耐力训练上调SD大鼠主动脉AMPK和eNOS表达并改善血管内皮功能

2014-08-02 09:37冉艳恩
沈阳体育学院学报 2014年4期
关键词:内皮细胞内皮主动脉

冉艳恩

(郑州大学体育学院,河南郑州450044)

耐力训练上调SD大鼠主动脉AMPK和eNOS表达并改善血管内皮功能

冉艳恩

(郑州大学体育学院,河南郑州450044)

目的:观察长期耐力训练对大鼠主动脉AMPK和eNOS表达、NO含量以及内皮依赖性血管舒张反应的影响,探讨耐力训练改善血管内皮功能的可能机理。方法:30只SD大鼠随机分为对照组(n=15)和运动组(n=15)。运动组进行为期8周的跑台运动,对照组保持安静状态。实验结束后,实时荧光定量PCR测定主动脉AMPK、eNOS mRNA水平,western blot检测主动脉AMPK、eNOS总蛋白及磷酸化蛋白水平,硝酸还原酶法检测主动脉与血浆NO含量,离体血管张力记录法测定乙酰胆碱(Ach)诱发的内皮依赖性血管舒张反应,递增负荷运动实验测定大鼠力竭运动时间。结果:与对照组比较,运动组大鼠力竭时间延长(P<0.01),胸主动脉对各浓度(10~6 mol/L~10~9 mol/L)Ach的舒张百分比升高(均为P<0.01),主动脉与血浆NO含量升高(均为P<0.01),主动脉AMPKα、eNOSmRNA、总蛋白以及磷酸化蛋白水平均显著升高(均为P<0.01)。结论:长期耐力训练上调主动脉AMPK和eNOS活性和表达量,促进NO产生,从而改善了血管内皮功能并提高运动耐力。

耐力训练;血管内皮功能;AMP激活的蛋白激酶(AMPK);内皮型一氧化氮合酶(eNOS)

脂质沉积和内皮细胞功能紊乱是动脉硬化及其相关疾病发生的重要病理生理机制[1]。规律耐力训练可降低血浆甘油三酯并提高高密度脂蛋白胆固醇含量,从而减少动脉脂质沉积,预防动脉硬化的发生[2]。近年来的研究发现,耐力运动还可有效改善血管内皮细胞功能,而且这种改变在血脂紊乱改善之前即可发生,提示耐力运动可直接作用于内皮细胞发挥抗动脉硬化作用[3],但具体的机制尚不清楚。离体实验研究证实,AMP激活的蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase,AMPK)与内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)均具有内皮细胞保护功能和抗动脉硬化作用[4-5]。离体实验发现,AMPK可磷酸化eNOS(Ser1177)而使其活化[6]。因此笔者推测长期耐力训练改善血管内皮功能可能是通过激活内皮细胞AMPK-eNOS-NO信号途径实现的。本研究以SD大鼠为研究对象,利用8周跑台运动实验,观察长期耐力训练对大鼠主动脉AMPK、eNOS表达,NO含量以及内皮依赖性血管舒张反应的影响,于在体水平上探讨耐力训练改善血管内皮功能的可能机制。

1 材料与方法

1.1 实验动物

SPF级健康雄性SD大鼠30只,体重240 g~ 300 g,由中国人民解放军军事医学科学院实验动物中心提供。分笼饲养,保持室温22℃,湿度40%。自然光照,自由进食水。大鼠适应环境一周后开始实验。

1.2 分组及训练方案

所有大鼠先进行3天适应性跑台运动,每天15 min,速度为5 m/s,坡度为0°。适应性训练结束后,将大鼠随机分为对照组(n=15)和运动组(n=15),对照组保持安静状态,运动组进行8周跑台运动。运动组的训练方案采用Bedford等[7]根据大鼠体重建立的跑速—摄氧量回归方程,即5 min热身(坡度为0°,速度为5 m/min)后,坡度调为5°,速度为15 m/min(相当于64%VO2max),第1天训练15 min,第2天30 min,第3天45 min,从第4天开始均为60 min。5天/周,共训练8周。

1.3 大鼠力竭时间测定

训练结束后第2天,测定两组大鼠跑台力竭运动时间。先进行5 min跑台热身运动(5 m/min)后休息3 min,再进行递增负荷测试,起始负荷为10 m/min,每2 min递增2 m/min,直到力竭(力竭标准:动物不能坚持本级负荷跑速,先后滞于跑道后1/3处达6次以上,声光电刺激驱赶无效)。记录力竭时间(min)。

