有氧運動訓(xùn)練和姜黃素對Ⅱ型糖尿病大鼠肝糖原及糖代謝信號通路的影響

張麗莉,賈　鵬,張東海

(廊坊師范學(xué)院體育學(xué)院,河北廊坊 065000)

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有氧運動訓(xùn)練和姜黃素對Ⅱ型糖尿病大鼠肝糖原及糖代謝信號通路的影響

張麗莉,賈鵬,張東海*

(廊坊師范學(xué)院體育學(xué)院,河北廊坊 065000)

為探討有氧運動訓(xùn)練和姜黃素對Ⅱ型糖尿病大鼠肝糖原及糖代謝信號通路的影響,將大鼠分為對照組(C組),模型組(D組)、運動組(S組)、姜黃素組(H組)和姜黃素+運動組(S+H組),S組和S+H組大鼠給予8周有氧運動訓(xùn)練,H組和S+H組大鼠給予8周姜黃素灌胃干預(yù),測定其空腹血糖、口服葡萄糖耐量實驗(OGTT)后各時點血糖、胰島素分泌、胰島素敏感性、肝糖原水平及肝臟葡萄糖代謝及胰島素信號分子mRNA表達的變化。結(jié)果表明:與D組相比,S+H組大鼠OGTT實驗后各時刻血糖值均降低(p<0.05);且胰島素水平、胰島素敏感指數(shù)及肝糖原水平均較S組和H組高(p<0.05);肝臟葡萄糖激酶(GK)、肝細胞葡萄糖載體蛋白-2(GLUT2)、肝臟胰島素樣生長因子 1(IGF-1)、胰島素受體底物1(IRS-1)、胰島素受體底物2(IRS-2)相對表達量均較S組和H組高(p<0.05),而人葡萄糖激酶調(diào)節(jié)蛋白(GKRP)則較S組和H組降低(p<0.05),且聯(lián)合干預(yù)效果優(yōu)于單獨干預(yù)。結(jié)論表明有氧運動和姜黃素可有效降低血糖水平,改善胰島素抵抗,促進肝糖原合成。

Ⅱ型糖尿病,姜黃素,有氧運動,肝糖原,糖代謝

隨著人們生活方式的改變,以胰島素抵抗為特征的Ⅱ型糖尿病的發(fā)病率呈逐漸上升趨勢,長期的高血糖水平會損害患者器官和周圍組織,給患者生存質(zhì)量造成嚴重影響[1]。目前,臨床上主要采取口服降糖藥或注射胰島素的方式控制血糖以延緩病程進展,但往往伴有多種副作用且不能保護受損的胰島[2]。研究表明[3],氧化應(yīng)激反應(yīng)及自由基代謝異常在糖尿病及其并發(fā)癥發(fā)生中發(fā)揮重要作用。姜黃素是從姜黃、郁金等莖塊中提取的酚性色素,具有抗氧化、抗炎、降脂、心血管保護等多種生理功能[4],可改善高血糖及脂質(zhì)代謝紊亂[5],但具體作用機制尚不明確。Ⅱ型糖尿病作為一種生活方式病,有氧運動逐漸應(yīng)用于患者輔助治療[6],但相關(guān)機制研究較少。本研究嘗試在構(gòu)建Ⅱ型糖尿病大鼠模型基礎(chǔ)上,分析有氧運動訓(xùn)練和姜黃素及二者聯(lián)合對Ⅱ型糖尿病大鼠肝糖原的影響,以及可能的機制,以期為糖尿病防治提供新思路。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

實驗材料選取清潔級SD雄性大鼠,2月齡大小,體重180～210 g,購自河南省實驗動物中心(合格證號SCXK(豫)2011-0003),分籠飼養(yǎng),自然光照,自由飲水及攝食。普通飼料(總熱量25 kJ/kg)河南省實驗動物中心提供,在普通飼料基礎(chǔ)上配制高糖高脂飼料(總熱量4510 kJ/kg);姜黃素(純度99%)和鏈脲佐菌素美國Sigma公司;1%羧甲基纖維素上海試劑總廠。胰島素放射免疫試劑盒和肝糖原測定試劑盒上海研晶生物科技有限公司;葡萄糖測定試劑盒中山生物;總RNA提取試劑盒美國Roch公司;RevertAidTM第一鏈cDNA合成試劑盒和Maxima? SYBR Green/ROX qPCR Master Mix(2X)美國Thermo公司。

