國立臺東大學生命科學系碩士論文 Department of Life Science National Taitung University Master Thesis

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國立臺東大學生命科學系碩士論文

Department of Life Science National Taitung University Master Thesis

指導教授：李俊霖博士 Advisor: Chun-Lin Lee, Ph.D.

紅麴菌黃色素萃取物對 streptozotocin 合併 nicotinamide 誘發糖尿病及併發肝腎毒性之影響

Effect of Monascus-produced Yellow Pigments Extracts on Streptozotocin plus Nicotinamide-induced Diabetic and

Diabetes-induced Hepatorenal Injuries

研究生：佘文良 Student: Wen-Liang She

中華民國 107 年 7 月

July, 2018

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謝誌

在台東大學就讀的時間中，首先最感謝的是我的指導教授李俊霖博士，感謝您在我大學時期讓我加入您的實驗室，在這裡我學習到實驗的基礎，培養對生物科技的興趣，讓我遇到許多學長姐與學弟妹的幫助，也讓我學習到很多難能可貴的經驗，同時奠定我完成論文的基礎。在完成論文的過程中，老師您總是不厭其煩的回答我的問題、解決論文上的煩惱，不時的提出建議與問題，讓我可以不斷的去思考，不停的翻閱文獻，培養出我們良好的研究態度，使我們在這樣的過程中默默地學習以及成長，再次由衷地感謝老師讓我有機會在您的實驗室中學習與成長。

再者要感謝為我進行口試審查的委員們，感謝潘子明博士、蔡宗佑博士與林志輝博士花費大量的時間與精力審閱論文，並提出許多寶貴的建議，也指點我錯誤的地方，使我的論文可以更加完美。另外，也要感謝系辦行政助理蘇怡菁學姊，

學姊很耐心地給予行政處裡的幫助，解決我在行政上不懂的問題，讓我能夠順利跑完行政的流程。

在實驗室與研究所的兩年中，也遇過許多困難的關卡，但我遇見許多貴人幫助，除了感謝俊霖老師以外，也要感謝昭如學姊、宇平學長與鈞鼎學長平時的教導，在他們身上我學習到不僅是對研究的態度，更多的是人與人之間的相處方式；

同時也感謝我在大學時期的同學與好友裕蘋、欣華、瑜庭、翰霂以及一起讀研究所的彥忠與中佑，這些日子以來感謝有你們的陪伴，一起解決實驗上的問題、一起分享實驗過程與經驗，互相扶持，讓我知道我不是孤軍奮戰。次外，也要感謝實驗室的學弟妹惠雯、健恩、宥儒、元德、崇銘、逸文、芷希、秀琦等人在實驗上的幫助，讓我的研究與論文能順利完成，希望你們未來的路途上，也能順順利利，也能勇於挑戰，邁向美好的人生。

最後要感謝我的家人，感謝父母無私的付出，並尊重我選擇的道路，感謝姊姊總是在我迷茫的時候，提供我寶貴的建言，在我求學的路上，感謝一路有你們，

在這裡很高興與你們分享我的喜悅，謝謝你們。

佘文良臺東大學生命科學研究所中華民國一百零七年七月

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中文摘要

隨著國人飲食型態改變，許多慢性疾病的發病率也逐年提升，而糖尿病 (diabetes mellitus, DM) 長久以來為台灣地區十大死因之一，DM 會干擾葡萄糖的代謝及脂質的平衡，導致高血糖和血脂異常，並可能因糖尿病而併發心腦血管 疾病與肝腎損傷。研究指出，紅麴菌 (Monascus) 生產之黃色素 monascin 與 ankaflavin 具有抗氧化及抗發炎之功效，並於高劑量下可降低糖尿病大鼠空腹血糖與尿糖，減緩糖尿病的病症，但對併發之肝腎損傷的改善效果仍研究較少。為使紅麴黃色素未來能實際應用，並開發為調節血糖之保健原料，本研究以主要成分為 monascin 與 ankaflavin 之紅麴黃色素萃取物探討不同餵食劑量下對糖尿病及併發肝腎損傷之改善效果及機制。動物以腹腔注射 streptozotocin (STZ) 合併 nicotinamide (NA) 誘導，誘發大鼠第二型糖尿病併發肝腎損傷之動物模式。

為期 8 周之動物實驗，分別給予不同劑量之紅麴黃色素萃取物，以探討對血糖調節與肝腎損傷之改善效果。結果顯示以腹腔注射 STZ 合併 NA 可顯著提升大鼠空腹血糖，並顯著降低胰島素含量與胰島素阻抗 (Homeostatic Model Assessment Insulin Resistance, HOMA-IR) (p<0.05)，產生糖尿病徵；亦會顯著提 升血液中肝損傷指標麩草酸轉胺基酵素 (aspartate aminotransferase, AST)、麩丙 酮轉胺基酵素 (alanine aminotransferase, ALT) 活性 (p<0.05) 與腎損傷指標血尿 素氮 (blood urea nitrogen, BUN)、肌酐酸(creatinine) 含量 (p<0.05)，顯示模式動 物已併發肝腎毒性。餵食 8 周紅麴黃色素萃取物可顯著改善 AST、ALT 活性 與 BUN、肌酐酸含量 (p<0.05)，顯著降低糖尿病大鼠空腹血糖與顯著提升胰島 素含量 (p<0.05)，並改善胰島素阻抗達到調節血糖之功效；同時可減少肝臟及腎 臟中脂質過氧化產物丙二醛 (malondialdehyde, MDA) 的含量 (p<0.05)，以及顯 著提升肝臟及腎臟中抗氧化酵素 (superoxide dismutase, SOD、catalase, CAT、

glutathione peroxidase, GPx) 之活性 (p<0.05)，以減少因糖尿病所導致肝臟及腎 臟中所產生的氧化壓力。此外結果顯示餵食紅麴黃色素萃取物可明顯降低糖尿病大鼠肝臟中多元醇途徑之主要酵素醛糖還原酶 (aldose reductase, AR) 與山梨醇 脫氫酶 (sorbitol dehydrogenase, SDH) 表現量與活性 (p<0.05)，並減少發炎因子 (tumor necrosis factor-α, TNF-α、interleukin-1β, IL-1β 與 interleukin-6, IL-6) 表現 量 (p<0.05)；糖尿病會導致腎臟產生發炎反應，並造成細胞外基質大量堆積在腎 臟中產生腎纖維化，而餵食紅麴黃色素萃取物能夠顯著降低糖尿病大鼠腎臟中血管內皮生長因子 (vascular endothelial growth factor, VEGF) 與發炎因子 (TNF-α、

IL-1β 與 IL-6) 表現量 (p<0.05)，以及降低促纖維化因子 (alpha smooth muscle

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actin, α-SMA、matrix metalloproteinases-9, MMP-9) 表現量。綜合以上結果，紅麴黃色素萃取物可透過改善胰島素阻抗、調降肝臟中多元醇途徑之活性、提升肝臟與腎臟中抗氧化酵素活性，並抑制肝腎中的發炎反應以及調控腎臟中促纖維化因子，達到改善糖尿病以及糖尿病併發肝腎損傷之效果，且於低劑量之試驗物質時就能夠有良好的改善功效，並具有劑量效應。

關鍵字：紅麴黃色素萃取物、糖尿病、糖尿病腎損傷、肝腎損傷

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Abstract

With the change of eating habits of Taiwanese, the incidence of many chronic disease has been increased. Diabetes mellitus (DM) has long been one among the top ten leading causes of death for long time. DM interferes the metabolism of glucose and balance of lipid, leading to hyperglycemia and dyslipidemia, and further causes cardio-cerebrovascular diseases and hepatorenal injury. Previous studies have shown that Monascus-produced yellow pigments extracts with anti-oxidative and anti-inflammatory effect decreasd the blood and urine sugar of the diabetic rats on an empty stomach, relieving symptoms of DM. However, the effect on the improvement of hepatorenal injury requires further study. Therefore, this study aims to investigate the effect and mechanisms of Monascus-produced yellow pigments extracts including the hight concentrations of monascin and ankaflavin on the improvement of the hepatorenal injuries of streptozotocin (STZ)-induced diabetic. The rats were injuected protectant nicotinamide (NA), and then injected STZ in order to induce the animal model of the rats’ type II diabetic and diabetic induced hepatorenal injuries. After eight weeks. In order to investigate the effect of Monascus-produced yellow pigments extracts on the regulation of blood glucose and the protection against hepatorenal injuries, the rats were fed daily various doses of Monascus-produced yellow pigments extracts by oral gavage. The result shows that STZ combined with NA can eminently increase the glucose and decrease insulin levels in blood and homeostasis model assessment insulin resistance (HOMA-IR), leading to diabetes. It would also increase the indicator of liver the activites of aspartate aminotransferase (AST) and alanine aminotransferase (ALT) (p<0.05), and the amount of the indicator of renal injuries:

blood urea nitrogen (BUN) and creatinine (p<0.05), showing the diabetes-induced hepatorenal injuries. Eight weeks of gavage of Monascus-produced yellow pigments extracts prominently decreased the activity of AST and ALT and the levels of BUN and creatinine (p<0.05). The blood glucose was significantly decreased and the insulin (p<0.05) was increased. The amount of HOMA-IR decreased and the balance of blood sugar is achieved. In terms of diabetes-induced renal injuries, the gavage of

