沙棘多糖對胰島素抵抗HepG2細胞氧化應激的保護作用與機制

王秋丹 趙凱迪 林長青

(延邊大學醫學院中醫系，吉林 延吉 133000)

沙棘(HippophaerhamnoidesL.)是一種胡頹子科、沙棘屬落葉性灌木，在世界各地均有種植。研究[1]顯示，沙棘多糖具有一定的緩解體力疲勞、增強小鼠運動能力和抗氧化的作用。

植物多糖是植物細胞代謝產生的聚合度超過10個的聚糖。如今，植物多糖因其具有無毒、可生物降解、低成本、易獲得的特性，已被廣泛應用于食品、醫藥、農業和化妝品行業[2-3]。但目前對于沙棘多糖的報道多是集中在沙棘多糖的提取工藝以及純化研究[4-5]，在功能性方面報道過沙棘多糖抗疲勞、抗氧化、抗炎等[6-8]。

2型糖尿病(T2DM)，一種內分泌代謝疾病，占糖尿病病例的大多數，已成為世界性的問題[9-10]。據報道[11]，2019年糖尿病病例數量達到4.63億例，預計2030年將增至約5.78億例，2045年將增至7.00億例。T2DM主要是由于體內產生胰島素抵抗，使機體代謝失調從而引發糖尿病的發生，因此對于T2DM的治療可從胰島素抵抗方面著手。目前市售治療糖尿病的藥物多為西藥，如二甲雙胍，此類藥物依賴性強，且長期使用會有一定的副作用[12]。

沙棘富含多種營養活性成分，但目前對沙棘多糖改善胰島素抵抗方面的報道較少，且僅停留于動物層面的研究[13]。試驗擬研究沙棘多糖對胰島素抵抗細胞模型的改善作用及可能機制，旨在為開發沙棘成為新型治療糖尿病產品提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

沙棘：延吉市海蘭江藥店；

鹽酸吡格列酮：江蘇萬邦生化醫藥股份有限公司；

人肝細胞癌細胞系HepG2：上海ATCC細胞庫；

2-(2-甲氧基-4-硝基苯基)-3-(4-硝基苯基)-5-(2,4-二磺酸苯)-2H-四唑單鈉鹽(CCK-8)：上海碧云天生物技術有限公司；

重組人胰島素、DMEM高糖培養基、雙抗、胰酶、糖原試劑盒：北京索萊寶科技有限公司；

胎牛血清：美國Gibco公司；

葡萄糖試劑盒、一氧化氮合成酶(NOS)測定試劑盒：南京建成生物工程研究所；

離心機：TDZ5-WS型，湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司；

電熱恒溫水浴鍋：HWS-24型，上海一恒科學儀器有限公司；

熒光倒置顯微鏡：Olympus IX73型，奧林巴斯(中國)有限公司；

細胞培養箱：MCO-5AC型，日本SANYO有限公司；

酶標儀：BK-EL10C型，山東博科生物產業有限公司；

電泳儀：Western Blot型，BIO-RAD Laboratories Inc.；

凝膠成像系統：BioSpectrum510型，美國UVP公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 沙棘多糖的提取 參考祝敏等[14]的方法并稍作改動，將沙棘烘干粉碎，過40目篩，超聲波功率300 W，料液比(m沙棘粉∶V水)為1∶30 (g/mL)，提取時間1 h，提取溫度80 ℃浸提兩次，合并兩次提取液，用80%乙醇醇沉24 h，Sevage法除蛋白，1%活性炭脫色，冷凍干燥24 h，凍干成粉，4 ℃保存備用。

1.2.2 沙棘多糖含量的測定 采用苯酚硫酸法[15]。

1.2.3 細胞培養 取液氮中凍存的細胞，快速解凍后加入預先已添加10 mL含10%胎牛血清的DMEM培養基的15 mL離心管中，1 500 r/min離心5 min，棄上清，用1 mL 完全培養基重懸細胞，將細胞接于培養皿中，加入含10%胎牛血清的DMEM培養基，于37 ℃、0.5% CO2培養箱中進行培養。當細胞貼壁生長至80%～90%且生長狀態良好時，使用0.25%的胰酶消化傳代，并計數。

1.2.4 沙棘多糖對HepG2細胞活力的影響 采用CCK-8法。取對數期HepG2細胞，將其稀釋成5×104個/mL單細胞懸液，并接種于96孔板中，每孔200 μL。分別配制質量濃度為50，100，200，400，800，1 600 μg/mL的沙棘多糖，對HepG2細胞進行干預24 h，每孔加入10 μL CCK-8，在培養箱中繼續培養2 h，用酶標儀測定450 nm處的吸光值，計算各組細胞活力以篩選出沙棘多糖安全劑量。

