譚孟芳,康信聰,3,4,周佳麗,楊蘭,劉東波,3,4*
(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,湖南長沙410128;2.國家中醫(yī)藥管理局亞健康干預(yù)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410128;3.湖南作物種質(zhì)創(chuàng)新與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410128;4.植物功能成分利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,湖南 長沙 410128)
胰島素抵抗,即胰島素效應(yīng)細(xì)胞(如脂肪細(xì)胞等)對(duì)胰島素不敏感[1],是2型糖尿病、高血壓、肥胖、動(dòng)脈粥樣硬化等常見代謝綜合征的共同病理[2]。正常生理狀態(tài)下,胰島素能促進(jìn)脂肪細(xì)胞的葡萄糖攝取以及脂肪合成,抑制脂肪分解[3];當(dāng)脂肪細(xì)胞產(chǎn)生胰島素抵抗,胰島素?zé)o法很好地抑制脂肪分解,機(jī)體脂解速率上升,血漿中游離脂肪酸水平升高形成高血脂,同時(shí)游離脂肪酸異位聚積于其他組織,造成外周組織及全身的胰島素抵抗[4]。
靈芝,真菌擔(dān)子菌亞門、層菌綱、多孔菌目、多孔菌科、靈芝屬藥用真菌[5],在《神農(nóng)本草經(jīng)》中被列為上品[6]。靈芝在我國有上百年的食用歷史,最新被納入“藥食同源”名單[7]。研究表明,靈芝及其活性成分對(duì)糖尿病患者及動(dòng)物模型有明顯的降血糖、增加胰島素分泌、改善糖耐量、調(diào)節(jié)血脂、延緩糖尿病并發(fā)癥的作用[5]。靈芝醇提物(alcohol extract of Ganoderma lucidum,GLAE)具有減少脂肪細(xì)胞脂質(zhì)積累、減少脂肪細(xì)胞分化的作用[8],然而,目前并未有靈芝醇提物改善脂肪細(xì)胞胰島素抵抗的研究報(bào)道。本研究以地塞米松誘導(dǎo)建立脂肪細(xì)胞胰島素抵抗模型,二甲雙胍(metformin,MET)為陽性對(duì)照,探究靈芝醇提物對(duì)脂肪細(xì)胞胰島素抵抗的影響及其分子機(jī)制,為靈芝資源的開發(fā)利用提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
3T3-L1小鼠前脂肪細(xì)胞株:中國科學(xué)院干細(xì)胞庫(編號(hào):scsp-5038)。
赤芝子實(shí)體:長沙九峰生物科技有限公司,經(jīng)湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)亞健康干預(yù)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室劉東波教授鑒定為赤芝,藥材符合2020年版《中國藥典》規(guī)定。
二甲雙胍:阿達(dá)瑪斯試劑公司;DMEM培養(yǎng)基、磷酸緩沖鹽溶液(phosphate buffered saline,PBS):BI生物公司;地塞米松(dexamethasone,DEX)、二甲基亞砜:美國西格瑪奧德里奇公司;胰島素(insulin,ins)、BCA 蛋白濃度測(cè)定試劑盒、聚丙烯酰胺凝膠電泳(sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis,SDSPAGE)凝膠快速配制試劑盒、兔二抗、鼠二抗、一抗稀釋液、二抗稀釋液:北京碧云天生物技術(shù)公司;CCK-8試劑盒:南京諾唯贊生物科技有限公司;葡萄糖氧化酶法測(cè)定試劑盒、甘油三酯試劑盒:南京建成生物工程研究所;3-異丁基-1-甲基黃嘌呤(1-methyl-3-isobutylxanthine,IBMX)、油紅“O”試劑盒、30%凝膠儲(chǔ)備液AB液:北京索萊寶生物科技有限公司;0.25%胰蛋白酶、雙抗(pen strep):美國 Gbico公司;顯影液:美國Millipore公司;聚偏二氟乙烯膜(polyvinylidene fluoride,PVDF):美國 Pall Corporation 公司;甘油醛-3-磷酸脫氫酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,GADPH):上海普邁生物科技有限公司;磷脂酰肌醇-3-激酶 