基于分子量分级的抗氧化木质素通过IRS1/PI3K/AKT轴调控谷胱甘肽代谢改善2型糖尿病机制研究

本研究针对2型糖尿病(T2DM)治疗中存在的药物副作用大、长期疗效不足等问题，系统探讨了不同分子量分级木质素（F1、F2、F3）的降糖机制。研究发现低分子量木质素F3能显著激活IRS1/PI3K/AKT信号通路，通过增强GSH抗氧化系统、改善胰岛素抵抗和调节肠道菌群，有效控制血糖并缓解糖尿病并发症。该研究为天然生物质材料在代谢性疾病治疗中的应用提供了创新性策略。

　　

随着全球糖尿病发病率的持续攀升，2型糖尿病（Type 2 Diabetes Mellitus, T2DM）已成为威胁人类健康的重大代谢性疾病。当前主流治疗药物虽能有效降血糖，但长期使用易导致低血糖、肝肾功能损伤等副作用，且难以逆转胰岛素抵抗（Insulin Resistance, IR）这一核心病理环节。因此，开发兼具疗效与安全性的天然治疗方案成为学界关注焦点。

在这项发表于《Journal of Bioresources and Bioproducts》的研究中，南京林业大学的研究团队另辟蹊径，将目光投向自然界储量第二的天然芳香族生物聚合物——木质素（Lignin）。这种来源于木材的生物质材料具有优异的抗氧化活性和生物相容性，但其分子量分布广泛且结构异质性的特点，长期以来制约着其在医药领域的精准应用。为此，研究团队通过连续分级技术，从硫酸盐木质素（Kraft Lignin, KL）中制备出高（F1）、中（F2）、低（F3）三种不同分子量的木质素组分，系统探究了其改善T2DM的效果及分子机制。

研究人员主要采用乙醇溶剂分级技术获得分子量明确的木质素组分；通过高脂饮食联合链脲佐菌素（STZ）诱导构建T2DM大鼠模型；利用胰岛素抵抗细胞模型（3T3-L1和HepG2细胞）评价葡萄糖消耗能力；采用Western blotting分析IRS1/PI3K/AKT信号通路关键蛋白表达；通过16S rRNA测序技术分析肠道菌群组成；使用³¹P-NMR和2D HSQC NMR表征木质素化学结构。

3.1 木质素分级组分的特性

通过凝胶渗透色谱（GPC）证实分级成功获得分子量依次降低的F1、F2、F3组分，其中低分子量组分F3富含酚羟基和羧基，抗氧化潜力最强。³¹P-NMR显示F3的酚羟基含量最高（2.98 mmol/g），二维核磁共振（2D HSQC NMR）进一步揭示高分子量组分以β-O-4′结构和C-C连接为主，而低分子量组分这些结构较少。

3.2 体外细胞毒性及葡萄糖消耗

MTT实验表明所有木质素组分在25-200 μg/mL浓度下均保持90%以上细胞活性。在胰岛素抵抗细胞模型中，F3处理使3T3-L1和HepG2细胞的葡萄糖消耗量分别提高1.05倍和1.27倍，效果与阳性药罗格列酮（RSZ）相当。油红O染色显示F3能显著降低细胞内甘油三酯（TG）积累，在两种细胞中分别降低18.9%和30.8%。

3.3 氧化应激与能量代谢调控

F3处理显著降低炎症因子IL-6和TNF-α水平，在胰岛素抵抗细胞中抑制率分别达14.3%-30.4%。通过DCFH-DA荧光探针检测发现，F3能有效清除细胞内活性氧（ROS），恢复线粒体膜电位（MMP）和ATP产量。流式细胞术显示F3将3T3-L1细胞的早期凋亡率从46.52%降至12.64%。

3.4 对T2DM大鼠症状的改善

动物实验表明，F3治疗四周后使糖尿病大鼠空腹血糖（FBGL）从22.82 mmol/L降至8.95 mmol/L，效果优于RSZ组（16.33 mmol/L）。同时显著改善多饮、多食、体重减轻等典型症状，并减轻心脏、肝脏、肾脏等器官的病理性肥大。腹腔葡萄糖耐量试验（IPGTT）和胰岛素耐量试验（IPITT）证实F3能显著增强胰岛素敏感性。

3.5 信号通路调控机制

Western blotting分析显示，F3通过激活胰岛素受体底物1（IRS1）/磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（AKT）通路，上调葡萄糖转运蛋白4（GLUT4）表达，促进肝糖原合成。同时激活AMP活化蛋白激酶（AMPK）磷酸化，抑制肝糖异生。免疫组化（IHC）进一步验证F3使肝脏p-AKT和p-AMPK蛋白表达分别提高2.56倍和2.3倍。

3.6 肠道菌群调节作用

16S rRNA测序显示F3处理显著增加有益菌Lachnospiraceae NK4A136（37.99%）和Ruminococcaceae（26.89%）丰度，降低致病菌Escherichia-Shigella（从15.95%降至1.36%）。同时恢复菌群α多样性指数（Shannon、Chao1等），降低F/B（Firmicutes/Bacteroidetes）比值，改善短链脂肪酸（SCFAs）代谢谱。

3.7 生物安全性评价

组织病理学检查显示木质素治疗组心、肝、脾、肺、肾等器官均未出现病理损伤，血清谷丙转氨酶（ALT）、谷草转氨酶（AST）等肝功指标正常，同时提升超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）和还原型谷胱甘肽（GSH）水平，证实其良好生物安全性。

本研究系统阐明了分子量分级木质素，特别是低分子量组分F3，通过多重机制改善T2DM的作用模式。F3不仅能直接清除ROS、减轻氧化应激和炎症反应，还能激活IRS1/PI3K/AKT和AMPK信号通路，改善胰岛素敏感性和葡萄糖代谢。值得注意的是，F3还能重塑肠道菌群结构，增加有益菌丰度，这种"微生物-代谢"轴的调控为T2DM治疗提供了新视角。

该研究的创新性在于首次揭示了木质素的生物活性与其分子量之间的构效关系，突破了传统木质素应用中的技术瓶颈。低分子量木质素的高生物利用度和多靶点作用特性，使其有望开发成为新型天然抗糖尿病制剂。这项工作不仅为生物质资源的高值化利用开辟了新途径，也为代谢性疾病的天然药物研发提供了重要理论依据和实践指导。