稅曉平 曹艷霞 李順昌 孫君志 丁海麗 尚畫雨 蘇全生
1成都體育學(xué)院運動醫(yī)學(xué)與健康學(xué)院(成都610041)
2四川中醫(yī)藥高等專科學(xué)校3綿陽市骨科醫(yī)院
糖尿病將引起周圍神經(jīng)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變,導(dǎo)致糖尿病周圍神經(jīng)病變(diabetic peripheral neuropathy,DPN),其主要臨床表現(xiàn)為感覺功能障礙,并出現(xiàn)麻木、疼痛等表現(xiàn),嚴重者會出現(xiàn)潰瘍甚至截肢。目前還沒有針對DPN的特效藥物,在控制血糖的基礎(chǔ)上,針對周圍神經(jīng)病變癥狀使用三環(huán)類抗抑郁藥、局部鎮(zhèn)痛藥、非甾體類抗炎藥、維生素B12和抗氧化劑ɑ-硫辛酸等[1]。藥物治療并不能清除病因和阻止病情發(fā)展,并且具有很大的副作用。運動療法具有副作用低、經(jīng)濟成本小的優(yōu)勢,是糖尿病及其并發(fā)癥的主要療法之一,并與飲食療法、胰島素療法被并稱為糖尿病及其并發(fā)癥的“三駕馬車”。運動療法對DPN的治療機制尚不明確。本研究采用7周高脂高糖喂養(yǎng)配合一次性小劑量鏈脲佐菌素(STZ)注射誘導(dǎo)2型糖尿病大鼠模型[2],并分別采用有氧或抗阻兩種不同運動形式進行干預(yù),探討不同運動對糖尿病周圍神經(jīng)結(jié)構(gòu)功能的影響及機制。
6周齡雄性SD大鼠(SPF級)60只,體重160~180 g,購買于成都達碩公司(動物編號20160811)。動物飼養(yǎng)于成都體育學(xué)院運動醫(yī)學(xué)與健康學(xué)院動物實驗房,分籠飼養(yǎng),自由攝食飲水,室溫控制在21℃~23℃,相對濕度40%~60%,用窗簾和燈光控制12 h∶12 h明暗循環(huán)。
適應(yīng)性喂養(yǎng)1周后,按照體重均衡原則分為對照組(pC,n=24)和造模組(pD,n=36)。pC組普通飼料喂養(yǎng),pD組高脂高糖飼料喂養(yǎng)(常規(guī)飼料67%、豬油10%、蔗糖20%、膽酸鈉1%、膽固醇2%)喂養(yǎng),普通飼料和高脂高糖飼料均由成都達碩實驗動物有限公司加工。喂養(yǎng)7周后,各組空腹12 h,進行尾部靜脈采血測試空腹血糖(FBG)和胰島素(FINS),按公式計算胰島素抵抗指數(shù)(HOMA-IRI),HOMA-IRI=[FBG(mmol/L)×FINS(mU/L)/22.5]。與高脂高糖飼料喂養(yǎng)前比較,喂養(yǎng)7周后,pD組FBG(5.02±0.51 vs 6.97±1.04,P<0.05)、FINS(18.95±1.84vs35.17±4.63,P<0.01)和HOMA-IRI(4.23±0.41 vs 10.89±1.31,P<0.01)均明顯升高,表現(xiàn)為典型的胰島素抵抗[3]。高脂高糖喂養(yǎng)7周后,pD組大鼠左下腹一次性腹腔注射鏈脲佐菌素(STZ,30 mg/kg),注射72 h后尾部靜脈取血測試非禁食血糖(NFBG),按2型糖尿病動物模型判斷標準:在胰島素抵抗基礎(chǔ)上,NFBG≥16.7 mmol/L為成功模型[4]。pC組大鼠注射同等體積的枸櫞酸緩沖液。36只糖尿病造模大鼠共成模26只,成模率72.2%。
