2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)是以高血糖和胰岛素分泌不足为特征的代谢性疾病
[1],长期高能量物质过度摄入诱发的糖脂代谢紊乱是T2DM发病的主要原因
[2]。随着社会经济的飞速发展,居民高热量饮食和低体力活动的亚健康生活方式使得我国T2DM的发病率呈快速增长趋势
[3]。除糖脂代谢紊乱以外,胰岛素分泌绝对或相对不足、靶器官对胰岛素敏感性降低是T2DM发病的另一个关键因素
[4]。目前,胃肠道激素已成为T2DM治疗的新靶点,胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)、葡萄糖依赖性促胰岛素多肽(glucose-dependent insulinotropic polypeptide,GIP)、胰高血糖素(glucagon,GCG)、胃泌素(gastrin,GAS)等胃肠道激素能够促进胰岛素分泌,参与调节糖脂代谢
[5]。有研究进一步表明,通过激活环磷腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)/蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)信号通路可刺激相关胃肠道激素释放并影响胰岛素分泌,进而改善胰岛β细胞功能和胰腺损伤
[6]。
中医认为T2DM多因脾虚胃热、肠腑实盛而发,针刺可健脾清热、化脂降浊,调节糖脂代谢,为治疗T2DM的有效方案
[7]。何婧等
[8]发现,针刺对胃肠道激素中GAS的分泌有良性调节作用。也有研究表明,针刺可增加大鼠胰腺组织腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase,AMPK)的表达,但针刺能否通过激活cAMP/PKA通路来调控胃肠道激素并影响胰岛素的分泌和糖脂代谢水平尚不明确
[9]。因此,本研究以T2DM大鼠模型为研究对象,观察针刺对T2DM大鼠糖脂代谢和胃肠道激素的影响,并进一步从cAMP/PKA通路探讨针刺治疗T2DM的可能机制。
1 材料与方法
1.1 实验材料
1.1.1 实验动物
本实验选用特定病原体(specific pathogen free,SPF)级雄性SD大鼠40只,由武汉市春玉红实验动物有限公司提供[生产许可证号:SCXK(鄂)2020-0018],鼠龄4周,初始体质量130~150 g。实验在江汉大学实验动物中心进行[使用许可证号:SCXK(鄂)2022-0012],饲养环境温度控制在(23±2)℃,相对湿度40%~70%,每日光照/黑暗循环各12 h。所有大鼠适应性饲养7 d,自由摄取蒸馏水及普通饲料(由湖北省预防医学科学院实验动物研究中心提供),饮水和垫料每日更换。实验方案经江汉大学实验动物伦理委员会批准(审批号:JHDXLL2024-091)。
1.1.2 主要试剂
链脲佐菌素(streptozotocin,STZ,纯度≥98%,美国Sigma公司,货号V900890);柠檬酸三钠(上海麦克林生化科技有限公司,货号S886023);柠檬酸(上海麦克林生化科技有限公司,货号C805019);盐酸二甲双胍片(中美上海施贵宝制药有限公司,批准文号H20023370);高脂高糖饲料(上海普路腾生物科技有限公司);4%多聚甲醛(Biosharp,货号BL539A);异氟烷(深圳瑞沃德科技有限公司,型号R510);苏木素-伊红(hematoxylin-eosin,HE)染液(上海经科化学科技有限公司,货号71014460);cAMP酶联免疫吸附测定(enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA)试剂盒(锐赛齐,型号R-M-R02907);GLP-1 ELISA试剂盒(锐赛齐,型号R-M-R03047);GCG ELISA试剂盒(锐赛齐,型号R-M-R00102);空腹胰岛素(fasting