楊華生,龔芬芳,柳 婷,李 婷,吳 璐
(江西中醫(yī)藥大學(xué),江西 南昌 330004)
玉竹為百合科植物玉竹Polygonatumodoratum(Mill.)Druce 的干燥根莖,主要含有玉竹多糖、黃酮、皂苷等成分,其中玉竹多糖降血糖作用確切,是玉竹研究聚焦的成分,也是評價玉竹質(zhì)量的主要指標[1]。近年來研究發(fā)現(xiàn),甜味受體與降血糖作用關(guān)系密切[2]。
甜味受體屬于味覺受體第一家族成員(taste receptor family 1member,T1R)[3]。T1R 由T1R1、T1R2、T1R3 構(gòu)成,T1R2 和T1R3 以二聚體的形式構(gòu)成甜味受體。甜味受體不僅存在于味蕾感知甜味,還存在于腸道介導(dǎo)胃腸激素釋放[4]。甜味劑與T1R2/T1R3 結(jié)合后,α-gustducin 活化,cAMP上升,Ca2+內(nèi)流,胰高血糖素樣肽-1 (glucagonlikepeptide1,GLP-1)分泌[5]。也有研究表明,甜味劑還可通過瞬時受體電位M 亞型5 (TRPM5)途徑促進GLP-1 分泌[6]。GLP-1 不僅能促進胰島素的分泌[7],還能影響葡萄糖的腸道吸收。一般認為,葡萄糖通過刷狀緣膜的鈉/葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白1 (sodium-glucose cotransporter 1,SGLT-1)吸收進入細胞,然后通過基底膜的葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白2 (glucose transporter 2,GLUT-2)進入血液。研究發(fā)現(xiàn),GLP-1 的釋放是由刷狀緣膜上SGLT-1 介導(dǎo)的[8]。因此,本研究采用高脂高糖飲食聯(lián)合鏈脲佐菌素誘導(dǎo)糖尿病模型,研究玉竹多糖對糖尿病大鼠空腹血糖、血脂、胰臟和肝臟組織形態(tài)、糖耐量、GLP-1、胰島素及甜味受體信號通路中信號蛋白T1R2、T1R3、α-gustducin、TRPM5、SGLT-1、GLUT-2 mRNA 表達的影響,并進一步采用細胞模型驗證,從甜味受體的角度闡明玉竹多糖降血糖機理,為玉竹的應(yīng)用及評價提供依據(jù)。
1.1 儀器 羅氏LightCycler? 96 實時熒光定量PCR 儀、羅氏活力型血糖儀(瑞士Roche 公司);核酸蛋白測定儀(美國賽默飛公司); 激光共聚焦顯微鏡、倒置顯微鏡(德國徠卡公司); 生化培養(yǎng)箱(上海博泰實驗設(shè)備有限公司); 多功能酶標儀(瑞士Tecan 公司); GEL DOC XR+凝膠成像系統(tǒng)(美國Bio-Rad 公司); DYY-7C 型電泳儀(北京六一儀器有限公司)。
1.2 藥物與試劑 玉竹飲片購自安徽道源堂中藥飲片有限公司,經(jīng)江西中醫(yī)藥大學(xué)付小梅教授鑒定為百合科植物玉竹Polygonatumodoratum(Mill.)Druce 的干燥根莖。M5 Realtime PCR Super mix(批號21DB2535,北京聚合美生物科技有限公司); GLP-1 試劑盒(批號R0996G011S,武漢菲恩生物科技有限公司); 胰島素試劑盒 (批號A322001245,杭州聯(lián)科生物技術(shù)股份有限公司);膽固醇(TC)、三酰甘油(TG)、低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)、高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)、cAMP 試劑盒 ( 批號 20210106、20210107、20210107、20210106、20210611,南京建成生物工程研究所有限公司); 蘇木素染色液、伊紅染色液、鏈脲佐菌素(STZ)、檸檬酸鈉緩沖液(批號20210226、20210204、616S0210、A20201109,北京索萊寶科技有限公司); 鹽酸二甲雙胍(批號ABS0267,中美上海施貴寶制藥有限公司); RNA提取試劑盒(批號20210424,北京聚合美生物科技有限公司); 透析膜 ( 3 000 Da,批號SP132680,上海源葉生物科技有限公司)。
