IGF‑1调控PI3K/AKT信号通路改善早产大鼠视网膜病变的作用

郭满厚 ,  徐玲 ,  吴骁

海南医科大学学报 ›› 2025, Vol. 31 ›› Issue (20) : 1541 -1547.

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海南医科大学学报 ›› 2025, Vol. 31 ›› Issue (20) : 1541 -1547. DOI: 10.13210/j.cnki.jhmu.20241030.001
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IGF‑1调控PI3K/AKT信号通路改善早产大鼠视网膜病变的作用

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IGF‑1 regulates PI3K/AKT signaling pathway to ameliorate retinopathy of prematurity in rats

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摘要

目的 探讨IGF‑1改善宫内生长受限所致早产大鼠病视网膜病变的作用和机制。 方法 将SD孕鼠随机分为对照组、模型组和治疗组,测定胎鼠的基础数据:新生仔鼠数量、死胎率和畸形率、新生仔鼠体重IUGR发生率,ELISA法检测血清因子水平,以14 d幼鼠为研究对象,视网膜电图检测视功能筛选出视网膜病变幼鼠,对幼鼠玻璃体内给药,模型组注射胰岛素生长因子(insulin‑like growth factor 1,IGF‑1)15 µg/mL、0.1 mL,H&E染色观察视网膜病理变化,免疫组织化学法检测视网膜组织VEGF蛋白;RT‑PCR检测IGF‑1IGF‑1RVEGF mRNA的表达;Western blot检测各组大鼠视网膜组织中IGF‑1R、VEGF、p‑PI3K、PI3KT、p‑AKT和AKT。 结果 与对照组比较,模型组新生仔鼠数量、死胎率和畸形率,a、b波振幅GH,IGF‑1差异显著;IGF‑1治疗组鼠H&E染色模型组细胞排列紊乱,细胞数目减少,视网膜变薄,IGF‑1治疗组显著改善。免疫组织化学实验显示,与模型组比较,IGF‑1治疗组视网膜内VEGF表达降低。RT‑PCR检测结果显示,模型组与对照组比较,IGF‑1IGF‑1R mRNA表达降低,治疗组与模型组比较 mRNA表达增高;模型组与对照组比较,VEGF mRNA表达增高,治疗组与模型组比较 mRNA表达降低(P<0.05)。Western blot 结果显示,与对照组比较,模型组幼鼠视网膜组织中VEGF、p‑PI3K/PI3KT和p‑AKT/AKT明显增加,差异显著,而IGF‑1R表达明显减少;与模型组比较,治疗组VEGF、p‑PI3K/PI3KT和p‑AKT/AKT明显减少,IGF‑1R表达明显增加,差异显著(P<0.05)。 结论 IGF‑1可能通过抑制PI3KT/AKT信号通路改善宫内生长受限大鼠视网膜损伤。

Abstract

Objective To investigate the effect of IGF‑1 on phosphatidylinositol 3‑kinase‑protein kinase B (PIi3k/AKT) signaling pathway in intrauterine growth restriction retinopathy of prematurity rats. Methods SD pregnant rats were randomly divided into the control group, the model group and the treatment group, the serum factor level was detected by ELISA. The 14‑day‑old rats were used as the research objects. The young rats with retinopathy were selected by ERG,IGF‑1 15 μg/mL 0.1 mL was injected into the retina of the model group. The pathological changes of the retina were observed by H&E staining, and the VEGF protein in retinal tissue was detected by immunohistochemistry. The expressions of IGF‑1IGF‑1R and VEGF mRNA were detected by RT‑PCR, the expression of IGF‑1R, VEGF, p‑PI3K, PI3KT, p‑AKT and AKT were detected by Western blot. Results The results showed that compared to the control group, there were significant differences in the number of newborn mice, the rate of stillbirth, the rate of deformity, the amplitude of GH and IGF‑1 of wave A and B in the model group, the arrangement of cells in the model group were disordered after H&E staining in the IGF‑1 treatment group, the number of cells decreased and the retina became thinner. The expression of VEGF in the retina of IGF‑1 treated group was lower than that of the model group. The results of RT‑PCR showed that the expression of IGF‑1 and IGF‑1R mRNA in the model group was lower than the control group, while the expression of VEGF mRNA was higher in the treatment group than that in the model group, the mRNA expression in the treatment group was lower than that in the model group(P<0.05). Compared to the control group, the expression of VEGF, p‑PI3K/PI3KT and p‑AKT/AKT in the retina of the model group was significantly increased, while the expression of IGF‑1R was significantly decreased, the expression of VEGF, p‑PI3K/PI3KT and P‑AKT/AKT were significantly decreased and the expression of IGF‑1R was significantly increased in the treatment group(P<0.05). Conclusions IGF‑1 may ameliorate retinal injury in IUGR rats by inhibiting PI3k/AKT signaling pathway.

