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4-苯基丁酸對糖尿病大鼠的心臟保護作用

2014-12-07 03:43:34何玉蓮
中國藥理學通報 2014年8期
關鍵詞:左心室活力血流

何玉蓮,熊 燕,張 梅

(廣州醫(yī)科大學藥學院1.蛇毒研究所、2.藥理學教研室,廣東 廣州 510082)

糖尿病患者易并發(fā)心血管疾病,其中糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy,DCM)是患者的主要致死原因之一。DCM是由糖尿病引起的獨立于高血壓和冠心病,且不能用其他危險因子解釋的特殊心臟疾病,主要表現(xiàn)為心臟舒張和收縮功能障礙以及心臟微細結構的改變,最終導致充血性心力衰竭[1]。目前,降血糖仍是DCM治療的基礎,調血脂藥物、血管緊張素轉換酶抑制劑、血管緊張素受體拮抗劑和β受體阻滯劑等仍作為目前治療DCM的主要藥物,均能夠在糖尿病人中發(fā)揮一定程度的心肌保護作用并延緩DCM進展。最近的流行病學調查顯示,我國的糖尿病人數(shù)已達到9 200萬,糖尿病前期患者高達1.4億[2]。因此,面對逐年增長的糖尿病發(fā)病率,尋找新的治療藥物及靶點已成為醫(yī)學研究的緊迫任務。

4-苯基丁酸(4-phenyl butyric acid,4-PBA)是美國FDA在1996年批準上市的新藥,最早作為特殊的氨類清除劑用于治療慢性尿素循環(huán)紊亂[3]。近年研究發(fā)現(xiàn),4-PBA可恢復肥胖所致2型糖尿病動物的血糖水平,改善胰島素敏感性,降低糖尿病小鼠肝臟脂質沉積等作用[4]。此外,文獻報道4-PBA可對抗阿霉素誘導的心臟損傷[5]。故本研究擬利用建立的1型糖尿病大鼠模型,觀察4-PBA對糖尿病動物心功能的保護效應,并初步探討其作用機制。

1 材料

1.1 動物 ♂Sprague-Dawley(SD)大鼠為SPF級,體質量(200±20)g,購于廣東省醫(yī)學實驗動物中心(SCXK粵2008-0002)。

1.2 藥品與試劑 4-PBA購自上海Adamas-beta公司,鏈脲佐菌素為Sigma公司產品,總超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、丙二醛(malondialdehyde,MDA)、總一氧化氮合酶(nitric oxide synthase,NOS)和一氧化氮(nitric oxide,NO)測定試劑盒均為南京建成生物工程研究所產品,BCA蛋白濃度測定試劑盒購于碧云天生物技術公司。

1.3 儀器設備 血糖檢測儀(強生公司),PowerLab數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)(Labchart7,AD instruments,Australia),PowerLab八道電生理記錄儀(AD instruments,Australia),多功能全波長酶標儀(Epoch,Biotek,USA),紫外分光光度計(Smart SpecTMplus,Bio-rad,America)。

2 方法

2.1 1型糖尿病大鼠模型制備及飼養(yǎng) SD大鼠飼養(yǎng)在自由飲水和進食(12 h開燈和12 h閉燈)的環(huán)境,室溫和相對濕度分別維持在(22±2)℃和(45±5)%,適應性喂養(yǎng)1周后,隨機分成3組:對照組、糖尿病組、糖尿病+4-PBA治療組。大鼠空腹狀態(tài)下一次性腹腔注射鏈脲佐菌素(60 mg·kg-1,溶于pH 4.5的0.1 mol·L-1檸檬酸鹽緩沖液),72 h后測空腹血糖,凡連續(xù)兩次測得隔日隨機血糖≥16.7 mmol·L-1,即可認為糖尿病建模成功。第5周開始每天給予糖尿病大鼠4-PBA(1 g·kg-1)灌胃,對照各組動物分別給予相應的溶媒灌胃,連續(xù)治療20周后結束實驗。

