糖耐量受损(impaired glucose tolerance,IGT)作为糖尿病前期的关键阶段,表现为机体对糖负荷的调节能力下降,这一阶段往往早于临床症状出现,是疾病发生发展的预警信号
[1]。流行病学数据
[2]显示,高达70%的IGT人群最终发展为糖尿病。由于IGT阶段具有可逆性,有效干预以促进其恢复正常糖耐量,对降低糖尿病发病率具有关键意义
[3]。糖耐量试验(oral glucose tolerance test,OGTT)作为早期识别IGT的核心实验室方法,通过监测糖负荷后血糖动态变化,为干预效果评估提供科学依据。
传统的代谢类疾病治疗药物与干预手段在该阶段往往难以适用。目前IGT的常用防治策略以生活方式干预为主,但由于该阶段缺乏可感知的临床症状,且多数患者存在依从性不足的问题,导致干预效果难以达到预期,进而促使疾病快速进展
[4-6]。相较于现代医学,中医学“整体观念”与“未病先防”的理念,更契合IGT这一“疾病前期状态”的干预需求。相关中药与方剂凭借独特理论体系和丰富临床经验,在改善糖耐量方面展现出显著优势,为IGT的早期干预提供了更具针对性的治疗选择。
甘草干姜汤始载于《伤寒杂病论》,是治疗虚寒肺痿、阴阳失衡的经典方剂。甘草干姜汤主治“肺中冷”“多涎唾”,是张仲景“温阳法”的代表方剂
[7]。中医学认为阳气具有温煦机体与推动气血精津液的化生、输布与转化的作用,与现代医学对物质代谢过程的定义有所相似
[8]。尽管糖尿病临床治疗以滋阴降火法为主,但多项研究
[9-12]表明,温阳法通过温阳健脾、通络泄浊等机制,在血糖调控中展现出显著优势。
值得注意的是,《伤寒论》与《金匮要略》中甘草干姜汤虽组成相同,但干姜的炮制存在差异——前者用干姜生品,后者用炮干姜。尽管此处条文缺乏干姜炮制细则的明文记载,但参照《伤寒论》中附子“炮黑,令裂,勿过焦”的要求,可推测汉代炮干姜应遵循“适度碳化而不焦枯”的原则,其“存性去毒”的理念与现代炭药“烧炭存性”的质量标准一脉相承。
中药炭药是在中医药理论指导下,通过炮制使中药部分炭化从而产生特定临床疗效的一类药物
[13]。其中,姜炭作为姜科植物姜的干燥根茎经炒炭后的炮制品,味苦而涩,其性守而不走,能入血分,具有温经止血、温脾止泻的功效
[14]。姜炭的炮制过程与碳点的制备方法类似,都是通过高温热解的方法来改变药物的部分性能,以选择性地发挥或提高药效
[15]。不同中药或不同的制备方法,产出的碳点在结构上存在差异,进而发挥不同的生物效应,如苦参炭的抗溃疡作用、荆芥炭的止血作用和血余炭治疗缺血性脑卒中的作用等
[16-18]。
本团队前期研究
[19]发现,姜炭中有一种尺寸和元素组成与碳点类似的物质,将其命名为纳米类成分(ZRC-NCs),其具有明确的降血糖活性。然而制备工艺对ZRC-NCs的药效影响尚不清楚,其对机体糖耐量的具体影响及作用机制有待深入挖掘。明确这些关键科学问题,不仅有助于揭示干姜炭的药效物质基础、推动中药炮制工艺现代化,还可能为改善糖耐量受损等疾病提供新策略。因此,本研究以糖耐量为核心评价指标,系统探究干姜炭ZRC-NCs的最佳制备工艺,旨在为后续研究与临床应用提供关键科学依据。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 动物
SPF级C57雄性小鼠136只,体质量(20±2)g,生产许可证号为SYXK(京)2020-0033,购于北京斯贝福生物技术有限公司。动物饲养于北京中医药大学实验动物中心,并获得该校实验动物伦理委员会批准(伦理编号:BUCM-4-2022040801-2008)。饲养环境温度为(24±1)℃,相对湿度为55%~65%,并采用12 h明暗交替的光照周期。除造模期间外,实验动物在饲养环境中均可自由摄食饮水。本实验相关动物实验遵循北京中医药大学有关实验动物管理和使用的规定,均符合3R原则。
1.1.2 药物
干姜药材(北京仟草中药饮片有限公司,中国,221021010);盐酸二甲双胍(北京京丰制药集团有限公司,中国,国药准字H11021508)。
1.1.3 试剂与仪器
