陳田,孫镠佳,項(xiàng)雨,丁慧敏,葛紅山*
(1.南京中醫(yī)藥大學(xué),南京 210023;2.泰州市人民醫(yī)院,泰州 225300)
多囊卵巢綜合征(PCOS)是育齡女性最常見的內(nèi)分泌紊亂疾病,以高雄激素、胰島素抵抗、囊性卵巢和不孕癥為主要特征[1-2]。其病因至今尚未闡明,可能涉及遺傳、神經(jīng)內(nèi)分泌、環(huán)境等多方面因素。高雄激素血癥(HA)是PCOS的主要特征之一,在臨床上可表現(xiàn)為多毛癥、脂溢癥、痤瘡、雄激素性脫發(fā)等[3-4]。既往多個(gè)臨床研究發(fā)現(xiàn),HA與PCOS患者的糖代謝紊亂有關(guān)[5-7],但其影響PCOS患者糖代謝的具體機(jī)制及通路仍不明確。
葡萄糖是哺乳動(dòng)物細(xì)胞能量代謝的主要來源,葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)主要由細(xì)胞膜上的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族來完成[8]。哺乳動(dòng)物主要存在兩種葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族:非鈉依賴的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUTs)家族和鈉依賴的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SGLTs)家族[9]。SGLTs家族有12個(gè)成員,僅SGLT1、2在轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖方面發(fā)揮重要作用,且SGLT1主要在腸中表達(dá),SGLT2主要在腎臟中表達(dá);而GLUTs家族的14個(gè)成員中有11個(gè)參與葡萄糖的運(yùn)輸,它們具有不同的組織表達(dá)特異性、底物特異性和動(dòng)力學(xué)特異性[10]。在正常生理狀態(tài)下,卵巢的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)主要是依靠GLUTs家族[11]。本研究重點(diǎn)聚焦于幾個(gè)關(guān)鍵的GLUTs成員:GLUT1、3、4、8、12,其中GLUT4、8、12也被認(rèn)為是胰島素依賴性糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,即上游胰島素信號(hào)通路的改變會(huì)影響它們的易位及轉(zhuǎn)運(yùn)能力[12-13]。已有研究表明,GLUTs在PCOS患者各組織中的表達(dá)會(huì)發(fā)生改變,例如,在PCOS患者的脂肪細(xì)胞中GLUT4的表達(dá)降低,而GLUT1沒有代償性增加[14]。但對(duì)于PCOS卵巢中GLUTs表達(dá)模式和功能的研究目前相對(duì)較少。對(duì)于PCOS糖代謝異常機(jī)制的研究主要集中在胰島素抵抗對(duì)糖代謝的影響上,HA作為PCOS的決定性特征之一[15],當(dāng)前關(guān)于其影響PCOS糖代謝受損機(jī)制的研究較少。此外,顆粒細(xì)胞狀況是決定卵母細(xì)胞質(zhì)量的關(guān)鍵[11,16],高雄狀態(tài)是否會(huì)直接影響顆粒細(xì)胞的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)能力,進(jìn)而影響其能量代謝目前仍不清楚。因此,本研究將通過建立PCOS模型和體外顆粒細(xì)胞培養(yǎng)模型,探討HA環(huán)境對(duì)整個(gè)卵巢及對(duì)顆粒細(xì)胞GLUTs表達(dá)模式的影響,以期為探討PCOS的發(fā)病機(jī)制以及尋找潛在的治療靶點(diǎn)提供實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。
