張禾偉,房輝,孫雪玲,張雅中,田金莉
本文意義:
本文通過行為學(xué)檢測及組織學(xué)觀察,確定2型糖尿病大鼠認(rèn)知功能障礙的存在,應(yīng)用Western blotting證實雷帕霉素靶蛋白(mTOR)/p70核糖體蛋白S6激酶(p70S6K)信號通路的激活和氧化應(yīng)激相關(guān)蛋白的增多,并通過給予辛伐他汀改善2型糖尿病大鼠認(rèn)知功能,抑制mTOR/p70S6K信號通路和氧化應(yīng)激相關(guān)蛋白表達(dá),為2型糖尿病認(rèn)知損傷發(fā)生機制的研究提供新思路,為辛伐他汀在2型糖尿病患者中樞神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥中的臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)。
糖尿病是目前患病率較高的慢性代謝性疾病之一。根據(jù)國際糖尿病聯(lián)盟(IDF)統(tǒng)計,預(yù)計到2030年,中國糖尿病人群將增加至1.3億[1],其中大部分為2型糖尿?。═2DM)患者。T2DM除了可導(dǎo)致周圍神經(jīng)病變外,目前有研究表明T2DM可能對中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)功能產(chǎn)生不利影響,其中認(rèn)知功能障礙是最常見的癥狀[2]。MIJNHOUT等[3]提出了“糖尿病相關(guān)認(rèn)知衰退(DACD)”一個新的術(shù)語,但糖尿病認(rèn)知功能障礙的發(fā)病機制目前尚未十分明確,改善DACD的藥物也亟待深入研究。有研究表明,辛伐他汀具有改善阿爾茨海默病(AD)患者認(rèn)知功能的作用,潛在作用機制涉及多個方面[4-6]。認(rèn)知功能障礙包括學(xué)習(xí)記憶能力、注意力、執(zhí)行力下降,處理速度減慢和語言流暢度下降[7]。目前關(guān)于辛伐他汀對T2DM患者認(rèn)知功能的作用及潛在機制的研究尚不多見,本實驗通過觀察辛伐他汀對T2DM大鼠學(xué)習(xí)記憶能力的影響,探討哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)/p70核糖體蛋白S6激酶(p70S6K)信號通路在辛伐他汀改善認(rèn)知功能中的作用,旨在為臨床T2DM認(rèn)知功能障礙的診斷和治療尋找新思路。
1.1 實驗動物 健康雄性SD大鼠120只,8周齡,體質(zhì)量(260±10)g,購自北京維通利華實驗動物公司〔許可證號:SYXK(京)2017-0022〕,溫度21~26 ℃,相對濕度40%~70%,飼養(yǎng)2周適應(yīng)環(huán)境后用于實驗。本研究經(jīng)唐山市工人醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)。
1.2 實驗藥品與試劑 鏈脲佐菌素(STZ)購自Sigma公司,辛伐他汀片(40 mg/片)購自美國默沙東公司,兔抗大鼠mTOR多克隆抗體(ab2732)、兔抗大鼠p70S6K多克隆抗體(ab32529)、兔抗大鼠tau多克隆抗體(ab32057)、兔抗大鼠丙二醛(MDA)多克隆抗體(ab194225)、兔抗大鼠谷胱甘肽(GSH)多克隆抗體(ab19534)、兔抗大鼠p-mTOR多克隆抗體(ab177734)、兔抗大鼠p-p70S6K單克隆抗體(ab59208)、兔抗大鼠p-tau多克隆抗體(ab109390)均購自美國Abcam公司,辣根過氧化物酶(HRP)標(biāo)記二抗(ZB-2306)購自北京中杉金橋生物技術(shù)有限公司,增強化學(xué)發(fā)光試劑(ECL)(PP2403)購自北京艾德萊生物科技有限公司,蘇木素、伊紅染液、Western轉(zhuǎn)膜液、BCA蛋白濃度測定試劑盒、十二烷基硫酸鈉(SDS)-聚丙烯酰胺凝膠電泳(PAGE)凝膠配制試劑盒和SDS-PAGE電泳液均購自碧云天生物技術(shù)研究所。
