阻塞性睡眠呼吸暂停综合征(OSAS)是一种以慢性间歇性低氧(CIH)为核心病理生理机制的睡眠障碍性疾病,其在人群中的患病率为9%~38%
[1-3],被认为是一个全球性的健康和社会问题。研究表明,OSAS是高血压
[4]、血脂异常
[5]、脑卒中
[6]和胰岛素抵抗(IR)
[7, 8]的独立危险因素。然而,OSAS合并IR发病机制复杂,相关机制仍未完全阐明。
OSAS患者间歇性低氧(IH)引起的氧化应激和炎症可能是IR发生的关键因素
[9]。Murphy
[10]研究表明,炎症反应通过抑制胰岛素受体1/磷酸激酶B(IRS1/AKT)胰岛素信号通路参与了CIH诱导的IR。OSAS相关肺动脉高压大鼠模型中,肺动脉平滑肌细胞中过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)表达减少,增加了活性氧(ROS)的产生和促炎细胞因子的表达
[11]。研究也发现,小鼠肌肉中PPARγ的表达降低可以出现IR
[12]。然而,这些研究主要集中在脂肪组织和血管组织。骨骼肌是发生IR最早和最重要的部位,但在CIH动物模型中尚未报道。
微小RNA (miRNAs)存在于真核生物细胞中,它们可在基因转录后水平调节基因表达和翻译,参与各种生命过程,如细胞增殖和分化、肿瘤及肌肉疾病
[13]。多种miRNAs可调控骨骼肌葡萄糖摄取、胰岛素信号通路及线粒体生物合成,从而参与骨骼肌IR的调控,miR-29家族
[14]、miR-106b、miR-27a和miR-30d
[15]在骨骼肌细胞葡萄糖转运及其胰岛素信号传导中具有重要作用。研究也发现,多种miRNA可以影响CIH过程
[16]。例如,miR-26b-5p的上调和miR-207的下调通过增加海马中Bcl-2相关X蛋白(Bax)和裂解的胱天蛋白酶-3(CASP3)的表达以及减少B淋巴细胞瘤-2(Bcl-2)的表达而参与IH诱导的认知障碍
[17]。miR-155通过抑制靶叉头盒蛋白O3(FOXO3a)基因来促进氧化并增强IH介导的NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NLRP3)炎症小体途径
[18]。在精准医学时代,miRNA被认为是理想的生物标志物,测序分析表明,OSAS患者中miR-199-3p、107和485-5p的表达下调,而miR-574-5p表达上调,这表明差异表达的miRNA与OSAS密切相关
[19]。但目前CIH诱导IR的过程中,骨骼肌中miR-27a-3p的表达情况仍未确定。
基于此,本研究采用生信分析和动物实验相结合的方法,旨在通过观察CIH暴露(模拟人类重度OSAS)是否会影响大鼠IR、骨骼肌横截面积、miR-27a-3p及PPARγ/IRS1/PI3K/AKT的表达,并观察复氧(模拟临床无创正压通气治疗)后上述分子的变化,探讨CIH诱发IR的可能机制,为临床OSAS患者继发IR的诊疗提供新思路。
1 材料和方法
1.1 材料
1.1.1 实验动物
48只雄性SD大鼠,5周龄,体质量150~180 g,由斯贝福(北京)生物技术有限公司提供,动物生产许可证号SCXK(京)2019-0010。实验前大鼠适应性饲养1周,饲养条件:温度22~23 ℃、湿度42%~45%和12 h∶12 h光/暗循环。动物实验内容已获包头医学院动物研究伦理委员会的批准(伦理审批号:[2023]74号)。
1.1.2 主要试剂及仪器
