刘均,李强,谭蓉*
(1.中华全国供销合作总社杭州茶叶研究院,浙江杭州310016;2.浙江省茶资源跨界应用技术重点实验室,浙江杭州310016)
斑马鱼(Zebrafish)是一种新型模式生物,具有体型小,易于饲养,性成熟期短,繁殖能力强,体外受精和发育,胚胎发育快,胚体透明等特点,便于实时观察组织器官发生形成的各个环节,已成为生命科学研究的新宠,被广泛用于构建人类的各种疾病模型,建立药物筛选和治疗的研究平台。截止目前,利用斑马鱼可以构建糖尿病[1-2]、高血脂[3-4]、高尿酸症[5-6]、失眠[7-8]等生物模型开展靶向药物筛选及功能评价研究。以斑马鱼为对象建立糖尿病模型,目前主要是以成鱼为对象,方法如下:采用四氧嘧啶(alloxan,ALX)或链脲佐菌素药物[1,9]腹腔注射;采用ALX与高糖溶液联合诱导[2]造成胰岛细胞损伤型糖尿病模型;过度饲喂法[10]诱发胰岛素抵抗型2型糖尿病模型。而采用斑马鱼幼鱼建模的研究还比较鲜见。斑马鱼具有养殖方便、繁殖周期短、产卵量大、胚胎体外受精等显著优势,尤其是利用刚孵化的幼鱼开展实验研究,可以有效缩短试验周期,并且利用微孔板操作可以有效节约实验费用。因此,研究以斑马鱼幼鱼(5 days post fertilization,5 dpf)为对象,系统研究了不同浓度葡萄糖(glucose,GLU)溶液、ALX药物及其组合对斑马鱼GLU水平的影响并探讨建立了糖代谢异常斑马鱼生物模型。
桑叶(moras folium,MF)是我国传统经济作物,是蚕的主要食物,中医称其具有疏散风热,清肺润燥,清肝明目的功效。绞股蓝(gynostemma pentaphyllum,GP)有“南方人参”之称,具有降血脂,调血压防治血栓,调节血糖等功效。目前,市场上已有较多的MF和GP单品或复合代用茶销售,但其实际功效大都缺乏试验论证。因此,研究首先以MF和GP叶全水浸提物为对象,在研究斑马鱼对MF和GP药物耐受性影响的基础上,指导开展基于已开发构建的糖代谢异常斑马鱼生物模型的MF和GP的降糖效应评估,为健康功能食品开发提供基础理论和基础数据支撑,同时也为高通量斑马鱼降糖药物筛选及复方产品开发提供多方案参考。
1.1.1 主要仪器及试剂
(1)仪器。酶标仪(Multiskan SkyHigh,赛默飞世尔科技(中国)有限公司);全自动智能型生化(霉菌)培养箱(天津市宏诺仪器有限公司);精密电子天平(AL-204,梅特勒-托利多国际贸易(上海)有限公司);手持式高速匀浆机(MY-20,上海净信实业发展有限公司);离心机(3K1S,德国sigma离心机公司);水浴锅(上海精宏实验设备有限公司)。
(2)试剂。GLU(国药集团化学试剂有限公司);GLU检测(葡萄糖氧化酶法)试剂盒(南京建成生物工程研究所);三卡因甲磺酸(西格玛奥德里奇(上海)贸易公司);ALX(CAS号:2244-11-3,纯度≥98.0%;合肥博美生物科技有限责任公司):1 mM ALX母液制备,称量0.0144 g ALX于烧杯中,加入蒸馏水搅拌溶解并定容于100 mL容量瓶中,冷藏备用。准确量取0、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 mL上述1 mM ALX母液,加蒸馏水定容至50 mL分别制成0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 mM的ALX溶液。
阿卡波糖(Acarbose,ACA,拜耳医药保健有限公司):50 mg/mL ACA(以生药量计)贮备液制备,称取5 g ACA于烧杯中,加入蒸馏水搅拌溶解过滤后定容至100 mL制得50 mg/mL ACA(以生药量计)储备液,保存于4℃冷藏备用。准确量取0.40 mL上述ACA储备液,加蒸馏水定容至50mL制成400μg/mL的ACA溶液。
