6-姜酚健康效應機制及其口服增效遞送體系開發(fā)的研究進展

6-姜酚健康效應機制及其口服增效遞送體系開發(fā)的研究進展

田文妮，宋明月,2，呂慕雯,2，王群,2，曹庸,2，肖杰,2,*（1.華南農(nóng)業(yè)大學食品學院，廣東廣州510642；2.廣東省功能食品活性物重點實驗室，廣東廣州510642）6-姜酚又名6-姜辣素，是從生姜中提取的一種酚類物質(zhì)（圖1）。其由一個芳香環(huán)與側(cè)鏈烷基組成，是生姜辣味物質(zhì)姜酚的主要活性成分，同時其生物活性也最強。6-姜酚室溫下為淡黃色油狀液體，難溶于水（小于200μg/L），但易溶于甲醇、乙醇等有機溶劑[1-3]。自1984年來，國內(nèi)外學者對6-姜酚的健康功效和作用機制做了深入研究，證實6-姜酚具有抗腫瘤[4]、抗氧化[5]、降血糖[6]、降血脂[7]、降血壓[8]、保護心腦血管[9]、改善肝損傷[10-11]和治療消化道疾?。ㄈ缃Y(jié)腸炎）等健康效應[12-14]。圖16-姜酚的分子結(jié)構(gòu)Fig.1Structureof6-gingerol然而，6-姜酚水溶性低、易在胃腸道環(huán)境中降解失活、分散性差、代謝速度快等問題都限制了其經(jīng)口攝入后的健康效應。因此，開發(fā)口服增效遞送體系，通過智能化設計遞送體系以調(diào)控6-姜酚在上、下消化道的分布、吸收效率和體內(nèi)生物轉(zhuǎn)化過程，從而提高6-姜酚的生物可及性、生物利用度和生物功效，是探究6-姜酚健康增效作用及機制的重要基礎。本文以6-姜酚的體內(nèi)生物轉(zhuǎn)化途徑為關鍵對象，對近年來6-姜酚的健康效應和作用機制及其口服增效遞送體系開發(fā)的研究進行綜析，旨在為今后開發(fā)高效的食品功能口服增效遞送體系提供參考。16-姜酚的健康效應及作用機制的研究進展6-姜酚具有顯著的抗癌活性。胚胎癌癥干細胞（cancerstemcells，CSCs）可以分化為任何類型的癌細胞，而6-姜酚可通過調(diào)控磷酸酯酶與張力蛋白同源物（phosphataseandtensinhomolog，PTEN）介導的磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositide3-kinases，PI3K）/絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶（serine/threonineproteinkinase，AKT）/p53信號通路抑制程序性細胞死亡蛋白-1（programmedcelldeath1ligand1，PD-L1）的表達，抑制CSCs的鐵代謝途徑，進而誘導CSCs中活性氧生成、線粒體膜電位破壞和DNA損傷反應，促進CSCs細胞周期阻滯和凋亡，從而發(fā)揮抗癌作用[15]。2021年，ZhangHaibo等采用流式細胞技術(shù)揭示了6-姜酚通過誘導苷活化蛋白激酶（adenosine5’-monophosphate-activatedproteinkinase，AMPK）活化和抑制AKT/mTOR信號通路抑制口腔癌細胞生長的分子機制[16]。此外，6-姜酚具有抗氧化和抗炎活性。脂多糖和硫酸葡聚糖鈉（dextransulfatesodiumsalt，DSS）能夠誘導機體炎癥和氧化應激反應的發(fā)生，6-姜酚不僅可預防脂多糖誘導的小鼠腸道屏障損傷和肝損傷，還可以治療DSS誘導的結(jié)腸炎[17]。