2型糖尿病大鼠模型的建立及其氧化应激特征分析
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・ 8 ・ 2010年1月第l0卷第1期Chinese Remedies&ClinicsJanuary 201 o.Vo1.1O.No.1 .2型糖尿病大鼠模型的建立及其氧化应激特征分析 奚苗苗文爱东 梁欣陈宏莉刘瑞柏桦海春旭 【摘要】 目的建立一种与人类2型糖尿病发病特点相似的动物模型。方法将体质量180~220 g的 SD雄性大鼠30只随机分为5组,分别为:对照组、高脂高糖组(HH)、高脂高糖+劬co照射组(HH+R)、高脂高糖除 抗氧化剂组(HH—AntiO)及高脂高糖除抗氧化剂+60Co照射组(HH+R—AntiO)。HH+R组和HH+R—AntiO组于实验 第15、3O、60天给予剂量为4 Gy的6oCo一 射线全身照射。在指定时间点检测各处理组动物的氧化应激指标,实 验第60天时进行静脉糖耐量实验。大鼠出现胰岛素抵抗后,腹腔注射链脲佐菌素(20 rag/ks),每周1次,连续4 周,大鼠诊断为2型糖尿病后,进行胰腺灌流实验检测胰岛B细胞功能。整个实验进行过程中监测血糖和胰岛素 水平。结果各组动物在不同时间点出现不同程度的氧化损伤改变。第6O天时,除HH组外,其余各组动物均出 现胰岛素抵抗。结合小剂量链脲佐菌素注射后,大鼠出现比较稳定的中度高血糖,其中HH—AntiO组大鼠对葡萄 糖刺激的反应最为接近2型糖尿病患者胰岛素分泌的两相性特点;同时胰腺中胰岛素也有一定的贮存量,约为 对照组的40%。结论与遗传因素在发病过程中起主导作用的转基因大鼠模型相比.本研究建立的大鼠2型糖 尿病模型能更好地观察环境因素对机体的影响,可以用于预防和治疗2型糖尿病的药物研究。 【关键词】糖尿病,2型;模型,动物 Establishment of type 2 diabetic rat model and analysis of its oxidative stress characters XI Miao-miao',WEN Ai-dong,LIANG Xin,CHEN Hong-li,LIU Rui,BAI Huo,HA1 Chun-xu.*Department ofPh ̄Fourth JI】彻 Medical University,Xi 肌710032,China y,Xiifng Hospital, ‘ 【Abstract】Objective To develop a rat model of type 2 diabetes mellitus that presents with syndromes close to those in human.Methods Thirty male SD rats weighted 180 ̄220曲were equally randomized into five groups:con tolr group,high fat and high sugar group(HH group),high atf and high sugar plus 6o(:o一 exposure group(HH+R), high fat and high sugar and antioxidant deprival group(HH-AntiO group),high fat and high sugar and antioxidant de— prival plus 60Co一 exposure group(HH+R-AntiO group).The HH+R and HH+R—AntiO groups underwent 60Co一 total body irradiation at a dosage of 4 Gy on days 15,30 and 60.For these five groups,oxidative stress indexes were detect— ed at pre—designed time points,and intravenous glucose tolerance test(IVGTI)was conducted on day 60.After develo pment of insulin resistance in the rats,20 