魏姣姣,劉師偉,段瑞雪,李 楠,王江娜
1山西醫(yī)科大學第九臨床醫(yī)學院,太原 030009 2山西白求恩醫(yī)院(山西醫(yī)學科學院 同濟山西醫(yī)院)山西醫(yī)科大學第三醫(yī)院內(nèi)分泌科,太原 030032 3華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬同濟醫(yī)院內(nèi)分泌科,武漢 430030 4山西醫(yī)科大學研究生學院,太原 030001
糖尿病是最常見的代謝綜合征之一,近年來其患病率呈逐年上升趨勢,預計至2040年全球糖尿病患者人數(shù)將高達6.4億,給社會帶來極大的疾病負擔[1]。2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)是糖尿病的最主要形式,除胰島素抵抗外,胰島β細胞衰竭(包括胰島β細胞數(shù)量減少和胰島β細胞功能障礙)亦是其發(fā)病的主要原因[2],其中胰島β細胞功能障礙是T2DM發(fā)病的核心環(huán)節(jié)。因此,T2DM的理想治療策略是在降低血糖的同時保護胰島β細胞功能。
自噬是維持細胞穩(wěn)態(tài)的一種保護性機制,在維持胰島β細胞數(shù)量和功能方面起重要作用[3]。自噬受多種信號通路的調(diào)控,腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate activated protein kinase,AMPK)/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)通路是其中較為重要的通路之一[4],對胰島β細胞的功能維持尤其重要[5]。內(nèi)臟脂肪特異性絲氨酸蛋白酶抑制劑(visceral adipose tissue-derived serpin,Vaspin)是一種脂肪細胞因子[6],具有調(diào)節(jié)胰島素敏感性、糖耐量、減少食欲和抗動脈粥樣硬化的作用[7-9]。研究發(fā)現(xiàn),Vaspin可促進胰島素分泌,改善胰島β細胞功能[10]。在心肌細胞中,Vaspin可通過AMPK/mTOR通路激活自噬,改善缺血再灌注心肌細胞損傷[11],但Vaspin能否通過AMPK/mTOR通路調(diào)節(jié)自噬,進而改善胰島β細胞功能尚未明確。本研究以高脂高糖聯(lián)合鏈脲佐菌素(streptozotocin,STZ)誘導的方式制備T2DM大鼠模型,探究Vaspin改善T2DM大鼠胰島β細胞功能的機制及具體信號通路,以期為T2DM的干預提供新思路。
SPF級8周齡 Sprague-Dawley(SD)雄性大鼠40只,體質(zhì)量180~200 g,購自北京斯貝福動物技術有限公司,動物合格證號為SCXK(京)2019-0010。大鼠飼養(yǎng)于山西醫(yī)科大學動物實驗中心,室溫22~26 ℃,相對濕度40%~60%,明暗周期12 h,保持通風換氣,定期更換墊料。
本研究已通過山西醫(yī)科大學實驗動物倫理審查委員會審批(審批號:SYDL2022015)。
1.2.1 試劑
主要試劑包括:重組人Vaspin蛋白(美國Phoenix公司),STZ(美國Sigma公司),血糖試紙(上海萊弗仕康醫(yī)療器材有限公司),大鼠胰島素酶聯(lián)免疫吸附檢測試劑盒(上海西唐生物科技有限公司),甘油三酯(triglyceride,TG)、總膽固醇(total cholesterol,TC)檢測試劑盒(南京建成生物工程研究所),兔抗鼠源性β-actin、AMPK、磷酸化AMPK(phosphorylated AMPK,p-AMPK)、mTOR、磷酸化mTOR(phosphorylated mTOR,p-mTOR)、LC3、P62、胰島素抗體(美國Cell Signaling Technology公司),HRP-標記的山羊抗兔抗體、凝膠配制試劑盒、蛋白提取試劑盒、BCA 蛋白定量試劑盒及免疫組化檢測試劑盒(武漢博士德生物工程公司),ECL試劑盒(美國Affinity公司)。
