有氧运动训练和姜黄素对Ⅱ型糖尿病大鼠肝糖原及糖代谢信号通路的影响

张丽莉,贾　鹏,张东海

(廊坊师范学院体育学院,河北廊坊 065000)



有氧运动训练和姜黄素对Ⅱ型糖尿病大鼠肝糖原及糖代谢信号通路的影响

张丽莉,贾鹏,张东海*

(廊坊师范学院体育学院,河北廊坊 065000)

为探讨有氧运动训练和姜黄素对Ⅱ型糖尿病大鼠肝糖原及糖代谢信号通路的影响,将大鼠分为对照组(C组),模型组(D组)、运动组(S组)、姜黄素组(H组)和姜黄素+运动组(S+H组),S组和S+H组大鼠给予8周有氧运动训练,H组和S+H组大鼠给予8周姜黄素灌胃干预,测定其空腹血糖、口服葡萄糖耐量实验(OGTT)后各时点血糖、胰岛素分泌、胰岛素敏感性、肝糖原水平及肝脏葡萄糖代谢及胰岛素信号分子mRNA表达的变化。结果表明:与D组相比,S+H组大鼠OGTT实验后各时刻血糖值均降低(p<0.05);且胰岛素水平、胰岛素敏感指数及肝糖原水平均较S组和H组高(p<0.05);肝脏葡萄糖激酶(GK)、肝细胞葡萄糖载体蛋白-2(GLUT2)、肝脏胰岛素样生长因子 1(IGF-1)、胰岛素受体底物1(IRS-1)、胰岛素受体底物2(IRS-2)相对表达量均较S组和H组高(p<0.05),而人葡萄糖激酶调节蛋白(GKRP)则较S组和H组降低(p<0.05),且联合干预效果优于单独干预。结论表明有氧运动和姜黄素可有效降低血糖水平,改善胰岛素抵抗,促进肝糖原合成。

Ⅱ型糖尿病,姜黄素,有氧运动,肝糖原,糖代谢

随着人们生活方式的改变,以胰岛素抵抗为特征的Ⅱ型糖尿病的发病率呈逐渐上升趋势,长期的高血糖水平会损害患者器官和周围组织,给患者生存质量造成严重影响[1]。目前,临床上主要采取口服降糖药或注射胰岛素的方式控制血糖以延缓病程进展,但往往伴有多种副作用且不能保护受损的胰岛[2]。研究表明[3],氧化应激反应及自由基代谢异常在糖尿病及其并发症发生中发挥重要作用。姜黄素是从姜黄、郁金等茎块中提取的酚性色素,具有抗氧化、抗炎、降脂、心血管保护等多种生理功能[4],可改善高血糖及脂质代谢紊乱[5],但具体作用机制尚不明确。Ⅱ型糖尿病作为一种生活方式病,有氧运动逐渐应用于患者辅助治疗[6],但相关机制研究较少。本研究尝试在构建Ⅱ型糖尿病大鼠模型基础上,分析有氧运动训练和姜黄素及二者联合对Ⅱ型糖尿病大鼠肝糖原的影响,以及可能的机制,以期为糖尿病防治提供新思路。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

实验材料选取清洁级SD雄性大鼠,2月龄大小,体重180～210 g,购自河南省实验动物中心(合格证号SCXK(豫)2011-0003),分笼饲养,自然光照,自由饮水及摄食。普通饲料(总热量25 kJ/kg)河南省实验动物中心提供,在普通饲料基础上配制高糖高脂饲料(总热量4510 kJ/kg);姜黄素(纯度99%)和链脲佐菌素美国Sigma公司;1%羧甲基纤维素上海试剂总厂。胰岛素放射免疫试剂盒和肝糖原测定试剂盒上海研晶生物科技有限公司;葡萄糖测定试剂盒中山生物;总RNA提取试剂盒美国Roch公司;RevertAidTM第一链cDNA合成试剂盒和Maxima® SYBR Green/ROX qPCR Master Mix(2X)美国Thermo公司。

