不同濃度葡萄糖對紅細胞能量代謝的影響

李旭妍，孫明玥，蘇 燕，楊麗麗，王亞奇，宋 芳，閆巧梅，黃世琪，閆朝麗，薩如拉，李晶晶，梁 浩，王云霞，韓家鑫，聶欣雨，劉瑞剛

糖尿病是一類由于胰島素分泌缺陷或胰島素作用障礙所致的以慢性高血糖為特征的終身代謝性疾病，已成為繼癌癥和心血管病之后的又一嚴重威脅人類健康的全球性疾病[1-3]。它的誘發(fā)因素很多，目前公認的有遺傳、環(huán)境、生活方式及個人體質(zhì)等。紅細胞隨血液循環(huán)于全身，是最早感知血糖變化的細胞之一。近年，主要從血紅蛋白糖基化[4]、紅細胞分布寬度[5]、紅細胞膜[6]等方面針對糖尿病患者的紅細胞改變進行了較為深入的研究，而從紅細胞能量代謝方面探索其在糖尿病及其微血管病變發(fā)生發(fā)展中作用的研究少之又少。該研究擬通過實時檢測不同濃度葡萄糖37 ℃培養(yǎng)紅細胞不同時間后，其ATP含量、己糖激酶(hexokinase,HK)活性、丙酮酸激酶(pyruvate kinase,PK)活性、活性氧(reactive oxygen species,ROS)含量及紅細胞衰亡率的變化，闡明葡萄糖對體外紅細胞能量代謝的影響方式及其分子機制，為糖尿病微血管病變的診斷和防治奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料正常成人新鮮抗凝血、ATP檢測試劑盒(貨號S0027)、ROS檢測試劑盒(貨號S0033)購自上海碧云天生物技術(shù)公司；Hexokinase Activity Assay試劑盒(貨號ab136957)、Pyruvate Activity Assay試劑盒(貨號ab83432)購自英國Abcam公司；APC Annexin V細胞凋亡檢測試劑盒(貨號550474)購自美國BD公司；葡萄糖(貨號D810588)、PBS緩沖液(貨號P854529-10EA)購自上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1血樣采集與紅細胞制備 該項目由包頭醫(yī)學院倫理委員會審核批準，依據(jù)實驗要求每批實驗招募18～23歲的健康志愿獻血者6例，并在獻血前與志愿者簽署知情同意書。分別采集5 ml 全血，2 000 r/min離心5 min后，去除血小板、白細胞和血漿。再用PBS清洗紅細胞，2 000 r/min離心5 min，去除上清液及中間的血小板和白細胞，重復洗至上清液透明。然后于無菌操作臺中將紅細胞重懸于PBS，使紅細胞壓積達到45%左右。將制備好的懸浮紅細胞輕輕混勻后分為4組(每組1 ml，重復3次)，分別向其中加入D-葡萄糖，使其終濃度分別為0、6、20、30 mmol/L。輕輕混勻，37 ℃震蕩水浴培養(yǎng)48 h。分別于培養(yǎng)期24和48 h, 輕輕混勻EP管中的懸液，無菌抽取200 μl 紅細胞懸液，分別進行以下指標檢測。

1.2.2ATP含量檢測 取紅細胞懸液60 μl，2 000 r/min，離心5 min，棄上清液。輕輕彈散紅細胞，取5 μl 紅細胞加入到200 μl Buffer中制成溶血液。取4 μl溶血液加入到100 μl檢測液及16 μl裂解液中，利用多功能酶標儀的luminometer功能測定各孔的相對光單位(relative luminometer units，RLU)值并計算結(jié)果。

1.2.3HK活性檢測 取紅細胞懸液60 μl，2 000 r/min，離心5 min，棄上清液。輕輕彈散紅細胞，取10 μl制成溶血液，再取20 μl溶血液加入到80 μl檢測液，室溫避光放置20 min后，利用多功能酶標儀檢測450 nm波長處各孔的光密度(optical density,OD)值并計算結(jié)果。

1.2.4PK活性檢測 取紅細胞懸液40 μl，2 000 r/min，離心5 min，棄上清液。輕輕彈散紅細胞，取10 μl制成溶血液，再取2 μl溶血液加入到98 μl檢測液中，室溫避光放置10 min后，利用多功能酶標儀檢測570 nm波長處各孔的OD值并計算結(jié)果。

1.2.5ROS檢測 取紅細胞懸液20 μl，2 000 r/min，離心5 min，棄上清液。輕輕彈散紅細胞，取1 μl 紅細胞加入到按照1 ∶1 000用PBS緩沖液稀釋的DCFH-DA(500 μl)中，室溫避光孵育30 min，然后3 500 r/min，離心5 min，棄上清液。加500 μl PBS緩沖液洗紅細胞，重復3次，加入300 μl PBS緩沖液重懸紅細胞后，利用流式細胞儀檢測ROS含量。

