有氧运动干预2型糖尿病大鼠肾功能的变化

doi:10.12307/2024.322

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (14): 2145-2151.doi: 10.12307/2024.322

• 组织构建实验造模 experimental modeling in tissue construction • 上一篇下一篇

有氧运动干预2型糖尿病大鼠肾功能的变化

吴玉珍1，孙青2，刘霞1，周雨1，金其贯2

1湖南师范大学体育学院体适能与运动康复湖南省重点实验室，湖南省长沙市 410012；2扬州大学体育学院，江苏省扬州市 225127

收稿日期:2023-02-11 接受日期:2023-05-05 出版日期:2024-05-18 发布日期:2023-07-28
通讯作者: 刘霞，教授，硕士生导师，湖南师范大学体育学院体适能与运动康复湖南省重点实验室，湖南省长沙市 410012
作者简介:吴玉珍，女，2000年生，山东省菏泽市人，湖南师范大学体育学院在读硕士，主要从事运动对慢病的干预研究。孙青，女，扬州大学体育学院，硕士，主要从事运动对慢病的干预研究。
基金资助:
湖南省大学生创新训练计划项目(S202210542163)，项目负责人：周雨；长沙市自然科学基金项目(kq2208166)，项目负责人：刘霞；国家社会科学基金项目(22BTY103)，项目负责人：刘霞

Variation in renal function of type 2 diabetic rats undergoing aerobic exercise

Wu Yuzhen1, Sun Qing2, Liu Xia1, Zhou Yu1, Jin Qiguan2

1Hunan Provincial Key Laboratory of Physical Fitness and Sports Rehabilitation, Physical Education College of Hunan Normal University, Changsha 410012, Hunan Province, China; 2Physical Education College of Yangzhou University, Yangzhou 225127, Jiangsu Province, China

Received:2023-02-11 Accepted:2023-05-05 Online:2024-05-18 Published:2023-07-28
Contact: Liu Xia, Professor, Master’s supervisor, Hunan Provincial Key Laboratory of Physical Fitness and Sports Rehabilitation, Physical Education College of Hunan Normal University, Changsha 410012, Hunan Province, China
About author:Wu Yuzhen, Master candidate, Hunan Provincial Key Laboratory of Physical Fitness and Sports Rehabilitation, Physical Education College of Hunan Normal University, Changsha 410012, Hunan Province, China Sun Qing, Master, Physical Education College of Yangzhou University, Yangzhou 225127, Jiangsu Province, China
Supported by:
Hunan Provincial University Student Innovation Training Program Project, No. S202210542163 (to ZY); Natural Science Foundation of Changsha, No. kq2208166 (to LX); National Social Science Foundation of China, No. 22BTY103 (to LX)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

2型糖尿病：约占糖尿病的90%以上，是一种常见的代谢性疾病，胰岛素抵抗是其主要特征，也是其病情进展的重要机制。2型糖尿病常并发肾功能损伤，在糖尿病大鼠中，可见尿微量白蛋白、血清尿素氮、血清肌酐等常用肾功能评价指标的显著升高。
Notch1：是Notch信号通路的一个受体，在肾小球中具有主要的破坏性作用，与肾小球硬化程度、肾小管间质纤维化程度相关，在糖尿病肾病中表达上调。转化生长因子β1(TGF-β1)可与Notch1紧密联系，在肾脏病变中共同发挥作用。Notch1是TGF-β1的一个效应靶点，TGF-β1可通过上调Notch1参与组织纤维化。

背景：2型糖尿病常伴随肾功能障碍，现已有大量研究表明运动能够缓解糖尿病患者代谢紊乱及肾功能损伤。但是关于运动对2型糖尿病患者肾脏保护作用的具体机制，鲜有人报道。

目的：探讨有氧运动是否通过抑制转化生长因子β1/Notch1通路改善2型糖尿病大鼠肾功能。
方法：将雄性SD大鼠随机分为正常对照组和糖尿病模型组，造模成功后再随机分为糖尿病对照组和糖尿病运动组，糖尿病运动组进行8周有氧运动干预。运动结束后取材，采用全自动生化分析仪和ELISA法检测糖脂代谢、肾功能相关指标；通过电镜观察肾皮质细微结构改变；采用ELISA和RT-PCR技术检测大鼠肾脏组织中相关蛋白和基因表达量。

结果与结论：①相较于正常对照组，糖尿病对照组大鼠空腹血糖、总胆固醇、三酰甘油水平及胰岛素抵抗指数显著增加(P < 0.05)；有氧运动能够显著降低空腹血糖、三酰甘油水平(P < 0.05)；②相较于正常对照组，糖尿病对照组大鼠尿微量白蛋白、血清尿素氮和血清肌酐水平极显著增加(P < 0.01)，肾脏基底膜增厚，系膜基质增生，伴一定程度的足突融合，肾脏病变明显；有氧运动能够极显著下调2型糖尿病大鼠尿微量白蛋白、血清尿素氮和血清肌酐的过表达(P < 0.01)，明显改善糖尿病大鼠肾脏的病理改变；③相较于正常对照组，糖尿病对照组大鼠肾组织转化生长因子β1、Notch1、Jagged1、Hes1蛋白和基因表达量均极显著增加(P < 0.01)；有氧运动对转化生长因子β1、Notch1及Jagged1蛋白和基因的过表达有极显著的抑制作用(P < 0.01)，同时也可以显著性地抑制Hes1蛋白的过表达(P < 0.05)；④综上可知，有氧运动可以保护糖尿病大鼠肾功能，延缓肾的病理进展，这可能是通过抑制转化生长因子β1/Notch1信号通路的过度表达来实现的。

https://orcid.org/0009-0007-0716-3004(吴玉珍)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 有氧运动, 2型糖尿病大鼠, 肾脏, 转化生长因子β1, Notch1