其潛在機制包括：1）6-姜酚通過調(diào)控核因子κB（nuclearfactorkappa-B，NF-κB）信號通路上調(diào)ZO-1和Claudin-1蛋白的表達以恢復腸道屏障[18]，從而顯著逆轉(zhuǎn)脂多糖誘導的小鼠回腸炎癥反應[10]；2）6-姜酚通過下調(diào)Bax和細胞色素c基因表達，抑制Caspase-3通路，減輕腸源性脂多糖誘導的回腸細胞凋亡；3）6-姜酚通過調(diào)控NF-κB、Wnt/β-catenin等通路發(fā)揮抗炎作用，通過調(diào)控核因子E2相關因子2（nuclearfactorerythroid-2relatedfactor2，Nrf2）/血紅素氧合酶1（hemeoxygenase-1，HO-1）信號通路、降低活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS）水平來發(fā)揮抗氧化活性，從而預防DSS誘導的潰瘍性結(jié)腸炎[19-20]。也有研究表明，6-姜酚還可減輕脂多糖誘導的大鼠海馬和大腦皮質(zhì)組織損傷，其保護作用是通過逆轉(zhuǎn)神經(jīng)行為缺陷、氧化應激、炎癥和淀粉樣變過程介導的[21]。6-姜酚也被發(fā)現(xiàn)在糖脂代謝中發(fā)揮重要作用。研究表明，6-姜酚對糖尿病大鼠空腹血糖水平、高脂血癥、丙二醛和炎癥標志物水平、NF-κB蛋白表達及腎臟抗氧化酶水平均有顯著恢復作用[6]。也有研究證實，6-姜酚通過增強小鼠骨骼肌細胞中AMPK的磷酸化以促進葡萄糖轉(zhuǎn)運體（glucosetransporter，GLUT）4易位，從而降低2型糖尿病小鼠的血糖水平[22]。Ahn等揭示了6-姜酚通過抑制肝細胞核因子4α、激活氧化物酶體增殖物激活受體（peroxisomeproliferators-activatedreceptor，PPAR）信號通路，從而改善高脂飼料飼喂小鼠肝臟中的脂肪積累和氧化變性[23]。此外，6-姜酚具有促進睡眠和改善因睡眠剝奪引起的代謝紊亂作用。剝奪睡眠會干擾許多重要的生理活動，包括與代謝過程相關的基因表達、對壓力和炎癥的免疫應答、晝夜節(jié)律生物鐘周期、細胞增殖調(diào)節(jié)和各類信號通路。因此，睡眠不足與糖尿病、心腦血管疾病等風險的增加有關。研究發(fā)現(xiàn)，6-姜酚（灌胃70mg/kgmb）可抑制小鼠自發(fā)性運動活動，延長戊巴比妥誘導的睡眠時間，改善由于睡眠剝奪誘導的氧化應激和炎癥反應、心肌細胞損傷、血腦屏障暫時性破壞[24-25]。6-姜酚在心腦血管疾病的防控中發(fā)揮著舉足輕重的作用。Lee等的研究表明6-姜酚通過介導過PPAR信號改善人臍靜脈血管內(nèi)皮細胞、人胚胎腎細胞以及分化的小鼠前脂肪細胞（3T3-L1細胞）中與高血壓發(fā)展正相關的生物標志物（如血管細胞黏附蛋白1（vascularcelladhesionprotein1，VCAM1）、腫瘤壞死因子（tumornecrosisfactorα，TNFα））的表達[8]。除了高血壓，心肌缺血/再灌注損傷也會對心肌組織造成嚴重損傷，是死亡率高的疾病之一[26]，6-姜酚可通過瞬時受體電位香草酸亞型1（transientreceptorpotentialvanilloid1，TRPV1）/FAS關聯(lián)因子1（FAS-associatedfactor1，F(xiàn)AF1）復合物介導的自噬抑制NLRP3炎癥小體和細胞凋亡，減輕腦缺血再灌注損傷[27]，也可通過調(diào)節(jié)lncRNAH19/miR-143/ATG7信號轉(zhuǎn)軸介導的自噬，對心肌缺血再灌注損傷起到防護作用[28]。凋亡是誘發(fā)心血管細胞損傷的重要原因之一，動脈粥樣硬化的致病因素是通過激活血管內(nèi)皮細胞發(fā)生凋亡，而6-姜酚可通過激活人臍靜脈血管內(nèi)皮細胞PI3KAKT-eNOS通路發(fā)揮抑制高糖誘導的血管內(nèi)皮細胞凋亡和損傷作用[9]。