26只糖尿病大鼠再次分為糖尿病模型組(D,n=8)、糖尿病有氧運動組(DA,n=9)和糖尿病抗阻運動組(DR,n=9)。pC組分為空白對照組(C,n=8)、單純有氧運動組(CA,n=8)和單純抗阻運動組(CR,n=8)。分組后各組分別繼續(xù)普通飲食和高脂高糖飲食。
有氧運動方案為跑臺運動。參照Bedford[5]運動模型,以15 m/min適應(yīng)性訓(xùn)練3天后,CA、DA組大鼠以速度20 m/min,60 min/d、5天/周,共8周。
抗阻運動方案為負重爬梯訓(xùn)練。據(jù)參考文獻自制改良小動物爬梯[6],爬梯高1 m,每級階梯間隔2 cm,訓(xùn)練時傾斜85°放置。適應(yīng)性爬梯訓(xùn)練3天(負荷漸增至35%體重),必要時刺激大鼠尾部促使其運動。正式訓(xùn)練前測試CR、DR組最大負重(1RM),測試方法參照Hornerberger等[7]的抗阻訓(xùn)練模型,大鼠最初以尾部負重75%體重爬梯,后每次增加30 g負重,重復(fù)爬梯直至不能完成一次完整爬梯。每周重新測試1RM。正式抗阻訓(xùn)練按照負荷遞增原則分別進行3次50%1RM、3次75%1RM、3次90%1RM及3次1RM負重爬梯訓(xùn)練。進行1RM負重訓(xùn)練時,若不能完成3次爬梯時以實際完成次數(shù)限(≤3次)。每次爬梯至頂部后休息2 min,5天/周,共8周。
小動物跑臺DSPT-208,中國杭州段氏制作;動物負重抗阻爬梯,成都體育學(xué)院運動醫(yī)學(xué)與健康研究所自制;穩(wěn)豪倍易型血糖儀,美國強生公司;PowerLab V8數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng),澳大利亞AD Instruments公司;JR-30鼠恒溫實驗臺,成都泰盟。FINS試劑盒,美國Millipore公司(貨號EZRMI-13K)。免疫組化及Western blot測試所使用抗體均購于美國Abcam公司,分別是抗MPZ抗體(貨號ab31851)、抗MBP抗體(貨號ab7349)、抗MAG抗體(貨號ab46803)。
實驗期間觀察一般情況,定期稱重,8周運動后禁食12 h,尾靜脈取血測試FBG,進行糖耐量測試。糖耐量測試方法為實驗動物禁食12 h后,以2 g/kg濃度腹腔注射20%葡萄糖溶液,分別測試注射前及注射后30 min、60 min、120 min四個時間點的血糖值,按公式作出變化曲線并計算曲線下面積(area under the curve,AUC),判斷胰島素抵抗情況。
8周運動后72 h,各組大鼠腹腔注射10%水合氯醛溶液(3.5 ml/kg)麻醉大鼠,迅速脫毛,仰臥位固定于恒溫手術(shù)臺,保持大鼠體溫在37°,用PowerLab生理記錄儀測試右側(cè)坐骨神經(jīng)傳導(dǎo)速度。測試結(jié)束后取右側(cè)坐骨神經(jīng)迅速放入液氮速凍,并置于-80°冰箱保存。取左側(cè)坐骨神經(jīng),平均分為兩份,一份用于免疫組化檢測和HE染色,另一份用于透射電鏡觀察。免疫組化檢測外周髓鞘蛋白0(MPZ)、髓鞘堿性蛋白(MBP)和髓鞘相關(guān)糖蛋白(MAG)陽性表達(平均光密度);右側(cè)坐骨神經(jīng)用于Western blot檢測MPZ、MBP和MAG蛋白的表達。HE染色、免疫組化實驗和Western blot均在四川大學(xué)華西醫(yī)院科研基地公共實驗技術(shù)中心進行,透射電鏡實驗在四川大學(xué)華西基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與法醫(yī)學(xué)院進行。
