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EGCG 對非肥胖型糖尿病大鼠腎損傷的改善作用及調節機制研究

2023-12-29 00:00:00彭麗媛曾鴻哲萬麗瑋文帥劉昌偉安勤鮑肅都黃建安劉仲華
茶葉科學 2023年6期

摘要:EGCG 是一種抗氧化、抗炎癥的天然活性成分,目前關于EGCG 的抗氧化和抗炎癥作用在糖尿病腎損傷中的作用及調節機制研究較少。采用不同劑量的EGCG 干預非肥胖型糖尿病Goto-Kakizaki(GK)大鼠以探究EGCG 對糖尿病大鼠腎損傷的作用和機制。試驗周期為4 周,監測試驗期內大鼠的平均體質量和日平均攝食量,并在試驗結束后取血清和腎臟組織,檢測大鼠腎功能、腎臟病理指標、氧化應激和炎癥指標以及Nrf2-Keap1/MAPK 信號通路相關基因表達水平。試驗表明,EGCG 能夠有效改善GK 大鼠腎臟形態損傷,顯著降低血肌酐、尿素氮和腎臟丙二醛含量,提高腎臟超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶等抗氧化酶活性, 抑制促炎因子單核細胞趨化蛋白-1 和白介素-1β 的釋放水平, 調節與抗氧化應激相關的Nrf2-Keap1/MAPK 信號通路的Nrf2、Keap1、JNK、NF-κB、P38 基因表達水平,且在試驗范圍內,高劑量的改善效果優于低劑量。以上結果表明,EGCG 對大鼠糖尿病導致的腎損傷有一定的改善作用,其作用機理可能與Nrf2-Keap1/MAPK 信號通路介導的抗氧化應激有關。

關鍵詞:EGCG;糖尿病腎損傷;氧化應激;炎癥;糖尿病;GK 大鼠

中圖分類號:S571.1;R587.1 文獻標識碼:A 文章編號:1000-369X(2023)06-784-11

腎臟是人體的重要內臟器官,具有排泄、重吸收和內分泌等功能[1]。長期腎損傷導致腎臟排水和排毒能力下降,可能引起腎性高血壓、電解質紊亂和尿毒癥性心肌癥等并發癥,影響人體健康。糖尿病腎損傷(Diabetic kidneydisease,DKD)是2 型糖尿病(Diabetes mellitustype 2,T2DM)常見的微血管并發癥,也是引起終末期腎病(End-stage renal disease,ESRD)的首要原因,全球約有30%~50%的ESRD 是由DKD 所致[2]。因此DKD 已經成為一種亟待解決的健康問題。

目前針對糖尿病及其并發癥,主要是采用降血糖藥物進行治療,但仍存在治療成本高、患者對治療的依從性差、副作用大、低血糖風險高等問題[3]。因此人們越來越關注天然活性物質對DKD 的治療功效。茶是世界上很受歡迎的飲料之一,表沒食子兒茶素沒食子酸酯(Epigallocatechin gallate,EGCG)作為茶葉中含量最高的多酚類物質,因其顯著的降血糖功效已被用作糖尿病的替代療法[4]。然而目前關于EGCG 改善高血糖引起的組織損傷的作用機制多聚焦于EGCG 的降血糖功效,較少討論EGCG 的抗氧化和抗炎癥作用在DKD 中的作用及調節機制。

非肥胖型Goto-Kakizaki(GK)大鼠是一種自發性T2DM 動物模型。因其生長發育過程中所體現的大量生物學特性與人類T2DM 具有高度相似性,且造模穩定,近年來在糖尿病及相關并發癥的動物研究中得到廣泛應用[5]。研究發現,成年(8~12 周)GK 大鼠的腎臟形態變化與人類糖尿病腎損傷相似,且具有氧化應激基礎,如高血糖、胰島素抵抗和微血管損傷[6]。因此,本研究以GK 大鼠為對象探究不同劑量的EGCG 對自發非肥胖型T2DM 大鼠腎損傷的作用和機制,為開發EGCG 應用于治療DKD 提供理論依據和試驗基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 實驗動物

從江蘇常州卡文斯實驗動物有限公司采購SPF 級的9~11 周齡的雄性GK 大鼠30 只以及7~8 周齡健康Wistar 大鼠10 只,實驗動物生產許可證號:SCXK(蘇)2021-0013。動物實驗經湖南農業大學動物實驗委員會批準[批準號:倫審科2021 第(2137)號],飼養于湖南農業大學茶葉研究所動物房。動物房溫度24~26 ℃,光暗時間為12 h/12 h 循環,飼養期間大鼠自由飲水進食。