6-姜酚的健康效應研究匯總?cè)绫?所示。表16-姜酚的健康效應及其功效發(fā)揮的主要限制性因素Table1Healtheffectsof6-gingerolandmajorfactorslimitingitshealtheffects26-姜酚的體內(nèi)生物轉(zhuǎn)化途徑口服吸收發(fā)生在機體消化道，消化道是從口腔延伸到肛門的系統(tǒng)，是食物與腸道微生物群和宿主機體相互作用最大的場所。以盲腸為分界點，消化道可以被劃分為上消化道（依次包括口腔、胃、十二指腸、空腸、回腸）和下消化道（盲腸、升結(jié)腸、橫結(jié)腸、降結(jié)腸、直腸）。上消化道是食物消化的主要場所，其中小腸是吸收營養(yǎng)物質(zhì)的主要部位；而下消化道中則發(fā)生大量以腸道微生物酶介導的消化過程。6-姜酚的體內(nèi)生物轉(zhuǎn)化途徑包括6-姜酚在胃腸道吸收、在體循環(huán)中分布、代謝和排泄的過程（圖2），上、下消化道pH值環(huán)境、轉(zhuǎn)運時間、分泌物和消化酶系、腸道微生物群落結(jié)果的差異決定了6-姜酚經(jīng)上、下消化道吸收后不同的生物轉(zhuǎn)化途徑，這是其在機體內(nèi)發(fā)揮相應健康效應的基礎。圖2口服6-姜酚在體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化途徑Fig.2Biotransformationpathwayoforal6-gingerolinthebody2.16-姜酚的胃腸道穩(wěn)定性和吸收特性6-姜酚經(jīng)口攝入后在靶標部位發(fā)揮健康效應的前提是由胃腸道吸收進入到血液中，其中進入血液循環(huán)系統(tǒng)所占比例被稱為“口服生物利用度”，其可通過藥代動力學分析評估[37]。影響6-姜酚生物利用度的因素可分為三大類：生物可及性、腸道通透性和代謝轉(zhuǎn)化率[38]。具體來說，6-姜酚經(jīng)口攝入后在胃和小腸環(huán)境中不穩(wěn)定，易被氧化酶代謝發(fā)生氧化反應，這與6-姜酚的β-羥基酮結(jié)構(gòu)（C3羰基和C5羥基）有關[39]。此外，盡管6-姜酚水溶性低，但其對脂質(zhì)具有高度親和力，因而具有良好的小腸透過性。6-姜酚的主要吸收部位為空腸[40]，90%以上的6-姜酚在空腸黏膜層與葡萄糖醛酸結(jié)合并在鈉依賴的葡萄糖轉(zhuǎn)運體協(xié)助下被吸收進入血液循環(huán)[41]；剩余少部分進入大腸，經(jīng)過結(jié)腸微生物及其相應酶系的羥基化和谷胱甘肽氧化還原反應等作用，被進一步代謝降解，其代謝產(chǎn)物可經(jīng)過腸壁重吸收進入體循環(huán)或隨糞便排出體外。6-姜酚進入腸道細胞后可通過多藥耐藥相關蛋白（motilityrelatedprotein1，Mrp1）轉(zhuǎn)運到循環(huán)系統(tǒng)，或通過活性外排蛋白載體、P-糖蛋白、乳腺癌耐藥蛋白及其代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)運回腔內(nèi)。這里特別指出，P-糖蛋白是位于腸上皮細胞膜上的跨膜糖蛋白，具有能量依賴性的“分子泵”功能，可使腸細胞內(nèi)活性物泵出細胞外，降低活性物生物利用度。小腸黏膜是生物轉(zhuǎn)化的主要部位之一，在小腸上皮細胞作用下，部分6-姜酚發(fā)生生物轉(zhuǎn)化，這被成為小腸的“首過效應”，是限制6-姜酚生物利用度的因素之一。