糖尿病早期腦損傷與線粒體功能障礙*

耿喜林, 徐明麗, 尹 潔, 穆繼英, 張 朗, 景玉宏,4△

(1蘭州大學(xué)第二醫(yī)院創(chuàng)傷外科，甘肅 蘭州 730030；2甘肅省衛(wèi)生學(xué)校藥學(xué)教研室，甘肅 蘭州 730000；蘭州大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 3人體解剖與組織胚胎學(xué)研究所，4 神經(jīng)科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730000)

1000-4718(2012)09-1571-06

2012-03-13

2012-06-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No. 30872731)；甘肅省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.1010RJZA114)

△通訊作者 Tel: 0931-8915886；E-mail：jingyh@lzu.edu.cn

糖尿病早期腦損傷與線粒體功能障礙*

耿喜林1, 徐明麗2, 尹 潔3, 穆繼英3, 張 朗3, 景玉宏3,4△

(1蘭州大學(xué)第二醫(yī)院創(chuàng)傷外科，甘肅 蘭州 730030；2甘肅省衛(wèi)生學(xué)校藥學(xué)教研室，甘肅 蘭州 730000；蘭州大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院3人體解剖與組織胚胎學(xué)研究所，4神經(jīng)科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730000)

目的研究1型糖尿病早期階段腦損傷的主要病理原因，是否影響線粒體功能及其可能機(jī)制。方法SD大鼠經(jīng)股靜脈單次注射鏈脲佐菌素(streptozotocin，STZ)誘導(dǎo)高血糖，持續(xù)高血糖2個(gè)月后，檢測(cè)外周血、腦脊液及腦組織中葡萄糖、甘油三酯和總膽固醇水平。取大鼠前額皮層，分離線粒體，檢測(cè)線粒體氧化及抗氧化水平，Western blotting檢測(cè)腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)磷酸化水平。全腦冰凍切片，F(xiàn)luo-Jade-C染色檢測(cè)神經(jīng)細(xì)胞損傷程度。電鏡檢測(cè)皮層錐體細(xì)胞自噬-溶酶體變化。結(jié)果1型糖尿病神經(jīng)損傷主要原因是高血糖，可以導(dǎo)致皮層Fluo-Jade-C陽(yáng)性細(xì)胞增多，線粒體氧化水平升高，抗氧化能力下降，AMPK磷酸化水平下降。同時(shí)發(fā)現(xiàn)1型糖尿病大鼠皮層錐體細(xì)胞自噬體增多，自噬體內(nèi)包裹有線粒體或線粒體殘余。結(jié)論1型糖尿病早期所致的腦損傷，與持續(xù)高血糖增加氧化應(yīng)激，進(jìn)而損傷線粒體功能有關(guān)，伴隨有自噬激活。

高血糖癥; 線粒體; 自噬; 腦

臨床研究表明，未嚴(yán)格控制血糖的1型糖尿病患者在早期即可出現(xiàn)腦損傷的癥狀，該損傷與高血糖、一過(guò)性低血糖及酮尿有關(guān)，主要病理表現(xiàn)為腦水腫，伴隨腦組織氧化應(yīng)激相關(guān)指標(biāo)的異常以及炎癥反應(yīng)[1]。而腦內(nèi)氧化應(yīng)激及炎癥反應(yīng)可能在糖尿病早期就已經(jīng)存在，并危害神經(jīng)元的代謝穩(wěn)態(tài)、細(xì)胞極性及營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)[2]。1型糖尿病大鼠模型神經(jīng)損傷的機(jī)制也同樣與氧化應(yīng)激及炎癥反應(yīng)相關(guān)，近來(lái)更有研究認(rèn)為代謝障礙及氧化應(yīng)激是神經(jīng)退行性疾病(如老年性癡呆)的關(guān)鍵因素[3]。線粒體是細(xì)胞內(nèi)的供能中心，也是氧自由基產(chǎn)生的關(guān)鍵細(xì)胞器，對(duì)氧化損傷較為敏感，氧化應(yīng)激不僅損傷線粒體本身，同時(shí)通過(guò)線粒體信號(hào)，如細(xì)胞色素C信號(hào)啟動(dòng)細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。細(xì)胞代謝異常，尤其持續(xù)高糖刺激會(huì)激活細(xì)胞內(nèi)自噬-溶酶體途徑，自噬在細(xì)胞穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用，由于氧化應(yīng)激所致的異常蛋白聚集及細(xì)胞器可以通過(guò)此途徑降解，通過(guò)自噬途徑實(shí)現(xiàn)代謝激發(fā)的適應(yīng)性反應(yīng)，在神經(jīng)退行性疾病中發(fā)揮細(xì)胞毒性效應(yīng)[4]。在1型糖尿病早期，高血糖可能是關(guān)鍵的病理因素，葡萄糖氧化代謝的核心細(xì)胞器是線粒體，因此本實(shí)驗(yàn)中我們重點(diǎn)觀察1型糖尿病模型大鼠在高血糖2個(gè)月后腦損傷情況、這一損傷對(duì)線粒體功能的影響和高糖狀態(tài)下線粒體的變化。

材 料 和 方 法

1動(dòng)物

SD雄性大鼠，體重275～300 g，購(gòu)自蘭州大學(xué)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心，全部動(dòng)物實(shí)驗(yàn)均得到蘭州大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物委員會(huì)批準(zhǔn)。