2.2 大鼠大動脈和左心室血流動力學測定 異氟烷吸入全身麻醉后,大鼠仰臥固定,頸部皮膚去毛,PE50導管注滿0.1%肝素,與PowerLab系統(tǒng)相連,橋式放大器調零。經右頸總動脈切口插入PE50導管,深入1.5 cm左右停留3 min以記錄大動脈內血流和壓力變化,繼續(xù)插入,同時觀察屏幕上的波形,當波幅明顯增大且導管劇烈抖動時,表明導管已進入左心室。實驗數(shù)據(jù)由PowerLab八道電生理記錄儀自動采集,實驗完成后經PowerLab數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)獲得大動脈和左心室血流動力學參數(shù)。

2.3 大鼠血清及心臟組織生化指標測定 完成血流動力學測定后收集大鼠血液和心臟樣本。血液凝固后3 000 r·min-1離心10 min獲取血清樣本。心肌組織冰浴下勻漿,3 000 r·min-1離心10 min取上清液作為樣本。采用羥胺法測定血清及心臟組織中SOD活力;硫代巴比妥酸法測定血清及心臟組織中MDA含量;化學比色法測定血清及心臟組織中NOS活力;硝酸還原酶法測定心臟組織中NO含量。測定方法按試劑盒說明書進行。

2.4 統(tǒng)計學處理 實驗數(shù)據(jù)經統(tǒng)計軟件SPSS 14.0進行分析,用±s表示,組間比較用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗,用最小有意義差異檢驗(least significant difference,LSD和SNK)進行均數(shù)間的多重比較,每組實驗均重復5次。

3 結果

3.1 4-PBA對糖尿病大鼠血糖、體重、心臟重量和心指數(shù)的影響 Tab 1數(shù)據(jù)顯示,糖尿病大鼠血糖明顯升高、體重明顯減輕和心指數(shù)增加(P<0.05),但4-PBA治療對糖尿病大鼠血糖、體重和心指數(shù)均無明顯影響(P>0.05)。

3.2 4-PBA對糖尿病大鼠大動脈和心臟血流動力學的影響

3.2.1 4-PBA對糖尿病大鼠大動脈血流動力學的影響 Tab 2數(shù)據(jù)顯示,糖尿病大鼠的大動脈收縮壓、舒張壓和平均動脈壓較正常大鼠相比均明顯降低(P<0.05),4-PBA治療可輕度升高糖尿病大鼠大動脈收縮壓、舒張壓和平均動脈壓(P>0.05)。

Tab 1 Effect of 4-PBA on blood glucose,body weight,heart weight and heart index(±s,n=5)

Tab 1 Effect of 4-PBA on blood glucose,body weight,heart weight and heart index(±s,n=5)

Blood glucose was measured by colorimetry.4-PBA,which was administrated at fifth week after diabetic model were established,was used to treat diabetic rats for 20 weeks by P.O.*P<0.05,**P <0.01 vs control.

Control T1DM 4-PBA+T1DM Blood glucose/mmol·L -1 5.38±1.58 29±5.30**2.72 ±0.22 25.84 ±6.11 Heart weight/mg 1196.64 ±166.72 911.33 ±123.82* 927.26 ±90.00 The body weight/g 570.8±93.30 339.50 ±52.98** 343.60±47.31 Index of heart weight/mg·g-1 2.10±0.12 2.69±0.13**

Tab 2 Effect of 4-PBA on hemodynamics of main artery in diabetic rats(±s,n=5)

Tab 2 Effect of 4-PBA on hemodynamics of main artery in diabetic rats(±s,n=5)

Hemodynamic parameters of main artery were measured by the PowerLab system.Diabetic rats were given the same treatment as before.*P <0.05 vs control.

