血糖变异促进糖尿病大鼠糖尿病中枢神经病变和糖尿病周围神经病变的机制

血糖变异性(GV)对糖尿病神经病变，包括糖尿病中枢神经病变和糖尿病周围神经病变(DPN)的影响及其机制尚不完全清楚。本研究采用葡萄糖和胰岛素交替腹腔注射的方法，建立了波动型高血糖大鼠模型。为评估糖尿病中枢神经病变，采用降压型被动回避试验，测定海马组织中p-Tau、T-Tau、p-GSK3b、GSK3b、 p-Akt、Akt的表达水平。通过测量运动神经传导速度(MNCV)和观察坐骨神经的微观结构来评估DPN。同时检测坐骨神经氧化应激和炎症指标的表达水平。我们观察到GV破坏了学习和记忆能力。GV在海马中促进Tau磷酸化，抑制Akt/GSK3b通路。此外，GV削弱了坐骨神经的MNCV，坐骨神经髓鞘和轴突的结构都被破坏。GV还显著降低了超氧化物歧化酶(SOD)的表达，提高了丙二醛(MDA)、促炎细胞因子(TNF-a和IL-6)和NF-kB的表达水平。综上所述，本研究强调 GV可能通过抑制Akt/GSK3b通路导致海马区Tau过度磷酸化诱导糖尿病中枢神经病变，并可能通过激活 NF-kB通路引起氧化应激和炎症反应导致DPN。

1.介绍

慢性高血糖是糖尿病(DM)并发症发生的主要危险因素;然而，血糖变异性(GV)可能独立促成糖尿病相关并发症[1,2]。糖尿病神经病变包括中枢和周围神经系统，是糖尿病的常见并发症。糖尿病中枢神经病变以进行性认知障碍为特征，最终可能导致痴呆[3]。近年来，多项研究发现GV是认知障碍和痴呆的危险因素[4e6]。Tau蛋白异常过磷酸化已被提出在神经破坏和认知障碍中发挥作用[7,8]，但GV是否通过Tau过磷酸化诱导糖尿病中枢神经病变尚需进一步研究。先前的研究表明，Akt细胞信号传导和糖原合成酶激酶3b(GSK3b)参与了Tau过度磷酸化的过程[9,10]。GV可通过抑制Akt/GSK3b引起肾损害[11]，GV是否通过同一途径影响脑内Tau过磷酸化还有待进一步研究。除糖尿病中枢神经病变外，GV对糖尿病周围神经病变(DPN)也有影响[12,13]。gv诱导的雪旺细胞凋亡和氧化应激可能参与了这一过程[14]。一项研究发现，GV可诱导氧化应激和慢性炎症，进而介导组织和细胞损伤[15]。GV是否通过氧化应激和炎症诱导DPN，尚需进一步研究。在本研究中，我们检测了GV对大鼠海马认知功能和Tau蛋白表达的影响。然后，我们研究了Akt/GSK3b信号通路是否参与了这一过程。其次，我们观察了GV对坐骨神经微观结构和传导速度的影响，并测量了氧化应激指标和炎症因子，探讨其可能的机制。

2.材料和方法

2.1.动物

雄性SD大鼠(8周龄，体重200±20g)购自河南省实验动物中心(中国郑州)。这些老鼠被喂食正常的食物，并可以自由饮水。室温保持在25±2℃。

2.2.实验设计

将SD大鼠随机分为3组:正常对照组(NC组)、糖尿病持续性高血糖组(DS组)和糖尿病波动性高血糖组(DF组)。用链脲佐菌素(60mg/kg)诱导糖尿病。3d后取尾静脉血样，用血糖仪(Contour TS,Bayer)检测空腹血糖(FBG)水平，FBG水平为11。1 mmol/L为糖尿病。通过腹腔注射葡萄糖(3g/kg, 9:00)建立振荡型高血糖动物模型。15:00。和21:00。)常规胰岛素(20 U/ kg,6:00)。12点。and18:00)。每天[16]。NC组和DS组注射等量生理盐水。每周6点30分、9点30分、12点30分、15点30分、18点30分、21点30分检测血糖水平，并于第8周和第12周测定平均血糖(MBG)、血糖标准差(SDBG)和最大血糖漂移幅度(LAGE)。