1.3 儀器與設(shè)備 Morris水迷宮(上海欣軟科技有限公司),F(xiàn)luorChen 5500凝膠成像分析系統(tǒng)(美國Thermo公司),BX-60型顯微鏡(日本Olympus公司),顯微照相機(日本Olympus公司),Leica1512型石蠟切片機(德國Leitz公司),病理組織包埋機(德國LEICA公司),病理組織包埋冷凍臺(德國LEICA公司),電泳轉(zhuǎn)移槽(北京六一儀器廠),S-1000脫色搖床(其林貝爾儀器制造有限公司),SZ-93型自動雙重純水蒸餾器(上海亞榮生化儀器廠),AL204電子分析天平〔梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司〕,TGL-16G-A型低溫離心機(上海安亭科學(xué)儀器廠)。
1.4 方法
1.4.1 模型制備 于2016年9月采用隨機數(shù)字表法將120只健康雄性SD大鼠分為對照組(40只)、糖尿病組(40只)和辛伐他汀組(40只),各組自由進(jìn)食水,糖尿病組和辛伐他汀組制備T2DM大鼠模型,高脂飼料飼養(yǎng)8周后,將STZ(40 mg/kg)溶解于0.1 mol/L枸櫞酸-枸櫞酸鈉緩沖液中,腹腔注射。72 h后,抽取鼠尾靜脈血,采用羅氏血糖儀測定血糖。T2DM大鼠模型評價標(biāo)準(zhǔn):血糖≥16.7 mmol/L為T2DM大鼠模型造模成功。對照組腹腔注射等體積枸櫞酸-枸櫞酸鈉緩沖液。糖尿病組、辛伐他汀組分別造模成功38、37只,造模成功后各組大鼠標(biāo)準(zhǔn)飼料飼養(yǎng)14周。
1.4.2 干預(yù)方法 造模成功后,將辛伐他汀溶于2 ml 0.9%氯化鈉溶液,辛伐他汀組大鼠采用辛伐他汀灌胃(20 mg·kg-1·d-1),對照組和糖尿病組大鼠灌胃等體積0.9%氯化鈉溶液。干預(yù)后各組大鼠標(biāo)準(zhǔn)飼料飼養(yǎng)14周。
1.4.3 Morris水迷宮實驗 大鼠進(jìn)行Morris水迷宮實驗,檢測其空間學(xué)習(xí)和記憶能力。在直徑為1.2 m的水池的南西(SW)象限內(nèi)設(shè)置一個平臺,作為目標(biāo)象限,直徑為10 cm,位于水面下1 cm。實驗室的物品和人員位置在實驗期間固定不變,作為空間參照物。第1天進(jìn)行定位航行實驗(place navigation),大鼠第1、4次從目標(biāo)象限對側(cè)的北東(NE)象限面朝池壁入水,第2、3次采用隨機數(shù)表法選擇象限(遇奇數(shù)時入東南象限,遇偶數(shù)時入西北象限)面朝池壁入水,測試4次/d,休息時間為10 min/次,監(jiān)測時間為100 s,持續(xù)4 d,記錄大鼠從入水到登島成功的時間,即逃避潛伏期,大鼠在平臺上停留>2 s判為登島成功,若大鼠100 s內(nèi)未成功則記為100 s。訓(xùn)練后,用干毛巾將大鼠擦干,以防止低體溫造成的應(yīng)激。第5天進(jìn)行空間搜索實驗,拆除平臺,大鼠在NE象限面朝池壁下水,觀察并記錄120 s內(nèi)大鼠在SW象限內(nèi)的停留時間,評估大鼠的記憶能力,停留時間越長,表示記憶能力越強。
1.4.4 超微病理檢測 大鼠進(jìn)行Morris水迷宮實驗后,采用電子分析天平稱量大鼠體質(zhì)量,通過腹腔注射10%水合氯醛(4 ml/kg)深度麻醉大鼠(角膜反射消失),沿胸骨旁線剪開胸腹腔,充分暴露心臟、肝臟及主動脈,針頭經(jīng)左心室穿刺入升主動脈,剪開右心耳,以0.9%氯化鈉溶液快速心臟灌注,至右心耳流出清亮液體,肝臟變白后,采用約250 ml的4%多聚甲醛溶液(pH為7.4)灌注至肢體僵硬,灌注速度先快后慢。待肢體充分固定后取兩側(cè)海馬組織,一側(cè)海馬組織放入液氮速凍,-80 ℃保存;另一側(cè)海馬組織放入4%多聚甲醛溶液中,4 ℃固定24 h,將海馬組織脫水,石蠟包埋,以2 μm連續(xù)切片,常規(guī)烤片,二甲苯脫蠟,梯度乙醇脫水,蘇木素、伊紅染色,常規(guī)梯度乙醇脫水,中性樹膠封固,于顯微鏡下觀察各組大鼠海馬結(jié)構(gòu)的改變。