0.9%氯化钠注射液(石家庄四药有限公司);葡萄糖粉剂(福州海王福药制药有限公司,中国,国药准字H35021006);血糖试纸条(强生上海医疗器械有限公司,中国,批准文号:国械注进20152402787);小鼠胰岛素酶联免疫试剂盒(江苏科特生物科技有限公司,中国,KT2579-A);小鼠肝糖原酶联免疫试剂盒(江苏科特生物科技有限公司,中国,KT30102-A);小鼠肌糖原酶联免疫试剂盒(江苏科特生物科技有限公司,中国,KT9296-A);马弗炉(北京中科奥博科技有限公司,中国,PXR-9);电子天平(常熟市金融砝码有限公司,中国,DY-2000);高速中药粉碎机(温岭市林大机械有限公司,中国,PFT-100A);恒温水浴锅(江苏南通科学仪器厂,中国,DHW-420);循环水式多用真空泵(郑州长城科工贸有限公司,中国,SHB-III);磁力搅拌器(上海司乐仪器有限公司,中国,BA-1A);高速冷冻离心机(中科中佳科学仪器有限公司,中国,HC-2518R);低分辨透射电子显微镜(FEI公司,美国,Tecnai G220);高分辨透射电子显微镜(日本电子株式会社,日本,JSM-6510);紫外可见分光光度计(英国Cambridge公司,英国,CECIL);傅里叶变换红外光谱仪(美国Thermo公司,美国,JEN-1230);血糖检测仪(强生上海医疗器械有限公司,中国,UltraEasy);酶标仪(美国伯腾仪器有限公司,美国,Elx800)。
1.2 实验方法
1.2.1 干姜炭的制备与产率计算
称取300 g干姜干燥药材,置于坩埚内,覆盖铝箔纸后放入马弗炉。设置300℃、325℃、350℃、375℃、400℃五个温度梯度,各温度下恒温烧制1 h。以325℃烧制为例,马弗炉先5 min升温至70℃,恒温25 min;再经25 min升温至325℃,恒温烧制1 h
[20]。待马弗炉冷却至室温,取出样品。详细记录不同温度下的干姜炭成品颜色、质地等外观性状差异。随后对烧制品进行精确称重,烧制品质量与干姜生品质量的比值即为干姜炭炭化产率。
1.2.2 干姜炭纳米类成分的提取分离
将烧制好的干姜炭粉碎成粉末,取60 g粉末放入烧杯,加1 800 mL去离子水,于100℃水浴锅加热3次,每次1 h。每次加热后,冷却至室温,用滤纸粗滤,合并滤液,再经0.22 μm微孔滤膜精滤。把滤液浓缩至60 mL,装入截留分子量1 000 Da的透析袋中。将透析袋置于含20倍体积去离子水的烧杯中,置于磁力搅拌器上透析7 d,每日换水。透析液分装到50 mL 离心管,以11 000 r·min-1转速离心15 min,弃沉淀,液体冻干得粉末,配制成1 g·mL-1溶液,存于4℃冰箱备用。
1.2.3 自然光与365 nm紫外激发荧光成像对比
将不同温度制备的干姜炭透析液分别转移至相同规格的透明石英比色皿,保证体积一致且无气泡,先在自然光下观察并记录颜色差异;再置于365 nm灯箱固定位置,在暗室中观察其荧光发光特性。
1.2.4 低分辨与高分辨透射电镜观察
取不同温度制备的ZRC-NCs溶液,稀释至适宜浓度,经0.22 μm微孔滤膜精滤,以11 000 r·min-1离心30 min。取上清液超声分散1 h后,用无菌注射器滴至铜网,覆盖培养皿防尘晾干。将样品分别用低分辨透射电镜(transmission electron microscopy,TEM)观察纳米结构、粒径分布和形貌,用高分辨透射电镜(high resolution transmission electron microscope,HRTEM)观察晶体结构和晶格间距等内部特征。
1.2.5 紫外光谱分析
以去离子水为基线,取1 mL质量浓度1 g·mL-1的样品溶液稀释8倍,取3 mL稀释液至比色皿并擦拭干净,置于紫外可见分光光度计,设置扫描范围260~600 nm进行检测,以推测不同温度制备的ZRC-NCs溶液中可能含有的共轭键。
1.2.6 红外光谱分析