免疫組化法檢查MPZ、MBP和MAG蛋白在髓鞘中的表達,切片常規(guī)進行脫蠟水化,抗原修復(fù),阻斷內(nèi)源性過氧化物酶,免疫組化筆畫圈,山羊血清封閉,按測試指標分別滴加一抗(MPZ 1∶200;MBP 1∶250;MAG 1∶100)于4℃冰箱過夜孵育,室溫復(fù)溫30 min后水洗,滴加二抗工作液覆蓋組織37℃孵育1h后取出水洗,DAB試劑顯色,復(fù)染細胞核,脫水,透明,中性樹膠封片后顯微鏡下觀察結(jié)果。在顯微鏡下,各髓鞘蛋白在切片上呈現(xiàn)出棕黃色或棕褐色為陽性表達,核呈藍色。每張切片在400倍光鏡下隨機取5個不同視野,采用Image-Pro plus 6.0圖像分析系統(tǒng)進行半定量分析平均光密度(IOD值),取5個不同視野IOD值的平均值代表該切片的值。
Western blot方法檢測MPZ、MBP和MAG蛋白在髓鞘中的表達,取凍存坐骨神經(jīng),按每100mg加1 ml裂解液,超聲破碎;4℃,12000g離心15 min;取上清,進行BCA蛋白定量;將蛋白樣品調(diào)至等濃度,然后上樣電泳和轉(zhuǎn)膜;轉(zhuǎn)膜結(jié)束后進行封閉與孵育抗體,其中一抗?jié)舛葹椋∕PZ 1∶500;MBP 1∶500;MAG 1∶500);采用HRP-ECL發(fā)光法顯影和定影,獲得Western blot條帶。采用Image J 1.50i圖像分析軟件分析蛋白表達條帶的灰度值;目的蛋白條帶灰度值與內(nèi)參蛋白GAPDH條帶灰度值的比值為該蛋白的相對表達量。
數(shù)據(jù)使用“均數(shù)±標準差”(x±s)表示,統(tǒng)計分析使用SPSS 19.0版統(tǒng)計軟件和Graphpad Prism6進行處理。各組間比較采用單因素方差分析(One-Way ANOVA),方差齊性時用LSD方法進行各組均值多重比較,方差不齊時采用Tambane,S T2法進行兩兩比較。顯著性差異標準P<0.05,非常顯著性P<0.01。
實驗期間,糖尿病大鼠毛色枯黃無光,精神萎靡,多飲,多食,體重下降,痛覺敏感,易驚嚇。糖尿病各運動組狀態(tài)較糖尿病組明顯好轉(zhuǎn)。在實驗期間,因糖尿病慢性疾病狀態(tài)導(dǎo)致的感染、運動損傷導(dǎo)致部分大鼠死亡,本實驗各組最終納入統(tǒng)計的樣本均為7只。
表1顯示,與C組比較,D組、DA組和DR組大鼠體重均非常顯著下降(P<0.01);與D組比較,DA組和DR組大鼠體重顯著增加(P<0.05),DA組和DR組兩組間比較無統(tǒng)計學(xué)意義。與C組比,D組、DA組和DR組血糖顯著性升高,其中D組具有極顯著性差異(P<0.05,P<0.01);與D組相比,DA組和DR組大鼠血糖顯著降低(P<0.05),其中DR組顯著低于DA組(P<0.05)。與C組比,D組、DA組和DR組糖耐量線下面積非常顯著升高(P<0.01);與D組相比,DA組和DR組糖耐量曲線下面積非常顯著降低(P<0.01),其中DR組顯著低于DA組(P<0.05)。
表1 8周運動干預(yù)后各組大鼠體重、血糖及AUC比較(n=7)
實驗?zāi)?,C組、CA組和CR組大鼠坐骨神經(jīng)纖維形態(tài)正常,排列整齊、致密。D組大鼠坐骨神經(jīng)組織出現(xiàn)區(qū)域大小不一,程度不一的髓鞘腫脹、斷裂,髓鞘空泡變性,部分神經(jīng)纖維脫髓鞘改變(圖中黑箭頭所示)。DA和DR組病變程度較D組明顯減輕,髓鞘空泡變性減少,神經(jīng)纖維脫髓鞘程度減輕。見圖1。