Abstract: BACKGROUND: Type 2 diabetes is often accompanied by renal dysfunction. Increasing studies have shown that exercise can alleviate metabolic disorders and renal dysfunction in diabetic patients. However, the specific mechanism underlying the renal protective effect of exercise in patients with type 2 diabetes is rarely reported.
OBJECTIVE: To investigate whether aerobic exercise can improve renal function in type 2 diabetic rats by inhibiting transforming growth factor β1/Notch1 pathway.
METHODS: Male Sprague-Dawley rats were randomly divided into normal control group and diabetes model group. After successful modeling, they were randomly divided into diabetes control group and diabetes exercise group. Rats in the diabetes exercise group were subjected to an 8-week aerobic exercise. Samples were collected after exercise, and the relevant indexes of glucose and lipid metabolism and renal function were detected by automatic biochemical analyzer and ELISA. The microscopic structure of renal cortex was observed by electron microscope. ELISA and RT-PCR were used to detect the expression of related proteins and genes in rat kidney tissue.
RESULTS AND CONCLUSION: Compared with the normal control group, fasting blood glucose, total cholesterol, and triglyceride levels and insulin resistance index were significantly increased in the diabetic control group (P < 0.05). Aerobic exercise could significantly reduce fasting blood glucose and triglyceride levels (P < 0.05). Compared with the normal control group, the diabetic control group had significantly increased contents of urinary microalbumin, serum urea nitrogen and serum creatinine (P < 0.01), thickened renal basement membrane, mesangial matrix hyperplasia, accompanied by a certain degree of foot process fusion, and obvious lesion of the kidney . Aerobic exercise could significantly down-regulate the overexpressions of urinary microalbumin, serum urea nitrogen and serum creatinine in type 2 diabetic rats (P < 0.01), and significantly improve the pathological changes of the kidney in diabetic rats. Compared with the normal control group, the protein and gene expression levels of transforming growth factor β1, Notch1, Jagged1 and Hes1 in rat kidney tissue were significantly increased in the diabetic control group (P < 0.01). Aerobic exercise had a highly significant inhibitory effect on the overexpression of transforming growth factor β1, Notch1 and Jagged1 proteins and genes (P < 0.01) and also significantly inhibited the overexpression of Hes1 protein (P < 0.05). In conclusion, aerobic exercise can protect renal function and delay the pathological progression of the kidney in diabetic rats, which may be achieved by inhibiting the overexpression of transforming growth factor β1/Notch1 signaling pathway.

Key words: aerobic exercise, type 2 diabetic rat, kidney, transforming growth factor β1, Notch1

中图分类号:

吴玉珍, 孙青, 刘霞, 周雨, 金其贯. 有氧运动干预2型糖尿病大鼠肾功能的变化[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(14): 2145-2151.

Wu Yuzhen, Sun Qing, Liu Xia, Zhou Yu, Jin Qiguan. Variation in renal function of type 2 diabetic rats undergoing aerobic exercise[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(14): 2145-2151.

图/表（结果） 6

2.1 实验动物数量分析糖尿病对照组1只病情严重，死亡。最终正常对照组10只、糖尿病对照组9只、糖尿病运动组10只大鼠纳入实验。
2.2 大鼠空腹血糖、空腹胰岛素及胰岛素抵抗指数比较如表2所示，相较于正常对照组，糖尿病对照组大鼠空腹血糖、胰岛素抵抗指数显著升高(P < 0.05)；运动后空腹血糖显著下降(P < 0.05)，与正常对照组无显著性差异(P > 0.05)。

2.3 大鼠血清总胆固醇和三酰甘油水平比较如表3所示，与正常对照组相比，糖尿病对照组大鼠总胆固醇、三酰甘油水平均显著增加(P < 0.05)；运动后三酰甘油水平可见显著降低(P < 0.05)，总胆固醇、三酰甘油水平与正常对照组无显著性差异(P > 0.05)。

2.4 大鼠肾功能指标尿微量白蛋白及血清尿素氮、肌酐变化如表4所示，与正常对照组相比，糖尿病对照组大鼠尿微量白蛋白、血清尿素氮、肌酐水平均极显著增加(P < 0.01)；运动后三者均极显著降低(P < 0.01)，但其水平仍极显著高于正常对照组(P < 0.01)。

2.5 大鼠肾脏电镜形态学观察如图1所示，各组大鼠肾皮质在透射电镜下观察可知，正常对照组大鼠肾脏基本正常，肾组织结构完整，未发现病理改变；糖尿病对照组大鼠肾脏基底膜增厚，系膜基质增生，伴一定程度的足突融合，肾脏病变明显；糖尿病运动组大鼠肾脏基底膜增厚减少，足突融合现象减轻。

2.6 大鼠肾组织中TGF-β1、Notch1、Jagged1、Hes1蛋白表达变化如图2所示，与正常对照组相比，糖尿病对照组大鼠肾组织中TGF-β1、Notch1、Jagged1、Hes1蛋白表达水平均极显著增加(P < 0.01)；运动后TGF-β1、Notch1、Jagged1、Hes1蛋白表达水平极显著或显著降低(P < 0.01或P < 0.05)，与正常对照组无显著性差异(P > 0.05)。