称取少量溴化钾粉末于玛瑙研钵,用微量取样器取10 μL样品溶液与其混匀,研磨成细粉后压片。将傅里叶变换红外光谱仪扫描波长范围设置为400~4 000 cm-1,固定压片后迅速检测,以防空气中水分影响结果,从而获取并分析不同温度制备的ZRC-NCs的表面官能团信息。
1.2.7 药物的配制
1.2.7.1 样品溶液的配制
将300℃、325℃、350℃、375℃和400℃条件下制备的ZRC-NCs溶液按炭粉量计算配制成1 g·mL-1的溶液,按同样提取方法制备干姜生品溶液并定容至1 g·mL-1,放入4℃冰箱冷藏备用。
1.2.7.2 阳性药的配制
将盐酸二甲双胍片在研钵中研至粉末状,称取20 mg二甲双胍粉末,加入2 mL去离子水,配制成10 mg·mL-1的二甲双胍混悬液,使用振荡器充分混匀。
1.2.7.3 20%葡萄糖水的配制
称取5 g葡萄糖粉,加去离子水溶解后定容至25 mL,使用振荡器充分混匀,现配现用。
1.2.8 实验分组和给药
本研究包含两项实验:血糖测定实验和小鼠血清胰岛素、肝糖原及肌糖原水平测定实验。
血糖测定实验共设8组,每组8只,包括空白组、模型组、二甲双胍组及ZRC-NCs 300℃、325℃、350℃、375℃、400℃给药组。实验前12 h小鼠禁食不禁水,给药前尾尖采血测空腹血糖。阳性药组每只灌胃二甲双胍混悬液0.2 mL,ZRC-NCs给药组每只分别灌胃不同温度的ZRC-NCs溶液0.2 mL,随后每只小鼠灌胃0.2 mL 20%葡萄糖溶液;模型组灌胃等体积0.9%生理盐水和葡萄糖溶液,空白组灌胃等体积蒸馏水,操作顺序为先给药后给予20%葡萄糖溶液。
小鼠血清胰岛素、肝糖原及肌糖原水平测定实验共设12组,每组6只,包括空白组、模型组、二甲双胍组及ZRC-NCs 325℃组,时间梯度为10、30、90 min。实验前12 h小鼠禁食不禁水,给药时阳性药组每只灌胃二甲双胍混悬液0.2 mL,ZRC-NCs组每只灌胃325℃ ZRC-NCs溶液0.2 mL,随后各给药组每只灌胃20%葡萄糖溶液0.2 mL;模型组灌胃等体积0.9%生理盐水和葡萄糖溶液,空白组灌胃等体积蒸馏水,操作顺序为先给药后给葡萄糖。
1.2.9 血糖测定
给药后,按照编号顺序分别测定给药后10 min、15 min、30 min、45 min、60 min、90 min、120 min、150 min的血糖并记录,测定血糖的方法为尾尖采血,整个实验过程中,所有小鼠禁食不禁水。
1.2.10 小鼠血清胰岛素、肝糖原及肌糖原水平测定
给药后按灌胃葡萄糖水时间点麻醉小鼠,眼球取血,室温静置60 min后,4℃冰箱静置4~6 h分离血清;同时取肝脏、右下肢肌肉称重记录后冻存。将血液以3 000 r·min-1 离心15 min获取血清,肝脏、肌肉组织分别加入10倍体积生理盐水,冰浴匀浆后同样以3 000 r·min-1离心15 min获取上清液,所得血清及组织匀浆上清液均于-80℃冰箱保存。后续按ELISA试剂盒说明书,用酶标仪测450 nm吸光度(OD值),通过标准曲线分别计算小鼠血清胰岛素、肝糖原及肌糖原含量。
1.3 统计学方法
实验数据使用SPSS 26.0统计软件分析,结果以均数±标准差(±s)表示。服从正态分布,同时方差齐则用单因素方差分析,组间两两差异则运用LSD方法统计,P<0.05为差异有统计学意义。使用GraphPad Prism 9.0展示数据结果。
2 结果
2.1 不同温度条件对ZRC外观的影响
在时间条件保持一致的前提下,设置300℃、325℃、350℃、375℃和400℃五个不同温度条件,研究其对干姜炭外观的影响。结果发现干姜生品呈片状,切面为灰黄色,表面可见较多纵向纤维,与《中国药典》对干姜形状的相关描述一致。
不同温度条件下制备的干姜炭呈现出显著差异。300℃制备的干姜炭,颜色由灰黄色变为棕褐色至深褐色,炭化不均,气味辛辣,不符合《中国药典》姜炭表面焦黑色、内部棕褐色的标准,属“炭化不及”;325℃制备的干姜炭,表面焦黑,内部棕褐,质地松脆且炭化均匀,符合典籍描述;350℃制备的干姜炭,表面与内部均为焦黑色,炭化完全;375℃制备的干姜炭,表面全黑,出现断裂、碎屑;400℃制备的干姜炭,外观破坏严重,底部有粉末,存在灰化现象,属“炭化太过”。可见,随温度升高,干姜炭黑色加深、炭化程度加剧,325℃和350℃制备的干姜炭最接近“烧黑存性”的炮制标准。
