1 Лаборатория по превантивна и интегративна биомедицина, Катедра по биохимия и молекулярна биология, Университет Джахангинагар, Савар, Дака 1342, Бангладеш

потенциален

2 Център за човешки геном, Факултет по медицински науки, Universiti Sains Malaysia, 16150 Kubang Kerian, Kelantan, Малайзия

Резюме

Тъй като захарният диабет (СД) е едно от най-често срещаните и сериозни ендокринни метаболитни нарушения, важно е да се изяснят нови антидиабетни терапевтични средства от различни източници, включително естествени продукти. Пчелната отрова (BV) е сложна смес от протеини, пептиди и нискомолекулни компоненти, а мелитинът е основната съставка. Мелитинът е пептид, състоящ се от 26 аминокиселини с последователност GIGAVLKVLTTGLPALISWIKRKRQQ. Той има няколко важни биологични ефекти и има относително ниска токсичност. Последните проучвания, използващи животински модели, потвърдиха, че мелитинът има значителни понижаващи глюкозата и липидите дейности, като действа по няколко механистични пътя. Основната антидиабетна активност на мелитин е повишаване на секрецията на инсулин чрез деполяризация на панкреаса β-клетки. Други възможни механизми могат да включват стимулиране на фосфолипаза А2, увеличаване на усвояването на глюкоза, подобряване на липидния профил и/или намаляване на възпалението. Този преглед обобщава различните източници, протеомика, биологични роли, неблагоприятни ефекти и медицински приложения на мелитин и неговия механизъм на действие в борбата с DM.

1. Въведение

Захарният диабет (СД) е сериозно заболяване, при което организмът не може да контролира количеството захар в циркулация поради дефицит на секреция на инсулин или намалена чувствителност на тъканите към инсулин. Има два основни типа диабет, както следва: Тип 1 и Тип 2 [1]. И двата вида могат да причинят сериозни здравословни усложнения, включително бъбречна недостатъчност, сърдечни заболявания, замъглено зрение, кетоацидоза, периферна невропатия, сърбеж, умора и дори кома [2]. Недостигът на инсулин води до повишаване на холестерола, фосфолипидите и свободните мастни киселини [3]. Следователно е важно идеалната DM терапия да включва не само поддържане на нивата на кръвната захар, но също така да включва регулиране на липидния профил.

За лечение на СД се използват няколко антидиабетни лекарства. Тези лекарства обаче не са без странични ефекти и представляват икономическа тежест за пациента. Поради това учените са се насочили към природни лекарства, включително мед и пчелни продукти, като пчелна отрова (BV). BV е сложна смес от протеини, пептиди и нискомолекулни компоненти, секретирани от работника и пчелните майки. Основната активна съставка на BV (апитоксин) е мелитинът, който има относително ниска токсичност [4]. Той оказва важни ефекти върху клетките, като хемолиза, деполяризация на мембраната и мускулна контракция, цитотоксичност и фосфолипаза С и арахидонова киселина след активиране на фосфолипаза А2. В допълнение, той също е отговорен за различни алергични реакции в организма и може да потисне сигналните пътища на тол-подобни рецептори (TLR2, TLR4), клъстер на диференциация (CD14), ядрен фактор капа-В основен модулатор (NEMO) и получен от тромбоцитите растежен фактор бета (PDGFRβ). Потискайки тези пътища, мелитин намалява активирането на p38, ERK1/2, AKT и PLCγ1 и транслокацията на NF-κВ в ядрото, което води до намаляване на възпалението в кожата, аортата, ставите, черния дроб и невронните тъкани [5].