2.7 大鼠肾组织中TGF-β1、Notch1、Jagged1、Hes1 mRNA表达变化如图3所示，与正常对照组相比，糖尿病对照组大鼠肾脏中TGF-β1、Notch1、Jagged1、Hes1 mRNA表达水平均极显著增加(P < 0.01)；运动后TGF-β1、Notch1及Jagged1 mRNA表达水平极显著降低(P < 0.01)，Hes1 mRNA的表达降低不显著(P > 0.05)，TGF-β1、Notch1、Jagged1、Hes1 mRNA表达仍显著或极显著高于正常对照组。提示糖尿病能够使大鼠肾脏TGF-β1/Notch1信号通路上调，8周的游泳运动对其有显著的抑制作用。

参考文献

[1] ZHOU Z, SUN B, YU D, et al. Gut Microbiota: An Important Player in Type 2 Diabetes Mellitus. Front Cell Infect Microbiol. 2022;12:834485.
[2] Zhang XX, Kong J, Yun K. Prevalence of Diabetic Nephropathy among Patients with Type 2 Diabetes Mellitus in China: A Meta-Analysis of Observational Studies. J Diabetes Res. 2020;2020:2315607.
[3] JING Z, HU L, SU Y, et al. Potential signaling pathway through which Notch regulates oxidative damage and apoptosis in renal tubular epithelial cells induced by high glucose. J Recept Signal Transduct Res. 2021;41(4):357-362.
[4] 吴冰,王轩.基于Notch信号通路探讨枸杞多糖对糖尿病肾病大鼠肾纤维化的改善作用[J].陕西医学杂志,2023,52(3):267-272.
[5] Gallenstein N, Tichy L, Weigand MA, et al. Notch Signaling in Acute Inflammation and Sepsis. Int J Mol Sci. 2023;24(4):3458.
[6] MUKHERJEE M, FOGARTY E, JANGA M,et al. Notch Signaling in Kidney Development, Maintenance, and Disease. Biomolecules. 2019;9(11):692.
[7] ZHOU B, LIN W, LONG Y, et al. Notch signaling pathway: architecture, disease, and therapeutics. Signal Transduct Target Ther. 2022;7(1):95.
[8] SHARMA S, SIRIN Y, SUSZTAK K. The story of Notch and chronic kidney disease. Curr Opin Nephrol Hypertens. 2011;20(1):56-61.
[9] 李佳,路华,王丽,等.lncRNA KCNQ1OT1表达下调对高糖诱导肾小球系膜细胞增殖、凋亡及纤维化的影响[J].山东医药,2022, 62(32):11-15.
[10] MUREA M, PARK JK, SHARMA S, et al. Expression of Notch pathway proteins correlates with albuminuria, glomerulosclerosis, and renal function. Kidney Int. 2010;78(5):514-522.
[11] TUNG CW, HSU YC, SHIH YH, et al. Glomerular mesangial cell and podocyte injuries in diabetic nephropathy. Nephrology (Carlton). 2018;23(Suppl 4):32-37.
[12] MAJUMDER S, THIEME K, BATCHU SN, et al. Shifts in podocyte histone H3K27me3 regulate mouse and human glomerular disease. J Clin Invest. 2018;128(1):483-499.
[13] HU C, SUN L, XIAO L, et al. Insights into the Mechanisms Involved in the Expression and Regulation of Extracellular Matrix Proteins in Diabetic Nephropathy. Curr Med Chem. 2015;22(24):2858-2870.
[14] CHANG AS, HATHAWAY CK, SMITHIES O, et al. Transforming growth factor-β1 and diabetic nephropathy. Am J Physiol Renal Physiol. 2016; 310(8):F689-F696.
[15] SWEETWYNE MT, GRUENWALD A, NIRANJAN T, et al. Notch1 and Notch2 in Podocytes Play Differential Roles During Diabetic Nephropathy Development. Diabetes. 2015;64(12):4099-4111.
[16] 吴鹏,王亚东,方颖,等.肝豆灵抑制Notch信号通路干预铜负荷致肝纤维化大鼠肝脏上皮-间质转化[J].安徽中医药大学学报, 2018,37(6):79-84.
[17] 隋淼,杨晓辉,于扬,等.沉默转化生长因子β1表达与抑制肾小管上皮细胞(HK-2)Notch信号通路的相关性研究[J].中国糖尿病杂志, 2017,25(8):697-702.
[18] ALDAHR MHS, ABD EI-KADER SM. Impact of exercise on renal function, oxidative stress, and systemic inflammation among patients with type 2 diabetic nephropathy. Afr Health Sci. 2022;22(3):286-295.
[19] SILVA VRR, KATASHIMA CK, LENHARE L, et al. Chronic exercise reduces hypothalamic transforming growth factor-β1 in middle-aged obese mice. Aging (Albany NY). 2017;9(8):1926-1940.
[20] 孙晓娟,冯武龙,侯娜,等.有氧运动和白藜芦醇对2型糖尿病大鼠肾脏JAK2及TGF-β1的影响[J].中国应用生理学杂志,2020,36(3): 202-206+278.
[21] GASPAR RC, MUÑOZ V, NAKANDAKARI SC, et al. 707-P: Physical Exercise Decreases Notch1 Activation and Reduces the Gluconeogenesis in Liver of Obese Mice. Diabetes. 2020;69(Supplement_1):707-P.
[22] 吴裕颖,林洁,孙钰烨,等.不同剂量链脲佐菌素联合高脂饲料对大鼠血糖作用的研究[J].科教导刊(中旬刊),2018(5):68-69+72.
[23] 任曙光,吴建华,巨英超.天麦消渴片对糖尿病模型大鼠血糖的影响[J].中医杂志,2011,52(19):1679-1681.
[24] 张旖,张洪兵.8周游泳运动干预对高脂饲养小鼠炎性细胞因子和脂肪因子的影响[J].中国康复医学杂志,2020,35(3):301-305.
