木糖醇和赤藓糖醇调节血糖作用的比较；诱导胰岛素分泌；减轻2型糖尿病大鼠模型中的血脂异常和氧化还原失衡
2024-01-06作者：来源：责任编辑：食品界
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木糖醇和赤藓糖醇在之前和最近的许多研究中都被报道为潜在的抗糖尿病甜味剂，然而，目前尚不确定哪一种在这方面最有效。本研究比较研究了木糖醇和赤藓糖醇对2型糖尿病（T2D）模型大鼠血糖、胰岛素水平、血脂异常、胰岛形态和β细胞功能以及氧化还原失衡的影响。将7周龄雄性Sprague-Dawley大鼠随机分为正常对照（NC）、糖尿病对照（DC）、5%糖尿病木糖醇（DX5）、10%糖尿病木糖醇（DX10）、糖尿病木糖醇20%（DX20）、5%糖尿病赤藓糖醇5%（DE5）、糖尿病赤藓糖醇10%（DE10）、糖尿病赤藓糖醇20%（DE20）。糖尿病组大鼠首先给予10%果糖溶液诱导胰岛素抵抗，然后腹腔注射溶于柠檬酸盐缓冲液（pH 4.5）的链脲佐菌素（40 mg/kg体质量）诱导部分胰岛β细胞功能障碍，诱导T2D。NC组动物饲喂正常饮水，仅注射柠檬酸缓冲液。糖尿病合并后，当NC组和DC组的动物给予正常饮用水后，分别给予上述浓度的木糖醇和赤藓糖醇。干预8周后，与DC组相比，大部分木糖醇和赤藓糖醇喂养组小鼠体质量、液体和水摄入量、血糖、血清谷丙转氨酶、谷草转氨酶、CK-MB和肌酐显著降低，血清胰岛素水平、血脂、糖耐量、胰岛形态和β细胞功能、胰腺和血清氧化还原失衡得到改善，其中木糖醇的效果优于赤藓糖醇。本研究的数据表明，木糖醇比赤藓糖醇具有更好的抗氧化和抗糖尿病作用。因此，木糖醇可作为一种更好的膳食抗糖尿病甜味剂或补充剂来治疗糖尿病及其相关并发症。 糖尿病（diabetes mellitus，DM）是全球增长最快的疾病之一，2019年全球约有4.63亿人患有糖尿病。预计到2045年，这一数字将上升到51%。DM是一组以高血糖为特征的碳水化合物、蛋白质和脂肪酸代谢紊乱性疾病。2型糖尿病（T2D）是最常见的糖尿病类型，占所有糖尿病病例的90%以上。这是由于胰岛素分泌缺陷和细胞不能利用胰腺β-细胞分泌的胰岛素，从而导致高血糖。据报道，慢性高血糖引起自由基的产生，而自由基与T2D的流行密切相关。自由基的产生增加先于氧化还原失衡导致氧化应激。氧化应激已被描述为连接T2D及其相关并发症（包括微血管和大血管）进展的主要病理生理因素。 降低糖在T2D的管理和治疗中的重要性是众所周知的。糖替代品也被称为甜味剂，被推荐帮助减少每日热量摄入，因为与传统糖相比，它们提供的能量不足。有各种各样的甜味剂被分为非营养甜味剂和营养甜味剂。非营养性甜味剂提供一种甜味，没有热量摄入，有助于管理体质量和控制血糖。然而，在各种研究中已经报告了关于使用非营养性甜味剂的健康问题，包括糖尿病的发展。因此，人们对使用被称为糖醇的天然替代甜味剂越来越感兴趣。 众所周知，糖醇对血糖的影响微乎其微，因此，它们被用作针对糖尿病患者的糖的替代者或甜味剂。在其他糖醇中，木糖醇和赤藓糖醇已被广泛应用于商品化食品中。在最近的一项研究中，低剂量（7～35g）的木糖醇能够刺激肠道激素的分泌，并诱导胃排空率的减速。木糖醇能有效地减少内脏脂肪的积累，改善糖尿病患者的血糖、血清果糖胺和葡萄糖耐量等参数。在另一项研究中，木糖醇表明对T2D相关的氧化应激具有有效的抗氧化潜力。T2D患者用赤藓糖醇替代蔗糖可改善内皮功能，降低中央主动脉僵硬度。据报道，赤藓糖醇通过降低糖尿病动物的肠道葡萄糖吸收、增加肌肉葡萄糖摄取、提高葡萄糖代谢酶活性、提高Glut-4和IRS-1的表达来发挥抗高血糖作用。在另一项研究中，糖尿病小鼠补充赤藓糖醇（500 mg/kg）可降低餐后血糖，观察到赤藓糖醇通过抑制α-葡萄糖苷酶的活性发挥降血糖作用。 这些研究表明，木糖醇和赤藓糖醇作为膳食补充剂对治疗糖尿病的有益作用的新证据。需要进一步的研究来概述哪种多元醇作为膳食甜味剂更好。因此，本研究旨在比较研究木糖醇和赤藓糖醇在果糖喂养的链脲佐菌素（STZ）诱导的T2D大鼠模型中的抗氧化和抗糖尿病作用。木糖醇和赤藓糖醇对死亡率、每周体质量、每日食物和液体摄入量的影响 在本研究中，赤藓糖醇治疗的第一周死亡率为13.04%（6/46），其中2只动物接受10%的赤藓糖醇治疗，4只动物接受20%的赤藓糖醇治疗。这导致DE10组共有4只动物，DE20组共有2只动物。在图1A中，糖尿病动物在T2D诱导后容易发生体质量下降，而木糖醇和赤藓糖醇的处理进一步降低了T2D诱导的体质量下降。在整个干预试验过程中，NC组动物体质量增加呈逐渐增加的趋势。如图1B所示，与DC组相比，木糖醇和赤藓糖醇喂养组的液体和食物摄入量显著降低，且呈剂量依赖性，而木糖醇的结果优于赤藓糖醇喂养组。