3周齡ICR小鼠購自揚(yáng)州大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心(許可證號(hào):SCXK(蘇)2017-0007),適應(yīng)性喂養(yǎng)4 d后,隨機(jī)分成2組:對(duì)照組8只、脫氫表雄酮(DHEA)組16只。飼養(yǎng)條件:環(huán)境溫度20~23℃,濕度40%~60%,自由進(jìn)水飲食,每日光照12 h。普通生長繁殖飼料(貨號(hào):1010002)購于江蘇省協(xié)同醫(yī)藥生物有限公司。
DHEA、睪酮購于上海源葉生物科技有限公司;芝麻油購于上海麥克林生化科技有限公司;BCA試劑盒購于上海碧云天生物技術(shù)有限公司;重組兔抗GLUT1抗體(ab115730)、兔抗GLUT4抗體(ab33780)、重組兔抗GLUT8抗體(ab169779)購于美國Abcam公司;重組兔抗GLUT3多克隆抗體(JA50-31)購于美國賽默飛公司;兔抗GLUT12抗體購于北京博奧森生物技術(shù)有限公司;兔抗β-actin多克隆抗體購于美國Bioworld公司;HRP標(biāo)記的山羊抗兔二抗購自武漢愛博泰克生物科技有限公司;KGN人卵巢顆粒細(xì)胞(貨號(hào):ZQ0916)購于上海中喬新舟生物科技有限公司;胎牛血清購自美國Sigma-Aldrich公司;細(xì)胞培養(yǎng)專用青鏈霉素混合液(100×)、二甲基亞砜(DMSO,細(xì)胞培養(yǎng)級(jí))、1×PBS緩沖液(pH 7.2~7.4)等購于北京索萊寶科技有限公司;血糖儀購自瑞士羅氏公司;XD-202倒置生物顯微鏡購自南京江南永新光學(xué)有限公司。
1.PCOS動(dòng)物模型建立:按小鼠體重排序,采用隨機(jī)數(shù)字表法進(jìn)行隨機(jī)分組后,每日稱量小鼠體重,DHEA組小鼠連續(xù)21 d每日固定時(shí)間段頸部皮下注射0.1 ml濃度為60 mg/kg的DHEA(溶劑為含95%乙醇的芝麻油,芝麻油和乙醇的體積比9∶1),對(duì)照組每日頸部皮下注射0.1 ml含95%乙醇的芝麻油(體積比同前)。
2.血糖測(cè)定及糖耐量測(cè)定:提前15 h禁食不禁水,然后進(jìn)行腹腔內(nèi)注射葡萄糖耐量試驗(yàn)(IPGTT)。根據(jù)小鼠體重以2 g/kg注射葡萄糖溶液(濃度為400 mg/ml),例如,體重20 g的小鼠注射劑量為0.1 ml,并分別于0、15、30、60和120 min采集尾靜脈血,并用血糖儀測(cè)量血糖。
3.血清睪酮水平測(cè)定:腹腔注射水合氯醛麻醉后眼球取血,3 000g離心10 min,吸取上清,采用化學(xué)發(fā)光免疫法檢測(cè)血清睪酮水平。使用美國Beckman Dxi800儀器及配套試劑盒進(jìn)行檢測(cè)。
4.卵巢組織HE染色及卵泡計(jì)數(shù):頸部脫臼法處死小鼠后,取雙側(cè)卵巢組織,在解剖顯微鏡下去除其表面的脂肪組織及覆蓋包膜,完整剝離卵巢。對(duì)照組取6顆,DHEA組取9顆分別置于4%多聚甲醛中固定。其余卵巢組織置于-80℃冰箱凍存?zhèn)溆谩9潭ê蟮穆殉步?jīng)常規(guī)脫水,石蠟包埋,5 μm厚度切片,常規(guī)脫蠟,水化,蘇木精染色5 min,伊紅襯染2 min,脫水,透明,封片,顯微鏡下觀察各組小鼠的卵巢形態(tài)學(xué)變化。采用雙人盲法閱片,取卵巢最大橫截面,分別計(jì)數(shù)生長卵泡、小卵泡和閉鎖卵泡、囊狀卵泡及黃體數(shù)目。