血糖氧化酶法试剂盒(深圳雷杜生命科学股份有限公司),大鼠胰岛素ELISA试剂盒(杭州联科生物技术有限公司);甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPDH)抗体、AKT抗体(武汉赛维尔生物科技有限公司),GLUT4抗体、IRS1抗体、PI3K抗体(武汉三鹰公司);PPARγ抗体(北京博奥森有限公司);p-IRS1(ABCLONAL);p-AKT抗体(Affinity);正置白光拍照显微镜(Nikon);实时定量分析仪(Bio-rad)。
1.2 方法
1.2.1 miR-27a-3p的筛选及生物信息学分析
从GEO数据库中下载CIH的miRNA数据集,安装R语言和DESeq2包,使用DESeq2包进行miRNA表达差异计算,根据设定的标准(P<0.05,logFC>1或logFC<-1)筛选得到miRNA,选择差异表达最为显著的miR-27a-3p作为研究对象,用plotMA函数生成火山图,用pheatmap包生成聚类热图;利用数据库TargetScan、miRTarbase和miRDB分别预测差异miRNAs的靶基因,取3个数据库的交集,用ClusterProfiler软件对最终的靶基因进行GO、KEGG富集分析,获取生物过程(BP)、细胞组成(CC)、分子功能(MF)数据及关键信号通路。将miR-27a-3p的靶基因与IR相关的KEGG信号通路取交集,绘制韦恩图并使用Cytoscape软件构建miRNA-mRNA-pathway调控网络。
1.2.2 动物分组及造模
将48只5周龄的雄性SD大鼠随机分为CON组和CIH组,24只/组。①基线阶段:两组大鼠各随机选取8只处死并取样,即CON-0组和CIH-0组,剩余大鼠进入慢性间歇性低氧阶段。②慢性间歇性低氧阶段:CON组置于常氧中,CIH组置于全自动间歇低氧舱中,通入25 s氮气,将舱内的氧气浓度保持在6%~8%,维持10 s,加入氧气55 s,氧气浓度增加到20%~21%,维持30 s,每天9∶00~17∶00循环120 s,实验期间大鼠无法获得食物和水,铺干燥垫料吸收舱内水分,共持续8周。8周时每组随机选取8只并取样,即CON-8组和CIH-8组。在间歇低氧舱内部氧浓度达到7%及恢复至20%时,经腹主动脉采血进行血气分析,动脉血氧饱和度分别为72%、96%,提示间歇低氧造模成功。③复氧阶段:CON组继续常氧饲养,CIH组剩余大鼠进行复氧干预处理,12周时取样,即CON-12组和CIH-12组。
1.2.3 取材
空腹12 h后,麻醉大鼠,取两组大鼠内眦静脉血,离心分离获得血清样本,留取骨骼肌组织备用。
1.2.4 血清指标水平检测
按ELISA试剂盒说明书操作,分别检测血清中空腹血糖(FBG)、空腹胰岛素(FINS)水平。计算胰岛素抵抗指数(HOMA-IR)=FBG×FINS/22.5。
1.2.5 骨骼肌组织HE染色和肌纤维横截面积比较
大鼠骨骼肌组织4%多聚甲醛固定48 h,石蜡包埋,切片HE染色。封膜后于光学显微镜下采集图像,使用Image-Pro Plus 6.0软件,统一以mm作为标准单位,测量每张400倍图片中的肌纤维总面积和总数,计算单个肌纤维的面积(mm2)=肌纤维总面积(mm2)/肌纤维总数(个)。
1.2.6 RT-qPCR检测骨骼肌组织miR-27a-3p和PPARγ mRNA表达
大鼠取材后,组织匀浆并按制造商指南提取总RNA,利用逆转录酶反转录成cDNA,再以cDNA为模板进行PCR扩增,条件如下:95 ℃预变性30 s,95 ℃变性15 s,60 ℃退火、延伸60 s,40个循环。GAPDH和U6分别用作mRNA和miRNA的内部参考。使用溶解曲线测定PCR结果的可靠性,并用2
-ΔΔCt方法进行分析。引物由武汉赛维尔生物科技有限公司合成(
表1)。
1.2.7 Western blotting