Monascus-produced yellow pigments extracts can also enhance the activity of the

anti-oxidation enzyme (superoxide dismutase (SOD) and glutathione peroxidase (GPx) (p<0.05) in the kidney, thus decreasing diabetes-induced oxidative damages and

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diabetes-induced renal injuries. Besides, Monascus-produced yellow pigments extracts also decreased the activity of aldose reductase (AR) and sorbitol dehydrogenase (SDH) in the liver (p<0.05), and decrease the expressions of inflammatory factors (tumor necrosis factor-α, TNF-α; interleukin-1β, IL-1β and interleukin-6, IL-6) (p<0.05). Diabetes can cause inflammatory response in the kidney and induce renal fibrosis with accumulation of extracellular matrix. The result show that daily feeding Monascus-produced yellow pigments extracts prominently decrease the expressions of vascular endothelial growth factor (VEGF) and inflammatory factors (TNF-α, IL-1β and IL-6), and also decrease the expressions of profibrosis factors (alpha smooth muscle actin, α-SMA and matrix metalloproteinases-9, MMP-9 ) (p<0.05). In conclusion, Monascus-produced yellow pigments extracts improve diabetes and diabetes-induced liver injury by improving insulin resistance, reducing activity of the polyol pathway in the liver, suppressing inflammation of the liver and kidney, and regulating pro fibrosis factor. By the way, the low dosage has had good protection, against liver and renal injuries induced by diabetes, furthermore, dose-response dependent effect could be found with increasing doses.

Keywords: Monascus-produced yellow pigments extracts, Diabetes, Diabetes-induced renal injuries, Hepatorenal injuries

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縮寫表

•O2–

(superoxide anion)：超氧陰離子

•OH (hydroxyl radical)：氫氧自由基 AAP (acetaminophen)：乙醯胺基酚

ADA (American Diabetes Association)：美國糖尿病協會

AGEs (advanced glycation end products)：晚期醣基化最終產物 AR (aldose reductase)：醛糖還原酶

ARI (aldose reductase inhibitors)：醛糖還原酶抑制劑 CAT (catalase)：過氧化氫酶

ChREBP (carbohydrate response element-binding protein)：碳水化合物反應元件結合蛋白

COX-2 (cyclooxygenase-2)：第二型環氧化酶 DKD (diabetic kidney disease)：糖尿病腎臟疾病 DLD (diabetic liver disease)：糖尿病性肝損傷 DM (diabetes mellitus)：糖尿病

DMBA (7,12-dimethyl-1,2- benz[a]anthracene)：二甲基苯蔥 DN (diabetic nephropathy)：糖尿病腎臟病變

DPP-4 (dipeptidyl peptidase-4)：二肽基肽酶-4

DPPH (a,a-diphenyl-ß-picrylhydrazyl)：1,1-二苯基-2-三硝基苯肼 eNOS (endothelial NOS)：內皮性一氧化氮合成酶

GDM (gestational diabetes mellitus)：妊娠型糖尿病 GLUT-1 (glucose transporters 1)：葡萄糖轉運蛋白-1 GLUT-2 (glucose transporters 2)：葡萄糖轉運蛋白-2 GLUT-3 (glucose transporters 3)：葡萄糖轉運蛋白-3 GLUT-4 (glucose transporters 4)：葡萄糖轉運蛋白-4 GLUTs (glucose transporters)：葡萄糖轉運蛋白 GPx (glutathione peroxidase)：穀胱甘肽過氧化酶 GRd (glutathione reductase)：穀胱甘肽還原酶 GSH (glutathione)：穀胱甘肽

GST (glutathione-S-transferase)：穀胱甘肽-S-轉移酵素 HbA1c (glycated hemoglobin)：糖化血色素

HMG-CoA reductase (3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase)：3-羥基-3- 甲基戊二酸醯輔酶還原酶

IDDM (insulin-dependent diabetes mellitus)：胰島素依賴型糖尿病 IFG (impaired fasting glucose)：空腹血糖偏高

IGT (impaired glucose tolerance)：葡萄糖不耐受性 IL-1β (interleukin-1β)：介白素-1β

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IL-6 (interleukins-6)：介白素-6

iNOS (inducible NOS)：誘發型一氧化氮合成酶 IR (insulin receptor)：胰島素受體

IRS-1 (insulin receptor substrate-1)：胰島素接受器 JNK (c-Jun N-terminal kinase)：c-Jun N 端蛋白質激酶

LDL-C (low-density lipoprotein cholesterol)：低密度脂蛋白膽固醇 LPO (lipid peroxidation)：脂質過氧化

LPS (lipopolysaccaride)：脂多醣

MAP (mean arterial pressure)：平均動脈壓

MCP-1 (monocyte chemoattractant protein-1)：單核球趨化蛋白-1 MDA (malondialdehyde)：丙二醛

MG (methylglyoxal)：甲基乙二醛

MODY (maturity onset diabetes of the young)：成年型糖尿病 NA (nicotinamide)：菸鹼醯胺

NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide)：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸

NADPH (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)：還原態菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸

NADPH oxidase (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate-oxidase)：還原態菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶

NAFLD (non-alcoholic fatty liver disease)：非酒精性脂肪肝

NF-κB (nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells)：核因子活化 B 細胞 κ 輕鏈增強子

NIDDM (noninsulin-dependent diabetes mellitus)：非胰島素依賴型糖尿病 NO (nitric oxide)：一氧化氮

Nrf-2 (nuclear factor-erythroid 2-related factor-2)：NF-E2 相關因子-2 OGTT (oral glucose tolerance test)：口服葡萄糖耐受試驗

OVA (ovalbumin)：卵白蛋白

PARP (poly-ADP-ribose polymerase)

PEPCK (phosphoenolpyruvate carboxykinase)

PGC-1α (PPARγ coactivator-1α)：PPAR-γ 共活化因子-1α PKC (protein kinase C)：蛋白激酶 C

PPAR-α (peroxisome proliferator-activated receptor-α)：過氧化體增殖活化受體-α PPAR-γ (peroxisome proliferator-activated receptor-γ)：過氧化體增殖活化受體-γ RAGE (receptor for advanced glycation endproducts)：晚期醣基化最終產物受體 ROS (reactive oxygen species)：活性氧物質

SBP (systolic blood pressure)：收縮壓

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SOD (superoxide dismutase)：超氧化物歧化酶 STZ (streptozotocin)：鏈佐黴素

SU (sulfonylureas)：磺醯尿素 TC (total cholesterol)：總膽固醇 TG (triglyceride)：三酸甘油酯

TNF-α (tumor necrosis factor-α)：腫瘤壞死因子-α TPA (12-O-tetradecanoylphorbol-13-acetate)