因此，6-姜酚在內(nèi)皮層的轉(zhuǎn)運效率也是影響其生物功效的關鍵控制點。值得注意的是，6-姜酚可通過抑制P-糖蛋白的活性提高其在內(nèi)皮層的轉(zhuǎn)運和吸收效率，從而提高其在血液循環(huán)中的濃度[42]。2.26-姜酚的組織分布6-姜酚的在體循環(huán)中的組織分布備受科學界關注[43]。研究發(fā)現(xiàn)在大鼠靜脈注射6-姜酚（3mg/mL）后在體內(nèi)迅速被消除（t1/2＝7.23min），全身清除率為16.8mL/（min·kgmb）[44]。用6-姜酚（240mg/kgmb）灌胃雄性SD大鼠后，其在血液中被迅速吸收并快速消除（t1/2＝1.77h），其生物利用度低極可能與首過效應相關[45]。此外，研究表明6-姜酚經(jīng)口服后被迅速吸收代謝并在組織中積累和均勻分布，這可能與其親脂性有關[46]。研究發(fā)現(xiàn)，大鼠灌胃30mg/kgmb或120mg/kgmb6-姜酚后12h內(nèi)各組織器官（包括大腦、心臟、肝臟、脾、肺、腎臟等）均未檢測出游離的6-姜酚，但灌胃120mg/kgmb6-姜酚大鼠血流量豐富的肝、脾、腎、肺等組織中可檢測到6-姜酚葡萄糖苷酸[47]。這是由于6-姜酚在體內(nèi)吸收過程中發(fā)生大量的首過代謝，迅速轉(zhuǎn)化為6-姜酚葡萄糖苷酸，葡萄糖醛酸基團的引入增大了6-姜酚的極性，因此，器官的血流量是影響6-姜酚葡萄糖苷酸組織分布的關鍵因素[48]。Gundala等證實6-姜酚在小腸重吸收后由肝門靜脈回流入肝，6-姜酚的葡萄糖醛酸苷可通過肝腸循環(huán)返回血液循環(huán)[49]。2.36-姜酚的代謝口服6-姜酚的代謝轉(zhuǎn)化發(fā)生在上消化道小腸上皮細胞中或腸道微生物群富集的下消化道[50]。一旦由胃腸道吸收，6-姜酚將經(jīng)歷在腸道細胞中的I期代謝，隨后通過循環(huán)系統(tǒng)進入肝臟進行II期代謝。參與I/II期的生物轉(zhuǎn)化酶包括細胞色素P-450（cytochromeP-450，CYP-450）酶、UDP-葡萄糖醛酸基轉(zhuǎn)移酶、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶、磺基轉(zhuǎn)移酶等。對于微生物轉(zhuǎn)化，6-姜酚的常見代謝途徑包括解偶聯(lián)、C環(huán)裂解、脫羧、還原、脫羥基和脫甲基等[51]。2.3.1上消化道宿主代謝經(jīng)上消化道吸收后的宿主代謝是產(chǎn)生6-姜酚I/II期代謝物的重要途徑?？诜?-姜酚在上消化道的代謝轉(zhuǎn)化途徑如圖3所示。6-姜酚（50mg/kgmb）經(jīng)口攝入后在小腸和肝膽處酚側(cè)鏈發(fā)生葡萄糖醛酸化、羥基化、ω-1氧化和β-氧化，產(chǎn)生(S)-6-姜酚-40-O-β-葡萄糖苷和9-羥基6-姜酚[50-52]。6-姜酚具有7種代謝產(chǎn)物[52]，包括3個I期代謝產(chǎn)物（6-姜烯酚、脫氫6-姜酚、羥基化6-姜酚）和4個II期代謝產(chǎn)物（6-姜酚的葡糖苷、6-姜烯酚的葡糖苷、脫氫6-姜酚的葡糖苷、羥基化6-姜酚的葡糖苷），其I相代謝物豐度較II相代謝物低。值得注意的是，口服酚類化合物，尤其是極性較低的化合物，通常在腸道黏膜和/或肝臟發(fā)生羥基化和/或葡萄糖醛酸苷和/或硫酸鹽偶聯(lián)[53-54]。然而，口服6-姜酚后膽汁和尿液中均未檢測到其硫酸鹽代謝物，這可能是6-姜酚是一種葡萄糖醛酸化的高親和力底物，不易發(fā)生硫酸鹽化作用[55-56]。