Graphical abstract

关键词

IGF‑1 / 宫内生长受限 / 早产儿视网膜病变 / PI3KT/AKT

Key words

IGF‑1 / Intrauterine growth restriction / Retinopathy of prematurity / Pi3k/AKT

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郭满厚,徐玲,吴骁. IGF‑1调控PI3K/AKT信号通路改善早产大鼠视网膜病变的作用[J]. 海南医科大学学报, 2025, 31(20): 1541-1547 DOI:10.13210/j.cnki.jhmu.20241030.001

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早产儿视网膜病变(retinopathy of prematurity,ROP)是一种可能导致儿童失明的眼病,主要特征是早产儿或低体重儿视网膜新生血管发育异常。ROP的筛查和治疗对眼科医生来说是个挑战,且研究指出,出生体重越低,ROP发生率越高1。早产儿血清胰岛素样生长因子‑1(human recombinant insulin‑like growth factor‑1,IGF‑1)低于正常足月新生儿,说明IGF‑1与宫内生长受限(intrauterine growth restriction, IUGR)的发生有关2。外源性补充重组人IGF‑1能够有效地促进小鼠体重的增长,并且能够缓解高氧环境对视网膜造成的损伤3。基于此,本研究使用玻璃体腔内注射重组人IGF‑1,探究其对宫内生长受限所致早产大鼠视网膜病的改善作用以及其作用机制,为临床治疗提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 实验动物

45只SD大鼠,雌雄比例为2∶1,体重200~230 g,由辽宁长生生物技术有限公司提供,合格证号[SCXK(辽)2020‑0001]。饲料由沈阳茂华生物科技有限公司提供,合格证号[SCXK(辽)2017‑0001]。饲养环境为12 h昼夜交替照明,温度维持在20~25 ℃。所有实验操作遵循辽宁何氏医学院实验动物伦理学规定(审批号:2023112501)。

1.2 主要试剂

人重组 IGF‑1(生工生物工程股份有限公司,批号:J104FC0406);IGF‑1R、血管内皮生长因子(VEGF)、p‑磷脂酰肌醇3‑激酶(PI3K)/PI3KT和p‑蛋白激酶(AKT)/AKT抗体(ABclonal,批号:0212320201、04040009、3561652202、4000001174、4000000169、55001111126);IGF‑1,生长激素(GH)IGFBP‑3(批号:试剂盒均购于伊莱特生物科技股份有限公司,批号:AK0024FEB25010、 AK0024FEB25020、AK0024FEB25018);RNA提 取试剂盒(批号: B639277‑0050 DL 2000 DNA Maker (批号: A 3520)、PrimeScript RT reagent Kit with gDNA Eraser(批号:AK4802) 、Free‑water(批号: AL31084A)、SYBR Premix Ex Taq Ⅱ(批号: AN61172A),购于沈阳海灵兴业商贸有限公司。

1.3 主要仪器

小型垂直蛋白电泳系统 美国 bio‑rad 公司;组织切片机 (CM3050S) 德国 Leica 公司;BX53 型生物显微镜 日本 Olympus 公司;Rt‑6100 酶标仪 美国 Rayto 公司。

1.4 实验方法

1.4.1 模型构建和分组处理

动物分别在24 ℃和12 h的光照/暗循环下饲养7 d。制备方法4所述,制备IUGR大鼠的方法如下:将雌雄大鼠以2∶1的比例进行配对,次日清晨检查雌鼠的阴道分泌物,一旦发现精子,即视为妊娠第1天。随后,将妊娠大鼠随机分为3组,分别为:空白对照组(C)、IUGR模型组(M)以及IUGR模型+IGF‑1治疗组(MI),每组包含10只妊娠大鼠。孕期C组喂养正常的繁殖饲料,M、MI组饲喂8%蛋白质日诱导IUGR,哺乳期各组均饲喂普通繁殖期饲料至断乳。在出生后第1天,记录胎鼠体重、每胎仔数、死亡率和畸形。取胎鼠血清样品,3 000×g离心15 min,IUGR胎鼠自然哺乳到14 d进行闪光视网膜电图检测(electroretinogram,ERG)筛选视网膜病变幼鼠,玻璃体内注射IGF‑1(15 µg/mL 0.1 mL),48 h后取眼球检测视网膜。

