游泳运动与饮食控制改善高脂饮食APOE-/-小鼠下丘脑病变的机制

doi:10.12307/2023.471

中国组织工程研究 ›› 2023, Vol. 27 ›› Issue (20): 3136-3142.doi: 10.12307/2023.471

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游泳运动与饮食控制改善高脂饮食APOE-/-小鼠下丘脑病变的机制

丁琳琳1，卢陶陶1，魏伟2，3，李永旭1，林丽斌1，林志诚2，3，薛偕华2，3

1福建中医药大学康复医学院，福建省福州市 350108；2福建中医药大学附属康复医院，福建省福州市 350003；3福建省认知功能康复重点实验室，福建省福州市 350003

收稿日期:2022-05-21 接受日期:2022-07-14 出版日期:2023-07-18 发布日期:2022-11-19
通讯作者: 薛偕华，博士，主任医师，博士生导师，福建中医药大学附属康复医院，福建省福州市 350003；福建省认知功能康复重点实验室，福建省福州市 350003
作者简介:丁琳琳，女，1997年生，吉林省白城市人，汉族，福建中医药大学在读硕士，主要从事神经康复与认知科学研究。
基金资助:
福建省自然科学基金(2020J01759)，项目负责人：林志诚

Mechanisms by which swimming exercise and diet control improve hypothalamic lesions in APOE-/- mice with high-fat diet

Ding Linlin1, Lu Taotao1, Wei Wei2, 3, Li Yongxu1, Lin Libin1, Lin Zhicheng2, 3, Xue Xiehua2, 3

1College of Rehabilitation Medicine, Fujian University of Traditional Chinese Medicine, Fuzhou 350108, Fujian Province, China; 2The Affiliated Rehabilitation Hospital, Fujian University of Traditional Chinese Medicine, Fuzhou 350003, Fujian Province, China; 3Fujian Provincial Key Laboratory of Cognitive Rehabilitation, Fuzhou 350003, Fujian Province, China

Received:2022-05-21 Accepted:2022-07-14 Online:2023-07-18 Published:2022-11-19
Contact: Xue Xiehua, MD, Chief physician, Doctoral supervisor, The Affiliated Rehabilitation Hospital, Fujian University of Traditional Chinese Medicine, Fuzhou 350003, Fujian Province, China; Fujian Provincial Key Laboratory of Cognitive Rehabilitation, Fuzhou 350003, Fujian Province, China
About author:Ding Linlin, Master candidate, College of Rehabilitation Medicine, Fujian University of Traditional Chinese Medicine, Fuzhou 350108, Fujian Province, China
Supported by:
Fujian Natural Science Foundation, No. 2020J01759 (to LZC)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

APOE-/-：载脂蛋白E(APOE)是一种糖蛋白，能够与特定的肝脏和外周细胞受体结合，对富含三酰甘油的脂蛋白成分的正常分解具有重要作用，并在中枢系统中广泛表达。APOE-/-小鼠为APOE基因敲除小鼠，又叫APOE基因缺陷小鼠，是美国洛克菲勒大学生化遗传与代谢实验室和北卡罗莱那大学病理遗传实验室在20世纪90年代培育成功的。
PGC-1α-SIRT3信号通路：过氧化物酶体增殖物激活受体 γ共激活因子1α(PGC-1α)是过氧化物酶体增殖物激活受体 γ共激活因子1的成员之一，参与线粒体的合成，是能量代谢调节的重要转录活化因子。PGC-1α的下游信号靶点去乙酰化酶3(SIRT3)，是sirtuins蛋白家族的成员，具有NAD+依赖性脱乙酰酶活性，在线粒体中广泛存在，是代谢调节的重要蛋白质。PGC-1α可通过调节SIRT3的表达，从而调节能量代谢的平衡。