1.2.6紅細胞衰亡檢測 取紅細胞懸液20 μl，2 000 r/min，離心5 min，棄上清液。輕輕彈散紅細胞，取1 μl 紅細胞加入到100 μl工作液中(100 μl的1×Binding buffer與0.5 μl Annexin V-FITC和APC的混合液)，輕輕混勻，室溫避光孵育15 min后用流式細胞儀進行檢測。

2 結(jié)果

2.1 不同濃度葡萄糖對紅細胞內(nèi)ATP含量的影響在不同濃度葡萄糖組，隨著培養(yǎng)時間的延長，各不同濃度葡萄糖組紅細胞內(nèi)ATP含量呈波動式下降，其中0 mmol/L組紅細胞內(nèi)ATP含量下降最為顯著，6 mmol/L組僅48 h變化明顯，與對應濃度組的0 h比較，差異有統(tǒng)計學意義(0 mmol/L組：F=2 715.43，P<0.01；6 mmol/L組：F=22.05，P<0.01)，而20、30 mmol/L組變化幅度較小，與對應組的0 h比較，差異無統(tǒng)計學意義(20 mmol/L組：F=9.34，P>0.05；30 mmol/L組：F=9.45，P>0.05)。從培養(yǎng)時間看，培養(yǎng)24、48 h后，紅細胞內(nèi)的ATP含量均隨著葡萄糖濃度增加而不斷升高，與對應時間點的0 mmol/L比較，差異有統(tǒng)計學意義(24 h：F=24.03，P<0.01；48 h：F=6.41，P<0.01)，見圖1。

圖1 不同濃度葡萄糖對紅細胞內(nèi)ATP含量的影響

2.2 不同濃度葡萄糖對紅細胞內(nèi)HK活性的影響在不同濃度葡萄糖組，隨著孵育時間延長，各不同濃度葡萄糖組紅細胞內(nèi)HK活性不斷下降，其中0和6 mmol/L組下降幅度較大，與對應濃度組的0 h比較，差異有統(tǒng)計學意義(0 mmol/L組：F=38.25，P<0.05；6 mmol/L組：F=13.66，P<0.05)，而20和30 mmol/L組僅48 h與對應濃度組的0 h比較，差異有統(tǒng)計學意義(20 mmol/L組：F=6.93，P<0.05；30 mmol/L組：F=7.09，P<0.05)；而在培養(yǎng)24、48 h后，紅細胞內(nèi)HK活性均隨著葡萄糖濃度的增加而增高，與對應時間點的0 mmol/L組比較，差異有統(tǒng)計學意義(24 h：F=14.4，P<0.05；48 h：F=6.72，P<0.05)，見圖2。

圖2 不同濃度葡萄糖對紅細胞內(nèi)HK活性的影響

2.3 不同濃度葡萄糖對紅細胞內(nèi)PK活性的影響在不同濃度葡萄糖組，隨著培養(yǎng)時間的延長，各不同濃度葡萄糖組紅細胞內(nèi)PK活性不斷下降，其中0和6 mmol/L組下降幅度比較大，與對應濃度組的0 h比較，差異有統(tǒng)計學意義(0 mmol/L組：F=125.21，P<0.05；6 mmol/L組：F=29.61，P<0.05)，而20和30 mmol/L組下降趨勢不明顯，與對應濃度組的0 h比較，差異無統(tǒng)計學意義(20 mmol/L組：F=2.81，P>0.05；30 mmol/L組：F=2.07，P>0.05)；而在培養(yǎng)24、48 h后，紅細胞內(nèi)的PK活性隨著葡萄糖濃度的增加而穩(wěn)步上升，30 mmol/L組與對應時間點的0 mmol/L組比較，差異有統(tǒng)計學意義(24 h：F=5.09，P<0.05；48 h：F=4.04，P<0.05)，見圖3。

圖3 不同濃度葡萄糖對紅細胞內(nèi)PK活性的影響

2.4 不同濃度葡萄糖對紅細胞內(nèi)ROS含量的影響在不同濃度葡萄糖組，隨著時間的延長，各不同濃度葡萄糖組紅細胞內(nèi)ROS含量呈上升趨勢，其中0 mmol/L組變化最為明顯，6 mmol/L組僅48 h與對應濃度組的0 h比較，差異有統(tǒng)計學意義(0 mmol/L組：F=10.79，P<0.05；6 mmol/L組：F=8.73，P<0.05)；在培養(yǎng)24、48 h后，紅細胞內(nèi)ROS的含量隨葡萄糖濃度增加而降低，與對應時間點的0 mmol/L組比較，差異有統(tǒng)計學意義(24 h：F=10.74，P<0.05；48 h：F=8.44，P<0.05)，見圖4。

圖4 不同濃度葡萄糖對紅細胞內(nèi)ROS含量的影響

2.5 不同濃度葡萄糖對紅細胞衰亡率的影響在不同濃度葡萄糖組，隨著時間延長，各不同濃度葡萄糖組紅細胞的衰亡率不斷上升，但各不同濃度組僅48 h變化最為顯著，與對應濃度組的0 h比較，差異有統(tǒng)計學意義(0 mmol/L組：F=28.5，P<0.05；6 mmol/L組：F=24.19，P<0.05；20 mmol/L組：F=22.19，P<0.05；30 mmol/L組：F=7.22，P<0.05)，0 mmol/L組由于能量供應不充足，紅細胞衰亡率上升尤其顯著；在培養(yǎng)24、48 h后，紅細胞衰亡率隨葡萄糖濃度增加而下降，與對應時間點的0 mmol/L組比較，僅48 h的差異有統(tǒng)計學意義(F=17.66，P<0.05)，見表1、圖5。

