朱 謀, 白明健, 王琪琦, 程 昊, 李 林, 徐 晶*, 張春晶*
(齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院 1)醫(yī)學(xué)檢驗研究生,2)醫(yī)學(xué)檢驗本科生,3)衛(wèi)生所,4)生物化學(xué)教研室,黑龍江 齊齊哈爾 161006)
糖尿病(diabetes mellitus,DM)發(fā)病率的急劇上升已成為重大的公共衛(wèi)生問題,其中2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)的發(fā)病率最高。T2DM是一種以慢性血糖升高為特征的疾病,其主要特點(diǎn)在于功能性胰島β細(xì)胞進(jìn)行性衰退[1-2],使胰島素的分泌量下降,導(dǎo)致糖尿病的發(fā)展以及糖尿病患者病情加重。因此,研究胰島β細(xì)胞損傷的機(jī)制來減少和抑制胰島細(xì)胞的衰退,是治療糖尿病的關(guān)鍵途徑。
利拉魯肽(liraglutide,Lira)是一種長效胰高血糖素樣肽-1(glucagon like peptide-1,GLP-1)類似物。多項研究表明,利拉魯肽可增加胰島素分泌和降低胰高血糖素水平,在改善空腹和餐后血糖的異常變化、延緩胃排空、降低能量攝入、保護(hù)胰島細(xì)胞功能等方面存在顯著的優(yōu)勢[3-5]。但其具體機(jī)制尚未完全闡明。胰島細(xì)胞的功能受多方面因素影響。例如,胰島β細(xì)胞長期暴露于高糖高脂環(huán)境下,可影響其miRNA表達(dá)譜,導(dǎo)致其功能受損,存活受限,從而促進(jìn)T2DM的發(fā)展[6]。本研究利用利拉魯肽在保護(hù)胰島細(xì)胞功能上的顯著優(yōu)勢,探討利拉魯肽對高糖培養(yǎng)條件下小鼠胰島MIN6細(xì)胞的細(xì)胞活力、胰島素分泌以及細(xì)胞損傷相關(guān)指標(biāo)的影響,為利拉魯肽治療T2DM提供理論依據(jù)。
小鼠胰島MIN6細(xì)胞(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)細(xì)胞中心);RPMI 1640培養(yǎng)基(Hyclone);胎牛血清(Clark);0.25%胰酶(Gibco);利拉魯肽(Cayman);葡萄糖(Sigma);CCK-8檢測試劑盒(上海生工);小鼠胰島素(insulin)酶聯(lián)免疫檢測試劑盒和ATP含量檢測試劑盒(北京索來寶科技有限公司);活體細(xì)胞線粒體膜通道孔(mitochondrial permeability transition pore,MPTP)試劑盒(上海杰美基因科技有限公司);丙二醛(malondialdehyde,MDA)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、過氧化氫酶(catalase,CAT)和乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase,LDH)(南京建成生物工程研究所);解偶聯(lián)蛋白2(uncoupling protein 2,UCP2)抗體(Santa);辣根酶標(biāo)記山羊抗鼠IgG(北京中杉金橋生物技術(shù)有限公司);ECL(碧云天生物技術(shù)有限公司)。
MIN6細(xì)胞培養(yǎng)于含10%胎牛血清、1%青霉素-鏈霉素的1640(Hyclone)完全培養(yǎng)基中。培養(yǎng)條件為37 ℃,5% CO2。實(shí)驗分組:正常細(xì)胞對照組(Normal control, NC),不含葡萄糖1640培養(yǎng)基培養(yǎng);高糖組(high glucose, HG),葡萄糖終濃度為33 mmol/L培養(yǎng);利拉魯肽組(Lira),利拉魯肽終濃度為100 nmol/L;高糖和利拉魯肽組(HG+Lira)。本研究均在上述分組及對應(yīng)環(huán)境中將細(xì)胞培養(yǎng)48 h后進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的檢測。
將細(xì)胞按5×103個/孔接種于96孔板,37 ℃ 5% CO2的細(xì)胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h,棄去上層廢液,對照組(NC)加入完全培養(yǎng)基100 μL,利拉魯肽組(Lira)加入100 μL利拉魯肽終濃度為100 nmol/L的培養(yǎng)液,高糖組(HG)加入100 μL葡萄糖終濃度為33 mmol/L的培養(yǎng)液,高糖和利拉魯肽組(HG+Lira)加入100 μL葡萄糖終濃度為33 mmol/L和利拉魯肽終濃度100 nmol/L的培養(yǎng)液,空白對照組不含細(xì)胞,只加培養(yǎng)基。每組設(shè)置3個復(fù)孔,37 ℃ 5%CO2培養(yǎng)48 h,每孔加入10 μL的CCK-8檢測試劑。2 h后在酶標(biāo)儀450 nm處檢測吸光度值,根據(jù)細(xì)胞活力計算公式計算存活率。