5.人KGN細(xì)胞培養(yǎng)及睪酮干預(yù):人KGN細(xì)胞系在37℃水浴中快速解凍,嚴(yán)格按照無菌操作轉(zhuǎn)入細(xì)胞培養(yǎng)瓶中,用含10%胎牛血清(FBS)的高糖培養(yǎng)基在37℃、5%CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。根據(jù)細(xì)胞的生長狀態(tài),每2 d更換培養(yǎng)基1次,待細(xì)胞融合度為80%時(shí),用胰蛋白酶消化液將細(xì)胞進(jìn)行傳代培養(yǎng),當(dāng)細(xì)胞傳代培養(yǎng)3代以上時(shí),選取細(xì)胞狀態(tài)最好的一代貼壁細(xì)胞加入不同濃度(0、1、10 μmol/L)的睪酮培養(yǎng)24 h,收集細(xì)胞進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
6.蛋白免疫印跡(Western Blot)實(shí)驗(yàn):將對(duì)照組和DHEA組小鼠的卵巢組織及不同睪酮濃度處理組的KGN細(xì)胞,分批提取總蛋白,使用BCA試劑盒測(cè)量各組蛋白濃度;提取后的蛋白行12%SDS-PAGE電泳,將分離的目的蛋白轉(zhuǎn)至PVDF膜上,置入5%脫脂奶粉-TBST中搖床上室溫封閉2 h,TBST洗滌3次,每次10 min,分別加入對(duì)應(yīng)的一抗[GLUT1抗體(1∶1 000)、GLUT3抗體(1∶1 000)、GLUT4抗體(1∶1 000)、GLUT8抗體(1∶1 000)、GLUT12抗體(1∶1 000)、β-actin抗體(1∶4 000)],4℃搖床孵育過夜;次日,PVDF膜用TBST洗滌3次,每次10 min,分別加入HRP標(biāo)記的山羊抗兔IgG(1∶5 000)二抗室溫?fù)u床孵育2 h,TBST洗滌3次,每次10 min。目的蛋白條帶應(yīng)用化學(xué)發(fā)光法進(jìn)行檢測(cè),將每次實(shí)驗(yàn)中目的蛋白的灰度值與內(nèi)參β-actin比較,使用Image J軟件進(jìn)行半定量分析。
兩組小鼠給藥前體重?zé)o顯著性差異(P>0.05)。經(jīng)過21 d干預(yù),DHEA組和對(duì)照組小鼠體重均有所增加;DHEA組小鼠給藥后體重較對(duì)照組略增加,差異尚無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05);但DHEA組小鼠體重增重率顯著高于對(duì)照組(P<0.05)(表1)。每組隨機(jī)取3只小鼠進(jìn)行血清睪酮檢測(cè),DHEA組小鼠血清睪酮水平(均>55.4 nmol/L),顯著高于對(duì)照組[(40.9±4.9)nmol/L][P<0.05;因DHEA組測(cè)量值超出了檢測(cè)范圍,統(tǒng)計(jì)學(xué)分析時(shí)以(55.48±0.0)nmol/L計(jì)算]。解剖發(fā)現(xiàn),DHEA組小鼠腹部脂肪明顯增厚,且卵巢、子宮周圍也包繞著更多的脂肪組織(圖1A~D)。小鼠體重增長情況、血清睪酮水平及脂肪分布特點(diǎn)均符合建模預(yù)期,認(rèn)為PCOS小鼠模型建立成功。
表1 兩組小鼠體重變化情況(-±s)
A:對(duì)照組小鼠腹部脂肪;B:DHEA組小鼠腹部脂肪;C:對(duì)照組小鼠子宮及卵巢;D:DHEA組小鼠子宮及卵巢。藍(lán)色箭頭示子宮,紅色箭頭示卵巢。圖1 各組小鼠腹部解剖圖
對(duì)照組取6張小鼠卵巢切片,DHEA組取9張切片,分別取卵巢的最大橫截面全視野進(jìn)行觀察和計(jì)數(shù)。對(duì)照組卵巢形態(tài)正常、色澤紅潤,在光鏡下可見不同發(fā)育階段的卵泡,顆粒細(xì)胞層排列整齊且致密,多為8~9層(圖2A)。與對(duì)照組相比,DHEA組小鼠卵巢呈多囊樣改變,出現(xiàn)囊性卵泡,該卵泡內(nèi)卵母細(xì)胞消失,顆粒細(xì)胞層數(shù)量減少至2~4層(圖2B)。進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù)發(fā)現(xiàn),DHEA組小鼠卵巢內(nèi)總卵泡數(shù)、閉鎖卵泡和小卵泡數(shù)較對(duì)照組顯著增加(P<0.01),生長卵泡數(shù)顯著減少(P<0.05),黃體數(shù)量呈減少趨勢(shì),囊狀卵泡數(shù)量呈增多趨勢(shì)(表2)。DHEA組小鼠卵巢的形態(tài)學(xué)變化與PCOS小鼠卵巢相符,再次驗(yàn)證了建模成功。