ABI 7500實時熒光定量PCR儀美國ABI公司;Q5000超微量核酸蛋白測定儀美國QUAWELL TECHNOLOGY INC.公司;Roche血糖儀美國Roche公司;顯微鏡日本奧林巴斯公司。

1.2實驗方法

1.2.1動物模型建立及分組大鼠適應(yīng)性喂養(yǎng)7 d后,禁食8 h,取45只大鼠喂養(yǎng)高糖高脂飼料8周后,將檸檬酸緩沖液配制的鏈脲佐菌素按照30 mg/(kg·d)進行腹腔注射,注射7 d后對血糖進行檢測,以隨機血糖>16.7 mmol/L作為成功造模[7],其中,40只大鼠成功構(gòu)建Ⅱ型糖尿病模型,造模成功的大鼠隨機分為模型組(D組)、運動組(S組)、姜黃素組(H組)和黃姜素+運動組(S+H組),每組10只;與此同時,另取10只大鼠給予普通飼料喂養(yǎng)(對照組,C組)8周后,給予同等劑量檸檬酸緩沖液進行腹腔注射。

1.2.2有氧運動訓(xùn)練方案S組和S+H組大鼠進行為期8周的不負重游泳訓(xùn)練。第1周開展適應(yīng)性訓(xùn)練,每天游泳10 min,第2周每天游泳30 min,第3周每天游泳40 min,第4周每天游泳50 min,第5～8周每天游泳60 min,每周進行6 d,休息1 d[7]。游泳訓(xùn)練在白色水桶(直徑1.5 m)中進行,水深0.6 m,每桶5只,水溫維持在30℃,上下波動<2℃。

1.2.3大鼠灌服H組和S+H組大鼠分別于上午9時給予姜黃素100 mg/(kg·d)灌胃,每周7 d,同時,C組、D組和S組則分別于上午9時給予等量生理鹽水灌胃;實驗過程中各組大鼠均未出現(xiàn)死亡。

1.2.4樣本采集及處理8周后停止干預(yù)36 h,期間恢復(fù)攝食以減少應(yīng)激反應(yīng)可能對研究結(jié)果造成的影響。禁食12 h后進行空腹血糖(FBG)檢測,之后用2 g/kg葡萄糖對大鼠進行灌胃行口服葡萄糖耐量實驗(OGTT),分別在灌胃后30、60、120 min取尾靜脈血對血糖進行檢測。次日對大鼠行麻醉后處死,制備血清,剖腹取肝臟組織,稱重后分成若干份,保存于液氮中以備檢。

胰島素和肝糖原水平測定:利用胰島素放射免疫試劑盒對制備血清中胰島素水平進行檢測,并計算胰島素敏感指數(shù);利用肝糖原測定試劑盒對肝臟中肝糖原水平進行測定。

肝臟葡萄糖代謝及胰島素信號相關(guān)分子mRNA表達量檢測：取大鼠肝臟組織,解凍后進行研磨,利用總RNA提取試劑盒對總RNA進行提取,肝臟葡萄糖激酶(GK)、人葡萄糖激酶調(diào)節(jié)蛋白(GKRP)、肝細胞葡萄糖載體蛋白-2(GLUT2)、肝臟胰島素樣生長因子 1(IGF-1)、胰島素受體底物1(IRS-1)、胰島素受體底物2(IRS-2)及相應(yīng)的內(nèi)參引物設(shè)計及合成均由生工生物工程(上海)股份有限公司完成。利用RevertAidTM第一鏈cDNA合成試劑盒獲取逆轉(zhuǎn)錄cDNA,利用Maxima? SYBR Green/ROX qPCR Master Mix(2X)和ABI 7500實時熒光定量PCR儀完成目的基因擴增及檢測,PCR反應(yīng)條件:94℃預(yù)變性15 min,74℃變性10 s,55℃退火15 s,連續(xù)進行36個循環(huán)[8]。每個樣品均設(shè)3個平行反應(yīng)復(fù)孔,利用2-ΔCt方法對各基因相對表達量進行計算。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計

所有實驗數(shù)據(jù)利用SPSS21.0統(tǒng)計分析軟件完成處理,計量資料采用平均值±標準差(Mean±SD)表示,多組間比較采用單因素方差分析,組間兩兩比較采用LSD-t檢驗,同組內(nèi)不同時間比較采用重復(fù)測量數(shù)據(jù)的方差分析,p<0.05差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2　結(jié)果與分析

