硫化氢对胰岛素抵抗的作用及其机制

【摘要】硫化氢(H2S)是一种无色有臭鸡蛋味的气体,大量吸入会导致中毒。然而,很多种哺乳动物细胞自身能产生H2S,在正常大鼠的血液中H2S浓度达到46μmol/L。体内的H2S主要通过含硫氨基酸的代谢产生,胱硫醚-β-合酶(cystathionineβ-synthase,CBS)和胱硫醚-γ-裂解酶(cystathionineγ-lyase,CSE)是两个能分解L-半胱氨酸产生硫化氢的酶。内源性H2S已被证实与心血管系统、神经系统、胃溃疡和感染等的发病相关,最近的研究提示H2S与糖尿病有一定的相关性。研究发现,在STZ诱导的糖尿病大鼠中,胰腺中内源性H2S的产量显著增加。但也有文献报道非肥胖糖尿病小鼠(NOD)体内H2S的生物合成随着病情进展而逐渐减少。最新研究提示H2S可以通过开放ATP敏感的钾离子(KATP)通道影响胰岛素的释放。但到目前为止,还没有文献证实H2S是否对葡萄糖代谢以及胰岛素抵抗有影响。胰岛素抵抗是2型糖尿病重要的病理生理特征,主要表现为胰岛素的靶组织(肝脏、肌肉、脂肪组织)对胰岛素敏感性及反应性降低。胰岛素抵抗是糖尿病及其并发症发病的中心环节,因而,改善胰岛素抵抗具有重要的临床意义。目前已经有报道H2S可能参与糖尿病的病理过程,那么H2S是否对胰岛素抵抗有影响呢?我们通过研究H2S与胰岛素抵抗的关系可以更全面的了解这个新型气体信号分子。本课题选用L6骨骼肌细胞和3T3-L1脂肪细胞进行相关研究。MTT结果表明高浓度(500-1000μmol/L)的H2S供体硫氢化钠(NaHS)使细胞活力显著下降,而低浓度(10-200μmol/L)则对细胞活力没有影响,说明高浓度的H2S可能存在细胞毒性。所以在之后的葡萄糖消耗和葡萄糖摄取实验中NaHS给药浓度都在此范围内(≤200μmol/L)。我们选用葡萄糖消耗和葡萄糖摄取的方法来评价细胞对葡萄糖的摄取和利用能力。葡萄糖消耗结果显示,对于脂肪细胞和骨骼肌细胞,低浓度(10-100μmol/L)的H2S供体硫氢化钠(NaHS)可以在胰岛素刺激下增加培养基中葡萄糖的消耗,但对于基础状态的葡萄糖消耗没有影响。葡萄糖摄取实验可以准确的评价细胞对胰岛素的敏感性。为了全面了解H2S对正常和病理状态下脂肪细胞和骨骼肌细胞的葡萄糖摄取,我们参照文献中的方法建立了胰岛素抵抗细胞模型(IR模型)。我们检测了H2S对正常细胞和胰岛素抵抗模型细胞(IR模型)中基础状态和胰岛素刺激情况下的葡萄糖摄取的作用。结果表明,低浓度(10-100μmol/L)的H2S供体硫氢化钠(NaHS)可以显著提高骨骼肌细胞和脂肪细胞在胰岛素刺激作用下的葡萄糖摄取,且这种作用在正常细胞和IR模型细胞中都存在。说明H2S可以在一定剂量范围内增加这两种细胞的葡萄糖摄取,且这种作用依赖于胰岛素的存在。在此基础上,我们进一步探讨了H2S促进葡萄糖摄取的机制。葡萄糖摄取实验结果表明H2S只有在胰岛素刺激下才能增加两种细胞的葡萄糖摄取,提示H2S的作用可能与胰岛素的信号通路有关。我们检测了H2S对胰岛素信号通路关键蛋白的磷酸化的影响。Westernblot方法显示H2S能促进胰岛素信号转导通路的胰岛素受体、PI3K、Akt的磷酸化,并具有时间和浓度依赖性。预先给予骨骼肌细胞和脂肪细胞PI3K的阻断剂LY294002后,H2S在胰岛素刺激下的促进葡萄糖摄取的效应被完全阻断。说明H2S增加葡糖摄取的作用可能通过IR/PI3K/Akt通路。对于另外两条通路中的关键蛋白,Cb1、ERK、P38和IJNK,H2S未能促进其磷酸化。胰岛素受体信号通路转导促使葡萄糖转运蛋白4(glucosetransporter,GLUT4)从细胞浆内转位至细胞膜,将葡萄糖从胞外摄入细胞内,协助维持机体血糖的稳定。可见,GLUT4在葡萄糖的转运和摄取中起着很关键的作用。H2S可以增加IR/PI3K/Akt通路的信号转导,那么H2S是否可以影响GLUT4的表达及转位呢?我们发现H2S确实可以增加胰岛素刺激引起的GLUT4的转位,但对其表达没有影响。最后,在整体水平观察H2S对2型糖尿病GK大鼠体内胰岛素抵抗的影响。不同浓度NaHS(30,60以及120μmol/kg/d)通过腹腔注射给药,持续8周。我们发现低剂量NaHS(30μmol·kg-1·d-1)可以改善GK大鼠的胰岛素抵抗,降低空腹血糖(FBG),增加葡萄糖耐量和胰岛素敏感性。而高剂量NaHS(120μmol·kg-1·d-1)给药后则加重了GK大鼠的胰岛素抵抗,空腹血糖升高,葡萄糖耐量降低。与文献报导不同的是,NaHS对GK大鼠的胰岛素分泌没有影响。以上结果说明H2S在不同剂量时对于体内的胰岛素抵抗有双重调节作用。总之,我们在实验中发现H2S能增加脂肪细胞和骨骼肌细胞的葡萄糖摄取,这种作用可能与IR/PI3K/Akt信号通路相关。整体水平的实验表明小剂量H2S可以改善糖尿病GK大鼠体内的胰岛素抵抗。
【作者】薛蓉；
【导师】朱依纯；
【作者基本信息】复旦大学，生理学，2009，博士
【关键词】硫化氢；硫氢化钠；胰岛素抵抗；脂肪细胞；骨骼肌细胞；葡萄糖摄取；胰岛素受体；PI3KAkt；葡萄糖转运蛋白4；

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