图1 （A）体质量；（B）各组胰腺日液体和食物摄入量 在图2A中，T2D的诱导导致糖尿病组血糖水平显著升高（P＜0.05）。在木糖醇和赤藓糖醇处理的试验组中观察到逐渐降低，其中DX10在干预试验结束时表现出最高的降低66.67%，DE10和DE20组也观察到类似的结果。口服葡萄糖30 min后，所有实验动物的血糖水平均有升高，如图2B所示。与NC组相比，DC组在30 min时显著增加（P＜0.05）。在120 min时，试验组对DX10、DX20和DE20组的耐受能力均优于其他各组，与NC组无差异。DX10、DX20、DE20组的曲线下总面积（AUC）显著低于其他糖尿病组（DC、DX5、DE5、DE10），说明其具有更好的耐糖能力较好。
图2 （A）每周血糖；（B）口服葡萄糖耐量试验（OGTT）及相应的曲线下面积（AUC）木糖醇和赤藓糖醇对胰腺重量、胰腺相对重量、血清胰岛素、HOMA-IR和HOMA-β的影响 如表1所示木糖醇组和赤藓糖醇喂养组在木糖醇组和赤藓糖醇喂养组中，DX10组的胰腺重量显著升高（P＜0.05）。 T2D诱导后，血清胰岛素水平和胰腺β细胞功能（HOMA-β）显著降低（P＜0.05），同时HOMA-IR水平升高，如表1所示。木糖醇和赤藓糖醇治疗可显著（P＜0.05）提高血清胰岛素水平和β细胞功能，与DC组相 比，HOMA-IR评分有所改善，而DC组中DX10组效果最好。 表1 实验结束时各组大鼠胰腺质量、相对体质量、血清胰岛素水平及HOMA-IR、HOMA-β评分
在图3中，与NC组相比，DC组的总胆固醇、低密度脂蛋白和甘油三酯水平显著升高（P＜0.05）。这些参数在用木糖醇和赤藓糖醇治疗后显著逆转，10%和20%剂量的木糖醇和赤藓糖醇显示总胆固醇、低密度脂蛋白和甘油三酯浓度降低最多。各试验组间高密度脂蛋白含量均无显著性差异。
表2中T2D的诱导导致了糖尿病对照组中ALT、AST、CK-MB和肌酐水平的升高。木糖醇和赤藓糖醇治疗（P＜0.05）显著降低了这些参数的水平。DX10组ALT、AST和CK-MB水平最低，而DE10组肌酐水平最低。各试验组之间尿素和尿酸无显著差异。 表2 各试验组在实验结束时血清中器官功能相关生物标志物的浓度
在图4中，DC组的胰腺和血清中GSH水平均显著下降（P＜0.05）。在木糖醇和赤藓糖醇的存在下，GSH水平被逆转。虽然10%和20%木糖醇和赤藓糖醇组的GSH浓度高于DC组，但DX10组胰腺和血清中浓度最高。
图4 实验结束时各组动物胰腺及血清谷胱甘肽（GSH）水平降低 图5为实验组胰腺及血清中MDA水平。与NC组相比，T2D的诱导导致DC组的MDA水平显著升高（P＜0.05）。试验组均能降低胰腺和血清中的MDA水平。与DC组相比，DX10、DX20组胰腺、血清、DE10、DE20组血清均显著降低（P＜0.05）。
图5 胰腺和血清中的硫代巴比妥酸反应性物质（MDA当量） 图6显示，与正常对照组相比，糖尿病对照组在胰腺和血清中的超氧化物歧化酶活性均显著降低（P＜0.05）。木糖醇和赤藓糖醇处理后酶活性增加，与DC组相比，DX10组胰腺和血清中（P＜0.05）均显著增加。
在图7中，DC组的过氧化氢酶活性显著降低（P＜0.05）。木糖醇和赤藓糖醇处理能提高活性，与其他糖尿病治疗组相比，DX10的效果最为显著（P＜0.05）。
实验各组胰腺组织的形态学变化如图8所示。NC组显示胰岛和腺泡细胞完整。DC组比NC组的胰岛明显更小。木糖醇和赤藓糖醇试验组、DX10和DX20组的形态明显恢复，效果均优于其他试验组。