背景：游泳运动和饮食控制是目前公认的改善代谢异常的重要干预方式，下丘脑去乙酰化酶3、过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α蛋白是调控能量代谢的重要因子，但游泳运动和饮食控制对高脂饮食载脂蛋白E基因敲除(ApoE-/-)小鼠下丘脑病变的影响及其与PGC-1α-SIRT3通路的相关性，目前尚不清楚。
目的：探讨游泳运动与饮食控制调节高脂饮食ApoE-/-小鼠下丘脑病变的可能机制。
方法：50只20周龄的SPF级雄性ApoE-/-小鼠随机分为对照组(正常饮食)、高脂饮食组、饮食控制组、游泳组、饮食控制+游泳组，每组10只。除对照组(普通饲料)外，其余各组均进行8周的高脂饲料(21%脂肪，0.15%胆固醇)饲养。饲养8周后，饮食控制组和饮食控制+游泳组改为普通饲料喂养，其余各组喂养方式不变；游泳组和饮食控制+游泳组进行无负重的游泳运动，共持续8周。每周的同一时间测量各组小鼠的体质量，MRI波谱检测下丘脑代谢物质N-乙酰天门冬氨酸、胆碱复合物、肌酸、肌醇的表达变化；电镜检测小鼠下丘脑的线粒体和髓鞘形态变化；蛋白质免疫印迹法检测下丘脑去乙酰化酶3、过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α蛋白的表达。
结果与结论：①高脂饮食喂养后对照组体质量显著低于其余4组；干预8周后，游泳组、饮食控制组、饮食控制+游泳运动组体质量显著低于高脂饮食组(P < 0.05)，饮食控制+游泳运动的下降趋势最明显；②与对照组相比，高脂饮食组的N-乙酰天门冬氨酸、胆碱复合物显著减少，肌醇显著增加(P < 0.05)；与高脂饮食组相比，饮食控制组、游泳组和饮食控制+游泳组N-乙酰天门冬氨酸、胆碱复合物显著增加，肌醇显著减少(P < 0.05)，其中饮食控制+游泳组的作用更显著；③饮食控制组、游泳组、饮食控制+游泳组下丘脑的去乙酰化酶3和过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α蛋白表达显著高于高脂饮食组(P < 0.05)；④电镜结果显示，高脂饮食组小鼠线粒体发生肿胀，嵴断裂、消失或成新空泡化，髓鞘机构模糊，大部分髓鞘中部与边缘分离，呈现空泡化变性；饮食控制和游泳运动干预后，线粒体和髓鞘的形态结构得到改善；饮食控制+游泳组线粒体、髓鞘形态和结构趋于正常；⑤结果表明，游泳运动和饮食控制可有效改善高脂诱导的下丘脑病变，二者结合效果更佳，其机制可能与上调线粒体相关蛋白去乙酰化酶3和过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α表达、改善下丘脑神经代谢和缓解线粒体功能障碍有关。
https://orcid.org/0000-0003-2572-3558 (丁琳琳)

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: 游泳运动, 饮食控制, 高脂饮食, 下丘脑, MRI波谱