p110亞基(Phosphatidylinositol-3-kinasep110,PI3Kp110)、磷脂酰肌醇-3-激酶 p85 亞基(Phosphatidylinositol-3-kinase-p85,PI3Kp85)一抗、蛋白激酶(phosphorylated protein kinase,AKT)、Phospho-AKT(Ser473)一抗、糖原合酶激酶 3β(glycogen synthase kinase-3β,p-GSK3β)、Phospho-GSK3β(Ser389)一抗 、胰島素受體底物1(recombinant insulin receptor substrate 1,IRS1)一抗:萊恩生物科技有限公司;葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體-4(glucose transporters-4,GLUT-4):武漢菲恩生物科技有限公司。
3503-2 二氧化碳細(xì)胞培養(yǎng)箱:美國Shellab公司;AE2000熒光倒置顯微鏡:麥克奧迪電氣股份有限公司;2-16R高速冷凍離心機(jī):湖南恒諾儀器設(shè)備有限公司;Multiskan Mk3型酶標(biāo)儀:賽默飛世爾儀器有限公司;UV2000紫外分光光度計(jì):上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司;DK-98-ⅡA電熱恒溫水浴鍋、800YY型中草藥粉碎機(jī):永康市鉑歐五金制品有限公司;Spark多功能酶標(biāo)儀:瑞士TECAN;RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀:上海雅榮生化儀器設(shè)備公司;101-4AB電熱恒溫干燥箱:北京中星偉業(yè)儀器有限公司;2-16R離心機(jī):湖南恒諾儀器設(shè)備有限公司;XS205專業(yè)型分析天平:梅特勒-托利多儀器有限公司。
靈芝子實(shí)體,粉碎,過10目篩,取過篩靈芝子實(shí)體粉末100g,以80%的乙醇作為提取試劑,料液按照質(zhì)量比1∶20,提取溫度為 70℃,回流提取3次,每次1.2 h[9]。過濾,合并濾液,用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進(jìn)行濃縮,得靈芝醇提物浸膏,蒸干浸膏得到靈芝醇提物1.146 g。
細(xì)胞培養(yǎng):將3T3-L1前脂肪細(xì)胞用含10%胎牛血清和1%青鏈霉素的DMEM高糖培養(yǎng)基(以下簡稱完全培養(yǎng)液)于37℃、5% CO2的培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng),每2 d進(jìn)行一次換液處理。
誘導(dǎo)分化:取對(duì)數(shù)生長期的細(xì)胞接種于培養(yǎng)板,待細(xì)胞長滿后,使其接觸抑制48 h。48h過后,換入成脂誘導(dǎo)劑一(含 0.5 mmoL/L IBMX,0.25 μmoL/L DEX,1 mg/L胰島素,2 μmoL/L羅格列酮的完全培養(yǎng)液)培養(yǎng)48h,到達(dá)處理時(shí)間后,換入成脂誘導(dǎo)劑二(含1mg/L胰島素的完全培養(yǎng)液)繼續(xù)培養(yǎng)48 h完成誘導(dǎo)[10]。后續(xù)更換為完全培養(yǎng)液,每2 d換液1次,繼續(xù)培養(yǎng)8天,待有占比90%以上細(xì)胞出現(xiàn)“戒環(huán)”狀脂滴即可用于試驗(yàn)。
使用油紅“O”染色法鑒定3T3-L1細(xì)胞的分化程度[11]。飽和油紅氧按照體積比3∶2(油紅氧∶蒸餾水)加入蒸餾水配制成油紅“O”的工作液,混勻,室溫放置5 min~10 min,過濾后使用。去除細(xì)胞板中的完全培養(yǎng)基,PBS洗滌3次,使用甲醛-鈣固定10 min,蒸餾水充分洗滌,60%異丙醇侵洗,油紅“O”染液染色10 min,60%異丙醇分化至間質(zhì)清晰,Mayer蘇木素復(fù)染1 min,蒸餾水洗,使用倒置顯微鏡拍照觀察。
通過CCK8試劑盒測(cè)定細(xì)胞活力。細(xì)胞以5×103個(gè)/孔的密度接種于96孔板中,待貼壁以后,使用10、50、10、500、1 000 mg/L 的靈芝醇提物處理 24 h,處理時(shí)間到達(dá)后換入10%CCK8檢測(cè)液,繼續(xù)培養(yǎng)1 h,于