木糖醇和赤藓糖醇因其对健康的不同有益影响而被广泛用于糖的替代品。它们较低的热量值、胰岛素反应和血糖指数使它们可以被糖尿病患者食用。先前的研究已经报道了这些糖醇的降糖和抗糖尿病作用。然而，目前尚不清楚这些糖醇中哪一种在改善糖尿病相关参数方面最有效。本研究采用果糖喂养的链脲佐菌素（STZ）诱导的T2D大鼠模型，比较观察木糖醇和赤藓糖醇的抗氧化和抗糖尿病作用。在本研究中，糖尿病组动物自由饮用10%果糖溶液代替饮用水，以诱导胰岛素抵抗，这是T2D的主要发病机制之一。先前的动物和人类研究已经将果糖的摄入与体质量增加联系起来。果糖的摄入可以改变食欲调节激素和肽的产生和分泌，包括胃饥饿素、瘦素和胰岛素。动物研究报告称，摄入果糖后会出现瘦素抵抗性，这与饥饿感加剧和体质量增加有关。然而，尽管表1中2周果糖溶液增加了糖尿病对照组的食物和液体摄入量和体质量（数据未显示）以及胰岛素抵抗（HOMA-IR），图1和表1所示木糖醇和赤藓糖醇喂养剂量依赖性，并显著逆转了这些参数。一些研究报告称，摄入糖醇可以延缓胃排空，减少食物摄入量、液体摄入量和体质量增加。此外，多饮是糖尿病的一种常见症状，在图1B糖尿病对照组中可以观察到。与DC组相比，木糖醇和赤藓糖醇治疗显著减少了液体摄入量（P＜0.05）。木糖醇和赤藓糖醇抑制多食症、多饮症以及降低体质量增加的能力表明，它们在治疗和管理糖尿病方面具有潜在的有益作用。 T2D的病因特征是外周胰岛素抵抗、肝葡萄糖生成调节受损和β细胞功能恶化。这与糖尿病对照组的胰腺体质量减轻（表1）、血糖水平升高（图2A）、β细胞功能衰竭和血清胰岛素水平下降（表1）相一致。这是由于胰岛减少和β细胞减少（图8B），伴有β细胞功能障碍，最终胰岛素分泌受损，葡萄糖升高表现为高血糖，导致T2D。木糖醇和赤藓糖醇治疗能够降低血糖水平（图2A），DX10、DE10和DE20组与所有其他治疗组相比均有更高的降低。根据葡萄糖降低的模式（图2A），虽然DE10和DE20组观察到剧烈的降低，但DX10组的降低是进行性的，并在治疗8周后最终达到正常水平。考虑到这一点，与类似或更高剂量的赤藓糖醇相比，10%木糖醇组可能是以生理上更安全的方式降低血糖水平，以避免严重的低血糖。血糖水平的急剧降低也可能是DE10组和DE20组中一些动物死亡的一个原因。考虑到这一点，与赤藓糖醇相比，木糖醇可能是降低高血糖的首选方案。然而，为了确定赤藓糖醇用于高血糖管理的最有效的更安全剂量，还需要进一步的研究。 此外，木糖醇和赤藓糖醇处理组（图8和表1）的胰腺重量、β细胞数量、β细胞功能和血清胰岛素水平均升高，其中10%木糖醇的效果优于同等或更高剂量的赤藓糖醇。木糖醇和赤藓糖醇降低血糖水平、升高血清胰岛素水平、改善胰腺形态和β细胞功能障碍的能力决定了它们的抗糖尿病潜力，当10%木糖醇的效果比类似或更高剂量的赤藓糖醇更明显时，特别是在胰腺重量、β细胞功能、胰岛素分泌和胰岛形态方面（图8和表1）。此外，尽管10%和20%的木糖醇和赤藓糖醇与其他糖尿病处理组相比，在提高糖耐量能力方面最有效（图2B），但10%木糖醇的效果优于木糖醇和赤藓糖醇的所有其他处理组。这项研究的结果也得到了先前发表的一项研究的结果的支持，在该研究中，10%的木糖醇在降低血糖水平、刺激胰岛素分泌和改善胰腺形态方面显示出更好的抗糖尿病潜力。考虑到这一点，木糖醇可能作为一种抗糖尿病甜味剂。 血脂异常是一组脂蛋白异常，其特征是总胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇、甘油三酯胆固醇水平升高和高密度脂蛋白胆固醇水平降低。这在糖尿病对照组中很明显（图3），表明糖尿病异常的发生。高剂量的木糖醇和赤藓糖醇治疗逆转了除高密度脂蛋白胆固醇外的这些参数，当10%和20%木糖醇和赤藓糖醇的效果非常相似且最好，在10%木糖醇和20%赤藓糖醇喂养组观察到降低低密度脂蛋白胆固醇的效果，尽管20%赤藓糖醇组甘油三酯的降低也是最高的，但该组动物的低血糖和死亡引起了人们对20%剂量赤藓糖醇安全性的担忧。本研究的数据显示了木糖醇和赤藓糖醇在降低糖尿病血脂异常中的作用，考虑到较高剂量赤藓糖醇的毒性，木糖醇可能是更好的选择。 T2D的多系统性意味着并发症和合并症可以影响许多器官系统。ALT、AST、CK-MB、肌酐、尿素、尿酸在糖尿病并发症中升高，与糖尿病对照组升高水平一致（表2）。这些升高可能是由于心脏、肾脏和肝组织的损伤。尽管木糖醇和赤藓糖醇的处理能够逆转大多数这些生物标志物，但在10%和20%赤藓糖醇喂养组中观察到的较高的血清尿素水平再次引起了人们对较高剂量赤藓糖醇安全性的担忧，而所有剂量的木糖醇都有较好的效果。