圖1 8周運動干預(yù)后各組坐骨神經(jīng)HE染色結(jié)果比較(400倍)
實驗?zāi)珻組、CA組和CR組坐骨神經(jīng)纖維髓鞘均勻、致密有序、結(jié)構(gòu)完整規(guī)則,髓鞘板層呈明暗相間的同心圓狀排列,髓鞘厚薄均勻,形態(tài)無扭曲變形。D組髓鞘形態(tài)明顯嚴重扭曲變形,有大量的空泡和裂隙,厚薄不均,板層結(jié)構(gòu)松散,排列疏松紊亂,板層出現(xiàn)分離和皺縮,并向軸索形成凸起,呈典型的脫髓鞘病變。DA組和DR組髓鞘形態(tài)明顯較D組改善,空泡和裂隙明顯減少,板層結(jié)構(gòu)較致密,排列較規(guī)則,板層分離和皺縮明顯減輕,未向軸索形成明顯的凸起,脫髓鞘病變明顯改善。見圖2。
表2顯示,與C組比,D組和DR組坐骨神經(jīng)傳導(dǎo)速度均明顯下降(P<0.01,P<0.05);與D組相比,DA組和DR組坐骨神經(jīng)傳導(dǎo)速度均升高,其中DA組升高有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。
圖2 8周運動干預(yù)后各組坐骨神經(jīng)超微結(jié)構(gòu)變化比較(6000倍)
表2 8周運動干預(yù)后各組神經(jīng)傳導(dǎo)速度(MNCV)的比較(n=7)
2.6.1 免疫組化法測各組大鼠坐骨神經(jīng)MPZ、MBP、MAG陽性表達比較
表3 8周運動干預(yù)后各組大鼠坐骨神經(jīng)MPZ、MBP、MAG平均光密度比較(n=7)
免疫組化結(jié)果顯示(表3、圖3-圖5)MPZ、MBP、MAG在髓鞘中均呈陽性表達,表達顏色為棕黃色或棕褐色,細胞核呈藍色。各組MPZ蛋白平均光密度值未見明顯差異。與C組比較,D組、DA組和DR組MBP的平均光密度值明顯降低(P<0.01);與D組相比,DA、DR組MBP的平均光密度值雖略有增加,但沒有統(tǒng)計學(xué)意義。與C組比較,D組、DA組和DR組MAG的平均光密度值明顯降低(P<0.01);與D組相比,DA和DR組MAG的平均光密度值明顯增加(P<0.01),其中DA組的平均光密度高于DR組(P<0.05)。
圖3 8周運動干預(yù)后各組大鼠坐骨神經(jīng)MPZ陽性表達情況(400倍)
圖4 8周運動干預(yù)后各組大鼠坐骨神經(jīng)MBP陽性表達情況(400倍)
圖5 8周運動干預(yù)后各組大鼠坐骨神經(jīng)MAG陽性表達情況(400倍)
2.6.2 Westernblot法測各組大鼠MPZ、MBP和MAG蛋白表達比較
Western blot結(jié)果顯示(圖6),與C組比較,D組MPZ蛋白表達略有下降,但各組蛋白表達比較未見明顯差異。與C組比較,D組、DA組和DR組的MBP的蛋白表達明顯降低(P<0.01);與D組相比,DA組MBP蛋白表達明顯增加(P<0.05),DR組MBP蛋白增加趨勢明顯,但無統(tǒng)計學(xué)意義。與C組比較,D組、DA組和DR組的MAG蛋白表達明顯降低(P<0.01);與D組相比,DA和DR運動組MAG的蛋白表達明顯增加(P<0.01),兩組間比較未見差異。
圖6 8周運動干預(yù)后各組大鼠坐骨神經(jīng)MPZ、MBP、MAG蛋白表達比較