細(xì)胞以5×103個(gè)/孔接種于96孔培養(yǎng)板中,分為正常組與建模組,正常組使用完全培養(yǎng)基培養(yǎng),建模組使用1 μmol/L的地塞米松,分別處理脂肪細(xì)胞24、48、72 h,處理時(shí)間到達(dá)后,選擇加入或者不加100 nm的胰島素刺激脂肪細(xì)胞30 min。刺激結(jié)束后取出培養(yǎng)液,采用葡萄糖氧化酶法檢測(cè)葡萄糖含量,計(jì)算出葡萄糖消耗量,計(jì)算公式:葡萄糖消耗量/(mmol/L)=原DMEM培養(yǎng)基葡萄糖含量-實(shí)驗(yàn)組培養(yǎng)基葡萄糖含量。
培養(yǎng)板繼續(xù)加入10%CCK8檢測(cè)液,孵育1 h,在450 nm波長處檢測(cè)吸光度,計(jì)算出細(xì)胞存活率,計(jì)算公式同2.4。
建立胰島素抵抗模型后,將正常組與模型組同時(shí)在完全培養(yǎng)基中孵育24 h,孵育完成后檢測(cè)細(xì)胞存活率以及葡萄糖消耗量,檢測(cè)方法同2.4和2.5。
為了說明靈芝醇提物對(duì)地塞米松誘導(dǎo)的胰島素抵抗模型的影響,選擇10、50、100 mg/L 3個(gè)濃度的靈芝醇提物在胰島素抵抗模型中進(jìn)行劑量反應(yīng)分析。實(shí)驗(yàn)設(shè)置正常組,模型組,低、中、高劑量靈芝醇提物給藥組(濃度分別為10、50、100 mg/L靈芝醇提物),二甲雙胍陽性對(duì)照組(濃度為100 mg/L)。加藥物24 h后吸出培養(yǎng)液,使用葡萄糖氧化酶法檢測(cè)培養(yǎng)液中葡萄糖含量,計(jì)算出各組葡萄糖消耗量,計(jì)算方法同2.5。
細(xì)胞處理與分組方法同2.7。處理完成后收集細(xì)胞,使用裂解液裂解細(xì)胞30 min,采用甘油三酯試劑盒檢測(cè)甘油三酯的含量,計(jì)算公式:甘油三酯含量/(mmol/L)=實(shí)驗(yàn)組吸光度/正常組吸光度×標(biāo)準(zhǔn)品濃度/實(shí)驗(yàn)組蛋白濃度。
實(shí)驗(yàn)設(shè)置正常組,模型組(1 μmoL/L地塞米松的完全培養(yǎng)基處理脂肪細(xì)胞72 h),治療組(1 μmoL/L地塞米松處理脂肪細(xì)胞72 h后使用10 mg/L靈芝醇提物的完全培養(yǎng)基處理24 h)。利用 Western blot法,以GAPDH為內(nèi)參蛋白,檢測(cè)IRS1、GLUT4、PI3Kp110、PI3Kp85、AKT,p-AKT(Ser473)、GSK3β,p-GSK3β(Ser-389)蛋白表達(dá)水平。
細(xì)胞培養(yǎng)板放置于冰面上,棄去培養(yǎng)板中的培養(yǎng)450 nm波長處檢測(cè)吸光度,計(jì)算細(xì)胞存活率,計(jì)算公式如下。基,加入PBS洗滌2次,加入蛋白裂解液裂解10 min,用槍吹打裂解液使細(xì)胞裂解完全。收集裂解液,4℃離心,14 000 r/min離心3 min取上清,加入5倍上樣緩沖液,100℃金屬浴10min。BCA法測(cè)定蛋白濃度。配制10%的SDS-PAGE凝膠分離蛋白;使用濕轉(zhuǎn)法(250 mA,1.5 h)將蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移至0.22 μm PVDF膜上,轉(zhuǎn)膜結(jié)束后PVDF膜加入封閉液封閉1 h;使用1×TBST洗PVDF膜3次,每次10 min;加入一抗蛋白4℃過夜,回收一抗,1×TBST洗PVDF膜3次,每次10 min;加入辣根過氧化物酶標(biāo)記山羊抗兔或者抗鼠孵育1 h,充分洗滌,加入顯影液,放入化學(xué)發(fā)光凝膠成像儀檢測(cè)[12]。
所得結(jié)果使用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析。
3T3-L1成熟脂肪細(xì)胞的誘導(dǎo)見圖1。
圖1 脂肪細(xì)胞誘導(dǎo)Fig.1 Adipocyte induction