1.2.2 造模、分組及干預
SD大鼠適應性飼養(yǎng)1周后,隨機分為正常對照組(n=10)和高糖高脂組(n=30),分別給予標準飼料或高脂高糖飼料。飼養(yǎng)5周后,高脂高糖組大鼠腹腔注射STZ 35 mg/kg,3 d后取鼠尾靜脈血檢測,隨機血糖>16.7 mmol/L視為T2DM造模成功[12],造模不成功者剔除實驗。取20只造模成功的大鼠,隨機分為T2DM組(n=10)、Vaspin組(n=10)。Vaspin組每日腹腔注射Vaspin 960 ng/kg,連續(xù)干預8周[13];T2DM組與正常對照組均腹腔注射等劑量生理鹽水。
記錄造模前、干預前、干預4周和干預8周時3組大鼠體質(zhì)量和空腹血糖(fasting blood-glucose,F(xiàn)BG)。干預8周時,進行如下測定:
1.3.1 代謝指標
取大鼠空腹靜脈血,檢測空腹胰島素(fasting insulin,F(xiàn)INS)、TC及TG。
1.3.2 糖耐量及胰島素敏感性
(1)腹腔葡萄糖耐量試驗(intraperitoneal glucose tolerance test,IPGTT):大鼠(n=6)禁食過夜后,腹腔注射20%葡萄糖2 g/kg,于注射0 min、30 min、60 min、90 min、120 min時取靜脈血測定血糖變化,采用梯形法則計算血糖曲線下面積(area under the curve,AUC),評估糖耐量變化。(2)腹腔胰島素耐量試驗(intraperitoneal insulin tolerance test,IPITT):于IPGTT 1周后進行。大鼠禁食過夜后,腹腔注射速效胰島素2 U/kg,于注射0 min、30 min、60 min、90 min、120 min取靜脈血測定血糖值,并計算AUC,評估大鼠胰島素敏感性變化。
1.3.3 胰島β細胞功能
采用高葡萄糖鉗夾試驗評估大鼠胰島β細胞功能。大鼠(n=3)禁食過夜后(每組余4只大鼠中,因發(fā)生死亡或操作不當均剔除1只大鼠),采用異氟烷吸入麻醉。麻醉成功后進行頸動脈、股靜脈置管,靜置30 min后于頸動脈插管的三通管處取血,測血糖水平;經(jīng)股靜脈插管處注入20%葡萄糖200 mg/kg(1 min內(nèi)輸注完畢),微量泵持續(xù)輸入20%葡萄糖(持續(xù)120 min),每5 min檢測1次血糖,根據(jù)血糖水平調(diào)整葡萄糖輸注速率(glucose infusion rate,GIR),使血糖水平維持在基礎水平+7.9 mmol/L附近;血糖達穩(wěn)態(tài)后,連續(xù)取3個時間點GIR均值作為穩(wěn)態(tài)時的GIR。分別于輸注葡萄糖0 min、5 min、10 min、60 min、90 min、120 min時,分別取頸動脈處血樣200 μL檢測血清胰島素水平;第一時相胰島素分泌量為0 min、5 min、10 min胰島素水平之和,第二時相胰島素分泌量為60 min、90 min、120 min胰島素水平的均值。根據(jù)穩(wěn)態(tài)時GIR及第一、二時相胰島素分泌量,評估胰島β細胞功能[14]。
1.3.4 組織病理學檢查
