟病患的糖化負荷。此外腸道菌種（gut bacterial species）亦可觀察到 Maillard 反應。飲食中的 AGEs 可以改變腸道菌種的成分，提高血漿的醣基化反應（glycosylation），導致全身性的促發炎作用（systemic proinflammatory effects）和內皮細胞的失能。

 

AGEs 的生成（formation of AGEs）

AGEs 是一群複雜且異質性高的複合物。體內的葡萄糖結構上帶有羰基（carbonyl group），在不需酵素催化的情況下能夠與蛋白質的胺基（amino group）產生共價鍵結。羰基與胺基的鍵結結構歷經一連串的自我調整與改變，形成比較穩定的 Amadori 產物，隨後經由活性氧物種（reactive oxygen species，ROS）或活性氮物種（reactive nitrogen species，RNS）的糖基氧化（glycoxidation）而生成1,2-二羰基化合物（1,2-dicarbonyl compound），導致 AGE-蛋白質交叉鏈結，再經水解/蛋白質水解的降解程序，最終形成不可逆的 AGEs 而喪失了蛋白質原有的功能。

 

生理狀態下，具親電性的1,2-二羰基化合物比還原糖更容易引發 Maillard 反應而生成 AGEs，因此捕捉1,2-二羰基化合物可以降低 AGE 生成的質變反應。1,2-二羰基化合物包括甲基乙二醛（methylglyoxal，MGO）、乙二醛（glyoxal，GO）、葡醛酮糖（glucosone）和脫氫抗壞血酸（dehydroascorbate）。除了 Maillard 反應外，1,2-二羰基化合物亦可經由脂質過氧化路徑（lipid peroxidation pathways）而生成。此外裂解 MGO 之乙醛酸途徑（glyoxalate pathway）的缺失也可增加1,2-二羰基化合物的累積。1,2-二羰基化合物的過量累積稱為羰基壓力（carbonyl stress），是引發心臟代謝和癌病變起始的重要危險因子。無論是第一型或第二型糖尿病，它們都是胰臟癌的重大危害因子，這些病變都有著過量累積的 AGEs 和羰基壓力。AGEs 與心血管病變和癌病變的關係，請參考「附註說明」。

 

文獻中經常提到的 AGEs 有：pentosidine 和 Nϵ-carboxymethyl-lysine（CML）。CML 亦可經由脂質過氧化（lipid peroxidation）而產生，是脂質過氧化終產物（advanced lipid peroxidation end products，ALEs）的一種。Pentosidine 在體內可與半生期長的分子，如膠原蛋白（collagen）形成穩固的共價鍵結，增加組織的硬性。CML 是糖化終產物受體（receptor for AGEs，RAGE）的配體（ligand），當 CML 與 RAGE 相結合可誘發 NF-κB 的活化，釋放多種發炎前趨物，造成組織的發炎。過度表現的 RAGE 和 AGE-RAGE 的交互作用與阿滋海默病（Alzheimer’s disease，AD）和其他神經退化性疾病，包括創傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI) 、肌萎縮性脊髓側索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）有所關連。肌萎縮性脊髓側索硬化症俗稱「漸凍症」。

 

AGE 抑制劑（AGE inhibitor）

先前提過年長者、糖尿病患者、腎臟病患者和其他神經退化性患者，可因生理病理狀態的改變而導致 AGEs 的過量生成與累積，造成對健康影響深遠的併發症。因此建議除了減少燒、烤、煎、炸的飲食烹調和加工食品的攝取外，醫界更是努力研發抑制 AGE 生成的藥物，期待降低病患體內 AGEs 的濃度，避免因嚴重的併發症而造成憾事。AGE 抑制劑可以是實驗室的小分子製劑或自然界的多酚類物質（polyphenolic compounds），透過不同的作用模式，如捉捕自由基或抗氧化或隔離1,2-二羰基化合物而降低 AGEs 的生成。在衆多的 AGE 抑制劑當中，本文僅就探討較多的 aminoguanidine （AG）、pyridoxamine （PM）和多酚類化合物之抗 AGE 作用，簡介如下。

 

AG 的抗 AGE 作用

AG 是 AGE 生成抑制劑和蛋白質-蛋白質交叉鏈結（crosslinking）清除劑的原型。由於 AG 對親核體反應（nucleophilic addition reactions）具有良好的反應性，因此能夠迅速捉捕1,2-二羰基化合物而降低羰基壓力和 AGEs 的生成，避免糖尿心血管病變和癌病變。

 

高血糖所造成粒線體失能的下游反應能夠增加氧化壓力，促進 MGO 的生成，而 MGO 所調控的 AGE 生成可被 AG 所抑制。動物實驗顯示：給予 AG 治療胰島素缺乏的大白鼠可避免因高血糖所造成嚴重失序的心臟收縮負荷（systolic loading condition），增加血管的彈性，降低血管的通透性。亦有報告指出：AG 可透過降低 AGEs 的生成，改善老化所導致實驗鼠動脈的血流脈態特性。此外 AG 可抑制 AGE 的生成而延緩糖尿病所造成心肌容積度（myocardial compliance）的下降，其機制與改善心肌膠原蛋白之交叉鏈結有關，這也證明了 AGE 可增強心肌的硬化程度。AG 治療亦可藉由阻斷糖尿心臟之蛋白質羰基化（protein carbonylation），預防心臟肥厚，降低心臟衰竭的風險。