細(xì)胞生長密度占比達(dá)80%以上后使細(xì)胞保持接觸抑制狀態(tài)2 d,細(xì)胞退出生長周期,形狀為細(xì)條形的梭狀。誘導(dǎo)分化的第2天,細(xì)胞由梭狀開始變圓(圖1A),誘導(dǎo)分化的第6天,大量細(xì)胞變圓(圖1B)。誘導(dǎo)分化的第10天,細(xì)胞有圓形大脂滴聚集在細(xì)胞中心,少量細(xì)胞呈現(xiàn)出“戒環(huán)”狀結(jié)構(gòu)的形狀(圖1C)。第12天時(shí),分化為成熟的3T3-L1脂肪細(xì)胞占比90%以上,脂滴分布于細(xì)胞質(zhì)中,出現(xiàn)“戒環(huán)”狀結(jié)構(gòu)(圖1D)。油紅“O”染色可觀察到脂肪細(xì)胞中油脂呈紅色,細(xì)胞核呈藍(lán)色,間質(zhì)無色,紅色的脂滴呈“戒環(huán)”狀分布于細(xì)胞中(圖1E、1F)。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,3T3-L1前脂肪細(xì)胞已經(jīng)成功分化為成熟的脂肪細(xì)胞。
靈芝醇提物對(duì)脂肪細(xì)胞活力的影響如圖2所示。
圖2 靈芝醇提物對(duì)細(xì)胞存活率的影響Fig.2 Effect of Ganoderma lucidum ethanol extract on cell survival rate
如圖2所示,500、1 000 mg/L靈芝醇提物處理組與正常組相比較極顯著降低(P<0.01)。10、50、100 mg/L靈芝醇提物處理組的細(xì)胞存活率沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05),對(duì)脂肪細(xì)胞沒有毒性。因此,后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇10、50、100 mg/L進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
胰島素抵抗模型建立結(jié)果如圖3所示。
圖3 建立胰島素抵抗模型Fig.3 Insulin resistance model
通過脂肪細(xì)胞葡萄糖消耗量來判斷脂肪細(xì)胞胰島素抵抗程度,1 μmoL/L地塞米松處理的3T3-L1細(xì)胞,脂肪細(xì)胞葡萄糖消耗量隨著地塞米松處理的時(shí)間增加而逐漸減少(圖3B)。在24、48 h內(nèi)與正常組比無極顯著差異,在72 h時(shí)與正常組相比細(xì)胞葡萄糖消耗量出現(xiàn)極顯著抑制(P<0.01)。因此選擇1 μmoL/L的地塞米松處理72 h為模型組。地塞米松處理組與正常組比較細(xì)胞存活率并沒有顯著性的差異,排除細(xì)胞死亡產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)干擾(圖3A)。
模型穩(wěn)定性結(jié)果見圖4。
圖4 模型穩(wěn)定性分析Fig.4 Model stability analysis
1 μmoL/L地塞米松處理脂肪細(xì)胞72 h建立胰島素抵抗模型組,使用完全培養(yǎng)基繼續(xù)孵育24 h,模型組與正常組相比,脂肪細(xì)胞的葡萄糖消耗量極顯著被抑制(P<0.01)(圖4),表明 24 h內(nèi)該模型維持穩(wěn)定。
靈芝醇提物改善脂肪細(xì)胞的胰島素抵抗結(jié)果見圖5。
圖5 靈芝醇提物改善胰島素抵抗Fig.5 Ganoderma lucidum ethanol extract improves insulin resistance
如圖5所示,靈芝醇提物給藥干預(yù)24 h后,10、50、100 mg/L靈芝醇提物均促進(jìn)了脂肪細(xì)胞胰島素抵抗模型的葡萄糖消耗,分別為20.6%、33.7%、40.6%(圖5B)。靈芝醇提物能顯著逆轉(zhuǎn)地塞米松導(dǎo)致的胰島素抵抗且具有劑量依賴性。各組細(xì)胞使用CCK8測(cè)定細(xì)胞活力,細(xì)胞存活率沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(圖5A)。由此說明,靈芝醇提物確實(shí)能改善地塞米松誘導(dǎo)的胰島素抵抗。
靈芝醇提物對(duì)脂肪細(xì)胞甘油三酯的影響如圖6所示。
圖6 靈芝醇提物對(duì)甘油三酯的影響Fig.6 Effect of Ganoderma lucidum ethanol extract on triglyceride
經(jīng)過地塞米松處理之后,模型組細(xì)胞甘油三酯含量與正常組相比極顯著下降(P<0.01)。靈芝醇提物處理細(xì)胞24 h顯著增加了脂肪細(xì)胞的甘油三酯含量且呈現(xiàn)劑量依賴性(P<0.05)。由此說明,靈芝醇提物可以改善脂肪細(xì)胞胰島素抵抗,改善脂肪細(xì)胞脂質(zhì)代謝紊亂。
蛋白表達(dá)結(jié)果見圖7。