A:對(duì)照組卵巢組織:黑色箭頭示生長卵泡,黃色箭頭示黃體;B:DHEA組卵巢組織:紅色箭頭示囊狀卵泡,藍(lán)色箭頭示閉鎖卵泡和小卵泡。圖2 兩組小鼠的卵巢組織(HE染色,×200)
表2 兩組小鼠卵巢組織中各級(jí)卵泡及黃體數(shù)量比較(-±s)
DHEA組的空腹血糖水平[(6.6±0.2)mmol/L]顯著高于對(duì)照組[(5.3±0.2)mmol/L](P<0.01)。IPGTT實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:DHEA組在葡萄糖腹腔注射給藥15 min后血清葡萄糖水平較對(duì)照組略增加,差異尚無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05);給藥30、60、120 min后血清葡萄糖水平較對(duì)照組顯著增加[分別為(7.8±1.1) vs.(12.8±1.4) mmol/L、(6.5±1.2) vs.(9.5±0.9) mmol/L和(4.5±0.4) vs.(6.4±0.6) mmol/L](P<0.01)(圖3)。提示DHEA組小鼠存在糖耐量異常、糖代謝異常情況。
與對(duì)照組比較,#P<0.01。圖3 兩組小鼠IPGTT實(shí)驗(yàn)中不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的血糖水平比較
通過Western Blot法分別檢測(cè)GLUT1、3、4、8、12在小鼠卵巢中的表達(dá),結(jié)果顯示,GLUT1和GLUT12在對(duì)照組和DHEA組中的蛋白表達(dá)水平變化不大(P>0.05);與對(duì)照組相比,GLUT3、GLUT4、GLUT8在DHEA組的蛋白表達(dá)水平均顯著下降(P<0.05)(圖4)。
注:與對(duì)照組比較,*P<0.05,#P<0.01。圖4 Western Blot法檢測(cè)兩組小鼠卵巢組織中GLUTs蛋白表達(dá)的條帶圖及灰度值分析
為了進(jìn)一步探討HA對(duì)人KGN細(xì)胞中GLUTs表達(dá)的影響,分別以睪酮濃度0、1、10 μmol/L處理人KGN細(xì)胞,觀察不同濃度下細(xì)胞的生長情況發(fā)現(xiàn),各組細(xì)胞均形態(tài)正常,睪酮干預(yù)對(duì)KGN細(xì)胞的增殖效應(yīng)無明顯影響(圖5)。并通過Western Blot法檢測(cè)3組中GLUTs蛋白表達(dá)水平的變化,結(jié)果顯示:GLUT1在10 μmol/L睪酮組中表達(dá)顯著低于對(duì)照組(P<0.05),但在0 μmol/L睪酮組和1 μmol/L睪酮組中的表達(dá)水平變化不大;與睪酮0 μmol/L組相比,GLUT4在睪酮1 μmol/L組中的表達(dá)有下降趨勢(shì),但尚無顯著性差異(P>0.05),而在睪酮10 μmol/L組中GLUT4蛋白表達(dá)顯著減少(P<0.05);GLUT8對(duì)睪酮最敏感,1 μmol/L睪酮就會(huì)引起GLUT8蛋白表達(dá)的顯著降低(P<0.01);GLUT3、GLUT12在不同睪酮濃度的3組中表達(dá)水平變化不大,無顯著性差異(P>0.05)(圖6)。
圖5 不同睪酮濃度處理0 h和24 h時(shí)人KGN細(xì)胞的增殖情況(×200)