1.3 實驗動物及細胞株 SPF 級SD 雄性大鼠,體質(zhì)量(180±20)g,購自湖南斯萊克景達實驗動物有限公司[實驗動物生產(chǎn)許可證號SCXK (湘)2019-0004],飼養(yǎng)于江西中醫(yī)藥大學(xué)動物房,環(huán)境室溫20~25 ℃,相對濕度40% ~60%,12 h 光照和12 h 黑暗交替,自由進食飲水,實驗操作均符合實驗動物使用指導(dǎo)原則,實驗方案取得江西中醫(yī)藥大學(xué)倫理委員會審核批準 (倫理號JZSYDWLL-20201215)。人十二指腸腺癌細胞HuTu-80 細胞株,購自上海富衡生物科技有限公司。
2.1 玉竹多糖的制備及表征 取玉竹飲片,粉碎,加水回流提取2 次,每次2 h,過濾,合并濾液,濃縮至生藥量0.25 g/mL。取提取液,加適量Sewage 試劑,振蕩搖勻,收集上清液,重復(fù)操作5次; 合并上清液,加入乙醇,冷藏,收集沉淀,干燥,得玉竹粗多糖。取玉竹粗多糖適量,超純水溶解,使用3 500 Da 透析膜去除小分子物質(zhì),濃縮干燥即得玉竹純化多糖。采用苯酚-硫酸法測定多糖的含量,采用考馬斯亮藍G-250 法測定蛋白質(zhì)的含量,采用HPLC-ELSD 法測定低分子糖的含量,采用PMP 柱前衍生-HPLC 法分析玉竹多糖中單糖的組成,采用紅外光譜法分析玉竹多糖中的官能團結(jié)構(gòu),對玉竹多糖進行表征。
2.2 動物實驗
2.2.1 模型制備、分組及給藥 將大鼠隨機分為正常組(8 只)和造模組(40 只),正常組大鼠給予普通飼料喂養(yǎng),造模組大鼠給予高脂高糖飼料(66.5%基礎(chǔ)飼料+10%豬油+20%蔗糖+2.5%膽固醇+1% 膽酸鈉)喂養(yǎng),飼養(yǎng)4 周后,禁食12 h,腹腔注射2% STZ [30 mg/kg,溶于0.1 mmol/L 檸檬酸緩沖液(pH 4.5)],1 周后再次禁食12 h,腹腔注射2% STZ,72 h 后測定大鼠空腹血糖,空腹血糖值≥11.1 mmol/L,表明造模成功[9]。將造模成功的大鼠隨機分為模型組、二甲雙胍組(200 mg/kg)和玉竹多糖低、中、高劑量組 (100、200、400 mg/kg,按臨床劑量及純化多糖得率換算),每天灌胃給藥1 次,持續(xù)8 周。
2.2.2 空腹血糖測定 給藥前及給藥后的第2、4、6、8 周末,禁食12 h 后尾靜脈取血,采用血糖儀測定大鼠的空腹血糖 (fasting blood glucose,F(xiàn)BG)。
2.2.3 口服葡萄糖耐量實驗及血清GLP-1、胰島素檢測 給藥第7 周末,各組大鼠禁食過夜,然后以2 g/kg 葡萄糖溶液灌胃,分別在灌胃后0、0.5、1、1.5、2 h 這5 個時間點,尾靜脈取血,采用血糖儀測定血糖值,繪制“時間-血糖” 曲線,并計算其血糖曲線下面積(AUC)[10]。同時,在相同的時間點,分別從眼瞼內(nèi)采集血樣,離心,收集血清,嚴格按照相應(yīng)試劑盒說明書檢測各組大鼠血清GLP-1、胰島素水平。
2.2.4 血脂水平檢測 給藥結(jié)束后,各組大鼠禁食12 h,腹腔注射10%水合氯醛進行麻醉,腹主動脈取血,室溫靜置4 h,4 ℃、3 000 r/min 離心10 min,分離血清,按試劑盒說明書檢測大鼠血清TG、TC、HDL-C、LDL-C 水平。
