网络出版时间:2021-5-2810:19 网络出版地址:https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1086.R.20210527.1458.028.html
杨桃根DMDD调控ROS介导的自噬通路减轻
糖尿病大鼠心肌损伤
马 静1,吴娅妮2,黄德伦1,周艳平1,侯柳婷1,李亚坤1,钟 静1,韦晓洁1
(1.广西中医药大学基础医学院,广西南宁 530299;2.广西医科大学药学院,广西南宁 530021)
收稿日期:2021-02-18,修回日期:2021-03-28
基金项目:国家自然科学基金资助项目(No82004186);广西自然科
学基金资助项目(No2018GXNSFAA294103,2020GXNSFAA297181);广西一流学科建设开放课题(No2019XK080);广西中医药大学引进博士科研启动基金项目(
No2018BS010);广西壮瑶药重点实验室(桂科基字[2014]32号,NoGXZYKF2020A 07);大学生创新创业训练计划项目(No202010600214,202010600103);广西中医药大学“岐黄工程”高层次人才团队培育项目(No2021001
)作者简介:马 静(1980-),女,博士生,研究方向:中药抗代谢性疾
病机制研究,E mail:770123902@qq.com;
韦晓洁(
1985-),女,博士,副教授,研究方向:中药抗糖尿病机制研究,通讯作者,E mail:116190888@qq.com
doi:10.3969/j.issn.1001-1978.2021.06.015
文献标志码:A文章编号:1001-1978(2021)06-0823-05中国图书分类号:R 332;R284 1;R322 11;R329 25;R331 31;R542 2;R587 2
摘要:目的 探讨杨桃根DMDD对糖尿病(diabetesmellitus,DM)大鼠心肌损伤的保护作用及机制。方法 SD大鼠利用高糖高脂饮食联合链脲佐菌素诱导DM模型,DMDD连续
灌胃21d。检测大鼠空腹血糖(FBG);超声心动图检测左室舒张末期压(LVEDP)、左心室压峰值(LVSP)、左心室内压最大上升速率(+dp/dtmax)、左心室内压最大下降速率(-dp/dtmax);HE染观察心肌结构变化;TUNEL染观察心肌细胞凋亡;试剂盒检测心肌组织中活性氧(ROS)、丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)含量;Westernblot法检测Beclin 1、LC3、Atg5表达,以及PI3K/Akt/mTOR通路激活情况。结果 相较于D
M组,DMDD组心肌组织损伤有效改善,心肌细胞凋亡指数减少,FBG、LVEDP、ROS、MDA、Beclin 1、LC3Ⅱ/I、Atg5明显降低,同时LVSP、+dp/dtmax、-dp/dtmax、SOD、p PI3K/PI3K、p Akt/Akt、p mTOR/mTOR明显增高(P<0 05),并呈剂量依赖性。结论 杨桃根DMDD可通过调控R
OS介导的PI3K/Akt/mTOR自噬通路,抑制心肌细胞凋亡,从而减轻DM大鼠心肌损伤。
关键词:糖尿病;心肌损伤;杨桃根DMDD;ROS;自噬;PI3K/Akt/mTOR通路
开放科学(资源服务)标识码(OSID):
糖尿病(diabetesmellitus,DM)是全球危害性最大的慢性疾病之一,而我国年龄标准化的D
M发病率已高达10%[1]
。糖尿病心肌病(diabeticcardio
myopathy,DCM)是DM常见的、严重的并发症之一,
也是导致D
M患者死亡的主要原因[2]
。长期高糖刺激可造成心肌细胞肥大、凋亡,引起心肌纤维化,导致心室收缩及舒张功能不全,最终形成心力衰
竭[
3]
。由此可见,高糖所致的心肌细胞凋亡是诱发DCM的核心病理变化。DCM心肌细胞凋亡的发生机制复杂,目前认为与高糖引起的内质网应激、活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)聚集及自噬紊乱有
关[
4]。杨桃(AverrhoacarambolaL.)为酢浆草科五敛子属植物,在我国广泛分布于广西、广东、福建等
地[
5]
。杨桃根茎是广西民间常用中药材。《中华本草》中记载,杨桃根具有行气活血、祛风止痛、涩精止带之功效。本课题组前期证实,杨桃根总提取物可改善DM大鼠糖脂代谢,抑制高糖诱发的氧化应
激反应[6]
。近期,我们从杨桃根中分离出一种单体
成分,即2 十二烷基 6 甲氧基 2,5 二烯 1,4 环己二酮(
DMDD),并初步证实该成分能减轻高糖所致的心肌细胞损伤,但其机制尚未完全明确。本研究采用高糖高脂饮食联合链脲佐菌素诱导建立DM大鼠模型,观察杨桃根DMDD对DM大鼠心脏功能、心肌细胞凋亡、
ROS 自噬通路的影响,探讨杨桃根DMDD对DM大鼠心肌损伤的保护作用及机制。1 材料与方法
1.1 实验动物 SPF级成年SD大鼠共50只,♂,体质量(180±20)g,由广西医科大学实验动物中心提供,许可证号:SCXK桂2014 0002。