mg/kg streptozocin(STZ)was injected intraperitoneally once a week for four weeks.After tIle rats were diagnosed as type 2 diabetes mellitus.peffusion pancreas technique was used to evaluate the function of insular B Cel1.The level of blood glucose and sel'Mm insulin was monitored during the whole experimental process.Results Various degrees of oxidative damage was presented in these groups at diferent time points.On day 60,insulin resistance was found in rats except for HH group rats.Atier low—dose STZ injection,rats stably showed moderate hyperglycemia.The responsiveness to glucose in HH—AntiO group rats was closest to the two-phase charac— teristic of insulin secretion in human diabetics.The pancreatic insulin storage of HH-AntiO group rats was about 40% the amount of control rats.Conclusion Type 2 diabetes mellitus model established in this study can be more helpful in observing the effects of environment factors on body than transgenic model where genetic factor plays main role in the pathogenesis.This model can also be used to investigate the medicine for preventing and treating type 2 diabetes mellitus. 【Key wors】Didabetes mellitus,type 2;Models,animal 2型糖尿病是一种全球广泛流行的代谢性疾病, 表现为体内胰岛素相对不足、靶细胞对胰岛素敏感 外采用的2型糖尿病动物模型多与遗传相关。在这 类模型中,动物B细胞功能缺失发生在代谢紊乱之 性降低或患者产生的胰岛素本身存在结构上的缺 陷,最终引起糖、脂肪和蛋白质代谢紊乱…。目前国 基金项目:国家自然科学基金(30671788) 前,并不完全与人类2型糖尿病的发病情况相符[ 。 由于糖耐量受损(impaired glucose tolerance,IGT)、 胰岛素抵抗和氧化应激与2型糖尿病的发生发展密 作者单位:710032西安,第四军医大学西京医院药剂科(奚苗 苗、文爱东),预防医学系毒理学教研室(梁欣、陈宏莉、刘瑞、柏桦、 海春旭) 切相关 ,本研究将高脂高糖、缺失抗氧化剂和辐射 产生的氧化损伤与链脲佐菌素(streptozocin.STZ)促 进超氧自由基形成的自由基毒性相结合.旨在建立 通信作者:海春旭,Email:handsomfish ̄ahoo.com.cn 国药物与临床2010年1月第l0卷箍 塑 塑 ! 望:』 : ! :: : 一种既符合人类2型糖尿病发病特点,又简单易得 料(配比为基础饲料或除抗氧化剂基础饲料:蔗糖: 炼猪油:胆同醇:蛋黄粉:胆酸钠=62.5:20.0:10.0:2.0: 的2型糖尿病动物模型,并探索氧化应激在2型糖 尿病进展过程中的作用。 1材料和方法 5.0:0.5),分别为:高脂高糖组(HH)、高脂高糖+∞C0 照射组(HH+R)、高脂高糖除抗氧化剂组(HH—An— tiO)及高脂高糖除抗氧化剂+加Co照射组(HH+R— AntiO),HH+R组和HH+R—AntiO组于实验第15、30 天以及第60天给予剂量为4 Gy的 。