TZDs (thiazolidinedione)：噻唑烷二酮

WHO (World Health Organization)：世界衛生組織 α-SMA (α-smooth muscle actin)：α-平滑肌肌動蛋白

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前言

世界衛生組織 (World Health Organization, WHO) 2016 年 11 月統計資料指出，全球糖尿病患者人數自 1980 年的 1.08 億上升至 4.22 億，並推估到了 2040 年，全球將有 6.4 億名的糖尿病患者。根據衛生福利部統計，台灣糖尿病患者自 2005 年至 2015 年間增加 75 萬名，且糖尿病為全國十大死因之一，每年有近萬人因糖尿病而死亡，糖尿病及其所引起的併發症嚴重影響著國人的健康 (衛生福利部，2016)。糖尿病 (diabetes mellitus, DM) 是體內糖類代謝障礙所導致的慢性疾病，其主要原因是由於胰島素阻抗、胰臟無法分泌胰島素或以上兩者同時發生所導致的慢性代謝性疾病；進一步將各種引起糖尿病的原因歸納出第一型糖尿病、第二型糖尿病、妊娠型糖尿病與其他原因所造成之糖尿病，其中在台灣第二型糖尿病占糖尿病病患的 95%，而造成第二型糖尿病的主要因素是由於飲食習慣的改變，現代人攝食大量精緻飲食與高反式脂肪的食物，導致血糖濃度長期過高 (Gardner and Shoback, 2011b)；長期過高的血糖會導致晚期醣基化最終產物 (advanced glycation end products, AGEs) 大量產生，促進活性氧物質 (reactive oxygen species, ROS) 的積累，並促使 c-Jun N-terminal kinase (JNK) 表現量提升，抑制 insulin receptor substrate-1 (IRS-1) 表現量，進而導致胰島素阻抗產生，最終導致第二型糖尿病發生 (Wei et al., 2007)。胰島素阻抗發生導致肝臟與肌肉組織無法將葡萄糖轉運至細胞中進行代謝，血液中過多的葡萄糖會醣基化，並產生大量的 ROS 間接導致 interleukin-1β (IL-1β) 與 tumor necrosis factor-α (TNF-α) 等發炎因子之表現量上升 (Vaarala and Yki-Jarvinen, 2012)。

長期高血糖不僅會造成胰島素阻抗、氧化壓力與發炎反應，亦會使負責代謝血糖的主要器官肝臟及腎臟造成嚴重的損傷，高血糖促使腎臟微血管循環紊亂與蛋白質醣基化程度提升，導致腎小球受損並失去保留血液蛋白的能力，使蛋白質進入尿液中，最終導致尿蛋白提升 (Piccoli et al., 2015)；高血糖症引起肝糖在肝臟中堆積以及肝臟微血管病變，影響肝功能，肝功能受損導致碳水化合物與脂質代謝紊亂，且降血糖藥物亦會對肝臟產生損傷，兩者互相影響導致惡性循環 (Day and James, 1998)。

紅麴菌 (Monascus spp.) 與其發酵產物於近幾年來逐漸被研究指出具有多 種保健功效。先前研究中發現，紅麴菌可以有效調節血糖濃度 (玉田， 1988)；

在 streptozotocin (STZ) 誘導大鼠糖尿病動物模式中，以靜脈注射葡萄糖耐量測

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近年來紅麴的研究方向著重於功能性次級代謝產物之開發，其中紅麴黃色素萃取物被指出具有多種生理活性與功效成分，主要以 monascin (MS) 與 ankaflavin (AK) 為主，文獻指出具有降低血清中三酸甘油酯 (triglyceride, TG)、總膽固醇 (total cholesterol, TG) 與低密度脂蛋白膽固醇 (low-density lipoprotein cholesterol, LDL-C) 等降血脂之功效，亦可調控 nuclear factor-erythroid 2-related factor-2 (Nrf-2) 進而產生抗發炎與抗氧化等作用，並提高胰島素敏感性，以預防糖尿病所誘導之發炎反應 (Hsu et al., 2011; Lee et al., 2012; Lee et al., 2013d)。此外 MS 在 peroxisome proliferative-activate receptor-γ (PPAR-γ) 拮抗劑 (GW9662) 試驗中，可作為 PPAR-γ 促進劑，增加細胞對胰島素的敏感度，對改善胰島素阻抗具有良好之功效 (Lee et al., 2011a)；而 AK 在甲基乙二醛 (methylglyoxal, MG) 誘導大鼠糖尿病之動物模式中，可上調 Nrf-2 之表現量，進而增強抗氧化酵素活性，亦可降低 IL-1β 與 TNF-α 表現量，並促進 peroxisome proliferator-activated receptor-α (PPAR-α) 作用，增加胰島素之敏感性 (Lee et al., 2012)。

本研究探討紅麴 Monascus purpureus NTU 568 之黃色素萃取物對糖尿病及 併發肝腎損傷之影響，為模擬第二型糖尿病之病徵與糖尿病併發腎臟與肝臟損傷，

以 STZ 合併 nicotinamide (NA) 誘發糖尿病模式動物，每日餵食不同劑量之紅麴色素萃取物，探討對糖尿病之改善效果，並於 8 周的試驗中，每 2 周進行口服葡萄糖耐受試驗 (Oral Glucose Tolerance Test, OGTT) 以評估紅麴黃色素萃取物對糖尿病大鼠血糖調控之影響。此外也分析肝臟損傷指標 aspartate aminotransferase (AST)、alanine aminotransferase (ALT) 與 alkaline phosphatase (ALP)；腎臟損傷指標 blood urea nitrogen (BUN)、creatinine 與 uric acid；抗氧化酵素 superoxide dismutase (SOD)、catalase (CAT)、glutathione reductase (GRd) 與 glutathione peroxidase (GPx) 之活性；以及影響糖尿病和發炎反應之相關蛋白 glucose transporter 2 (GLUT-2)、PPAR-γ、TNF-α、interleukin-6 (IL-6) 與 IL-1β，

評估紅麴黃色素萃取物對改善糖尿病與糖尿病併發肝腎損傷之效果。

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第一章文獻回顧第一節糖尿病

糖尿病 (diabetes mellitus, DM) 為一種慢性代謝疾病，糖尿病本身對病患本身並無致命性，但若未對病情進行控管、治療，則會併發許多相關疾病，這些疾病往往是造成糖尿病病患死亡的最主要原因。世界衛生組織將不同原因所引起的糖尿病歸納出第一型糖尿病、第二型糖尿病、妊娠型糖尿病與其他因素所造成的糖尿病，其中在糖尿病患者中第二型糖尿病佔了 95% 左右，其餘 10% 主要為第一型糖尿病與妊娠型糖尿病，糖尿病主要症狀皆為持續性的高血糖，久高不降的高血糖將會帶來許多併發症 (American Diabetes, 2002)。

一、高血糖定義

當空腹 8 小時後測定血糖，若血糖大於 126 mg/dL 或餐後 2 小時血糖大於 200 mg/dL 即為罹患糖尿病，而長期的高血糖除了會演變為糖尿病外，同時也會增加罹患心血管疾病的風險。

二、糖尿病類型

(一) 第一型糖尿病 (Type I diabetes)

第一型糖尿病又稱胰島素依賴型糖尿病 (insulin-dependent diabetes mellitus, IDDM)，屬於自體免疫性疾病但目前成因不明，亦無法預防 (World Health Organization, 2016)。患者可能由於基因或自體免疫系統，破壞生成胰島素的胰臟 β 細胞所引起的，因此患者本身就缺乏胰島素，必須以注射胰島素進行治療。典型的第一型糖尿病症狀有頻尿、口渴、容易有飢餓感與體重減輕，其他症狀有傷口癒合不良、視力模糊、易感到疲憊；由於第一型糖尿病為先天性疾病，具有遺傳的風險，因此第一型糖尿病的患者親屬，罹患糖尿病的風險亦會增加 (Cooke and Plotnick, 2008)。

(二) 第二型糖尿病 (Type II diabetes)

第二型糖尿病又稱非胰島素依賴型糖尿病 (noninsulin-dependent diabetes mellitus, NIDDM)，其主要原因為細胞對胰島素缺乏反應或是細胞對胰島素反應不正常所導致，而本身胰臟並沒有任何病理問題，但隨著病情發展，胰臟分泌的

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有肥胖基因者罹患糖尿病的風險亦較高 (Ripsin et al., 2009)；與第一型糖尿病不同的是，第一型糖尿病患者身體內分泌胰島素的胰臟細胞已被破壞，無法正常代謝血液中碳水化合物，第二型糖尿病患者多由於進食大量精緻飲食與高反式脂肪的食物所造成 (Gardner and Shoback, 2011a)。第二型糖尿病好發於中高年齡層，

但近年來青少年罹患第二型糖尿病的比率逐年升高，而罹患第二型糖尿病可能減損長達約十年的壽命 (Imperatore et al., 2012; Tfayli and Arslanian, 2009)。

(三) 妊娠型糖尿病 (Gestational Diabetes Mellitus, GDM)

