食源性晚期糖基化终末产物对人体的健康危害研究进展

龚 频 ，裴舒亚，韩业雯，杨文娟，常相娜，陈福欣

（1.陕西科技大学食品与生物工程学院，陕西西安 710021；2.西安科技大学化学与化工学院，陕西西安 710021）

晚期糖基化终末产物（advanced glycation end products，AGEs）是还原糖与蛋白质、核酸和脂质等大分子在非酶条件下作用生成的不可逆的共价化合物。还原性糖的醛基或酮基通过与蛋白等大分子的游离氨基端反应形成不稳定的席夫碱结构，即糖基化胺；而席夫碱结构经过阿马多里重排进一步形成酮胺，称为阿马多里产物；阿马多里产物可与肽或蛋白质发生交联等一系列反应最终形成稳定的不可逆晚期糖基化终产物。AGEs呈棕红色，不易被酶破坏，可在人体内逐渐积累，与许多细胞膜特异性受体结合发挥生物学效应[1]。研究表明，AGEs在体内蓄积会引起一系列氧化应激等级联反应和炎性反应从而加速人体的衰老和各种疾病的发生和发展。如糖尿病及其并发症、阿尔兹海默病、肠道疾病、神经疾病、癌症等[2]。本文就近年来国内外关于AGEs对人体健康的危害及分子机制研究进展做一综述，以期对治疗糖尿病等慢性疾病提供新的方向。

1 AGEs的分类及结构特点

AGEs在体内有两个来源，一是体内过量的糖和蛋白质在体内合成AGEs；二是通过进食将食物中存在的AGEs摄入体内。故AGEs一般分为内源性AGEs和外源性AGEs。目前常见的AGEs有羧甲基赖氨酸（CML）、羧乙基赖氨酸（CEL）、戊糖苷素（pentosidine）、乙二醛-赖氨酸二聚体（GOLD）、吡咯素（pyrraline）等（如图1所示）[2]。这些物质虽然结构不同，但都含有赖氨酸残基。其中CML的分子式为 C8H16N2O4，CEL的分子式为 C9H18N2O4。而CML可以通过各种途径形成，包括葡萄糖与氨基赖氨酸的缩合和阿马多里产物的连续重排，后者经历氧化并形成CML。另一个途径是中间产物乙二醛（GO）和氨基赖氨酸之间的直接反应。因此CML常常被用来作为AGEs的测量指标。

图1 几种常见的AGEs[3]Fig.1 Examples of AGEs[3]

1.1 食源性AGEs生成途径

食源性AGEs的生成是在烹饪和热加工过程中遇到较高温度（100～250 ℃）下形成的，同时食物生产处于一个开放的系统中，容易受到外部因素的影响，如氧气和光线等。食品中AGE含量可能会根据季节、地点、保存方法的不同而不同。此外AGEs与食品中未知成分的相互作用也不清楚。Han等参考内源性CML的生成研究了食源性CML的形成途径[4]。图2为AGEs的几种生成途径[5]。

图2 体内AGEs的生成途径[5]Fig.2 AGEs production pathway in the body [5]

1.2 食源性AGEs来源及其毒性作用机制

外源性AGEs主要来源于食物和烟草[6]，而决定食物中AGEs水平高低的主要因素包括营养成分（蛋白质＞脂肪＞碳水化合物）、温度和加热时间、湿度、酸碱度和微量金属的存在。研究发现大部分食品中如大米面条，肉制品及乳制品，果蔬和调料中都含有AGEs[2]。比较不同加工食品的工艺后发现，高温烘烤和油炸的食品中AGEs含量较高，低温和蒸煮的食品中AGEs含量较低。因此，可通过改变加工工艺，而不是食品原料的营养成分来制定健康的饮食也是一个值得研究的方向。