將細(xì)胞按照8×105個/孔,接種于60 mm×15 mm培養(yǎng)皿中,24 h后待細(xì)胞貼壁,按5 mL/孔計算HG劑量和加藥量以及β-巰基乙醇(50 μmol/L),37 ℃ 5%CO2培養(yǎng)48 h,收集培養(yǎng)液上清,按照小鼠胰島素測定試劑盒說明書檢測450 nm處光密度值,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線公式計算各實(shí)驗組胰島素分泌量。
將細(xì)胞按4.5×105個/孔接種于6孔板,待細(xì)胞貼壁,按3.5 mL/孔計算加藥量,培養(yǎng)細(xì)胞48 h,正常消化收集細(xì)胞,每孔加入800 μL ATP提取液,嚴(yán)格按試劑說明書進(jìn)行操作,在340 nm處讀取吸光度值A(chǔ)1和A2,根據(jù)試劑說明書提供的計算公式對ATP含量進(jìn)行分析處理。
將MIN6細(xì)胞接種于35 mm激光共聚焦專用玻底培養(yǎng)皿常規(guī)培養(yǎng),按3.5 mL/孔計算加藥量,培養(yǎng)48 h,棄上清,嚴(yán)格按照 線粒體膜通道孔試劑盒說明書進(jìn)行操作,最后加入200 μL清理液,應(yīng)用激光共聚焦顯微鏡獲取圖像和細(xì)胞熒光強(qiáng)度。
將MIN6細(xì)胞按4.5×105個/孔接種于6孔板中,按實(shí)驗分組和條件培養(yǎng)48 h后收集細(xì)胞沉淀,以檢測Lira對高糖刺激48 h小鼠MIN6細(xì)胞中ROS含量的影響。將收集的細(xì)胞用1 mL PBS重懸,1 000 r/min離心3 min,棄掉PBS,1 mL DCFH-DA(10 μmol/L)工作液重懸細(xì)胞,37 ℃,5% CO2培養(yǎng)箱孵育3 min,PBS清洗2次,最后用500 μL PBS重懸,流式細(xì)胞儀進(jìn)行檢測分析。
按實(shí)驗分組收集2×106個細(xì)胞和細(xì)胞培養(yǎng)液上清,PBS或者試劑盒自帶提取液重懸細(xì)胞沉淀,超聲破碎(冰浴,300 W,超聲5 s,間隔30 s,重復(fù)4次)。嚴(yán)格按照說明書操作,酶標(biāo)儀測定細(xì)胞光密度(A)值和考馬斯亮藍(lán)法測定蛋白質(zhì)濃度,根據(jù)說明書換算公式計算出細(xì)胞內(nèi)MDA含量、SOD、CAT和細(xì)胞培養(yǎng)液上清中LDH活性。
提取各組細(xì)胞總蛋白質(zhì),考馬斯亮藍(lán)法檢測蛋白質(zhì)濃度,按照20 μg上樣量,確定每孔上樣體積,使用SDS-PAGE凝膠電泳,濕轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)入PVDF膜,脫脂奶粉封閉2 h,TBST洗膜,4 ℃孵育一抗過夜,次日TBST洗膜3次,10 min/次,加HRP標(biāo)記的山羊抗鼠二抗,37 ℃孵育1 h,TBST洗膜3次,ECL化學(xué)發(fā)光法曝光,使用Image J或Image Lad軟件分析圖像。
為探究利拉魯肽對MIN6細(xì)胞活力的影響,采用CCK-8法對細(xì)胞的活力進(jìn)行檢測,結(jié)果正如Fig.1所示。與正常對照組(98.80 ± 0.68)%相比,利拉魯肽組(92.14 ± 7.85)%差異無變化(P>0.05),而HG組(82.70 ± 1.86)%細(xì)胞活力下降(P<0.05),利拉魯肽(100 nmol/L)作用高糖組細(xì)胞活力(96.58 ± 2.82)%較HG組升高(P<0.05)。提示在長期的高糖環(huán)境會使胰島細(xì)胞的活力降低,而利拉魯肽可保護(hù)胰島細(xì)胞不受高糖誘導(dǎo)的細(xì)胞損傷,減少凋亡率或逆轉(zhuǎn)高糖環(huán)境下胰島細(xì)胞的損傷情況。
Fig.1 CCK-8 assays The control group (NC) was cultured under normal conditions. The liraglutide group was treated with 100 nmol/L liraglutide. The high glucose group (HG) was treated with 33 mmol/L glucose. The high glucose and liraglutide group (HG + Lira) was treated with 33 mmol/L glucose and 100 nmol/L liraglutide. Data are presented as the mean ± SD, n=3. Statistical significances were calculated using Student’s t-test, **P<0.01 compared with the NC group; #P <0.05 compared with the HG group
為探究利拉魯肽對MIN6細(xì)胞功能的影響,采用ELISA試劑盒檢測細(xì)胞的胰島素(insulin,IN)分泌情況。Fig.2結(jié)果顯示,與正常對照組(0.35 ± 0.03)胰島素釋放量相比,利拉魯肽組(0.34 ± 0.01)差異不具統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),HG組(0.21 ± 0.01)細(xì)胞上清胰島素分泌量降低(P<0.05),利拉魯肽作用高糖組(0.26 ± 0.01)較HG組升高(P<0.05)。提示長期高糖刺激會導(dǎo)致胰島細(xì)胞分泌和釋放胰島素的功能受損,而利拉魯肽干預(yù)后可改善這一現(xiàn)象。