妊娠型糖尿病亦為一種常見的糖尿病類型，是指本身並無糖尿病症狀的女性，

在懷孕期間出現高血糖的症狀，患有妊娠糖尿病的孕婦一般沒有特別明顯的症狀，

通常是在懷孕期間被檢測出高血糖，嚴重時會導致體內電解質紊亂。患有妊娠型糖尿病的孕婦若未進行治療，不僅胎兒容易發生流產和早產，且其新生兒也存在低血糖、黃疸、低血鈣等風險，妊娠型糖尿病孕婦的後代出現先天型畸形的機率也較高 (Allen et al., 2007; Jovanovic-Peterson et al., 1997; Naylor et al., 1997)，發生妊娠型糖尿病後，將來進展為第一型或第二型糖尿病的機率也會增加。

(四) 其他類型糖尿病

其他類型糖尿病是指由其他治療或疾病所引起的糖尿病，停用會引發糖尿病的藥物，或是治療治療這些引發糖尿病的疾病可能改善糖尿病發生，不過通常無法逆轉誘發糖尿病的疾病，或停止使用引發糖尿病的藥物，下列疾病歸納於其他型糖尿病：

1. 感染症：由感染所引發糖尿病，如先天性德國麻疹、巨細胞病毒等疾病感染所引發。

2. 藥物或化學藥品所引起：由藥物或化學藥品 Glucocorticoids、Pentamisine、

Nicotinic acid、Vacor 等藥物所引起。

3. 分泌胰島素基因缺陷：如 A 型胰島素阻抗、Leprechaunism 等基因缺陷所引發。

4. 內分泌異常：內分泌疾患，如甲狀腺高能症、嗜鉻細胞瘤、庫欣氏症、肢端肥大症等。

5. 罕見免疫性糖尿病：由不常見的免疫性疾病所引發的糖尿病，如抗胰島素接收器抗體、僵體症候群 (Stiff person syndrome) 等免疫性疾病所引起。

6. 細胞基因缺陷致功能不全：胰臟 β 細胞功能遺傳缺陷，如年輕成年型糖尿病 (maturity onset diabetes of the young, MODY)、粒腺體 DNA 病變等。

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7. 外分泌性胰臟疾病：胰臟外分泌性疾病，如胰臟腫瘤、胰臟外傷、胰臟炎等。

8. 其他基因異常症候群合併糖尿病：由其他遺傳症候群合併糖尿病，如 Turner 症候群、Prader Willi 症候群等。

(五) 糖尿病診斷標準

1. 口服葡萄糖耐受試驗 (Oral Glucose Tolerance Test, OGTT)

正常人在口服葡萄糖後，葡萄糖幾乎會被腸道吸收，使血糖快速上升，此時胰臟會開始分泌胰島素，以促進組織對葡萄糖的利用，約 30 至 60 分鐘後血液中血糖濃會度達到最高峰，但血糖值並不會超過 200 mg/dL，高峰過後後血糖會迅速下降，約莫 2 小時左右血糖將會下降到接近正常水準。而糖尿病患者，耐糖功能降低，口服葡萄糖高峰值將會超過 200 mg/dL，且血糖高峰將會延遲，無法下降至接近正常水準，下列為 OGTT 診斷時各項血糖上限值：(1) 空腹 125 mg/dL (6.9 mmol/L) (2) 口服葡萄糖後 30 分鐘 190 mg/dL (10.5 mmol/L) (3) 60 分鐘後 180 mg/dL (10.0 mmol/L) (4) 120 分鐘後 140 mg/dL (7.8 mmol/L) (5) 180 分鐘後 125 mg/dL (6.9 mmol/L) (American Diabetes Association, 2000)。

2. 糖尿病診斷

根據美國糖尿病協會 (American Diabetes Association, ADA) 指出，若空腹 8 小時血糖小於 100 mg/dL (5.6 mmol/L)，即為正常血糖濃度，然而當診斷出下列幾項標準，即可判斷患上糖尿病。(1) 空腹 8 小時血糖濃度大於 126 mg/dL (7 mmol/L)。(2) 餐後 2 小時血糖濃度大於 200 mg/dL (11.1 mmol/L)。(3) 糖化血色素 (Glycated Hemoglobin, HbA1c) 大於等於 6.5%。(4) 典型高血糖症狀或嚴重的高血糖現象，其任意血糖大於 200 mg/dL (11.1 mmol/L) (American Diabetes Association, 2000)。

3. 葡萄糖耐受性失常 (impaired glucose tolerance, IGT)

空腹 8 小時靜脈血漿葡萄糖濃度小於 126 mg/dL (7.0 mmol/L)，且 OGTT 靜脈血漿葡萄糖值大於 140 mg/dL (7.8 mmol/L) 、小於 200 mg/dL (11.1 mmol/L)。

4. 空腹血糖偏高 (impaired fasting glucose, IFG)

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空腹 8 小時靜脈血漿葡萄糖濃度介於 110 mg/dL (6.1 mmol/L) 與 126 mg/dL (7 mmol/L) 之間，且 OGTT 靜脈血漿葡萄糖值小於 140 mg/dL (7.8 mmol/L)。

根據美國糖尿病協會 (American Diabetes Association, ADA) 解釋，IGT 與 IFG 是界於正常血糖與糖尿病之間的代謝異常狀態，屬於潛伏性糖尿病 (pre-diabetes) (Genuth et al., 2003)。二者的致病機轉並不完全相似，國內外的流行病學研究發現，IGT 與 IFG 的患病人數約是糖尿病病患的兩倍，經由長期的觀察也發現，這些具有潛伏性糖尿病病例個案，將來會得到心血管疾病的風險比正常人多出 1.5 倍。而且這些潛伏性糖尿病病例個案，每年亦有 5-10% 的機會會發展成第 2 型糖尿病 (Chou et al., 1998)。此外，IGT 的病人中有較多為肥胖者，

常伴隨著高血壓、高血脂症，因而發生心血管病變，造成心肌梗塞、心絞痛的危險性也相對提高 (Alberti and Zimmet, 1998; American Diabetes Association, 2000)。

三、誘導糖尿病之相關因子

(一) 血糖調控

血糖調控如圖 1-1，調控血糖對人體維持正常的生理代謝非常重要，如維持體溫、飢餓感、肝臟與肌肉對蛋白質和脂質的儲存、肌耐力等生理代謝。當體內血糖含量長期過低，將會引起顫抖、抽蓄、腦部受損，最終導致死亡；相對地當體內血糖含量長期過高，將會引起頻尿、能量代謝受損與酸中毒 (Anthony and Gerald, 1997)。在人體攝食後，經由消化及吸收，大量的葡萄糖會由肝臟進行代謝，肝臟可將葡萄糖進行儲存，亦能釋放出葡萄糖，調節血糖過低或過高的狀態 (Krssak et al., 2004)。

1. 血糖

血糖濃度主要由肝臟調控，當血糖濃度升高時，胰臟會開始分泌胰島素，胰島素會刺激葡萄糖激酶 (glucokinase) 使其活性增加，glucokinase 活化後會促進葡萄糖經由肝臟中葡萄糖轉運蛋白 2 (glucose transporters 2, GLUT-2) 轉變成 glucose 6-phosphate，最終產生丙酮酸 (pyruvate) 以供人體進行生理代謝，此外也會將多餘的葡萄糖轉變為肝糖 (glycogen) 儲存於肝臟中，並在血糖濃度過低時將肝糖分解為葡萄糖，以維持體內血糖恆定；而肝臟中的脂肪細胞亦會利用葡萄糖，當葡萄糖進入脂肪細胞後，會分解為甘油 (glycerol)，甘油會與游離的脂

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圖 1- 1 血糖代謝途徑

Fig. 1- 1 Blood glucose metabolism pathway (Toth-Manikowski and Atta, 2015)

(25)

肪酸進行結合並產生三酸甘油酯 (triglyceride, TG)，TG 會儲存於脂肪細胞中，

當體內能量不足時，便會分解脂肪細胞已提供能量 (Anthony and Gerald, 1997)。

2. 葡萄糖轉運蛋白 (glucose transporters, GLUTs)

為了維持體內的能量平衡、新陳代謝與生長，細胞攝取葡萄糖是基礎的過程，

GLUTs 主要功能是促進與協助葡萄糖與其他單醣在細胞膜上進行轉運，目前已知人體內共有 14 種 GLUTs，他們分布在不同的器官組織上，並有各自的轉運動力學 (Hediger et al., 2013; Manolescu et al., 2007; Mueckler and Thorens, 2013;