1.4.5 Western blotting 取出備用的海馬組織,用預(yù)冷的眼科剪剪碎組織,冰浴中用勻漿器將組織勻漿,加入裂解液(每20 mg組織加入120 μl裂解液),4 ℃低溫離心機,12 000 r/min離心15 min(離心半徑為10 cm),取上清液,按每泳道50 μg總蛋白上樣進(jìn)行SDS-PAGE電泳,電泳轉(zhuǎn)移槽調(diào)為穩(wěn)壓狀態(tài),電壓為80 V,使樣品通過濃縮膠;當(dāng)溴酚藍(lán)入分離膠后,將電壓調(diào)至120 V,繼續(xù)電泳,至溴酚藍(lán)達(dá)分離膠底部結(jié)束電泳。分離后轉(zhuǎn)膜,浸入封閉液,室溫孵育1.5 h。分別加入兔抗大鼠mTOR多克隆抗體(ab2732)(1∶1 000)、兔抗大鼠p70S6K多克隆抗體(ab32529)(1∶1 000)、兔抗大鼠tau多克隆抗體(ab32057)(1∶1 000)、兔抗大鼠MDA多克隆抗體(ab194225)(1∶1 000)、兔抗大鼠GSH多克隆抗體(ab19534)(1∶1 000)、兔抗大鼠p-mTOR多克隆抗體(ab177734)(1∶1 000)、兔抗大鼠p-p70S6K單克隆抗體(ab59208)(1∶1 000)、兔抗大鼠p-tau多克隆抗體(ab109390)(1∶1 000),4 ℃反應(yīng)過夜,再加入HRP標(biāo)記二抗(ZB-2306)工作液,室溫避光緩慢搖90 min,ECL顯色,曝光成像,重復(fù)3次。將實驗結(jié)果用掃描儀進(jìn)行掃描,在同一條件下,以β-actin為內(nèi)參基因,采用ImageJ 1.41醫(yī)學(xué)圖像分析系統(tǒng)測定條帶平均光密度(OD)值,進(jìn)行比較。
1.5 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。計量資料以(±s)表示,多組間不同時間比較采用重復(fù)測量方差分析,同組不同時間及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。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
2.1 一般情況 3組大鼠空腹血糖、體質(zhì)量比較,差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01);其中,糖尿病組和辛伐他汀組大鼠空腹血糖高于對照組,體質(zhì)量低于對照組,差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01,見表1)。對照組大鼠的精神狀態(tài)較好,呼吸節(jié)律平穩(wěn),毛色發(fā)亮,反應(yīng)靈敏,動作靈活,攝食攝水正常;糖尿病組大鼠精神萎靡,行動遲緩、嗜睡,皮毛枯黃無光澤,少數(shù)被毛脫落,飲水量增加,偶有大便干結(jié);辛伐他汀組大鼠較糖尿病組,精神良好,體能恢復(fù),皮毛少有枯黃,飲水量減少。
2.2 Morris水迷宮實驗結(jié)果 對照組不同時間的逃避潛伏期比較,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(F=2 487.91,P<0.01),其中,對照組第1天的逃避潛伏期長于第2、3、4、5天,第2天的逃避潛伏期長于第3、4、5天,第3天的逃避潛伏期長于第4、5天,第4天的逃避潛伏期長于第5天,差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。處理方法與時間對逃避潛伏期存在交互作用(P<0.01);干預(yù)方法、時間對逃避潛伏期的影響,主效果均顯著(P<0.01)。其中,糖尿病組和辛伐他汀組第2、3、4、5天的逃避潛伏期長于對照組,差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);辛伐他汀組第2、3、4、5天的逃避潛伏期短于糖尿病組,差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05,見表2)。
2.3 海馬組織病理觀察結(jié)果 顯微鏡觀察顯示,對照組海馬神經(jīng)元細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整,形態(tài)正常,無明顯病理學(xué)改變,細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整、胞核完整、胞質(zhì)豐富;糖尿病組海馬神經(jīng)元細(xì)胞形態(tài)不規(guī)則,排列紊亂、數(shù)量顯著減少,細(xì)胞膜失去原有完整結(jié)構(gòu),核固縮,核仁部分消失;辛伐他汀組海馬神經(jīng)元細(xì)胞結(jié)構(gòu)大致正常,數(shù)量略減少,少數(shù)細(xì)胞膜失去完整結(jié)構(gòu),胞核完整(見圖1)。