1.2 实验试剂 杨桃根DMDD由本课题组自行制备;高糖高脂饲料购于北京博爱港生物技术有限公司;链脲佐菌素购于Sigma公司;ROS、丙二醛(ma londialdehyde,MDA)、超氧化物歧化酶(superoxidedismutase,SOD)检测试剂盒购于南京建成生物工程研究所;抗Beclin 1、LC3、Atg5、p PI3K、PI3K、p Akt、
·3
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Akt、p mTOR、mTOR、GAPDH抗体购于Abcam公司;TUNEL试剂盒购于上海碧云天生物技术有限公司。
1.3 分组与造模 大鼠随机分为Control组、DM
组、DMDD组(12 5、25 0、50 0mg·kg-1
),每组10
只。经适应性喂养1周后,DM组、DMDD组给予高糖高脂饲料饲养4周,之后腹腔注射链脲佐菌素
(120mg·kg-1
)1次,4周后随机血糖值≥16 7mmol·L-1即判定2型糖尿病大鼠造模成功,本研
究造模成功率为7
5%(30/40),失败模型予以替补;Control组仅给予普通饲料及灌胃等量生理盐水。DMDD组于造模成功后分别灌胃不同浓度DMDD,连续灌胃给药21d,1次/d;Control组、DM组仅灌胃等量生理盐水。末次给药后,采集大鼠血样及心脏组织供后续试验。
1.4 血糖测定 经尾尖采血,用血糖测定仪检测大鼠空腹血糖(fastingbloodglucose,FBG)。
1.5 左心室功能评价 10%水合氯醛(3mL·
kg-1)腹腔注射麻醉大鼠,使用Vevo2100型小动物
彩超声诊断仪测定左室舒张末期压(leftventricu larend diastolicpressure,LVEDP)、左心室压峰值(leftventricularsystolicpressure,LVSP)、左心室内压最大上升速率(maximumupstrokevelocityofleftven tricularpressure,+dp/dtmax)、左心室内压最大下降速率(maximumdescentvelocityofleftventricularpressure,-dp/dtmax
)。1.6 心肌形态变化 取大鼠心肌组织,4%多聚甲醛固定,随后脱水、透明、浸蜡、包埋、切片,HE染后于光镜下观察心肌组织病理学形态变化。1.7 心肌细胞凋亡 心肌组织经固定、脱水、石蜡包埋、切片后,参照TUNEL试剂盒说明书检测细胞凋亡,凋亡细胞核染成棕黄,光镜下随机选5个视野,统计凋亡细胞数目,凋亡指数/%=(凋亡细胞数/总细胞数)×100%。
1.8 氧化应激指标检测 取心肌组织加入4℃
PBS
研磨制备10%组织匀浆,3000r·min-1
离心10min取上清液,根据试剂盒说明书进行操作,SOD采用羟胺法检测,MDA采用TBA法检测,ROS采用化学荧光法检测。
1.9 Westernblot检测 取50mg心肌组织加入500μL预冷RIPA裂解液,匀浆后离心取上清,BCA法检测蛋白浓度,20μg蛋白样品上样,行SDS PAGE电泳,转膜至PVDF膜,5%脱脂奶粉封闭,一抗(Beclin 11∶500、LC31∶1000、Atg51∶1000、PI3K1∶1000、p PI3K1∶1000、Akt1∶1000、p Akt1∶1000、mTOR1∶1000、p mTOR1∶1000、GAPDH1∶2000)4℃孵育过夜,洗膜后加入二抗(1∶5000)室温孵育1h,洗膜、ECL显、曝光,Im ageJ
软件处理图像。1.10 统计学方法 SPSS26 0分析数据,计量资料
以珋x±s表示,多组间比较行单因素方差分析,两两比较采用LSD t检验。2 结果
2.1 DMDD对FBG和心功能指标的影响 相较于Control组,DM组FBG、LVEDP明显增高,同时LVSP、+dp/dtmax、-dp/dtmax明显降低(P<0 05);相较于DM组,DMDD组FBG、LVEDP明显降低,同时LVSP、+dp/dtmax、-dp/dtmax明显增高(P<0 05
),并呈剂量依赖性,见Tab1。2.2 DMDD对心肌组织结构的影响 HE染可见Control组大鼠心肌细胞形态结构完整,排列整齐、紧密;DM组大鼠心肌细胞呈不规则排列,细胞间质增宽,并伴有细胞破碎、坏死,部分心肌纤维断裂;DMDD组大鼠心肌细胞排列稍紊乱,破碎、坏死
细胞数量明显减少,纤维断裂减少(Fig1)。2.3 DMDD对心肌凋亡的影响 TUNEL染可见,相较于Control组,DM组心肌细胞凋亡指数明显增高(P<0 05);相较于DM组,DMDD组心肌细胞凋亡指数明显降低(P<0 05),且呈明显剂量依赖性(Fig2)。
Tab1 ComparisonofFBGandcardiacfunctionindexesineachgroup(珋x±s,n=10)
GroupFBG/mmol·L-1
LVSP/mmHgLVEDP/mmHg+dp/dtmax/mmHg·s-1
-dp/dtmax/
mmHg·s-1
Control5.65±1.21120.72±7.19
9.49±2.23
2925.10±84.06
2568.24±127.11
DM
27.28±3.76 76.79±5.61
18.60±3.84
1228.59±213.21
1134.62±205.19