Nelson et al., 2008)。而較常見的是 GLUT 1-4，因為他們參與人體多種重要的生理代謝，GLUT-1 主要分布於紅血球、血腦障壁與纖維母細胞中，並處理最基本的葡萄糖攝取 (Dick et al., 1984)；GLUT-2 主要分布於肝臟中，負責調控進食時的葡萄糖攝取與空腹時的葡萄糖釋放，此外 GLUT-2 也負責腸道、腎臟與胰腺細胞的葡萄糖轉運，而 GLUT-2 不受胰島素的調控，但活性與血糖濃度成正比，

並與胰島素含量成反比 (Ahn et al., 1993; Fukumoto et al., 1988; Thorens et al., 1988)；GLUT-3 主要分布於腦部與神經纖維細胞，又稱為神經元葡萄糖轉運蛋白 (neuronal glucose transporter)，此外他也負責精子、植入前胚胎與循環白血球的葡萄糖轉運 (Simpson et al., 2008)；GLUT-4 主要分布於脂肪細胞與肌肉組織中，並受到胰島素的調控，胰島素經由血液輸送至目標位置後，會與脂肪細胞或肌肉細胞上的胰島素受體 (insulin receptor, IR) 結合，並刺激 GLUT-4 移動 (translocation) 至細胞膜表面，並對葡萄糖進行轉運與吸收 (Guilherme et al., 2008; James et al., 1988)。

3. 胰島素

胰島素為調控血糖的重要因子，胰島素代謝的主要位置為肝臟、脂肪細胞與肌肉，在這些細胞上都有特定的 IR；儘管胰島素不會調控肝臟中主要的葡萄糖轉運蛋白 GLUT-2，但藉由刺激肝糖合成酶與抑制肝糖分解酶活性，使葡糖糖進入肝臟中，同時胰島素會促進脂肪細胞與肌肉細胞膜上的 GLUT-4 活化，促進脂肪組織與肌肉組織快速吸收葡萄糖，脂肪組織會將葡萄糖轉為 TG 的型態儲存，而肌肉組織會將葡萄糖轉為肝糖利用，亦會刺激肌肉吸收胺基酸；所以當胰島素過低時，肝臟無法促進葡萄糖轉變為肝糖，並使脂肪組織釋放游離脂肪酸，

肌肉釋放胺基酸，這也是導致糖尿病病患儘管正常飲食或食欲增加，體重卻仍然在減經的原因 (Nussey and Whitehead, 2001)。

(二) 高血糖誘導糖尿病之相關因子

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糖尿病會增加罹患心血管疾病的風險，血液中過高的血糖會通過不同的機制作用，如活化蛋白激酶 C (protein kinase C, PKC)、多元醇與己糖胺途徑、胰島素阻抗、產生晚期醣基化最終產物 (advanced glycation end products, AGEs) 等因素導致血管嚴重的損傷。這些途徑與高血糖所導致的粒線體功能障礙和內質網損害相關，並且會促進活性氧物質 (reactive oxygen species, ROS) 的積累，對細胞造成損傷進而促進糖尿病併發症的發生與惡化，還可能增加促發炎與促凝血因子的表現，誘導細胞凋亡 (Fiorentino et al., 2013)。

1. 胰島素阻抗

胰島素阻抗 (insulin resistance) 是指肝細胞、脂肪細胞與肌肉細胞無法對正常濃度的胰島素產生反應或反應不足的現象，通常需要更高濃度的胰島素才能恢復正常的功能，造成胰島素阻抗的原因至今不明，雖然先天性的基因缺陷無疑是造成胰島素阻抗的原因，然而後天性的環境因素如生活作息、飲食與運動習慣也是造成胰島素阻抗的主因。高血糖誘導胰島素阻抗如圖 1-2，藉由造成胰島素阻抗的作用過程，可將胰島素歸納為三種 (1) 胰島素的作用目標細胞缺乏胰島素受體，或接受胰島素後作用有缺陷，此為造成肥胖與糖尿病的主要原因；(2) 胰島素在胰島素受體接受前遭到拮抗，如胰島素抗體產生；(3) 胰腺細胞分泌異常，

如胰島素突變 (DeFronzo et al., 1979; McGarry, 2002)。

胰島素阻抗在肝細胞中影響細胞對葡萄糖的吸收與儲存，在肌肉細胞中也會降低細胞對葡萄糖的吸收利用，兩者都會導致血糖濃度升高，而在脂肪細胞中胰島素阻抗導致儲存在細胞中的 TG 進行水解，並釋放大量的游離脂肪酸進入到血液中，胰島素阻抗所導致的血液中胰島素濃度與血糖濃度過高是造成代謝症候群、痛風與第二型糖尿病的主因 (Bramnert et al., 2003; Fukuchi et al., 2004)。

2. 多元醇途徑

為了維持體內葡萄糖的平衡，葡萄糖代謝會從糖解作用轉變為多元醇途徑，

導致果糖分解代謝速度較葡萄糖慢，使果糖產生堆積，果糖大量的累積，會導致 AGEs 增加，以及組織中的 ROS 增加 (Bantle, 2009)。多元醇途徑如圖 1-3，多元醇途徑酶主要分為醛糖還原酶 (aldose reductase, AR) 與山梨醇脫氫酶 (sorbitol dehydrogenase, SDH) ， AR 、 SDH 分別需要 nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) 與 nicotinamide adenine dinucleotide (NAD⁺) 作

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圖 1- 2 氧化壓力誘導胰島素阻抗

Fig. 1- 2 Induction of insulin resistance by oxidative stress. (Kim and Son, 2008)

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圖 1- 3 多元醇途徑與氧化壓力

Fig. 1- 3 Polyol pathway and oxidative stress (Oates, 2002)

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葡萄糖經由 AR 作用下產生山梨醇，山梨醇再經由 SDH 的作用下產生果糖，在活化 AR 的過程中需消耗大量的 NADPH，導致穀胱甘肽 (glutathione, GSH) 減少，結果是造成血管血流量下降，並產生大量的 ROS 造成神經損傷，

此外，神經組織內並沒有能代謝果糖的果糖激酶，無法利用果糖，導致神經細胞內的山梨醇與果糖大量堆積，使神經細胞滲透壓過高，最終導致神經細胞腫脹、

變性與死亡 (Kashihara et al., 2010)。

多元醇途徑在高血糖的症狀下被活化，使 AR 被大量活化，而 AR 透過增加山梨醇含量、減少還原型穀胱甘肽、提高 NADH/NAD 比值以及增加氧化壓力導致糖尿病惡化 (Brownlee, 2001; Nyengaard et al., 2004; Toth et al., 2007)，然而一些使用 AR 抑制劑 (aldose reductase inhibitors, ARI) 的研究結果顯示，ARI 可以緩解神經病變，改善視網膜、腎病的症狀 (Dunlop, 2000; Hotta et al., 2006; Sun et al., 2006)。

3. 醣基化

糖尿病病患在長期高血糖的狀況下，因器官無法有效利用血液中葡萄糖，容易導致蛋白質醣基化 (glycosylation)，當血糖越高時，醣基化的比例也會提高，

蛋白質一但受到醣基化就會一直維持醣基化的狀態直到蛋白質死亡，因此常以糖化血色素 (glycated hemoglobin, HbA1c) 或果糖胺 (fructosamine) 推測短期內血糖濃度。糖化血色素主要測定為紅血球中的蛋白質，而紅血球的壽命約莫 120 日，

因此可以反映出 3 至 4 個月的血糖濃度 (Puri et al., 2012)。果糖胺為包含醣基化的血漿蛋白，其主要成分為白蛋白 (albumin)，白蛋白半衰期約莫 20 日，由人體肝臟所合成的，當白蛋白在血液中流動時，血液中的葡萄糖會吸附於白蛋白上，並形成糖化蛋白，因此果糖胺可以反映出 2 至 3 周的血糖含量 (Mossine and Mawhinney, 2010)。

4. 最終糖化代謝產物

晚期糖化最終產物 (advanced glycationend products, AGEs) 是由於血液中葡萄糖結構的羰基會與脂肪、蛋白質或核酸上的 lysine 或 arginine 進行梅納反應 (Maillard Reaction) 所產生的。前人研究指出，AGEs 與 AGEs 受體 (receptor for advanced glycation endproducts, RAGE) 結合後，會刺激 nicotinamide adenine dinucleotide phosphate-oxidase (NADPH oxidase) 活化，並產生大量活性氧物質 ROS，此外，AGEs 與糖尿病所併發之腎臟病變、心血管疾病、末梢神經病變與

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視網膜病變等併發症有著相關性 (Farmer and Kennedy, 2009; Wong et al., 2003)。