圖7 靈芝醇提物對(duì)胰島素信號(hào)通路的影響Fig.7 Effect of Ganoderma lucidum ethanol extract on insulin signaling pathway
靈芝醇提物處理脂肪細(xì)胞胰島素抵抗模型24 h,Western blot法檢測(cè) IRS1、GLUT4、PI3Kp110、PI3Kp85、AKT、p-AKT、GSK3β、p-GSK3β 蛋白的表達(dá)。與正常組比較,模型組細(xì)胞的 IRS1、GLUT4、PI3Kp110、PI3Kp85、p-AKT、p-GSK3β蛋白表達(dá)明顯下降;靈芝醇提物處理 24 h 后 IRS1、GLUT4、PI3Kp110、PI3Kp85、p-AKT、p-GSK3β蛋白表達(dá)上升。結(jié)果表明,靈芝醇提物能通過改善脂肪細(xì)胞胰島素抵抗模型IRS1、GLUT4、PI3Kp110、PI3Kp85、p-AKT、p-GSK3β 蛋白的表達(dá)改善脂肪細(xì)胞胰島素抵抗。
胰島素抵抗在脂肪細(xì)胞中主要表現(xiàn)為脂肪細(xì)胞糖攝取、脂肪合成的減少及對(duì)脂解作用抑制的減弱[4]。脂肪組織胰島素抵抗是代謝紊亂疾病的主要病理特征之一[4]。隨著生活質(zhì)量的提高,代謝紊亂疾病發(fā)病率逐年上升[13]。改善脂肪細(xì)胞胰島素抵抗對(duì)于改善代謝紊亂疾病十分重要。
地塞米松是糖皮質(zhì)激素的一種,而糖皮質(zhì)激素是胰島素抵抗的有效激活劑和胰島素分泌的抑制劑,地塞米松誘導(dǎo)3T3-L1脂肪細(xì)胞胰島素抵抗使用較早,是經(jīng)典的模型[5]。使用地塞米松處理脂肪細(xì)胞的時(shí)間越長胰島素抵抗效果越強(qiáng),本試驗(yàn)中地塞米松處理脂肪細(xì)胞72 h時(shí)胰島素抵抗程度最高,與Luan等[14]的結(jié)果一致。IRS-1、PI3K 和 AKT(IRS1/PI3K/AKT)信號(hào)通路是胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要途徑[15]。在正常的脂肪細(xì)胞中,胰島素與胰島素受體相互作用后,IRS-1被激活,啟動(dòng)下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路PI3K和AKT信號(hào)通路[15]。p-AKT調(diào)節(jié)糖原合成酶激酶-3β的活性,最終刺激脂質(zhì)的合成[16]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,地塞米松處理脂肪細(xì)胞72 h 后 IRS1、GLUT4、PI3Kp110、PI3Kp85、p-AKT、p-GSK3β蛋白表達(dá)下降,與Yang等[17]結(jié)果一致,地塞米松引起脂肪細(xì)胞胰島素抵抗主要是由于胰島素受體損傷、PI3K活化受損以及葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白受損[18]。
靈芝具有抗腫瘤、增強(qiáng)免疫功能、降血糖等多種藥理作用[6]。有研究表明靈芝顆粒可以通過減輕機(jī)體炎癥狀態(tài)治療2型糖尿病,可明顯降低2型糖尿病患者的血糖水平,有效改善胰島素抵抗[19]。本實(shí)驗(yàn)中10、50、100 mg/L的靈芝醇提物均促進(jìn)了葡萄糖消耗量以及甘油三酯的積累,促進(jìn)程度與靈芝醇提物劑量呈正比。Western blot結(jié)果顯示,靈芝醇提物促進(jìn)了IRS1的表達(dá),改善了模型組胰島素受體損傷;激活了PI3K/AKT,促進(jìn)胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo);增加了GLUT4蛋白的表達(dá),促進(jìn)了葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn);激活了GSK3β,促進(jìn)脂肪細(xì)胞脂質(zhì)的合成。
綜上所述,靈芝醇提物可有效改善脂肪細(xì)胞的胰島素抵抗且呈現(xiàn)劑量依賴性。其作用機(jī)制可能是通過激活I(lǐng)RS1/PI3K/AKT通路,促進(jìn)葡萄糖的吸收,促進(jìn)脂質(zhì)合成,改善了脂肪細(xì)胞胰島素抵抗以及糖脂代謝紊亂。本研究討論了靈芝醇提物改善胰島素抵抗的分子機(jī)制,為靈芝的臨床使用及綜合利用提供理論基礎(chǔ)。然而,靈芝醇提物改善胰島素抵抗相關(guān)機(jī)制的研究以及臨床應(yīng)用還需大量學(xué)者的努力。