周碧蘭,彭電,曾慧,李海剛(.長(zhǎng)沙衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院藥學(xué)院,長(zhǎng)沙 40600;.長(zhǎng)沙醫(yī)學(xué)院新型藥物制劑研發(fā)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 409)
糖尿病是一種由胰島素分泌或作用缺陷所引起的以高血糖為重要特征的慢性疾病,主要分為1型和2型[1]。近年來(lái),糖尿病患病率逐年增加,并呈現(xiàn)年輕化的趨勢(shì),國(guó)際糖尿病聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示2017年全球大約有4.15億糖尿病患者,2045年將超過(guò)6.29億[2-4]。糖尿病患者由于糖代謝紊亂易導(dǎo)致糖尿病腎病、視網(wǎng)膜病變、糖尿病足等一系列并發(fā)癥的發(fā)生,嚴(yán)重影響患者生存率[5-7]。
研究證實(shí),糖尿病患者體內(nèi)的胰島β細(xì)胞數(shù)量的減少是導(dǎo)致其胰島功能受損的重要原因,其與β細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)密切相關(guān)[8]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是蛋白質(zhì)合成和加工的重要細(xì)胞器,當(dāng)合成新蛋白質(zhì)的需求與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)促進(jìn)蛋白質(zhì)成熟和轉(zhuǎn)運(yùn)的能力失去平衡之后,易導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的發(fā)生,而在胰島β細(xì)胞中,存在著高度發(fā)達(dá)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)系統(tǒng)[9],尤其是在2型糖尿病患者體內(nèi)的胰島β細(xì)胞中,由于發(fā)生胰島素抵抗,機(jī)體內(nèi)代償性胰島素分泌增多,增加了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的負(fù)擔(dān),并且存在高游離脂肪酸和高糖的刺激,從而誘導(dǎo)了β細(xì)胞發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)甚至凋亡[10],因此,嚴(yán)重的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激是加劇糖尿病胰島損傷的一個(gè)重要機(jī)制,積極研發(fā)具有減輕胰島β細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激進(jìn)而減輕胰島損傷作用的新型控糖藥物,對(duì)于改善糖尿病患者的生活質(zhì)量具有十分重要的意義,也能為糖尿病患者提供更多的用藥選擇。
1-脫氧野尻霉素(1-deoxynojirimycin,DNJ)是一種多羥基生物堿成分,存在于桑葉、鴨跖草、風(fēng)信子和沙參屬等植物中,也可從微生物鏈霉菌和芽孢桿菌中分離得到[11-12]。近年來(lái),多項(xiàng)研究結(jié)果表明DNJ具有抑制糖代謝紊亂的作用[13-15],但DNJ在糖尿病模型鼠中是否能降低血糖水平、減輕胰島組織損傷并改善胰島素抵抗值得我們探究,由于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可誘導(dǎo)胰島細(xì)胞損傷后進(jìn)一步引起糖尿病惡化,本研究將進(jìn)一步探討DNJ對(duì)糖尿病的作用是否與調(diào)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)及其下游通路蛋白水平有關(guān)。
實(shí)驗(yàn)動(dòng)物C57BL/6小鼠,雄性,鼠齡5~6周,40只,體質(zhì)量(18±4)g [南京大學(xué)模式動(dòng)物研究所]。小鼠購(gòu)入后在動(dòng)物房適應(yīng)性喂養(yǎng)1周,嚴(yán)格遵守動(dòng)物管理?xiàng)l例,按照標(biāo)準(zhǔn)條件飼養(yǎng)[動(dòng)物房溫度(25±3)℃;相對(duì)濕度50%~65%]。晝夜節(jié)律照明,并給予小鼠自由飲水和適量的飼料。
DNJ、鏈脲佐菌素(STZ)、4%多聚甲醛固定液和胰島素ELISA檢測(cè)試劑盒(美國(guó)Sigma公司);鹽酸二甲雙胍片(浙江亞太藥業(yè)股份有限公司);血糖儀和血糖試紙(美國(guó)強(qiáng)生公司);β-actin、p-PERK、p-eIF2α、IRE1α、p-JNK等抗體和HRP標(biāo)記的二抗(美國(guó)Cell Signaling Technology公司);胰島素注射液(江蘇萬(wàn)邦生化醫(yī)藥股份有限公司);葡萄糖(阿拉丁試劑有限公司);水合氯醛(上海尚寶生物科技有限公司);HE(蘇木精-伊紅)染色試劑盒(武漢賽維爾生物科技有限公司);高脂飼料(南通特洛菲飼料科技有限公司,主要成分為面粉、麩皮、玉米、豆粕、玉米、食鹽、氨基酸、豬油、蔗糖、膽固醇、各種維生素及微量元素等);彼愛(ài)姆BM-38XD倒置熒光顯微鏡(南京東邁科技儀器有限公司);酶標(biāo)儀(Thermo Scientific公司);臺(tái)式高速制冷離心機(jī)(上海圣科儀器設(shè)備有限公司)。