一^y射线全 身照射。于实验开始后的第21、36、66天(即照射后 1.1材料 一级SD大鼠,雄性,体质量180~220 g,第四军 医大学实验动物中心提供,动物合格证号为SCXK (军)2007—007。主要试剂:STZ购自Sigma,丙二醛 (MDA)标准品、硫代巴比妥酸(TBA)购自Merck, Triton X一100购自Sino—American Biotechnology, 25%的葡萄糖注射液由第四军医大学西京医院药剂 科提供(批号:20060309),基础饲料由第四军医大学 实验动物中心提供。主要仪器:高效液相色谱 (HPLC,DIONEX,USA),722型光栅分光光度计(上 海仪器总厂),SHz一88一l台式水浴恒温震荡器(江 苏太仓鹿河生化仪器厂),970CRT荧光分光光度计 (上海分析仪器总厂),血糖仪(SureStep Plus System, Johnson Company),显微镜(Olympus)。 1.2实验饲料配制 1.2.1植物油中维生素E等抗氧化剂的去除:将植 物油200 ml置于500 m1分液漏斗中,加入200 ml 无水乙醇,振摇萃取1 min,静置15 min,分层后收 集油层(下层),将经过一次萃取的油层按同法再萃 取2次。然后在220℃条件下加热7 h,除去油中残 余乙醇及维生素 。最后将加热过的维生素E置于 200 mmxl50 mm ̄150 mm密闭箱中,在波长为280~ 400 nm紫外灯(220 V/50 rlz)下照射2 h,即得。 1.2.2基础饲料中部分抗氧化剂的去除:紫外线照 射法破坏基础饲料中的抗氧化剂。将含豆饼面、玉米 面、鼠多维等成分的基础饲料平铺成厚度约为1 mill 的薄层放置在辐射强度为3 W/m 的短波紫外线下 辐射5 h,饲料薄层表面距灯管3 m,每30 rain重新 搅拌铺开1次。 1.2.3维生素E的测定方法与条件:高效液相色谱 法(HPLC)检测处理前后植物油中的维生素E。色谱 条件:色谱柱为ODS一2 Hypersil Cl8(5 Ixm,250 mmX 4.6 mm.Thermo Electron Corporation):流动相为甲醇 和去离子双蒸水(99:1);柱温:25 ;流速:1 nd/min; 检测波长:275 nm;进样量:20 l。 1_3动物分组及处理 将体质量为180~220 g的sD雄性大鼠3O只随 机分为5组,每组6只,自由进食水,12 h光照。除对 照组喂以基础饲料外,其余各组均喂以高脂高糖饲 第6天)检测各处理组动物的硫代巴比妥酸反应产 物(tTBARS)、超氧化物歧化酶(SOD)及晚期糖基化 终末产物(AGEs)水平。60 d时检测大鼠的葡萄糖耐 受性并于90 d时再检测1次氧化损伤指标。大鼠出 现胰岛素抵抗后,腹腔注射STZ(20 mg/kg),每周1 次,连续4周,大鼠诊断为2型糖尿病后,进行胰腺 灌流实验。整个实验进行过程中监测空腹血糖 (FBG)和空腹血清胰岛素(FSI)水平。 1.4 TBARS的测定 取血清样品50 l,加入0.042 mmol/L H2SO 4.0 ml,按文献[4]所述方法于E 515 nm,E 553 nm处 用荧光分光光度计测定荧光强度,TBARS以等量 MDA折算,根据求出的MDA标准曲线,计算出相应 的MDA浓度 1.5 SOD活性的测定 取血清样品30 l,按文献[5]所述方法于波长 560 nm处检测其吸收度并计算SOD活性。 1.6 AGE 的测定 取血清样品50 l,用生理盐水稀释至3 ml,振 荡15 S后,用荧光分光光度计于E 370 nm,Em440 11111处测定荧光强度 1.7血糖及血清胰岛素测定 大鼠禁食过夜,尾静脉采血,血糖仪测定FBG, 放射免疫分析法检测FSI,并用In(1/FBG ̄FSI)计算 胰岛素敏感指数(ISI) 。胰岛素抵抗的标准是:实验 组动物Is1l与对照组相比差异有统计学意义。以 FBG>7.8 mmol/L并伴随胰岛素抵抗为2型糖尿病 诊断标准。 1.8静脉糖耐量实验 在实验60 d时进行静脉糖耐量实验(VGTr)。将 25%的葡萄糖注射液按0.5 g/kg的剂量 ,尾静脉注 射给禁食未麻醉的大鼠,分别于注射前及注射后5、 15、30、60、l20、180 nfin测定血糖水平。 