在大鼠和人的肝微粒體中，6-姜酚可以在芳香族和脂肪族的羥基上被葡萄糖醛酸化，且葡萄糖醛酸化的位置取決于尿苷二磷酸葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶亞型，在大鼠肝微粒體中主要代謝酶為CYP3A，6-姜酚代謝產(chǎn)物為6-姜烯酚和脫氫6-姜酚，而在人類肝微粒體中其主要代謝物為羥基化6-姜酚[57]。圖3口服6-姜酚在上消化道的代謝轉(zhuǎn)化途徑Fig.3Metabolictransformationpathwaysoforal6-gingerolintheupperdigestivetract2.3.2下消化道腸道微生物代謝口服6-姜酚經(jīng)上、下消化道的代謝轉(zhuǎn)化過程如圖4所示。下消化道腸道微生物群代謝對6-姜酚健康效應具有重要影響。未被上消化道吸收的6-姜酚進入大腸在腸道菌群作用下產(chǎn)生結(jié)腸代謝產(chǎn)物。此外，結(jié)腸還接收腸肝循環(huán)外排的I/II相代謝產(chǎn)物，通過糞便微生物酶如β-葡萄糖苷酶、α-鼠李糖苷酶等進行解聚，釋放出苷元?？诜?-姜酚（50mg/kgmb）后，檢測出膽汁中的主要代謝物（48%）為(S)-6-姜酚-4’-O-β-葡萄糖苷。(S)-6-姜酚-4’-O-β-葡萄糖苷、香草酸、阿魏酸、(S)-(+)-4-羥基-6-氧化-8-(4-羥基-3-甲氧基苯基)辛酸、4-(4-羥基-3-甲氧基苯基)丁酸和9-羥基-6-姜酚的排泄持續(xù)到48h[52]。研究表明，6-姜酚經(jīng)過I相代謝產(chǎn)生6-姜烯酚，其在結(jié)腸微生物菌群的生物轉(zhuǎn)化下產(chǎn)生6-姜烯酚的半胱氨酸綴合代謝物和谷胱甘肽綴合代謝物，這兩種綴合物比6-姜烯酚具有更顯著的抗炎功效[58]。6-姜烯酚經(jīng)口攝入后2h出現(xiàn)在結(jié)腸組織中，結(jié)腸組織中6-姜烯酚的半胱氨酸綴合代謝物含量非常高（Cmax＝2μg/g），在結(jié)腸中能以1μg/g的含量保持3.3h[59]。圖4口服6-姜酚經(jīng)上、下消化道的代謝轉(zhuǎn)化過程Fig.4Metabolictransformationoforal6-gingerolintheupperandlowerdigestivetract2.46-姜酚的排泄6-姜酚經(jīng)口攝入后，在體內(nèi)生物轉(zhuǎn)化后通過尿液或糞便排出體外。研究表明，6-姜酚的葡萄糖醛酸化代謝物高分子質(zhì)量和高極性的特性促進了6-姜酚在膽汁中的排泄，其在大鼠尿液和糞便中的平均回收率約為5.36%[59]。Nakazawa等在大鼠膽汁、尿液和肝臟中分別發(fā)現(xiàn)1、6、2種代謝產(chǎn)物，約48%的代謝產(chǎn)物通過膽汁排泄，約16%代謝產(chǎn)物通過尿液排泄，其中腸道菌群及肝藥酶在生物轉(zhuǎn)化過程中起關鍵作用[52]。3增強6-姜酚健康效應的口服靶向遞送體系由于6-姜酚是一種疏水酚類化合物，其快速代謝導致生物利用度低，因此，其在靶組織和循環(huán)系統(tǒng)中的濃度遠低于其體外治療濃度。雖然6-姜酚具有顯著的臨床療效，但由于其在人體藥代動力學實驗中無法達到可檢測的血藥濃度，因此未能實現(xiàn)臨床研究?；诖?，設計遞送體系以提高6-姜酚的生物利用度、生物可及性、生物功效和靶向能力成為研究人員近年來的研究熱點[37,60-61]。近年來增強6-姜酚生物功效和健康效應的口服遞送系統(tǒng)匯總?cè)绫?所示。