12.5mg·kg-1DMDD24.13±2.21 #82.49±4.21 #16.85±3.65 #1738.11±148.05 #1407.18±291.45 #25.0mg·kg-1DMDD21.39±2.84 #90.11±5.07 #13.64±2.41 #1857.69±137.22 #1529.63±177.25 #50.0mg·kg-1DMDD
18.62±1.95
#95.52±6.18
#12.05±2.39
#2155.12±224.36
#1752.27±186.08
# P<0 05vscontrol;#
P<0 05vsDM
·
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Fig1 Myocardialmorphologyofratsineachgroup(HE×200
)
Fig2 Apoptosisofmyocardialcellsineachgroup(×200,珋x±s,n=10
)
Fig3 ComparisonofROS,SODandMDAlevelsinmyocardialtissuesofratsineachgroup(珋x±s,n=10)
P<0 05vsControlgroup;#
P<0 05vsDMgroup
2.4 DMDD对心肌ROS、SOD及MDA水平的影响 相较于Control组,DM组SOD水平明显降低,同时ROS、MDA水平明显增高(P<0 05);相较于DM组,DMDD组SOD水平明显增高,同时ROS、MDA水平明显降低(P<0 05),且呈明显剂量依赖性(Fig3)。
2.5 DMDD对心肌Beclin 1、LC3、Atg5表达的影响 相较于Control组,DM组Beclin 1、LC3Ⅱ/Ⅰ、Atg5表达明显增高(P<0 05);相较于DM组,DM DD组B
eclin 1、LC3Ⅱ/I、Atg5表达明显降低(P<0 05),且呈明显剂量依赖性(Fig4)。
2.6 DMDD对心肌PI3K/Akt/mTOR通路的影响 相较于Control组,DM组p PI3K/PI3K、p Akt/Akt、p mTOR/mTOR明显降低(P<0 05);相较于DM组,DMDD组p PI3K/PI3K、p Akt/Akt、p mTOR/mTOR明显增高(P<0 05),且呈明显剂量依赖性(Fig5)。3 讨论
持续高糖诱导的心肌细胞凋亡是引发DCM的
主要原因,由于凋亡心肌细胞无法再生,逐渐被胶原纤维等取代,故而导致心肌纤维化及心室重构。因此,抑制心肌细胞凋亡对于改善DM心肌损伤具有
积极意义[7]
。本研究采用高糖高脂饮食联合腹腔
注射链脲佐菌素建立DM大鼠模型,HE染显示DM组大鼠心肌组织损伤明显;心脏彩超可见LV EDP明显增高,同时LVSP、+dp/dtmax、-dp/dtmax明显降低;TUNEL染显示心肌细胞凋亡明显。上述
变化与文献[8]中对于DM心肌损伤模型的报道一
致,提示造模成功。而相较于DM组,DMDD组大鼠心肌组织损伤明显减轻,左心室功能明显改善,同时心肌细胞凋亡指数明显降低。这表明DMDD对于DM心肌损伤具有明确的保护效应。
自噬是真核细胞的重要代谢途径,泛指蛋白质和受损细胞器经溶酶体清除、降解的一系列过
程[9]。生理条件下,细胞自噬活性持续处于低水平状态,有助于维持细胞的存活与能量平衡[
10]
。然而,某些条件下会导致自噬过度激活,造成细胞程序性死亡。目前认为,自噬可在一定程度上调控心肌
·
528·中国药理学通报 ChinesePharmacologicalBulletin 2021Jun;37(6)
Fig4 ComparisonofBeclin 1,LC3andAtg5expressioninmyocardialtissuesofratsineachgroup(珋x±s,n=10)
P<0 05vsControlgroup;#P<0 05,##
P<0 01vsDMgrou
p
Fig5 ComparisonofPI3K,Akt,andmTORexpressionsinmyocardialtissuesofratsineachgroup(
珋x±s,n=10) P<0 05vsControlgroup;#P<0 05,##
P<0 01vsDMgroup
细胞增殖与凋亡,并在DCM进展过程中发挥至关重
要的作用[11]
。本研究显示,DM组大鼠不仅存在心
功能障碍,还伴有心肌自噬过度激活,表现在自噬标志物Beclin 1、LC3Ⅱ/I、Atg5表达较Control组明显
增高,与朱小艳等[12]报道一致。而DMDD组大鼠
上述自噬标志物表达较D
M组明显降低,提示DM DD可有效抑制DM大鼠心肌细胞过度自噬。
高糖状态下,心肌组织中ROS产生增加,加之氧自由基清除能力减弱,势必造成ROS大量蓄积,
最终造成心肌细胞DNA及脂质的过氧化损伤[13]。
本研究结果显示,DMDD组SOD水平较DM组明显增高,同时ROS、MDA水平较DM组明显降低。表明DMDD有助于清除ROS,并调控抗氧化物/氧化物平衡,从而改善糖尿病所致心肌氧化应激损伤。近年研究发现,
ROS可作为一种胞内信号分子参与细胞自噬的调控[14]。证据表明,ROS可通过调控
PI3K/Akt/mTOR、AMPK、PIK3C3等通路诱导自噬
小体形成,从而引发细胞自噬[15]
