通过代谢组学、可解释的机器学习方法及β细胞验证研究揭示了宽叶天麻（Indocalamus latifolius）叶片的降糖潜力

《Food Bioscience》：Glucose-Modulating Potential of Indocalamus latifolius Leaves Revealed by Metabolomics, Interpretable Machine Learning, and β-Cell Validation

　　**摘要**
地理起源是植物源性功能性成分生物活性变异的主要驱动因素，这阻碍了原材料的标准化。Indocalamus latifolius（简称Zongye）传统上用于包裹中国粽子，是一种尚未得到充分研究的食品相关资源，其调节葡萄糖的能力尚未被阐明。本研究调查了从中国四个地区采集的I. latifolius叶片乙醇提取物的区域间植物化学成分和葡萄糖调节活性的差异。我们测定了总黄酮类和酚类物质的含量，并将其与α-淀粉酶/α-葡糖苷酶抑制活性及抗氧化能力进行了关联分析，结果发现浙江地区的样品在大多数评估参数上表现出最强的活性（P < 0.05）。非靶向代谢组学分析揭示了不同来源样品之间的明显化学类型差异，其中某些代谢物在苯丙氨酸代谢和苯丙烷类化合物相关途径中富集。通过结合生物活性关联性和分子对接得出的结合合理性，我们筛选出420个差异代谢物，最终确定了17个优先候选代谢物，其中hyperoside尤为突出。利用可解释的机器学习方法和SHAP分析，我们确定了7个潜在靶点，其中SLC2A2（GLUT2）在与β细胞葡萄糖代谢相关的功能中显示出显著的预测相关性。分子对接和动态模拟进一步明确了hyperoside与SLC2A2之间的潜在相互作用机制。在高葡萄糖诱导的MIN6 β细胞功能障碍模型中，hyperoside改善了葡萄糖刺激后的胰岛素分泌、葡萄糖利用、氧化应激相关指标以及ATP的产生，并增加了PDX1、Nrf2和SLC2A2的表达水平。总体而言，这项研究为I. latifolius作为血糖调节功能性成分的潜力提供了初步证据，并为其高价值利用提供了科学依据。

**引言**
Indocalamus latifolius是一种常绿竹种，广泛分布于中国南部（J. Sun等人，2015年）。其叶片长期以来被用作传统中国糯米食品“粽子”的天然包装材料，这一习俗可以追溯到唐代（约公元7世纪）（Lin等人，2019年）。这种食品应用表明它具有潜在的营养和食品化学价值：在蒸煮过程中，叶片中的挥发性成分和多酚化合物可能会释放并迁移到食品中，从而影响感官质量和健康相关功能，这与传统的饮食健康理念一致（Y. Wu等人，2016年）。值得注意的是，《本草纲目》记载I. latifolius具有清热利尿的功效。这些传统描述与中医中“消渴”的概念及葡萄糖稳态紊乱相关，表明I. latifolius叶片是一种尚未被充分研究的用于调节血糖的食品资源。现代饮食模式导致了代谢紊乱的普遍性增加，因此维持餐后葡萄糖稳态和保护β细胞功能已成为功能性食品研究的重要目标（Dludla等人，2023年；Veluthakal等人，2024年）。持续的高血糖通过NF-κB和JNK等信号通路引发胰岛素抵抗和炎症（Baker等人，2011年），进而破坏IRS-1/PI3K-AKT级联反应，影响葡萄糖转运蛋白的功能，最终限制外周葡萄糖的利用（Bloch-Damti & Bashan，2005年）。同时，胰腺β细胞对葡萄糖毒性应激极为敏感，长期高血糖暴露可导致线粒体功能障碍和ATP耗竭，损害代谢分泌耦合，逐渐减弱葡萄糖刺激下的胰岛素分泌（GSIS），常伴随PDX1和MafA等β细胞身份调节因子的下调（Dini?等人，2022年；Nasteska等人，2021年）。这些病理特征突显了能够调节碳水化合物消化/吸收和β细胞功能完整性的膳食生物活性成分的价值。尽管药物降糖剂在临床上有效，但长期使用可能会受到胃肠道不适、潜在不良反应和耐受性问题的限制，因此亟需安全可持续的膳食策略（Shi等人，2023年；Uniyal等人，2025年）。植物多酚，尤其是黄酮类化合物，已被广泛认为是具有多靶点葡萄糖调节作用的膳食生物活性成分（Angouti等人，2024年；Yen等人，2021年；P. Zhang等人，2023年）。在消化层面，黄酮类化合物可以抑制α-葡糖苷酶和α-淀粉酶的活性，从而延缓碳水化合物水解并减少餐后血糖波动（Hendra等人，2024年；Zhu等人，2020年）；在代谢调节层面，它们可通过激活AMPK相关通路和促进葡萄糖转运蛋白的表达或转位来改善葡萄糖利用（Meng等人，2020年；Yamashita等人，2024年）；在β细胞层面，完整的葡萄糖感知能力对GSIS至关重要，SLC2A2（GLUT2）介导的葡萄糖转运是葡萄糖代谢和胰岛素分泌的关键起始步骤。GLUT2表达降低被认为是葡萄糖毒性条件下β细胞功能障碍的标志（Ghezzi等人，2018年；Somesh等人，2013年；Thorens，2015年）。因此，富含黄酮的植物资源可能通过协调作用于消化酶和β细胞的葡萄糖响应机制来发挥血糖调节作用。竹叶富含酚类和黄酮类化合物，越来越多的证据支持其抗氧化、抗炎和代谢调节相关的生物活性（Dong等人，2023年；Goh等人，2019年；Wedler等人，2014年）。然而，尽管I. latifolius叶片在食品中有着悠久的应用历史，但其功能化学基础、关键活性成分和与β细胞相关的分子机制仍不清楚，限制了其在传统用途之外的高价值利用。此外，植物次生代谢受环境条件影响，同一物种内的化学成分和生物活性可能存在显著的区域差异，这使得原材料标准化和质量控制变得复杂（S. Liu等人，2023年；Ni等人，2013年；Qian等人，2025年）。重要的是，I. latifolius叶片中影响葡萄糖调节活性的关键化学因素及其核心分子靶点尚不明确。本研究假设I. latifolius叶片的地理变异导致了其血糖调节生物活性的差异。为了验证这一假设，我们系统比较了来自中国四个代表性地区的I. latifolius叶片的总黄酮类/酚类含量、抗氧化能力和α-葡糖苷酶/α-淀粉酶抑制活性。通过非靶向UHPLC-QTOF-MS代谢组学分析了来源依赖的化学类型差异，结合生物活性关联性和分子结合合理性筛选出关键候选代谢物，并通过可解释的机器学习方法确定潜在靶点。进一步通过分子对接和分子动力学模拟评估了配体-靶点相互作用稳定性。最后，通过在高葡萄糖诱导的MIN6 β细胞胰岛素抵抗模型中评估GSIS、葡萄糖利用、氧化应激和能量代谢，验证了代表性候选化合物的生物学相关性。综上所述，这项研究建立了地理化学变异、分子相互作用验证和β细胞评估之间的初步证据链，为I. latifolius叶片作为潜在血糖调节功能性成分的质量评估和高价值开发提供了科学依据。