[25] BEDFORD TG, TIPTON CM, WILSON NC, et al.Maximum oxygen consumption of rats and its changes with various experimental procedures. J Appl Physiol Respir Environ Exerc Physiol. 1979;47(6): 1278-1283.
[26] 齐洁,张波,蒋丽,等.游泳运动对细胞自噬轴诱导生理性心肌肥大形成的影响[J].天津体育学院学报,2021,36(3):347-353.
[27] 李泽华,吕卓,肖超妮,等.芍药甘草汤干预过敏性哮喘大鼠的尿液代谢组学研究[J].中华中医药杂志,2017,32(10):4416-4420.
[28] 马飞,刘琳.肾衰宁片对单侧输尿管梗阻大鼠肾间质纤维化的改善作用及机制研究[J].陕西医学杂志,2022,51(6):654-658.
[29] Son DJ, Hwang SY, Kim MH,et al. Anti-Diabetic and Hepato-Renal Protective Effects of Ziyuglycoside II Methyl Ester in Type 2 Diabetic Mice. Nutrients. 2015;7(7):5469-5483.
[30] 张海华,李知行,刘霄潇,等.从络病理论探析针灸治疗胰岛素抵抗的研究思路[J].中国民族民间医药,2023,32(5):1-4.
[31] MAGLIANO DJ, SACRE JW, HARDING JL, et al. Young-onset type 2 diabetes mellitus - implications for morbidity and mortality. Nat Rev Endocrinol. 2020;16(6):321-331.
[32] 上官若男,朱斌,尚画雨,等.改善Ⅱ型糖尿病大鼠糖代谢运动模型的建立[J].中国实验动物学报,2017,25(3):275-280.
[33] 李冀,李想,胡晓阳,等.中医药治疗糖尿病肾病机制研究进展[J].辽宁中医药大学学报,2020,22(9):8-11.
[34] 李颖,林文弢,翁锡全.不同运动强度干预2型糖尿病模型大鼠的内脂素及糖代谢变化[J].中国组织工程研究,2020,24(26): 4196-4200.
[35] 王丹丹.中性粒细胞/淋巴细胞比率、胱抑素C和β2微球蛋白联合检测在2型糖尿病肾病早期诊断及肾功能损害预测中的价值[D].新乡:新乡医学院,2022.
[36] THIPSAWAT S. Early detection of diabetic nephropathy in patient with type 2 diabetes mellitus: A review of the literature. Diab Vasc Dis Res. 2021;18(6):14791641211058856.
[37] FORMIGARI GP, DÁTILO MN, VAREDA B, et al. Renal protection induced by physical exercise may be mediated by the irisin/AMPK axis in diabetic nephropathy. Sci Rep. 2022;12(1):9062.
[38] 朱洪竹,肖国强,朱梅菊.运动可能通过下调肾脏Notch-1信号改善Ⅱ型糖尿病大鼠肾功能[J].天津体育学院学报,2014,29(1):1-5.
[39] 龚云,李敏.有氧运动对2型糖尿病大鼠肾脏的保护作用[J].中国体育科技,2021,57(2):44-48.
[40] 董玉君.灸药结合对糖尿病肾病大鼠早期肾损害调控机制的实验研究[D].沈阳:辽宁中医药大学,2020.
[41] Brophy TM, Coller BS, Ahamed J. Identification of the thiol isomerase-binding peptide, mastoparan, as a novel inhibitor of shear-induced transforming growth factor β1 (TGF-β1) activation. J Biol Chem. 2013;288(15):10628-10639.
[42] Dong J, Ma Q. Myofibroblasts and lung fibrosis induced by carbon nanotube exposure. Part Fibre Toxicol. 2016;13(1):60.
[43] WANG L, WANG HL, LIU TT, et al. TGF-Beta as a Master Regulator of Diabetic Nephropathy. Int J Mol Sci. 2021;22(15):7881.
[44] ZHAO L, ZOU Y, LIU F. Transforming Growth Factor-Beta1 in Diabetic Kidney Disease. Front Cell Dev Biol. 2020;8:187.
[45] 包春茶,李红丽,舒彬,等. 有氧耐力运动对老年小鼠肾纤维化及TGF-β1、E-cadherin表达的影响[J]. 中华物理医学与康复杂志, 2019,41(11):801-806.
[46] 姚俊,郭林,曹建民,等.过度运动导致大鼠肾组织TGF-β1变化的研究[J].北京体育大学学报,2006(5):629-631.
[47] 张晓飞.不同运动方式通过对2型糖尿病大鼠模型形成过程中血浆TGF-β1和肾脏TGF-β1、MMP-9/TIMP-1蛋白表达的影响以延缓肾脏纤维化的研究[D].武汉:武汉体育学院,2020.
[48] EDELING M, RAGI G, HUANG S, et al. Developmental signalling pathways in renal fibrosis: the roles of Notch, Wnt and Hedgehog. Nat Rev Nephrol. 2016;12(7):426-439.
[49] 刘兴梅,张莹莹,王圆圆,等.糖尿病小鼠肾组织中Notch1通过Akt/mTOR通路抑制自噬促进肾小管间质纤维化[J].中国病理生理杂志,2019,35(12):2169-2174.
[50] DESHMUKH AP, VASAIKAR SV, TOMCZAK K, et al. Identification of EMT signaling cross-talk and gene regulatory networks by single-cell RNA sequencing. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021;118(19):e2102050118.
[51] LUO K. Signaling Cross Talk between TGF-β/Smad and Other Signaling Pathways. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2017;9(1):a022137.
[52] XIAO Z, ZHANG J, PENG X, et al. The Notch γ-secretase inhibitor ameliorates kidney fibrosis via inhibition of TGF-β/Smad2/3 signaling pathway activation. Int J Biochem Cell Biol. 2014;55:65-71.
[53] WALSH DW, ROXBURGH SA, MCGETTIGAN P, et al. Co-regulation of Gremlin and Notch signalling in diabetic nephropathy. Biochim Biophys Acta. 2008;1782(1):10-21.
[54] 谭禹洁,朱春玲,毛华雄.黄芩苷对单侧输尿管梗阻肾间质纤维化大鼠模型的治疗作用及机制研究[J].中国当代儿科杂志,2016, 18(4):365-371.