2.2.5 胰臟、肝臟組織形態(tài)學(xué)觀察 給藥結(jié)束后,麻醉大鼠,取胰臟、肝臟組織于4%多聚甲醛中固定24 h,流水沖洗20 min,梯度乙醇脫水,常規(guī)石蠟包埋、切片,HE 染色,于光學(xué)顯微鏡下觀察胰臟、肝臟組織形態(tài)。
2.2.6 RT-qPCR 法檢測回腸組織甜味信號表達給藥結(jié)束后,麻醉大鼠,取回腸于-80 ℃超低溫冰箱保存。實驗時,取回腸組織約30 mg 于勻漿器中,按RNA 提取試劑盒說明書提取總RNA,逆轉(zhuǎn)錄合成cDNA 后進行PCR 反應(yīng)。以β-actin為內(nèi)參,引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成,序列見表1。擴增反應(yīng)條件為95 ℃預(yù)變性60 s,95 ℃變性15 s,60 ℃退火15 s,72 ℃延伸45 s,共50 個循環(huán),最后另外獲取熔解曲線。每個樣品設(shè)3 個平行孔,反應(yīng)結(jié)束后,得到各孔循環(huán)閾值(CT值),采用2-ΔΔCT法計算各目的基因mRNA 相對表達量。
表1 引物序列ⅠTab.1 Primer sequences Ⅰ
2.3 細胞實驗
2.3.1 細胞內(nèi)cAMP 水平及細胞分泌GLP-1 水平檢測 取對數(shù)生長期的HuTu-80 細胞,按每孔4×105個的密度接種于6 孔板中,細胞貼壁后吸去培養(yǎng)基,分別加入低、高劑量玉竹多糖溶液(0.1、0.4 mg/mL),正常組加入等體積細胞培養(yǎng)液,孵育48 h 后吸去培養(yǎng)基,加入無糖培養(yǎng)基孵育3 h,再加入0.2 mg/mL 葡萄糖溶液孵育15 min,棄培養(yǎng)基,加裂解液,收集細胞,離心后取上清,按試劑盒說明書檢測細胞內(nèi)cAMP 水平。另取對數(shù)生長期的HuTu-80 細胞,分組及操作同上,加入0.2 mg/mL 葡萄糖溶液孵育1 h 后,吸取細胞培養(yǎng)液于EP 管內(nèi),離心后取上清液,按試劑盒說明書檢測細胞外GLP-1 水平。
2.3.2 激光共聚焦法檢測鈣離子熒光強度 取對數(shù)生長期的HuTu-80 細胞,以1×106/mL 的密度接種于激光共聚焦培養(yǎng)皿底孔中,靜置,貼壁。按“2.3.1” 項下方法分組及給藥處理,加入無糖培養(yǎng)基孵育3 h,避光加入150 μL 2 μmol/L Fluo-3/AM,37 ℃孵育10 min,PBS 清洗 2 次,再加入0.2 mg/mL葡萄糖溶液孵育5 min,吸去培養(yǎng)液,PBS 清洗2 次,加入PBS 緩沖液后放入培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)15 min,于激光共聚焦顯微鏡下觀察并拍照,采用Image Pro Plus 軟件對圖片進行分析,測定每張圖片的熒光強度總和,以單位面積熒光強度為指標,分析Ga2+水平[11]。
2.3.3 RT-qPCR 法檢測HuTu-80 細胞甜味受體表達 取對數(shù)生長期的HuTu-80 細胞,以1×106/mL的密度接種于6 孔板中,按“2.3.1” 項下方法分組及給藥處理,孵育48 h 后,利用RNA 提取試劑盒提取HuTu-80 細胞總RNA,逆轉(zhuǎn)錄后進行PCR反應(yīng),操作步驟同“2.2.6” 項。以GAPDH為內(nèi)參,引物序列見表2。
表2 引物序列ⅡTab.2 Primer sequences Ⅱ
2.4 統(tǒng)計學(xué)分析 通過SPSS 20.0 軟件進行處理,數(shù)據(jù)以(±s)表示,各組間比較采用單因素方差分析。P<0.05 表示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。