1.4.2 血清生化指标检测

胎鼠血清生化指标通过双配体酶联免疫吸附实验(ELISA)测定。

1.4.3 视功能检查的ERG

首先,使用AVES8000自动视觉电生理系统进行操作。刺激条件设定为单次白光刺激,通频带范围为1~1 000 Hz。实验前,确保大鼠已经过夜暗适应,并通过腹腔注射3%戊巴比妥钠(剂量为0.2 mL/100 g)进行麻醉。接着,将麻醉后的大鼠放置于检测平台上,并使用0.5%托吡卡胺进行散瞳处理。在大鼠头部皮下插入参考电极,在尾部附近插入接地电极,以便记录全视野ERG。最后,将金环电极轻柔地放置在角膜上。所有手术均在暗红色灯光下进行。进行光刺激后的a、b波振幅检测和记录。

1.4.4 光镜分析

眼球在4%多聚甲醛固定48 h。70%~95%乙醇1 h, 100%乙醇为0.5 h两次常规脱水,制备石蜡包埋块、5 μm厚切片,贴片、烤片、脱蜡、复水,H&E染色用苏木精和伊红染色封片,VEGF免疫组化进行抗原修复、阻断、血清封闭、孵育一抗、二抗,DAB染色,苏木素复染、盐酸酒精分色、返蓝,切片最后经过脱水透明,封片后用光学显微镜(OLYMPUS, bx60日本)进行检查。

1.4.5 RT‑PCR检测IGF‑1IGF‑1RVEGF mRNA的表达

提取组织 RNA时,按 RNA 提取试剂盒说明书提取。确保总RNA样本的质量和浓度达到标准,以500 ng的总RNA作为模板,依照反转录试剂盒的说明书进行互补脱氧核糖核酸(complementary deoxyribonucleic acid,cDNA)的合成。q‑PCR的反应体系为20 μL: SYBR Green I PCR buffer 10 μL,上下游引物各0.8 μL,cDNA模板2 μL,ddH2O 6.4 μL,每个样本均做3个复孔。反应条件: 95 ℃预变性 2 min,95 ℃ 30 s,引物退火温度 55 ℃ 45 s,72 ℃ 45 s,共 40 个循环。根据2-△△Ct对基因表达进行相对定量分析。用于RT‑PCR 的相关基因引物序列见表1

1.4.6 视网膜组织IGF‑1R、VEGF、p‑PI3K/PI3KT和p‑AKT/AKT 蛋白表达检测

摘取眼球,分离视网膜,提取视网膜组织中的总蛋白,并通过Western blot测定各组实验鼠视网膜组织中VEGF蛋白的表达量。具体步骤包括:取材;视网膜总蛋白的提取,BCA法蛋白定量上样,电泳,转膜,封闭,孵一抗,孵二抗,化学发光,灰度分析,每个组别均做3个重复。

1.5 统计学处理

数据表示为均值±标准误(x¯±s)。采用SPSS20.0软件单因素方差分析(one‑way ANOVA),P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 新生仔鼠数量、死胎率和畸形率的变化

与对照组比较,模型组子代胎鼠平均每窝数量和子代胎鼠平均体重减少,IUGR发生率、胎鼠死胎率和胎鼠畸形率增加,差异显著。见表2

与对照组比较,模型组新生仔鼠血清中GH明显升高, IGF‑1明显降低,差异显著(P<0.05);INS和IGFBP‑3均减少,但无明显差异(P>0.05)。见表3

2.2 鼠的视觉电生理(ERG)影响

各组(n=7)视网膜电图见图1,C组均可记录到典型的ERG波形。模型组a、b波振幅与C组比较明显下降,潜伏期延迟,提示模型组小鼠视功能下降。

2.3 光镜形态学改变

研究结果表明,C组的视网膜组织结构层次分明,各层细胞排列整齐有序,形态规整;而M组的细胞排列显得紊乱,细胞数量减少,视网膜各层变薄。与模型组相比,MI组视网膜内的细胞层明显增厚,细胞数量有所增加,结构清晰,排列整齐。见图2

2.4 视网膜组织VEGF表达情况

免疫组织化学染色结果表明:对照组的视网膜组织层次分明;与对照组相比,模型组的视网膜组织层次结构较为模糊,且VEGF的表达量有所上升,呈现深棕黄色;而MI组与模型组相比,其视网膜内的VEGF表达量有所减少。见图3

2.5 视网膜mRNA的影响

相较于C组,M组的IGF‑1IGF‑1R mRNA表达量有所下降(P<0.05),而VEGF mRNA表达量则显著上升(P<0.01)。此外,与M组相比,MI组的IGF‑1 mRNA表达量亦呈现上升趋势,IGF‑1R不显著,VEGF表达降低显著(P<0.05)。见图4

2.6 视网膜IGF‑1R和VEGF蛋白的影响

与C组比较,M组幼鼠视网膜组织中VEGF、p‑PI3K/PI3KT和p‑AKT/AKT明显增加,差异显著,而IGF‑1R表达明显减少;与M组比较,IM组VEGF、p‑PI3K/PI3KT和p‑AKT/AKT明显减少,IGF‑1R表达明显增加,差异显著(P<0.05)。见图56