1.1.2 藥品和試劑

EGCG(純度≥98%)由湖南三福生物科技公司提供;肌酐(Creatinine,CRE)、尿素氮(Blood urea nitrogen,BUN)、總超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶( Glutathione peroxidase ,GSH-Px)、過氧化氫酶(Catalase,CAT)、總抗氧化能力( Total antioxidant capacity ,T-AOC)、丙二醛(Malondialdehyde,MDA)和總蛋白等檢測試劑盒購自南京建成生物工程研究所有限公司; 大鼠腫瘤壞死因子-α(Tumor necrosis factor,TNF-α)、白介素-6( Interleukin-6 , IL-6 )、白介素-1β(Interleukin-1β,IL-1β)和單核細胞趨化蛋白-1 ( Monocyte chemoattractant protein-1 ,MCP-1 ) 等酶聯免疫法( Enzyme-linkedimmunosorbent assay,ELISA)試劑盒購自武漢華美生物工程有限公司;總RNA 提取試劑盒、反轉錄試劑盒和實時熒光定量試劑盒購于湖南艾科瑞生物工程有限公司。

1.1.3 儀器和設備

UV-2550 型紫外分光光度計,島津儀器(蘇州)有限公司;病理切片機(RM2016),上海徠卡儀器有限公司;生物顯微鏡(NIKONE100),日本尼康有限公司;Varioskan Flash-全波長多功能酶標儀、微量核酸定量儀(NanoDrop 2000)、96 孔PCR 儀(SimpliAmp)、實時定量PCR 儀( QuantStudio 3 ), 美國Thermo Fisher Scientific 公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 動物分組及干預

10 只雄性Wistar 大鼠和30 只GK 大鼠適應性喂養2 周,30 只GK 大鼠空腹血糖值均大于11.1 mmol·L-1,為合格的糖尿病模型鼠[7]。將GK 大鼠隨機等分成3 組(每組10 只),分別為模型( MC ) 組、10 mg·kg-1 EGCG( EGCG10 ) 干預組、120 mg·kg-1 EGCG(EGCG120)干預組,均進食60%高脂飼料。干預劑量均為安全劑量[8]。10 只Wistar 大鼠作為正常對照(NC)組,進食實驗鼠維持飼料。EGCG10 和EGCG120 組的大鼠每天按相應劑量灌胃1 次EGCG,干預4 周,每周記錄大鼠體質量和攝食量。試驗結束時,大鼠禁食12 h 后腹腔注射戊巴比妥鈉(30 mg·kg-1)后稱重。采集血液樣本和腎臟組織,并立即保存在–80 ℃冰箱中備用。試驗設計如圖1A 所示。

1.2.2 腎功能指標檢測

肌酐、尿素氮是蛋白質終極代謝產物,經腎小球濾過排出體內,當腎小球濾過能力下降時,血液中的肌酐和尿素氮含量升高[9],因此檢測肌酐、尿素氮以評價糖尿病GK 大鼠腎功能。大鼠處死后取大動脈血,室溫靜置2 h,4 ℃ 3 500 r·min-1 離心10 min,取血清放置于–80 ℃冰箱保存。嚴格按照試劑盒說明書檢測血肌酐(Serum creatinine,Scr)和尿素氮。

1.2.3 腎臟組織形態學觀察

大鼠腎臟置于4%多聚甲醛溶液中固定,經脫水、包埋、切片、蘇木精- 伊紅染色(Hematoxylin-eosin staining,Hamp;E 染色)和過碘酸-雪夫染色(Periodic acid-schiff stain,PAS 染色)后,使用顯微鏡觀察腎臟和腎小球的完整性及受損情況,Image J 統計腎小球面積,并計算腎臟肥大指數以評價大鼠腎臟病理情況。

腎臟肥大指數=雙腎質量(g)/體質量(g)

1.2.4 腎臟氧化應激指標檢測

準確稱量大鼠腎臟質量,按質量(g)∶體積(mL)=1∶9 的比例,加入9 倍體積的生理鹽水,冰水浴條件下勻漿,2 500 r·min-1 離心10 min,去除上清液制備成10%腎臟勻漿,后續嚴格按照試劑說明書進行預試驗后,找到最佳勻漿濃度檢測腎臟酶類抗氧化劑SOD、GSH-Px、CAT、T-AOC 和脂質氧化產物MDA含量。