BV протеините, главно мелитин, също се използват широко за лечение на артрит, замръзнало рамо, заболявания на централната и периферната нервна система (ЦНС, ПНС), кожни заболявания, заболявания на сърцето и кръвната система, рак, язва, колит и неврит [14, 15, 17, 19, 24–28]. Последните проучвания също потвърдиха, че мелиттинът може значително да намали кръвната глюкоза чрез секреция на инсулин и усвояване на глюкоза при животински модели [21-23]. Тези проучвания също съобщават, че мелитинът има значителни липидно-регулиращи дейности чрез активиране на фосфолипаза А2. По този начин, мелитинът може да бъде потенциално терапевтично средство срещу DM.

В литературата има редица рецензии, които се фокусират върху различните фармакологични ефекти на BV протеините [17, 29–37]. Към днешна дата обаче няма прегледи на механизмите, чрез които BV допринася за антидиабетната активност. В този преглед обсъдихме основната активност на мелитин (Таблица 1) и неговия антидиабетен механизъм на действие (Фигура 1).


5 mM в концентрация) навлиза в β-клетка през глюкозния транспортер (GLUT2). (Б) Производството на АТФ бързо настъпва в резултат на гликолиза и дишане. (C) След това, ATP-чувствителните K + канали се затварят и K + изтичането се инхибира. (D) Следователно плазмената мембрана се деполяризира и (E) захранваните с напрежение Ca 2+ канали се отварят. И накрая, притокът на Са 2+ се увеличава, което предизвиква екзоцитоза на инсулиновите гранули. ① Мелитинът директно деполяризира клетъчната мембрана, increases увеличава притока на Ca 2+ в клетката, ③ насърчава по-голяма секреция на гранули и ④ увеличава секрецията на инсулин в кръвния поток. Забележка: фосфор: P; калций: Ca 2+. Адаптиран от https://www.dolcera.com/wiki/index.php?title=Diabetes_products_and_services.

2. Състав на отровата на пчелите

BV е горчива безцветна течност (рН 4,5–5,5), която изсъхва лесно дори при стайна температура и е разтворима във вода, но неразтворима в алкохол и амониев сулфат [5, 38, 39]. Пчелата може да инжектира до 0,1 mg отрова чрез жилото си. Съобщава се, че е подобен на токсина от морската коприва [40]. Отровата се произвежда главно в корема на пчелите работнички и произхожда от смес от киселинен и основен секрет. Това е сложна смес от протеини, в която някои ензими (катализиращи специфични реакции), някои пептиди (които се състоят от две или повече аминокиселини) и други, включително различни нискомолекулни компоненти, като въглехидрати (2% от отровата) сухо тегло), фосфолипиди (5% от сухото тегло на отровата), аминокиселини (1% от сухото тегло на отровата), минерали (3-4% от сухото тегло на отровата) и летливи съединения (5–8% от сухото тегло на отровата) [15, 41], присъстват. Сред тях основният компонент включва протеини и пептиди, чиято комбинация е известна като отровни токсини.

3. Мелитин

В предишно проучване Danneels et al. определи съставните части на 34 проби отровни токсини чрез използване на масспектрометрия [42]. Сред всички протеини от мед, се потвърждава, че основният протеин е мелитин, който представлява приблизително 40-50% от сухото тегло на отровата [15]. Мелитинът се състои главно от 26-аминокиселинен пептид без дисулфиден мост, в който N-крайната част на молекулата е предимно хидрофобна, докато С-терминалът е хидрофилен и е силно базичен [PMID: 10692322]. Характеристиките на мелитин, включително източниците, протеомиката, биологичните функции, неблагоприятните ефекти и медицинските приложения, са обобщени в таблица 1.

4. Предишни пробиви в ролята на пчелния отров в диабета

Няколко епидемиологични проучвания, използващи животински модели, показват, че употребата на BV е свързана с по-нисък риск от СД (Таблица 2). Kim et al. изследва дали BV може да предотврати инсулит и развитието на диабет при женски мишки без диабет (NOD), които са подразделени на контрол (

) и групи, лекувани с BV () [20]. BV (закупен от Sigma, MO, USA) се инжектира с 0,5 mg/kg в задния крайник два пъти седмично, когато мишките са на възраст между 4 и 10 седмици. Кумулативните честоти на диабет при контролните и лекувани с BV мишки с NOD са съответно 58% и 21% на 25-седмична възраст. Следователно беше постулирано, че лечението с BV при мишки с NOD инхибира инсулита и появата и общата честота на диабета в ранна възраст.