2.2 不同温度条件下制备的干姜炭炭化产率
在300~400℃炭化温度范围内,干姜炭的成炭质量与产率均随温度升高呈显著递减趋势。见
表1。
2.3 不同温度条件下制备的干姜炭透析液颜色与荧光特性
随制备温度升高,干姜炭透析液颜色由深变浅,365 nm紫外光下荧光发光强度逐渐递减。
2.4 不同温度条件下制备的干姜炭中ZRC-NCs粒径与形貌特征分析
干姜炭经高温炭化、粉碎、煎煮、过滤、浓缩、透析等流程制得透析液,经提取纯化后对其中ZRC-NCs的粒径与形貌特征进行分析。结果显示,各温度条件下制备的ZRC-NCs均为纳米级成分,粒径尺寸均在10 nm以下,但不同温度对其分散性、均一度及形貌表现影响显著。其中,300℃制得的纳米类成分分散性好但颗粒大、均一度差;325℃和350℃制得的成分粒径分布清晰、分散均匀;375℃与400℃制得的成分分布量多,但分别存在聚集和清晰度差的问题。
利用Image J软件进一步对干姜炭纳米类成分的粒径分布等特征进行分析。可见300℃、325℃和 350℃条件下制备的ZRC-NCs粒径分布较为均匀,而375℃和400℃条件下制备的ZRC-NCs粒径尺寸相对较小。具体来看,300℃、325℃、350℃、375℃、400℃ ZRC-NCs的粒径分布范围分别为0~5 nm、0~5 nm、2~5 nm、0~3 nm、0~4 nm。由此可见,300℃、325℃和350℃是ZRC-NCs粒径分散度较好的制备条件。上述结果表明,不同温度下制备的ZRC-NCs粒径差异,可能与其光学性质、基团信息以及生物活性存在关联。见
图1。
通过HRTEM对ZRC-NCs的晶体结构进行分析,结果显示不同温度制备的ZRC-NCs均呈现为近球形颗粒形态,且晶格间距存在细微差异。300℃、325℃、350℃、375℃、400℃条件下,ZRC-NCs晶格间距分别为0.207 nm、0.209 nm、0.211 nm、0.208 nm、0.210 nm。
2.5 不同温度条件下制备的干姜炭中ZRC-NCs的紫外光谱特征分析
通过全波长扫描的紫外光谱,对不同温度条件下制备的干姜炭纳米成分表面结构进行初步分析。300℃、325℃、350℃、375℃、400℃条件下制备出的干姜炭纳米类成分在200~300 nm和300~400 nm处均有微弱的紫外吸收峰,分别对应着C=C共轭双键中的π-π*跃迁和C=O/C=N杂原子双键的π-π*跃迁
[21]。其中,325℃条件下制备的干姜炭纳米类成分在260 nm处具有相对其他组更为明显的π-π*跃迁,这表明其表面可能分布着更为丰富的C=C共轭双键。见
图2。
2.6 不同温度条件下制备的干姜炭中ZRC-NCs的红外光谱图特征分析
为了进一步探索不同温度条件对于制备的ZRC-NCs表面官能团分布的影响,本研究采用了红外光谱法对不同温度制备的干姜炭样品粉末进行了分析。实验结果显示,红外光谱中均有约3 448 cm
-1、2 919 cm
-1、2 866 cm
-1、1 640 cm
-1、1 392 cm
-1和1 098 cm
-1的吸收峰,根据光谱进行分析,3 448 cm
-1左右的吸收峰主要对应着O-H键的伸缩振动,2 919 cm
-1和2 866 cm
-1左右的吸收峰可能与C-H键的伸缩振动有关,1 640 cm
-1左右的吸收峰可能为C=O键的伸缩振动,1 392 cm
-1左右的吸收峰可能对应着C-N键的伸缩振动,1 098 cm
-1左右的吸收峰通常与C-O-C键的伸缩振动有关
[22-26]。各温度的实验样品中均含有上文提到的吸收峰,这说明温度变化并不会对于表面基团的存在有根本性的影响。通过比对不同温度制备的样品的红外光谱可知,制备温度的变化对于干姜炭纳米类成分中官能团的峰位和峰强具有一定的影响。从整体变化的角度分析,较低的制备温度可能会保留更多的表面基团。目前,许多研究