高葡萄糖鉗夾試驗結束后處死大鼠,取胰尾組織,4%甲醛溶液固定;經(jīng)逐級脫水、浸蠟、包埋、切片后進行HE染色,光鏡下觀察大鼠胰腺組織形態(tài)。
1.3.5 胰島素及自噬相關蛋白P62、LC3表達測定
采用免疫組化法測定3組胰腺組織胰島素、P62、LC3表達水平。取石蠟包埋的胰腺組織切片,依次進行3~5 μm連續(xù)切片、脫蠟、梯度乙醇水化、抗原修復,山羊血清封閉30 min;滴加經(jīng)PBS稀釋(1∶200)的胰島素、LC3及P62抗體,4 ℃孵育過夜;PBS清洗3次,滴加相應的二抗,37 ℃孵育30 min;切片依次經(jīng)DAB顯色、蘇木精復染、脫水、透明、封片,于顯微鏡下觀察。采用IPP 6.0軟件檢測陽性組織平均光密度值(average optical density,AOD),AOD越大表示蛋白表達量越高。
1.3.6 AMPK/mTOR信號通路相關蛋白表達測定
采用Western blot法測定各蛋白表達水平。首先按照試劑盒說明書中的操作步驟提取大鼠胰腺組織中的總蛋白,然后采用BCA法測定蛋白濃度并調(diào)整濃度為20 g/L;取蛋白樣品,按體積比4∶1與5×蛋白上樣緩沖液混合,100 ℃加熱5 min使蛋白變性;通過SDS-PAGE電泳促進蛋白分離,采用濕轉法將凝膠上的蛋白電轉至PVDF膜,5% BSA或5%脫脂奶粉封閉1 h;加入AMPK、p-AMPK、mTOR、p-mTOR、P62、微管相關蛋白1輕鏈3(microtubule associated protein1 light chain3,LC3)Ⅰ、LC3 Ⅱ等特異性一抗(1∶1000)和HRP-標記的羊抗兔抗體(1∶5000),經(jīng)ECL發(fā)光顯影,采用Image J軟件分析各蛋白相對表達水平,并計算p-AMPK/AMPK、p-mTOR/mTOR、LC3 Ⅱ/LC3 Ⅰ比值。
采用SPSS 25.0軟件進行統(tǒng)計學分析。體質(zhì)量、FBG、FINS、TC、TG等符合正態(tài)分布的計量資料以均數(shù)±標準差表示,組間比較采用單因素方差分析,兩兩比較采用LSD-t檢驗。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。
3組大鼠造模前體質(zhì)量、FBG均無統(tǒng)計學差異(P均>0.05)。與正常對照組比較,T2DM組與Vaspin組干預前、干預4周、干預8周時體質(zhì)量均下降,F(xiàn)BG均升高(P均<0.05);與T2DM組比較,Vaspin組干預4周時大鼠體質(zhì)量及FBG無統(tǒng)計學差異(P均>0.05),干預8周時大鼠體質(zhì)量增高,F(xiàn)BG下降(P均<0.05),提示Vaspin可降低T2DM大鼠血糖,提高體質(zhì)量(表1)。
表1 3組大鼠不同時間點體質(zhì)量、FBG比較
與正常對照組比較,T2DM組、Vaspin組干預8周時FINS均降低,TC、TG均升高(P均<0.05);與T2DM組比較,Vaspin組干預8周時FINS升高,TC、TG降低(P均<0.05),提示Vaspin可改善T2DM大鼠脂質(zhì)代謝,增加胰島素分泌量(表2)。
表2 3組大鼠干預8周時FINS、TC、TG水平比較
圖1 3組大鼠糖耐量及胰島素敏感性比較(n=6)
與正常對照組比較,T2DM組干預8周時的血糖AUC顯著升高[IPGTT:(53.10±5.19)mmol/(L·h)比 (13.70±2.19)mmol/(L·h),P<0.001;IPITT:(37.22±3.60)mmol/(L·h)比 (6.48±1.12)mmol/(L·h),P<0.001],Vaspin組大鼠血糖AUC雖高于正常對照組,但顯著低于T2DM組[IPGTT:(42.76±4.81)mmol/(L·h)比(53.10±5.19)mmol/(L·h),P=0.001;IPITT:(25.84±10.07)mmol/(L·h)比(37.22±3.60)mmol/(L·h),P=0.006],提示Vaspin可改善T2DM大鼠糖耐量及胰島素敏感性(圖1)。