1.2.5 ELISA 檢測腎臟和血清炎癥水平

取大鼠10%腎臟勻漿和血清,嚴格按照相關試劑盒說明書進行預試驗,找到最佳勻漿、血清濃度檢測大鼠IL-6、IL-1β、TNF-α 和MCP-1。

1.2.6 Nrf2-Keap1/MAPK 信號通路相關基因檢測

取腎臟勻漿,按照艾科瑞試劑盒說明書對其進行總RNA 抽提,測定RNA 濃度,并將RNA 反轉錄為cDNA。調節cDNA 濃度后結合SYBR 反應體系,對腎臟中核轉錄相關因子(NF-E2-related factor 2,Nrf2)、Kelch 樣ECH聯合蛋白1 ( Kelch-like ECH -associatedprotein1,Keap1)、醌氧化還原酶1(Quinoneoxidoreductase 1,NQO1)、血紅素加氧酶1(Heme oxygenase 1,HO-1)、細胞外信號調節激酶(Extracellular signal regulated kinase,ERK)、c-Jun 氨基末端激酶(c-Jun N-terminalkinase,JNK)、核因子活化B 細胞κ 輕鏈增強子(Nuclear factor kappa-light-chain-enhancerof activated B cells,NF-κB)、絲裂原活化蛋白激酶P38(Mitogen-activated protein kinase,P38)的基因表達水平進行測定,PCR 引物序列見表1。

1.3 數據處理和分析

采用Image J 軟件處理圖像,使用IBMSPSS Statistics 25 和GraphPad Prism 9 軟件對數據進行分析統計并繪制圖表。試驗數據采用平均數±標準差( x ±SD)表示,多組間數據比較采用One-way ANOVA 單向方差分析和Dunnett 多重比較檢驗,P<0.05 表示差異達到統計學顯著水平。

2 結果與分析

2.1 EGCG 對糖尿病GK 大鼠的體質量、攝食量的影響

如圖1B 所示,MC、EGCG10、EGCG120組的大鼠初始體質量無顯著差別,而NC 組大鼠初始體質量明顯低于其他3 組大鼠;對應飲食喂養4 周后,NC 組大鼠體質量增幅明顯,且高于其他3 組大鼠,不同劑量EGCG 干預對糖尿病GK 大鼠體質量無明顯影響。在日平均攝食量方面(圖1C),與NC 組大鼠相比,糖尿病GK 大鼠日平均攝食量下降,10 mg·kg-1EGCG 干預無明顯變化,120 mg·kg-1 EGCG 干預后,GK 大鼠日平均攝食量略有增加。

2.2 EGCG 對糖尿病GK 大鼠腎功能指標的影響

由圖1D 和圖1E 可知,與正常組大鼠相比,模型組大鼠血清中的尿素氮、肌酐顯著增加(Plt;0.05);與模型組相比,補充10 mg·kg-1和120 mg·kg-1 EGCG 后,GK 大鼠血清中的肌酐和尿素氮均顯著下降( Plt;0.05 ), 且EGCG120 組大鼠的血肌酐含量低于正常對照組。這些結果表明,EGCG 能降低DKD 大鼠尿素氮和血肌酐含量,提高糖尿病GK 大鼠的腎小球濾過能力,改善腎臟功能。

2.3 EGCG 對糖尿病GK 大鼠腎臟組織形態學的影響

Hamp;E 染色可使細胞核呈藍色,細胞質、基質、間質膠原呈紅色,主要用于觀察腎臟組織基本結構,分辨細胞的種類、壞死及管型成分。如圖2A 所示,Hamp;E 染色結果顯示,NC組大鼠腎皮質部腎小管排列緊密、腎小球組織結構清晰未見異常;MC 組大鼠出現腎小管內蛋白管型,腎小囊內血漿蛋白滲出,腎小管上皮細胞空泡腫脹,腎小管結構明顯擴張;EGCG10組的大鼠腎小管上皮細胞空泡樣變明顯,腎小球旁器細胞增生;EGCG120 組大鼠腎臟組織形態與NC 組相近,未見異常,明顯區別于MC 組和EGCG10 組。