insulin,FINS)ELISA试剂盒(锐赛齐,型号R-M-R02840);GAS ELISA试剂盒(锐赛齐,型号R-M-R62256);GIP ELISA试剂盒(锐赛齐,型号R-M-R07092);HRP标记兔抗山羊IgG(Jackson Immuno Research,货号305-035-003);HRP标记山羊抗兔IgG(Jackson ImmunoResearch,货号111-035-003);HRP标记山羊抗大鼠IgG(Jackson ImmunoResearch,货号112-035-003);HRP标记山羊抗小鼠IgG(Jackson ImmunoResearch,货号115-035-003)。
1.1.3 主要仪器
血糖仪(鱼跃医疗,型号590);石蜡包埋机(武汉俊杰电子有限公司,型号JB-L5);组织脱水机(武汉俊杰电子有限公司,型号JT-12J);病理切片机(徕卡仪器有限公司,型号RM2016);冷冻离心机(Beckman Coulter,型号Microfuge 20R);组织研磨仪(武汉赛维尔生物科技有限公司,型号KZ-II);脱色摇床(SCILOGEX,型号SLK-O3000-S);酶标仪(Molecular Devices,型号SPECTRA MAX 190);针灸针(北京中研太和医疗器械有限公司,规格:0.30 mm×25 mm);电针治疗仪(四川科仪诚科技有限公司,型号XS-998B)。
1.2 实验方法
1.2.1 T2DM大鼠模型构建
大鼠经适应性喂养1周后,随机分为空白组(10只)和造模组(30只),采用高脂高糖饮食联合STZ构建T2DM模型,具体操作为:高脂高糖饲料喂养4周后禁食12 h,经腹腔一次性注射STZ 35 mg/kg,空白对照组腹腔注射等量柠檬酸钠缓冲液。72 h后尾静脉采血检测FBG,以FBG≥11.1 mmol/L为造模成功标准
[10],未成模大鼠再次注射相同剂量STZ。本次实验30只大鼠建模成功,成模率100%。
1.2.2 实验分组
空白组10只,并将成模的30只大鼠随机分为模型组10只、二甲双胍组10只、针刺组10只(3组间差异无统计学意义)。为了评估二甲双胍和针刺干预对T2DM大鼠糖脂代谢和胃肠道激素的影响,以空白组为对照观察模型的稳定性,通过与模型组对比,评估二甲双胍和针刺2种干预在改善糖脂代谢方面的效果,并以二甲双胍组为阳性对照,评估针刺干预对cAMP/PKA信号通路的影响,进而分析其对糖脂代谢和胃肠道激素的调节作用,并探讨潜在机制。
1.2.3 干预方法
空白组继续以基础饲料和蒸馏水喂养,不做干预。模型组、二甲双胍组、针刺组始终予高脂高糖饲料和蒸馏水喂养。其中,模型组不作干预,二甲双胍组以盐酸二甲双胍片溶液灌胃干预。根据《药理实验方法学》
[11]每周记录二甲双胍组大鼠体质量变化并换算出大鼠有效给药量,取盐酸二甲双胍片(0.5 g/片)研碎,溶于100 mL超纯水中过夜溶胀,即得0.5%盐酸二甲双胍混悬液,以150 mg/kg的剂量每日灌胃1次,连续干预8周。针刺组予针刺干预,每日9:00-10:00,由固定实验人员进行针刺操作,用鼠板固定大鼠,参照《实验动物常用穴位名称与定位第2部分:大鼠》
[12],选取双侧天枢、双侧足三里及中脘穴。针刺深度为5 mm,电针参数:疏密波4 Hz/60 Hz,强度1 mA,留针15 min。每日1 次,连续6 d 休息1 d为1个疗程,共8个疗程。
1.2.4 标本采集方法
每周于固定时间对大鼠尾尖进行消毒,用采血针快速刺破尾尖末梢血量最丰盈处,经试纸和血糖仪检测FBG。完成8周干预后,所有大鼠禁食不禁水12 h,吸入2%异氟烷麻醉,打开腹腔,游离腹主动脉,以一次性真空生化红管经腹主动脉采集血样4~5 mL/只,3 000 r/min 离心10 min,分离血清后分装于1.5 mL EP管,置-80 ℃冰箱冻存备用。取血结束后,取出胰腺组织,一部分固定于4%多聚甲醛中,一部分以液氮冻存。
1.3 标本检测
1.3.1 各组大鼠糖代谢指标测定