1.2.5 胰島素抵抗細胞模型的建立與分組 取生長狀態良好，細胞貼壁生長達90%的HepG2細胞，稀釋成5×104個/mL單細胞懸液，每孔100 μL接種至96孔板中。細胞共分為5組，分別為正常組、模型組、沙棘多糖低劑量組(200 μg/mL)、沙棘多糖高劑量組(400 μg/mL)、陽性組(鹽酸吡格列酮200 μg/mL)。除正常組外，其余各組用含5×10-8mol/L胰島素的培養基誘導48 h[16]。

1.2.6 葡萄糖消耗量測定 取培養基上清，用葡萄糖試劑盒檢測培養基上清中葡萄糖含量，具體操作按說明書進行，并按式(1)計算葡萄糖消耗量。

ΔG=G0-Gx，

(1)

式中：

ΔG——各組細胞的葡萄糖消耗量，mmol/L；

G0——未接種細胞的空白組中葡萄糖含量，mmol/L；

Gx——測得各組培養液中葡萄糖含量，mmol/L。

1.2.7 糖原相對含量測定 收集5×106～10×106個細胞到離心管內，離心后棄上清，加入0.75 mL提取液超聲波破碎細胞并轉移至10 mL 試管中，置于沸水浴中煮沸20 min，冷卻后，用蒸餾水定容到5 mL，混勻，8 000×g、25 ℃離心10 min，取上清液待測，按糖原試劑盒說明書進行后續操作。

1.2.8 SOD、MDA測定 收集細胞上清液用于SOD檢測，分別消化收集細胞用于MDA檢測。按SOD、MDA、ROS、SOD試劑盒說明書操作，測定各指標，并計算結果。

1.2.9 相關蛋白測定 Western Blot法。用RIPA強裂解液進行細胞蛋白的提取，12 000×g離心10 min，取上清并用BCA蛋白濃度測定試劑盒測定蛋白濃度，5×蛋白上樣緩沖液進行煮沸，-20 ℃保存備用。根據目標蛋白分子量大小選擇合適的分離膠濃度，電壓100 V，電泳時間120 min，電泳結束后以100 V，60 min進行轉膜，之后于5%的脫脂奶粉中封閉1 h，一抗4 ℃孵育過夜，二抗室溫孵育1 h，ECL顯影并拍照。

1.2.10 統計學分析 使用SPSS 23.0對整理后的試驗數據進行統計學分析，計算各組均值與標準偏差，進行顯著性差異分析。所得的數據以圖表和均值±標準偏差的形式表示。P<0.05表示有顯著性差異，P>0.05表示無顯著性差異即無統計學意義。

2 結果與分析

2.1 沙棘多糖含量

多糖得率為9.15%，圖1為葡萄糖標準液吸光度及標準曲線，標準曲線為y=10.075x+0.009 4(R2=0.996 4)。由此算出沙棘多糖含量為88.46%。

圖1 多糖標準曲線Figure 1 Standard curve of polysaccharides

2.2 沙棘多糖對HepG2細胞活力的影響

根據細胞活力篩選出后續使用的安全劑量。圖2為不同質量濃度沙棘多糖對HepG2細胞干預24 h后的細胞活力情況。由圖2可知，在沙棘多糖質量濃度為50～400 μg/mL時，細胞活力均在80%以上，在沙棘多糖質量濃度達到800 μg/mL時，細胞活力出現顯著下降(P<0.05)，因此后續試驗選擇的最大安全質量濃度為400 μg/mL。可見，當濃度超過一定范圍后，沙棘多糖對細胞活力會出現顯著性影響。

字母不同代表差異顯著(P<0.05)圖2 沙棘多糖質量濃度對HepG2細胞活力的影響Figure 2 The effect of different concentrations of seabuckthorn polysaccharides on the viability of HepG2 cells

2.3 沙棘多糖對葡萄糖消耗量的影響

在正常機體內，細胞利用胰島素將葡萄糖吸收并分解，以便為機體提供能量，當發生胰島素抵抗時，由于細胞對胰島素的敏感度降低，不能有效識別胰島素傳遞的信號，導致細胞對血液內的葡萄糖攝取率下降，因此葡萄糖的消耗減少，而血液內的葡萄糖則增多[17]。加入能夠改善胰島素抵抗的藥物后，細胞對葡萄糖的消耗量有所增多。由圖3可知，與正常組相比，模型組葡萄糖消耗量顯著降低(P<0.05)，經沙棘多糖高劑量組處理后能夠顯著提高其葡萄糖消耗量(P<0.05)，且與陽性組間無顯著性差異(P>0.05)。可能是由于沙棘多糖調節了細胞識別胰島素的敏感程度，從而提高了細胞對葡萄糖的吸收。因此推測，沙棘多糖能夠調節胰島素抵抗細胞對葡萄糖的攝取。Chen等[18]的研究也表明，仙人掌多糖能夠提高胰島素抵抗HepG2細胞對葡萄糖的吸收。