1.4 实验动物取材

力竭运动实验结束后第2天进行取材。大鼠麻醉后,剪开胸腹腔,暴露心脏,左心室穿刺取血1ml,抗凝,3 000 r/min离心15 min,-80℃冰箱冻存待测血浆NO浓度;于冰盘中取出主动脉,仔细剔除外膜脂肪和结缔组织,在胸主动脉中部分别剪下10 mm和5 mm长的两段胸主动脉环,10 mm段用滤纸稍吸干后迅速置液氮中保存,待测组织NO含量、AMPK和eNOS基因表达,5 mm段用于血管舒张功能测定。

1.5 内皮依赖性血管舒张功能体外评价

采用离体血管环灌流技术[8],观察大鼠离体胸主动脉环对血管活性物质乙酰胆碱(Ach)的反应。其原理是Ach与内皮细胞M受体结合,产生内源性NO,引起平滑肌舒张。方法:将5 mm胸主动脉环置于盛有37℃Kerb’s平衡液的恒温离体器官灌流浴槽中,持续充入95%O2和5%CO2混合气体,使溶液的pH值保持在7.35~7.45。血管张力经张力传感器传入生理记录仪保存并分析。将静息张力调至1.0 g,用10~6 mol/L去甲肾上腺素(NE)预收缩,达最大收缩状态时,再加入不同累积浓度Ach(10~ 9 mol/L,10~8 mol/L,10~7 mol/L,10~6 mol/L,10~5 mol/L),记录最大张力值,以血管环对累积浓度Ach舒张反应的幅度占血管环对NE引起的收缩幅度之比,表示血管环对Ach的舒张反应。

1.6 主动脉与血浆NO测定

主动脉于组织裂解液中匀浆后利用硝酸还原酶法检测NO,严格按照试剂盒(南京建成生物工程有限公司)说明进行操作,单位:μmmol/mg。血浆NO浓度测定方法同上,单位:μmmol/L。

1.7 主动脉AMPKα和eNOSmRNA水平测定

取100 mg胸主动脉组织,匀浆,TRIzol提取总RNA,逆转录获得cDNA,实时荧光定量PCR(7300型实时荧光定量PCR仪,美国Applied Biosystem公司)测定AMPKα和eNOSmRNA含量,反应总体系为50μL,扩增条件:预变性95℃/5 min;延伸95℃/30 s,55℃/30 s,72℃/30 s,共30个循环。以β-actin为内参,计算其相对表达量。引物序列分别为:AMPKα基因上游引物5’-GCGAAG GAAGAACCC-3’,下游引物5’-TCACGGATGAGGTAAGAG -3’;eNOS基因上游引物5’-CTGGCAAGACCGATTACACGAC-3’,下游引物5’-GTCCTCACCGCCTTTTCCAG-3’;内参β-actin基因上游引物5’-GCGAGAAGATGACCCAGAT-3’,下游引物5’-CCAGTGGTACGGCCAGAGG-3’。

1.8 主动脉总AMPKα、磷酸化AMPKα-Thr172(p -AMPKα)、总eNOS蛋白、磷酸化eNOS-Ser1177(p-eNOS)水平测定

取100 mg胸主动脉组织,加入组织裂解液匀浆,4℃离心分离上清,采用BCA法进行蛋白定量。取各组蛋白样品进行SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳,半干转膜后封闭,经一抗结合后洗膜,二抗结合,洗膜后采用增强型ECL化学发光法显色。以β-actin为内参对目的蛋白进行光密度分析。

1.9 统计学分析

数据以“平均数±标准差”表示,组间比较使用独立样本T检验。各指标之间进行简单相关分析并计算Pearson相关系数。显著性水平定为P<0.05,非常显著水平定为P<0.01。所有数据使用SPSS 13.0进行数据统计。

2 结果

2.1 力竭运动时间的变化

对照组大鼠力竭运动时间为(25.4±3.5)min,运动组为(32.8±4.2)min,较对照组升高了29.1%(P<0.01)。

2.2 胸主动脉对Ach舒张反应

运动组胸主动脉对最大浓度(10~5 mol/L)Ach的舒张百分比与对照组比较无显著性差异(96.4± 3.5%vs 92.8%±4.6%,P>0.05),其他各浓度均显著高于对照组(10~9 mol/L:19.8%±3.5%vs 11.2%±2.3%,P<0.01;10~8 mol/L:42.6%± 6.7%vs 35.5%±4.5%,P<0.01;10~7 mol/L:76.3%±4.2%vs 67.8%±5.2%,P<0.01;10~6 mol/L:92.4%±6.9%vs 82.3%±6.3%,P<0.01),见图1。

图1 胸主动脉对不同浓度Ach的舒张反应

2.3 主动脉与血浆NO的变化

与对照组比较,运动组主动脉与血浆NO含量分别升高了37.7%(P<0.01)和22.5%(P<0.01)(表1)。

表1 主动脉与血浆NO的变化

2.4 主动脉AMPKα和eNOS基因表达的变化

运动组主动脉AMPKα、eNOSmRNA较对照组分别升高了50.5%(P<0.01)和77.6%(P<0.01)(图2);p-AMPKα、总AMPKα、p-eNOS和总eNOS蛋白水平分别升高了72.5%(P<0.01)、46.5%(P<0.01)、109.7%(P<0.01)和33.3%(P<0.01)(图3);p-AMPKα/总AMPKα与p-eNOS/总eNOS比值则分别升高了17.8%(P<0.01)和57.2%(P<0.01)(图4)。