引言

2型糖尿病是一种进行性代谢性疾病，其特征是胰腺β细胞功能障碍和外周胰岛素抵抗[1]，发病率占糖尿病总数的90%以上。相关研究显示，在国内21.8%的2型糖尿病人群患糖尿病肾病[2]，肾小球硬化、肾小管间质纤维化是其主要病理特征[3]。Notch通路参与糖尿病肾损伤、肾纤维化发生与发展[4]。在哺乳动物中，有4个Notch受体(Notch1-4)和5 个Notch配体(Delta-like1/3/4和Jagged1/2)[5]。Notch通路的独特特征包括邻近细胞中的配体和受体表达以及导致Notch靶基因表达的受体的一系列蛋白水解切割[6]。Notch受体经历3 次切割并易位到细胞核中以调节靶基因的转录[7]，主要是发状分裂增强子(hairy and enhancer of split，Hes)和含YRPW基序的bHLH转录因子Hes相关家族基因[8]。Hes1是Notch通路重要的下游基因，其表达水平代表Notch通路的激活状态[9]。有学者表明，Notch1与肾小球硬化程度、肾小管间质纤维化程度相关[10]。敲低Notch1可减轻糖尿病肾中血管内皮生长因子的表达和蛋白尿的产生[11]。组蛋白H3第27位赖氨酸上三甲基化富集于肾小球足细胞Jagged1的启动子区域，糖尿病肾小球足细胞中可见其水平降低，从而上调Jagged1水平，促进肾小球足细胞去分化[12]。诸多观察结果也强化了Notch1/Jagged1信号传导参与肾小管间质纤维化的概念[13]。如今，越来越多的研究表明，转化生长因子β1(transforming growth factor beta 1，TGF-β1)与Notch1紧密联系，在肾脏病变中起重要作用。糖尿病环境可诱导TGF-β1的表达，促进系膜细胞肥大和细胞外基质积累，降低肾小球滤过率，导致慢性肾功能衰竭[14]。TGF-β1可通过激活Smad依赖途径以及多种Smad非依赖途径在糖尿病肾病中发挥作用，比如Notch途径等[15]。Notch途径中Notch1、Jagged1是TGF-β1的靶点，TGF-β1可通过上调Notch1受体、Jagged1配体及其下游靶基因Hes1的表达，参与组织纤维化[16]。高糖可促进肾小管上皮细胞的凋亡，抑制TGF-β1可减轻其凋亡，可能与Notch途径的调控有关[17]。
大量研究证明，运动可改善糖尿病肾功能，在促进机体健康方面发挥重要作用。有氧运动训练可调节糖尿病肾病患者的氧化应激和炎性细胞因子，改善肾功能[18]。相关研究显示，运动对TGF-β1和Notch1具有一定的调节作用。运动能够抑制中年肥胖小鼠下丘脑TGF-β1，改善能量稳态[19]；运动可下调TGF-β1的表达，减轻糖尿病肾损伤的病理变化[20]；运动能够调节肥胖小鼠肝脏Notch1，有助于肥胖小鼠的糖异生控制[21]。由此可见，运动作为一种非药物干预手段，在疾病防治中具有靶向调控作用。目前对运动干预糖尿病肾功能损伤的机制仍不清楚，尤其是关于运动对2型糖尿病患者肾脏的保护作用是否与TGF-β1/Notch1信号通路有关，鲜有报道。因而，此次研究通过观察肾组织电镜下超微结构以及检测肾功能相关指标来判断肾脏组织形态学及功能性受损程度，同时检测肾组织中TGF-β1、Notch1、Jagged1、Hes1蛋白含量和mRNA表达水平，旨在探讨有氧运动是否通过抑制TGF-β1/Notch1信号通路的过度表达进而发挥对2型糖尿病大鼠肾脏的保护作用。中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