 

雖然動物實驗發現，透過抑制 AGEs 的生成，AG 具有潛力能夠改善糖尿動物的併發症，如糖尿腎病變和糖尿神經病變，然而 AG 卻於第II/III期人體試驗（clinical trials）中出現不良效應而遭到中止，這是因為接受高劑量 AG 治療的病人出現腎絲球性腎炎（glomerulonephritis）、自體抗體（autoantibody）和貧血（anaemia）等嚴重的副作用。但無論如何，對抗 AGE 生成以改善糖尿心血管病變的潛力效用，AG 提供了重要的訊息：透過捕捉 Maillard 反應的中間產物（1,2-二羰基化合物）或 ALEs 的脂質前趨物，在對抗動物模型之動脈粥樣硬化（atherosclerosis）、早期腎病變和血脂異常（dyslipidemia）的發展上，AGE 抑制劑能展現其有效的保護作用。（請參考文獻 1-3）

 

PM 的抗 AGE 作用

叧一個令人注目的 AGE 抑制劑便是 PM，它是維他命 B6 三種自然形式中的一種。PM 結構上含有酚羥基（phenolic hydroxy group），可當自由基的清除劑，因此可以隔絕 ROS 和 RNS，繼而降低氧化壓力和抑制 AGEs 的生成。PM 的作用機制：（1）清除由葡萄糖和脂質過氧化所衍生的有毒羰基物種，（2）截取、補獲具有催化作用的氧化還原金屬離子，藉此抑制 Maillard 反應過程中的後 Amadori 反應步驟，（3）阻斷 Amadori 中間產物的氧化降解反應。藉由這些作用機制，PM 能夠有效降低 AGEs 的生成和羰基壓力，防範糖尿心血管的病變。

 

動物模型的研究顯示，PM 可藉由抑制 AGEs 的生成以達到延緩糖尿腎病變和動脈硬化的進程。胰島素阻抗鼠的神經鞘脂質（sphingolipids）有代謝異常的症狀，這歸因於肝臟中累積過量的 AGEs 和 AGE/RAGE 訊息路徑的活化。PM 可透過抑制 AGEs 的生成而防範神經鞘脂質（sphingolipids）的改變和衰減胰島素阻抗。PM 亦可藉由 AGE-抑制作用和氧化壓力-減弱效應，降低肝臟的纖維化。此外老化鼠的實驗指出，PM 能夠透過攻擊、阻礙 AGE 所誘發主動脈膠原蛋白的交叉鏈結，藉此衰減 AGE-膠原蛋白交叉鏈結所導致的動脈硬化。PM 亦可預防老化鼠心肌舒張和收縮功能的力學缺損。（請參考文獻 4-6）

 

臨床試驗方面，無論是第一型、第二型糖尿病和早期糖尿腎病變的2期研究報告顯示，PM 有能力衰減 CML 的水準，降低發炎風險和改善糖尿併發症。至於毒性測試實驗指出，PM 在動物及人類身上具有良好的耐受性，然而不良事件的安全性，尚待確認。綜上所述，PM 能夠透過AGE-抑制效應和氧化壓力-衰減效應，成為具潛力的抗糖化藥物，然而確切有利的臨床證據仍需進一步探究。

 

多酚類化合物的抗 AGE 作用

多酚類抗氧化劑可藉由清除自由基或螯合過度金屬離子如 Cu⁺ 或 Fe²⁺ 而壓制 ROS 和 RNS 的生成，達到衰減 AGEs 的效果。它們亦可活化胰島素訊息路徑，促進葡萄糖的代謝。此外透過抑制 NF-kB 的活化，多酚類化合物可降低發炎反應，對抗糖尿病、心血管疾病、與癌病變。石榴（pomegranate）所衍生的多酚類物質和其腸道菌的代謝物，尿石素 A （urolithin A）和尿石素 B （urolithin B），都具有抗糖化的效果。多酚類化合物包括：白藜蘆醇（resveratrol）、薑黃素（curcumin）、類黃酮（flavonoids）和兒茶素（EGCG）都具有抑制 AGE 生成的功效，因此多酚類化合物具有神經保護的作用。以白藜蘆醇為例，隨機臨床試驗顯示：白藜蘆醇在某種程度上能夠改善 AD 病患進行性認知功能的下降。白藜蘆醇可在 AD 的腦部抑制 AGEs 的表現，降低不易溶解的 Aβ1-42（amyloid beta，β 類澱粉樣酶）的濃度並保護其血腦屏障（blood–brain barrier，BBB) 。聚集的 Aβ1-42 型是診斷 AD 的有效生物標誌。然而白藜蘆醇有著不良的生物利用度（bioavailability）和不合宜的藥物動力學（pharmacokinetics），這些缺點阻礙了臨床上使用白藜蘆醇治療 AGE-相關疾病（如糖尿腎病變）的抗 AGE 療效。因此多酚類化合物作為預防、治療糖尿併發症的臨床確切有利證據，有待進一步探討。