图2 主动脉AMPKα和eNOSmRNA的变化

图3 主动脉AMPKα和eNOS总蛋白和磷酸化蛋白的变化

图4 p-AMPKα/总AMPKα和p-eNOS/总eNOS比值的变化

2.6 相关分析

对各指标进行相关分析显示,p-AMPK/总AMPK与p-eNOS/总eNOS显著正相关(r=0.824,P<0.01);主动脉NO含量与血浆NO浓度显著正相关(r=0.706,P<0.01),两者分别与p-AMPK、e-NOS、p-AMPK/总AMPK、p-eNOS/总eNOS均显著正相关(均为P<0.01);力竭时间分别与p-AMPK、e-NOS、p-AMPK/总AMPK、p-eNOS/总eNOS、主动脉NO、血浆NO均显著正相关(均为P<0.01)(表2)。

3 讨论

本研究从在体水平上探讨了长期耐力训练对血管内皮功能的影响及可能机制,主要发现:8周跑台运动激活了大鼠内皮细胞AMPK;AMPK活化通过磷酸化eNOS(Ser1 177)而使其活性升高;eNOS催化NO产生,最终改善了血管内皮功能并提高运动耐力。

表2 各指标相关分析

动脉硬化是诱发冠心病的主要病理基础,近年来“内皮功能紊乱学说”[9]广受支持。该学说认为氧化应激等因素损伤动脉内膜,诱发血管慢性炎症-纤维增生反应,终将导致粥样斑块形成与疾病发生。内皮细胞损伤、凋亡导致其功能紊乱,内皮细胞分泌NO减少,内皮依赖性血管舒张反应减弱,被认为是动脉硬化发生的早期事件。动物实验与临床研究均证实,规律耐力训练可有效改善血管内皮细胞功能紊乱,是防治动脉硬化、2型糖尿病等慢性病的重要手段[10-11]。本研究利用离体血管环灌流技术,观察Ach诱发的内皮依赖性血管舒张反应(检测血管内皮功能的经典方法)。结果发现,与对照组比较,运动组胸主动脉环对Ach的反应明显增强,同时,主动脉与血浆NO升高(两者显著正相关),说明长期耐力训练通过促进NO释放,改善了Ach诱发的内皮依赖性血管舒张反应,但运动对血管内皮功能良性效应的分子机制至今尚未完全阐明。

AMPK是一种丝/苏氨酸蛋白激酶,在调节细胞能量代谢与细胞增殖分化中起关键作用。研究证实,AMPK可被某些药物活化,具有降糖降脂、改善内皮功能和抗动脉硬化作用,提示AMPK对血管内皮细胞具有保护效应并有望成为治疗内皮功能紊乱及相关疾病的干预靶点[12]。在体实验指出,一次急性运动可上调多种组织AMPK活性[13-14]。本研究观察了长期耐力训练对主动脉AMPK的影响,发现该组织AMPK活性与表达量均显著性升高。AMPK在多种组织的高表达可能是机体对运动应激的一种全身性应答反应。运动诱导的内皮细胞AMPK活性增高可能与血流剪切应力有关。体外实验发现,血流剪切应力通过内皮细胞机械感受器迅速激活AMPKK(AMPK激酶)如LKB1(一种抑癌基因编码的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶)[15]、CaMKKβ(钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶β)[16],同时,血流剪切应力可诱导血管内皮细胞活性氧增多进而激活AMPK[17]。此外,急性运动[18]、长期耐力训练[19]以及血流剪切应力[20]均可通过诱导LKB1上游调控因子SIRT1(去乙酰化酶1)表达上调而间接活化AMPK。

eNOS是内皮细胞特异性的催化精氨酸产生一氧化氮(NO)的关键酶[21]。eNOS基因敲除鼠给予高脂饮食后,动脉硬化进程加速[22],说明eNOS具有抗动脉硬化作用。此外,糖尿病时eNOS活性下降,可能是糖尿病患者合并心血管疾病的重要原因[23]。内皮细胞培养实验发现,AMPK可磷酸化eNOS(Ser1 177)而使其活化[6]。在本研究中,p-AMPK/总AMPK与p-eNOS/总eNOS显著正相关(r=0.824),提示运动诱导的AMPK活化是eNOS表达上调的重要机制。除AMPK外,目前发现血流剪切应力诱导的可激活eNOS的蛋白激酶还包括Akt(PKB)、PKA和PKG[24],因此,耐力训练激活eNOS可能还存在其他信号途径,具体机制尚需内皮细胞特异基因敲除或基因沉默实验研究证实。