選取30只正常的雄性C57BL/6小鼠建立糖尿病模型,在高脂飼料連續(xù)喂養(yǎng)4周后,小鼠空腹過(guò)夜,每日腹腔注射誘導(dǎo)劑STZ(35 mg·kg-1),連續(xù)1周。另選10只正常組小鼠普通飼料喂養(yǎng)4周后每日腹腔注射同等劑量的檸檬酸鹽緩沖液(pH 4.4),連續(xù)1周。各組小鼠連續(xù)注射一周后尾靜脈采血法檢測(cè)小鼠血糖濃度,若連續(xù)3 d隨機(jī)檢測(cè)到的小鼠血糖水平值均大于16.7 mmol·L-1,則認(rèn)為糖尿病造模成功。將造模成功的小鼠隨機(jī)分成糖尿病組(DM組,生理鹽水)、二甲雙胍組(MFM組,300 mg·kg-1)、1-脫氧野尻霉素組(DNJ組,60 mg·kg-1),并另設(shè)正常對(duì)照組(NC組,生理鹽水),四組小鼠每日灌胃給藥一次,在給藥的第0、7、14、21和28日分別用血糖儀和試紙測(cè)定各組小鼠血糖水平,并稱(chēng)量各組小鼠體質(zhì)量。
在藥物干預(yù)的第28日進(jìn)行口服葡萄糖耐量實(shí)驗(yàn)(OGTT):將各組小鼠禁食不禁水處理過(guò)夜,次日10點(diǎn)灌胃給予質(zhì)量濃度為0.2 g·mL-1的葡萄糖溶液(2 g·kg-1,t=0 h)。在藥物干預(yù)的第29日進(jìn)行腹腔注射胰島素耐受實(shí)驗(yàn)(IPITT):將各組小鼠禁食不禁水處理4 h,腹腔注射0.05 U·mL-1的胰島素溶液(0.5 U·kg-1,t=0 h)。以上兩項(xiàng)操作完成后分別在t=0 h和給予葡萄糖或者胰島素后0.25、0.5、1、1.5、2 h時(shí)尾靜脈取血檢測(cè)各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的血糖值,并計(jì)算曲線下面積(AUC)。
腹腔注射10%的水合氯醛(300 mg·kg-1)對(duì)各組小鼠進(jìn)行麻醉,待小鼠失去知覺(jué)和行動(dòng)能力后再用手術(shù)剪剪開(kāi)小鼠胸腔,采用5 mL注射器進(jìn)行心臟取血,并將全血標(biāo)本轉(zhuǎn)移至含有EDTA的抗凝管中,再在冷凍離心機(jī)中以3000 r·min-1離心5 min,吸取上清得到待測(cè)的血漿樣品。隨后按照胰島素ELISA檢測(cè)試劑盒中的步驟進(jìn)行操作,用酶標(biāo)儀檢測(cè)各組小鼠血漿樣品在450 nm波長(zhǎng)處的吸光度值,并依據(jù)胰島素標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算各組小鼠血漿中胰島素的水平。
將各組實(shí)驗(yàn)小鼠解剖后,取小鼠胰腺的部分胰尾組織,用4%的多聚甲醛溶液進(jìn)行固定后用石蠟包埋切片,再用蘇木精和伊紅染料進(jìn)行染色,然后用顯微鏡觀察胰腺組織的形態(tài),胰島的橫斷面面積用Image Plus 6.0軟件分析。
將各組小鼠的胰腺組織用RIPA裂解后再超聲破碎,4℃5000 r·min-1離心10 min,吸取上清溶液用BCA法測(cè)定蛋白質(zhì)含量后,配制適宜濃度的SDS-PAGE膠進(jìn)行Western blot實(shí)驗(yàn),分別檢測(cè)IRE1α和PERK通路中相關(guān)蛋白表達(dá)水平的變化。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示。數(shù)據(jù)采用SPSS軟件進(jìn)行分析,兩組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),多組比較采用單因素方差分析,若P<0.05說(shuō)明差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
造模前,各組小鼠體質(zhì)量無(wú)差異,而造模成功后,隨著周齡的增加,正常對(duì)照組小鼠體質(zhì)量逐漸增加,而糖尿病組小鼠體質(zhì)量增長(zhǎng)緩慢,與正常對(duì)照組小鼠相比較有減輕的趨勢(shì),但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。與糖尿病組小鼠比較,灌胃給予二甲雙胍的第14、21和28日,可產(chǎn)生延緩糖尿病小鼠體質(zhì)量增長(zhǎng)的作用(P<0.05),但灌胃給予DNJ的小鼠體質(zhì)量變化不明顯(P>0.05),見(jiàn)表1。
表1 不同組小鼠體質(zhì)量變化情況(±s)Tab 1 Changes in body mass of mice in different groups (±s)
表1 不同組小鼠體質(zhì)量變化情況(±s)Tab 1 Changes in body mass of mice in different groups (±s)
注:與DM組比較,*P<0.05。Note:Compared with the DM group,*P<0.05.