 

註：本人不推薦服用含多酚類的健康食品，而是建議攝取含多酚類的新鮮蔬果。

 

結語

葡萄糖之羰基在體內不需酵素催化的情況下能夠與蛋白質的胺基產生共價鍵結，經 Maillard 反應而形成 AGEs。AGEs 是一群複雜且異質性高的複合物。過量累積的 AGEs 能夠造成發炎反應和氧化壓力，導致心血管結構與功能的改變和癌病變。因此老年人、糖尿病患和腎臟病患是值得關切的一群。此外神經系統失序的 AD 和 TBI 所導致的失智症起因，AGEs 亦扮演著重要的角色。醫界除了建議減少燒、烤、煎、炸的飲食烹調和加工食品的攝取外，更是努力研發抑制 AGE 生成的藥物，期待降低病患體內 AGEs 的濃度，避免發生嚴重的併發症。AGE 抑制劑可以是實驗室的小分子製劑或自然界的多酚類物質，透過不同的作用模式，如捉捕自由基或抗氧化或隔離1,2-二羰基化合物而降低 AGEs 的生成。對親核體反應具良好反應性的 AG 能夠迅速捉捕1,2-二羰基化合物而降低羰基壓力和 AGEs 的生成。由於接受高劑量 AG 治療的病人出現腎絲球性腎炎、自體抗體和貧血等嚴重的副作用，AG 在臨床使用上遭到中止。PM 結構上含有酚羥基，能夠隔絕 ROS 和 RNS，降低氧化壓力和抑制 AGEs 的生成。PM 雖然能夠透過抑制 AGEs 的生成和衰減氧化壓力而成為具潛力的抗糖化藥物，確切有利的臨床證據仍然有待進一步探究。多酚類抗氧化劑可藉由清除自由基或螯合過度金屬離子如 Cu⁺ 或 Fe²⁺ 而壓制ROS 和 RNS 的生成，達到衰減 AGEs 的效果。然而不良的生物利用度和藥物動力學，限制了多酚類化合物作為預防、治療糖尿併發症的臨床藥物。綜上所述 AGEs 在各種不同疾病的致病機轉方面都扮演著重要的角色，因此 AGE 抑制劑的研發可為疾病的預防與治療帶來令人期待的希望。

 

附註說明

AGEs 與心血管病變和癌病變

【1】AGEs 有造成心衰竭（heart failure）之虞

AGEs 和心臟、血管膠原蛋白交互作用的結果 → 產生交叉鍵結的 AGEs → 增加心肌和動脈的硬度 → 造成收縮型高血壓（systolic hypertension）和心肌病變（cardiomyopathy）→ 導致心衰竭（心臟收縮功能下降、肺水腫、肋膜積水和腹部積水）

 

【2】AGEs 有造成動脈瘤（aortic aneurysm）之虞

AGEs 和血管內皮細胞的 RAGE 相結合 → 引發發炎反應和生成氧自由基 → 增加氧化態低密度脂蛋白（oxidized LDL）→ 導致動脈瘤

 

【3】AGEs 有造成基因病變之虞

AGEs 和細胞的 RAGE 相結合 → 引發發炎反應和生成氧自由基 → 造成細胞 DNA 的損傷並抑制受損 DNA 的修補 → 導致細胞的病變與癌化（特別是喉鱗狀細胞癌、乳腺癌與大腸直腸癌）

 

參考文獻

1.    Chang KC*, Tseng CD, Wu MS, Liang JT, Tsai MS, Cho YL, Tseng YZ. Aminoguanidine prevents arterial stiffening in a new rat model of type 2 diabetes. Eur J Clin Invest 2006;36:528-535

 

2.    Wu MS, Liang JT, Lin YD, Wu ET, Y-Z Tseng YZ, Chang KC*. Aminoguanidine prevents deterioration of cardiac pumping mechanics in streptozotocin and nicotinamide-induced type 2 diabetes in rats. Br J Pharmacol 2008;154:758-764 

 

3.    Chang KC*, Hsu KL, Chou TF, Lo HM, Tseng YZ. Aminoguanidine prevents age-related deterioration in left ventricular-arterial coupling in Fisher 344 rats. Br J Pharmacol 2004;142:1099-1104

 

4.    Chang KC*, Liang JT, Tsai PS, Wu MS, Hsu KL. Prevention of arterial stiffening by pyridoxamine in diabetes is associated with inhibition of the pathogenic glycation on aortic collagen. Br J Pharmacol 2009;157:1419-1426 

 

5.    Wu ET, Liang JT, Wu MS, Chang KC*. Pyridoxamine prevents age-related aortic stiffening and vascular resistance in association with reduced collagen glycation. Exp Gerontol 2011;46(6):482-488

 

6.    Wang CH, Wu ET, Wu MS, Tsai MS, Ko YH, Chang RW, Chang CY, Chang KC*. Pyridoxamine protects against mechanical defects in cardiac ageing in rats: studies on load dependence of myocardial relaxation. Exp Physiol 2014;99.11:1488–1498