表1 不同濃度葡萄糖對紅細胞衰亡率的影響

3 討論

糖尿病微血管病變是糖尿病特有的一種并發(fā)癥，其主要表現(xiàn)為血管基底膜病變和微循環(huán)異常[7]。微循環(huán)異常除血流動力學改變外主要體現(xiàn)在紅細胞方面。紅細胞變形能力和生理功能的正常是保證微循環(huán)的必要條件。早在20世紀60年代就有文獻提出維系紅細胞形態(tài)需要ATP提供能量，紅細胞變形能力與紅細胞代謝活性密切相關[8]。葡萄糖在葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白GLUT1的作用下易化擴散進入紅細胞，在紅細胞內(nèi)，約90%的葡萄糖進行糖酵解，其余10%進入磷酸戊糖途徑，因此糖酵解是紅細胞獲得ATP的唯一途徑。HK和PK是糖酵解途徑的關鍵酶，調(diào)控著ATP生成的速率和量，對維持紅細胞形態(tài)和功能起到至關重要的作用。有研究[9-11]表明糖尿病患者紅細胞內(nèi)HK和PK活性高于正常人。本研究結(jié)果表明，短期葡萄糖體外孵育的條件下，隨著葡萄糖濃度增加，紅細胞內(nèi)ATP含量逐漸增高，HK和PK活性也不斷增高。據(jù)此推測，紅細胞外葡萄糖濃度越高，易化擴散進入紅細胞內(nèi)的葡萄糖越多，關鍵酶活性越高，產(chǎn)生的ATP越多。然而HK和PK活性均隨培養(yǎng)時間延長逐漸下降，可能與紅細胞內(nèi)葡萄糖的逐漸消耗減少及體外細胞培養(yǎng)狀態(tài)有關。也有研究[12]報道葡萄糖經(jīng)糖酵解代謝時產(chǎn)生的代謝中間物6-磷酸葡萄糖增加到一定量時會抑制HK活性，這也可能是引起紅細胞內(nèi)HK活性隨時間延長下降的原因之一。此外，胞外葡萄糖濃度越高，進入胞內(nèi)的糖量越多。與6 mmol/L組比較，胞內(nèi)ATP含量明顯增高，說明高濃度葡萄糖代謝產(chǎn)生的過量ATP，也可能反饋性抑制HK和PK活性。

圖5 流式細胞儀檢測不同濃度葡萄糖對紅細胞衰亡的影響

在人體血液中，紅細胞是數(shù)量最多的血細胞。紅細胞運輸氧氣的功能使其不斷與細胞內(nèi)外的氧自由基接觸，且其細胞膜上含有豐富的不飽和脂類，因此紅細胞極易受到氧自由基的氧化損傷。已有研究證實[9]，長期慢性高血糖會引起ROS過度產(chǎn)生或積累，進而引發(fā)嚴重的病理改變，例如微血管及大血管異常。其原因主要是由于高濃度葡萄糖使內(nèi)源性ROS形成增加，激活Ca2+通道，導致紅細胞內(nèi)Ca2+濃度升高，并直接激活鈣敏感的K+通道。這進一步導致紅細胞膜發(fā)生超極化而使K+離子泄漏，從而提高了Cl-排出的電驅(qū)動力[13]。最后，KCl隨胞液從細胞中滲出，使細胞體積減少以及膜完整性喪失，細胞膜表面磷脂酰絲氨酸外翻，繼而引起紅細胞衰亡的發(fā)生。Vitak et al[14]報道葡萄糖自氧化、脂質(zhì)過氧化以及Amadori產(chǎn)物和晚期糖基化終末產(chǎn)物的形成是糖尿病患者紅細胞內(nèi)自由基產(chǎn)生的主要原因。本研究結(jié)果顯示，與6 mmol/L組比較，高糖組紅細胞內(nèi)ROS及衰亡率均降低，說明短時間內(nèi)高糖尚不能引起紅細胞發(fā)生氧化應激進而引起細胞衰亡。短期高糖培養(yǎng)減少ROS的原因可能是由于進入紅細胞內(nèi)的葡萄糖增多會通過磷酸戊糖途徑產(chǎn)生的更多的NADPH，進而增加抗氧化物質(zhì)谷胱甘肽的生成，阻止了ROS的過度產(chǎn)生；亦或是穩(wěn)定的糖基化終末產(chǎn)物還未形成，自由基形成少，不能引起紅細胞氧化損傷。與此相反，0 mmol/L組紅細胞內(nèi)ROS和衰亡率均較其他組高，說明能量匱乏可以刺激紅細胞發(fā)生氧化應激，導致紅細胞衰亡。