Fig.2 Insulin release assays The control group (NC) was cultured under normal conditions. The liraglutide group was treated with 100 nmol/L liraglutide. The high glucose group (HG) was treated with 33mmol/L glucose. The high glucose and liraglutide group (HG + Lira) was treated with 33 mmol/L glucose and 100 nmol/L liraglutide. Data are presented as the mean ± SD, n=3. Statistical significances were calculated using Student’s t-test, **P <0.01 compared with the NC group; #P<0.05 compared with the HG group
通過對MIN6細(xì)胞的ATP含量檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn),與正常對照組(0.30 ± 0.01)比較,利拉魯肽(0.29 ± 0.01)組細(xì)胞ATP含量無明顯變化,差異不具統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。HG組(0.18 ± 0.02)ATP生成量降低(P<0.001),利拉魯肽作用高糖組(0.26 ± 0.01)ATP含量較高糖組升高(P<0.001),結(jié)果見Fig.3。提示利拉魯肽可促進(jìn)高糖誘導(dǎo)MIN6細(xì)胞ATP的生成,維持細(xì)胞正常能量供應(yīng)。
Fig.3 Effects of liraglutide on MIN6 ATP levels The control group (NC) was cultured under normal conditions. The liraglutide group was treated with 100 nmol/L liraglutide. The high glucose group (HG) was treated with 33 mmol/L glucose. The high glucose and liraglutide group (HG + Lira) was treated with 33 mmol/L glucose and 100 nmol/L liraglutide. Data are presented as the mean ± SD, n=3. Statistical significances were calculated using Student’s t-test, ***P <0.001 compared with the NC group; ###P <0.001 compared with the HG group
為探究利拉魯肽對高糖環(huán)境下MIN6細(xì)胞線粒體膜通道孔的影響,采用激光共聚焦顯微鏡觀察各組細(xì)胞的綠色熒光強(qiáng)度,進(jìn)行統(tǒng)計分析。結(jié)果表明,與正常對照組(3.29 ± 0.08)比較,利拉魯肽組(4.07 ± 0.35)熒光強(qiáng)度無變化,差異不具統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),HG組綠色熒光強(qiáng)度(1.17 ± 0.23)減弱(P<0.001);與HG組比,利拉魯肽作用高糖組熒光強(qiáng)度(5.36 ± 0.38)升高(P<0.001),結(jié)果見Fig.4。表明利拉魯肽可抑制高糖誘導(dǎo)的MIN6細(xì)胞線粒體膜通道孔開放。
Fig.4 The fluorescence intensity of MIN6 mitochondrial permeability transition pore (A) The control group (NC) was cultured under normal conditions. Liraglutide group was treated with 100 nmol/L liraglutide. The high glucose group (HG) was treated with 33 mmol/L glucose. The high glucose and liraglutide group (HG + Lira) was treated with 33 mmol/L glucose and 100 nmol/L liraglutide. (B) Data are presented as the mean ± SD, n=3. Statistical significances were calculated using Student’s t-test, ***P <0.001 compared with the NC group; ###P <0.001 compared with the HG group