組別 例數(shù) 造模前體質(zhì)量/g 造模后體質(zhì)量/g 0日 7日 14日 21日 28日NC組 10 13.2±0.1 25.9±0.3 26.3±0.2 26.9±0.6 27.3±0.8 27.8±0.4 DM組 8 12.9±0.3 23.1±0.4 24.6±0.1 25.4±0.3 25.6±0.5 26.4±0.3 MFM組 10 13.1±0.2 22.9±0.3 22.6±0.4 22.5±0.2* 22.3±0.4* 22.2±0.1*DNJ組 9 13.0±0.3 22.8±0.2 23.1±0.5 22.9±0.1 23.4±0.2 23.8±0.6
正常對(duì)照組小鼠的血糖隨鼠齡增加而穩(wěn)定,始終低于11.1 mmol·L-1,而糖尿病組小鼠的血糖水平明顯高于正常對(duì)照組小鼠(P<0.05)。與糖尿病組小鼠相比,在灌胃給予陽(yáng)性藥物二甲雙胍第7、14、21、28日后,小鼠血糖水平明顯下降,血糖下降幅度隨著給藥時(shí)間的增加而有所增大(P<0.05)。DNJ組小鼠的血糖在第0、7和14日時(shí)與糖尿病組相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,而在第21日和28日時(shí)血糖水平明顯低于糖尿病組小鼠(P<0.05,見(jiàn)圖1A)。
在高脂飲食聯(lián)合STZ誘導(dǎo)的2型糖尿病鼠內(nèi),由于存在胰島素抵抗導(dǎo)致其促葡萄糖分解代謝的作用減弱,促使胰島素代償性分泌增多以維持血糖濃度相對(duì)穩(wěn)定。由圖1可知,糖尿病組小鼠的胰島素水平也明顯高于正常組小鼠,給予二甲雙胍或DNJ后都能降低糖尿病小鼠的胰島素水平,在一定程度上改善糖尿病小鼠的胰島素抵抗(P<0.05,見(jiàn)圖1B)。
圖1 DNJ對(duì)糖尿病小鼠血糖和胰島素水平的影響Fig 1 Effect of DNJ on blood glucose and insulin levels in diabetic mice
在OGTT實(shí)驗(yàn)中,分別灌胃2 g·kg-1葡萄糖后,各組小鼠在0.25 h時(shí)的血糖水平較0 h時(shí)顯著升高(P<0.05,見(jiàn)圖2A)。正常對(duì)照組小鼠的血糖水平在餐后1 h時(shí)明顯恢復(fù),并在2 h時(shí)接近正常水平,但糖尿病組小鼠的血糖在餐后2 h仍維持在較高的水平,糖耐量水平異常。二甲雙胍組小鼠在口服葡萄糖后的血糖水平較模型組小鼠顯著降低(P<0.05),而DNJ組小鼠在餐后0.25 h和0.5 h的血糖水平與糖尿病組小鼠相比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,但從餐后1 h開(kāi)始的血糖值明顯低于糖尿病組小鼠,并在餐后2 h時(shí)接近于餐前水平(P<0.05)。從各組小鼠血糖隨時(shí)間變化曲線的面積值情況來(lái)看,糖尿病組小鼠的AUC較正常對(duì)照組小鼠明顯增大,而二甲雙胍組小鼠的AUC面積較糖尿病組小鼠顯著下降,DNJ也能在一定程度上恢復(fù)糖尿病小鼠的糖耐量水平(P<0.05,見(jiàn)圖2B)。
在IPITT實(shí)驗(yàn)中,各組小鼠在注射胰島素后的0.25 h達(dá)到血糖最低值,在0.5 h有小幅度回升,在1~2 h這段時(shí)間內(nèi)基本恢復(fù)到原有水平。糖尿病組小鼠在注射胰島素后的血糖水平明顯高于正常對(duì)照組小鼠,給予二甲雙胍或DNJ后,小鼠血糖水平較糖尿病小鼠有所降低(P<0.05,見(jiàn)圖2C)。從IPITT的AUC圖中可知,糖尿病組小鼠的AUC明顯大于正常對(duì)照組,出現(xiàn)了胰島素不耐受的表現(xiàn),而二甲雙胍和DNJ均能降低糖尿病小鼠的AUC(P<0.05,見(jiàn)圖2B),這說(shuō)明二甲雙胍和DNJ能增加糖尿病小鼠對(duì)胰島素的敏感性。
圖2 DNJ對(duì)糖尿病小鼠OGTT和IPITT的影響Fig 2 Effect of DNJ on OGTT and IPITT in diabetic mice