每周经血糖仪测定FBG,标本采集完成后经ELISA试剂盒测定FINS水平,严格按照仪器及试剂盒的说明书要求展开操作。获得FBG和FINS数值后,进行指数估算:胰岛素抵抗指数(homeostasis model assessment of insulin resistance,HOMA-IR)=FINS×FBG/22.5;胰岛素敏感指数(insulin sensitivity index,ISI)=LN[1/(FBG× FINS)]。
1.3.2 各组大鼠脂代谢指标测定
全自动生化仪检测大鼠血清中甘油三酯(triglyceride,TG)、总胆固醇(total cholesterol,TC)、低密度脂蛋白(low density lipoprotein,LDL-C)、高密度脂蛋白(high density lipoprotein,HDL-C)的含量,严格按照仪器及试剂盒的说明书要求展开操作。
1.3.3 各组大鼠胃肠道激素指标测定
采用ELISA法测定血清中GLP-1、GIP、GCG、GAS、cAMP的表达含量,严格按照试剂盒的要求展开操作步骤。
1.3.4 各组大鼠胰腺组织病理学变化检测
将多聚甲醛固定液中的胰腺组织取出,依次完成脱水、包埋、切片、HE染色等步骤。最后在显微镜下对比观察各组胰腺组织病理形态学的差异。
1.3.5 各组大鼠胰腺组织中相关蛋白测定
将液氮速冻的一部分胰腺组织取出,继续在液氮中研磨均匀,使用放射免疫沉淀法裂解缓冲液(radio-immunoprecipitation assay,RIPA)对组织总蛋白进行提取,根据蛋白的分子量大小,配制10%的分离胶和5 %的浓缩胶,在加入四甲基乙二胺(Tetramethylethylenediamine,TEMED)后立即灌胶;处理好的各组蛋白样品开始电泳。聚偏二氟乙烯(Polyvinylidenefluoride,PVDF)膜经甲醇活化1 min后,进行转膜(1.0 h);随后加入5%脱脂牛奶,振荡封闭1 h。加入适量浓度的一抗,4 ℃孵育过夜;之后加入二抗(稀释比例1∶5 000),室温孵育1 h。依次检测、扫描、存档,最后经ImageJ分析目标带的光密度值,计算G蛋白偶联胆汁酸受体5(takeda G protein-coupled receptor 5,TGR5)、PKA、磷酸化蛋白激酶A(phosphorylated protein kinase A,p-PKA)、前蛋白转化酶1/3(proprotein convertase 1/3,PC1/3)的相对表达量。
1.4 统计学方法
本研究采用SPSS 27.0进行统计学分析,GraphPad Prism 8.0进行统计绘图。计量资料经Shapiro-Wilk检验证实符合正态分布(P>0.05)者,以均数±标准差($\bar{x} \pm s$)表示。多组间比较采用单因素方差分析,方差齐性通过Levene检验确认(P>0.05)。当总体比较差异有统计学意义时,进一步采用LSD-t检验进行两两比较。所有统计检验均为双侧检验,检验水准α=0.05。
2 结 果
2.1 各组大鼠糖代谢指标比较
干预8周期间,空白组大鼠随机血糖水平较低,模型组大鼠随机血糖水平较高。与空白组比较,模型组大鼠在各个时间段的随机血糖水平均明显增加(
tD干预1-8周=6.688、8.096、5.789、15.474、15.148、15.169、14.208、18.060,均
P<0.05);与模型组比较,二甲双胍组和针刺组大鼠随机血糖水平从干预4周开始明显降低(
tD干预4周=3.852、6.156,均
P<0.05;
tD干预5周=5.782、12.287,均
P<0.05;
tD干预6周=8.067、13.065,均
P<0.05;
tD干预7周=9.462、12.903,均
P<0.05;
tD干预8周=13.151、17.970,均
P<0.05);与二甲双胍组相比,针刺组大鼠随机血糖水平从干预4周开始下降更明显(