為探究高糖環(huán)境下利拉魯肽對胰島細(xì)胞ROS水平的調(diào)節(jié)作用,采用DCFH-DA探針聯(lián)合流式細(xì)胞儀檢測細(xì)胞ROS的含量。檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn),與正常對照組(95.58 ± 2.61)相比,利拉魯肽組(114.70 ± 7.32)含量無變化,差異不具統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),高糖組(173.00 ± 3.85)ROS的含量升高(P<0.001),提示高糖可刺激胰島細(xì)胞產(chǎn)生氧化應(yīng)激損傷,而利拉魯肽作用的高糖組(124.60 ± 4.36)ROS含量較高糖組降低(P<0.01),結(jié)果見Fig.5。提示利拉魯肽可在一定程度上抑制高糖誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激損傷。
Fig.5 Effects of liraglutide on intracellular ROS levels The control group (NC) was cultured under normal conditions. The high glucose group (HG) was treated with 33 mmol/L glucose. The high glucose and liraglutide group (HG + Lira) was treated with 33 mmol/L glucose and 100 nmol/L liraglutide. Data are presented as the mean ± SD, n=3. Statistical significances were calculated using Student’s t-test, ***P <0.001 compared with the NC group; ##P <0.01 compared with the HG group
與正常對照組比較,利拉魯肽組細(xì)胞內(nèi)MDA含量、SOD、CAT和LDH活性差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),高糖組MDA(2.29 ± 0.45)和LDH(290.90± 8.63)水平升高(P<0.05),SOD(3.81 ± 0.21)和CAT(32.52 ± 2.05)水平降低(P<0.01);與高糖組比較,利拉魯肽作用高糖組MDA(0.89 ± 0.19)和LDH(215.40 ± 7.43)水平降低(P<0.01),SOD(7.98 ± 0.32)和CAT(64.20 ± 4.17)水平升高(P<0.01),結(jié)果見Table 1。
Table 1 The change of the MDA, SOD, CAT and LDH levels (Mean±SD, n=3)
與正常對照組(0.31 ± 0.01)相比,利拉魯肽UCP2表達(dá)量(0.32 ± 0.02)無顯著變化,無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),HG組蛋白質(zhì)表達(dá)量(1.08 ± 0.11)升高(P<0.01)。與高糖組比較,利拉魯肽作用高糖組UCP2表達(dá)量(0.61 ± 0.04)降低(P<0.05),結(jié)果見Fig.6。
Fig.6 Western blot analysis of UCP2 expression levels (A)The control group (NC) was cultured under normal conditions. The high glucose group (HG) was treated with 33 mmol/L glucose. The liraglutide group was treated with 100 nmol/L liraglutide. The high glucose and liraglutide group (HG + Lira) was treated with 33 mmol/L glucose and 100 nmol/L liraglutide. (B)Data are presented as the Mean ± SD, n=3. Statistical significances were calculated using Student’s t-test, **P <0.01 compared with the NC group; # P<0.05 compared with the HG group