2.4 mTOR/p70S6K信號通路蛋白表達(dá)水平 3組的p-mTOR/mTOR、p-p70S6K/p70S6K、p-tau/t-tau比較,差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01);其中,糖尿病組和辛伐他汀組的p-mTOR/mTOR、p-p70S6K/p70S6K、p-tau/t-tau高于對照組,差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01);辛伐他汀組的p-mTOR/mTOR、p-p70S6K/p70S6K、p-tau/t-tau低于糖尿病組,差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01,見表3、圖2)。
2.5 氧化應(yīng)激相關(guān)蛋白表達(dá)水平 3組的MDA/β-actin、GSH/β-actin比較,差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01);其中,糖尿病組和辛伐他汀組的MDA/β-actin、GSH/β-actin高于對照組,差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01);辛伐他汀組的MDA/β-actin、GSH/β-actin低于糖尿病組,差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01,見表4、圖3)。
糖尿病是世界上最常見的代謝性疾病之一,由于其患病率日益增加,已經(jīng)成為全球嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題[8]。據(jù)估計,截至2035年,全球219個國家的糖尿病患者將達(dá)到381.8萬人[9]。越來越多的證據(jù)表明T2DM與認(rèn)知功能障礙和癡呆相關(guān)[10-11]。許多流行病學(xué)研究已經(jīng)證明,T2DM患者發(fā)展為AD的風(fēng)險明顯增高[12-13]。T2DM與AD的發(fā)生密切相關(guān),胰島素信號傳導(dǎo)障礙、糖基化終末產(chǎn)物(AGEs)的增加以及氧化應(yīng)激水平的增強與AD的發(fā)生發(fā)展相關(guān)[14]。另外,以MDA和GSH為代表的氧化應(yīng)激相關(guān)蛋白,也與糖尿病所致認(rèn)知功能障礙有關(guān)[15]。高血糖能夠通過多條途徑影響認(rèn)知功能,如mTOR/p70S6K信號通路、Akt/GSK3β信號通路和胰島素降解途徑,從而影響研究對象認(rèn)知功能[16-17]。目前臨床上還沒有針對T2DM認(rèn)知功能障礙的藥物。他汀類藥物作為經(jīng)典的降低膽固醇、低密度脂蛋白和極低密度脂蛋白的藥物,已被證實具有中樞神經(jīng)系統(tǒng)保護(hù)作用[18]。其中辛伐他汀更是具有抗炎、免疫調(diào)節(jié)和改善認(rèn)知功能等多重獲益[19],不僅能夠通過激活相關(guān)通路,抑制海馬細(xì)胞凋亡[20],而且能夠改善細(xì)胞氧化應(yīng)激水平[21],增強空間定位和學(xué)習(xí)記憶能力。這種神經(jīng)保護(hù)作用已經(jīng)在多種動物模型中得到證實[22-23],而辛伐他汀在T2DM認(rèn)知功能障礙中的作用及潛在機制尚未被深入研究。
表1 3組大鼠空腹血糖和體質(zhì)量比較(±s)Table 1 Comparison of fasting blood glucose and body mass among the three groups of rats