材料方法

1.1 设计随机对照动物实验，数据分析采用方差分析。
1.2 时间及地点实验于2015年9月至2016年6月在扬州大学体育学院实验室完成。
1.3 材料
1.3.1 实验动物选取35 只4 周龄清洁级雄性SD大鼠，体质量90-120 g，购于江苏大学，许可证号：SCXK(苏) 2013-0011。
每笼四五只，自由饮水进食，动物房环境温度控制在21-25 ℃，每天定时更换垫料并清洁鼠笼。实验方案经扬州大学动物实验伦理委员会批准。
1.3.2 主要试剂大鼠血清胰岛素、尿微量白蛋白、TGF-β1、Notch1、Jagged1、Hes1 ELISA试剂盒(购于南京森贝伽生物科技有限公司)；总RNA提取试剂RNAiso Plus、反转录试剂盒(购于TaKaRa)；ROX试剂盒(购于Roche Diagnostics GmbH)，以上试剂或试剂盒严格按照说明书要求进行操作。涉及的所有PCR引物均由上海生物工程有限公司设计合成。
1.3.3 主要仪器 AE260S电子天平(梅特勒-托利多仪器公司)；SW-CJ-1F单人双面洁净工作台(苏州苏洁净化设备有限公司)；-80 ℃超低温冰箱(Thermo公司)；DHG-9070A型恒温烤箱(上海精宏实验设备有限公司)；PCR仪(美国Applied Biosystems公司)；Multiskan酶标仪(美国)；恒温水温箱HH.W21.600S(上海跃进医疗器械厂)；双蒸水器(上海泸西分析仪器厂)；Eppendorf Centrifuge 5810R冷冻离心机(德国Eppendrof公司)；AF100型制冰机(Scotsman)；RT-PCR仪(美国Applied Biosystems公司)。
1.4 实验方法
1.4.1 分组及造模方法适应性喂养3 d后，采用随机数字表法将35 只大鼠随机分为正常对照组(10 只)和糖尿病模型组(25 只)。正常对照组采用国家标准普通饲料喂养，糖尿病模型组大鼠给予高脂饮食(配方：73.5%基础饲料+13%猪油+1%胆固醇+0.5%胆盐+8%蔗糖+4%大豆粉)。4 周后，禁食禁水12 h，糖尿病模型组大鼠腹腔注射1%的链脲佐菌素溶液(40 mg/kg) [22]。1 周后，在大鼠的尾静脉中测得的血糖浓度> 11 mmol/L，则表明建模成功[23]。建模过程中，大鼠死亡及未建模成功大鼠共5 只，尸体已按要求处理，最终建模成功20 只，随机分到糖尿病对照组及糖尿病运动组各10 只。建模成功后采用国家标准普通饲料继续喂养。
1.4.2 运动方案造模成功后，糖尿病运动组大鼠每晚进行60 min的无负重游泳运动，每周6 d，共8 周。运动前1周适应性训练，时间从15 min过渡到60 min。运动方案参考张旖等[24]的方法，不同之处是将大鼠的适应性训练时间由3 d延长为7 d。根据BEDFORD等[25-26]的研究，大鼠进行60 min的游泳运动属于中等强度运动。游泳池为120 cm×80 cm×70 cm长方体塑料水桶，水深50 cm左右，水温30-32 ℃。运动时需时刻注意监测大鼠状态变化，防止溺水死亡。
1.4.3 实验取材和样本处理训练8 周后处死大鼠。处死前一天晚8 点，各组大鼠禁食不禁水，采用反射排尿法收集大鼠尿液[27-28]，并于晚10 点、12 点进行第二、三次收集，离心后取上清以备检测大鼠尿微量白蛋白。次日早上8 点，腹腔注射乌拉坦麻醉大鼠(20%，0.5 mL/kg)，下腔静脉处取血。静置30 min后，将血液离心(4 000 r/min，4 ℃)，抽取上层清液于-20 ℃冰箱保存，以备检测血糖血脂和相关肾功能指标。将大鼠双侧肾脏切除后，取部分肾皮质放入2.5%的戊二醛溶液中，4 ℃保存，以备用做电镜观察；其余肾皮质标记好投入液氮，全部取材完成后放-80 ℃冰箱保存，以备进行相关指标检测。
1.5 主要观察指标
1.5.1 血尿生化指标测定使用全自动生化分析仪检测血清空腹血糖、总胆固醇、三酰甘油以及肾功能指标血清尿素氮、血清肌酐浓度；使用ELISA试剂盒检测血清空腹胰岛素、尿微量白蛋白水平；并计算胰岛素抵抗指数，算法：胰岛素抵抗指数=空腹血糖×空腹胰岛素/22.5。
1.5.2 肾皮质电镜形态学观察将固定在2.5%戊二醛中的肾皮质取出，用0.1 mol/L的PBS清洗三四次(15 min/次)，接着1%鹅酸固定2 h后，再用0.1 mol/L的PBS清洗三四次(15 min/次)，随后进行乙醇梯度脱水，再依次加入100%丙酮、加无水硫酸钠的100%丙酮(15 min/次)，最后是浸透、包埋和聚合。制成切片后，于电镜下观察肾皮质形态学变化。
1.5.3 ELISA检测肾组织TGF-β1/Notch1通路相关指标的蛋白表达量 ELISA试剂盒检测肾组织TGF-β1、Notch1、Jagged1、Hes1的蛋白表达量。在有抗体包被的酶标板中，依次加入标准品与样品，在此次实验中，样品稀释5倍。接着孵育，弃去液体后洗涤。加入酶标试剂后，孵育、弃去液体再洗涤(步骤同上)。再依次加入试剂A与B进行显色，随后避光孵育。最后加入终止液终止反应，将酶标板放入酶标仪(450 nm波长)测取吸光度，利用标准品曲线计算蛋白含量。

1.5.4 RT-PCR检测肾组织中TGF-β1/Notch1通路相关指标的基因表达量采用RT-PCR法检测肾皮质中TGF-β1、Notch1、Jagged1、Hes1的基因表达量。首先，用RNAiso Plus提取总RNA，检测提取的RNA含量与纯度。其次，按照反转录试剂盒说明书的操作步骤，使用2720 Thermal Cycler梯度PCR仪反转录合成cDNA。最后，使用ROX试剂盒，以GAPDH为内参置于RT-PCR仪上进行扩增，采用2-ΔΔCt法计算目的基因的相对表达量。PCR引物均由上海生物工程有限公司设计合成，引物序列见表1。

1.6 统计学分析采用SPSS 20.0软件进行统计分析，结果用x±s表示，对数据进行方差分析，P < 0.05表示差异有显著性意义。文章统计学方法已经湖南师范大学生物统计学专家审核。