字母不同代表差異顯著(P<0.05)圖3 沙棘多糖對葡萄糖消耗量的影響Figure 3 The effect of seabuckthorn polysaccharides on glucose consumption

2.4 沙棘多糖對糖原含量的影響

糖原是機體儲存糖的主要形式，糖原合成會使血糖升高，糖原分解會使血糖降低，因此其對維持血糖的相對穩定極為重要，同時能夠指示胰島素抵抗狀況[19]。如圖4 所示，模型組糖原的相對含量顯著降低(P<0.05)，經沙棘多糖處理后能夠顯著提高糖原相對含量(P<0.05)。這主要是由于沙棘多糖提高了細胞對葡萄糖的攝取，葡萄糖在各種酶的作用下合成糖原，最終導致糖原含量升高。由此可見，沙棘多糖能夠改善胰島素抵抗的HepG2細胞中糖代謝紊亂，減輕高糖高脂引起的糖原含量下降。Zhu等[20]研究了苦瓜中水溶性多糖和堿溶性多糖對胰島素抵抗細胞模型的作用，發現其也能夠提高糖原含量。

字母不同代表差異顯著(P<0.05)圖4 沙棘多糖對糖原含量的影響Figure 4 The influence of seabuckthorn polysaccharides on glycogen content

2.5 沙棘多糖對SOD、MDA水平的影響

表1為沙棘多糖對HepG2細胞中SOD、MDA水平的影響，與正常組相比，模型組細胞中SOD水平顯著下降(P<0.05)，MDA水平顯著升高(P<0.05)。與模型組比較，經沙棘多糖處理后的HepG2細胞SOD水平得到顯著提高(P<0.05)，MDA水平顯著下降(P>0.05)。可能是由于沙棘多糖具有抗氧化活性，因此對細胞內的氧化應激相關酶起到了調控作用。說明沙棘多糖能夠有效改善胰島素抵抗細胞模型的氧化應激水平。Wei等[21]對沙棘漿果中的多糖進行了研究，發現其具有抗氧化活性，并能夠提高小鼠SOD活力，降低MDA活力。

表1 沙棘多糖對HepG2細胞中SOD、MDA水平的影響?

2.6 沙棘多糖對氧化應激蛋白表達的影響

環氧氯丙烷相關蛋白(Keap1)與核因子E2(Nrf2)在細胞質中結合，激活血紅素加氧酶1(HO-1)的啟動子，HO-1蛋白表達會在受到氧化應激和細胞損傷后上調[22]。由圖5可知，模型組中Nrf2和HO-1二者表達量顯著降低(P<0.05)，Keap1表達量顯著升高(P<0.05)，經沙棘多糖處理后能夠顯著提高Nrf2和HO-1的表達水平(P<0.05)，顯著降低Keap1的表達水平(P<0.05)。可見，沙棘多糖能夠調控胰島素抵抗細胞模型的氧化應激相關蛋白。其可能機制如圖6所示，沙棘多糖通過膜蛋白將其轉運進細胞內，Nrf2與Keap1在細胞質中處于結合狀態，在受到沙棘多糖刺激后，兩者分開，Keap1留在細胞質中，而Nrf2到細胞核中與反應元件ARE結合，促進下游蛋白HO-1表達升高，進而導致氧化應激及相關酶的變化。因此推測沙棘多糖是通過調控Nrf2/HO-1/Keap1信號通路從而起到保護胰島素抵抗HepG2細胞氧化應激的作用。

字母不同代表差異顯著(P<0.05)圖5 沙棘多糖對氧化應激蛋白表達的影響Figure 5 The effect of seabuckthorn polysaccharides on the expression of oxidative stress protein

圖6 沙棘多糖對胰島素抵抗HepG2細胞氧化應激的保護作用可能機制Figure 6 The possible mechanism of the protective effect of seabuckthorn polysaccharides on insulin-resistant HepG2 cells against oxidative stress

3 結論

沙棘多糖能夠提高HepG2細胞胰島素抵抗模型中葡萄糖消耗量以及糖原相對含量，提高其超氧化物歧化酶水平，降低丙二醛水平，改善胰島素抵抗細胞模型異常糖代謝情況和氧化應激水平，并通過調控環氧氯丙烷相關蛋白/核因子E2/血紅素加氧酶1通路起到改善胰島素抵抗的作用。該試驗彌補了沙棘多糖在胰島素抵抗細胞層面上的空白，但僅從細胞層面測定了糖代謝的基礎指標以及不同氧化酶和氧化應激相關蛋白，未在動物層面對其胰島素抵抗作用進行研究，后續將對沙棘多糖在動物水平的胰島素抵抗作用進行深入研究。