表1 3組大鼠空腹血糖和體質(zhì)量比較(±s)Table 1 Comparison of fasting blood glucose and body mass among the three groups of rats
注:與對照組比較,aP<0.01
組別 只數(shù) 空腹血糖(mmol/L) 體質(zhì)量(g)對照組 40 6.0±0.6 521±15糖尿病組 38 17.3±2.3a 438±13a辛伐他汀組 37 17.2±2.3a 441±17a F值 460.905 381.845 P 值 <0.01 <0.01
表2 3組大鼠逃避潛伏期比較(±s,s)Table 2 Comparison of the escape latency among the three groups of rats
注:與對照組相比,aP<0.01;與糖尿病組相比,bP<0.01
組別 只數(shù) 第1天 第2天 第3天 第4天 第5天對照組 40 97.3±1.8 80.5±3.2 74.3±1.8 67.7±0.9 53.3±1.9糖尿病組 38 97.2±1.8 92.5±3.0a 84.4±3.2a 78.6±4.2a 69.6±1.0a辛伐他汀組 37 97.3±0.9 85.4±4.1ab 77.3±1.9ab 74.4±3.2ab 60.2±2.2ab F 值 F交互=148.62,F(xiàn)組間=196.38,F(xiàn)時間=10 359.79 P 值 P交互<0.01,P組間<0.01,P時間<0.01
表3 3組大鼠mTOR/p70S6K信號通路蛋白表達(dá)水平比較(±s)Table 3 Comparison of mTOR/p70S6K pathway protein expression levels among the three groups of rats
表3 3組大鼠mTOR/p70S6K信號通路蛋白表達(dá)水平比較(±s)Table 3 Comparison of mTOR/p70S6K pathway protein expression levels among the three groups of rats
注:mTOR=雷帕霉素靶蛋白,p70S6K=p70核糖體蛋白S6激酶;與對照組比較,aP<0.01;與糖尿病組比較,bP<0.01
組別 只數(shù) p-mTOR/mTOR p-p70S6K/p70S6K p-tau/t-tau對照組 40 0.51±0.10 0.48±0.10 0.55±0.02糖尿病組 38 0.81±0.06a 0.81±0.08a 0.79±0.08a辛伐他汀組 37 0.69±0.07ab 0.68±0.08ab 0.78±0.09ab F值 336.789 262.511 248.456 P值 <0.01 <0.01 <0.01
圖1 3組大鼠海馬組織超微病理檢測結(jié)果(HE染色,×400)Figure 1 Ultrastructural pathological test results of the hippocampus among the three groups of rats
圖2 3組大鼠mTOR/p70S6K信號通路蛋白的表達(dá)Figure 2 Expression of protein in the mTOR/p70S6K pathway among the three groups of rats
表4 3組大鼠氧化應(yīng)激相關(guān)蛋白表達(dá)水平比較(±s)Table 4 Comparison of oxidative stress-related protein expression levels among the three groups of rats
表4 3組大鼠氧化應(yīng)激相關(guān)蛋白表達(dá)水平比較(±s)Table 4 Comparison of oxidative stress-related protein expression levels among the three groups of rats
注:MDA=丙二醛,GSH=谷胱甘肽;與對照組比較,aP<0.01;與糖尿病組比較,bP<0.01