3.1 玉竹多糖的表征 玉竹經(jīng)過水提、祛蛋白、醇沉、去小分子物質(zhì)后,得到玉竹純化多糖,其純度為88.29%,雜質(zhì)蛋白質(zhì)含量為0.19%,且不含有葡萄糖、木糖、鼠李糖、果糖、蔗糖等低分子糖,見圖1A ~1B。單糖組成測定結(jié)果見圖1C ~1D,結(jié)果顯示,玉竹多糖由甘露糖、半乳糖醛酸、葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖5 種單糖組成,其摩爾比為21.08 ∶2.31 ∶14.13 ∶3.32 ∶0.41。紅外分析圖見圖1E,研究表明,3 364.21 cm-1為羥基的伸縮振動峰,2 934.19 cm-1的強肩峰是糖環(huán)中的C-H伸縮振動峰,這2 個是典型的多糖特征峰[12];1 629 cm-1、1 421.95 cm-1表明多糖中含有糖醛酸[13]; 1 024.14 cm-1處的吸收峰表明了吡喃環(huán)的存在[14]; 930.88 cm-1處出現(xiàn)的強吸收峰,表明玉竹多糖主要由β 型糖苷鍵組成[15]; 816.18 cm-1處的尖峰表明可能存在α 型糖苷鍵[16]。以上結(jié)果表明,玉竹多糖是一種含有羧基、β 型糖苷鍵、吡喃環(huán),可能含有α 型糖苷鍵的多糖。
圖1 玉竹多糖的純度、單糖組成、官能團分析Fig.1 Purity,monosaccharide composition and functional group analysis of P.odoratum polysaccharides
3.2 玉竹多糖對糖尿病大鼠空腹血糖的影響 如圖2 所示,與正常組比較,模型組大鼠FBG 水平升高(P<0.05); 與模型組比較,給藥第2 周起,玉竹多糖中、高劑量組和二甲雙胍組大鼠FBG 水平降低(P<0.05)。
圖2 給藥期間大鼠FBG 水平變化(x±s,n=8)Fig.2 Changes of rat FBG level during drug administration (x±s,n=8)
3.3 玉竹多糖對糖尿病大鼠口服葡萄糖耐量的影響 如圖3A 所示,正常組大鼠基礎(chǔ)血糖低,口服葡萄糖后,血糖升高,但0.5 h 后逐漸下降; 模型組大鼠基礎(chǔ)血糖高,口服葡萄糖后,血糖持續(xù)升高,1.5 h 后才開始逐漸下降,而玉竹多糖高劑量組大鼠1.0 h 后開始下降。進一步計算各組AUC值,如圖3B 所示,與正常組比較,模型組大鼠AUC 增加(P<0.05); 與模型組比較,玉竹多糖中、高劑量組和二甲雙胍組大鼠AUC 降低(P<0.05)。
圖3 玉竹多糖對糖尿病大鼠口服葡萄糖耐量的影響(x±s,n=8)Fig.3 Effects of P.odoratum polysaccharides on OGTT of diabetic rat (x±s,n=8)
3.4 玉竹多糖對糖尿病大鼠血清GLP-1、胰島素分泌的影響 如圖4A 所示,與正常組比較,模型組大鼠血清GLP-1 水平在各個時間點均降低(P<0.05); 與模型組比較,玉竹多糖中、高劑量組和二甲雙胍組大鼠血清GLP-1 水平在各個時間點均升高(P<0.05)。如圖4B 所示,與正常組比較,模型組大鼠血清胰島素水平在0、0.5、1、1.5 h時均降低(P<0.05),在2 h 時升高(P<0.05);與模型組比較,玉竹多糖中、高劑量組和二甲雙胍組大鼠血清胰島素水平在各時間點均升高(P<0.05),且在1 h 時出現(xiàn)胰島素分泌高峰。
圖4 玉竹多糖對糖尿病大鼠血清GLP-1 及胰島素分泌的影響(x±s,n=8)Fig.4 Effects of P.odoratum polysaccharides on serum levels of GLP-1 and insulin in diabetic rat (x±s,n=8)