利用高脂高糖喂養(yǎng)并配合小劑量STZ注射是經(jīng)典的誘導(dǎo)2型糖尿病大鼠模型的方法[2],本研究利用該方法成功誘導(dǎo)2型糖尿病大鼠,表現(xiàn)出高血糖和胰島素抵抗,糖尿病模型成模率為72.2%。隨著糖尿病病程的發(fā)展,糖尿病大鼠出現(xiàn)毛色枯黃無光,精神萎靡,多飲,多食,體重下降,痛覺敏感,易驚嚇,這和本團隊前期研究結(jié)果一致[8]。
本研究發(fā)現(xiàn),隨著糖尿病病程的發(fā)展,糖尿病大鼠體重明顯下降,而有氧和抗阻運動均能明顯緩解糖尿病大鼠的體重下降,兩種干預(yù)方式未見明顯的差異。高血糖和胰島素抵抗是2型糖尿病的主要表現(xiàn),空腹血糖和空腹糖耐量實驗(AUC)是判斷胰島素抵抗及2型糖尿病的主要指標[9]。本研究結(jié)果顯示,至實驗?zāi)cC組比較,D組大鼠表現(xiàn)出明顯的高血糖和AUC值,是典型的2型糖尿病表現(xiàn)。兩種運動均能有效改善糖尿病大鼠的高血糖狀態(tài)和胰島素抵抗,且抗阻運動改善血糖和胰島素抵抗的效果優(yōu)于有氧運動組。
有氧運動是防治糖尿病的主要方式,其機制已經(jīng)得到廣泛證實。研究發(fā)現(xiàn)抗阻運動亦通過改善胰島素抵抗、加速糖代謝和加速脂代謝等機制在糖尿病的防治中起積極作用。但比較有氧和抗阻運動在改善糖尿病的作用效果的研究較少,且結(jié)果尚無定論。如有研究發(fā)現(xiàn)利用4周抗阻和耐力運動對2型糖尿病患者進行干預(yù)后,抗阻運動對調(diào)節(jié)血糖和血脂代謝方面的效果優(yōu)于耐力運動[10]。國內(nèi)研究認為有氧和抗阻運動均可使糖尿病前期人群空腹和口服葡萄糖耐量試驗2小時(OGTT2h)血糖顯著下降,并在一定程度上使糖尿病前期人群血糖下降至正常水平,其中抗阻運動可使更多的糖尿病前期個體糖化血清蛋白(GSP)得到改善[11]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),抗阻運動改善糖尿病大鼠血糖的效果優(yōu)于有氧運動,其可能機制是抗阻運動能更好地改善胰島素抵抗。
本團隊前期研究及其他研究均證實,糖尿病狀態(tài)8周后,HE染色和電鏡結(jié)果均發(fā)現(xiàn)坐骨神經(jīng)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能的異常,引起神經(jīng)傳導(dǎo)速度(MNCV)的下降[8,12],MNCV是檢測糖尿病周圍神經(jīng)病變的“金指標”[13]。本次研究顯示糖尿病8周后,HE染色可見神經(jīng)組織出現(xiàn)大小不一,程度不一的髓鞘腫脹、斷裂,髓鞘空泡變性;電鏡下觀察見髓鞘形態(tài)明顯嚴重扭曲變形,板層結(jié)構(gòu)松散,排列疏松紊亂,板層出現(xiàn)分離和皺縮,呈典型的脫髓鞘病變;神經(jīng)結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致MNCV出現(xiàn)明顯下降。