5. 氧化壓力

體內長期的高葡萄糖含量除了會引發多元醇途徑導致 ROS 增加外，還會產生過多的自由基 (free radical) 與促進 NADPH oxidase 形成更多的 ROS，並會增加線粒體中的 ROS 導致細胞內氧化壓力提升，使細胞凋亡與 DNA 裂解，最終產生胰島素阻抗 (Dandona et al., 2006; Stentz et al., 2004)。而 ROS 則是造成胰臟 β 細胞死亡的主因，導致胰臟無法正常分泌胰島素，進而引起胰島素阻抗，

過高的血糖不僅破壞胰臟 β 細胞影響胰島素分泌，同時也使糖尿病惡化，當胰臟受到嚴重的損壞無法再分泌胰島素時，便形成第一型糖尿病 (Chakraborty et al., 2012; Malandrucco et al., 2012)。

6. 發炎反應

高血糖誘導發炎反應如圖 1-4 所示，體內長期的高血糖會導致單核細胞產生促發炎因子 (pro-inflammatory) 與趨化因子 (chemokines)，造成血液中發炎因子 TNF-α、IL-6、IL-1β 的表現量上升，並會導致胰島素敏感度的變化，進而會影響葡萄糖的代謝 (Vaarala and Yki-Jarvinen, 2012)。此外，促發炎因子與細胞內氧化還原狀態有密切的關係 (Goldberg, 2009)。前人研究指出，胰島素不只調節葡萄糖和脂質的代謝，亦有抗發炎的功效，胰島素會誘導一氧化氮 (nitric oxide, NO) 的釋放，增加 NO 內皮的表現量，進而抑制 nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells (NF-κB) 與單核球趨化蛋白 -1 (monocyte chemoattractant protein-1, MCP-1) 的表現量 (Aljada et al., 2002)。

四、糖尿病治療方式

糖尿病並不會直接導致病患死亡，但糖尿病早期並不容易被發現，一旦糖尿病控制不佳，將會引起許多與糖尿病相關的併發症，包括失明、腎衰竭、截肢和心血管疾病，然而目前醫學尚未有可以根治糖尿病的特效藥，隨著醫療技術進步治療糖尿病的方式與效果也逐漸提升，但仍然需要依照每個糖尿病病患的病情使用適當的治療方式，除此之外，不適合的治療方式可能造成糖尿病病患發生低血糖的風險 (Jeffreys et al., 2005)。

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圖 1- 4 高血糖誘導發炎反應

Fig. 1- 4 Hyperglycemia induce inflammatory state (Toth-Manikowski and Atta, 2015)

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目前降血糖的治療機制主要分為五個種類，分別為 (1) 抑制肝臟進行糖質新生 (2) 促進胰島素分泌 (3) 抑制 dipeptidyl peptidase-4 進而促進胰島素分泌 (4) 抑制腸道對碳水化合物吸收 (5) 增加胰島素敏感度

1. 抑制肝臟進行糖質新生

此種治療方式主要作用機轉為減少肝臟中的葡萄糖進行糖質新生、減少腸道對葡萄糖的吸收與增加胰島素的敏感度以達到維持血糖的效果，以二甲雙胍 (Metformin) 此類藥物為主，同時此藥物也不會有低血糖的風險，但其副作用會導致乳酸中毒 (Caton et al., 2010)。值得注意的是，Metformin 主要是由腎臟所代謝，雖有研究指出 Metformin 具有護腎功效，但使用此藥物期間，需要定期檢查腎功能 (Takiyama et al., 2011)。

2. 促進胰島素分泌

此種治療方式通常需要有功能正常的胰臟 β 細胞，才能促進胰島素的分泌，

因此在糖尿病初期治療效果較佳，但長期治療療效會降低。治療藥物以磺醯尿素 (sulfonylureas, SU) 與 Meglitinides 為主，目前已知 SU 可以降低血糖、改善高胰島素血症等功效，但副作用會造成腎臟損傷，並含有造成低血糖的風險；而 Meglitinides 可以促進胰臟 β 細胞分泌胰島素，以達到降血糖效果，但亦有造成低血糖的風險 (Brunton, 2012)。

3. 抑制 dipeptidyl peptidase-4 進而促進胰島素分泌

人體於進食之後腸道會分泌腸泌素 (incretin)，研究指出腸泌素可以促進胰臟 β 細胞分泌胰島素，並減少胰臟 α 細胞合成升糖素，而腸泌素會被 dipeptidyl peptidase-4 (DPP-4) 分解，因此，此治療方式是服用 DPP-4 抑制劑，藉由抑制 DPP-4 之活性，間接促進胰島素分泌，然而此藥物亦需要具有正常功能之胰臟 β 細胞，所以在糖尿病初期效果較佳，同時也可以與 SU 或 Metformin 等藥物合併使用 (Hage et al., 2013)。

4. 抑制腸道對碳水化合物吸收

此種治療方式主要藉由抑制腸道內寡糖 (oligosaccharide) 的破壞，延緩澱粉與雙醣類吸收，降低碳水化合物的吸收，進而控制餐後血糖的大幅提升，此類藥物如 acarbose 與 miglito，但不建議使用於糖尿病腎病後期或血清肌酐酸大於 2

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5. 增加胰島素敏感度

主要作用是增加細胞對胰島素的敏感度，進而降低胰島素阻抗，其機制為刺激 peroxisome proliferative-activate receptor-γ (PPAR-γ) 活化，使葡萄糖轉運蛋白 -4 (glucose transporter type 4, GLUT-4) 生成和易位增加，達到降低血糖並增加胰島素濃度，此種藥物主要以 Thiazolidinedione (TZDs) 為主其中包含 piolitazone、

troglitazone 與 rosiglitazone，但其副作用會造成水腫並會增加心臟病發作之風險 (Koppaka et al., 2013)。

五、糖尿病併發之肝腎功能損傷

(一) 糖尿病併發腎功能衰竭

腎臟是容易受到高血糖症所導致損傷的代謝器官，高血糖促使腎臟微血管循環紊亂與蛋白質醣基化程度提升，造成腎臟缺血與壓力產生，導致腎小球受損並失去保留血液蛋白的能力，使蛋白質進入尿液中，最終導致尿蛋白提升 (Piccoli et al., 2015)；糖尿病腎臟疾病 (diabetic kidney disease, DKD) 與糖尿病腎病變 (diabetic nephropathy, DN) 是糖尿病導致微血管病變中最嚴重的併發症之一，並且是造成全球慢性腎衰竭 (end-stage renal disease) 的主要原因 (Himmelfarb and Tuttle, 2013)。

1. 致病機轉

血糖提升是一個很重要的因素如圖 1-5，很多糖尿病病患早期並無腎臟病理變化，但經過幾年後會開始出現腎臟基底膜增厚、腎臟基底膜膨脹等病理變化，

即便將正常功能的腎臟轉移至糖尿病病患上，若未嚴格控制血糖也會出現上述病理變化 (Mauer et al., 1976)；糖尿病控制及併發症試驗指出，嚴格控制血糖可以明顯降低蛋白尿及視網膜病變在糖尿病患者的發生率，並延緩糖尿病視網膜病變的進行，同時亦能減少約 25% 的微血管合併症 (Diabetes et al., 1993; UK Prospective Diabetes Study (UKPDS) Group, 1998)。

有人認為腎絲球過濾率過高 (glomerular hyperfiltration) 所導致的血行動力機制 (hemodynamic)，與糖尿病腎臟病變的進展有關 (Rudberg et al., 1992)；亦有人認為與基因遺傳相關，於第一型糖尿病病患的兄弟姊妹若有糖尿病腎臟病變，

則病患將有 83% 會出現相同病徵，同樣的狀況在第二型糖尿病病患身上也有發現 (Freedman et al., 1995; Seaquist et al., 1989)。

2. 糖尿病腎病分期

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圖 1- 5 高血糖導致糖尿病腎損傷

Fig. 1- 5 Hyperglycemia induce diabetic nephropathy (Elmarakby et al., 2010)

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1983 年 Mogensen 等人研究第一型糖尿病患者腎臟病變的臨床病史，並將 DN 分為五個階段如圖 1-6 所示，並且為評估 DN 病情進展與預測模型 (Mogensen et al., 1983)。

(1) 第一階段：腎絲球過濾率上升與腎臟肥大

在使用胰島素治療前所產生的病徵，通常在經由胰島素治療後可逆轉部分病徵，可以透過及時的有效治療來避免此階段，在度過此階段後會進入第二階段 (Mogensen et al., 1983; Mogensen et al., 1979)。