表1挑选了一些常见食品采用ELSA法测量其中的AGEs含量（以CML计）。根据表1数据，脂肪类食品的AGEs含量相对碳水类食品普遍较高。高脂肪类食品（如黄油、奶酪、蛋黄酱）可能是由于其提取工艺涉及加热的过程，长期积累AGEs在其中[8]。碳水类食物中的水分含量往往较高，或者抗氧化剂和维生素含量较高，这可能会减少AGEs的形成。此外，在碳水类食品中，大多数多糖由非还原糖组成，不太可能导致AGEs的形成。在这碳水类食品中，每克食品中AGE含量最高的是干热加工食品，如饼干、薯条和饼干。这可能是因为添加了黄油、油、奶酪、鸡蛋和坚果等成分，在干热加工过程中，这些成分加快了AGE的生成。虽然这些零食类食物的AGEs含量仍然远远低于肉类中的AGEs，但对于那些在一天中吃多种零食或作为快餐的人来说，它们可能是一个重要的健康危害[9]。根据表1中数据，比较发现加工的温度比加工工艺对食品中AGEs含量影响更大。用中低火在平底锅里煎鸡蛋的AGEs含量大约是用高火煎的鸡蛋的一半。水煮或清蒸鸡肉的AGEs含量不到烤鸡AGEs含量的四分之一。同时还有研究认为食品中MG含量与CML含量成正比，即可认为MG衍生成CML。根据Uribarri等[8]调查的关于纽约市地区健康成年人平均一天摄入AGEs含量为14700±680 kU/d，可以以此评估是否为低或高AGEs饮食。根据表1，可以看出经常食用炙烤食品，富含脂肪和深加工食品的饮食结构AGEs摄入量很容易超过20000 kU/d，相反的，素食类饮食结构或食用煮肉炖肉其AGEs摄入量仅为上述饮食结构的一半。因此，低AGEs饮食在临床上值得关注，可通过降低AGEs摄入量降低各种疾病的发生。除了改变加工工艺，研究发现可通过酸性条件来降低AGEs生成，将牛肉浸泡在醋或柠檬酸中1 h，150 ℃烘烤15 min，其AGEs含量显著下降[8]。但目前的饮食结构偏西方，关于中式饮食AGEs的研究较少，还需要进一步研究。

表1 AGEs在常见食品中的含量[7]Table 1 AGEs content in common food[7]

参考内源性AGEs的作用机制，食源性AGEs的诱发病理机制可以分为两种方式。第一种为AGEs可以与蛋白质交联，直接改变它们的结构，从而改变它们的性质和功能，引起疾病。研究发现AGEs可使细胞外基质蛋白失去其弹性和机械功能[10]。第二种为AGEs通过几种受体和非受体介导的机制激活细胞内信号，导致活性氧和炎性细胞因子的产生增加，从而诱导疾病发生。常见的AGEs受体为RAGE，P60/OST-48蛋白（AGEs-R1）、80K-H磷酸蛋白（AGEs-R2）、半乳糖凝集素（AGEs-R3）等。其中RAGE为免疫球蛋白超家族的多配体受体，广泛存在人体的各个组织中，可参与诱导炎症反应，促进促炎细胞因子、生长因子和粘附分子表达的转录因子核因子-κB（NF-κB）的激活[11]。具体来说，RAGE 通过激活NADPH氧化酶增加氧化应激，从而刺激NF-κB 增加[12]。同时，AGEs-R1、AGEs-R2 或 AGEs-R3等表面受体，参与调节AGEs的内吞和清除[13]。