。其中PI3K/Akt/
mTOR通路是研究得最为广泛的路径之一。当细胞ROS水平发生变化时,可激活PI3K激酶,促使Akt磷酸化,并调控下游mTOR活化,进而影响自噬体
形成和成熟[16-17]。本研究发现,DMDD组p PI3K/
PI3K、p Akt/Akt、p mTOR/mTOR较DM组明显增高(P<0 05),说明DMDD可激活PI3K/Akt/mTOR通路,这也是其调控心肌细胞自噬的主要机制之一。
综上所述,杨桃根DMDD可通过调控ROS介导的PI3K/Akt/mTOR自噬通路,抑制心肌细胞凋亡,从而减轻DM大鼠心肌损伤。参考文献:
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AverrhoaCarambolaL.RootsDMDDalleviatesmyocardialinjuryindiabetesmellitusmicebyregulatingROS mediatedautophagypathway
MAJing1,WUYa ni2,HUANGDe lun1,ZHOUYan ping1,HOULiu ting1,LIYa kun1,
ZHONGJing1,WEIXiao jie1
(1.CollegeofBasicMedical,GuangxiUniversityofChineseMedicine,Nanning 530299,China;
2.PharmaceuticalCollege,GuangxiMedicalUnivers
ity,Nanning 530021,China)
Abstract:Aim Toevaluatetheprotectiveeffectof
AverrhoaCarambolaL.RootsDMDDalleviatingmyo cardialinjuryindiabetesmellitus(DM)miceanditsmechanism.Methods SDmiceweregivenhigh glu cose high fatdietcombinedwithstreptozotocintoin duceDMmodel,andwereadministeredwithDMDD.Thefastingbloodglucose(FBG)wasrecorded.Theleftventricularend diastolicpressure(LVEDP),leftventricularsystolicpressure(LVSP),maximumup strokevelocityofleftventricularpressure(+dp/dt
max
)andmaximumdescentvelocityofleftventricularpres
sure(-dp/dt
max
reactive oxygen species (ros))weredetectedbyechocardiography.MyocardialstructuralchangeswereobservedbyHEstaining.Theapoptosisofmyocardialcellswasob servedbyTUNELstaining.Thecontentsofreactiveox ygenspecies(ROS),malondialdehyde(MDA)andsuperoxidedismutase(SOD)inmyocardialtissuesweredetectedbythekit.TheexpressionsofBeclin 1,LC3andAtg5,andtheactivationofPI3K/Akt/mTORpathwayweredetectedbyWesternblot.Results ComparedwithDMgroup,themyocardialtissuedam ageandmyocardialcellapoptosisindexsignificantlydecreasedinDMDDgroup,thelevelofFBG,LVEDP,ROS,MDA,Beclin 1,LC3Ⅱ/IandAtg5significant lydecreased,whileLVSP,+dp/dt
max
,-dp/dt
max
,SOD,p PI3K/PI3K,p Akt/Aktandp mTOR/mTORsignificantlyincreased(P<0 05),andshowedadose dependentmanner.Conclusions AverrhoaCa rambolaL.RootsDMDDcaninhibitcardiomyocyteap optosisbyregulatingROS mediatedPI3K/Akt/mTORautophagypathway,thusreducingmyocardialinjuryinDMmice.
Keywords:diabetesmellitus;myocardialinjury;AverrhoaCarambolaL.RootsDMDD;ROS;autoph agy;PI3K/Akt/mTORpathway
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