Abstract: BACKGROUND: Swimming exercise and diet control are currently recognized as important interventions to improve metabolic abnormalities. Hypothalamic sirtuin 3 (SIRT3) and peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1α (PGC-1α) are important factors regulating energy metabolism, but the correlation between the effects of swimming exercise and diet control on hypothalamic lesions in apolipoprotein E knockout (APOE-/-) mice with high-fat diet and the PGC-1α-SIRT3 pathway is still unclear.
OBJECTIVE: To investigate the possible mechanism of swimming exercise and diet control in regulating hypothalamic lesions of APOE-/- mice with high-fat diet.
METHODS: Fifty 20-week-old APOE-/- mice were randomly divided into normal diet group, high-fat diet group, diet control group, swimming exercise group and diet control+swimming exercise group, with 10 mice in each group. Except for the control group (normal diet), the other groups were fed with high-fat diet (21% fat, 0.15% cholesterol) for 8 weeks. After 8 weeks of feeding, the diet control group and the diet control+swimming exercise group were normally fed, and there were no changes in the other groups. The swimming exercise group and the diet control+swimming exercise group were given no weight-bearing swimming for 8 weeks in total. Mice were weighed at the same time each week, and changes in hypothalamic metabolites, including N-acetyl aspartate (NAA), choline complex (Cho), creatine (Cr), and myo inositol (MI) were detected by magnetic resonance spectrum of the hypothalamus. Morphological changes of mitochondria and myelin sheath in the hypothalamus were detected by electron microscopy. SIRT3 and PGC-1α protein expression was detected by western blot.
RESULTS AND CONCLUSION: The body mass of the control group was significantly lower than that of the other four groups after high-fat diet feeding. After 8 weeks of intervention, the body mass of swimming exercise group, diet control group, diet control+swimming exercise group was significantly lower than that of high-fat diet group (P < 0.05), and the decreasing trend of diet control+swimming exercise group was the most obvious. Compared with the control group, the NAA/Cr and Cho/Cr of the high-fat diet group decreased significantly, and the MI/Cr increased significantly (P < 0.05). Compared with the high-fat diet group, the NAA/Cr and Cho/Cr of the diet control group, the swimming exercise group and the diet control+swimming exercise group increased significantly, while the MI/Cr decreased significantly (P < 0.05). The improvement effect on NAA/Cr and Cho/Cr of diet control+swimming exercise group was better than that of diet control group and swimming exercise group. The protein levels of SIRT3 and PGC-1α in the hypothalamus of diet control group, swimming exercise group and diet control+swimming exercise group were significantly higher than those of high-fat diet group (P < 0.05). The results of electron microscopy showed that in the high-fat diet group the mitochondria of mice were swollen, the crists were broken, disappeared or vacuolated, the myelin mechanism was blurred, most of the myelin was separated from the middle and edge, and the vacuolated degeneration was observed. The morphology and structure of mitochondria and myelin were improved after diet control and swimming exercise intervention. These findings indicate that both swimming exercise and diet control can effectively improve high-fat-induced hypothalamic lesions, and the combination of the two achieves better outcomes. The underlying mechanism is related to up-regulating the expression of mitochondria-related proteins PGC-1α and SIRT3, improving hypothalamic neurometabolism, and alleviating mitochondrial dysfunction.

Key words: swimming exercise, diet control, high-fat diet, hypothalamus, magnetic resonance spectrum

中图分类号:

丁琳琳, 卢陶陶, 魏伟, 李永旭, 林丽斌, 林志诚, 薛偕华. 游泳运动与饮食控制改善高脂饮食APOE-/-小鼠下丘脑病变的机制[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(20): 3136-3142.

Ding Linlin, Lu Taotao, Wei Wei, Li Yongxu, Lin Libin, Lin Zhicheng, Xue Xiehua. Mechanisms by which swimming exercise and diet control improve hypothalamic lesions in APOE-/- mice with high-fat diet[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(20): 3136-3142.

图/表（结果） 6

2.1 实验动物数量分析 ApoE-/-小鼠50只，随机分为5组。干预结束后，每组小鼠的数量为10只，后续检测各组小鼠均无死亡。
2.2 小鼠体质量的变化实验结果显示，与对照组相比，高脂饮食组小鼠体质量整体呈现上升的趋势；干预8周后，饮食控制组、游泳组、饮食控制+游泳组小鼠的体质量显著低于高脂饮食组(P < 0.05)，见图1。

2.3 各组小鼠下丘脑代谢情况采用MRI波谱对小鼠下丘脑的代谢物质的变化情况进行观察和分析，图2为MRI波谱扫描的小鼠下丘脑的定位图，检测结果如图3所示。与对照组相比，高脂饮食组的N-乙酰天门冬氨酸/肌酸、胆碱复合物/肌酸显著下降(P < 0.01，P < 0.05)，肌醇/肌酸显著上升(P < 0.01)；与高脂饮食组相比，饮食控制组、游泳组和饮食控制+游泳组N-乙酰天门冬氨酸/肌酸、胆碱复合物/肌酸显著上升(P < 0.01)，肌醇/肌酸显著下降(P < 0.01)。此外，与饮食控制组相比，饮食控制+游泳组的N-乙酰天门冬氨酸/肌酸、胆碱复合物/肌酸显著增加(P < 0.01，P < 0.05)，改善作用最明显，饮食控制和游泳组的改善情况无明显差异。