組別 只數(shù) MDA/β-actin GSH/β-actin對照組 40 0.45±0.04 0.49±0.12糖尿病組 38 0.80±0.05a 0.82±0.08a辛伐他汀組 37 0.65±0.06ab 0.68±0.07ab F值 458.872 285.590 P值 <0.01 <0.01
圖3 3組大鼠氧化應(yīng)激相關(guān)蛋白表達(dá)Figure 3 Expression of oxidative stress-related protein among the three groups of rats
本研究Morris水迷宮實驗結(jié)果顯示,隨訓(xùn)練日數(shù)增加,糖尿病組大鼠逃避潛伏期顯著長于對照組,表明糖尿病大鼠存在空間學(xué)習(xí)能力的缺陷。顯微鏡觀察顯示,糖尿病組大鼠海馬組織神經(jīng)元丟失和結(jié)構(gòu)損害;辛伐他汀干預(yù)后顯著縮短大鼠逃避潛伏期,海馬神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和完整性也有所改善。與對照組相比,糖尿病組大鼠海馬組織mTOR、p70S6K和tau磷酸化水平明顯增加,說明高糖刺激mTOR/p70S6K信號通路激活后,tau磷酸化水平增加。氧化應(yīng)激產(chǎn)物MDA和GSH的表達(dá)水平隨之升高。辛伐他汀干預(yù)后mTOR、p70S6K和tau磷酸化水平得到抑制,MDA和GSH的表達(dá)水平也隨之降低。表明辛伐他汀能夠抑制mTOR/p70S6K信號通路,同時發(fā)揮抗氧化作用。
mTOR/p70S6K信號通路是近年來分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)的研究熱點之一,p70S6K是mTOR下游的主要靶點之一,其磷酸化水平是評估m(xù)TOR活性的重要指標(biāo)[24]。mTOR/p70S6K信號通路參與葡萄糖代謝和記憶形成,過度激活的mTOR / p70S6K信號通路被認(rèn)為與認(rèn)知功能障礙有關(guān)[25-26]。關(guān)于人體SH-SY5Y神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞、小鼠神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞和原代皮質(zhì)神經(jīng)元等的多項研究中均發(fā)現(xiàn),mTOR/p70S6K信號通路在tau過度磷酸化中有重要作用,mTOR和p70S6K的異常上調(diào)與AD腦組織中過度磷酸化tau的積累有關(guān)[27-28]。抑制mTOR與p70S6K表達(dá)能夠改善學(xué)習(xí)和記憶,并減少轉(zhuǎn)基因AD小鼠模型的tau磷酸化[29]。GAO等[30]研究證實辛伐他汀具有激活mTOR/p70S6K信號通路改善認(rèn)知功能的作用。與此同時,研究顯示Akt/mTOR/S6K信號通路的激活能夠提高GSH表達(dá)水平[31]。本研究證明辛伐他汀抑制氧化應(yīng)激產(chǎn)物的表達(dá),發(fā)揮抗氧化作用,但具體是否通過激活mTOR/p70S6K信號通路發(fā)揮作用,有待進(jìn)一步研究。
綜上所述,T2MD認(rèn)知功能障礙大鼠中,存在mTOR/p70S6K信號通路的激活和tau過度磷酸化和氧化應(yīng)激水平的改變,辛伐他汀能夠抑制mTOR/p70S6K信號通路的激活和tau的磷酸化程度,具有抗氧化作用,改善T2DM大鼠認(rèn)知功能。今后的研究可以進(jìn)一步在基因和細(xì)胞水平研究辛伐他汀通過mTOR/p70S6K信號通路在糖尿病腦病中的作用機制,為尋找治療靶點提供理論依據(jù)。
作者貢獻(xiàn):張禾偉、房輝進(jìn)行文章的構(gòu)思與設(shè)計,撰寫與修訂論文,負(fù)責(zé)文章的質(zhì)量控制及審校,對文章整體負(fù)責(zé),監(jiān)督管理;孫雪玲進(jìn)行研究的實施與可行性分析;張禾偉、張雅中進(jìn)行數(shù)據(jù)收集;孫雪玲、田金莉進(jìn)行數(shù)據(jù)整理;張禾偉、田金莉進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理,結(jié)果的分析與解釋。
本文無利益沖突。