ABI 7500实时荧光定量PCR仪美国ABI公司;Q5000超微量核酸蛋白测定仪美国QUAWELL TECHNOLOGY INC.公司;Roche血糖仪美国Roche公司;显微镜日本奥林巴斯公司。

1.2实验方法

1.2.1动物模型建立及分组大鼠适应性喂养7 d后,禁食8 h,取45只大鼠喂养高糖高脂饲料8周后,将柠檬酸缓冲液配制的链脲佐菌素按照30 mg/(kg·d)进行腹腔注射,注射7 d后对血糖进行检测,以随机血糖>16.7 mmol/L作为成功造模[7],其中,40只大鼠成功构建Ⅱ型糖尿病模型,造模成功的大鼠随机分为模型组(D组)、运动组(S组)、姜黄素组(H组)和黄姜素+运动组(S+H组),每组10只;与此同时,另取10只大鼠给予普通饲料喂养(对照组,C组)8周后,给予同等剂量柠檬酸缓冲液进行腹腔注射。

1.2.2有氧运动训练方案S组和S+H组大鼠进行为期8周的不负重游泳训练。第1周开展适应性训练,每天游泳10 min,第2周每天游泳30 min,第3周每天游泳40 min,第4周每天游泳50 min,第5～8周每天游泳60 min,每周进行6 d,休息1 d[7]。游泳训练在白色水桶(直径1.5 m)中进行,水深0.6 m,每桶5只,水温维持在30℃,上下波动<2℃。

1.2.3大鼠灌服H组和S+H组大鼠分别于上午9时给予姜黄素100 mg/(kg·d)灌胃,每周7 d,同时,C组、D组和S组则分别于上午9时给予等量生理盐水灌胃;实验过程中各组大鼠均未出现死亡。

1.2.4样本采集及处理8周后停止干预36 h,期间恢复摄食以减少应激反应可能对研究结果造成的影响。禁食12 h后进行空腹血糖(FBG)检测,之后用2 g/kg葡萄糖对大鼠进行灌胃行口服葡萄糖耐量实验(OGTT),分别在灌胃后30、60、120 min取尾静脉血对血糖进行检测。次日对大鼠行麻醉后处死,制备血清,剖腹取肝脏组织,称重后分成若干份,保存于液氮中以备检。

胰岛素和肝糖原水平测定:利用胰岛素放射免疫试剂盒对制备血清中胰岛素水平进行检测,并计算胰岛素敏感指数;利用肝糖原测定试剂盒对肝脏中肝糖原水平进行测定。

肝脏葡萄糖代谢及胰岛素信号相关分子mRNA表达量检测：取大鼠肝脏组织,解冻后进行研磨,利用总RNA提取试剂盒对总RNA进行提取,肝脏葡萄糖激酶(GK)、人葡萄糖激酶调节蛋白(GKRP)、肝细胞葡萄糖载体蛋白-2(GLUT2)、肝脏胰岛素样生长因子 1(IGF-1)、胰岛素受体底物1(IRS-1)、胰岛素受体底物2(IRS-2)及相应的内参引物设计及合成均由生工生物工程(上海)股份有限公司完成。利用RevertAidTM第一链cDNA合成试剂盒获取逆转录cDNA,利用Maxima® SYBR Green/ROX qPCR Master Mix(2X)和ABI 7500实时荧光定量PCR仪完成目的基因扩增及检测,PCR反应条件:94℃预变性15 min,74℃变性10 s,55℃退火15 s,连续进行36个循环[8]。每个样品均设3个平行反应复孔,利用2-ΔCt方法对各基因相对表达量进行计算。

1.3数据统计

所有实验数据利用SPSS21.0统计分析软件完成处理,计量资料采用平均值±标准差(Mean±SD)表示,多组间比较采用单因素方差分析,组间两两比较采用LSD-t检验,同组内不同时间比较采用重复测量数据的方差分析,p<0.05差异具有统计学意义。

