糖尿病肾脏疾病(DKD)为糖尿病(DM)慢性微血管并发症之一,是导致终末期肾病的主要原因
[1],当前的治疗以降血糖、降血压、降血脂的综合干预为主
[2]。尽管目前的治疗方法对DKD相关的肾功能恶化有一定效果,但并不能完全阻止其进展。因此,尚需在进一步探索其发病机制的基础上继续寻找有效的治疗药物。
DKD的典型早期病理特征包括肾肥大、肾小球肥大和系膜扩张。系膜细胞增殖及其产生的细胞外基质(ECM)的过度积累是早期肾肥大、肾小球肥大和系膜扩张的主要原因,进一步将导致晚期肾小球硬化
[3,4]。3-甲基腺嘌呤(3-MA)为磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)选择性抑制剂,通常作为自噬抑制剂用于研究
[5]。我们前期实验发现其可抑制糖尿病小鼠肾脏
[6]和视网膜
[7]ECM相关蛋白表达,减轻糖尿病小鼠早期肾损伤,并发现其对糖尿病肾损伤的保护作用可能与其抑制自噬无关
[6]。后经查阅文献发现,其对多种疾病动物模型具有显著疗效
[8-13],且可减轻高尿酸诱导的大鼠肾损伤
[14]。蛋白激酶B(AKT)为丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶亚家族,研究表明,抑制AKT活化可减轻糖尿病肾损伤,并可减少系膜细胞增殖
[15-18],但3-MA是否通过调控AKT信号减轻糖尿病早期肾损伤尚不清楚。因此,本研究采用3-MA干预链脲佐菌素(STZ)诱导的糖尿病小鼠及高糖处理的小鼠肾小球系膜细胞SV40 MES 13细胞,观察其对糖尿病早期肾肥大及细胞活力的影响,检测系膜细胞活化标志物α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)
[19,20]及在细胞增殖启动过程中具有重要作用的增殖细胞核抗原(PCNA)
[21]的表达,探讨其对糖尿病小鼠肾脏早期肾小球系膜细胞增殖的影响,同时进一步观察肾组织和SV40 MES 13细胞中AKT信号相关蛋白表达变化,探讨3-MA作用机制。
1 材料和方法
1.1 实验动物
4~5周龄雄性C57BL/6J小鼠[三峡大学实验动物中心,许可证号SCXK(鄂)2017-0012)],饲养于长江大学医学部标准化实验动物房,温度22±2 ℃,湿度40%~60%,12 h明/暗循环,自由饮食。动物实验经长江大学医学部伦理委员会批准(伦理批号:202301016) 。
1.2 主要试剂
STZ(Sigma),3-MA(Abmole)。兔抗GAPDH、AKT抗体(北京博奥森),兔抗α-SMA抗体(Proteintech),兔抗PCNA、p-AKT(Ser473)、核糖体蛋白S6(S6)、p-S6抗体(Cell Signaling Technology)。免疫组化试剂盒(北京索莱宝)、PAS染液(珠海贝索生物),RIPA裂解液(强)、BCA蛋白定量试剂盒(上海碧云天),小鼠肾小球系膜细胞SV40 MES 13、SV40 MES 13细胞专用培养基、DMEM低糖培养基、胎牛血清(FBS)(武汉普诺赛)血糖仪及配套试纸(罗氏)。
1.3 动物造模、分组及给药
小鼠适应性喂养1周后,将24只小鼠随机分为对照组(CON)、糖尿病组(DM)和3-MA干预糖尿病组(DM+3-MA),8只/组。DM和DM+3-MA组采用腹腔注射STZ 60 mg/(kg·d),连续注射5 d诱导糖尿病,CON组给予等体积柠檬酸缓冲液腹腔注射,于最后1次注射STZ后测随机血糖,将血糖≥17 mmol/L视为糖尿病造模成功。DM+3-MA组小鼠于首次注射STZ后1周开始灌胃给予3-MA 10 mg/(kg·d),CON和DM组给予等体积生理盐水灌胃,每周测体质量和空腹血糖。连续干预6周后麻醉小鼠,左心室灌流PBS至双肾变白后取双肾,记录肾/体质量比,一侧肾置于10%中性福尔马林中固定,另一侧肾于-80 ℃冻存备用。
1.4 细胞培养及药物处理
将SV40 MES 13细胞采用该细胞专用培养基(含71.25% DMEM、23.75% Ham's F-12、5% FBS和1%青霉素/链霉素),于37 ℃、5% CO2培养箱中培养。将细胞分别采用5.6 mmol/L正常糖(NG)、5.6 mmol/L正常糖加24.4 mmol/L甘露醇(NG+M)、30 mmol/L高糖(HG)和30 mmol/L糖加5 mmol/L 3-MA(HG+3-MA)处理24 h后,进行CCK8试验,并提取蛋白用于Western blotting检测。
1.5 空腹血糖检测