HE染色觀察各組小鼠胰腺組織中胰島部分的形態(tài)病理學(xué)改變,與正常對(duì)照組小鼠相比,糖尿病組小鼠的胰島分布稀疏,胰島數(shù)量和面積明顯減少。由圖3可知,二甲雙胍組小鼠的胰島形態(tài)和分布比糖尿病小鼠的更加規(guī)則,胰島面積有所增加。DNJ也能增加糖尿病小鼠的胰島面積,改善糖尿病小鼠的胰島損傷。
圖3 不同組小鼠胰腺組織HE染色圖Fig 3 HE staining of pancreatic tissue of mice in different groups
由圖4可知,糖尿病小鼠胰腺組織中的IRE1α蛋白水平明顯上調(diào),給予藥物二甲雙胍或DNJ后都能明顯下調(diào)IRE1α蛋白的表達(dá)。與正常對(duì)照組小鼠相比,糖尿病小鼠胰腺組織中的IRE1α蛋白通路中的下游蛋白JNK的磷酸化水平顯著升高。與糖尿病組小鼠相比,二甲雙胍組和DNJ組小鼠胰腺組織中的p-JNK蛋白水平均明顯降低(P<0.05,見(jiàn)圖4A和4B)。
與正常對(duì)照組小鼠相比,糖尿病小鼠胰腺組織中的p-PERK和p-eIF2α蛋白表達(dá)水平顯著性升高。給予二甲雙胍后,p-PERK和p-eIF2α的蛋白表達(dá)水平均顯著降低(P<0.05)。與糖尿病組小鼠相比,DNJ也能抑制小鼠胰腺組織中p-PERK和p-eIF2α的高表達(dá)(P<0.05,見(jiàn)圖4C和4D)。
圖4 DNJ對(duì)糖尿病小鼠IRE1α和PERK通路蛋白表達(dá)的影響Fig 4 Effect of DNJ on the expression of the IRE1α and PERK pathways in diabetic mice
糖尿病是一種以多飲、多食、多尿和體質(zhì)量減輕等癥狀表現(xiàn)為主的代謝性疾病,患者體內(nèi)持續(xù)的高血糖易損傷其心血管和神經(jīng)系統(tǒng),導(dǎo)致心腦血管疾病、腎病、視網(wǎng)膜病等并發(fā)癥的發(fā)生[16]。目前我國(guó)已成為糖尿病大國(guó),且2型糖尿病占糖尿病總體人群的90%以上[4],研發(fā)新型控糖藥物對(duì)于改善糖尿病患者的生活質(zhì)量具有十分重要的意義。本研究采用化學(xué)誘導(dǎo)劑STZ聯(lián)合高脂食物喂養(yǎng)誘導(dǎo)小鼠發(fā)生2型糖尿病,探討DNJ對(duì)糖尿病的影響及可能的作用機(jī)制。本課題組的研究與以往關(guān)于DNJ的降糖作用研究所用動(dòng)物模型有一定區(qū)別,研究結(jié)果也有所不同,以往關(guān)于DNJ的研究主要集中在其對(duì)STZ誘導(dǎo)的1型糖尿病模型鼠、基因突變型糖尿病鼠、糖尿病腎病大鼠的作用。如Hu等[17]研究發(fā)現(xiàn)從桑葉中提取分離的DNJ能改善STZ誘導(dǎo)的1型糖尿病模型鼠的葡萄糖代謝和腸道微生物群水平。另一項(xiàng)研究則表明桑葉中DNJ能有效抑制分解糖類(lèi)酶的活性,阻止葡萄糖的吸收[13]。姚佳等[18]研究發(fā)現(xiàn)DNJ還具有降低糖尿病腎病大鼠的血糖和減輕腎損傷的作用。本課題組的研究結(jié)果表明DNJ在給藥的第7日和14日對(duì)小鼠血糖無(wú)影響,但在第21日和28日時(shí)能顯著下調(diào)糖尿病小鼠的血糖水平,DNJ對(duì)糖尿病小鼠的體質(zhì)量無(wú)明顯作用,造成這一情況的原因可能是DNJ是一種生物堿成分,起效較緩慢。在給藥結(jié)束后,我們對(duì)小鼠血液中的胰島素水平進(jìn)行測(cè)定,研究結(jié)果表明糖尿病小鼠體內(nèi)由于存在胰島素抵抗導(dǎo)致胰島素代償性的分泌增加[14,16],二甲雙胍和DNJ都能降低糖尿病小鼠的胰島素抵抗,這說(shuō)明了胰島素作為機(jī)體內(nèi)唯一的降血糖激素,在維持糖尿病小鼠血糖穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮了重要作用。糖尿病患者存在糖代謝紊亂和胰島素不耐受的情況,課題組通過(guò)OGTT實(shí)驗(yàn)和IPITT實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)DNJ能改善糖尿病小鼠的糖耐量,增加小鼠對(duì)胰島素的敏感性,在延緩糖尿病進(jìn)程方面具有重要意義。