表2增強6-姜酚生物功效和健康效應的遞送系統(tǒng)Table2Deliverysystemsforenhancingbiologicalefficacyandhealtheffectsof6-gingerol3.1基于增強6-姜酚在上消化道吸收以強化其健康效應的遞送體系針對6-姜酚口服吸收和機體內(nèi)生物轉(zhuǎn)化特性所設計的遞送體系，主要以聚合物膠束、納米顆粒、納米脂質(zhì)載體、前脂質(zhì)體、納米纖維和多糖磷脂復合物為代表。ZhenLijun等采用溶劑注射法制備的聚合物膠束使6-姜酚的生物利用度提高了3倍，其歸因于聚合物膠束的納米尺寸（73nm）有助于提高6-姜酚在胃腸道中的分散性和在小腸處的吸收和轉(zhuǎn)運效率，提高了6-姜酚穿過腸上皮細胞進入血液循環(huán)系統(tǒng)[3]。WeiQiuyu等采用高壓均質(zhì)法制備的納米脂質(zhì)載體具有消化緩釋特性和高效的經(jīng)淋巴循環(huán)轉(zhuǎn)運吸收特性，能夠提升其經(jīng)淋巴轉(zhuǎn)運進入血液循環(huán)系統(tǒng)的效率，從而使6-姜酚的生物利用度提高4倍[2]。Thanaporn等采用靜電紡絲技術(shù)制備的負載6-姜酚納米纖維，提高了6-姜酚在胃腸道中的穩(wěn)定性和分散性，相比6-姜酚，其具有更強的抗氧化活性[62]。Manatunga等采用共沉淀法設計和制備了新型pH敏感型復合納米顆粒，其具有良好的包封特性（93.03%）和響應性緩釋特性，在pH值為5.3時能夠響應性釋放6-姜酚，可作為食品功能因子控釋和靶向載體應用于腫瘤等疾病的防治[64]。WangQilong等采用薄膜分散法制備的前脂質(zhì)體提高了6-姜酚在水中的分散性、口服生物利用度和抑制乳腺癌和肝癌細胞增殖的作用，其增效作用可能歸因于前脂質(zhì)體良好的包封特性和膜親和能力，從而提高6-姜酚在小腸的轉(zhuǎn)運吸收效率[65]。Singh等采用反溶劑沉淀法制備了殼聚糖磷脂復合物，基于其高負載率（8.26%）和納米尺寸（254nm），與游離姜酚相比，其具有持續(xù)緩釋特性，提高了姜酚的生物利用度，從而增強了其體外抗氧化、抗菌和抗炎活性等健康效應[66]。6-姜酚在上、下消化道的生物轉(zhuǎn)化過程對其體內(nèi)健康效應的發(fā)揮具有重大影響[67]，除上述旨在增強6-姜酚小腸內(nèi)吸收生物利用度的遞送體系設計策略外，旨在增強其結(jié)腸酶系介導的健康效應的下消化道定向吸收增強型遞送體系也開始受到研究者的重視。3.2基于增強6-姜酚在下消化道吸收以強化其健康效應的遞送體系6-姜酚具有緩解潰瘍性結(jié)腸炎的作用，但其首過代謝效應和結(jié)腸靶向能力差等問題限制了其口服健康效應。ZhangMingzhen等構(gòu)建了納米顆粒以提高生姜活性成分的口服結(jié)腸靶向性，該納米顆粒提高了6-姜酚經(jīng)結(jié)腸上皮細胞及巨噬細胞的吸收效率，基于高效的靶向細胞識別和吸收效率，其具有更強的腸道屏障損傷修復能力和緩解急性結(jié)腸炎的健康效應[63]。此外，基于6-姜酚的結(jié)腸代謝物6-姜烯酚半胱氨酸結(jié)合物和6-姜烯酚谷胱甘肽結(jié)合物比其上消化道代謝產(chǎn)物6-姜烯酚具有更強的抗炎能力，因此，設計智能化遞送體系提高6-姜酚活性代謝物的生物功效和體內(nèi)健康效應是一個值得研究的方向。YangChunhua等設計的納米脂質(zhì)載體能夠有效地將6-姜烯酚、6-姜烯酚半胱氨酸結(jié)合物和6-姜烯酚谷胱甘肽結(jié)合物遞送到結(jié)腸，減少其在腎或肝中蓄積[58]。在結(jié)腸中，相比6-姜烯酚，納米脂質(zhì)載體顯著提高了6-姜烯酚的生物利用度和結(jié)腸分布比例；相比6-姜烯酚納米脂質(zhì)載體，半胱氨酸結(jié)合物和6-姜烯酚