骨骼肌组织在含有蛋白酶抑制剂的RIPA裂解液中裂解,通过BCA蛋白定量检测试剂盒检测总蛋白浓度,取等量蛋白经5%SDS-PAGE电泳分离蛋白,并将其转移至PVDF膜上,与一抗PPARγ(1∶1000)、GLUT4(1∶1000)、p-IRS1(1∶500)、IRS1 (1∶500)、PI3K(1∶1000)、p-AKT(1∶1000)、AKT(1∶1000)和GAPDH(1∶1000)在4 ℃下孵育过夜。用TBST缓冲液洗涤3次后,加入二抗(1∶3000)孵育,用ECL进行化学发光成像,运用ImageJ软件对灰度值进行量化。
1.3 统计学分析
应用 SPSS 26.0和GraphPad Prism 8软件进行统计学分析并制图,计量资料采用均数±标准差表示,两组间比较使用独立样本t检验,非正态分布数据比较采用非参数秩和检验。P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 miR-27a-3p的筛选及生物信息学分析
从GEO数据库中未筛选出CIH条件下肌肉相关的miRNAs表达谱数据集,仅得到CIH模型小鼠肾脏miRNAs数据集“GSE202480”,该数据库包含CIH组样本3例,CON组样本3例,对miRNA表达水平进行分析,与CON组相比,CIH组肾脏中差异miRNA有165个,其中有59个上调,有106个下调,综合GSE202480表达谱中各miRNAs的表达结果、
P值及logFC值(
图1A、B),发现miR-27a-3p的组间差异性最显著,考虑CIH致IR的发生可能与miR-27a-3p表达下调有关。这些差异miRNA的靶基因GO分析显示,主要包括细胞分解代谢的正向调控、轴突生成、mRNA分解代谢正向调控等生物过程;参与肌动蛋白细胞骨架、突触后膜、应力纤维、可收缩肌动蛋白丝束等细胞组成;显示转录辅助因子活性、蛋白质丝氨酸/苏氨酸激酶活性、RNA聚合酶II特异性DNA结合转录因子结合、蛋白激酶活性等分子功能(
图1C)。KEGG结果显示,预测的miRNA靶基因其可能参与的前20条信号通路,其中丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路、PI3K/AKT信号通路、胰岛素信号通路、Wnt信号通路、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号通路差异较显著(
图1D)。miR-27a-3p的靶基因与IR相关的KEGG通路交叉分析得到23个共同的靶基因(
图1E)。建立的miRNA-mRNA-pathway调控网络结果提示,miR-27a-3p调控的关键信号通路有PPAR信号通路、PI3K/AKT信号通路等(
图1F)。
2.2 CIH和复氧对大鼠FBG、FINS、HOMA-IR的影响
0周时,两组大鼠FBG、FINS、HOMA-IR差异无统计学意义(
P>0.05),8周时,与CON组相比,CIH组FBG、HOMA-IR、FINS均明显升高(
P<0.01,
P<0.05),12周时,两组大鼠以上指标差异无统计学意义(
P>0.05,
表2)。
2.3 CIH和复氧对大鼠骨骼肌组织病理学及肌纤维横截面积的影响
0周时,两组大鼠骨骼肌横切面肌细胞排列紧密,其核呈蓝色位于细胞的边缘,肌束界限整齐清晰,未见明显异常。8周时,CIH组肌细胞排列相对疏松,间隙增大,肌细胞呈萎缩样改变,肌间未见明显的脂肪浸润;CON组肌细胞排列相对紧密,未见明显异常。12周时,CIH组大鼠骨骼肌细胞萎缩等病理改变有所减轻。定量分析比较发现,0周和12周时,两组大鼠肌细胞面积差异无统计学意义(
P>0.05)。8周时,CIH组较CON组大鼠肌细胞面积显著减小(