高葡萄糖鉗夾試驗是評估胰島β細胞功能的金標準,結果顯示,與正常對照組比較,T2DM組大鼠穩(wěn)態(tài)時GIR值[(7.23±1.47)mg/(kg·min)比 (25.92±1.61)mg/(kg·min),P<0.001]、第一時相[(1.24±0.18)μg/L 比 (3.17±0.25)μg/L,P<0.001]及第二時相[(0.46±0.09)μg/L 比 (1.14±0.07)μg/L,P<0.001]胰島素分泌量均降低;Vaspin組GIR值、第一時相及第二時相胰島素分泌量雖亦低于正常對照組,但各指標均較T2DM組升高[GIR:(12.55±1.47)mg/(kg·min)比 (7.23±1.47)mg/(kg·min),P=0.005;第一時相胰島素分泌量:(2.31±0.20)μg/L比(1.24±0.18)μg/L,P=0.001;第二時相胰島素分泌量:(0.72±0.04)μg/L比(0.46±0.09)μg/L,P=0.003],表明Vaspin可改善T2DM大鼠胰島β細胞功能(圖2)。
正常對照組大鼠胰腺組織中胰島面積正常、形態(tài)結構完整、呈橢圓形,胰島細胞排列均勻、整齊,形態(tài)規(guī)則,細胞核呈圓形且大致位于細胞中央,細胞質(zhì)呈粉色,細胞核為深紫色。與正常對照組比較,T2DM組大鼠胰島面積明顯減少,胰島結構明顯被破壞,細胞分布不均勻、形狀不規(guī)則,間質(zhì)增多;與T2DM組比較,Vaspin組大鼠胰島形態(tài)有不同程度改善,大部分胰島細胞形態(tài)規(guī)則,細胞核形態(tài)恢復,提示Vaspin可明顯減輕T2DM大鼠胰島形態(tài)與結構損傷(圖3)。
免疫組化結果顯示,與正常對照組比較,T2DM組大鼠胰腺組織中胰島素表達水平降低(AOD:0.030±0.020比0.151±0.003,P=0.001),P62(AOD:0.046±0.010比0.009±0.003,P=0.000)、LC3蛋白(AOD:0.073±0.017比0.035±0.022,P=0.028)水平升高;與T2DM組比較,Vaspin組大鼠胰腺組織中胰島素(AOD:0.095±0.037比0.030±0.020,P=0.015)、LC3蛋白(AOD:0.172±0.005比 0.073±0.017,P=0.000)表達水平升高,P62蛋白表達水平降低(AOD:0.002±0.001比0.046±0.010,P=0.000),表明Vaspin可激活自噬、改善自噬活性,進一步表明其可改善胰島β細胞功能(圖4)。
圖2 3組大鼠高葡萄糖鉗夾試驗結果比較(n=3)
Western blot結果顯示,與正常對照組比較,T2DM組大鼠胰腺組織p-AMPK/AMPK比值、LC3Ⅱ/LC3Ⅰ比值及P62蛋白水平升高,p-mTOR/mTOR比值降低(P均<0.05);與T2DM組比較,Vaspin組p-AMPK/AMPK比值及LC3Ⅱ/LC3Ⅰ比值升高,p-mTOR/mTOR比值及P62蛋白水平降低(P均<0.05),提示Vaspin可通過AMPK/mTOR信號通路激活T2DM大鼠胰島β細胞自噬(圖5,表3)。
圖3 3組大鼠胰腺組織病理圖(HE,×400,n=3)
圖4 3組大鼠胰腺組織胰島素、P62、LC3蛋白表達免疫組化圖(n=3)