讨论

3.1 有氧运动对2型糖尿病大鼠糖脂代谢指标的影响 2型糖尿病是一种具有多种病理表现的代谢紊乱，与糖脂代谢异常密切相关[29]。胰岛素抵抗是2型糖尿病的发病基础，也是糖尿病前期一种糖脂代谢的失衡状态[30]。目前，2型糖尿病的发病越来越年轻化。相关数据表明，早发型2型糖尿病β细胞功能的恶化比晚发型2型糖尿病更快，且年轻发病的2型糖尿病患者似乎比1型糖尿病患者有更高的并发症风险[31]。目前对该病尚无特效治疗手段，因此早期发现并及时控制病情发展具有重要意义。空腹血糖和胰岛素在临床上常作为2型糖尿病最直接的检测指标。总胆固醇和三酰甘油水平是反映人体脂类代谢的重要指标，对于血脂异常疾病具有重要的诊断和指导价值。此文通过高脂饮食+链脲佐菌素注射使大鼠出现高糖、高脂血症和胰岛素抵抗等症状，表明2型糖尿病大鼠模型成功建立。
干预糖脂代谢是治疗2型糖尿病等代谢性疾病的关键治疗策略。60 min/d共8 周的游泳运动模式是研究运动锻炼预防和改善糖尿病机制的理想动物模型[32]。通过运动训练，能够有效提高人体糖代谢能力和调节血脂异常，减少或预防多种慢性疾病发生。有氧运动训练是防治糖尿病及糖尿病并发症一种重要的非药理学方法[33]。此次研究结果显示，8 周不负重游泳运动对2 型糖尿病所致高糖高脂、胰岛素抵抗有不同程度的好转，但胰岛素抵抗指数并无明显降低。李颖等[34]研究表明，不同的运动强度对胰岛素抵抗指数的影响不同，低、中强度的干预(30%最大摄氧量，50%最大摄氧量)能显著降低胰岛素抵抗指数(P < 0.05)，但高强度运动(70%最大摄氧量)对2 型糖尿病大鼠的胰岛素抵抗指数并无明显影响。此文为中等强度游泳运动，胰岛素抵抗仍未见显著差异，这可能是由于运动方式、运动频率、运动周期的不同同样影响了胰岛素抵抗结果。
3.2 有氧运动对2 型糖尿病大鼠肾功能指标及其肾脏形态学的影响糖尿病肾病典型的临床病理表现是肾小球中系膜细胞增殖、系膜区扩张、基底膜增厚、严重者出现K-W结节、肾小球硬化[35]。微量白蛋白尿是糖尿病肾脏病变的早期标志物，可将其用作筛查的常规检查[36]。尿微量白蛋白、血清尿素氮和血清肌酐均能有效反映肾功能状态，其含量与肾功能损害程度有关。此次实验发现糖尿病对照组大鼠肾脏病变明显，基底膜增厚，系膜基质增生，伴一定程度的足突融合，各项肾功能指标显著上升。相关研究表明，有氧运动能够保护链脲佐菌素诱导的糖尿病肾脏病变，包括减少白蛋白尿、肾小球肥大、肾脏炎症的标志物[37]。8 周有氧运动后，此次实验可见大鼠基底膜增厚减少，足突融合现象减轻，由2 型糖尿病所引起的尿微量白蛋白、血清尿素氮和血清肌酐水平异常均得到显著改善。上述研究结果显示，2 型糖尿病病理情况下，其肾脏结构及其功能都明显受到损害，而8 周有氧运动能够显著改善2 型糖尿病所累及的肾脏损伤，这与朱洪竹等[38]以及龚云等[39]的实验结论相似。
3.3 有氧运动对2 型糖尿病大鼠肾脏TGF-β1/Notch1信号通路及相关信号分子的影响 TGF-β是糖尿病肾病发展的核心。在肾组织中，TGF-β1主要分布于肾小球、肾小管和肾间质[40]，在肾脏结构性病变及其功能损伤中发挥重要作用。TGF-β1以无活性的大潜伏复合物的形式分泌，由TGF-β1、潜伏期相关肽和潜伏的TGF-β结合蛋白1组成，活性TGF-β1可以通过蛋白酶等多种途径从复合物中释放，从而导致肾损伤[41-43]。糖尿病肾病治疗的理想策略是特异性和选择性抑制促纤维化相关的TGF-β1通路，或阻断潜伏TGF-β1向活性TGF-β1转化[44]。相关研究表明，运动对糖尿病肾功能障碍有一定的改善作用，且可能与运动抑制肾脏TGF-β1的表达有关[20]。包春茶等[45]通过对19 月龄老年小鼠施加7 周有氧耐力运动干预，发现运动可能通过抑制TGF-β1信号过表达，减少老年小鼠胶原纤维沉积，延缓肾组织纤维化。此次研究结果显示，无论从肾脏组织中TGF-β1蛋白含量还是基因表达量来看，糖尿病大鼠均显著增加，伴随着TGF-β1表达量的升高，肾脏超微结构及其肾脏功能标志物显著改变，有氧运动可能通过降低2 型糖尿病大鼠肾组织中TGF-β1的过表达，从而改善肾脏超微结构损伤及其肾脏功能标志物，进而发挥其保护肾脏的作用。值得注意的是，TGF-β1与运动强度密切相关，早年国内学者就已提出过度运动会显著增加TGF-β1在肾脏组织中的表达，而这也是过度训练引起肾脏组织结构和功能损伤的重要原因[46]。究其原因，过度运动会通过氧化应激和肾脏血流压力的改变来加重肾脏纤维化[47]。总的来说，运动干预与肾组织TGF-β1关系密切，另外运动干预可能通过调节TGF-β1来改善肾组织结构及功能，同时运动干预与TGF-β1存在某种剂量关系，不适宜的运动强度将有损肾脏组织结构及其功能。
Notch信号通路可调节多种肾脏疾病。Notch1在肾小球中具有主要的破坏性作用[48]，Notch1的增加可加重糖尿病肾小管间质纤维化进程[49]。敲低Notch1可减轻糖尿病肾中血管内皮生长因子的表达和蛋白尿的产生[11]。由此可见，Notch1在糖尿病肾病的发生发展中具有重要作用。如今，越来越多的研究表明，TGF-β与Notch紧密联系，共同调控肾脏病变进程。Notch信号通路是TGF-β诱导上皮间质转化的关键驱动因素[50]，许多由Notch信号调节的发育过程也由包括骨形态发生蛋白在内的TGF-β家族配体控制，从而为2 种途径之间频繁发生的串扰奠定了基础[51]。肾小管上皮细胞中Notch信号的激活可显著刺激TGF-β1的表达，促进肾纤维化，使用Notch抑制剂后显著减弱了这些作用[52]。TGF-β1可增加Jagged1和Hes1在肾小管上皮细胞中的表达[53]，抑制Notch1信号通路可抑制TGF-β1表达，减轻大鼠肾间质纤维化[54]。当前，关于运动干预对糖尿病肾脏Notch1信号通路影响的报道相对较少。朱洪竹等[38]研究指出，2 型糖尿病大鼠进行8 周有氧游泳运动干预后肾组织病理性结构损伤以及24 h尿微量白蛋白含量明显改善，并表明运动对2 型糖尿病大鼠肾功能的改善可能与其下调Notch1通路有关。同时，此次研究结果发现，有氧运动改善2 型糖尿病大鼠肾组织损伤同样与Notch1信号通路有关。具体地说，有氧运动8 周后，糖尿病运动组肾组织中TGF-β1、Notch1、Jagged1和Hes1基因和/或蛋白表达均显著减少，提示有氧运动改善糖尿病肾功能与其抑制肾脏TGF-β1/Notch1信号通路上调密切相关。综合此次研究的结果显示，2 型糖尿病大鼠模型的肾脏组织可见TGF-β1/Notch1信号通路被激活，有氧运动干预能明显下调TGF-β1/Notch1信号通路，减轻2 型糖尿病大鼠病理性的肾脏损伤。
3.4 结论 8 周无负重游泳运动可以保护2 型糖尿病大鼠肾功能，减少尿微量白蛋白的排泄，延缓肾的病理进展，其机制可能与TGF-β1/Notch1信号通路的抑制有关。中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