(3)储备液制备。MF鲜叶采摘自安徽,按绿茶加工工艺自制。50 mg/mL MF(以生药量计)储备液制备:称取5 g MF于烧杯中,在80℃恒温水浴锅中浸提3次,每次浸提30 min,合并滤液并定容至100 mL制得50 mg/mL MF(以生药量计)储备液,保存于4℃冷藏备用。准确量取0、0.025、0.050、0.10、0.20、0.40、0.80、1.00、2.00、4.00、8.00和10.00 mL上述MF储备液,加蒸馏水定容至50 mL分 别 制 成0、25、50、100、200、400、800、1000、2000、4000、8000、10000μg/mL的MF溶液。GP(平利县兴强富硒茶业专业合作社):50 mg/mL GP(以生药量计)储备液制备方法如50 mg/mL MF(以生药量计)储备液制备相同。
1.1.2 实验动物
斑马鱼(3月龄,AB型,上海费曦生物科技有限公司)。斑马鱼胚胎的繁殖以自然交配方式进行。每个产卵盒中按1∶1放入公鱼和母鱼,放入28.5℃恒温培养箱中。光周期设置:14 h光照与10 h黑暗,于第二天上午收集胚胎,去除死卵和粪便,清洗后换孵育水(60μg/mL海盐水),置于28.5℃恒温培养箱中恒温孵育,每24 h换水一次,并去掉卵膜和死卵。实验完成后,采用三卡因甲磺酸对斑马鱼进行麻醉处死。
1.2.1 不同浓度GLU孵育对斑马鱼GLU水平的影响
将发育正常5 dpf野生型AB系斑马鱼随机分为6组,每组3个重复,每个重复15条,分别给予0、10、14、18、22、26 mg/mL GLU溶液,每个重复加药物5 mL,培养24 h,每个重复取10条鱼,加入100μL磷酸缓冲盐溶液匀浆后用于测定GLU含量,探究GLU建立糖代谢异常斑马鱼模型的可行性。
1.2.2 不同浓度ALX孵育对斑马鱼GLU水平的影响
将发育正常5 dpf野生型AB系斑马鱼随机分为5组,每组3个重复,每个重复15条,分别给予0、0.02、0.04、0.06、0.08 mM ALX溶液,每个重复加药物5 mL,培养24 h,每个重复取10条鱼,加入100μL磷酸缓冲盐溶液(pH 7.02)匀浆后用于测定GLU含量,探究ALX建立糖代谢异常斑马鱼模型的可行性。
1.2.3 GLU与不同浓度ALX联合孵育对斑马鱼GLU值的影响
基于不同浓度GLU和ALX对斑马鱼GLU值的影响结果优选药物组合开展糖尿病斑马鱼建模方案研究。将发育正常5 dpf野生型AB系斑马鱼随机分为5组,分别记为BC1、BC2、MC1、MC2、MC3,每组3个重复,每个重复15条,分别给予0mg/mL GLU+0 mM ALX、22 mg/mL GLU+0 mM ALX、22 mg/mL GLU+0.02 mM ALX、22 mg/mL GLU+0.04 mM ALX、22 mg/mL GLU+0.08 mM ALX溶液,每个重复加药物5 mL,培养24 h,每个重复取10条鱼,加入100μL磷酸缓冲盐溶液匀浆后用于测定GLU含量,探究GLU与ALX联合建立糖尿病斑马鱼模型的可行性。
1.2.4 不同浓度MF孵育对斑马鱼死亡率的影响
将发育正常5 dpf野生型AB系斑马鱼随机分为6组,每组3个重复,每个重复15条,分别给予 0、25、50、100、200、400、800、1000、2000、4000、8000、10000μg/mL MF溶液(以生药量计),每个重复加药物5 mL,置于28.5℃培养箱中培养。每24 h换水一次,记录每个重复斑马鱼幼鱼死亡数量,并计算每组死亡率,优选剂量作为降糖作用评价用剂量浓度。
1.2.5 不同浓度GP孵育对斑马鱼死亡率的影响
将发育正常5 dpf野生型AB系斑马鱼随机分为6组,每组3个重复,每个重复15条,分别给予 0、25、50、100、200、400、800、1000、2000、4000、8000、10000μg/mL GP溶液(以生药量计),每个重复加药物5 mL,置于28.5℃培养箱中培养。每24 h换水一次,记录每个重复斑马鱼幼鱼死亡数量,并计算每组死亡率,优选剂量作为降糖作用评价用剂量浓度。
1.2.6 不同浓度MF和GP对高糖诱导糖代谢异常斑马鱼GLU值的影响