1.9胰腺灌注 大鼠诊断为2 糖尿病后,进行胰腺灌流实验 ]。 2010年1月弟1O卷第1期Chinese Remedies&ClinicS 灌注液为Krebs—Ringer碳酸氢钠缓冲液(含2 g/L BSA和5 mmol/L葡萄糖)。灌注速度为2 ml/min, 在该速度下平衡30 min取样,分别于灌注开始的 第3O、4O、45 min取样。为了检测胰岛B细胞的 功能。在第45 min取样后,将葡萄糖浓度从5 mmol/L提高到11 mmol/L,46—50 min内,每1 min取一个样.55~65 min内,每5 min取一个样, 第65 min取样后将葡萄糖浓度从11 mmol/L降 至5 mmol/L。于第70 min和80 min取样,样品置 于一20℃待测,放射免疫分析法检测胰岛素水 平。 1.10胰腺中胰岛素的提取l8] 胰腺灌流实验结束后,将胰腺移至滤纸上吸干 水分,称质量,用4℃预冷的O.7 m0L门L HCI:乙醇(1: 3,v/v)溶液匀浆,2000 r/min离心10 min,取上清, 下层颗粒用酸化乙醇于4℃提取24 h,2000 r/min 离心10 min.取上清。将两次上清合并置于一20℃待 测,放射免疫分析法检测胰岛素水平。 1.11统计学处理 实验数据均表示为,使用ANOVA进行多组均 数之间差异的统计学检验,两两比较采用LSD法。 统计计算由SPSS统计软件完成。P<0.05为差异有 统计学意义。 2结 果 2.1色谱定性分析结果:由图谱可见,在选定色谱 条件下,植物油中的杂质对维生素E的测定无干扰, 经过萃取、煮沸,植物油中的维生素E可被破坏。 2-2氧化损伤指标:不同时期各组动物的血清MDA 浓度、血清SOD的活性及AGEs荧光值分别见表1、 2、3。 2.3血糖及血清胰岛素测定:实验第60天时。HH— AntiO组、HH+R组和HH+R—AntiO组大鼠均出现胰 岛素抵抗,见表4。 2.4 IvG1Tr:所有大鼠在实验60天时进行IVGTI", 结果见表5。 2.5注射STZ4周后FSI、FBG及ISI的变化:对产 生胰岛素抵抗的HH—AntiO组、HH+R组和HH+R— AntiO组大鼠腹腔注射STZ(20 mg/kg,每周1次)4 周,对照组同剂量腹腔注射生理盐水。各处理组大鼠 FBG与对照组相比显著升高且大于7.8 mmol/L.胰 岛素分泌与正常组相比显著减少,胰岛素抵抗依然 存在,因此为大鼠2型糖尿病模型,见表6。 2.6胰腺灌注:通过将葡萄糖浓度从5 mmo ̄L升高 表1不同时期大鼠血清MDA浓度变化(;螂)  ̄mol/L 注: 与对照组比较P<0.05; 与HH组比较P<0.05:c与HH— AntiO组比较P<0.05 表2不同时期大鼠血清SOD活性变化( ) U/ml 注: 与对照组比较P<0.05; 与HH组比较P<0.05;c与HH— AntiO组比较P<0.05: 与HH+R组比较P<0.05 表3不同时期大鼠血清AGEs荧光值变化(;±s) 注: 与对照组比较P<0.05; 与HH组比较P<0.05; 与HH—An— riO组比较P<0.05: 与HH+R组比较P<0.05 表4第6O天时大鼠FBG FSI及ISI的变化(; ) 注: 与对照组比较P<0.05; 与HH组比较P<0.05: 与HH—AntiO 组比较P<O.05; 与HH+R组P<0.05 表5第6O天时IVcrITI'终点(180 min) ̄糖值( )mmol/L 注: 与对照组比较P<0.05; 与HH组比较P<0.05; 与HH— AntiO组比较P<0.05: 与HH+R组比较P<0.05 :星围丝 堕 Q Q簦! 箜 Q鲞筮 塑 i! !塑 ! ! !: : ! : : : 表6注射s'rz4周后大鼠FBG FSI及IsI的变化( ) 注: 与对照组比较P<0.05: 与HH-Anti()组比较P<O.05;‘与 HH+R组比较P<O.05 至lI mmol/L刺激胰腺分泌胰岛素,检测3个实验 组和对照组大鼠胰岛B细胞功能。HH+R、HH+R— AntiO联合STZ注射组大鼠胰岛素释放趋势相似, 结果见图1A。HH—AntiO联合STZ注射组大鼠的胰 腺灌注结果见图1B。 时 (min) 图1 大鼠胰腺灌注过程中胰岛素的分泌量 2.7胰腺中胰岛素的提取:胰腺灌注结束后,提取 胰腺中的胰岛素.