[27-28]证明,官能团的变化是影响纳米类成分生物活性的关键因素之一。因此,不同制备条件造成的表面官能团差异可能是其生物活性差异的重要影响因素之一。见
图3。
2.7 不同温度条件制备的ZRC-NCs对小鼠血糖的影响
综合表征数据及血糖测定结果,325℃制备的ZRC-NCs在结构特征和降糖效果方面均表现出显著优势,故选定该条件下的ZRC-NCs开展后续血清胰岛素,肝糖原和肌糖原水平测定实验。见
图4,
表2。
2.8 325℃ ZRC-NCs对不同时间段小鼠血清胰岛素、肝糖原、肌糖原的影响
3 讨论
本研究发现,干姜炭的炭化程度与制备温度呈正相关,但产率随温度升高而显著下降。325℃时炭化均匀,符合传统“烧炭存性”标准,而在400℃时出现灰化,提示温度过高会导致有效成分流失。这与《伤寒论》中附子“炮黑勿过焦”的炮制理念一致,印证了适度炭化对保留药效的重要性。
对于不同温度制备的干姜炭提取得到的ZRC-NCs,在粒径、晶格及光学特征等方面存在差异。300℃、325℃和350℃条件下制备的ZRC-NCs粒径分布更为均匀,375℃和400℃制备的粒径相对较小;各温度下ZRC-NCs的晶格间距略有不同;紫外光谱和红外光谱分析结果显示,温度影响了其表面共轭键和官能团的分布。
在ZRC-NCs对小鼠血糖调节作用的研究中,通过构建小鼠高糖模型,观察到不同温度制备的ZRC-NCs对血糖调节作用呈现明显阶段性特征。在升糖阶段(0~15 min),除375℃ ZRC-NCs组外,其余给药组均能减缓葡萄糖吸收,且血糖峰值低于模型组;在降糖阶段(15~90 min),325℃ ZRC-NCs组和二甲双胍组血糖下降速率显著快于其它ZRC-NCs组,90 min时,血糖分别降至8.7 mmol•L-1和6.3 mmol•L-1;在稳态阶段(90~150 min),阳性药组90 min时血糖恢复正常,各ZRC-NCs组150 min时血糖趋于正常,其中325℃组下降趋势最平稳。综合血糖动态曲线及峰值数据,325℃和350℃制备的ZRC-NCs降糖效果显著,尤以325℃组最佳,其血糖峰值更低且全程波动更小,提示该温度下的纳米成分可能具有更优的葡萄糖转运调控能力。结合表征与降糖实验结果显示,325℃ ZRC-NCs的结构特征与降糖性能优势显著,故选择其进行后续血清胰岛素、肝糖原及肌糖原水平测定,以深入探究其作用机制。
从血糖调控机制分析,血清胰岛素作为核心调节激素,通过双重作用维持血糖稳态:一方面抑制肝脏内源性葡萄糖生成,另一方面增强肝脏及骨骼肌对外周葡萄糖的摄取。胰岛素通过激活磷酸酶使糖原合成酶去磷酸化,显著提升该酶活性,从而高效催化糖原生物合成
[29]。糖原作为葡萄糖的多聚储存形式,主要分布于肝细胞与肌细胞,形成肝糖原和肌糖原两大储备库
[30]。当血糖升高时,肝、肌组织加速糖原合成以防止高血糖;低血糖状态下,肝糖原迅速分解为葡萄糖释放入血;肌糖原则经糖酵解产生乳酸,通过循环转运至肝脏,经糖异生重新转化为可利用的糖类
[31]。这种胰岛素介导的双向动态平衡机制构成了机体血糖调控的核心环节。
在本实验中,二甲双胍组与325℃ ZRC-NCs组的胰岛素含量显著上升,表明325℃ ZRC-NCs可通过刺激胰岛素分泌进而调节机体血糖水平。值得注意的是,325℃ ZRC-NCs干预后,各时间点肝糖原含量未呈现明显升高,这可能与肝糖原合成需通过三碳途径间接完成,而非由葡萄糖直接合成有关。此外,尽管二甲双胍组和325℃ ZRC-NCs组的肌糖原含量呈上升趋势,但实验未观察到统计学意义上的显著变化。综上所述,325℃ ZRC-NCs的降糖作用主要依赖于促进胰岛素分泌,而非通过显著促进肝肌糖原合成实现。
综上所述,本研究初步明确了ZRC-NCs的制备工艺与改善糖耐量效果之间的关系,为后续深度开发奠定了关键实验基础。然而当前对ZRC-NCs的机制解析,需在未来进一步开展体内外实验,建立生物安全性评价模型,并实现其在糖耐量受损等疾病领域的精准应用。
北京市自然科学基金资助项目(7252227)
中央高校基本科研业务费壶天学者项目(90011451310098)