臨床研究證實有氧運動可以減輕糖尿病周圍神經(jīng)病變患者的疼痛,改善神經(jīng)癥狀,提高生活質(zhì)量[14]。動物實驗證明,有氧運動能有效改善糖尿病周圍神經(jīng)病變大鼠的神經(jīng)結(jié)構(gòu)、提高神經(jīng)傳導(dǎo)速度,提高熱痛閾和機械痛閾[8,15]。近年來,人們開始關(guān)注抗阻運動在干預(yù)DPN中的作用。Kluding等[16]研究發(fā)現(xiàn),10周的有氧和抗阻聯(lián)合運動治療可緩解DPN患者疼痛程度,改善神經(jīng)系統(tǒng)癥狀?;襞骩17]等研究發(fā)現(xiàn),有氧運動可改善T2D患者空腹時的自主神經(jīng)功能,有氧和抗阻運動均可改善葡萄糖負荷時的自主調(diào)制反應(yīng),且抗阻訓(xùn)練的效果優(yōu)于有氧運動。本次研究發(fā)現(xiàn),有氧和抗阻運動均能有效改善DPN大鼠的神經(jīng)結(jié)構(gòu),提高神經(jīng)傳導(dǎo)速度,其中有氧運動改善的效果優(yōu)于抗阻運動。
良好的髓鞘結(jié)構(gòu)有利于維持周圍神經(jīng)的傳導(dǎo)速度,DPN大鼠出現(xiàn)髓鞘結(jié)構(gòu)的異常及神經(jīng)傳導(dǎo)速度的下降。髓鞘蛋白MPZ、MBP和MAG等對于維持髓鞘結(jié)構(gòu)和功能具有重要作用,是臨床檢測髓鞘狀況的主要指標[18]。MPZ占髓鞘總蛋白量的50%~70%,主要起著黏附作用,是髓鞘形成的“黏附蛋白”[19]。MBP占髓鞘蛋白總量的30%,啟動髓鞘形成并壓實髓鞘,是“執(zhí)行蛋白”[20]。MAG占髓鞘蛋白總量的1%,可早期啟動髓鞘的形成,是髓鞘形成的“啟動蛋白”[21]。糖尿病周圍神經(jīng)病變將導(dǎo)致上述蛋白的降低,通過藥物干預(yù)可提高髓鞘蛋白的表達,對修復(fù)髓鞘結(jié)構(gòu)和提高神經(jīng)功能具有積極作用[22,23]。近些年來的研究發(fā)現(xiàn),運動能夠提高腦癱模型鼠紋狀體和2型糖尿病小鼠腰骶部脊髓中MBP蛋白的表達,對促進髓鞘形成具有積極作用[24,25]。
本次研究顯示,在DPN大鼠的坐骨神經(jīng)中MPZ的平均光密度和蛋白表達略有下降,但無統(tǒng)計學(xué)意義。文獻報道發(fā)現(xiàn)MPZ是髓鞘構(gòu)成的主要蛋白,糖尿病狀態(tài)持續(xù)16~20周后大鼠坐骨神經(jīng)中的MPZ才出現(xiàn)明顯的表達降低[26,27]。本次實驗中8周糖尿病狀態(tài)對其影響較小,因此不足以導(dǎo)致該蛋白的明顯減少,僅表現(xiàn)一定的下降趨勢。本實驗中,糖尿病大鼠坐骨神經(jīng)的MBP和MAG的蛋白表達顯著下降,導(dǎo)致髓鞘板層結(jié)構(gòu)松散,髓鞘修復(fù)和密閉功能降低,出現(xiàn)神經(jīng)傳導(dǎo)速度的下降。而8周有氧和抗阻運動干預(yù)后,糖尿病大鼠坐骨神經(jīng)中MBP和MAG的蛋白表達均顯著升高,髓鞘結(jié)構(gòu)得到一定程度修復(fù),神經(jīng)傳導(dǎo)速度提高。提示有氧和抗阻運動改善DPN的可能機制與運動提升MBP和MAG蛋白的表達有關(guān)。
綜上所述,8周糖尿病狀態(tài)后,糖尿病各組大鼠出現(xiàn)糖代謝異常,坐骨神經(jīng)結(jié)構(gòu)改變,神經(jīng)傳導(dǎo)速度下降。8周的有氧運動和抗阻運動均能有效調(diào)控血糖,改善糖尿病周圍神經(jīng)結(jié)構(gòu)和功能,其中抗阻運動調(diào)控血糖的效果優(yōu)于有氧運動,有氧運動改善神經(jīng)功能的效果優(yōu)于抗阻運動,提示兩種運動聯(lián)合干預(yù)DPN效果更佳;兩種運動改善神經(jīng)結(jié)構(gòu)和功能的機制可能是兩種運動均能促進MBP和MAG蛋白在髓鞘中的表達有關(guān)。