P<0.05,
图2)。
2.4 CIH和复氧对大鼠骨骼肌中miR-27a-3p、PPARγmRNA表达水平的影响
0周时,大鼠骨骼肌中miR-27a-3p、PPARγmRNA表达水平差异无统计学意义(
P>0.05);8周时,miR-27a-3p在CIH组较CON组明显降低(
P<0.05),而PPARγmRNA明显升高(
P<0.05);12周时,组间差异均无统计学意义(
P>0.05,
图3)。使用microRNA靶基因预测网站TargetScan进行了生物信息学分析,发现PPARγ、IRS1与miR-27a-3p存在靶向关系(
图4)。
2.5 CIH和复氧对大鼠骨骼肌中PPARγ、p-IRS1/IRS1、PI3K、p-AKT/AKT、GLUT4蛋白表达的影响
0周时,两组大鼠骨骼肌中PPARγ、p-IRS1/IRS1、PI3K、p-AKT/AKT、GLUT4表达水平差异无统计学意义(
P>0.05);8周时,p-IRS1/IRS1、PI3K、p-AKT/AKT表达在CIH组较CON组明显降低(
P<0.05,
P<0.01),而PPARγ明显升高(
P<0.05),GLUT4在CON组和CIH组表达水平差异无统计学意义(
P>0.05),但呈升高趋势;12周时,与CON组比,CIH组PPARγ、p-IRS1/IRS1、PI3K、p-AKT/AKT、GLUT4表达水平差异均无统计学意义(
P>0.05,
图5)。
3 讨论
OSAS与糖脂代谢紊乱密切相关,其中可能的机制与间歇低氧、交感神经功能障碍、炎性反应、表观遗传调控等相关,这些机制在非酒精性脂肪肝、T2DM、心血管疾病中也发挥了重要作用
[20]。T2DM的发病率与OSAS的严重程度有关
[21],这表明OSAS可能是T2DM发展的有力因素。近几十年来,已经对OSAS患者的外周IR和动物模型进行了深入的研究。当外周组织出现IR时,胰岛素分泌会代偿性增加以维持血糖的正常水平
[22]。骨骼肌发生IR可使游离脂肪酸和血糖水平升高,可引起骨骼肌葡萄糖摄取和胰岛素信号通路受损
[23]。研究发现,在诊断T2DM之前,骨骼肌IR是可以被检测到的
[24],早期发现可能会阻止T2DM的进展。然而,骨骼肌中CIH诱导的IR具体机制尚未阐明。阅读大量文献发现,miRNA在各种组织和细胞中会表达失调,提示miRNA在许多疾病中具有调节作用
[25, 26]。Han
[27]发现,糖尿病肾病患者的尿液外泌体miR-145-5p和miR-27a-3p显著增加,并与T2DM患者肾损伤的进展和糖脂代谢失调有关。另一项研究发现,miR-27a-3p在糖尿病前期患者中显著下调,其表达与糖尿病前期患者的FBG水平呈负相关
[28]。miR-27a-3p也被证实是骨骼肌代谢的调节因子
[29]。本研究通过建立CIH的动物模型来模拟人类重度OSAS,观察到大鼠经CIH干预8周后,FBG、FINS、HOMA-IR均高于CON组,提示CIH参与大鼠IR的发生;首次发现骨骼肌中miR-27a-3p表达下调,PPARγ表达上调,肌细胞排列疏松且面积减小,IRS1/PI3K/AKT胰岛素信号转导受到抑制,而复氧(模拟无创正压通气治疗状态)4周后CIH组大鼠IR有所改善,肌细胞结构与CON组无明显差异,推测CIH致IR发生的机制可能与激活miR-27a-3p/PPARγ/IRS1/PI3K/AKT信号分子的表达水平有关。
到目前为止,许多miRNA已被确定通过调节β细胞分化、葡萄糖代谢和胰岛素合成参与T2DM的发病机制
[30],miRNA也可以用作T2DM的诊断标志物。研究证明,miR-145、miR-7-5p和miR-33a-5p的表达水平在糖尿病和糖尿病前期中失调,miR-145-5p、miR-33a-5p可以显著区分糖尿病患者与健康受试者,这表明miRNA在检测2型糖尿病中具有潜在的诊断用途