2.4 各组小鼠下丘脑SIRT3、PGC-1α蛋白表达情况蛋白质免疫印迹结果显示，PGC-1α、SIRT3在各组小鼠的下丘脑均有表达。其中与高脂饮食组相比，对照组、饮食控制组、游泳组、饮食控制+游泳组的SIRT3、PGC-1α蛋白表达显著增加(P < 0.05)，饮食控制+游泳组的SIRT3蛋白表达高于饮食控制组和游泳组，饮食控制组和游泳组的PGC-1α蛋白表达高于饮食控制+游泳组，但差异无显著性意义(P > 0.05)。详见图4。

2.5 各组小鼠下丘脑透射电镜观察结果
2.5.1 线粒体透射电镜观察结果电镜下观察到对照组线粒体分布正常，结构完整，嵴的形态呈板层状或管泡状；高脂饮食组部分线粒体发生肿胀，嵴断裂、消失或呈空泡化的状态；饮食控制组、游泳组、饮食控制+游泳组线粒体形态改善，部分嵴发生断裂和空泡化。此外，饮食控制+游泳组线粒体形态和结构趋于正常。见图5。

2.5.2 髓鞘透射电镜观察结果透射电镜成像结果显示，对照组下丘脑组织中的大部分髓鞘结构致密均匀，形态规则，其余各组髓鞘的微观结构呈现不同程度的损坏；高脂饮食组小鼠下丘脑髓鞘结构模糊，形态异常，髓鞘中部与边缘分离，大部分髓鞘呈现空泡化变性。饮食控制组和游泳组小鼠下丘脑髓鞘的形态稍有改善，但变化不显著；饮食控制+游泳组髓鞘损坏比例下降，分布均匀，结构完整性接近对照组。见图6。