eNOS催化产生的NO可激活鸟苷酸环化酶(cGMP)-蛋白激酶G(PKG)介导的信号转导途径,具有舒张血管、增加组织摄氧量、抑制血小板黏附聚集、促进葡萄糖转运、提高心肌和骨骼肌收缩力等作用[25]。补充NO前体L-精氨酸可明显延长大鼠递增负荷运动的力竭时间,推迟疲劳发生[26]。在本研究中,运动组大鼠力竭运动时间明显延长,并与主动脉和血浆NO显著正相关(分别为r=0.775和r=0.697),提示运动诱导的NO增加最终提高了机体的运动耐力。最近的研究发现,NO可通过激活钙离子信号[15]、形成过氧亚硝酸盐[27]以及抑制线粒体呼吸[28]等途径间接激活AMPK。因此,我们认为,运动时内皮细胞eNOS催化产生的NO不仅改善了内皮功能,而且通过旁分泌或自分泌的方式持续活化AMPK,形成了对AMPK的正反馈调节。

Zhang等[29]的研究发现,一次中等强度运动(50 min跑台运动)即可显著上调大鼠股动脉AMPK和eNOS活性,内皮功能则无显著性变化,说明内皮细胞对一次急性运动应激的反应主要体现在基因表达水平的变化,但不能产生功能性适应和结构重塑。长期耐力训练对内皮细胞AMPK和eNOS表达的影响尚无报道,结合本研究的结果,我们推测,长期运动对血管内皮功能的良性效应可能是通过激活内皮细胞AMPK-eNOS-NO信号通路实现的,多次急性运动的积累效应最终改善了内皮功能并提高运动耐力。

4 研究不足

本研究未对主动脉AMPK、eNOS表达进行组织病理学观察,因此,不能确定长期耐力训练诱导AMPK与eNOS表达的组织来源。Cacicedo等[13]的一次力竭运动实验发现,eNOS只在内皮细胞表达,而AMPK主要则分布于内皮细胞和血管平滑肌细胞。因此,下一步的研究应利用免疫组化法确定AMPK和eNOS在长期运动后表达上调的细胞定位。

5 结论与展望

长期耐力训练上调主动脉AMPK和eNOS活性和表达量,促进NO产生,从而改善了血管内皮功能并提高运动耐力。

上述结论是以健康成年大鼠为实验模型得出的,今后的研究应建立疾病动物模型(如糖尿病、冠心病等),揭示规律耐力训练防治血管内皮功能紊乱及其相关疾病的分子机理,同时深入研究针对相应疾病的最佳运动方案(运动强度、运动时间、运动频率、运动方式等),以期为慢性病患者运动康复提供理论依据与实践指导。

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责任编辑:郭长寿

Endurance Training Upregulated Aorta AMPK and eNOS Expression and Im proved Vascular Endothelium Function in SD Rats

RAN Yanen
(Physical Education College of Zhengzhou University,Zhengzhou 450044,Henan,China)

Objective:To observe the effects of long-term endurance training on expression of AMPK and eNOS of aorta,content of NO and response of endothelium-dependent vasodilatation in rats and to explore the possiblemechanism of exercise-induced vascular endothelium function improvement.Methods:Thirty SD rats were random ly divided into control group(n=15)and exercise group(n=15).Rats in exercise group performed an 8-week treadm ill exercisewhile those in control group retained their own daily activity.After experiment,aortic AMPK and eNOSmRNA were determined by realtime fluorescent quantitation PCR,total and phosphorylated protein of AMPK and eNOS by western blot,and NO in aorta and plasma by method of nitrate reductase,the response of endothelium-dependent vasodilatation was treated w ith acetylcholine(Ach)and evaluated by isolated vascular tension records system and exhaust time by incremental treadmill test.Results:Exhausting timewas prolonged(P<0.01),relaxation percentage of thoracic aorta to Ach(10~6mol/L~10~9 mol/L)was elevated(all P<0.01),NO in aorta and plasma was raised(both P<0.01),and aortic AMPKαand eNOS mRNA,total protein and phosphorylated protein level increased(all P<0.01).Conclusion:Long-tern aerobic exercise training upregulated activity and gene expression of AMPK and eNOS,and promoted NO production in vessel,thus improving vascular endothelium function and enhancing exercise tolerance.

endurance training;vascular endothelium function;adenosine monophosphate-activated protein kinase(AMPK);endothelial nitric oxide synthase(eNOS)

G804.2 文献标志码:A 文章编号:1004-0560(2014)04-0072-05

2014-07-02;

2014-07-24

冉艳恩(1979—),男,讲师,硕士,主要研究方向为运动人体科学。

◄运动人体科学

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