1.3 食源性AGEs在人体内的吸收、消化和排泄

食品中AGEs修饰的蛋白质可以渗透胃肠道粘蛋白层，进一步水解为双肽和三肽被吸收。研究发现低分子量的AGEs（游离氨基酸和结合二肽和三肽的AGEs）可以通过简单扩散或肽转运蛋白被吸收，但交联的低分子AGEs由于其对消化酶的抵抗力，很难被肠道吸收。除此之外，高分子量AGEs不能在上消化道消化，这是由于交联和蛋白质聚集。通过大肠，作为粪便排泄或作为结肠微生物的发酵底物[14]。有研究表明，尿CML和粪便CML水平与AGEs摄入量有关[15]。但经细菌发酵后，氨基酸可能进一步形成有毒代谢物的底物。根据动力学研究估计，食源性AGEs摄入量为10%～30%，被肠道吸收并进入体内循环系统[16-17]。通过放射性标记AGEs发现最先累积的部位为肾脏和肝脏组织，同时AGEs可通过循环分布在全身各个部位[18-19]。18名健康志愿者食用椒盐脆饼棒、咖啡或含一定量的MRPs（果糖赖氨酸、吡咯啉、戊糖苷等）的奶油，对其尿液中的MRPs进行分析，发现食用椒盐脆饼棒和咖啡会导致尿样中吡咯碱和戊糖苷含量增加。在椒盐脆饼棒中存在的吡咯碱中，约有50%是从尿液中回收的。戊糖苷的回收率是从咖啡酿造中摄取的游离衍生物的60%[20]。研究发现通过对比健康大鼠和5/6肾切除大鼠，发现面包皮里的CEL、CML和戊糖苷可以被肝脏，肾脏和血浆吸收，然后经过尿液排出[21]。这些研究表明食品中AGEs会在体内积累，对人体造成危害。

2 AGEs对糖尿病及其并发症的影响

2.1 AGEs对糖尿病的影响

糖尿病是一种因多种因素引起的以高血糖为特征的代谢性疾病。目前，我国糖尿病发病人数高达1.16亿，位居世界第一，其中糖尿病年轻化的趋势越来越明显，这与食源性AGEs的积累有所联系。许多研究表明AGEs参与糖尿病的形成。其中，糖尿病人中AGEs含量比非糖尿病人高，宋登华等[22]通过比较糖尿病认知功能障碍组和糖尿病非认知功能障碍组中的血清AGEs表达水平和MoCA评分，发现血清AGEs水平与MoCA评分之间呈负相关性关系，认为血清AGEs升高是T2DM患者发生认知功能障碍的一个重要危险因素。AGEs和AGEs受体（RAGE）结合后介导细胞内一系列信号通路的激活，产生应激氧化和炎症反应，导致细胞代谢紊乱。同时细胞内AGEs的大量积累会破坏细胞内功能蛋白的正常生理功能，对细胞造成损伤，并引起其他并发症的产生[23]。

2.2 AGEs对糖尿病肾病的影响

糖尿病肾病（DKD）是最为常见的糖尿病并发症，AGEs在肾脏组织中积累促进DKD的形成。研究发现DM患者血清及组织中的AGEs水平明显高于非DM人群，其中终末期肾衰竭（ESRD）患者AGEs含量约为非肾脏疾病人群的2倍[24]。AGEs参与疾病主要通过和RAGE结合激活相关的信号通路引起肾脏损伤。RAGE能够在肾小管上皮细胞中表达，AGEs与RAGE结合引发氧化应激，产生大量的活性氧诱发细胞自噬，导致足细胞及肾小管上皮细胞自噬轴功能异常[25]，引起肾脏损伤。同时，AGEs引发细胞氧化应激（OS）与炎症反应，导致肾脏损伤。用高AGEs饲料喂养小鼠发现小鼠体内超氧化物歧化酶（SOD）升高，肾脏组织受到损伤，表明AGEs可能刺激细胞OS发生[26]。章依峰等[27]研究发现血清AGEs表达水平与糖尿病肾病患者肾损伤的程度有关，通过比较不同级别CKD患者血清中AGEs含量，得出AGEs的含量与肾损伤程度成正比。除此之外，研究发现AGEs能通过活化mTOR阻碍TFEB核转位，导致足细胞自噬障碍，引起肾脏病变[28]。AGEs也可能是通过引起肾小球系膜细胞和肾小管上皮细胞的表型转化参与肾病的形成[29]。