T2DM患者體內(nèi)存在一定程度的胰島β細(xì)胞損傷以及功能紊亂,其分泌的胰島素作為人體內(nèi)的主要降糖物質(zhì),影響著T2DM發(fā)生和發(fā)展的全過程[7]。常規(guī)代謝途徑中,胰島素將人體血糖值維持在正常水平,當(dāng)存在長期高糖高脂等損傷因素時,胰島β細(xì)胞會處于能量代謝異常、分泌功能紊亂等影響胰島素釋放狀態(tài)[8]。受神經(jīng)激素的調(diào)節(jié),胰島細(xì)胞通過感知血液中葡萄糖、脂肪和蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的代謝水平,促使胰島素合成和分泌的偶聯(lián)信號產(chǎn)生。2008年,Nolan等人[9]研究表明,胰島β細(xì)胞對營養(yǎng)物質(zhì)的高感知能力,同時也增加了其營養(yǎng)毒性的概率,這也解釋了長期高糖環(huán)境會導(dǎo)致β細(xì)胞衰竭和2型糖尿病。本研究采用高糖(33 mmol/L)誘導(dǎo)胰島MIN6細(xì)胞48 h建立高糖損傷模型,觀察利拉魯肽(100 nmol/L)作用于高糖損傷胰島細(xì)胞后相關(guān)指標(biāo)的變化情況。通過CCK-8檢測發(fā)現(xiàn),高糖組細(xì)胞活力下降,而利拉魯肽可改善高糖誘導(dǎo)的胰島細(xì)胞的存活率,提示利拉魯肽具有保護(hù)高糖損傷胰島細(xì)胞的潛力。
線粒體作為細(xì)胞的主要產(chǎn)能工廠,在維持細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、功能和能量代謝等方面具有重要的作用[10-11]。本研究采用小鼠胰島素酶聯(lián)免疫檢測試劑盒和ATP含量檢測試劑盒檢測發(fā)現(xiàn),利拉魯肽可有效增加胰島素的分泌量和細(xì)胞內(nèi)ATP含量。同時,本文通過活體細(xì)胞熒光檢測試劑盒檢測線粒體膜通道孔的開放情況,在激光共聚焦顯微鏡下發(fā)現(xiàn),利拉魯肽可增加高糖環(huán)境下胰島細(xì)胞的綠色熒光強(qiáng)度,表明其對線粒體具有一定保護(hù)作用。因此,利拉魯肽可能與調(diào)節(jié)線粒體功能,保護(hù)細(xì)胞正常呼吸鏈運(yùn)行有關(guān),維持細(xì)胞正常的物質(zhì)代謝和能量供應(yīng)。
解偶聯(lián)蛋白2(uncoupling protein 2,UCP2)是線粒體內(nèi)膜的一類載體蛋白質(zhì),具有調(diào)節(jié)機(jī)體能量代謝的作用[12]。當(dāng)UCP2過量表達(dá)時,其可通過質(zhì)子漏機(jī)制,使線粒體呼吸鏈氧化磷酸化過程脫偶聯(lián),產(chǎn)生的能量以對細(xì)胞功能運(yùn)行無效的熱能形式散失,導(dǎo)致ATP合成減少[13]。課題組前期研究發(fā)現(xiàn),UCP2的抑制劑京尼平可通過下調(diào)UCP2表達(dá),提高ATP含量及胰島素的釋放量,改善線粒體功能,對高糖損傷的小鼠胰島細(xì)胞發(fā)揮保護(hù)作用[14]。研究還表明,胰島細(xì)胞的UCP2在長期高糖環(huán)境可表達(dá)上調(diào),導(dǎo)致胰島功能紊亂[15-20]。2011年,Zhang等人[21]研究發(fā)現(xiàn),UCP2缺陷的小鼠在攝取葡萄糖15~60 min的各時間段均顯著增加了GLP-1的分泌水平,提高了GLP-1對葡萄糖的響應(yīng),提示UCP2可抑制葡萄糖刺激的GLP-1分泌水平。利拉魯肽作為GLP-1類似物,目前廣泛用于治療DM,但其是否通過調(diào)節(jié)UCP2表達(dá)來調(diào)節(jié)能量代謝,發(fā)揮保護(hù)胰島細(xì)胞功能的作用,國內(nèi)外未見相關(guān)報道。為探究利拉魯肽對線粒體的保護(hù)作用機(jī)制以及影響胰島素分泌相關(guān)抗氧化蛋白質(zhì)的表達(dá)情況,本研究通過Western印跡對高糖刺激48 h后的小鼠胰島MIN6細(xì)胞中UCP2的表達(dá)情況進(jìn)行分析。結(jié)果顯示,高糖組UCP2表達(dá)較正常細(xì)胞對照組明顯上調(diào),而利拉魯肽作用高糖組后有效降低了UCP2的表達(dá),提示利拉魯肽通過降低高糖環(huán)境下,UCP2的表達(dá)來抑制UCP2在氧化磷酸化過程中的過度解偶聯(lián)作用,恢復(fù)呼吸鏈中ADP與無機(jī)磷酸合成ATP的偶聯(lián)反應(yīng)。
氧化應(yīng)激是T2DM發(fā)生和發(fā)展的一個重要危險因素,氧自由基引發(fā)脂類過氧化反應(yīng),其產(chǎn)物具有細(xì)胞毒性[22]。有研究表明,利拉魯肽可通過促進(jìn)線粒體自噬,恢復(fù)線粒體功能,并保護(hù)胰島β細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損傷[23]。在本文的研究中發(fā)現(xiàn),高糖組ROS水平較對照組升高,利拉魯肽作用高糖組ROS水平降低;高糖組細(xì)胞MDA和LDH水平升高,SOD和CAT水平降低,而利拉魯肽能降低高糖環(huán)境小鼠MIN6胰島細(xì)胞MDA和LDH水平,同時升高SOD和CAT水平,提示利拉魯肽可通過抑制脂質(zhì)過氧化過程,提高內(nèi)源性SOD活性,加強(qiáng)氧自由基的清除從而減輕氧自由基對MIN6的損傷,發(fā)揮抗氧化作用。
綜上所述,利拉魯肽在改善高糖環(huán)境下胰島細(xì)胞的功能方面具有一定的潛力,保護(hù)胰島細(xì)胞不受線粒體損傷所帶來的功能衰退,糾正胰島細(xì)胞在損傷條件下的能量代謝異常,增強(qiáng)抗氧化作用,其機(jī)制可能與下調(diào)UCP2的表達(dá)和調(diào)控線粒體的能量代謝有關(guān)。
中國生物化學(xué)與分子生物學(xué)報2022年8期