The Postprandial Anti-Hyperglycemic Effect of Pyridoxine and Its Derivatives

Abstract

일반적인 포도당 대사질환인 제2형 당뇨병은 인슐린에 대한 체내의 저항성 증가 또는 maltose, sucrose 와 같은 이당류가 함유된 고칼로리 식품의 섭취 등이 주요 원인이다. 제2형 당뇨병은 성인 당뇨병 환자의 대부분을 차지하는데 2030년까지 세계적으로 그 수가 3억6천6백만명에 이를 것으로 예상된다.

제2형 당뇨병을 개선하는데 있어 식후 혈당 조절이 매우 중요한데 식후 높은 혈당 수치는 제2형 당뇨병 환자에게 전형적으로 나타나는 증상으로 이는 췌장 α-amylase 와 소장에서의 탄수화물 소화, 흡수에 따른 혈당 상승이 그 원인이다. 식후 혈당 수치를 낮추는 방법은 소장에서 작용하는 α-glucosidase 의 억제를 통해 가능하기 때문에 α-glucosidase 억제 의약품인 아카보스(Acarbose®, Bayer AG), 보글리보스(Voglibose®, Takeda) 및 미글리톨(Miglitol®, Bayer AG) 등이 일반적으로 제2형 당뇨병환자에게 단독 혹은 인슐린 관련 치료제와 함께 처방된다.

비타민 B6(피리독신)는 고령자의 정상 인지 기능을 유지하고 관상동맥 심장질환(CHD) 발병률을 낮추는데 사용되어 왔다. 비타민 B6의 투여가 당뇨 합병증과 신경퇴행성 질환 발생률을 감소시키며, 또한 제1형과 제2형 당뇨병의 발병 환자에서 체내 비타민 B6의 감소를 확인한 바가 보고되었다. 그러나 비타민 B6와 그 유도체의 식후 혈당 감소 효과 및 작용기전을 제안하는 연구는 거의 없었다. 따라서 본 논문에서는 비타민 B6와 그 유도체의 식후 혈당 효능과 그 작용기전에 대한 연구를 수행하였으며, 이를 통해 제2형 당뇨병의 관리와 예방에 기여하고자 하였다.

먼저 α-glucosidase, sucrase, maltase, glucoamylase와 같은 다양한 소화 효소에 대한 피리독신, 피리독살, 피리독사민의 억제 활성을 조사하였다. 이당류의 흡수에 관여하는 효소를 억제함으로써 탄수화물 위주의 식이로 인한 식후 고혈당증을 개선할 수 있는데, IC50 실험 결과 피리독살(4.14mg/mL)이 가장 높은α-glucosidase 억제 활성을 보였으며, 피리독사민과 피리독신은 각각 4.85mg/mL, 5.02mg/mL 이었다. 피리독살은 maltase(0.38mg/mL IC50) 및 glucoamylase(0.27mg/mL IC50)에 대해서도 탁월한 억제 활성을 보였으며, 또한 높은 α-amylase 억제 활성(10.87mg/mL)을 보였다.

Sprague-Dawley (SD) rat 모델을 이용한 피리독신 및 그 유도체의 식후 혈당상승 억제 실험 결과, 피리독살 투여군은 대조군과 비교했을 때 혈당 수치가 유의하게 감소하였다. 피리독살 투여 그룹의 최대 혈당 수준(Cmax)은 sucrose에 대해서 약 18%, starch에 대해서는 약 19% 감소했다. 또한, 피리독살 투여 후 0.5시간 이내에 최소, 최대 및 평균 혈당 수치가 유의미하게 감소하였다. 이상에서 비타민 B6와 그 유도체들이 탄수화물 가수분해 및 흡수 관련소의 억제를 통해 혈당 수치를 낮출 수 있다는 것을 확인하였으며, 제2형 당뇨병의 진행을 예방하기 위한 물질로 사용할 수 있을 것으로 판단되었다.