根据斑马鱼对MF和GP的耐受性分析结果开展降糖作用评价。将发育正常5 dpf野生型AB系斑马鱼随机分为8组,分别记为BC1、BC2、MFT1、MF-T2、MF-T3、GP-T1、GP-T2、GP-T3,每组3个重复,每个重复15条,分别给予0 mg/mL GLU、22 mg/mL GLU、22 mg/mL GLU+200μg/mL MF、22 mg/mL GLU+400μg/mL MF、22 mg/mL GLU+800 μg/mL MF、22 mg/mL GLU+200μg/mL GP、22 mg/mL GLU+400μg/mL GP、22 mg/mL GLU+800μg/mL GP溶液,每个重复加药物5 mL,培养至24 h,每个重复取10条鱼,加入100μL磷酸缓冲盐溶液匀浆后用于测定GLU含量,探究在能量摄入过多的情况下MF和GP的降糖效应。
1.2.7 不同浓度MF和GP对糖尿病斑马鱼GLU值的影响
将发育正常5 dpf野生型AB系斑马鱼给予22 mg/mL GLU+0.02 mM ALX联合孵育24 h以诱导糖尿病模型,然后将已建立的糖尿病斑马鱼随机分为8组,分别记为MC1、MF-T1、MF-T2、MFT3、GP-T1、GP-T2、GP-T3、ACA-T,每组3个重复,每个重复15条,分别给予22 mg/mL GLU、22mg/mL GLU+200μg/mL MF、22 mg/mL GLU+400 μg/mL MF、22 mg/mL GLU+800μg/mL MF、22 mg/mL GLU+200μg/mL GP、22 mg/mL GLU+400μg/mL GP、22 mg/mL GLU+800μg/mL GP、22 mg/mL GLU+400μg/mL ACA联合孵育24 h。同步设置0 mg/mL GLU孵育48 h(期间孵育24 h时换水一次)作为BC1空白对照组。试验结束时,每个重复取10条鱼,加入200μL磷酸缓冲盐溶液匀浆后用于测定GLU含量,探究ML和GP处理对糖尿病糖斑马鱼模型降糖作用的影响。
GLU含量检测按如下步骤进行,取适量磷酸缓冲盐溶液于装鱼的1.5 mL离心管中,采用高速手持式匀浆机匀浆1 min,直至鱼体组织裂解充分,然后于4℃下以2500转/秒离心10 min,结束后取上清样2.5μL采用GLU检测试剂盒(GLU氧化酶法)测定GLU浓度,其测定程序和方法按照试剂盒说明书规定的步骤进行。
所有试验数据经Excel 2016初步处理后,用Graphpad Prism 6.0绘图,并用SPSS Statistics 17.0进行单因素方差分析(One-way ANOVA),所有数据均以平均值±标准差呈现,差异显著性采用Duncan分析并将进行多重比较,p<0.05表示组间差异显著。
不同浓度葡萄糖诱导对斑马鱼葡萄糖值的影响如图1所示。从图1中可以看出,随着孵育水GLU浓度的增加,斑马鱼GLU值也呈现上升趋势,且当GLU浓度在22 mg/mL及以上时斑马鱼GLU值出现显著性变化(p<0.05)。相比空白组,22、26和30 mg/mL GLU处理组斑马鱼GLU值分别增加了54.86%、55.48%和65.61%,均达到差异显著水平(p<0.05)。
前述认可最初兴起于概括代理人,后扩至其他类型的代理人,从而使之不至于(至少在最开始的时候)与受委任人完全等同起来,后者不具有这一点。即便在两项制度融合之后,依然如故。
图1 不同浓度葡萄糖诱导对斑马鱼葡萄糖值的影响Fig.1 Effect of different concentrations of glucose on the level of glucose of zebrafish
不同浓度ALX孵育对斑马鱼GLU值的影响见图2。随着孵育水中ALX浓度的增加,斑马鱼GLU值呈现上升趋势,0.04、0.06、0.08和0.10 mM ALX处理组斑马鱼GLU值分别增加了75.03%、69.52%、115.38%和65.61%,差异均显著 (p<0.05)。