(2) 第二階段：腎絲球產生細微損傷與白蛋白排泄率上升

發生於被診斷為糖尿病後幾年，腎絲球開始產生細微的損傷，使腎絲球過濾率降低與白蛋白尿增加 (<30 mg/day)，這些病徵在糖尿病控制不佳的情況下更為普遍 (Osterby et al., 1983)。

(3) 第三階段：微量白蛋白尿期

通常在罹患糖尿病超過 7 年後發生，腎絲球的損傷加重，並且白蛋白排泄率持續上升 (30-300 mg/day)，且血壓開始升高，是臨床上預測進入第四階段的重要指標 (Hansen et al., 1992; Mogensen and Christensen, 1984)。

(4) 第四階段：明顯蛋白尿期

於發生糖尿病後 15-18 年，隨著血壓升高尿蛋白排出量逐漸升高 (>500 mg/day)，而腎絲球過濾率以 1 mL/min/month 速率下降，即可判定為糖尿病併發腎臟病變 (Piccoli et al., 2013; Viberti et al., 1982)。

(5) 第五階段：末期腎臟病變

約發生於罹患糖尿病後 25 年，病患進入末期糖尿病腎臟病變，需進行洗腎或腎臟替代療法。

第二型糖尿病腎臟病變病理變化基本與第一型糖尿病腎臟病理變化類似，而第二型糖尿病病患的腎臟病理切片顯示有較高的比率為其他合併腎臟病變，約有 77% 為糖尿病併發腎臟病變，其餘 23% 屬於非糖尿病腎臟病變 (Gambara et al., 1993; Parving et al., 1992; White and Bilous, 2000)。

微白蛋白尿在臨床上是預測糖尿病腎臟病變即將進入明顯蛋白尿期的重要指標，臨床指出此期是可逆的，病患應與醫師充分配合，積極檢測、治療與嚴格

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圖 1- 6 糖尿病腎損傷分期

Fig. 1- 6 Pathologic classification of diabetic nephropathy (Piccoli et al., 2015)

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控制血糖，一旦進入明顯蛋白尿期，則無法逆轉，只能延緩進程至末期腎臟病變 (Lewis et al., 1993; Parving et al., 1983)。

(二) 糖尿病併發肝功能損傷

糖尿病性肝損傷 (diabetic liver disease, DLD) 是指由糖尿病所引起肝臟組織與肝功能受損的病變，其機制如圖 1-7 所示 (Mohamed et al., 2016)。肝臟是動物體內負責碳水化合物、脂質與蛋白質代謝及合成的重要器官，而研究指出糖尿病會導致多種肝臟病變，最常見的是非酒精性脂肪肝 (non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD) 與高血脂症，其他還有肝臟肝糖異常堆積、肝硬化與肝癌的發生 (Chavan et al., 2016; Nannipieri et al., 2005; Zhang et al., 2017b)。糖尿病患者所產生的高血糖症可以引起肝糖在肝臟中堆積以及肝臟微血管病變，影響肝功能，

甚至導致肝硬化或肝癌，肝功能受損導致碳水化合物與脂質代謝紊亂，且降血糖藥物亦會對肝臟產生損傷，兩者互相影響導致惡性循環 (Day and James, 1998)。

糖尿病誘導肝臟損傷的主要機制是由於糖尿病所引發的高血糖，高血糖所導致的氧化壓力與高血糖誘發的發炎反應，均為造成肝臟損傷的因子 (Mohamed et al., 2016) 。有研究指出，在糖尿病病患肝臟中有大量脂質過氧化產物 malondialdahyde (MDA) 生成，亦會有 ROS 大量的產生，引起肝臟細胞凋亡導致肝臟組織大量破壞 (Cahova et al., 2015)。

六、糖尿病動物模式

目前高血糖動物模式建立主要分為先天遺傳性與後天誘發高血糖模式，先天遺傳性主要以基因缺陷小鼠為主，而後天誘發則是透過飲食誘發或是以化學性藥物誘導動物高血糖。

(一) 遺傳自發性高血糖動物

自發型高血糖動物模式為動物因基因缺陷而產生高血糖，並非人為所誘導。

自發型高血糖模式又分為兩種，先天性胰島素缺陷與先天性胰島素阻抗，先天性胰島素缺陷動物常見的有 non-obese diabetes (NOD) 小鼠與 biobreeding (BB) 大鼠，其優點是病發速度較快，且具有高血糖、低胰島素與高酮體症 (Bortell and Yang, 2012; Jaidane et al., 2009)；先天性胰島素阻抗常見的動物有 Lep ^ob/ob 肥胖 小鼠與 Lep ^db/db 糖尿病小鼠，前者小鼠因基因缺陷導致脂肪細胞無法生成 leptin 蛋白；而後者是因為 leptin 接受器 Lepr 基因缺陷，進而使 leptin 訊息傳遞受 到阻礙，最終導致 leptin 表現量不足，若 leptin 表現量不足會引發高血糖與胰

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圖 1- 7 糖尿病肝損傷之機制

Fig. 1- 7 The mechanism of liver damage in diabetes mellitus (Mohamed et al., 2016)

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島素阻抗，導致類似第二型糖尿病的症狀產生 (Bensellam et al., 2012; Inoue et al., 2013)。

(二) 高果糖飲食誘發

Zavaroni 等人於 1980 年研究發現，實驗大鼠以果糖餵食會產生高胰島素血症與胰島素阻抗 (Zavaroni et al., 1980)。以果糖誘發高血糖模式，餵食果糖需佔餵食熱量百分比 35% 以上或含 21% (w/v) 果糖飲水，則可誘發動物胰島素阻抗或代謝症候群等相關疾病 (Rasineni et al., 2013; Yadav et al., 2007)。而動物攝取果糖造成胰島素阻抗的原因有：(1) 果糖經由醛縮酶 (aldolase) 作用轉變為 glycerol-3-phosphate，並會刺激肝臟中合成脂肪的酵素 (de-novo lipogenesis) 活化，使 glycerol-3-phosphate 與游離脂肪酸合成，產生大量的 TG 釋放到血液中，

而血液中 TG 濃度增加會導致胰島素受體數目減少，進而導致胰島素敏感度下降產生胰島素阻抗 (Bieger et al., 1984)；(2) 在高果糖的模式中發現發炎因子 TNF-α 會被大量表現的情形，而 TNF-α 會刺激 c-jun NH(2)-terminal kinase (JNK) 活化，JNK 活化後會導致 insulin receptor substrate-1 (IRS-1) 磷酸化，使胰島素訊息傳遞受到阻礙，進而產生胰島素阻抗 (Kawamura et al., 2002; Kelley et al., 2004)；(3) 果糖濃度過高會使蛋白產生醣基化，導致產生大量的 ROS，亦會造成細胞內氧化壓力提升，並都會活化發炎因子 TNF-α，進而造成胰島素阻抗 (Togashi et al., 2000)。

(三) 高油脂飲食誘發

以高油脂飲食餵食試驗動物除了會出現肥胖的症狀外，同時亦會造成試驗動物慢性發炎以及氧化壓力產生，而發炎反應與氧化壓力皆會干擾正常胰島素的訊息傳遞，導致胰島素的敏感度降低，並嚴重影響脂質與葡萄糖的恆定與代謝 (Wellen and Hotamisligil, 2005)。而脂肪與肌肉組織中的缺氧相關指標也會大幅提高，促使巨噬細胞分泌更多的 TNF-α、IL-6、IL-1 等發炎因子，進而影響血糖的調控，使動物產生高血糖、胰島素阻抗 (Ye et al., 2007)。高油脂飲食可以合併高果糖誘發，除了可以模擬現代飲食模式，更可以加劇高血糖與胰島素阻抗等症狀 (Castro et al., 2012)。

(四) 化學藥劑誘發

常用於誘發糖尿病動物模式的化學藥劑有鏈佐黴素 (streptozotocin, STZ)、

四氧嘧啶 (alloxan) 與戊雙脒 (pentamidine)，三者皆會對胰臟 β 細胞造成不可

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逆的毒性，使胰臟 β 細胞破壞胰島素分泌減少，進而產生高血糖等症狀 (Mordes and Rossini, 1981; Rossini et al., 1985)；其中以 STZ 為最被廣泛使用誘導動物糖 尿病之化學藥劑，STZ 是由 Streptomyces achromogenes 所產生的抗生素，相較 於其他化學藥劑，STZ 毒性較低，且 STZ 會選擇性破壞胰臟 β 細胞，於 65 mg/kg 劑量下即可誘發動物產生高血糖模式，由於 STZ 結構與葡萄糖相近，因此容易進入胰臟中對胰臟 β 細胞造成破壞 (Dong et al., 2006; Tuch et al., 1997)。