2.3.降压型被动回避试验

在第8周的第一天，按照之前的方法进行降压型被动回避测试[17]。

2.4.免疫组织化学

各组大鼠右脑按前文[2]解剖、固定、孵育、封堵。在每个切片中检查海马区域的三个可见视界。每只大鼠取5个切片进行分析。使用Image Pro-plus 6对图像进行分析。0软件。使用抗大鼠p-Tau(pSer202/Thr205,AT-8)和T-Tau (Tau5)的一抗。

2.5.免疫印迹分析

按照前面的方法提取、分离、转移和孵育总蛋白[18]。最后，根据制造商的说明，用增强化学发光试剂(Millpore)显示条带。本研究使用抗大鼠

p-GSK3b、GSK3b、p-Akt和Akt的一抗(Cell Signaling Technology, MA, USA)。

2.6.坐骨神经运动神经传导速度的检测

第12周，大鼠腹腔注射10%水合氯醛(3ml/kg)麻醉。然后在大腿背处切开，分离肌肉，显露坐骨神经。针刺针与电极相连，针刺针插入胫骨和腓骨肌肉。刺激针电极放置在坐骨神经的远端和近端位置。采用肌电诱发电位仪(NTS-2000)测量坐骨神经的mcv。每只大鼠测量3次，计算平均值。

2.7.坐骨神经微结构的电镜观察

在MNCV测试后，一小段坐骨神经(0。如前所述[12]，取下5e1cm)进行观察，并对坐骨神经的微观结构进行成像。

2.8.过氧化和抗氧化试验粉碎大鼠坐骨神经，均质化。根据比色试剂盒(中国南京建成生物工程研究所)的说明书测定丙二醛(MDA)、抗氧化酶和超氧化物歧化酶(SOD)水平。

2.9.坐骨神经促炎细胞因子及相关信号通路的检测

制备坐骨神经匀浆液，使用ELISA试剂盒(Uscnlife, TX, USA)定量白细胞介素-6(IL-6)和肿瘤坏死因子-a(TNF-a)的水平。取各组坐骨神经切片，免疫组化法测定NFe kB水平。

2.10.统计分析

数据以均数±SD表示，使用SPSS13进行学生t检验和单因素方差分析。0软件。P值<0。0.05为组间差异有统计学意义。

3.结果

3.1.各组体重、MBG、SDBG、 LAGE的比较

实验前将三组大鼠体重匹配。分别于实验第2、4、

6、8、12周测量体重。NC组体重随时间增加而增加。但在第6、8和12周，DS和DF组的体重显著低于 NC组，差异有统计学意义(P<0.05)。0.05)，而DS组和DF组之间无显著差异(图1A)。第8周和第12周的每日MBG、SDBG和LAGE根据每周一天的7次每日血糖测量值计算。与NC组相比，DS组和DF组MBG、 SDBG和LAGE水平均显著升高(P<0.05)。05).DF组SDBG和LAGE水平较DS组显著升高(P<0.05)。05)(图1B和D)。

3.2.GV会削弱认知能力

为了确定GV和高血糖对认知功能的影响，在第8周进行了降压被动回避试验。与NC组相比,反应时间和数量的错误在DS和DF组显著增加,水平最高的DF组(表1)。记忆测试表明,延迟时间明显减少DS和DF组相比，在数控集团和DF组显示最低的延迟时间(表1)。相反,错误的数量增加的DS和DF组,和DF组显示最多的错误。这些结果表明，高血糖可损害大鼠的认知功能，尤其是GV。

3.3.GV促进海马中Tau蛋白的磷酸化

Tau过度磷酸化和积累在认知能力下降中起重要作用。在第8周，我们观察了海马中p-Tau(pSer202/ Thr205,At-8)和总Tau (Tau5)的表达(图2A)。结果显示，与NC组相比，DS组和DF组p-Tau表达水平升高，DF组p-Tau表达水平高于DS组。但三组间总Tau蛋白含量无明显差异。此外，p-Tau与T-Tau的比值增加了1。79折和2。DS组和DF组分别是对照组的20倍。DF组的这一比例明显高于DS组。这些结果表明，与高血糖相比，GV可能会导致海马中Tau磷酸化的增加。