图2 不同浓度ALX诱导对斑马鱼葡萄糖的影响Fig.2 Effect of different concentrations of alloxan on the level of glucose of zebrafish
基于不同浓度GLU与ALX对斑马鱼GLU值的调节作用,GLU与不同浓度ALX联合孵育对斑马鱼GLU值的影响见图3。从图3中可以看出,相比BC1组,BC2组斑马鱼GLU值增加了119.48%,达到差异显著水平(p<0.05),与前期结果较为一致。另外,MC1、MC2和MC3组斑马鱼GLU值分别增加了391.99%、491.16%和432.04%,均差异显著(p<0.05)。因而综合成本等因素,选用22 mg/mL GLU与0.02 mM ALX联合用于糖尿病病理模型建模、验证及靶向降糖作用评价研究。
图3 葡萄糖与四氧嘧啶联合诱导对斑马鱼葡萄糖值的影响Fig.3 Effect of glucose and alloxan on the level of glucose of zebrafish
不同浓度MF和GP及其孵育时间对斑马鱼死亡率的影响见表1和表2。从表1中可以看出,斑马鱼对高浓度MF溶液具有长时不耐受性,随着孵育时间的延长死亡率不断增加。MF浓度≥8000μg/mL孵育48 h死亡率达到63.89%,但孵育24 h内对致死率影响较小。若需采用ML孵育48 h,采用SPSS中PROBIT程序分析得出斑马鱼幼鱼的MF耐受性(表3),死亡率与MF浓度间的关系为:Probit(p)=-1.923+0.000337X,按该模型计算得出MF的LC50为5706.06μg/mL,95%可信范围为4732.39~7067.28μg/mL。
表1 不同浓度的桑叶水提物对斑马鱼耐受性的影响Table 1 Effect of different concentrations of the aqueous extract of moras folium(MF)on the lethality rate of zebrafish
表3 斑马鱼幼鱼桑叶水提物耐受性影响的参数估计表Table 3 Parameter estimates of the tolerance of zebrafish larvae in the aqueous extract of moras folium
此外,斑马鱼对高浓度GP溶液也具有不耐受性(表2),并且随着孵育时间的延长死亡率增加,但相比MF来说,其致死作用明显弱于MF。GP在最高浓度10000μg/mL孵育48 h的最高致死率仅为26.67%,孵育72 h时致死率为57.78%。若需采用GP孵育72 h,采用SPSS中PROBIT程序分析得出斑马鱼幼鱼的GP耐受性(表4),死亡率与GP浓度间的关系为:Probit(p)=-1.711+0.000175X,按该模型计算得出GP的LC50为9766.18 μg/mL,95%可 信 范 围 为 7669.52~13927.51μg/mL。
表2 不同浓度的绞股蓝叶水提物对斑马鱼耐受性的影响Table 2 Effect of different concentrations of the aqueous extract of gynostemma pentaphyllum(GP)leaves on the lethallty rate of zebrafish
表4 斑马鱼绞股蓝叶水提物耐受性影响的参数估计表Table 4 Parameter estimates of the tolerance of zebrafish larvae in the aqueous extract of gynostemma pentaphyllum leaves
然而,研究中采用MF和GP的药物处理时间为24 h,所以药物剂量浓度的选择空间较大,为统一进行降糖作用评价,均选用200、400和800μg/mL的剂量对基于生理的和病理生理的糖代谢异常斑马鱼模型进行降糖作用评价。