Sprague-Dawley (SD) rat을 이용 피리독살(식이 중 4%) 투여 실험군과 대조군에 대하여 무작위로 고탄수화물 식이(66.1%)에 대한 36일간의 장기 투여 실험을 실시하였다. 체중, 혈당 수치, 음식 섭취량의 변화는 36일 동안 매일 측정되었다. 피리독살의 투여는 혈당 수치(p < 0.001) 및 체중 증가(p < 0.001)를 상당히 감소시켰으며, 장기간에 걸친 혈장 포도당 농도의 지표인 당화혈색소(HbA1c)의 수준도 5주 동안 유의하게 감소시켰다(p < 0.001). 이를 통해 피리독살이 체중 증가를 감소시키고, 포도당 흡수를 억제하며, HbA1c 수준을 감소시킴으로써 식후 고혈당증을 개선한다는 것을 확인할 수 있었다.

정상 혈당 수치를 가진 사람을 대상으로 비타민 B6(피리독신)의 식후 혈당 상승억제 실험을 실시하였다. 경구 당부하 검사를 실시하였으며, 피리독신 50mg 투여 실험군 및 대조군 각각 혈당 수치를 2시간 동안 30분마다 측정하였다. 그 결과 피리독신 투여 실험군이 30분 후 혈당 수치가 165.95 ± 17.19 mg/dL에서 138.36 ± 20.43mg/dL으로 60분 후 131.40 ± 17.20mg/dL에서 118.50 ± 15.95mg/dL으로 감소하는 것을 확인하였다.

이상의 연구결과로 피리독신과 그 유도체들은 α-glucosidase 억제 활성을 통해 식후 고혈당증을 완화하는데 도움을 줄 수 있는 물질이며, 향후 건강기능식품소재로서 이용 가능할 것으로 판단된다.