2.3 AGEs对糖尿病视网膜病的影响

视网膜病的发病机制复杂，苏争宏等[30]通过研究糖尿病视网膜病变和糖尿病非视网膜病变患者中AGEs含量，比较晶状体羧乙基赖氨酸、戊糖苷素、咪唑酮水平。发现AGEs与糖尿病视网膜病变密切相关，减少糖尿病患者的晶状体AGEs对预防糖尿病眼部并发症具有重要的临床意义。Kowluru等[31]研究糖尿病大鼠视网膜，发现氧化应激水平较高，导致眼周围细胞凋亡，而这种氧化应激与抗氧化剂酶超氧化物歧化酶活性呈负相关，使视网膜微血管受到损伤。AGEs除了通过增加血管通透性、氧化应激作用，促进周细胞的凋亡、新生血管生成，损伤血视网膜屏障、视网膜细胞，促使Muller胶质细胞功能紊乱，同时还与RAGE结合激活下游信号通路等途径引起视网膜病变。杨洁等[32]发现糖尿病视网膜病变神经细胞凋亡与晚期糖化终产物受体基因374T/A多态性等位基因关联较大，表明AGEs通过与RAGE结合导致视网膜神经细胞凋亡。

2.4 AGEs对糖尿病周围神经病变的影响

在高糖环境下，体内AGEs可以通过影响炎症信号通路、氧化应激、多元醇途径等导致周围神经病变[33]。AGEs的过度积累会导致神经微循环血管收缩，导致损伤神经组织的结构和功能。同时，AGEs和RAGE结合后激活的信号通路，导致神经组织缺氧造成神经元功能紊乱。研究证明AGEs与内皮细胞表面RAGE相互作用，使内皮一氧化氮合成酶（eNOS）丝氨酸残基磷酸化反应减弱，导致eNOS的活性降低一氧化氮合成减少，而使微血管舒张功能障碍[34]。Kishore等[35]研究表明，AGEs和RAGE结合激活NF-κB通路，导致促炎基因表达，包括巨噬细胞和系膜细胞（IL-1β、IGF-1、TNF-α、TGF-β）表达细胞因子和生长因子，最终诱导神经元细胞凋亡。

2.5 AGEs对糖尿病心血管病的影响

研究表明，AGEs与心血管疾病的形成密切相联。通过比较患有冠心病的糖尿病患者和不患有冠心病的糖尿病患者之间的血清AGEs，发现患有冠心病的糖尿病患者的血清AGEs的水平显著升高，这表明AGEs的积累与心血管病的生成密切相关[36]。Obayashi等[37]在糖尿病患者的冠状动脉粥样硬化病变中检测到AGEs，证明了AGEs可能导致糖尿病患者动脉粥样硬化的产生。糖尿病患者血清AGEs水平升高会间接通过其血管效应（冠状动脉功能障碍、动脉粥样硬化和血栓形成）和直接通过对心肌的直接作用加速心力衰竭的发展和进展[38]。而在前者中，AGEs与内皮细胞、平滑肌细胞和单核细胞上的细胞表面受体（RAGE）结合，从而诱导广泛的信号通路，触发炎症、动脉粥样硬化形成和血管收缩，导致冠状动脉功能障碍、动脉粥样硬化和血栓形成[39]。研究发现AGEs-RAGE相互作用还可以激活NADPH氧化酶，产生活性氧（ROS），而ROS通过改变蛋白质、脂质和核酸的结构和功能，削弱细胞水平的兴奋-收缩偶联，进而导致心脏功能障碍[40]。后者通过与蛋白质进行交联促进心血管疾病的形成，心肌和/或血管胶原与AGEs的交联影响组织的机械性能，并导致血管弹性、心肌柔韧性的降低以及血管和心肌硬度的提高，导致舒张功能障碍。还有研究发现在糖尿病性心肌病中，AGEs会引起RyR功能障碍，导致Ga2+平衡紊乱，进而导致心脏收缩能力降低，AGEs对SERCA的损害也会导致心脏舒张功能障碍[41-42]。但还有研究发现低剂量的AGEs可能对机体有保护作用，用含AGEs的面包皮作用小鼠的心脏成纤维细胞，发现当面包皮含量到30 mg/mL时，细胞活力不受影响。这可能是作用时间短，剂量低或者食源性AGEs和内源性AGEs结构不同，但具体起保护作用的结构式还有待研究[43]。