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引言

随着生活水平的不断提高，人们在日常生活中的脂肪摄入量也日益增加。由高脂饮食所导致的肥胖、超重、2型糖尿病等疾病已成为如今社会重点关注的健康问题。现代人长期的高脂饮食以及久坐不动的生活方式会导致体内能量代谢的失衡。运动和饮食对于人类生长生存的调控作用至关重要[1]，
是人体总能量消耗环节较易发生变化的部分。长期保持以适度限制能量摄入为特征的饮食与运动相结合，能够有效促进体质量以及脂肪的减少[2-3]。
大量证据表明，饮食是导致能量代谢障碍最主要的因素，下丘脑是控制进食的关键脑区，参与感知和运输外周能量信号的过程，直接对代谢稳态进行调控[4]。早期研究证实，下丘脑腹内侧核通过调控食物摄入来调节能量平衡[5-6]。高脂饮食会引起胰岛素和瘦素的抵抗以及线粒体功能障碍。LIZARBE等[7]利用MRI波谱技术证实，高脂饮食可诱导小鼠下丘脑炎症以及主要的代谢变化，包括下丘脑中的葡萄糖和脂肪酸代谢率增加，主要为星形细胞代谢以及神经传递通量的改变。另有研究结果显示，高脂饮食造成下丘脑弓状核、下丘脑内侧和外侧的神经元丢失以及胶质增生，导致能量稳态失衡[8]。
运动能够有效调节下丘脑背内侧的促肾上腺皮质激素释放因子、神经肽Y和转甲状腺素等信号，影响能量摄入与能量消耗从而促进能量平衡[9]。SHIUCHI等[10]研究发现，运动通过增加下丘脑腹内侧中瘦素受体的表达，在能量代谢的调节中发挥重要作用。因此，加强运动以及适当控制饮食保护线粒体功能，是预防和改善能量代谢障碍的有效办法[11]。
过氧化物酶体增殖物激活受体 γ共激活因子1α(α subunit
of peroxisome proliferators- activated receptor-γ coactivator-1，
PGC-1α)是线粒体功能和能量稳态的主要调节因子[12]。
去乙酰化酶3(Sirtuin-3，SIRT3)在线粒体中广泛存在，是调节细胞能量代谢的新靶点，具有较强的去乙酰酶活性，对能量稳态的调节具有重要的作用[13]。有研究表明PGC-1α-SIRT3信号通路在保护线粒体功能方面具有重要作用[14]。载脂蛋白E
(apolipoprotein E，APOE)能够有效调节脂蛋白和胆固醇的重新分布，是中枢神经系统脂质代谢的主要载脂蛋白，发挥着重要的神经保护作用[15]。高脂饮食喂养的APOE基因敲除(APOE-/-)小鼠，与野生型小鼠相比，更易产生体内的代谢紊乱[16]。但是游泳运动与饮食控制对高脂饮食APOE-/-小鼠的下丘脑病变及其与PGC-1α-SIRT3通路的相关性尚未进行深入研究，因而，此次研究通过建立APOE-/-小鼠高脂模型，探讨游泳运动和饮食控制对高脂饮食APOE-/-小鼠下丘脑的影响及其与PGC-1α-SIRT3通路的相关性。
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。
1.2 时间及地点实验于2020年12月至2021年4月在福建中医药大学实验动物中心SPF级实验室中完成。
1.3 材料
1.3.1 实验动物 SPF级雄性ApoE-/-小鼠50只，20周龄，体质量28-35 g，均购自北京唯尚立拓科技有限公司，许可证号为SCXK(京)2016-0009。适应性喂养1周，实验室中光照/
黑暗周期为12 h，正常饮食饮水，室内温度控制在20-25 ℃。
实验过程中的所有操作均遵守实验动物福利伦相关法规和各项规定，实验方案已通过福建中医药大学实验动物伦理委员会的审批，审批号：2020091。
1.3.2 实验试剂和设备高脂饲料(乳脂致动脉硬化饲料，江苏美迪森生物医药有限公司)；普通饲料(SPF级大小鼠繁殖饲料，北京华阜康生物科技股份有限公司)；异氟烷(深圳瑞沃德生命科技有限公司)；BCA蛋白定量试剂盒(上海英潍捷基贸易有限公司，货号：23227 )；电镜固定液(武汉塞维尔生物科技有限公司，货号：G1102-100ML)；Bio-RAD 电泳仪(美国伯乐)；凝胶成像系统(美国伯乐)；移液枪(Eppendorf)；多功能酶标仪infinite M200(帝肯)；透射电镜(HITACHI)；4 ℃离心机(Eppendorf)。
1.4 实验方法
1.4.1 动物分组及干预将50只ApoE-/-小鼠根据随机数字表法随机分为对照组、高脂饮食组、饮食控制组、游泳组、饮食控制+游泳组共5组，每组10只。待小鼠20周龄后，除对照组(普通饲料)外，其余各组均进行8周的高脂饲料(21%脂肪，0.15%胆固醇)饲养。
进行高脂饲料和普通饲料饲养8周后，饮食控制组和饮食控制+游泳组改为普通饲料喂养，其余各组喂养方式不变。造模完成后的第2天进行适应性运动训练。此外，对照组、高脂饮食组和饮食控制组小鼠每日进行同等条件的抓取，不进行游泳运动；游泳组和饮食控制+游泳组周一至周六，在游泳池(直径50 cm，深度40 cm)进行无负重的游泳运动，水深为20 cm，水温控制在28-32 ℃。游泳运动开始的第1周为适应期，使小鼠适应训练的强度，时间为10 min，此后每天连续训练的时间依次递增10 min，直至第5天持续训练时间达到目标训练时间50 min后，之后的训练时间维持
50 min不变，训练期间应时刻观察小鼠的训练情况，保证每只小鼠在训练期间歇息7.0-8.0 min。从第2周开始进入正式训练阶段，每天训练一次，训练时间固定为上午9时，每次训练时间为50 min，每周训练7 d，共持续8周。游泳运动结束后，用毛巾将小鼠擦干，并用电热器取暖，随后将小鼠放回笼中。
1.4.2 小动物MRI波谱检测下丘脑代谢情况在小鼠运动训练结束后24 h，对下丘脑部位进行MRI扫描。将小鼠放置于装有2%-3%异氟烷的气体箱中，待小鼠完全麻醉后取出小鼠，将其以俯卧位固定在扫描床上，在小鼠的腹部和肛门内分别放置心率检测器和肛门体温计，实时监测小鼠的生命体征，随后使用头部线圈、牙勾和耳杆固定小鼠，待小鼠呼吸稳定后，进行图像定位，根据定位像的情况调整小鼠的位置，通过RARE序列行常规T1W1、T2W1扫描，具体参数：TE=35 ms，TR=4 200 ms，Averages=4，Slice Thickness=0.5 mm，Field of view=20 mm×20 mm。随后进行MRI波谱扫描，选取下丘脑1 mm×1 mm×1 mm大小区域，并设置MRS具体扫描参数为TE=144 ms，TR=1 500 ms，Averages=256。扫描成像后，对下丘脑代谢物质N-乙酰天门冬氨酸、胆碱复合物、肌酸、肌醇进行统计和分析。