圖5 3組大鼠胰腺組織AMPK/mTOR信號通路活性及自噬相關蛋白表達凝膠電泳圖(n=3)
表3 3組大鼠干預8周時p-AMPK/AMPK、p-mTOR/mTOR、LC3Ⅱ/LC3Ⅰ、P62水平比較
胰島β細胞功能衰竭是T2DM發(fā)生發(fā)展的重要病理機制[15],改善胰島β細胞功能障礙是該疾病防治的重要手段。Vaspin已被證實對胰島β細胞具有保護作用,但其能否通過影響自噬發(fā)揮作用,以及調(diào)控自噬的信號通路尚未明確。本研究以T2DM大鼠模型為研究對象,探究Vaspin改善T2DM大鼠胰島β細胞功能的具體作用機制。血液學檢測結果顯示,與T2DM組比較,Vaspin組干預8周時FINS升高,F(xiàn)BG、IPGTT與IPITT血糖AUC均降低,提示Vaspin可降低血糖,促進胰島素分泌并增加胰島素敏感性;對胰腺組織病理學與胰島β細胞功能檢查后發(fā)現(xiàn),與T2DM組比較,Vaspin組胰島β細胞損傷減輕,第一、二時相胰島素分泌量均升高,進一步明確了Vaspin對胰島β細胞具有保護作用;對大鼠胰腺組織中自噬蛋白及相關信號通路活性檢測后發(fā)現(xiàn),與T2DM組比較,Vaspin組大鼠胰腺組織中胰島素表達水平、p-AMPK/AMPK比值及LC3Ⅱ/LC3Ⅰ比值均升高,p-mTOR/mTOR比值及P62蛋白水平均降低,說明Vaspin干預后大鼠自噬能力增高,自噬相關通路AMPK/mTOR呈活化狀態(tài)。結合以上結果初步判定,Vaspin可通過上調(diào)AMPK/mTOR信號通路活性,增強自噬,進而發(fā)揮保護胰島β細胞、改善T2DM病情的藥理作用。
Vaspin屬于脂肪因子,與多種代謝紊亂直接或間接相關。Kloting等[16]在不同糖耐量人群的研究中發(fā)現(xiàn),血清Vaspin濃度增加與肥胖、胰島素抵抗及T2DM代謝參數(shù)變化相關。Nicholson等[17]、Nakatsuka等[18]基于動物實驗和T2DM人群研究發(fā)現(xiàn),Vaspin可增加胰島素敏感性、改善糖耐量、降低血糖,調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝。本研究結果顯示,經(jīng)Vaspin干預后,T2DM大鼠體質(zhì)量、FINS升高,TC、TG、FBG均下降,提示Vaspin具有改善T2DM大鼠脂質(zhì)代謝紊亂、減輕胰島素抵抗、增加糖耐量、降低血糖的作用,與既往報道結果一致。
除對代謝指標有調(diào)節(jié)作用外,有研究發(fā)現(xiàn)Vaspin作用于離體胰島后,可引起葡萄糖刺激下的胰島素分泌增加[10],提示Vaspin亦可影響胰島β細胞功能。本研究基于IPGTT與IPITT、高葡萄糖鉗夾試驗及組織病理學檢查結果可知,相較于T2DM組,Vaspin組大鼠胰島損傷明顯減輕、胰島β細胞功能明顯增強、胰島素敏感性明顯增高,再次驗證了Vaspin具有改善T2DM大鼠胰島β細胞功能的作用。
自噬是細胞內(nèi)的“清道夫”,可降解細胞內(nèi)缺陷蛋白質(zhì)、受損細胞器和有害物質(zhì),從而保護機體免受缺血、缺氧及部分外部刺激等造成的應激性損害[19-20]。在病理條件下,自噬能力不足或受損可能導致胰島β細胞功能障礙甚至凋亡,誘發(fā)T2DM[3]。LC3、P62是公認的自噬標志蛋白,自噬形成時,胞漿型LC3(LC3 Ⅰ)的小片段多肽發(fā)生酶解后轉變?yōu)槟ば蚅C3(LC3 Ⅱ),故LC3Ⅱ/LC3Ⅰ比值可反映自噬水平,其值越高表示自噬水平越高[21];P62是一種泛素結合蛋白,其表達水平與細胞自噬活性呈負相關,自噬缺陷時出現(xiàn)P62累積[22]。