图4 不同浓度桑叶水提物和绞股蓝叶水提物对高糖诱导斑马鱼葡萄糖值的影响Fig.4 Effect of different concentrations of in the aqueous extract of moras folium and gynostemma pentaphyllum leaves on the level of glucose of hyperglycemia-induced zebrafish
不同浓度MF和GP对胰岛损伤型斑马鱼GLU值的影响见图5。图5显示,相比空白组,MC1组斑马鱼GLU值增加了321.36%(p<0.05)。在造模完成后的药物干预治疗过程中,MF-T2、MF-T3和GP-T3联合处理组中的斑马鱼均全部死亡,因而未能分析GLU值变化情况,表明基于生理和病理生理的药物剂量浓度筛选上还存在不一致性,还需开展进一步的耐受性分析和药物剂量筛选。但相比MC1组,MF-T1和GP-T2组斑马鱼GLU值分别降低了28.30%和31.03%,差异均显著(p<0.05)。
图5 不同浓度桑叶水提物和绞股蓝叶水提物对糖尿病斑马鱼葡萄糖值的影响Fig.5 Effect of different concentrations of in the aqueous extract of moras folium and gynostemma pentaphyllum leaves on the level of glucose of diabetic zebrafish
糖尿病是一种世界性疾病,以糖代谢异常著称,长期高血糖状态可以引起糖耐量受损、胰岛素敏感性降低,以及诱发多种重要脏器衰竭,诸如肝脏、肾脏等。目前,在基础研究上主要是以大小鼠为对象构建糖尿病病理模型开展药物筛选和功能评价研究,但存在明显的试验周期长和成本高等问题。斑马鱼是近年来新兴的模式生物,利用斑马鱼构建糖尿病模型,具有试验周期短、成本低等优势,不仅可以快速开展糖尿病治疗药物筛选或研发而且通过在体实验研究,可以有效弥补体外实验(细胞试验)和哺乳类动物(大小鼠)实验之间的生物学断层。利用斑马鱼开展糖尿病生物模型研究主要是以斑马鱼成鱼为对象,与大小鼠造模方式相近,而采用斑马鱼幼鱼建模的研究目前还比较鲜见。
GLU是机体中提供能量的最基本糖类物质,其可以在肠道上皮细胞葡萄糖转运蛋白的辅助下从肠道内直接吸收[11]。研究发现将斑马鱼幼鱼直接暴露于GLU溶液中,随着GLU浓度的增加,斑马鱼GLU水平也会不断增加,这与GLU在肠道内的直接吸收方式是有关的,最终造成GLU的供给量超过它的消耗量,进而引起糖代谢异常。ALX是嘧啶的一种含氧衍生物,通过产生氧自由基可以选择性地破坏胰岛β细胞,引起细胞死亡,最终导致胰岛素分泌量下降,形成胰岛素依赖性糖尿病[12]。研究发现,将斑马鱼幼鱼直接暴露于ALX溶液中,随着ALX浓度的增加,斑马鱼GLU水平也在不断增加。由于并未向斑马鱼提供任何营养物质,维持斑马鱼生存所需的GLU主要是来源于幼虫体内卵黄囊内营养物质的分解,而显著增加的GLU主要是体内分解产生的GLU因胰岛素分泌不足而未得到有效利用有关。同时,研究还发现以GLU为营养源,再结合ALX联合诱导还可以进一步造成提升GLU水平,因而以高浓度GLU与ALX联用可以有效构建糖代谢异常斑马鱼模型。
MF是我国传统经济作物,是蚕的主要食物,中医称其具有疏散风热,清肺润燥,清肝明目的功效[13]。GP有“南方人参”之称,具有降血脂,调血压防治血栓,调节血糖等功效[14]。中医讲究辨证论治,用证候分型,较为晦涩难懂;西医则是辨病论治,以疾病分型,比较具象,注重实验室结论。随着科学技术的发展,医学研究已经步入了整体和系统医学的时代,向世界介绍中医药,应该注重中西医并重发展,同时借助现代科学技术手段,开展靶点研究和功能评价,促进中医药疗效具象化辨析论证。研究采用已构建的高糖诱导型和胰岛损伤型糖代谢异常斑马鱼模型,探讨MF和GP两种药用植物的叶水提取物对其糖代谢的综合作用。研究发现MF和GP叶水提取物可以降低高糖诱导型和胰岛损伤型糖代谢异常斑马鱼GLU水平,在同等剂量作用浓度下,MF的靶向降糖功能明显强于GP。但同时发现,在胰岛损伤模型中,较高浓度的MF和GP均造成了斑马鱼全部死亡,因而在病理模型适宜剂量浓度选择方面还需要再进一步优化。