3 AGEs对神经退行性疾病的影响

研究表明，AGEs对神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病和其他不太常见的疾病，如皮克病、朊病毒病和肌萎缩性侧索硬化）的产生有影响，发现AGEs在目标组织中具有显著病理学特征的区域（如阿尔茨海默病的海马区、帕金森病的黑质和肌萎缩侧索硬化的腹侧脊髓）中积累[44]。其中过量的AGEs会导致神经受损，引起认知功能障碍。常见的认知功能障碍表现为海马突触可塑性受损，通过链脲佐菌素诱导小鼠糖尿病，检验RAGE信号对小鼠海马体的关系，发现高血糖小鼠海马区的AMPA受体功能障碍需要RAGE信号，证明AGEs参与认知功能障碍的形成[45]。Choi等[46]在阿尔茨海默病转基因小鼠模型的星形胶质细胞中发现RAGE通过星形细胞炎症导致认知功能障碍。Gasparotto等[47]研究发现，阻断海马体中的RAGE可以抑制长期的认知功能障碍。除此之外，研究发现乙二醛在神经退行性疾病中的潜在影响。在小鼠模型中的实验证据表明，乙二醛酶I在P301L转基因小鼠的颞叶皮层锥体神经元中过度表达[48]。同时研究表明糖化能促进神经毒性的发生，β-淀粉样蛋白（Ab）能够糖基化产生AGEs，而AGEs与RAGE结合激活GSK-3来增加Ab的毒性，导致神经损伤，加快阿尔兹海默病的形成[49]。

4 AGEs对肺癌的影响

用高AGE的乳酸菌饮料（5400 U/mL）喂养小鼠发现可增加肝脏表达因子VEGF的表达[50]。研究表明，AGEs与配体结合后可激活细胞内多条信号通路，引起炎症反应增强，导致组织重塑，从而引发多种肺部疾病的病理生理改变。而在Ⅰ型肺泡上皮细胞基底膜上发现RAGE表达，因此RAGE可被认为是Ⅰ型肺泡上皮细胞的特异性标志物[51]。研究发现在哺乳动物中，肺的基础RAGE表达水平最高，肺的生理性RAGE可能与AT-1细胞的粘附和扩散以及肺稳态的维持有关[52]。许多研究表明，肺癌的形成主要是由于自由基产生炎症反应[53-54]。研究表明CML和戊糖苷可与RAGE的结合，对两种非小细胞肺癌细胞系A549和CALU-6有增殖、侵袭和转移的影响[55]。这是由于A549和CALU-6产生了转化生长因子β（TGF-β），这表明CML和戊糖苷参与了肿瘤细胞的发生和发展，进一步促进了ROS和炎性细胞因子的产生。ROS的异常产生可能上调NF-κB和MAPK通路基因的表达。MAPK又激活NF-κB的表达。从而调节A549和CALU-6细胞中细胞间黏附分子-1、RAGE和基质金属蛋白酶-2（MMP-2）的表达。在长期的氧化应激条件下，细胞内ROS的产生激活了RACI介导的NF-κB信号，从而通过激活基质金属蛋白酶增强肿瘤细胞的侵袭能力[56-57]。研究表明RAGE可通过激活NF-κB，导致炎症途径激活，诱导细胞因子分泌，导致肿瘤微环境中淋巴和髓系免疫细胞数量增加，ROS产生增加，炎症反应导致肺损伤[58]。可通过对这些机制通路的阻断，来抑制肺癌的形成，这对临床治疗肺癌具有重大意义。

5 AGEs对肠道疾病的影响

目前已有研究表明，AGEs在人体内肠道组织中表达。Ling等[59]研究发现AGEs在正常和糖尿病大鼠胃及小肠的上皮细胞有表达。在肠道中食源性AGEs可能会改变肠道菌群，俞佼等[60]通过比较不同膳食结构喂养的小鼠的肠道菌群结构，发现摄入过量AGEs使肠道菌群群落丰富度降低，肠道菌群组成发生改变，使入血的内毒素增多，导致血糖升高和胰岛素抵抗。周文君等[61]研究发现AGEs干预肠道L细胞后，AGEs浓度与GLP-1分泌水平呈负相关，与炎症因子（TNF-α、IL-1、IL-6）分泌水平呈正相关，表明AGEs与RAGE结合后激活NADPH/p38 MAPK/NF-κB信号通路可能导致肠道细胞炎症损伤。其原因是AGEs氧化激活p38MAPK后活化NF-κB，促进炎症，从而导致细胞GLP-1分泌水平下降。