2.1有氧運動及姜黃素對大鼠血糖水平的影響

有氧運動及姜黃素對大鼠血糖水平的影響見表1。空腹血糖和OGTT實驗相結(jié)合是臨床上診斷糖尿病的標準,當機體出現(xiàn)胰島素抵抗時,β細胞功能會出現(xiàn)減退,在給予糖負荷后由于胰島素分泌不足而導(dǎo)致血糖大幅升高[9]。本實驗結(jié)果顯示,D組大鼠FBG顯著高于C組,OGTT實驗后各時刻血糖值均高于C組,差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(p<0.05),說明Ⅱ型糖尿病大鼠模型構(gòu)建成功,出現(xiàn)了糖耐量異常。而S組、H組和S+H組大鼠FBG值較D組呈下降趨勢,且OGTT實驗后各時刻血糖值顯著低于D組(p<0.05),說明有氧運動訓(xùn)練和姜黃素可有效降低Ⅱ型糖尿病大鼠血糖水平,改善糖耐量異常。

姜黃素作為從天然植物根莖中提取的二酮類化合物,在抗氧化、降血脂、抗炎等方面發(fā)揮重要作用[10],研究表明[11],姜黃素可有效改善Ⅱ型糖尿病血糖及血脂代謝。有氧運動訓(xùn)練可促進機體胰高血糖素和兒茶酚胺的釋放,刺激腺苷酸環(huán)氧化酶及cAMP形成,通過AMPK路徑而促進脂質(zhì)代謝,從而改善糖耐量異常[12]。本研究顯示,S+H組大鼠OGTT實驗后30、60 min血糖值均低于S組和H組(p<0.05),說明有氧運動訓(xùn)練聯(lián)合姜黃素干預(yù)在改善胰島素抵抗及降低血糖水平方面優(yōu)于單獨干預(yù),出現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)。

表1　各組大鼠空腹血糖及OGTT實驗后不同時點血糖變化(n=10,Mean±SD,mmol/L)

注:表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差,同組大鼠不同時點OGTT比較,字母相同示無顯著性差異,字母不同示有顯著性差異;與C組相比,*p<0.05;與D組相比,#p<0.05;與S組相比,Δp<0.05;與H組相比,※p<0.05,表2、表3同。

表2　各組大鼠胰島素、胰島素敏感指數(shù)及肝糖原水平比較(n=10,Mean±SD)

2.2有氧運動及姜黃素對大鼠胰島素指標及肝糖原水平的影響

有氧運動及姜黃素對大鼠胰島素指標及肝糖原水平的影響見表2。葡萄糖在機體中主要以肝糖原的形式儲存,對維持血糖水平穩(wěn)定具有重要意義[13]。本實驗顯示,D組大鼠胰島素水平、胰島素敏感指數(shù)和肝糖原水平均較C組降低(p<0.05),說明Ⅱ型糖尿病大鼠出現(xiàn)胰島素分泌減少、敏感性降低及肝糖原代謝紊亂。有研究指出[14],姜黃素可有效改善機體脂質(zhì)代謝異常,抑制糖尿病機體氧化應(yīng)激反應(yīng)的發(fā)生。同時,姜黃素對Ⅱ型糖尿病動物模型受損肝臟具有保護作用[15]。有效的有氧運動可增強胰島素敏感性[16]。本實驗顯示,S組、H組和S+H組大鼠大鼠胰島素水平、胰島素敏感指數(shù)及肝糖原水平均低于C組(p<0.05),而高于D組(p<0.05),S+H組大鼠胰島素水平、胰島素敏感指數(shù)及肝糖原水平均較S組和H組提高(p<0.05),說明有氧運動訓(xùn)練聯(lián)合姜黃素干預(yù)可顯著改善Ⅱ型糖尿病大鼠胰島素敏感性,促進肝糖原合成,其效果大于單獨干預(yù)效果。