1.4.3 蛋白印迹法检测下丘脑蛋白表达水平每组随机选取6只小鼠用生理盐水进行心脏灌注，冲出体内剩余血液后，迅速断头取脑，并在冰上剥离下丘脑后放入液氮中冷冻，防止蛋白的降解，随后转移至-80 ℃冰箱保存。将取出的下丘脑组织放入配置后的RIPA蛋白裂解液中，超声打碎组织后，4 ℃、14 000 r/min离心15 min，取上清转移至1.5 mL离心管中。利用BCA定量试剂盒测定下丘脑蛋白浓度，并根据测定结果计算上样量，补充5X的loading buffer，采取98 ℃恒温金属浴10 min的方法使蛋白变性。制备10%的分离胶与5%的浓缩胶，进行电泳、转膜。将PVDF膜于5%的脱脂奶粉封闭液中封闭90 min，随后4 ℃孵育一抗过夜：PGC-1α(1∶1 000，abcam，rabbit，ab191838)、SIRT3(1∶1 000，Cell Signaling Technology，rabbit，5490)。次日，TBST洗3次，每次10 min，室温条件下孵育二抗90 min。TBST洗好后，采取ECL法使用Bio-Rad 发光仪采集电泳条带的荧光信号，Image J 软件定量计算各蛋白表达情况。
1.4.4 透射电镜观察下丘脑超微结构的变化每组余下的4只小鼠依次采用30 mL的生理盐水和30 mL的多聚甲醛进行心脏灌注，迅速断头，于冰上剥离下丘脑后，将其切为1 mm3大小，放入含2.5%戊二醛的电竞固定液中固定2 h，PBS反复清洗数次后，用1%的锇酸水溶液进行后固定2 h，以上操作均在4 ℃条件下进行。用PBS冲洗并梯度脱水后，进行包埋、修片、切片，并通过透射电镜观察下丘脑中线粒体和髓鞘的形态与数量情况。
1.5 主要观察指标每周同一时间测量各组小鼠体质量，运动干预结束后，MRI波谱检测下丘脑N-乙酰天门冬氨酸、胆碱复合物、肌酸、肌醇表达情况；蛋白质免疫印迹法检测下丘脑SIRT3、PGC-1α蛋白的表达水平；电镜检测小鼠下丘脑的线粒体和髓鞘形态变化。
1.6 统计学分析实验数据通过SPSS 23.0软件进行分析，数据采用x±s的形式展现，组间数据差异性通过完全随机设计多样本单因素方差分析的方法进行比较，当P < 0.05时，差异有显著性意义。文章统计学方法已经福建中医药大学生物统计学专家审核。