这一观察结果表明木糖醇对糖尿病并发症的保护作用，需要进一步研究以确定赤藓糖醇的有效性和安全性。 氧化应激在T2D的发病和发展中起着重要作用。它被定义为活性氧的产生和消除之间的不平衡，有利于氧化剂的形成。这种氧化还原失衡是各种异常的结果，包括高血糖、胰岛素抵抗、高胰岛素血症和血脂异常。在图4～7中，糖尿病对照组胰腺组织和血清中GSH、SOD和CAT活性水平降低，MDA水平升高是氧化损伤的标志。木糖醇和赤藓糖醇能够逆转这些生物标志物在胰腺组织和血清中的活性和水平。然而，与所有其他剂量的木糖醇和赤藓糖醇相比，10 %木糖醇处理在改善氧化应激方面表现出更好的效果，这可归因于胰腺形态（图8D）和β细胞功能（表1）的改善。也有报道称，糖醇清除氧自由基的能力取决于其脂肪族羟基的数量，木糖醇的含量高于赤藓糖醇。 本研究的数据表明，木糖醇和赤藓糖醇对T2D和氧化应激有治疗潜力。然而，与本研究中使用的相近或更高剂量的木糖醇和赤藓糖醇相比，10%的木糖醇具有更好的治疗效果，表现为抑制高血糖、改善糖耐量、胰岛素分泌、胰腺形态和β细胞功能障碍、减轻血脂异常和氧化应激。另一方面，尽管10%和20%的赤藓糖醇表现出与10%木糖醇相当的效果，但赤藓糖醇喂养组的突发低血糖和死亡率以及较高的血清尿素水平引起了人们对其安全性的担忧。综上所述，与本研究中使用的所有其他剂量的木糖醇和赤藓糖醇相比，当10%木糖醇被发现是最有效的剂量时，木糖醇比赤藓糖醇更适合作为抗糖尿病甜味剂。为了确定赤藓糖醇治疗T2D及其相关并发症的最有效、更安全的饮食剂量，还需要进一步的研究。
Comparative effects of xylitol and erythritol on modulating blood glucose; inducing insulin secretion; reducing dyslipidemia and redox imbalance in a type 2 diabetes rat model
Nontokozo Z. Msomia, Ochuko L. Erukainurea,b, Veronica F. Salaua, Kolawole A. Olofinsana, Md. Shahidul Islama,*
a Department of Biochemistry, University of KwaZulu-Natal, Westville Campus, Durban 4000, South Africa
b Department of Pharmacology, University of the Free State, Bloemfontein 9300, South Africa
*Corresponding author.
Abstract
Xylitol and erythritol have been reported in numerous previous and recent studies as potential antidiabetic sweeteners, however, it is not certain which one is most effective in this regard. In the present study, the effects of xylitol and erythritol were comparatively investigated on blood glucose, insulin level, dyslipidemia, pancreatic islet morphology and β-cell function, and redox imbalance in a type 2 diabetes (T2D) model of rats. Seven-week-old male Sprague-Dawley rats were randomly divided into 8 groups: Normal Control (NC), Diabetic Control (DC), Diabetic Xylitol 5% (DX5), Diabetic Xylitol 10% (DX10), Diabetic Xylitol 