Control T1DM 4-PBA+T1DM Systolic pressure/kPa 17.16 ±1.16 12.52 ±1.81*11.17 ±0.79 13.1 ±0.95 Diastolic pressure/kPa 13.45 ±1.47 9.44 ±2.06* 9.90 ±0.70 Mean pressure/kPa 15.22 ±1.24 10.86 ±2.08* 11.50 ±0.84 Mean diastolic pressure/kPa 14.28 ±1.38 10.55 ±2.26*

3.2.2 4-PBA對糖尿病大鼠心臟血流動力學的影響 Tab 3數(shù)據(jù)顯示,與正常大鼠相比糖尿病大鼠的心率、左心室收縮壓、左心室內壓最大上升和下降速率(±dp/dt)降低,而左心室舒張壓升高,左心室收縮和舒張時程、循環(huán)時間和左心室弛緩時間延長(P<0.01)。4-PBA治療可輕度改善糖尿病大鼠血流動力學參數(shù)(P>0.05),但明顯縮短左心室弛緩時間(P<0.05)。

3.3 4-PBA對糖尿病大鼠血清和心肌組織生化功能的影響

3.3.1 4-PBA對糖尿病大鼠血清和心肌組織SOD和MDA的影響 與正常大鼠相比,糖尿病大鼠心肌組織SOD活力明顯降低,并且MDA含量明顯增加,4-PBA治療能夠明顯升高糖尿病大鼠心肌組織SOD活力,降低MDA含量(Fig 1A、1C)。與之一致的是,糖尿病大鼠血清中SOD活力也明顯降低,MDA含量明顯增加,4-PBA治療明顯改善血清這一生化改變(Fig 1B、1D)。

3.3.2 4-PBA對糖尿病大鼠血清和心肌組織NOS和NO的影響 與正常大鼠相比,糖尿病大鼠心肌組織NOS活力和NO含量明顯降低,4-PBA治療能夠明顯升高糖尿病大鼠心肌組織NOS活力和NO含量(Fig 2A、2C)。與正常大鼠相比,糖尿病大鼠血清NOS活力無明顯變化,但血清NO含量明顯下降(Fig 2B、2D),4-PBA治療可明顯升高糖尿病大鼠血清NO含量。

Fig 1Effect of 4-PBA on the activity of SOD and the level of MDA in the heart and serum of diabetic rats(±s,n=5)

Tab 3 Effect of 4-PBA on hemodynamics of left ventricular in diabetic rats(±s,n=5)

Tab 3 Effect of 4-PBA on hemodynamics of left ventricular in diabetic rats(±s,n=5)

Hemodynamic parameters of left ventricular were measured by the PowerLab system.Diabetic rats were given the same treatment as before.Max pressure:systolic pressure of left ventricular;Min pressure:diastolic pressure of left ventricular;EDP:end-diastolic pressure of left ventricular;Mean pressure:mean pressure of left ventricular;Max dp/dt:maximum left ventricular pressure increase rate;Min dp/dt:minimum left ventricular pressure decrease rate;IRP Average dp/dt:period of isovolumic relaxation average dp/dt;Tau:left ventricular relaxation time constant.*P<0.05,**P<0.01 vs control;#P<0.05 vs T1DM group.

Control T1DM T1DM+4-PBA Heart rate/BPM 472.22±47.88 330.79±40.25**355.17±34.32 Max pressure/kPa 18.53±0.48 12.55±0.91** 13.52±1.52 Min pressure/kPa 0.09±0.01 1.16±0.58** 1.07 ±0.48 Mean pressure/kPa 9.88±0.20 7.36±0.98** 7.97 ±0.91 EDP/kPa 3.30±0.56 3.18±0.40 3.32 ±0.41 Systolic duration/s 0.079±0.007 0.11±0.014** 0.11±0.012 Diastolic duration/s 0.049±0.0050 0.073 ±0.011** 0.064±0.0069 Cycle duration/s 0.128±0.012 0.18±0.025* 0.17±0.017 Max dp/dt/kPa·s-1 1452.17±56.49 1188.66±21.93** 1245.02±81.11 Min dp/dt/kPa·s-1 -1390.01±42.57 -1147.48±23.85** -1189.76±48.76 IRP Average dp/dt/kPa·s-1 -492.64±58.57 -221.75±26.36** -281.18±44.37 Tau/s 0.40±0.70 2.15±1.96** 1.42±1.57#