[31, 32]。鉴于此,本研究生物信息学分析表明,miR-27a-3p在CIH模型小鼠肾脏组织中表达下调,推测其可能在肌肉组织中也有表达。我们通过动物实验验证,发现CIH组大鼠骨骼肌组织中miR-27a-3p表达量较CON组显著降低,这有利于区分CIH组和CON组,表明miR-27a-3p可能是疾病早期诊断的生物标志物。
本研究生信分析显示,与miR-27a-3p相关的信号通路有PPAR信号通路和PI3K/AKT信号通路。PPARγ作为配体诱导的转录因子,主要在脂肪组织表达,肌肉组织也有表达。PPARγ可加快脂肪组织中脂质分解和脂肪酸清除,减少游离脂肪酸在肌肉中的蓄积,增加对葡萄糖的利用,以减轻和改善IR。在IRS1/PI3K/AKT信号通路中,骨骼肌细胞上的胰岛素受体(INSR)与胰岛素结合会通过IRS1磷酸化使PI3K被激活,进而使激活的PI3K和AKT结合,磷酸化且激活AKT
[33],是骨骼肌发生IR的经典途径。然而,PPARγ和IRS1/PI3K/AKT信号通路对CIH诱导的骨骼肌IR的调控机制未被阐述。本研究动物实验首次发现,CIH暴露大鼠骨骼肌中PPARγ表达上调,IRS1/PI3K/AKT通路蛋白表达下调,而复氧后上述信号分子表达水平与对照组差异无统计学意义,提示CIH诱导IR的机制可能与PPARγ和IRS1/PI3K/AKT信号通路共同调控有关。本研究发现大鼠骨骼肌中GLUT4经CIH暴露后有表达上调趋势,这与另一项研究结果相悖
[34],可能由于CIH动物模型建立条件不一致导致的。
研究表明,快慢肌差异分泌的外泌体携带的miR-27a-3p可以靶向PPARγ抑制FAPs成脂分化,减少甘油诱导的肌间脂肪浸润
[35]。同样,有研究表明miR-27a-3p通过靶向INSR影响了PI3K/AKT胰岛素信号通路传导,进而调控糖脂代谢关键基因丝氨酸/苏氨酸激酶(GSK-3β)和激素敏感性脂肪酶(HSL),参与奶牛肝细胞糖脂代谢过程
[36]。本研究通过靶基因预测网站发现miR-27a-3p与PPARγ和IRS1存在靶向关系。因此,进一步推测CIH诱导IR机制可能与骨骼肌内miR-27a-3p靶向调控PPARγ和IRS1/PI3K/AKT表达异常有关。
研究报道,CIH组和高脂饮食组较对照组腓肠肌略不规则,肌纤维排列空隙稍增加,肌纤维数目和骨骼肌横截面积无明显变化
[37]。另一项研究发现CIH模型大鼠骨骼肌的结构变化,与对照组相比,CIH组大鼠骨骼肌细胞形态模糊,肌束明显细弱,肌束之间空隙较大,部分可见横向断裂,细胞形态呈现异常,细胞核变形
[38]。而在我们的实验中观察到,CIH暴露下大鼠骨骼肌肌细胞间隙增大,数量减少,肌间未见明显的脂肪浸润,提示CIH对骨骼肌肌纤维有一定的损伤。
总之,CIH可导致大鼠外周IR,大鼠IR与骨骼肌内miR-27a-3p、IRS1、PI3K等胰岛素信号分子表达降低有关,复氧干预后,大鼠FBG、FINS、骨骼肌损伤、miR-27a-3p、IRS1等都改善,这些发现揭示了一种新的CIH诱导IR机制,即miR-27a-3p可能通过调控PPARγ/IRS1/PI3K/AKT信号通路参与了CIH所致的IR,同时提示miR-27a-3p可能是早期疾病诊断的生物标志物和新的治疗靶点。但本研究也存在一定的局限性,仅通过生信分析和动物实验初步探讨CIH致IR的作用机制,也没有解决哪些上游信号会影响miR-27a-3p表达,缺乏相关细胞实验的定位和靶向证据,后期还需要进一步通过细胞实验来阐明miR-27a-3p在CIH致IR中的调控机制。