20% (DX20), Diabetic Erythritol 5% (DE5), Diabetic Erythritol 10% (DE10), and Diabetic Erythritol 20% (DE20). T2D was induced in the diabetic groups initially by feeding 10% fructose solution to induce insulin resistance followed by an intraperitoneal injection of streptozotocin (40 mg/kg body weight) dissolved in citrate buffer (pH 4.5) to induce partial pancreatic β-cells dysfunctions. The animals in NC group were fed with normal drinking water and injected with citrate buffer only. After the confirmation of diabetes, the xylitol and erythritol with above-mentioned concentrations were supplied to the respective animal groups when the animals in NC and DC groups were supplied with normal drinking water. After 8 weeks intervention period, the body weight, fluid and water intake, blood glucose, serum alanine aminotransferase, aspartate aminotransferase, CK-MB and creatinine were significantly decreased, while the serum insulin level, serum lipids, glucose tolerance ability, pancreatic islet morphology and β-cell function, pancreatic and serum redox imbalance were improved in the most xylitol and erythritol fed groups compared to the DC group, when effects were better for xylitol compared to erythritol. The data of this study suggest that xylitol has better antioxidant and antidiabetic effects compared to erythritol. Therefore, xylitol can be used as a preferrable dietary anti-diabetic sweetener or supplement over erythritol for the management of diabetes and its associated complications.
MSOMI N Z, ERUKAINURE O L, FALAU V F, et al. Comparative effects of xylitol and erythritol on modulating blood glucose; inducing insulin secretion; reducing dyslipidemia and redox imbalance in a type 2 diabetes rat model[J]. Food Science and Human Wellness, 2023, 12(6): 2052-2060. DOI:10.1016/j.fshw.2023.03.023.