每周于同一时间禁食6 h,不禁水,剪尾取血,血糖仪及配套试纸测血糖。
1.6 PAS染色
将肾脏固定好后,常规酒精脱水、石蜡包埋,制成4 μm切片,按试剂盒操作说明行PAS染色后脱水封片,400倍光镜下采集图像。
1.7 CCK8试验
将SV40 MES 13细胞接种于96孔板中,5000/孔,每组设10个复孔,行相应处理24 h后加入CCK8溶液孵育1 h,酶标仪测定处吸光度值A450 nm。
1.8 免疫组化染色
将肾脏石蜡切片常规脱蜡水化后行抗原修复、血清封闭,然后依次与一抗PCNA(1∶100)于4 ℃冰箱孵育过夜,二抗室温孵育1 h,苏木素染核后脱水封片,200倍光镜下采集图像。
1.9 Western blotting
提取肾皮质和SV40 MES 13细胞蛋白,BCA法测蛋白浓度,将浓度调一致,行SDS-PAGE凝胶电泳后将蛋白转至PVDF膜,5%脱脂牛奶室温封闭2 h,与相应一抗α-SMA(1∶1000)、PCNA(1∶1000)、AKT(1∶1000)、p-AKT(1∶1000)、S6(1∶1000)、p-S6(1∶1000)和GAPDH(1∶1000)于4 ℃冰箱孵育过夜,次日洗膜后与二抗(1∶20 000)室温孵育1 h,ECL显影,采用Image J进行条带分析。
1.10 生信分析
从GeneCards(
https://www.genecards.org)和DisGeNET(
https://www.disgenet.org)两个数据库下载DKD基因集,从SwissTargetPrediction(
http://www.swisstargetprediction.ch)数据库下载3-MA预测靶点基因集。通过R语言提取3个基因集的交集基因,用ggvenn包画韦恩图进行可视化;采用clusterProfiler包对交集基因进行KEGG富集分析,对
P.adjust<0.05的15个KEGG富集条目进行气泡图可视化。将交集基因导入String在线数据库(
https://string-db.org/)进行蛋白-蛋白相互作用(PPI)分析,将在String数据库得到的PPI网络图导入 Cytoscape 3.9.0 软件,使用CytoHubba插件遴选3-MA治疗DKD的核心基因,并对PPI网络图进行美化,节点越大颜色越红代表该基因权重越大。
1.11 统计学分析
使用SPSS 17.0软件进行统计学分析,数据以均数±标准差表示,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,以P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 3-MA对DM小鼠空腹血糖和体质量的影响
注射STZ后1周,DM和DM+3-MA组小鼠空腹血糖均明显升高(
P<0.001)。与DM组相比,DM+3-MA组小鼠在3-MA干预3周时,空腹血糖明显降低(
P<0.001),但随后又逐渐升高,干预6周时与DM组间差异无统计学意义(
图1A)。实验期间,CON组小鼠体质量逐渐增加,DM和DM+3-MA组小鼠体质量增加缓慢(
图1B)。
2.2 3-MA对DM小鼠肾/体质量比和肾小球大小的影响
与CON组比较,DM和DM+3-MA组小鼠肾/体质量比均明显增加(
P<0.001),但DM+3-MA组小鼠肾/体质量比低于DM组(
P<0.05,
图2A)。PAS染色结果显示,与CON组相比,DM和DM+3-MA组小鼠肾小球面积占视野百分比均增加(
P<0.001,
P<0.05),但DM+3-MA组小鼠肾小球面积较DM组明显减少(
P<0.05,
图2B、C)。
2.3 3-MA对DM小鼠肾皮质 α-SMA和PCNA蛋白表达的影响
Western blotting和免疫组化结果显示,与CON组比较,DM组小鼠肾皮质α-SMA和PCNA蛋白表达明显升高(
P<0.01);与DM组比较,DM+3-MA组小鼠肾皮质α-SMA和PCNA蛋白表达明显降低(
P<0.01,
P<0.001),甚至低于CON组(
P<0.001,
图3)。
2.4 3-MA对高糖处理的SV40 MES 13细胞活力和PCNA表达的影响
CCK8细胞活力试验显示,与NG组比较,HG组肾小球系膜细胞SV40 MES 13细胞活力明显增加(
P<0.001),而NG+M组细胞活力与NG组间无差异;与HG组比较,HG+3-MA组细胞活力明显下降(
P<0.001),甚至低于NG组(
P<0.001,
图4A)。Western blotting结果显示,与NG组比较,HG组细胞PCNA蛋白表达明显增加(