**植物材料与提取物制备**
2024年4月，在中国四个地区的标准化种植园中采集了成熟的健康I. latifolius叶片：安徽广德（AH）、湖南株洲（HN）、北京（BJ）和浙江遂昌（ZJ）。植物身份由广德林业局的高级工程师Lai Guanghui确认。样本存放在北京的国际竹藤中心（KYRZ-2024-A-AH、KYRZ-2024-A-HN、KYRZ-2024-A-BJ）。

**植物化学成分及生物活性的地理变异**
评估了中国四个省份I. latifolius叶片的植物化学成分和生物活性（图1A）。TFC和TPC存在显著地理差异（图1B、C）。浙江地区的样品显示最高的TFC（49.30 ± 2.61 mg RE/g DW）和TPC（98.66 ± 5.37 mg GAE/g DW），显著高于其他地区（P < 0.001）。抗氧化能力呈现一致趋势（图1D、E）。浙江地区的提取物显示出最强的DPPH活性（192.46 ± ...

**讨论**
开发植物源性功能性成分的一个主要瓶颈是同一物种在不同地理来源之间的生物活性差异，这给原材料标准化带来了困难（Arfaoui，2021年；F. Zhang等人，2025年）。作为典型的区域性叶用竹种，I. latifolius在其功能成分的来源依赖性变异方面仍研究不足，尤其是在作为安全食品资源用于血糖管理方面的潜力方面。...

**结论**
本研究采用基于代谢组学的综合策略，结合生物活性评估和计算分析，研究了来自不同地理来源的I. latifolius叶片的植物化学成分变异和葡萄糖调节潜力。区域差异体现在α-葡糖苷酶/α-淀粉酶抑制活性、抗氧化能力和代谢物谱型的变化上。非靶向代谢组学分析揭示了不同来源之间的显著化学特征...

**提交声明**
作者确认本手稿为原创作品，未曾发表过，也未在其他地方接受审稿。所有作者均已阅读并批准修订后的手稿，并同意将其重新提交至《Food Bioscience》期刊。

**数据可用性**
数据可应要求提供。

**作者贡献声明**
刘帅：验证、软件处理
葛家琪：调查、正式分析、数据管理
袁海华：可视化、方法学
孙航：方法学、数据管理
唐峰：写作-审稿与编辑、验证、监督、资源协调、概念构建
王晋：写作-初稿撰写、验证、软件处理、方法学、调查、数据管理、概念构建

**未引用参考文献**
Zhang等人，2025年。

**伦理审批与参与同意**
本研究不涉及人类参与者或需要伦理审批的活体动物实验。

**出版同意**
所有作者均已阅读并批准手稿的最终版本，并同意其发表。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

**资助**
本工作得到了中国国家重点研发计划（2022YFD2200602）的支持。

**致谢**
感谢Song Xuena女士在本研究中的宝贵帮助。本工作得到了中国国家重点研发计划（2022YFD2200602）的支持。