观察胰腺中胰岛素的储存量。图2 结果表明,HH—AntiO组、HH+R组和HH+R—AntiO 组大鼠胰腺中胰岛素的量分别为对照组的40%,5% 和4% 一一 对照组HH—AntiO组HH+R组HH+R—AntiO组 图2大鼠胰腺中提取的胰岛素浓度 3讨 论 有研究表明 f ,2型糖尿病的形成与氧化应激、自 由基防御机能紊乱密切相关。有研究表明放射线对 细胞的生物化学损伤主要是电离辐射导致多种自由 基对细胞的功能和结构损伤。我们选择4 Gy的辐射 剂量对大鼠进行∞co一 射线全身照射,目的是为了 造成大鼠全身自由基的损伤而不致死亡,同时给予 高脂高糖或高脂高糖除抗氧化剂饲料,观察大鼠氧 化损伤指标的变化。实验表明,辐射对大鼠造成了明 显的自由基损伤,照射组中的氧化损伤指标如 MDA、AGEs含量升高,超氧自由基的清除剂SOD的 活性下降。在氧化损伤发生的同时,我们发现HH+ R~AntiO组大鼠在实验开始60 d时出现高胰岛素 血症、胰岛素抵抗和IGT。实验结果表明氧化应激诱 发胰岛素抵抗,胰腺必需分泌足够高的胰岛素来克 服胰岛素抵抗,长期的高胰岛素分泌,导致IGT的发 生。IGT是引发2型糖尿病的危险因素 ]。 维生素E是典型的脂溶性抗氧化剂之一,能保 护细胞膜免受脂质过氧化物的破坏,临床实验表明 给2型糖尿病患者补充d一生育酚(维生素E的主要 成分之一)能改善他们的胰岛素功能… ,本研究将基 础饲料中的维生素E及部分抗氧化剂去除,引起氧 化应激增强、自由基生成增多。加之IGT造成的血液 黏度升高,微血管灌注不良,进一步促进自由基的形 成,加重了氧化损伤程度。大鼠血清MDA水平升高 提示体内过氧化脂质的增多.SOD活性下降和MDA 的堆积都可能加速了IGT的进程。总的来说,IGT大 鼠不但存在明显的脂质过氧化,而且机体抗氧化能 力也明显下降,这可能在IGT转化为2型糖尿病的 进程中起重要作用。因此,我们认为氧化损伤参与了 IGT的过程.并可能具有病因学意义,提示对IGT者 早期给予抗氧化剂干预治疗,可能有利于防止IGT 发展为2型糖尿病。 AGEs的形成一般是伴随2型糖尿病的一种重 要的生化异常。最近的诸多研究提示ll1],2型糖尿病 患者的血管病变进展迅速可能与AGEs影响血管壁 的自稳态有关。本部分实验结果提示,升高的血糖水 平加之机体的氧化应激环境,能够加速AGEs的生 成。血清胰岛素检测结果提示,胰岛素可能也参与了 糖基化反应,为了进一步证明我们的假设,还需进行 体外糖基化模拟实验 HH—Anti0组、HH+R组和HH+R—AntiO组大鼠 出现胰岛素抵抗后,腹腔注射STZ(20 mg/kg),每周 1次,连续4周,复制 稳定的高血糖模型。STZ对大 鼠胰腺的作用机制El3主要是通过葡萄糖转运子 2010年1月第l0卷第1期Chinese Remedies&Clinics (GLUT)中的GLUT2完成。为了证明本研究复制的 高血糖模型为2型糖尿病模型,通过胰腺灌注实验 观察模型动物胰岛素对葡萄糖的反应情况。当葡萄 糖浓度从5 mmol/L升高至1 1 mmol/L时,HH—AntiO 组动物胰岛素的分泌表现为两相性,第一相为胰岛 素快速分泌后逐渐减少,第二相的胰岛素分泌则出 现了明显的缺陷。该组动物的胰岛素水平在灌注初 期(葡萄糖浓度为5 mmol/L),就不正常地高于对照 组.这可能是HH—AntiO组动物的胰岛素抵抗增加 了机体对B细胞分泌需求所致。通过检测灌注后的 胰腺中胰岛素的量来确定模型组大鼠胰腺B细胞的 分泌功能,与大剂量注射STZ不同,以20 mg/kg的 剂量多次给予STZ不会造成胰腺胰岛素水平的急剧 下降.HH—AntiO组大鼠胰腺中胰岛素的量约为对照 组的40%,提示胰腺B细胞还具有一定程度的分泌 胰岛素功能,与2型糖尿病患者的临床症状相似。 HH+R组和HH+R—AntiO组大鼠对葡萄糖的敏感性 较差。也许与辐射造成的全身损伤有关.确切原因还 需进一步探讨。 综上所述,各组动物在不同时间点出现不同程 度的氧化损伤改变。60 d时,除HH组外,其余各组 动物均出现胰岛素抵抗。结合小剂量STZ注射后,大 鼠出现比较稳定的中度高血糖,其中HH—AntiO组 大鼠对葡萄糖刺激的反应最为接近2型糖尿病患者 胰岛素分泌的两相性特点,同时胰腺中胰岛素也有 一定的贮存量,约为对照组的40%。