tD干预4-8周=3.304、6.505、4.998、3.441、4.819,均
P<0.05),见
表1。
与空白组相比,模型组大鼠FBG水平、FINS水平及HOMA-IR指数明显增高(
tD =18.060、11.389、23.027,均
P<0.05),ISI指数明显下降(
tD =28.317,
P<0.05);与模型组相比,二甲双胍组和针刺组大鼠FBG水平、FINS水平及HOMA-IR指数明显下降(
tD二甲双胍组=13.151、6.293、17.642,均
P<0.05;
tD针刺组=17.970、10.251、22.396,均
P<0.05),ISI指数明显增高(
tD =13.522、25.211,均
P<0.05);与二甲双胍组相比,针刺组大鼠FBG水平、FINS水平及HOMA-IR指数明显下降(
tD =4.819、3.957、4.753,均
P<0.05),ISI指数明显增高(
tD =11.688,
P<0.05),见
表2。
2.2 各组大鼠脂代谢指标比较
与空白组相比,模型组大鼠血清中TG、TC及LDL-C 3项的含量明显升高(
tD =7.279、6.351、12.922,均
P<0.05),HDL-C含量明显降低(
tD =8.852,
P<0.05);与模型组相比,二甲双胍组和针刺组TG、TC及LDL-C 3项的含量明显降低(
tD二甲双胍组=4.319、4.509、9.463,均
P<0.05;
tD针刺组=4.693、7.965、12.487,均
P<0.05),HDL-C明显升高(
tD =3.626、7.235,均
P<0.05);与二甲双胍组相比,针刺组TG、TC及LDL-C 3项的含量明显降低(
tD =4.373、3.455、3.023,均
P<0.05),HDL-C明显升高(
tD =3.609,
P<0.05),见
表3。
2.3 各组大鼠胰腺组织病理切片比较
胰腺HE染色显示,空白组大鼠胰岛形态呈规则圆形,边缘清晰,面积正常,岛内细胞数量多,分布均匀,排列密集。模型组大鼠胰岛形态不规则,边缘模糊,面积萎缩变小,胰岛周围有肿大的外分泌腺腺泡,岛内细胞数量减少,排列稀疏。与模型组相比,二甲双胍组和针刺组大鼠胰岛形态更完整,边缘更清晰,胰岛细胞数量增多,排列更整齐,见
图1和
图2。
2.4 各组大鼠胃肠道激素指标比较
与空白组相比,模型组大鼠血清中的4种胃肠道激素GLP-1、GIP、GCG、GAS表达趋势明显下降(
tD =12.999、14.409、10.706、32.768,均
P<0.05)。与模型组相比,二甲双胍组和针刺组大鼠血清中的4种胃肠道激素GLP-1、GIP、GCG、GAS表达趋势明显上升(
tD二甲双胍组=4.501、6.350、4.000、18.045,均
P<0.05;
tD针刺组=9.521、10.535、7.790、22.633,均
P<0.05)。与二甲双胍组相比,针刺组大鼠血清中的GLP-1、GIP、GCG、GAS表达趋势明显上升(
tD =5.020、4.185、3.790、4.587,均
P<0.05),见
表3。
2.5 各组大鼠胰腺组织cAMP、TGR5、PKA、p-PKA、PC1/3蛋白表达比较
与空白组相比,模型组大鼠胰腺组织中的cAMP含量明显降低(
tD =10.208,
P<0.05);TGR5、PKA、p-PKA、PC1/3的蛋白表达水平明显降低(
tD=8.881、13.163、14.301、11.250,均
P<0.05)。与模型组相比,二甲双胍组和针刺组大鼠胰腺组织中的cAMP含量明显升高(
tD =4.293、6.824,均
P<0.05);TGR5、PKA、p-PKA、PC1/3的蛋白表达水平明显升高(
tD二甲双胍组=6.371、7.320、3.298、6.180,均
P<0.05;
tD针刺组=8.751、11.971、7.813、9.985,均
P<0.05)。与二甲双胍组相比,针刺组大鼠胰腺组织中的cAMP含量明显升高(
tD =3.530,