Type 2 Diabetes Mellitus (T2DM), a common disorder of glucose metabolism, is linked to insulin resistance and high calorie diets. T2DM is associated with changes in dietary pattern towards high calorie sweetened foods with disaccharides such as maltose and sucrose. T2DM accounts for the vast majority of diabetes cases in adults, and expecting to reach 366million diabetes patients by the year 2030. Specifically in the United States, it is expected that 1/3 of all adults will have diabetes by 2030. High blood glucose levels are typical in type 2 diabetes patients, and more specifically this is characterized by a postprandial increase of glucose levels following food consumption, due to digestion of carbohydrates by pancreatic α-amylase and small intestinal α-glucosidases, resulting in elevated liberation of glucose. A strategy to reduce high blood glucose levels following meal administration, is through the inhibition of enzymes that hydrolyze carbohydrates, in the small intestine. Therefore, commercial available α-glucosidase inhibitors, Acarbose® (Bayer AG, Leverkusen, Germany), Voglibose® (Takeda, Tokyo, Japan), and Miglitol® (Bayer AG, Leverkusen, Germany) are generally prescribed either alone, or in combination with insulin sensitizers in T2DM patients, clinically. Pyridoxine (Vitamin B6) has been used for managing normal cognitive function and in lowering the incidence of coronary heart disease (CHD) among the seniors. In addition, vitamin B6 administration has been shown to decrease complications of diabetes and the incidence of neurodegenerative diseases. Reduced levels of vitamin B6 have been associated with the existence of both type 1 and type 2 diabetes. However, pyridoxine and its derivatives have not been thoroughly evaluated for their possible blood glucose lowering effect and there is no study suggesting the exact mechanism of vitamin B6 for this specific health benefit. Therefore, the aim of this study is to investigate mode of action and effect of pyridoxine and its derivatives on postprandial hyperglycemia. This work will contribute towards the understanding of the activity and the mechanism of action of vitamin B6 and its derivatives, specifically towards the management and prevention of type 2 diabetes. At first, I investigated the inhibitory activity of pyridoxine, pyridoxal, and pyridoxamine, against various digestive enzymes such as α-glucosidase, sucrase, maltase, and glucoamylase. Inhibition of these enzymes involved in the absorption of disaccharide can improve postprandial hyperglycemia due to a carbohydrate-based diet. Pyridoxal (4.14 mg/mL of IC50) had the highest rat intestinal α-glucosidase inhibitory activity, followed by pyridoxamine and pyridoxine (4.85 and 5.02 mg/mL of IC50, respectively). Pyridoxal demonstrated superior inhibition against maltase (0.38 mg/mL of IC50) and glucoamylase (0.27 mg/mL of IC50). In addition, pyridoxal showed significant higher α-amylase inhibitory activity (10.87 mg/mL of IC50) than that of pyridoxine (23.18 mg/mL of IC50). This indicates that pyridoxal can also inhibit starch hydrolyzing by pancreatic α-amylase in small intestine. Based on these in vitro results, the deeper evaluation of the anti-hyperglycemic potential of pyridoxine and its derivatives using Sprague-Dawley (SD) rat models was initiated. The post-prandial blood glucose levels were tested two hours after sucrose/starch administration, with and without pyridoxine and its derivatives. In the animal trial, pyridoxal (p < 0.05) had a significantly reduction to the postprandial glucose levels, when compared to the control. The maximum blood glucose levels (Cmax) of pyridoxal administration group were decreased by about 18% (from 199.52 ± 22.93 to 164.10 ± 10.27, p < 0.05) and 19% (from 216.92 ± 12.46 to 175.36 ± 10.84 p < 0.05) in sucrose and starch loading tests, respectively, when compared to the control in pharmacodynamics study. The pyridoxal administration significantly decreased the minimum, maximum, and mean level of postprandial blood glucose at 0.5 h after meals. These results indicate that water-soluble vitamin pyridoxine and its derivatives can decrease blood glucose level via the inhibition of carbohydrate-hydrolyzing and absorption-linked enzymes. Therefore, pyridoxal may have the potential to be used as a food ingredient for the prevention of prediabetes progression to type 2 diabetes. I extended my findings to evaluate whether long-term supplementation of pyridoxal lowers blood glucose level in SD rat model. The SD rats were randomly assigned to high-carbohydrate diets (66.1 % corn starch) with and without pyridoxal (4% in the diet) for 36 days. Changes in body weight, blood glucose level, and food intake were measured daily for 36 days. Dietary supplementation of pyridoxal resulted in a significant decrease of blood glucose level (p < 0.001) and body weight gaining (p < 0.001). The level of HbA1c, a better indicator of plasma glucose concentration over prolonged periods of time, was also significantly decreased for 5-week period (p < 0.001). Dietary treatment of Acarbose® (0.04 % in diet), a positive control, also significantly alleviated the level of blood glucose, HbA1c, and body weight. These results indicate that pyridoxal decreases weight gaining and improves postprandial hyperglycemia by suppressing glucose absorption as well as decreasing HbA1c level. Postprandial blood glucose lowering effect of vitamin B6 (pyridoxine) was evaluated in healthy individuals with normal blood glucose levels. Blood glucose levels were measured every 30 minutes for 2 hours after oral sugar administration with or without 50 mg of pyridoxine. Pyridoxine significantly lowered the postprandial blood glucose levels at 30 min (from 165.95 ± 17.19 to 138.36 ± 20.43, p < 0.01) and 60 min (from 131.40 ± 17.20 to 118.50 ± 15.95) after administration. In addition, the area under the concentration-time curve (AUCt) was reduced by about 8.3% (from 257.08 ± 22.38 to 235.71 ± 12.33, p < 0.05) and the maximum concentration of blood glucose (Cmax) was reduced by about 13.8% (from 165.95 ± 17.19 to 143.07 ± 11.34, p < 0.01) when compared with those of the control group. The findings suggest that pyridoxine supplementation may be beneficial for controlling postprandial hyperglycemia.