注:與對(duì)照組比較,*P<0.05,**P<0.01。圖6 Western Blot法檢測(cè)不同睪酮濃度下人KGN細(xì)胞中GLUTs蛋白表達(dá)條帶圖及灰度值分析
PCOS作為女性最常見的內(nèi)分泌紊亂疾病,會(huì)導(dǎo)致一系列代謝問題,例如肥胖癥、代謝綜合征、高胰島素血癥、胰島素抵抗、肝脂肪變性和血脂異常等,還會(huì)增加Ⅱ型糖尿病和心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)[17]。HA作為PCOS的決定性特征之一[15],目前許多臨床研究發(fā)現(xiàn)其與PCOS的代謝紊亂相關(guān),例如:女性體內(nèi)過量的雄激素可以通過肝臟雄激素受體破壞代謝功能[18];成年早期HA與中年葡萄糖代謝異常呈正相關(guān)[19]等,但具體機(jī)制尚未闡明。
葡萄糖作為親水分子,無法自由通過疏水的生物膜,其進(jìn)出細(xì)胞主要依靠膜上的GLUTs運(yùn)載。迄今,已知的GLUTs家族有14位成員,根據(jù)序列相似性,GLUT家族被分為3類:I類(GLUT1~4和14)、Ⅱ類(GLUT5、7、9和11)和Ⅲ類[GLUT6、8、10、12和氫離子(H+)/肌醇協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)體(HMIT)][20]。關(guān)于PCOS糖代謝異常的可能機(jī)制,目前研究最多的是胰島素抵抗通過PI3K-AKT通路對(duì)GLUT4產(chǎn)生影響,造成GLUT4表達(dá)下調(diào)、易位障礙,導(dǎo)致其葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)能力減弱,從而損傷糖代謝[21]。有學(xué)者對(duì)GLUT1、4在PCOS脂肪細(xì)胞中的表達(dá)與胰島素介導(dǎo)和非胰島素介導(dǎo)的全身葡萄糖攝取關(guān)系進(jìn)行研究,他們認(rèn)為因胰島素介導(dǎo)的葡萄糖攝取降低和胰島素分泌增加繼發(fā)的胰島素抵抗部分歸因于脂肪細(xì)胞中GLUT4表達(dá)的減少,且不伴非胰島素介導(dǎo)的GLUT1葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)代償性增加[14]。這一發(fā)現(xiàn)引起我們的思考,當(dāng)以GLUT4為代表的胰島素介導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)受損時(shí),同為胰島素依賴性糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的GLUT8和12的表達(dá)和轉(zhuǎn)運(yùn)功能會(huì)發(fā)生怎樣的變化?是否存在一些“躲避”機(jī)制?那么非胰島素介導(dǎo)的GLUT1和GLUT3能否發(fā)揮代償作用,彌補(bǔ)受損的胰島素介導(dǎo)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)?這些問題都值得進(jìn)一步探究。
GLUT1負(fù)責(zé)“基礎(chǔ)”葡萄糖攝取,是在機(jī)體所有器官中普遍存在的糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[22]。本研究發(fā)現(xiàn),GLUT1在睪酮干預(yù)的人KGN細(xì)胞中表達(dá)較穩(wěn)定,但隨著睪酮濃度的升高,其表達(dá)也會(huì)下調(diào)。GLUT3主要在對(duì)葡萄糖有高需求的組織中表達(dá),例如大腦、精子、胎盤滋養(yǎng)細(xì)胞等[23]。