PAS 染色可使腎小球基底膜、系膜基質、腎小管基膜呈紫紅色,細胞核呈藍色,能清楚地觀察腎小球固有細胞的位置、變化和腎小管上皮細胞的變化。由圖2B 可知,與正常對照組相比,模型對照組大鼠腎小球肥大、出現系膜區增大、基底膜增厚、基質增多和系膜細胞增生等病變,符合DKD 病理特征。相較于模型對照組,EGCG 干預后以上病變情況減輕,且高劑量EGCG 的改善效果優于低劑量。腎臟和腎小球體積增大是DKD 的特征,高糖環境下,血流動力學的改變使腎小球內壓力增高、濾過率持續性下降,腎臟血流量增多導致腎臟和腎小球肥大。由圖2C 和圖2D 可知,120 mg·kg-1 EGCG 干預顯著改善了GK 大鼠的腎臟肥大(Plt;0.01),并使腎小球體積回降到正常狀態。

2.4 EGCG 對糖尿病GK 大鼠腎臟氧化應激指標的影響

為研究EGCG對糖尿病GK大鼠腎臟抗氧化酶系統及氧化損傷的影響,檢測了大鼠腎臟抗氧化酶系統,如SOD(圖3A)、CAT(圖3C)、GSH-Px(圖3D)、T-AOC(圖3E),以及膜脂過氧化產物MDA(圖3B)。與MC 組相比,10 mg·kg-1 和120 mg·kg-1 EGCG 干預可顯著調節SOD、CAT、GSH-Px 和T-AOC 活性,抑制脂質氧化產物MDA 的產生。說明EGCG 增強了GK 大鼠腎臟抗氧化酶活性,減輕了腎臟氧化應激。

2.5 EGCG 對糖尿病GK 大鼠腎臟及血清炎癥反應的影響

通過檢測GK 大鼠腎臟和血清中的MCP-1、TNF-α、IL-6 和IL-1β 釋放水平以評價EGCG 的抗炎作用。如圖4 所示,各組大鼠腎臟中的TNF-α、IL-6 和IL-1β 含量無顯著差異,MC 組大鼠腎臟中MCP-1 的釋放水平顯著高于其他3 組,不同劑量的EGCG 干預均顯著降低了腎臟中MCP-1 含量(Plt;0.05)。各組大鼠血清中的TNF-α 含量無顯著差異;MC 組的血清中IL-6、IL-1β、MCP-1 含量顯著高于正常組(Plt;0.0001),不同劑量EGCG干預對血清中IL-6 含量無顯著影響,但顯著降低了IL-1β(Plt;0.0001)、MCP-1(Plt;0.05)的釋放水平。EGCG 的干預降低了GK 大鼠的MCP-1、IL-1β 的釋放水平,且在DKD 大鼠的腎臟和血清中促炎因子釋放水平不同,血清中促炎因子IL-6 和IL-1β 的變化先于腎臟,這可能表示高血糖誘導的氧化應激不會最先發生在腎臟。

2.6 EGCG 對Nrf2-Keap1/MAPK 信號通路的影響

在上述研究的基礎上, 為進一步探究EGCG 通過抑制氧化應激及炎癥改善糖尿病GK 大鼠腎損傷的分子機制,檢測了GK 大鼠腎臟中調控氧化應激的Nrf2-Keap1/MAPK 信號通路相關基因的表達水平。由圖5A 可知,與NC 組相比,MC 組Nrf2、NQO1、HO-1 的表達量顯著下降(Plt;0.05),Keap1 表達量顯著增加(Plt;0.01)。不同劑量EGCG 干預對NQO1和HO-1 的表達量無顯著影響;10 mg·kg-1 EGCG干預對Nrf2 和Keap1 的表達量與MC 組無顯著差異,而120 mg·kg-1 EGCG 干預顯著增加了Nrf2 的表達量(Plt;0.001),顯著降低了Keap1 的表達量(Plt;0.05)。由圖5B 可知,在MAPK 信號通路中,ERK 表達水平在各組無顯著差別;10 mg·kg-1 EGCG 干預對JNK 的表達量無顯著影響,但顯著降低了NF-κB 和P38的表達量(Plt;0.01);120 mg·kg-1 EGCG 干預組大鼠腎臟中JNK、NF-κB 和P38 的表達量顯著低于MC 組(Plt;0.01)。以上結果表明,EGCG可能是通過調節腎臟Nrf2-Keap1/MAPK 信號通路抑制糖尿病GK 大鼠的氧化應激和炎癥。

2.7 EGCG 濃度與GK 大鼠腎臟、血清生化指標的相關性分析

如圖6A 所示,EGCG 濃度與Scr、BUN、MDA、血清IL-1β、MCP-1 和腎臟MCP-1 含量呈顯著負相關(Plt;0.01),與SOD、CAT、GSH-Px以及T-AOC 活性呈顯著正相關(Plt;0.01)。