讨论

长期的高脂饮食损害大脑的正常活动，造成外周的代谢紊乱和中枢神经系统的炎症反应[17]。大量的证据显示，饮食中脂肪含量过高导致个体超重和肥胖，从而促进高脂血症、2型糖尿病、高血压等代谢性疾病患病率的增加[18]。研究表明，高脂饮食喂养会促进小鼠体质量的增加，且肥胖程度比普通饲料喂养更大。通过高脂饮食喂养建立动物模型是研究高脂饮食所诱导的相关代谢类疾病的重要手段[19]。APOE存在于多种血浆脂蛋白中，在维持血浆脂质平衡、介导胆固醇的调节方面发挥重要作用[20]。敲除APOE的APOE-/-小鼠体内极易产生代谢紊乱，前期研究也发现，与普通饮食的APOE-/-小鼠相比，高脂饮食喂养7周后，APOE-/-小鼠血清中的总胆固醇、三酰甘油、低密度脂蛋白含量都显著提升，因而此次研究通过高脂饮食喂养APOE-/-小鼠，探讨游泳运动和饮食控制对高脂饮食APOE-/-小鼠下丘脑的影响及其作用机制[21]。
运动能够改善高脂饮食小鼠的糖耐量，减少脂肪的储存，增强肝脏胰岛素信号和脂联素的浓度。此次研究发现，8周的高脂饮食喂养后，与对照组相比，其余各组小鼠体质量均显著增加。进行干预后，与高脂饮食组相比，饮食控制组、游泳组、饮食控制+游泳组的小鼠体质量显著下降，且饮食控制组和饮食控制+游泳组的小鼠体质量水平接近对照组，结果还发现，饮食控制+游泳组小鼠体质量下降趋势最快，提示饮食控制与游泳运动能够显著降低因高脂饮食导致的小鼠体质量上升的趋势，且同时进行饮食控制与游泳运动干预时对小鼠体质量控制效果最好。下丘脑对能量稳态的调节具有重要的作用，在此次研究中，饮食控制和游泳运动通过食物摄入与能量消耗两方面，有效地控制了高脂饮食APOE-/-小鼠体质量的增加，而饮食控制和游泳运动对于下丘脑能量稳态调节的具体机制则需要进一步的研究探讨。
下丘脑是控制进食的关键脑区，参与感知外周能量信号的过程，调控代谢稳态[4]。有研究证实高脂饮食诱导小鼠下丘脑炎症，激活胶质细胞[7]，使下丘脑内外侧的神经元丢失以及胶质增生，导致能量稳态失衡[8]。N-乙酰天门冬氨酸在神经元和轴突上广泛存在，神经元死亡以及功能障碍发生都会导致其含量下降[22]，胆碱复合物是反映神经功能变化的重要物质，与神经细胞的髓鞘生成以及完整性密切相关[23]，而肌醇主要存在于神经胶质细胞中，其含量上升与神经炎症有关[24]。目前关于饮食和运动对下丘脑神经代谢的研究罕见报道。此次研究的MRI波谱分析显示高脂饮食组小鼠下丘脑N-乙酰天门冬氨酸、胆碱复合物和肌醇代谢异常，呈现N-乙酰天门冬氨酸、胆碱复合物的含量下降、肌醇含量升高的趋势；游泳组、饮食控制组、饮食控制+游泳组小鼠N-乙酰天门冬氨酸、胆碱复合物的表达升高，肌醇含量下降，饮食控制+游泳组小鼠下丘脑内的N-乙酰天门冬氨酸、胆碱复合物和肌醇的含量与高脂饮食组的差异性最大，干预期间，MRI波谱的检测结果与小鼠体质量变化结果基本一致，饮食控制组和游泳组相比，体质量和下丘脑神经代谢物质的变化不存在差异性。饮食控制和游泳运动对促进高脂饮食APOE-/-
小鼠的下丘脑神经代谢具有积极的作用，而饮食控制和游泳运动相结合促进能量代谢的作用更明显。结合相关研究分析，饮食控制和游泳运动可能改善了因高脂饮食喂养所导致下丘脑神经元、髓鞘的功能障碍，从而改善了下丘脑的神经代谢功能[25-26]。