3.4.GV通过增加Akt/GSK3b活性促进Tau磷酸化

既往研究表明Akt/GSK3b信号通路可能参与Tau磷酸化。我们在第8周评估了磷酸化Akt(p-Akt)和磷酸化GSK3b(p-GSK3b)在海马中的表达(图2B和C)。

Western blot显示，与NC组相比，DS组的p-GSK3b水平下降了31%，DF组下降了56%。特别是，与DS组相比，DF组p-GSK3b水平明显降低。此外，对p-Akt蛋白水平的评估显示，三组的结果相似，DF组的抑制效果最大。这些结果表明，Akt/GSK3b信号通路可能参与了gv驱动Tau磷酸化的机制。

3.5.GV削弱了坐骨神经的MNCV

接下来观察GV和高血糖对周围神经的影响。第12周测定坐骨神经的MNCV。平均mncv为52。NC组为69 m/s,36。DS组为35m/s;DF组为96m/s。此外，DF组的MNCV显著低于DS组(图3A)。

3.6.GV影响坐骨神经的微观结构

为了进一步评估坐骨神经损伤，我们用电子显微镜观察了坐骨神经的微观结构。NC组髓鞘厚度均匀，呈致密有序的同心圆。此外，轴突的线粒体结构非常清晰(图3B)。DS组髓鞘散在，卷曲，有裂隙。轴突线粒体结构不清楚(图3C)。此外，DF组髓鞘厚度极不均匀。与DS组相比，DF组轴突排列更加紊乱、松散、不清晰，线粒体肿胀(图3D)。

3.7.GV影响过氧化和抗氧化活性

既往研究表明，SOD和MDA的变化反映了氧化应激状态。结果表明，DF组SOD活性(u/mg蛋白)显著低于对照组(31。95±2。65例，DS组36例。02±4。32)，与NC组(48。94±4。DF组MDA含量(nmol/mg蛋白)提高了71。与NC组相比，增加了7%，增加了9%。与 DS组相比减少了2%(图4A)。这些结果表明，与高血糖相比，GV诱导的抗氧化能力抑制更大，氧化损伤增加。

3.8.GV影响促炎细胞因子和NF-kB的表达

为了研究炎症在糖尿病引起的坐骨神经损伤中的作用，我们接下来检查了图2。第8周时，GV影响海马中Tau、Akt和GSK3b的磷酸化。A.与NC组相比，DS组和DF组p-Tau水平升高，DF组p-Tau表达水平高于 DS组。B.p-GSK3b的表达在DS组下降31%，DF组下降56%。DF组p-GSK3b水平明显低于DS组。C.此外，对P-akt蛋白水平的评估显示，三组的结果相似(*P<

0.05)。05 vs NC，**P<0。01 vs NC，#P<0。05vs DS，每组1/8)。TNF-a和IL-6在坐骨神经中的表达。DF组TNF-a和IL-6水平明显高于NC组和DS组(图4B)。NF-kB信号通路可能参与氧化应激和炎症反应。免疫组化结果显示NC组NF-kB蛋白表达较弱，主要在雪旺细胞中表达。相比之下，DS和DF组表现出更多的NF-kB阳性细胞，包括雪旺细胞以及血管内皮细胞和轴突(图4C)。此外，三组的平均光密度(AOD)显示 DF组NF-kB的相对表达量最高。综上所述，这些结果表明GV诱导的炎症反应比持续性高血糖更强，NFe kB可能参与了这一过程。