3.5 玉竹多糖對糖尿病大鼠血脂水平的影響 如表3 所示,與正常組比較,模型組大鼠血清TG、TC、LDL-C 水平升高(P<0.05),HDL-C 水平降低(P<0.05); 與模型組比較,玉竹多糖中、高劑量組和二甲雙胍組大鼠血清TG、TC、LDL-C 水平降低(P<0.05),玉竹多糖高劑量組大鼠血清HDL-C 水平升高(P<0.05)。
表3 玉竹多糖對糖尿病大鼠血脂水平的影響(mmol/L,x±s,n=8)Tab.3 Effects of P.odoratum polysaccharides on blood lipid level of diabetic rat models (mmol/L,±s,n=8)
表3 玉竹多糖對糖尿病大鼠血脂水平的影響(mmol/L,x±s,n=8)Tab.3 Effects of P.odoratum polysaccharides on blood lipid level of diabetic rat models (mmol/L,±s,n=8)
注:與正常組比較,#P<0.05; 與模型組比較,▲P<0.05。
組別TCTGLDL-CHDL-C正常組1.18±0.230.63±0.070.39±0.091.32±0.19模型組2.73±0.18#2.15±0.22#1.22±0.06#0.80±0.24#二甲雙胍組1.60±0.19▲1.04±0.24▲0.68±0.06▲1.20±0.26▲玉竹多糖低劑量組2.72±0.312.01±0.251.17±0.110.88±0.21玉竹多糖中劑量組1.91±0.17▲1.44±0.26▲0.80±0.06▲0.96±0.19玉竹多糖高劑量組1.76±0.22▲1.18±0.21▲0.73±0.07▲1.10±0.18▲
3.6 玉竹多糖對糖尿病大鼠胰臟、肝臟組織形態(tài)的影響 如圖5 所示,正常組大鼠胰島組織結(jié)構(gòu)清晰,細胞分布均勻; 而模型組大鼠胰島組織萎縮變形,邊界模糊不清,細胞空泡變性; 與模型組比較,玉竹多糖中、高劑量組大鼠胰島組織損傷得到改善,胰島面積增大,結(jié)構(gòu)趨向完整,邊界清晰,細胞數(shù)目增多。同時,正常組大鼠肝組織結(jié)構(gòu)和形態(tài)正常,且沒有炎癥細胞浸潤; 模型組大鼠肝索紊亂,肝細胞質(zhì)有一定程度的空泡結(jié)構(gòu),組織結(jié)構(gòu)紊亂、排列不規(guī)則,細胞內(nèi)液態(tài)積聚增多; 與模型組比較,玉竹多糖中、高劑量組大鼠肝細胞損傷得到改善,肝臟細胞內(nèi)液態(tài)積聚減少,受損細胞數(shù)量減少,細胞形態(tài)、個體間排列情況均有所改善。
圖5 玉竹多糖對糖尿病大鼠胰臟、肝臟組織形態(tài)的影響(×100)Fig.5 Effects of P.odoratum polysaccharides on the morphology of pancreas and liver in diabetic rat (×100)
3.7 玉竹多糖對糖尿病大鼠甜味受體通路相關(guān)蛋白mRNA 表達的影響 如圖6 所示,與正常組比較,模型組大鼠回腸組織T1R2、T1R3、αgustducin、TRPM5 mRNA 表達降低(P<0.05),而SGLT-1、GLUT-2 mRNA 表達升高(P<0.05); 與模型組比較,玉竹多糖高劑量組T1R2、T1R3、αgustducin、TRPM5 mRNA 表達升高(P<0.05),中劑量組T1R3、TRPM5 mRNA 表達升高 (P<0.05),各劑量組SGLT-1、GLUT-2 mRNA 表達無明顯變化(P>0.05)。
圖6 玉竹多糖對糖尿病大鼠甜味受體通路相關(guān)蛋白mRNA 表達的影響(x±s,n=8)Fig.6 Effects of P.odoratum polysaccharides on mRNA expressions of sweet receptors in diabetic rat (x±s,n=8)