与遗传因素在发 病过程中起主导作用的转基因大鼠模型相比,本研 究建立的大鼠2型糖尿病模型能更好地观察环境因 素对机体的影响,可以用于预防和治疗2型糖尿病 的药物研究。 参考文献 1 朱禧星.杨永年。沈稚舟.现代糖尿病学.上海:上海医科大学 出版社.2000. 2 李聪然,游雪甫,蒋建东.糖尿病动物模型及研究进展.中国比 较医学杂志,2005,15(1):59—63. 3 Robe ̄son RP,Harmon J,Tran PO,et a1.Beta—cell glucose toxiei— ty,lipotoxicity,and chronic oxidative stress in type 2 diabetes. Diabetes,2004,53(suppl 1):119—124. 4 yagi K.A simple fluorometrie assay for lipopemxide in blood plasma.Biochem Med,1976,15(2):212—216. 5 Kono Y.Generation of superoxide radical during autoxidation of hydmxylamine and an assay for superoxide dismutase. Arch Biochem Biophys,1978,186(1):189-195. 6 Munch G,Keis R,Wessels A,et a1.Determination of advanced glycation end products in serum by fluorescence spectroscopy and competitive ELISA.Eur J Clin Chem Clin Biochem,1997,35 (9):669—677. 7 李光伟,潘孝仁,Stephen L,等.检测人群胰岛素敏感性的一项 新指数.中华内科杂志,1993,32(10):656—660. 8 Masiello P,Broca C,Gross R,et a1.Experimental NIDDM:devel— opment of a new model in adult rats administered streptozatocin and nicotinamide.Diabetes,1998,47(2):224—229. 9 Grodsky GM,Batts AA,Bennett LL,et a1.Effects of carbohydrates on secretion of insulin from isolated rat pancreas.Am J Physiol, 1963,205(4):638—644. 10 Tripathy D,Carlsson M,Almgrea P,et a1.Insulin secretion and insulin sensitivity in relation to glucose tolerance:1essons from the bothia study.Diabetes,2000,49(6):975—980. 1 1 Gokkusu C,Palanduz S,Ademoglu E,et a1.Oxidant and antioxi- dant systems in NIDDM patients:influence of vitamin E supple— mentation.Endocr Res,2001,27(3):377—386. 12 Ramasamy R,Vannucci SJ,Yan S,et a1.Advanced glyeation end products and RAGE:a common thread in aging,diabetes,neu— rodegeneration,and inflammation.Glyeobiology,2005,15(7):16- 28. 13 Szkudelski T.The mechanism of alloxan and streptozotocin action in B Cells of the rat pancreas.Physiol Res,2001,50(6):537- 546. (收稿日期:2009—02—23)