Друго проучване in vivo, проведено от Mousavi et al. съобщи, че ирански BV (Apis mellifera) може да понижи нивата на кръвната глюкоза и липидите при диабетични плъхове [21]. Възрастни мъжки плъхове (

g бяха поставени в следните три произволни групи: контролни плъхове, индуцирани от алоксан монохидратни диабетични плъхове (150 mg/kg интраперитонеално) и третирани с BV плъхове (0,5 mg/kg). В техния експеримент BV е събрана от кошерите с помощта на електрошокер.

В допълнение към Апис мелифера BV, BV от Apis cerana също се съобщава, че има антидиабетна активност, както съобщават Пракаш и Бхаргава [22]. При тяхното изследване пробите бяха разделени на тестова и контролна групи, в които тестовата група беше категоризирана като „преди“ и „след“, ужилена от Apis cerana пчели. Тяхното проучване също съобщава, че Apis cerana BV намалява нивата на холестерола и триглицеридите в кръвта. След това Khulan AM и Chimedragcha [23] изследват ефектите на монголската BV върху хипергликемията и хиперлипидемията при индуцирани от алоксан зайци с диабет [23]. За това проучване зайците от чинчила () бяха разделени на следните три групи: контрол (

), групи с диабет () и BV (). За индуциране на диабет, алоксан монохидратен разтвор (5%) се прилага при 100 mg/kg интравенозно през маргиналната вена зад ухото в продължение на две минути. Междувременно групата, лекувана с BV, получава ужилване от пчела на задната си лапа през ден след потвърждаването на диабета. Техните резултати също подкрепят, че BV значително понижава нивата на серумна глюкоза и подобрява липидния профил. Всички изследователи потвърдиха, че основният протеин в BV, мелитин, е отговорен главно за антидиабетните действия, което беше потвърдено и от тест in vitro, който показа, че мелитин може да увеличи секрецията на инсулин от панкреаса β-клетки.

5. Антидиабетен механизъм на действие на Melittin

DM е синдром на нарушен метаболизъм на въглехидрати, мазнини и протеини, дължащ се на комбинация както от наследствени, така и от екологични причини и се характеризира с повишени нива на глюкоза в кръвта. В DM терапията се обръща голямо внимание на понижаването на нивата на кръвната глюкоза чрез увеличаване на секрецията на инсулин и механизмите за регулиране на липидите на различни медицински агенти, включително тези от животински токсини. Melittin намалява нивата на глюкоза в кръвта чрез увеличаване на секрецията на инсулин от β-клетки на панкреаса и улеснява усвояването на глюкозата [43]. Той също така облекчава усложненията на DM чрез подобряване на липидните профили, както е потвърдено от няколко проучвания [21-23].

Последните проучвания съобщават, че различни видове BV значително намаляват не само нивата на глюкоза в кръвта, но и общия холестерол (Таблица 2). Мелитинът, който присъства в BV, е отговорен главно за антидиабетната роля, потвърдено от in vitro тест, проведен от Morgan и Montague [43]. Мелитинът намалява нивата на кръвната захар по няколко различни механизма, включително деполяризация на β-клетъчни мембрани, увеличаване на извънклетъчните калций и калциеви канали [21, 44], активиране на цитозолна фосфолипаза А2 [23, 45], увеличаване на усвояването на липидния глюкозен транспортер в мастните тъкани [23] и потискане на β-възпаление на клетките [46].