1. STZ 誘導糖尿病動物模式

STZ 藉由破壞胰臟 β 細胞，使胰島素分泌下降，導致實驗動物產生高血糖與糖尿病，STZ 破壞胰臟 β 細胞的主要機制可能為下列過程：

(1) 使 DNA 烷基化

STZ 的 nitroso 端會分解產生高反應性的 carbonium ion (CH3+)，造成 DNA 烷基化而斷裂，並促使核內酵素 poly (ADP-ribose) synthase 活化，刺激 poly ADP-ribosylation 消耗 NAD⁺ 以修補 DNA，造成 NAD⁺ 耗竭的不可逆損害，

並會使依賴 NAD⁺ 為能量的蛋白停止代謝，進而使胰臟 β 細胞失去功能與死亡，

最終使胰島素分泌量減少產生糖尿病 (Cam et al., 1999; LeDoux et al., 1986)。

(2) 產生大量自由基 (free radical)

STZ 會抑制克氏循環 (Krebs cycle)，並減少粒線體的耗氧量，這些作用皆會嚴重抑制胰臟 β 細胞產生 ATP，引發 ATP 耗竭，ATP 的去磷酸化會增加 xanthine oxidase 受質供應，刺激 xanthine oxidase 活化產生大量 O2-，而 O2- 會轉變為 H2O2 與 OH^-，使 ROS 大量增加，造成 DNA 雙股斷裂，進而使胰臟 β 細胞死亡並喪失其功能，最終導致胰島素分泌下降 (Hayden and Tyagi, 2002;

Masiello et al., 1998; Masiello et al., 1990; Szkudelski, 2001)。

2. streptozotocin 合併 nicotinamide 誘導糖尿病動物模式

菸鹼醯胺 (nicotinamide, NA) 又稱維生素 B3，NA 為 nicotinamide adenine dinucleotide (NAD⁺) 的前驅物，亦為 poly-ADP-ribose polymerase (PARP) 的抑制劑，具有清除自由基的作用，亦有減緩 STZ 毒殺胰臟 β 細胞的作用。NA 於動物體內所產生的保護機制為 NA 會形成 nicotinic acid，nicotinic acid 經磷酸

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誘導的自由基，減少胰臟細胞內的氧化壓力，保護 STZ 對胰臟 β 細胞的細胞毒性 (LeDoux et al., 1986)。在注射 STZ 後應立即給予 NA，或在注射前給予 3 倍的 NA，皆可以保護部分胰臟 β 細胞不被 STZ 破壞，使實驗動物產生類似人類第二型糖尿病的病徵 (Masiello et al., 1998; Masiello et al., 1990)。

單一以 STZ 誘發糖尿病動物模式較相似於第一型糖尿病臨床病徵，而全球糖尿病病患有 90% 至 95% 為第二型糖尿病，因此可將 STZ 與 NA 合併注射，

則可以誘發胰島素阻抗類似第二型糖尿病臨床病徵 (Shi and Pan, 2010b)。

第二節紅麴菌一、紅麴菌之分類

紅麴菌 (Monascus) 是屬於真菌界、子囊菌門 (Plectomycetes)、子囊菌綱 (Ascomycetes)、不整子囊菌目 (Plectascales)、紅麴菌 (Monascaceae)、紅麴菌屬 (Monascus) (林，1983)。雖然中國人發現紅麴已逾千年，但紅麴菌屬是由法國學 者 Van Tieghem 在 1884 年所命名的，他將當年在煮熟的馬鈴薯塊上分離出的 典型菌株稱為 Monascus ruber。

許多學者研究發現紅麴能產生許多對人體有益之代謝產物，包含菌體外水解酵素、有機酸、醇、酯類等一級代謝物，可賦予發酵食品優良的香氣及甘甜味道；

此外紅麴菌能產生色素，抑制膽固醇之合成、抗腐敗菌、降血壓等生理活性物質的二級代謝產物 (林，1995)。

二、紅麴菌之菌種特性

紅麴菌為雌雄同體 (homothallic)，紅麴菌之菌絲為無色、褐色或紅色，菌絲呈不規則狀分散，菌體本身含有大型液泡、粒線體與微小體，紅麴菌可藉由散佈分生胞子 (conidium) 之無性生殖，也可由菌絲末端形成一個厚壁子囊果，以便進行有性生殖。當紅麴菌行有性生殖時，位於菌絲頂端之藏精器 (antherdium) 會延長成為多核管狀細胞，此時雌性母細胞將分會裂為受精絲 (trichogyne) 與囊卵胞 (ascogonium)，而藏精器之核透過受精絲進入囊卵胞中並結合，並形成一直徑約 20-40 μm 的子囊果，待子囊果成熟後，子囊果由子囊胞子之裂口處釋出繼續紅麴菌之生活史 (蘇等，1970)。

三、紅麴於預防醫學之應用

紅麴的應用在過去多以色素生產與傳統食品開發為主，但近年來紅麴菌之研究焦點著重在其二次代謝產物 (secondary metabolites) 上，其中包含抗氧化物質

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deferricoprogen (DFC)、dimerumic acid (DMA)、黃色素 monascin (MS)、ankaflavin (AK) 以及降膽固醇物質 monacolin K (MK) 與 γ-胺基丁酸 (γ-amino butyric acid, GABA) 等。DMA 具有抗氧化的功能 (Aniya et al., 1999)；MS 為降血脂、

降血糖、抗發炎物質和減少體脂肪形成 (Lee et al., 2010; Zheng et al., 2018)；AK 則具有降血脂、抗癌及減少體脂肪合成之效果 (Lee et al., 2010; Su et al., 2005)；

MK 可抑制膽固醇之合成 (Endo, 1979)；GABA 則具有降血壓之功效 (Takahashi et al., 1955)，而紅麴的其他保健功效亦陸續被發現，包含護肝功能 (Aniya et al., 1999)、調節脂質代謝及抗氧化 (Dhale et al., 2018)、預防阿茲海默症 (Lee et al., 2007a)、抑制前脂肪細胞分化、刺激成熟脂肪細胞脂解 (Jou et al., 2010)、預防肥胖和抗氧化壓力 (Shi et al., 2012)、免疫調節活性 (Tseng et al., 2012) 與抗疲勞功效 (Wang et al., 2006) 等 (表 1-1)。

(一) 紅麴調節血糖之相關研究

日本學者玉田英明於 1988 年發現在動物飼料中添加紅麴，可以有效降低動物攝食後半小時之血糖濃度 (玉田，1988)；此外，以紅麴發酵之紅麴發酵產物紅麴米、紅麴薏仁與紅麴山藥，在 STZ 誘導大鼠糖尿病之動物模式中，三種紅麴發酵產物皆可有效降低血糖與尿糖，亦能降低血清中之肝腎指標 (Shi and Pan, 2010a)。

(二) 紅麴預防肝損傷之相關研究

紅麴護肝之相關研究最早是由日本學者開始研究，研究人員將大鼠以對乙醯胺基酚 (acetaminophen, AAP) 誘導肝臟損傷，並探討紅麴對肝損傷的影響，實驗結果發現紅麴不僅能減少血清中麩草酸轉胺基 (aspartate aminotransferase, AST) 酵素活性，亦可以提高肝臟中穀胱甘肽 -S- 轉移酵素 (glutathione-S-transferase, GST) 活性 (Aniya et al., 1998)。Aniya 等人於 1999 年進行 40 株紅麴菌的篩選，以半乳糖或半乳糖加脂多醣等化學藥劑誘導動物肝損 傷，而最終篩選出 M. anka 可改善試驗動物肝臟損傷，顯示紅麴具有保護肝臟 之功效 (Aniya et al., 1999)。2011 年 Cheng 和 Pan 以酒精性肝損傷之動物模式，

評估紅麴菌株 M. purpureus NTU 568 所發酵的紅麴米對肝損傷之影響，結果顯 示攝取含有紅麴米之小鼠，其血清中 AST 活性與 TG 含量與肝臟中 TC 與 TG 含量均明顯低於負控制組，同時可提升小鼠肝臟中抗氧化酵素之活性，並降

國立臺東大學生命科學系碩士論文 Department of Life Science National Taitung University Master Thesis