2　结果与分析

2.1有氧运动及姜黄素对大鼠血糖水平的影响

有氧运动及姜黄素对大鼠血糖水平的影响见表1。空腹血糖和OGTT实验相结合是临床上诊断糖尿病的标准,当机体出现胰岛素抵抗时,β细胞功能会出现减退,在给予糖负荷后由于胰岛素分泌不足而导致血糖大幅升高[9]。本实验结果显示,D组大鼠FBG显著高于C组,OGTT实验后各时刻血糖值均高于C组,差异均有统计学意义(p<0.05),说明Ⅱ型糖尿病大鼠模型构建成功,出现了糖耐量异常。而S组、H组和S+H组大鼠FBG值较D组呈下降趋势,且OGTT实验后各时刻血糖值显著低于D组(p<0.05),说明有氧运动训练和姜黄素可有效降低Ⅱ型糖尿病大鼠血糖水平,改善糖耐量异常。

姜黄素作为从天然植物根茎中提取的二酮类化合物,在抗氧化、降血脂、抗炎等方面发挥重要作用[10],研究表明[11],姜黄素可有效改善Ⅱ型糖尿病血糖及血脂代谢。有氧运动训练可促进机体胰高血糖素和儿茶酚胺的释放,刺激腺苷酸环氧化酶及cAMP形成,通过AMPK路径而促进脂质代谢,从而改善糖耐量异常[12]。本研究显示,S+H组大鼠OGTT实验后30、60 min血糖值均低于S组和H组(p<0.05),说明有氧运动训练联合姜黄素干预在改善胰岛素抵抗及降低血糖水平方面优于单独干预,出现协同效应。

表1　各组大鼠空腹血糖及OGTT实验后不同时点血糖变化(n=10,Mean±SD,mmol/L)

注:表中数据为平均值±标准差,同组大鼠不同时点OGTT比较,字母相同示无显著性差异,字母不同示有显著性差异;与C组相比,*p<0.05;与D组相比,#p<0.05;与S组相比,Δp<0.05;与H组相比,※p<0.05,表2、表3同。

表2　各组大鼠胰岛素、胰岛素敏感指数及肝糖原水平比较(n=10,Mean±SD)

2.2有氧运动及姜黄素对大鼠胰岛素指标及肝糖原水平的影响

有氧运动及姜黄素对大鼠胰岛素指标及肝糖原水平的影响见表2。葡萄糖在机体中主要以肝糖原的形式储存,对维持血糖水平稳定具有重要意义[13]。本实验显示,D组大鼠胰岛素水平、胰岛素敏感指数和肝糖原水平均较C组降低(p<0.05),说明Ⅱ型糖尿病大鼠出现胰岛素分泌减少、敏感性降低及肝糖原代谢紊乱。有研究指出[14],姜黄素可有效改善机体脂质代谢异常,抑制糖尿病机体氧化应激反应的发生。同时,姜黄素对Ⅱ型糖尿病动物模型受损肝脏具有保护作用[15]。有效的有氧运动可增强胰岛素敏感性[16]。本实验显示,S组、H组和S+H组大鼠大鼠胰岛素水平、胰岛素敏感指数及肝糖原水平均低于C组(p<0.05),而高于D组(p<0.05),S+H组大鼠胰岛素水平、胰岛素敏感指数及肝糖原水平均较S组和H组提高(p<0.05),说明有氧运动训练联合姜黄素干预可显著改善Ⅱ型糖尿病大鼠胰岛素敏感性,促进肝糖原合成,其效果大于单独干预效果。