2.3有氧運動及姜黃素對大鼠糖代謝信號通路的影響

有氧運動及姜黃素對大鼠糖代謝信號通路的影響見表3。肝臟作為糖、脂代謝平衡的重要調(diào)節(jié)器官,在糖尿病發(fā)病中發(fā)揮尤為重要的作用[17],而糖、脂代謝過程是通過一系列酶及信號通路調(diào)節(jié)完成的[18]。GK作為己糖激酶異構(gòu)酶,在催化6-磷酸葡萄糖生成中發(fā)揮主要作用[19],GKRP是GK的抑制酶,可抑制其活性[20]。GLUT2作為一種膜蛋白,可轉(zhuǎn)運葡萄糖進入細胞內(nèi),且可與GK形成葡萄糖感受器,在胰島素合成及分泌中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用[21]。IGF-1是與胰島素類似的多肽蛋白,可發(fā)揮降血糖作用,IRS-1和IRS-2作為胰島素信號通路下游重要效應(yīng)分子,磷酸化后可促進糖原合成而減少血糖水平[22]。本實驗利用熒光定量PCR技術(shù)對各基因表達情況進行分析,D組大鼠GK、GLUT2、IGF-1、IRS-1和IRS-2相對表達量較C組顯著降低(p<0.05),而GKRP相對表達量顯著升高(p<0.05),提示糖代謝信號通路異常是造成血糖代謝異常的內(nèi)因。而S+H組大鼠GK、GLUT2、IGF-1、IRS-1和IRS-2相對表達量均較S組和H組升高(p<0.05),而GKRP則降低(p<0.05),說明有氧訓(xùn)練和姜黃素可通過提高GK、GLUT2、IGF-1、IRS-1和IRS-2表達和降低GKRP表達,而實現(xiàn)對血糖水平的調(diào)控,且二者聯(lián)合作用優(yōu)于單獨干預(yù)效果。

表3　各組大鼠肝臟葡萄糖代謝及胰島素信號分子mRNA表達比較(n=10,Mean±SD)

3　結(jié)論

通過比較研究有氧運動訓(xùn)練及姜黃素結(jié)合有氧運動對大鼠空腹血糖、OGTT實驗后各時刻血糖、胰島素分泌、胰島素敏感性、肝糖原水平及肝臟葡萄糖代謝及胰島素信號分子mRNA表達的影響,發(fā)現(xiàn)姜黃素可有效降低血糖水平,改善胰島素抵抗,促進肝糖原合成,且姜黃素結(jié)合有氧運動干預(yù)效果更佳,其機制可能與提高GK、GLUT2、IGF-1、IRS-1和IRS-2表達,而降低GKRP表達有關(guān)。

[1]Wang J,Zhao J,Zhang J,et al.Association of canonical Wnt/β-Catenin pathway and type 2 diabetes:genetic epidemiological study in Han Chinese[J].Nutrients,2015,7(6):4763-4777.

[2]Christensen ML,Franklin BE,Momper JD,et al.Pediatric drug development programs for type 2 diabetes:A review[J].J Clin Pharmacol,2015,55(7):731-738.

[3]Phielix E,Jelenik T,Nowotny P,et al.Reduction of non-esterified fatty acids improves insulin sensitivity and lowers oxidative stress,but fails to restore oxidative capacity in type 2 diabetes:a randomised clinical trial[J].Diabetologia,2014,57(3):572-581.

[4]He Y,Yue Y,Zheng X,et al.Curcumin,inflammation,and chronic diseases:How are they linked?[J].Molecules,2015,20(5):9183-9213.

[5]Maradana MR,Thomas R,O’Sullivan BJ.Targeted delivery of curcumin for treating type 2 diabetes[J].Mol Nutr Food Res,2013,57(9):1550-1556.

[6]Yang Z,Scott CA,Mao C,et al.Resistance exercise versus aerobic exercise for type 2 diabetes:a systematic review and meta-analysis[J].Sports Med,2014,44(4):487-499.

[7]張裕中,王銀暉,陳曉光,等.游泳運動和白藜蘆醇對Ⅱ型糖尿病大鼠肝糖原及肝臟GLUT2的影響[J].中國運動醫(yī)學(xué)雜志,2014,33(2):135-140.

[8]Azimi L,Talebi M,Owlia P,et al.Tracing of false negative results in phenotypic methods for identification of carbapenemase by Real-time PCR[J].Gene,2015,15(8):1215-1219.

[9]Kalsi DS,Chopra J,Sood A.Association of lipid profile test values,type-2 diabetes mellitus,and periodontitis[J].Indian J Dent,2015,6(2):81-84.

[10]Vallianou NG,Evangelopoulos A,Schizas N,et al.Potential anticancer properties and mechanisms of action of curcumin[J].Anticancer Res,2015,35(2):645-651.

[11]陳潔,樂江.姜黃素與格列本脲聯(lián)用對Ⅱ型糖尿病大鼠糖代謝的影響及其機制[J].中國藥師,2014,17(6):912-915.

[12]Guo R,Liong EC,So KF,et al.Beneficial mechanisms of aerobic exercise on hepatic lipid metabolism in non-alcoholic fatty liver disease[J].Hepatobiliary Pancreat Dis Int,2015,14(2):139-144.

