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[学位]

UCP2对线粒体功能的调节在糖尿病性心肌病发病中的作用及白藜芦醇治疗机制研究

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Author:

刁佳宇 (刁佳宇.)

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学位论文库

Abstract:

研究目的与意义:
糖尿病性心肌病(diabetic cardiomyopathy,DCM)是糖尿病患者常见的心血管并发症,随着糖尿病发病率逐年升高,DCM已成为严重的社会与家庭负担。然而,关于DCM的具体发病机制尚未完全明确,无特异性防治手段,患者总体预后较差。糖尿病引起的心肌线粒体损伤在DCM发病中占有十分重要的地位,我们课题组前期研究也提示心肌线粒体损伤可能是DCM的发病机制之一,改善线粒体功能可能会有效防治DCM的发病。线粒体是细胞内活性氧物质(reactive oxygen species,ROS)生成的主要场所,同时也是易受ROS攻击的对象,受损的线粒体又进一步生成ROS,最终出现ROS生成与线粒体损伤之间的恶性循环。解偶联蛋白2(uncoupling protein 2,UCP2)是位于线粒体内膜上的质子转运体,可引起H+由线粒体膜间隙经转运体漏回至基质,减少线粒体ROS的生成,从而调节线粒体的功能,包括调节氧化磷酸化水平、维持线粒体膜电位、抑制细胞凋亡、维持钙稳态等。以上均强烈提示我们,UCP2可能通过减少ROS生成,进而阻断糖尿病引起的线粒体损伤,最终改善心脏功能。蛋白激酶B(protein kinase B,AKT)可参与调节线粒体的多种活动,包括线粒体途径的凋亡和线粒体生物合成,而UCP2可激活大鼠脑组织中AKT磷酸化,这提示AKT可能参与了UCP2对线粒体功能的调节作用。因此,本课题首先拟在明确UCP2在DCM大鼠心肌组织中表达水平的基础上,分析UCP2对DCM心肌线粒体与心脏功能的调节作用,并对其分子机制进行深入揭示。
同时,既往研究提示作为线粒体保护剂的植物性药物白藜芦醇(resveratrol,RES)能够上调糖尿病小鼠肝脏与骨骼肌中UCP2的表达水平。那么,RES能否通过调节UCP2表达,从而对DCM心肌线粒体和心脏整体功能发挥保护作用呢?因此,我们还将研究RES是否能够以UCP2为靶点改善DCM心肌线粒体与心脏功能。本课题初步探讨UCP2对DCM心肌线粒体功能的调节作用,为将UCP2作为靶点防治DCM提供实验依据,也为在临床应用中将白藜芦醇作为有效防治DCM的方法提供理论基础。
研究方法:
1)DCM大鼠心肌线粒体功能与UCP2表达变化情况
以SD大鼠为研究对象,高脂饮食联合佐链脲菌素(streptozotocin,STZ)腹腔注射构建2型糖尿病的DCM大鼠模型,将同期饲养的大鼠分为两组:对照组和DCM组。生化分析仪检测大鼠静脉血糖、血脂水平;ELISA法检测血浆脑钠肽水平;小动物心脏超声、体表心电图及组织病理学方法检测大鼠心脏结构和功能的改变;透射电子显微镜观察心肌超微结构;R-T PCR、Western-blot和免疫组织化学法检测UCP2在心肌组织中的表达情况;二氢乙锭标记检测心肌细胞内ROS水平;荧光酶标法检测心肌线粒体膜电位水平;分光光度法测定线粒体呼吸酶复合物活性。
2)UCP2对高糖培养下心肌细胞线粒体功能与细胞凋亡的影响
以H9C2大鼠心肌母细胞为研究对象,以高糖干预心肌细胞,同时利用UCP2siRNA和UCP2的激动剂TTNPB分别抑制和上调UCP2的表达,构建UCP2差异表达的细胞模型。将同期培养的心肌细胞分为四组:对照组、高糖组、高糖+UCP2siRNA组与高糖+TTNPB组,利用DCFH-DA标记检测各组细胞内ROS水平;Calcein-AM标记检测线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore,MPTP)开放程度;分光光度法检测线粒体呼吸酶复合物活性;流式细胞术检测线粒体膜电位水平和心肌细胞凋亡率;Werstern-Blot法检测凋亡通路活性与UCP2下游分子AKT的表达水平。
同时,利用AKT的抑制剂LY294002干预心肌细胞,将同期培养的心肌细胞分为四组:对照组、高糖组、高糖+TTNPB组和高糖+TTNPB+ LY294002组,检测各组细胞MPTP开放程度和细胞活性,进一步揭示UCP2对心肌线粒体和细胞功能调节的分子机制。
3)白藜芦醇上调UCP2表达对DCM大鼠心肌线粒体功能的调节作用