本研究發(fā)現(xiàn),DHEA建模成功的PCOS小鼠中GLUT3蛋白表達(dá)顯著降低,而僅用睪酮對(duì)人KGN細(xì)胞進(jìn)行干預(yù)時(shí),GLUT3表達(dá)卻沒有明顯變化。GLUT4作為胰島素反應(yīng)性葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,主要存在于脂肪、心臟和骨骼肌等胰島素敏感性組織中,GLUT4在全身葡萄糖穩(wěn)態(tài)和Ⅱ型糖尿病的發(fā)病機(jī)制中起重要作用[10]。本研究結(jié)果顯示,高濃度(10 μmol/L)睪酮干預(yù)時(shí)人KGN細(xì)胞中GLUT4表達(dá)會(huì)顯著降低。提示PCOS狀態(tài)下,HA可能通過影響GLUT4的表達(dá),加重糖代謝的紊亂,繼而導(dǎo)致胰島素抵抗的加重。GLUT8在睪丸中高水平表達(dá),在子宮、卵巢和脂肪中低表達(dá)[24],本研究結(jié)果顯示GLUT8在DHEA建模成功的PCOS 小鼠卵巢和睪酮干預(yù)的人KGN細(xì)胞中均表達(dá)下調(diào),提示它是對(duì)睪酮影響最敏感的糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。GLUT12主要在小腸、胎盤、骨骼肌和脂肪組織中表達(dá)[25],但本研究中它在PCOS模型小鼠的卵巢和睪酮干預(yù)的人KGN細(xì)胞中表達(dá)水平變化都不大,其中是否存在了一些“躲避”機(jī)制值得進(jìn)一步探索。
本研究參照之前文獻(xiàn)方法及判斷標(biāo)準(zhǔn)[26-27],通過對(duì)小鼠體重變化、血清睪酮水平、空腹血糖值、糖耐量變化以及卵巢形態(tài)學(xué)改變等的分析來驗(yàn)證DHEA組小鼠PCOS建模成功。通過Western Blot實(shí)驗(yàn)證實(shí)了PCOS模型小鼠卵巢、人KGN細(xì)胞中存在GLUT1、3、4、8、12蛋白的表達(dá),且PCOS小鼠卵巢中多個(gè)GLUTs蛋白的表達(dá)會(huì)發(fā)生變化。并首次運(yùn)用細(xì)胞實(shí)驗(yàn),探討單一高雄環(huán)境對(duì)人KGN細(xì)胞中GLUTs蛋白表達(dá)的影響,發(fā)現(xiàn)HA影響了多個(gè)GLUTs蛋白的表達(dá),并且對(duì)不同的GLUTs產(chǎn)生的作用不同。
綜上,本研究通過動(dòng)物模型和細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PCOS小鼠卵巢中的多個(gè)GLUTs的表達(dá)發(fā)生了改變;HA狀態(tài)會(huì)顯著影響小鼠卵巢和KGN細(xì)胞中GLUTs的表達(dá)模式,加劇PCOS卵巢中糖代謝的紊亂;HA對(duì)GLUTs蛋白的影響可能是其引起PCOS糖代謝異常的重要機(jī)制。有研究認(rèn)為,通過控制糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來遏制腫瘤的生長是腫瘤治療的一個(gè)機(jī)會(huì)[28];同理,對(duì)于PCOS患者而言,對(duì)個(gè)別重要的GLUTs進(jìn)行靶向治療或許也具有重大意義,希望本研究結(jié)果能為探討PCOS的發(fā)病機(jī)制以及尋找潛在的治療靶點(diǎn)提供一定的實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。但本研究采用動(dòng)物模型模擬PCOS患者的生殖與代謝特征,與更為復(fù)雜且精密的人體之間仍存在差距;且關(guān)于KGN細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中一些糖代謝指標(biāo)的變化情況仍有待完善,后續(xù)還需要進(jìn)一步研究HA影響PCOS患者糖代謝的具體機(jī)制。