GLU是最基础的营养物质,其进入肠道内可以直接被吸收,因而MF和GP在本研究中的降糖效应与抑制糖类的消化作用是无关的,推测可能的降糖作用机制与减少GLU肠道吸收量,或者促进胰岛素分泌,进而促进体内GLU高效利用有关。MF中包含黄酮、生物碱、多糖等活性成分[15],GP中包含黄酮、皂苷类、多糖等活性成分[16]。
当前以细胞试验和大小鼠动物试验表明,MF和GP具有降糖活性与减少能量物质吸收,促进能量物质消耗有关。在MF靶向降糖作用研究方面,吕欢[17]以人结肠腺癌细胞Caco-2细胞为对象,研究发现MF提取物能有效降低人结肠腺癌Caco-2细胞Na+-K+-ATP酶的活性,降低Na+-K+-ATPase、 肠 葡 萄 糖 转 运 载 体(sodium/glucose cotransporters,SGLT)1、葡萄糖协助扩散转运载体系统(facilitative glucose transporters,GLUT)2以及mRNA的基因表达,表明MF提取物可有效降低GLU的吸收,进而减少GLU的来源。另外,细胞试验和2型糖尿病大鼠动物试验表明MF可显著提高胰岛素抵抗(insulin resistance,IR)的3T3-L1脂肪细胞GLU消耗量,增强细胞活力[18-19],还可以显著增加骨骼肌组织中胰岛素受体底物-1、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)中的p85α、葡萄糖转运体-4(GLUT4)的mRNA及蛋白的表达[20],表明MF提取物可以促进GLU的利用,增加GLU的消耗。此外,刘洪凤等[21]研究发现MF多糖也具有类似作用,可以上调2型糖尿病大鼠脂肪组织GLUT4基因的表达,达到降糖作用。在GP靶向降糖研究方面,王同壮等[22]研究发现500 mg/kg GP叶水提物可以明显降低链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠的空腹血糖,明显逆转骨骼肌GLUT4 mRNA及蛋白的表达。赵涛等[23]研究发现400 mg/kg GP总皂苷可以显著降低胰腺β细胞凋亡指数,明显降低空腹血糖、糖化血红蛋白、胰岛素和胰岛素抵抗指数,显著增加胰岛β细胞功能指数和定量胰岛素敏感性检测指数,表明GP总皂苷可明显改善2型糖尿病大鼠胰岛素抵抗,提高GLU利用。研究通过高糖诱导型和胰岛损伤型糖代谢异常斑马鱼靶向降糖作用评价发现,MF和GP均具有靶向降糖效应,但在同等剂量浓度下MF的降糖效应明显强于GP,且其降糖作用可能与减少GLU吸收以及提高GLU的利用有关。
高浓度GLU(22~30 mg/mL)溶液、ALX(0.04~0.10 mM)药物、GLU(22 mg/mL)溶液与四氧嘧啶(0.02~0.08 mM)药物联合诱导可显著增加斑马鱼(5 dpf)GLU水平,可以建立斑马鱼糖代谢异常生物模型。高浓度的MF和GP对斑马鱼(5 dpf)具有一定杀伤作用,长时孵育时更明显,但斑马鱼对GP的耐受性强于MF。MF孵育48 h时的LC50为5706.06μg/mL,95%可信范围为4732.39~7067.28μg/mL,GP孵育72 h时的LC50为9766.18μg/mL,95%可信范围为7669.52~13927.51μg/mL,按10%~25%LC50推荐MF和GP可用于靶向功效评价的适宜的剂量浓度分别为570.61~1426.52μg/mL、976.62~2441.55μg/mL。同时研究发现,200、400和800μg/mL ML,800μg/mL GP可以显著降低高糖溶液诱导型斑马鱼GLU水平,200μg/mL MF和400μg/mL GP可以显著降低胰岛损伤型斑马鱼GLU水平,表明MF和GP具有降糖作用,但在同等剂量浓度下MF的降糖作用明显强于GP。