线粒体是调节生物能量的重要细胞器，其能量供应要高于其他器官[27]。下丘脑神经元通过线粒体能量的供应实现能量稳态的调节，当神经元线粒体发生功能障碍时，会导致肥胖、2型糖尿病等代谢性疾病的发生[28]。研究表明，高脂饮食会对线粒体动力学产生损害，导致能量稳态失衡以及肥胖[29]。另有研究显示，急性高脂饮食使野生型小鼠下丘脑内线粒体应激反应基因的表达降低，通过胰岛素治疗后，线粒体蛋白酶趋于稳定，从而使线粒体功能恢复正常，减少了食物的摄入量以及体质量的增加[30]。有研究指出，运动和饮食控制能够增加健康线粒体的数量，加强线粒体功能，激活神经元中的信号通路，改善线粒体功能障动物模型的神经可塑性以及神经发生，从而维持体内代谢活动，对于大脑疾病的预防和治疗具有重要的作用[31]。此次研究结果表明，高脂饮食组小鼠下丘脑线粒体形态结构发生异常，通过运动和饮食的干预处理，线粒体肿胀、分布异常和嵴断裂的情况得到显著改善，且饮食控制+游泳组小鼠线粒体的改善最明显，类似的结果可见于下丘脑神经髓鞘，提示游泳运动和饮食控制能够提高神经元完整性、调节线粒体的功能障碍，进而维持能量稳态的平衡，二者结合进行干预效果更佳。此外，REAL-HOHN等[32]在动物实验中观察到，间歇饮食和高强度间歇运动通过增加大鼠的肌肉质量和横截面积，提高线粒体的质量以及效率等途径，从而预防和治疗代谢综合征和相关疾病。WANG等[33]通过研究发现，运动通过提高糖尿病小鼠的氧化磷酸化水平，增加膜电位，降低耗氧量，从而减轻线粒体功能障碍，对代谢紊乱的调节具有积极作用。综上，饮食和运动可通过调节线粒体功能，实现对神经系统能量稳态的调节，其调节机制是否与线粒体蛋白PGC-1α-SIRT3通路有关则需要进一步研究。
PGC-1α是一种转录共激活因子，可有效调节线粒体生物发生和功能、氧化应激以及多种组织的代谢途径，SIRT3是PGC-1α下游的一个靶点，介导线粒体对于能量的适应，通过直接去乙酰化形式，激活包括线粒体抗氧化酶超氧化物歧化酶2在内的多种线粒体蛋白[34-35]。大量研究显示，有氧训练能够激活AMPK-PGC-1α-SIRT3信号轴，增加久坐超重青少年骨骼肌中的PGC-1α和SIRT3蛋白含量，提高线粒体的抗氧化能力[36-38]。BAE等[39]通过对小鼠进行8周的运动训练发现，肥胖小鼠比目鱼肌中PGC-1α的蛋白含量升高，体质量和脂肪质量明显下降。CHENG等[40]研究结果表明，SIRT3对于降低线粒体蛋白的乙酰化水平、超氧化物水平具有重要的作用，缺乏SIRT3会导致神经元在代谢和氧化应激中受到损害，过表达SIRT3能够有效维持线粒体中的钙离子稳态，防止细胞凋亡，保持脑内能量稳态的平衡。此次研究发现，高脂饮食组小鼠下丘脑的PGC-1α和SIRT3表达降低，饮食控制和游泳运动显著提升了下丘脑内PGC-1α和SIRT3的蛋白水平，提示饮食控制和游泳运动改善高脂饮食APOE-/-小鼠的线粒体病变与PGC-1α-SIRT3通路密切相关。但饮食控制组、游泳组、饮食控制+游泳组之间PGC-1α和SIRT3蛋白表达无显著差异，其具体分子机制需要进一步深入研究。
综上所述，饮食控制和游泳运动可有效调控下丘脑线粒体蛋白PGC-1α和SIRT3的表达，二者结合可显著促进下丘脑神经代谢、改善线粒体功能障碍、从而维持神经系统的能量稳态。
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

游泳运动与饮食控制改善高脂饮食APOE-/-小鼠下丘脑病变的机制

Mechanisms by which swimming exercise and diet control improve hypothalamic lesions in APOE-/- mice with high-fat diet

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