P<0.01);与HG组比较,HG+3-MA组PCNA明显减少(
P<0.001),甚至低于NG组(
P<0.01,
图4B、C)。
2.5 3-MA作用于DKD的生信分析
DKD靶点与3-MA预测靶点取交集可得22个交集基因(
图5A);KEGG富集分析显示,22个交集基因富集在PI3K-Akt、VEGF和FoxO等信号通路上(
图5B);PPI蛋白互作网络显示,AKT1为核心基因(
图5C)。
2.6 3-MA对DM小鼠和高糖处理的SV40 MES 13细胞AKT信号分子的影响
体内实验结果显示,与CON组比较,DM组小鼠肾皮质AKT和S6蛋白磷酸化水平明显升高(
P<0.01,
P<0.001);与DM组比较,DM+3-MA组二者磷酸化被抑制(
P<0.01,
P<0.05,
图6A、B)。体外实验结果显示,与NG组比较,HG组细胞AKT和S6蛋白磷酸化水平上调(
P<0.01,
P<0.05);与HG组比较,HG+3-MA组二者磷酸化水平被抑制(
P<0.001,
P<0.01,
图6C、D)。
3 讨论
随着人们饮食结构的变化,全球DM发病率逐年上升,而至少1/2的2型DM患者和1/3的1型DM患者可发展为DKD
[22]。3-MA是一种体内代谢产物,通常作为自噬抑制剂用于研究,但有研究报道其可通过非自噬途径发挥作用
[23-25],并对多种疾病动物模型具有一定疗效
[8-14],且目前尚无其副作用的报道。本研究发现,3-MA可减轻糖尿病小鼠肾肥大和肾小球肥大,并可抑制糖尿病小鼠肾小球系膜细胞和高糖处理的SV40 MES 13细胞增殖,通过进一步生信分析和体内外实验验证,发现3-MA可抑制糖尿病小鼠肾皮质和高糖诱导的SV40 MES 13细胞的AKT信号活化。
系膜细胞异常增殖是包括DKD在内的许多肾脏疾病特征之一
[19],且在DKD患者出现临床表现之前即可发生
[26],早期可引起肾肥大和肾小球肥大,进一步可导致系膜扩张,肾小球滤过率下降,因此,抑制系膜细胞增殖被认为是早期改善DKD的有效策略。据报道,3-MA可减轻高尿酸诱导肾损伤时肾脏活化系膜细胞标志物α-SMA表达增加
[14],与该报道一致,本研究亦发现3-MA可逆转糖尿病小鼠肾脏α-SMA的上调,同时体内外均可显著抑制高糖环境下细胞增殖相关蛋白PCNA的表达,体外亦可明显抑制高糖环境下的细胞活力,甚至低于正常糖培养的细胞。与本研究结果相反,有研究发现,3-MA可消除银杏黄酮和黄芪皂苷IV对高糖诱导的肾小球系膜细胞增殖的抑制作用
[27,28],此矛盾产生的原因尚不清楚,可能为两者不宜与3-MA联用所致。以上结果表明,3-MA减轻糖尿病小鼠肾肥大和肾小球肥大与其抑制系膜细胞增殖有关。
研究表明,DKD早期AKT信号被激活,阻断AKT可延缓DKD进展。在db/db小鼠和高糖处理的系膜细胞中,观察到系膜细胞增殖增加和PI3K/AKT活化
[15]。一些药物可通过抑制AKT激活改善DKD所致的肾小球肥大、肾小球基底膜增厚和轻度系膜扩张等肾小球病理变化
[16-18]。众所周知,Ⅰ类PI3K为AKT上游分子
[29],而3-MA在营养丰富的条件下可抑制Ⅰ类PI3K
[30]。生物信息学分析表明,ATK1可能是3-MA作用于DKD的关键基因,此外,与以往报道
[28]一致的是,本研究体内外结果显示,在糖尿病小鼠肾皮质和高糖处理的SV 40 MES 13细胞中,AKT(Ser473)磷酸化显著上调,而3-MA可逆转上述变化,并可抑制AKT下游分子S6的磷酸化。因此,3-MA减轻糖尿病早期肾损伤和抑制系膜细胞增殖的作用可能与其抑制AKT信号活化有关。
高血糖与DKD进展密切相关,严格控制血糖可显著降低发生微量白蛋白尿的风险
[31]。我们发现3-MA在糖尿病初期具有明显降血糖作用,但后期血糖又逐渐升高,原因尚不清楚。据报道,3-MA可通过抑制磷酸二酯酶升高大鼠胰岛内环磷酸腺苷,增强葡萄糖诱导的胰岛素分泌和合成
[32],这可能是本研究观察到的3-MA具有短暂降糖作用的原因。这一结果表明,3-MA的肾脏保护作用可能部分依赖于其短期降糖作用。
本研究存在以下局限性:未在2型糖尿病模型中研究3-MA对肾损伤的影响,未明确3-MA对2型糖尿病引起的肾损伤是否具有同样的改善作用;未采用AKT特异性激活剂或抑制剂探索3-MA对DKD和系膜细胞的影响,3-MA调控AKT信号发挥作用的机制尚未充分阐明。因此,需进一步研究以明确3-MA减轻早期糖尿病肾损伤的作用和确切机制。
综上所述,3-MA可能通过抑制肾脏AKT信号减少肾小球系膜细胞增殖,减轻糖尿病早期肾损伤。