P<0.05);TGR5、PKA、p-PKA、PC1/3的蛋白表达水平明显升高(
tD =3.380、4.650、4.515、3.804,
P<0.05),见
表4、
图3。
3 讨论
中医将糖尿病归属为“消渴”,治疗主张健脾清胃,化脂降浊
[13]。研究证实,针刺具有“多途径、多靶点”调节糖脂代谢的作用
[14],电针“天枢”穴可影响葡萄糖抑制性神经元的放电活动
[15],足三里穴加中脘穴的 “标本配穴”针刺法对T2DM有较好疗效
[16]。在西医方面,二甲双胍为T2DM首选药物
[17],能促进肠道产生GLP-1
[18],激活TGR5/GLP-1信号通路发挥降糖降脂效应
[19]。基于以上,本实验选用二甲双胍作为阳性对照药物,以高脂高糖饮食联合STZ构建T2DM大鼠模型
[20],观察针刺天枢穴、足三里穴、中脘穴对T2DM大鼠糖脂代谢及胃肠道激素水平的影响,并从cAMP/PKA信号通路探讨相关机制。
相关研究发现,某些胃肠道激素不仅能缓解T2DM常见的恶心、纳差、腹胀等胃肠症状
[21],还能促进胰岛素分泌,参与胰岛β细胞的自我修复
[22]。GLP-1是一种由肠道L细胞合成和分泌的肠促胰岛素
[23],能促进胰岛素分泌,抑制胰高糖素产生。GIP通过促进葡萄糖吸收和脂肪酸合成调节糖脂代谢
[24]。GCG刺激糖原分解和糖异生,与胰岛素共同维持葡萄糖稳态
[25]。GAS在促进FINS分泌、加速胰岛β细胞分化与再生、协同GLP⁃1降糖等方面发挥重要作用
[26]。GIP、GCG、GAS4是重要的糖脂调节激素,3者对GLP-1具有协同作用。cAMP/PKA是与GLP-1密切关联的经典糖脂调节通路
[27],TGR5是该通路的关键点
[28],通过激活蛋白腺苷酸环化酶和PKA,将腺苷三磷酸转化为cAMP
[29]。PC1/3是一种影响GLP-1分泌并维持葡萄糖稳态的重要蛋白酶
[30],当cAMP含量足够时,PC1/3的转录加快,促进肠道L细胞分泌GLP-1
[31]。综上,通过激活cAMP/PKA信号通路,可以调节GLP-1等肠促胰酶素的分泌,进而纠正胰岛素紊乱,调节糖脂代谢水平。
本实验观察到,干预8周期间,模型组大鼠血糖持续高于正常水平,说明T2DM模型稳定。自干预第4周起,二甲双胍组和针刺组随机血糖水平逐步下降,且针刺组下降程度更明显,说明针刺降糖效果优于二甲双胍。糖脂代谢指标和胰腺病理切片亦显示,针刺对T2DM大鼠糖脂代谢紊乱和胰腺损伤的改善更为明显。这些可能是因为针刺的良性刺激增加了GLP-1、GIP、GCG、GAS的分泌,四者协同下调了大鼠糖脂代谢水平。进一步实验结果显示,在调控胃肠道激素、cAMP含量及TGR5、PKA、p-PKA、PC1/3的表达方面,针刺效果也更为突出,这可能是因为针刺通过局部穴位刺激,激活cAMP/PKA信号通路,促进胃肠道L细胞的响应,对T2DM大鼠胃肠激素产生更强的调节作用。以上结果表明,针刺在改善糖脂代谢、调节胃肠道激素水平及激活cAMP/PKA信号通路方面的效果均优于二甲双胍,考虑其原因为针刺的靶点较为广泛
[32],电针持久温和地刺激天枢、足三里、中脘等穴位及所在经络,调节神经、内分泌和免疫系统,有效激活cAMP/PKA信号通路,通过下丘脑-垂体-胃肠-胰岛途径改善糖脂代谢水平。而二甲双胍的主要作用集中在AMPK
[33],它通过抑制肝脏糖异生和提高外周组织的葡萄糖摄取,达到降低血糖的效果。两者效果差异可能与二甲双胍的剂量、实验周期和药物吸收率有关
[34],后续将继续研究这些因素对疗效的影响。
综上所述,针刺可能通过激活cAMP/PKA信号通路调节T2DM大鼠胃肠道激素紊乱,减轻胰腺损伤,改善T2DM糖脂代谢,这为临床治疗T2DM提供了实验依据。但研究仅限于动物实验,临床效果仍需大规模试验验证。并且,TGR5作为cAMP/PKA通路上游分子,其表达上调提示其功能活化尚不确定,后续实验需要引入TGR5特异性抑制剂或激动剂作为干预手段,以进一步验证针刺作用的因果路径。同时,胃肠道菌群与胃肠道激素密切相关,未来可进一步研究。