[13]Miller CO,Cao J,Chekmenev EY,et al.Noninvasive measurements of glycogen in perfused mouse livers using chemical exchange saturation transfer NMR and comparison to(13)c NMR spectroscopy[J].Anal Chem,2015,87(11):5824-5830.

[14]Tapia E,Sánchez-Lozada LG,García-Nio WR,et al.Curcumin prevents maleate-induced nephrotoxicity:relation to hemodynamic alterations,oxidative stress,mitochondrial oxygen consumption and activity of respiratory complex I[J].Free Radic Res,2014,48(11):1342-1354.

[15]Zhang J,Xu L,Zhang L,et al.Curcumin attenuates D-galactosamine/lipopolysaccharide-induced liver injury and mitochondrial dysfunction in mice[J].J Nutr,2014,144(8):1211-1218.

[16]Ortega JF,Hamouti N,Fernández-Elías VE,et al.Metformin does not attenuate the acute insulin-sensitizing effect of a single bout of exercise in individuals with insulin resistance[J].Acta Diabetol,2014,51(5):749-755.

[17]Lim EL,Hollingsworth KG,Aribisala BS,et al.Reversal of type 2 diabetes:normalisation of beta cell function in association with decreased pancreas and liver triacylglycerol[J].Diabetologia,2011,54(10):2506-2514.

[18]Liang MH,Jiang JG.Advancing oleaginous microorganisms to produce lipid via metabolic engineering technology[J].Prog Lipid Res,2013,52(4):395-408.

[19]Grewal AS,Sekhon BS,Lather V.Recent updates on glucokinase activators for the treatment of type 2 diabetes mellitus[J].Mini Rev Med Chem,2014,14(7):585-602.

[20]Hale C,Lloyd DJ,Pellacani A,et al.Molecular targeting of the GK-GKRP pathway in diabetes[J].Expert Opin Ther Targets,2015,19(1):129-139.

[21]郭勝男,劉洪斌,李東華,等.番石榴葉總黃酮對糖尿病小鼠肝臟葡萄糖代謝及胰島素信號通路的影響[J].中國實驗方劑學(xué)雜志,2015,21(4):166-170.

[22]Shaw LM.The insulin receptor substrate(IRS)proteins:at the intersection of metabolism and cancer[J].Cell Cycle,2011,10(11):1750-1756.

Effects of aerobic exercise training and curcumin on hepatic glycogen and glucose metabolism signaling pathway of type Ⅱ diabetic rats

ZHANG Li-li,JIA Peng,ZHANG Dong-hai*

(Sports Institute,Langfang Normal University,Langfang 065000,China)

In order to investigate the influence of aerobic exercise training and curcumin on glycogen and glucose metabolism signaling pathway of type Ⅱ diabetic rats.All rats were divided into the control group(C group),model group(group D),exercise group(S group),curcumin group(H group)and turmeric prime+exercise group(S+H group).The rats in S group and S+H group were given aerobic exercise training for 8 weeks,and in H group and S+H group were given curcumin intervention for 8 weeks.Fasting blood glucose,blood glucose at each time point after oral lucose tolerance test(OGTT),insulin secretion,insulin sensitivity,glycogen levels and expressions of hepatic glucose metabolism and insulin signaling molecule mRNA were detected.The results showed that compared with the D group,the glucose values at each time point after OGTT test in the S+H group were lower(p<0.05).Compared with S and H group,the rats insulin levels,insulin sensitivity index and liver glycogen levels were higher in S+H group(p<0.05).The relative expressions of glucokinase(GK),glucose transporter protein-2(GLUT2),insulin-like growth factor 1(IGF-1),insulin receptor substrate 1(IRS-1)and Insulin receptor substrate 2(IRS-2)in S+H group were increased in comparison with S and H group(p<0.05),while glucose regulated protein kinase(GKRP)were reduced(p<0.05).And the effect of combined intervention was better than single intervention.Aerobic exercise and curcumin could effectively reduce blood sugar levels,improve insulin resistance,and promote glycogen synthesis.

type Ⅱ diabetes;curcumin;aerobic exercise;hepatic glycogen;glucose metabolism

2015-07-09

張麗莉(1977-)，女，碩士，講師，研究方向：體育教學(xué)與訓(xùn)練，E-mail:229938420@qq.com。

張東海(1966-)，男，碩士，教授，研究方向：體育教學(xué)與訓(xùn)練，E-mail:13633165230@163.com。

TS255.1

A

1002-0306(2016)07-0346-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.07.058