6 AGEs的控制以及预防方式

综上所述，AGEs能够对机体造成一系列的损伤，诱导慢性疾病的发生（表2），因此，如何控制AGEs对人体的危害值得关注。目前已知可以通过以下几种方法达到此目的：a.ACEs人工合成抑制剂：氨基胍作为一种合成化合物，常用来临床治疗糖尿病等慢性疾病。研究表明氨基胍可有效减少AGEs的形成，通过与糖基化中间产物发生反应，与羰基作用生成不活跃物质，抑制AGEs的生成[1]；b.天然抑制剂：主要来源于药用和食用植物的多酚（酚酸类、黄酮类和芪类），已有研究表明绿原酸对AGEs的形成具有抑制作用，其主要作用于阿马多里产物向糖基化终产物转换的阶段，可达到标准抗糖基化氨基胍剂的效果[62]。姜黄素作为一种天然多酚类物质，具有抗氧化，抗炎症的功效，对糖尿病等慢性疾病有治疗功效，姜黄素可通过两种方式抑制AGEs的积累：对丙酮醛（MGO）的清除能力和抗氧化能力[63]。前者由于MGO为AGEs的中间产物，可衍生形成AGEs,姜黄素可直接清除非细胞体系和人血管内皮细胞中的MGO抑制AGEs的形成。后者由于自由基可以促进糖化过程，姜黄素通过抗氧化即清除自由基来抑制AGEs的形成；c.RAGE阻断剂：目前发现esRAGE可造成与RAGE相反的作用，但具体机制并不清楚。研究发现esRAGE可消除AGEs对培养细胞的影响，并且在小鼠中过表达esRAGE可以逆转糖尿病血管功能障碍，表明esRAGE可能在机体中起到诱骗作用：已经提出了一种反馈机制，通过该机制，esRAGE可以阻止RAGE信号。除此之外还有可溶性RAGE（sRAGE）也可对RAGE起到阻断作用，抑制AGEs与RAGE的过度结合及其随后的炎症反应[64-65]。

表2 AGEs对人体的毒害及作用机制Table 2 AGEs toxicity to human body and mechanism of action

除此之外还可以通过以下手段：a.饮食控制：食源性AGEs的积累来源于食物，因此对食物中AGEs含量的控制至关重要。Jaime等[66]总结了临床低AGEs饮食治疗糖尿病和非糖尿病人群的相关研究，发现低AGEs饮食可以降低糖尿病人氧化水平、sAGEs水平和炎症反应。对于健康人群低AGEs饮食可以降低sAGEs水平，但不改变内皮功能和炎症。研究发现低AGEs的饮食可以降低胰岛素的敏感度。同时研究发现将一组糖尿病肾病患者用司维拉姆治疗再现了低AGEs饮食治疗的结果，患者体内的AGEs和炎症标志物明显降低[67]；b.运动：运动可以调节体内血糖血脂，常被用来辅助糖尿病等慢性病的治疗。研究表明对老年受试者进行6个月的体力活动干预后，受试者的BMI和sRAGE显著降低。同时研究表明在12个月内，每周进行2次太极运动，可以降低超重人群的血清AGEs的浓度[68]。

7 结论

AGEs对人体的健康有很大的影响，AGEs参与了糖尿病及其并发症等多种疾病的形成，目前对于AGEs参与疾病的分子机制还并不完全清楚，对AGEs与RAGE结合激活的不同信号通路基因进行上调和下调，寻找新的治疗手段，进一步研究给临床治疗提供新的方向，同时以AGEs为新的靶点，开发天然AGEs抑制剂，通过抑制AGEs的过度积累来阻碍疾病的形成，对人体的健康起到积极的指导作用。