有氧运动干预2型糖尿病大鼠肾功能的变化

Variation in renal function of type 2 diabetic rats undergoing aerobic exercise

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 6

参考文献

相关文章 15

引言

材料方法

讨论

文章快阅

延伸阅读

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	王继, 张敏, 李文博, 杨中亚, 张龙. 有氧运动对2型糖尿病大鼠糖脂代谢、骨骼肌炎症和自噬的影响[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(8): 1200-1205.
[2]	孙园, 王庆博, 皮亦华, 陆春敏, 徐传仪, 张艳. 早期和晚期有氧运动对野百合碱诱导肺动脉高压大鼠右心衰竭的影响[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(2): 177-185.
[3]	王京峰, 文登台, 王士杰, 高颖晖. Atg介导的自噬、运动和骨骼肌衰老[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(2): 295-301.
[4]	唐亮, 王合霞, 王庆博, 皮亦华, 张艳. 有氧运动调控线粒体质量控制系统逆转衰老大鼠心脏的病理性重塑[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(16): 2534-2541.
[5]	邓龙飞, 张业廷, 付燕. 有氧运动抑制神经炎症减轻阿尔茨海默病模型小鼠认知障碍[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(14): 2209-2214.
[6]	张业廷, 李垂坤, 魏翠兰, 付燕, 张飞飞. 有氧运动对阿尔茨海默症小鼠成年海马神经发生的影响[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(13): 2068-2075.
[7]	陈冠廷, 张琳琪, 李清茹. 外泌体在慢性肾脏病诊疗中的研究热点与趋势[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(1): 86-92.
[8]	贾圣琪, 罗文龙, 田丁元, 张新会, 崔茜, 王超, 裴汉军. 急性肾缺血再灌注损伤模型小鼠线粒体去乙酰化酶3的表达[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(8): 1172-1178.
[9]	赵璐, 赵逸菲, 高达, 刘艳芳, 付婷婷, 徐江雁. Zeste基因抑制子基因12在糖尿病肾脏病模型大鼠肾组织中的表达[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(8): 1179-1186.
[10]	张艳, 何瑞波, 王庆博, 皮亦华, 陆春敏, 徐传仪, 马刚, 彭朋. 不同负荷量有氧运动对肥胖大鼠骨骼肌炎症反应和胰岛素信号途径的影响及机制[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(8): 1237-1244.
[11]	王继, 张敏, 杨中亚, 张龙. 体力活动干预2型糖尿病肌少症的研究现状[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(8): 1272-1277.
[12]	陈冠廷, 张琳琪, 李清茹. 外泌体miRNA对慢性肾脏病诊断价值的Meta分析[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(6): 970-976.
[13]	刘洪文, 李皎, 徐文豪, 聂华, 刘绍江, 徐杰, 尹立. 失神经骨骼肌萎缩模型大鼠肌肉组织中microRNA表达谱的差异分析[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(5): 732-737.
[14]	唐璐, 蔺海旗. 基于幂律模型解析有氧运动抵抗阿尔茨海默病的动物实验[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(35): 5695-5700.
[15]	杜佳, 付燕, 范佳, 周妙蓉, 张业廷. 有氧运动干预Aβ1-42诱导阿尔茨海默病大鼠海马突触结构与突触蛋白的改变[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(33): 5256-5262.