3 讨论

ROP是一种在早产儿中出现的疾病,其特征为视网膜血管发育异常,可能引发视网膜脱离乃至失明,是导致全球儿童失明的主要因素之一5。然而,由ROP引起的失明是可以预防的。研究表明,阿必西普、康柏西普、雷珠单抗、贝伐单抗、激光治疗以及玻璃体内抗VEGF药物的使用均能有效改善ROP的情况6。然而,这些治疗方法都具有较多的并发症,复发率和再治疗率也高6。因此,寻找一种安全有效的预防ROP的药物至关重要。研究揭示,IGF‑1主要由肝脏分泌,是一种参与细胞生长与发育的激素,在促进骨骼、肌肉及神经系统的细胞增殖、分化和存活方面发挥着重要作用,同时能够增强肌肉对胰岛素的敏感性,并有助于延缓衰老过程,促进寿命延长,此外还参与多种疾病的发生、发展79,ROP的发生与IGF‑1之间存在紧密的联系本项研究通过对孕期大鼠施以低蛋白饮食,进而检测新生幼鼠的数量、死胎率、畸形率、体重以及IUGR的发生率,并分析胎鼠血清中的生化指标1011。表明成功构建IUGR动物模型,结果与Luo等12报道一致,在IUGR模型中采用ERG方法检测仔鼠视网膜功能,其结果证明ROP的模型筛选成功13。研究指出,在出生早期通过皮下注射IGF‑1,可以显著提升大鼠未成熟视网膜的血管密度,并抑制新生血管的形成14。然而,IGF‑1是否具备预防ROP的能力及其作用机制,目前尚无定论。本研究采用母体出现胎儿IUGR作为一种ROP模型,通过玻璃体注射 IGF‑1(15 µg/mL 0.1 mL)48 h后,检测新生血管减少情况。研究结果表明,IGF‑1能够显著抑制新生血管的形成。为了进一步明确IGF‑1是否改善ROP,采用HE染色检测视网膜结构,结果发现,IUGR组小鼠视网膜细胞排列紊乱,细胞数目减少,视网膜各层变薄,给予IGF‑1后视网膜增厚,细胞数目增加,排列整齐结构清晰,提示IGF‑1能够促进视网膜母细胞瘤小鼠模型中受损组织的修复。

VEGF在胚胎期眼球发育过程中扮演着血管生成的关键调控角色,并且是多种眼科疾病引发视网膜新生血管形成及血管通透性改变的主要因素15。值得注意的是,VEGF失调与ROP的发病机制有关。在视网膜病变的发病机制中,VEGF在眼内水平迅速上升,导致视网膜新生血管的大量形成。目前,玻璃体内注射抗VEGF药物已成为治疗视网膜病变的重要手段16。这一现象进一步表明,VEGF是改善视网膜病变病理的关键靶点。在本研究中观察到模型组小鼠视网膜中VEGF的表达相较于对照组显著增强,这与先前文献报道的结果一致。此外,经IGF‑1处理后,VEGF的表达水平得到了有效降低,这表明IGF‑1可能通过下调VEGF的表达水平来抑制新生血管的形成,从而改善ROP病变。

PI3K‑AKT信号通路在早产儿视网膜病变中发挥着至关重要的作用1718。研究发现,在早产儿视网膜病变中,PI3K‑AKT表达显著上调,抑制PI3K‑AKT信号通路可显著改善ROP19。此外,在视网膜损伤的模型中,氧诱导的视网膜病变会显著上调p‑AKT的表达水平20。此外,高糖环境不仅促使人视网膜内皮细胞内PI3K和p‑AKT/AKT的蛋白表达以及PI3K mRNA的表达显著上升2122。本研究结果表明,在ROP模型中,PI3K和AKT的磷酸化水平以及VEGF的蛋白表达水平显著升高,这表明PI3K/AKT/VEGF信号通路在ROP的病理过程中发挥了作用。IGF‑1玻璃注射后,可显著下调PI3K、AKT的磷酸化水平和VEGF的蛋白表达水平,提示IGF1通过抑制PI3K/AKT/VEGF信号通路改善ROP病变。

IGF‑1可能通过抑制PI3K/AKT/VEGF信号通路改善宫内生长受限所致大鼠ROP,该研究可能为ROP的临床治疗提供新的参考依据。然而,IGF‑1改善大鼠视网膜损伤涉及的机制较为复杂,具体通过信号通路下游的哪些蛋白来发挥作用有待后续实验进一步深入探究。

作者贡献度说明:

郭满厚:实验实施、数据整理、论文撰写及修改;徐玲、吴骁:实验设计、实验指导,论文指导。

所有作者声明不存在利益冲突关系。

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