4 討論

Rubler在1972年觀察到一些成年糖尿病患者在無明顯冠狀動脈和心瓣膜病變以及高血壓等心血管危險因素存在的情況下,罹患充血性心力衰竭,認為這是一類特異性繼發(fā)于糖尿病的心肌病變,從而首次提出DCM的概念。進一步的流行病學調查、臨床和實驗研究結果均顯示糖尿病人確實存在特異性心肌病變。DCM的形成是一個慢性復雜的過程,糖尿病動物模型研究發(fā)現(xiàn),動物在誘發(fā)糖尿病14周后方可出現(xiàn)較穩(wěn)定的心功能紊亂表現(xiàn)[6]。本研究使用STZ誘導并建立大鼠1型糖尿病模型,血流動力學檢測結果顯示,建模后24周的糖尿病大鼠大動脈收縮壓和舒張壓、心率、左心室收縮壓、±dp/dt均明顯降低,而左心室舒張壓明顯升高,左心室收縮和舒張時程、循環(huán)時間和左心室弛緩時間明顯延長,說明病程半年左右的糖尿病大鼠已經出現(xiàn)明顯心臟收縮和舒張功能障礙。4-PBA治療20周可改善糖尿病大鼠的各項血流動力學參數(shù),尤其是可明顯縮短糖尿病大鼠左心室弛緩時間,表明4-PBA能夠減輕糖尿病大鼠心臟舒張功能障礙。

Fig 2Effect of 4-PBA on the activity of NOS and the level of NO in the heart and serum of diabetic rats(±s,n=5)

糖尿病人體內氧化應激明顯增強,并且參與了其心血管并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展。本研究顯示糖尿病大鼠血清和心肌組織的SOD活力明顯降低,MDA含量明顯增加,也再次證明糖尿病大鼠體內氧化應激增強,而4-PBA治療可明顯升高糖尿病大鼠血清和心肌組織SOD活力,降低MDA含量,表現(xiàn)出良好的抗氧化作用,說明4-PBA可減輕糖尿病動物體內的氧化損傷。糖尿病時高血糖是氧化應激的重要誘發(fā)因素,研究報道4-PBA可降低2型糖尿病動物的血糖水平[4]。但本研究顯示,4-PBA對1型糖尿病大鼠血糖水平和體重均沒有影響,提示其抗氧化作用可能通過其他機制,而與大鼠血糖水平無關。一氧化氮作為心血管系統(tǒng)重要的內源性保護因子,具有抑制血小板聚集和血管平滑肌增生,調節(jié)血管張力和清除氧自由基等作用。實驗數(shù)據(jù)顯示,糖尿病大鼠心肌組織NOS活力和NO含量明顯降低,4-PBA治療能夠明顯升高糖尿病大鼠心肌組織NOS活力和NO含量,這一結果提示4-PBA的心臟保護作用可能與其促進心肌NO生成有關。

4-PBA是一種短鏈脂肪酸,具有調節(jié)內質網(wǎng)應激(作為分子伴侶)和抑制去乙?;傅淖饔?,近年來廣泛用于糖尿病以及代謝性疾病的研究[4,7-9]。4-PBA可降低自發(fā)性2型糖尿病大鼠左心室舒張末壓,改善糖尿病大鼠心臟舒張功能,這一作用與其抑制內質網(wǎng)應激反應有關[7]。在1型糖尿病大鼠腎病研究發(fā)現(xiàn),4-PBA通過調節(jié)內質網(wǎng)應激和減輕氧化損傷抑制糖尿病腎病的進程[8]。此外,4-PBA尚對非酒精性脂肪肝具有良好的保護作用[9]。本研究發(fā)現(xiàn)4-PBA可以改善1型糖尿病大鼠的心臟血流動力學,緩解心臟舒張功能障礙,這一作用可能與其抑制糖尿病動物體內氧化應激和促進心肌NO生成有關。綜上所述,4-PBA作為一個多靶點藥物,其對糖尿病及其并發(fā)癥和代謝性疾病的防治表現(xiàn)出較好的療效,而本研究也證明了4-PBA可以改善1型糖尿病大鼠的心功能,具有防治糖尿病心臟并發(fā)癥的潛能,但有關4-PBA抗氧化作用和心臟保護機制尚需在以后的研究中深入探討。

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