2.3有氧运动及姜黄素对大鼠糖代谢信号通路的影响

有氧运动及姜黄素对大鼠糖代谢信号通路的影响见表3。肝脏作为糖、脂代谢平衡的重要调节器官,在糖尿病发病中发挥尤为重要的作用[17],而糖、脂代谢过程是通过一系列酶及信号通路调节完成的[18]。GK作为己糖激酶异构酶,在催化6-磷酸葡萄糖生成中发挥主要作用[19],GKRP是GK的抑制酶,可抑制其活性[20]。GLUT2作为一种膜蛋白,可转运葡萄糖进入细胞内,且可与GK形成葡萄糖感受器,在胰岛素合成及分泌中发挥调节作用[21]。IGF-1是与胰岛素类似的多肽蛋白,可发挥降血糖作用,IRS-1和IRS-2作为胰岛素信号通路下游重要效应分子,磷酸化后可促进糖原合成而减少血糖水平[22]。本实验利用荧光定量PCR技术对各基因表达情况进行分析,D组大鼠GK、GLUT2、IGF-1、IRS-1和IRS-2相对表达量较C组显著降低(p<0.05),而GKRP相对表达量显著升高(p<0.05),提示糖代谢信号通路异常是造成血糖代谢异常的内因。而S+H组大鼠GK、GLUT2、IGF-1、IRS-1和IRS-2相对表达量均较S组和H组升高(p<0.05),而GKRP则降低(p<0.05),说明有氧训练和姜黄素可通过提高GK、GLUT2、IGF-1、IRS-1和IRS-2表达和降低GKRP表达,而实现对血糖水平的调控,且二者联合作用优于单独干预效果。

表3　各组大鼠肝脏葡萄糖代谢及胰岛素信号分子mRNA表达比较(n=10,Mean±SD)

3　结论

通过比较研究有氧运动训练及姜黄素结合有氧运动对大鼠空腹血糖、OGTT实验后各时刻血糖、胰岛素分泌、胰岛素敏感性、肝糖原水平及肝脏葡萄糖代谢及胰岛素信号分子mRNA表达的影响,发现姜黄素可有效降低血糖水平,改善胰岛素抵抗,促进肝糖原合成,且姜黄素结合有氧运动干预效果更佳,其机制可能与提高GK、GLUT2、IGF-1、IRS-1和IRS-2表达,而降低GKRP表达有关。

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Effects of aerobic exercise training and curcumin on hepatic glycogen and glucose metabolism signaling pathway of type Ⅱ diabetic rats

ZHANG Li-li,JIA Peng,ZHANG Dong-hai*

(Sports Institute,Langfang Normal University,Langfang 065000,China)

In order to investigate the influence of aerobic exercise training and curcumin on glycogen and glucose metabolism signaling pathway of type Ⅱ diabetic rats.All rats were divided into the control group(C group),model group(group D),exercise group(S group),curcumin group(H group)and turmeric prime+exercise group(S+H group).The rats in S group and S+H group were given aerobic exercise training for 8 weeks,and in H group and S+H group were given curcumin intervention for 8 weeks.Fasting blood glucose,blood glucose at each time point after oral lucose tolerance test(OGTT),insulin secretion,insulin sensitivity,glycogen levels and expressions of hepatic glucose metabolism and insulin signaling molecule mRNA were detected.The results showed that compared with the D group,the glucose values at each time point after OGTT test in the S+H group were lower(p<0.05).Compared with S and H group,the rats insulin levels,insulin sensitivity index and liver glycogen levels were higher in S+H group(p<0.05).The relative expressions of glucokinase(GK),glucose transporter protein-2(GLUT2),insulin-like growth factor 1(IGF-1),insulin receptor substrate 1(IRS-1)and Insulin receptor substrate 2(IRS-2)in S+H group were increased in comparison with S and H group(p<0.05),while glucose regulated protein kinase(GKRP)were reduced(p<0.05).And the effect of combined intervention was better than single intervention.Aerobic exercise and curcumin could effectively reduce blood sugar levels,improve insulin resistance,and promote glycogen synthesis.

type Ⅱ diabetes;curcumin;aerobic exercise;hepatic glycogen;glucose metabolism

2015-07-09

张丽莉(1977-)，女，硕士，讲师，研究方向：体育教学与训练，E-mail:229938420@qq.com。

张东海(1966-)，男，硕士，教授，研究方向：体育教学与训练，E-mail:13633165230@163.com。

TS255.1

A

1002-0306(2016)07-0346-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.07.058