以SD大鼠为研究对象,白藜芦醇干预DCM大鼠,将同期饲养的大鼠分为三组:对照组、DCM组、DCM+RES组,小动物心脏超声及组织病理学方法检测大鼠心脏结构和功能的改变;透射电子显微镜观察心肌超微结构;TUNEL染色检测心肌凋亡水平; Western-blot法检测UCP2及其下游分子AKT在心肌组织中的表达情况;二氢乙锭标记检测心肌细胞内ROS水平;荧光酶标法标记检测心肌线粒体膜电位水平;分光光度法测定线粒体呼吸酶复合物活性。
在明确了RES对DCM大鼠心肌线粒体功能的影响后,我们再通过体外实验,进一步分析RES是否以UCP2为靶点发挥作用。首先,利用Western-blot法检测不同浓度的RES对UCP2表达水平的影响。接着,将同期培养的心肌细胞分为四组:对照组、高糖组、高糖+RES组和高糖+RES+UCP2siRNA组,检测各组细胞内ROS水平、MPTP开放程度和细胞活性。
研究结果:
1) DCM大鼠心肌线粒体功能与UCP2表达变化情况
我们利用高脂饮食联合STZ腹腔注射的方法成功建立了2型糖尿病DCM大鼠模型。与对照组相比,DCM组大鼠血糖、血脂、血浆脑钠肽水平均明显升高(P<0.05)。超声心动图结果显示DCM大鼠心脏扩大,伴左室收缩与舒张功能减退(P<0.05)。体表心电图上可见DCM大鼠心室内传导时间延长(P<0.05)。HE、Masson染色可见DCM大鼠心肌纤维排列紊乱、部分溶解断裂伴间质水肿,胶原沉积明显。透射电镜下可见DCM大鼠心肌线粒体水肿,线粒体嵴排列紊乱。线粒体功能检测结果显示DCM大鼠心肌组织中ROS水平升高,线粒体呼吸酶复合物Ⅱ、Ⅳ活性降低,心肌线粒体膜电位水平下降(均P<0.05);同时,R-T PCR、Western-blot和免疫组织化学三种检测结果均显示UCP2在DCM大鼠心肌组织中表达水平升高(均P<0.05)。
2)UCP2对高糖培养下心肌细胞线粒体功能与细胞凋亡的影响
高糖培养使心肌细胞中ROS水平升高,MPTP开放增强,心肌细胞线粒体呼吸酶复合物Ⅱ、Ⅳ活性降低,线粒体膜电位水平下降,心肌细胞凋亡率增高;并且细胞色素C从线粒体释放增多,caspase-9活化增强,表明高糖激活了心肌细胞线粒体凋亡通路。而上调UCP2表达改善了高糖诱导的上述心肌细胞线粒体损伤与细胞凋亡,降低了线粒体凋亡通路活性;抑制UCP2表达则进一步加重了高糖诱导的心肌细胞线粒体损伤与细胞凋亡。综合上述结果,UCP2对高糖诱导的心肌细胞线粒体损伤与细胞凋亡具有保护作用。
上调UCP2表达可增强高糖培养下心肌细胞中AKT的磷酸化水平,而抑制UCP2表达则使高糖培养下AKT磷酸化水平进一步降低,提示AKT可能参与了UCP2对心肌细胞线粒体损伤与细胞凋亡的保护作用。应用LY294002抑制AKT磷酸化后,与HG+TTNPB组相比,HG+TTNPB+ LY294002组心肌细胞MPTP开放程度显著升高、细胞活性明显减低,说明AKT磷酸化介导了UCP2抑制心肌MPTP过度开放与恢复细胞活性的生物过程。
3)白藜芦醇上调UCP2表达对DCM大鼠心肌线粒体功能的调节作用
超声心动图检测提示,与DCM组大鼠相比,RES干预可改善大鼠心脏收缩与舒张功能。组织形态学与透射电镜检测提示RES显著抑制了DCM大鼠心肌纤维破坏、胶原沉积和线粒体结构的损伤。TUENL染色结果显示RES降低了DCM大鼠心肌凋亡率。线粒体功能检测结果显示RES干预使DCM大鼠心肌组织中ROS水平降低,线粒体膜电位水平和呼吸酶复合物Ⅱ、Ⅳ活性得到恢复。RES干预还上调了DCM大鼠心肌组织中UCP2和pAKT的表达水平。
同时,体外实验结果显示,RES可上调高糖培养下心肌细胞中UCP2的表达水平,并且呈剂量依赖模式。并且,与HG+RES组相比,HG+RES+UCP2siRNA组心肌细胞中ROS水平明显升高、MPTP开放程度增强、细胞活性减低,这说明UCP2介导了RES对心肌细胞线粒体功能的保护作用。
研究结论:
1)在DCM发病过程中,ROS在心肌组织中大量聚集,心肌线粒体结构与功能受损,伴随UCP2表达水平升高,UCP2高表达可能是线粒体对氧化应激损伤的保护性反应;
2)上调UCP2可减少高糖诱导的心肌细胞ROS生成、改善线粒体功能、抑制心肌细胞过度凋亡;
3)AKT磷酸化是UCP2重要的作用靶点,UCP2通过激活AKT发挥对高糖培养下心肌细胞的保护作用;
4)RES干预可减少心肌组织中ROS生成、减轻心肌线粒体损伤、抑制心肌细胞过度凋亡,从而改善DCM大鼠心脏功能,并且UCP2介导了RES对心肌线粒体功能的保护作用。

Keyword:

活性氧物质 解偶联蛋白2 糖尿病性心肌病 细胞凋亡 线粒体

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学医学部

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Basic Info :

Degree: 博士

Mentor: 魏瑾

Year: 2018

Language: Other

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