Melittin инициира деполяризация на мембраната, за да причини затваряне на АТР-чувствителните K + канали. По този начин се отварят захранвани с напрежение Ca 2+ канали за насърчаване на повишена секреция на инсулин в кръвния поток [43] (Фигура 1). Melittin също така насърчава секрецията на инсулин чрез активиране на фосфолипаза А2 [44]. Активираната фосфолипаза А2 стимулира производството на арахидонова киселина, която от своя страна действа като транспортер на калций в β-клетки за стимулиране на секрецията на инсулин [47].

Също така се съобщава, че фосфолипазата А2 има алтернативен антидиабетен начин на действие, като увеличава усвояването на глюкоза в мастните тъкани, вместо да увеличава секрецията на инсулин. Благодарение на своето ензимно действие, той може частично да разгражда клетъчната мембрана на плазматичните липопротеини [48]. Тази активност води до повишен транспорт на глюкоза и поемане на липиди в мастните тъкани чрез частични лизи на мембраните на адипоцитите и свързване на по-голям брой инсулинови молекули [49]. Междувременно фосфолипазата А2 има и по-висок афинитет към плазматичните липопротеини, което води до цитотоксични ефекти и генериране на свободни мастни киселини и лизофосфолипиди. По този начин циркулиращият холестерол в HDL се естерифицира и значително регулира липидните профили [50].

Друго проучване in vivo, проведено от Kim et al. съобщава, че BV може да предотврати инсулит и развитието на диабет при NOD мишки поради своите имуномодулиращи дейности, често приписвани на автоимунен процес, който уврежда панкреатичните клетки [20]. Техните разследвания също потвърдиха, че инжекциите на BV не дават никакви странични ефекти по време на експерименталния период, което показва неговата безопасност.

6. Бъдещи указания

Тъй като мелитинът е малък пептид от 26 аминокиселини, той често се прилага подкожно, което може да доведе до няколко нежелани реакции, включително локален еритем, подуване, болезненост, сърбеж, оток, неразположение, грипоподобни симптоми и уртикария [15]. Въпреки че мелитинът значително намалява нивата на глюкозата и холестерола в кръвта, неговата токсичност трябва да бъде намалена, преди да може да се използва като антидиабетно средство. Изчислителната биоинформатика и рекомбинантната технология могат да се използват за получаване на различен модифициран мелитин с високи терапевтични ефекти и минимална токсичност. Следва да се извърши допълнително проучване за (1) подобряване на процедурата за събиране на BV, без да се убиват пчелите, (2) разработване на методи за извличане на мелитин, за да се осигурят високи добиви на BV, и (3) подобряване на методите за съхранение на BV, за да се запази ефикасността му.

7. Заключение

Тази прегледна статия е подготвена като предварителен ресурс за събиране на информация за потенциала на BV, по-специално неговата основна активна съставка мелитин срещу захарен диабет. При лечението на диабет се обръща голямо внимание на понижаването на кръвната глюкоза с различни in vitro проучвания, които показват, че пчелната отрова значително намалява нивата на кръвната глюкоза чрез няколко механизма. Въпреки това все още липсват адекватни in vivo проучвания, направени особено с използване на чист мелитин от BV. И накрая, поради потенциала на мелитин за намаляване на нивата на кръвната глюкоза и общия холестерол по няколко различни механизма, се стига до заключението, че мелитинът може да има голямо влияние в близко бъдеще при лечението на захарен диабет.

Конфликт на интереси

Авторите потвърждават, че съдържанието на тази статия няма конфликт на интереси.

Приноси на авторите

Г-н Сакиб Хосен замисли идеите за този ръкопис и също го написа. Д-р Ибрахим Халил и д-р Siew Hua Gan прегледаха и одобриха този ръкопис.

Благодарности

Авторите признават Националната стипендия за наука и технологии (NST) (2014/2015) за предоставяне на финансова подкрепа на г-н Сакиб Хосен, за да продължи магистърската си степен.

Препратки