3 討論

近年來,我國糖尿病患病率不斷上漲。根據《2021 全球糖尿病地圖》數據顯示,2011年到2021 年,我國糖尿病患者人數由9 000萬增加至1.4 億,增幅達56%[10]。在我國糖尿病患病人群中,T2DM 占90%以上,T2DM 并發腎病(DKD)的患病率高達21.8%[11],嚴重危害我國居民健康。限于目前醫學水平,糖尿病仍是一種終身性疾病,如何通過減輕氧化應激損傷預防慢性并發癥、提高患者生活質量和延長壽命是糖尿病治療的遠期目標。

腎臟病理學檢查是DKD 診斷的“金標準”[12]。隨著病情發展,DKD 患者會出現腎臟濾過能力下降、腎小球肥大、腎小球基底膜增厚、系膜擴張、基質增多等改變[13-14]。本研究結果顯示,EGCG 干預可顯著降低GK 大鼠的血肌酐、尿素氮含量,改善GK 大鼠腎小球肥大、系膜區增大、基底膜增厚、基質增多和系膜細胞增生等腎臟形態學病變,緩解GK 大鼠的腎臟損傷。

抗氧化應激是防治T2DM 和DKD 發展的重要分子機制[15]。體外試驗發現,EGCG 可以顯著降低細胞的ROS 水平,提高細胞活力[16-17]。體內試驗發現,100 mg·kg-1·d-1 EGCG 對GK大鼠干預12 周,觀察到EGCG 可以通過靶向ROS-ERK/JNK-P53 途徑減少ROS 產生改善GK 大鼠的高血糖和氧化應激[18]。Nrf2 是抗氧化酶和解毒基因的主要調節因子,被證實能與Keap1 相互作用以減少氧化應激并改善生物體的整體抗氧化功能[19]。HO-1、NQO1 和GPx是Nrf2-Keap1 信號通路的下游靶基因,Wang等[20]觀察到EGCG 干預上調了這些基因的表達。Khan 等[21]研究發現,EGCG 可以通過提高抗氧化酶SOD、CAT 和GPx 的活性改善博來霉素誘導Wistar 大鼠的氧化應激和肺纖維化。因此本研究假設EGCG 可以通過Nrf2-Keap1 信號通路調節抗氧化酶活性抑制GK 大鼠腎臟氧化應激。如圖3 和圖5A 所示,EGCG 干預上調了Nrf2 基因的表達,提高了抗氧化酶SOD、CAT、GSH-Px 活性,這可能是由于EGCG 促進了Keap1 對自身半胱氨酸殘基的修飾,阻止了Nrf2 降解,并促進Nrf2進入細胞核內, 激活抗氧化響應元件(Antioxidant response element,ARE),調節抗氧化酶的活性發揮抗氧化應激的作用[22](圖6B)。

研究發現,氧化應激可以通過激活P38和NF-κB 等信號通路誘導促炎因子表達[23]。周繼紅等[24]發現,膳食補充EGCG 可顯著降低高果糖飲食誘導的小鼠肝臟中TNF-α、IL-1β 炎癥因子和腸道中IL-6 炎癥因子水平。Uchiyama 等[25]發現,膳食補充10% EGCG 能夠顯著降低GK 大鼠腸系膜脂肪組織中一些與炎癥反應相關基因和蛋白的表達,改善GK大鼠脂肪組織的炎癥反應。本研究結果顯示,EGCG 干預下調了GK 大鼠腎臟MAPK 途徑中NF-κB、JNK、P38 的表達,降低了血清MCP-1、IL-1β 和腎臟MCP-1 水平(MCP-1、IL-1β 為MAPK 途徑下游靶基因),推測EGCG可以通過抑制MAPK 途徑降低GK 大鼠腎臟促炎因子水平,改善腎臟氧化應激。

綜上所述,EGCG 可以降低GK 大鼠血肌酐、尿素氮含量,改善GK 大鼠出現的腎小球肥大、系膜區增大、基底膜增厚、基質增多和系膜細胞增生等腎臟形態學病變,且在試驗范圍內呈現高劑量改善效果優于低劑量。其作用機制可能與EGCG 通過調節Nrf2-Keap1/MAPK信號通路提高腎臟抗氧化酶SOD、CAT、GSH-Px 活性,抑制促炎因子MCP-1、IL-1β釋放,發揮抗氧化應激作用有關。

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