4.讨论

GV具有更广泛的含义，可以指全天发生的血糖波动，也可以指在不同天的同一时间发生的血糖波动。 GV并不总是有负面影响，因为血糖的变化不仅是参与葡萄糖代谢的激素昼夜节律的生理结果，也是碳水化合物摄入的生理结果[19]。虽然在糖耐量正常的受试者中也观察到一定程度的变异性，但在葡萄糖调节受损的患者和糖尿病患者中，GV增加[20]。近年来，人们对GV与糖尿病慢性并发症之间的关系越来越感兴趣，越来越多的临床数据表明，GV可能促进糖尿病微血管并发症的发展[21]。为了探讨GV与糖尿病神经病变的关系，我们构建了GV动物模型，DF组SDBG和LAGE值明显升高证实了该动物模型的成功构建。糖尿病性神经病变是指由糖尿病引起的一系列神经功能障碍。在病程中，糖尿病患者全身可能出现神经损伤，包括中枢和周围神经系统。糖尿病中枢神经病变以进行性认知障碍为特征，最终可能发展为痴呆[3]。既往研究表明，糖尿病与进行性认知能力下降相关，并可加速阿尔茨海默病(AD)[22,23]。海马是一个重要的认知器官;动物研究表明，糖尿病通过多种机制导致海马神经元凋亡，包括氧化应激、凋亡调节基因表达紊乱和线粒体功能缺陷[24]。虽然一些研究表明GV是认知障碍和痴呆的危险因素[4,8,14]，但其内在机制有待进一步探讨。在此，我们采用降压被动回避实验来评估GV对大鼠认知功能的影响，我们发现高血糖对大鼠的学习和记忆能力都有影响，尤其是GV，这表明GV对大鼠的认知功能有影响。Tau蛋白的异常过度磷酸化被认为在神经破坏和认知障碍中发挥作用[2,7,25]。我们测量了海马中p-Tau和T-Tau的表达，发现GV促进了海马中Tau的磷酸化。为了进一步探索其中的信号通路，我们重点研究了GSK-3b,GSK-3b是参与Tau蛋白超磷酸化的重要激酶，其失调参与了AD的病理过程[26]。GSK-3b磷酸化降低已被证明可介导 Tau蛋白在体内的过度磷酸化[27]。GSK-3b的上游调控因子Akt的磷酸化也在我们的研究中进行了评估。正如预期的那样，海马中Akt/GSK3b信号被GV抑制，这与肾脏中观察到的结果一致[11]。因此，GV可能通过抑制Akt/GSK3b通路导致海马区Tau过度磷酸化，从而诱导糖尿病中枢神经病变。除糖尿病中枢神经病变外，GV对DPN的影响也已得到证实[12,13]。我们的研究结果表明，GV削弱了坐骨神经的MNCV，特别是在DF组。虽然持续的慢性高血糖是糖尿病神经元损伤的主要原因，但在氧化应激和炎症细胞因子方面，葡萄糖水平的急性波动或大范围变化可能比持续高血糖更严重地恶化致病介质[28]。此外，有研究发现间歇性高糖(IHG)诱导与氧化应激相关的雪旺细胞凋亡，且IHG的细胞毒作用明显强于高糖[14]。因此，我们观察GV对坐骨神经微观结构的影响，并进一步探讨氧化应激和炎症指标的变化，以阐明可能的机制。正如预期的那样，髓鞘和轴突的结构都被高血糖和GV破坏，并且DF组的影响更严重。此外，GV显著降低 SOD表达，增加MDA表达。TNF-a、IL-6和NF-kB的表达水平也因GV升高而升高。综上所述，我们提出GV通过诱导氧化应激和炎症反应导致周围神经损伤的假设，而NF-kB通路可能参与了这一过程。总之，目前的工作强调了GV对糖尿病神经病变的作用，包括糖尿病中枢神经病变和DPN。我们发现GV可能通过抑制Akt/GSK3b通路导致海马区Tau过度磷酸化诱导糖尿病中枢神经病变，并可能通过激活NF-kB通路引起氧化应激和炎症反应导致DPN。我们的研究有一些局限性。我们只观察了不同组中Akt/GSK3b和NF-kB的表达。需要基因敲除或过表达研究来进一步评估这些通路在gv诱导的糖尿病神经病变中的作用。然而，我们的研究提供了一些可能的机制，并为未来的治疗靶向开辟了额外的途径。网址:https://doi。org/10。1016/j。bbrc。2018.12.179.