3.8 玉竹多糖對HuTu-80 細胞cAMP、Ca2+、GLP-1 水平和T1R2、T1R3 mRNA 表達的影響 如圖7A 所示,與正常組比較,玉竹多糖各劑量組細胞內(nèi)cAMP、GLP-1 水平均升高(P<0.05)。如圖7B 所示,與正常組比較,玉竹多糖各劑量組細胞T1R2、T1R3 mRNA 表達升高(P<0.05)。如圖7C所示,與正常組(0.007±0.002)比較,玉竹多糖低、高劑量組細胞內(nèi)Ca2+熒光強度 (0.019 ±0.002、0.044±0.008)增強(P<0.05)。
圖7 玉竹多糖對HuTu-80 細胞cAMP、Ca2+、GLP-1 水平和T1R2、T1R3 mRNA 表達的影響(±s,n=6)Fig.7 Effects of P.odoratum polysaccharides on cAMP,Ca2+,GLP-1 levels and T1R2,T1R3 mRNA expressions in HuTu-80 cells (±s,n=6)
糖尿病是一組由多種病因引起的,胰島素分泌缺陷和(或)作用受損,以慢性高血糖為特征的內(nèi)分泌代謝性疾病。西醫(yī)學(xué)上的“糖尿病” 與中醫(yī)學(xué)的“消渴” 有一定關(guān)聯(lián),消渴的基本病機為“陰虛燥熱”。玉竹味甘,甘能補陰。甘味,又可稱為“甜味”,激動舌頭味蕾上的甜味受體即可感覺到“甜味”,激動胃腸道的甜味受體則可促進GLP-1 的分泌,降低血糖,改善 “陰虛” 證/癥狀。因此,“甜味受體” 在一定程度上可把糖尿病、陰虛聯(lián)系起來。研究表明,糖尿病發(fā)生過程中,甜味受體及其信號分子α-gustducin、TRPM5表達下調(diào),GLP-1 分泌減少[17]?;诒狙芯縿游飳嶒灐⒓毎麑嶒灥慕Y(jié)果,結(jié)合文獻[18-20]報道,推測玉竹多糖主要通過促進T1R2、T1R3、αgustducin、TRPM5 mRNA 表達,增強甜味受體信號通路的強度,在體內(nèi)葡萄糖的參與下,促進GLP-1的分泌,從而發(fā)揮降血糖作用。因此,可從“甜味受體” 的角度,同時闡釋玉竹治療陰虛證、糖尿病的作用機制,即多糖降血糖作用與甜味受體T1R2、T1R3 及信號分子α-gustducin、TRPM5 的表達密切相關(guān)。
SGLT-1、GLUT-2 是腸道吸收葡萄糖的轉(zhuǎn)運體,SGLT-1 與Na+、葡萄糖結(jié)合成復(fù)合物,以主動轉(zhuǎn)運的方式將葡萄糖轉(zhuǎn)入細胞內(nèi),而GLUT-2 則通過被動轉(zhuǎn)運的方式將葡萄糖轉(zhuǎn)入細胞內(nèi),二者維持機體葡萄糖代謝平衡[21]。研究發(fā)現(xiàn),糖尿病會導(dǎo)致SGLT-1 和GLUT-2 在腸道中的表達量異常增加[22]。本研究發(fā)現(xiàn),玉竹多糖對糖尿病大鼠回腸組織SGLT-1、GLUT-2 mRNA 表達無明顯影響,提示玉竹多糖降血糖作用與SGLT-1、GLUT-2 無明顯關(guān)聯(lián)。
中藥多糖是一種由糖苷鍵構(gòu)成的高分子物質(zhì)。研究表明,多糖具有免疫調(diào)節(jié)、抗病毒、抗腫瘤、抗氧化、抗凝血、護肝、降血糖等藥理活性[23]。多糖在臨床上可制備成注射劑,也可開發(fā)成口服制劑,且含多糖的中藥,主要給藥方式為口服。有報道稱,多糖是通過水解為寡糖起作用[24],但目前多認為,多糖起效的部位是在“腸道”,如多糖可通過腸道菌群[25]、緊密連接蛋白[26]等發(fā)揮藥理作用。進一步研究表明,多糖在腸道中可以通過激活多種核受體調(diào)控相關(guān)蛋白的表達[27]。因此,本研究從腸道甜味受體的角度闡明玉竹多糖的降血糖機制,也在一定程度上證實多糖的作用部位是在“腸道”,但玉竹多糖是通過何種機制影響腸道中甜味受體信號蛋白的表達,還有待深入研究。