近年來(lái)有研究結(jié)果表明DNJ可通過(guò)不同機(jī)制改善血糖水平或胰島素抵抗。如Li等[19]研究發(fā)現(xiàn)DNJ通過(guò)調(diào)控IR-GlUT4和 ADIPO-GLUT4通路維持3T3-L1脂肪細(xì)胞內(nèi)的葡萄糖穩(wěn)態(tài)水平。Liu等[20]研究發(fā)現(xiàn)DNJ通過(guò)激活PI3K/AKT通路減輕db/db 型糖尿病小鼠的胰島素抵抗。在2型糖尿病患者的胰島β細(xì)胞內(nèi)由于發(fā)生胰島素抵抗,機(jī)體內(nèi)代償性胰島素分泌增多,增加了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的負(fù)擔(dān),此時(shí)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的分子伴侶蛋白結(jié)合這些代償性產(chǎn)生或錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)如胰島素,使IRE1α、PERK等蛋白被釋放并磷酸化而激活,進(jìn)而使得它們的下游信號(hào)通路蛋白如JNK、eIF2α等被激活,從而誘發(fā)胰島β細(xì)胞發(fā)生凋亡[21-22]。IRE1α-JNK通路的下調(diào)有助于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的穩(wěn)態(tài),減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)[23],此外,PERK-eIF2α信號(hào)通路的調(diào)控可選擇性地減少蛋白質(zhì)的翻譯,進(jìn)而阻止新合成的蛋白質(zhì)進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)從而減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的壓力[24],因此本課題組檢測(cè)了DNJ對(duì)IRE1α、p-JNK、p-PERK蛋白和下游效應(yīng)器p-eIF2α蛋白表達(dá)的影響,結(jié)果表明糖尿病小鼠胰腺組織中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)蛋白IRE1α、p-JNK、PERK和eIF2α的表達(dá)水平明顯升高,給予藥物DNJ可下調(diào)這些蛋白的表達(dá),說(shuō)明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可導(dǎo)致胰島損傷,與糖尿病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),而DNJ可減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng),改善2型糖尿病小鼠的胰島損傷。
本研究表明DNJ可通過(guò)下調(diào)糖尿病小鼠胰腺組織中IRE1α、p-JNK、PERK和eIF2α蛋白的表達(dá),進(jìn)而減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng),發(fā)揮降低2型糖尿病小鼠血糖、改善胰島素抵抗和減輕小鼠胰島損傷的作用(見(jiàn)圖5)。
圖5 DNJ對(duì)糖尿病小鼠的作用和作用機(jī)制Fig 5 Effect and mechanism of DNJ on diabetic mice