最新基于T2DM人群和小鼠實驗的研究結果表明,胰島β細胞長時間暴露于游離脂肪酸中可引起自噬體積聚,伴隨自噬蛋白LC3 Ⅱ和P62水平升高,提示暴露于脂肪酸的β細胞自噬水平呈代償性激活但自噬活性下降,導致胰島β細胞凋亡及其功能障礙,促進T2DM進展[20,23]。上調(diào)自噬水平或增加其活性,有助于維持胰島β細胞活力及功能[3],顯著減少高濃度游離脂肪酸和葡萄糖引起的胰島β細胞凋亡[24],而Vaspin在其他細胞中已被證實具有激活自噬的作用[11],理論上有可能通過調(diào)節(jié)自噬信號通路,改善胰島β細胞功能。本研究發(fā)現(xiàn),與正常對照組比較,T2DM組大鼠胰島素水平降低,反映自噬水平的LC3Ⅱ/LC3Ⅰ比值及與自噬活性呈負相關的P62蛋白水平均升高,進一步驗證了T2DM大鼠胰島β細胞呈自噬水平升高但自噬活性降低的紊亂狀態(tài);與T2DM組比較,Vaspin組LC3Ⅱ/LC3Ⅰ比值升高,P62蛋白水平降低,提示Vaspin干預后T2DM大鼠胰島β細胞自噬水平上調(diào)的同時自噬活性得到恢復,說明Vaspin改善胰島β細胞的功能與調(diào)控自噬有關。
自噬受多個通路的調(diào)控,其中mTOR是負調(diào)控自噬的中心分子。mTOR通過參與多種生物過程以維持機體代謝平衡,包括調(diào)節(jié)細胞自噬、線粒體功能、脂肪生成、酮體合成及葡萄糖穩(wěn)態(tài)[25]。AMPK是維持細胞內(nèi)能量平衡、調(diào)控全身能量代謝的關鍵能量調(diào)節(jié)元件,其可抑制mTOR活性,啟動自噬[26],因此AMPK/mTOR信號通路不僅是細胞內(nèi)能量代謝監(jiān)測系統(tǒng)的重要位點,也是調(diào)節(jié)自噬的重要上游信號通路[27]?,F(xiàn)有證據(jù)表明,羅格列酮和二甲雙胍等糖尿病治療藥物改善T2DM患者胰島β細胞功能的機制與通過AMPK/mTOR途徑誘導細胞自噬增強有關[28]。既往文獻證實Vaspin具有AMPK/mTOR調(diào)控作用,如Nakatsuka等[18]發(fā)現(xiàn)Vaspin可促進肥胖大鼠肝細胞AMPK磷酸化,改善葡萄糖、脂質(zhì)代謝;Yang等[11]發(fā)現(xiàn)Vaspin可通過AMPK/mTOR通路激活自噬進而減輕缺血再灌注心肌細胞損傷。本研究對該通路關鍵調(diào)控蛋白檢測后發(fā)現(xiàn),與T2DM組比較,Vaspin組p-AMPK/AMPK比值及LC3Ⅱ/LC3Ⅰ比值均升高,p-mTOR/mTOR比值及P62蛋白水平均降低,初步說明Vaspin可通過激活AMPK/mTOR 信號通路,增強胰島β細胞自噬能力。
本研究創(chuàng)新性:首次闡明Vaspin改善胰島β細胞功能的作用機制與細胞自噬有關。本研究局限性:(1)未設置AMPK/mTOR信號通路抑制劑組,Vaspin與該通路的詳細作用關系尚未闡明;(2)僅為動物實驗,確切結論需臨床研究加以證實。
綜上所述,Vaspin具有保護T2DM大鼠胰島β細胞功能,促進胰島素分泌并增加胰島素敏感性的作用,以降低血糖、減輕T2DM病情,其作用機制可能與活化AMPK/mTOR信號通路,增強細胞自噬能力有關,該分子通路有望成為T2DM防治的新靶點。由于T2DM發(fā)病機制及自噬體系相當復雜,Vaspin調(diào)控自噬及其改善胰島β細胞功能的機制仍需深入研究以進一步驗證。
作者貢獻:魏姣姣負責研究實施及論文撰寫;劉師偉負責研究設計并指導論文修訂;段瑞雪、李楠負責實驗設計、數(shù)據(jù)分析及結果解讀;王江娜負責實驗過程及文獻查詢。
利益沖突:所有作者均聲明不存在利益沖突