2主要試劑

鏈脲佐菌素(streptozotocin，STZ)購(gòu)自Sigma；Fluo-Jade-C購(gòu)自Chemicon；腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)及磷酸化AMPK抗體購(gòu)自Bioworld；葡萄糖(glucose)、甘油三酯(triglyceride，TG)及總膽固醇(cholesterol，CHOL)測(cè)定試劑盒購(gòu)自中生北控生物科技股份有限公司；PVDF膜及ECL發(fā)光劑均購(gòu)自Millipore；丙二醛(malondialdehyde，MDA)檢測(cè)試劑盒及谷胱甘肽(glutathione，GSH)檢測(cè)試劑盒均購(gòu)自南京建成生物工程研究所；其它試劑及耗材購(gòu)自上海生物工程有限公司。

3主要方法

3.1動(dòng)物模型 SD雄性大鼠，體重275～300 g，購(gòu)自蘭州大學(xué)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心，動(dòng)物飼養(yǎng)室保持22 ℃，60%濕度，12 h光照周期，自由攝食飲水，全部動(dòng)物實(shí)驗(yàn)均得到蘭州大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物委員會(huì)批準(zhǔn)。適應(yīng)性飼養(yǎng)1周后，禁食24 h，經(jīng)股靜脈1次性注射STZ(60 mg/kg，溶于生理鹽水中)，對(duì)照組經(jīng)股靜脈注射等量生理鹽水，1周后經(jīng)大鼠尾靜脈采血，檢測(cè)血糖，≥300 mg/dL作為高血糖大鼠，用于實(shí)驗(yàn)，常規(guī)飼料喂養(yǎng)，2個(gè)月后用于各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)。

3.2血漿、腦脊液和大腦皮層組織葡萄糖、TG和CHOL測(cè)定 造模后2個(gè)月大鼠(每組隨機(jī)選取10只)，10%水合氯醛麻醉(360 mg/kg)，暴露枕骨大孔，經(jīng)小腦延髓池穿刺抽取腦脊液，開胸，暴露心臟，經(jīng)心臟穿刺采血，離心分離血漿，利用酶底物試劑盒直接檢測(cè)血漿及腦脊液中葡萄糖、TG及CHOL含量。部分大鼠經(jīng)心臟采血后，快速經(jīng)冰生理鹽水灌注沖洗血液，冰臺(tái)上分離全腦，一側(cè)大腦皮層用于制作腦組織勻漿，一側(cè)大腦皮層用于提取總線粒體。腦組織勻漿制作：皮層稱重，加入0.01 mmol PBS[含100 mmol的苯甲基磺酰氟(phenylmethanesulfonyl fluoride，PMSF)及10 mmol的蛋白酶抑制劑apoprotin(100 g/L)]，低溫勻漿，超聲處理，呈混懸液，測(cè)定腦組織中葡萄糖、TG和CHOL，勻漿組織低溫離心(12 000×g, 20 min)，取上清，測(cè)定組織蛋白濃度。

3.3線粒體分離及鑒定 另一側(cè)大腦皮層置于冰的緩沖液(10 mmol/L Na2HPO4, 1.8 mmol/L KH2PO4, 50 mmol/L NaCl, 2.7 mmol/L KCl)中剪碎，并勻漿，加入線粒體提取液，低溫梯度離心，獲取線粒體組分，取少量，經(jīng)電子顯微鏡鑒定，純度在95%以上者用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

3.4線粒體MDA和GSH含量的測(cè)定 線粒體提取物，利用RIPA提取總蛋白(加入蛋白酶抑制劑及磷酸酶抑制劑)，并根據(jù)試劑操作說(shuō)明書，檢測(cè)線粒體中MDA及GSH含量。

3.5血漿MDA分析 全血分離血漿，加入雙蒸水以5∶1比例稀釋，經(jīng)HPLC檢測(cè)血漿中MDA含量。

3.6Fluo-Jade-C檢測(cè) 每組5只大鼠經(jīng)心臟灌注固定。采用心臟灌注泵(壓力控制：28)，冰生理鹽水沖洗，4% PA-0.1 mol/L PB-buffer灌注固定。取腦，經(jīng)20%-30%蔗糖梯度處理，冰凍切片機(jī)連續(xù)冠狀切片，片厚30 μm。選取braggma -0.34平面，行Fluo-Jade-C染色。腦片經(jīng)100%-70%-30%梯度乙醇處理，蒸餾水沖洗，0.06% KMnO4處理15 min，0.001%Fluo-Jade-C染色40 min，避光，室溫反應(yīng)。熒光顯微鏡觀察，拍照。

3.7Western blotting檢測(cè)線粒體提取物中AMPK磷酸化水平 上述線粒體提取的總蛋白，利用SDS-PAGE分離，轉(zhuǎn)印至PVDF膜，分別用AMPK及磷酸化AMPK抗體孵育，4 ℃過(guò)夜，TBST漂洗，對(duì)應(yīng)的Ⅱ抗室溫孵育30 min，漂洗，ECL發(fā)光劑顯色，膠片曝光，定影、顯影，掃描，利用Image-Pro Plus軟件分析灰度，計(jì)算相對(duì)表達(dá)量。

3.8腦組織自噬體檢測(cè) 每組隨機(jī)選取3只大鼠前額皮層，2.5%戊二醛固定，1%鋨酸后固定，脫水，樹脂包埋，聚合，半薄定位錐體細(xì)胞層，超薄切片，觀察錐體細(xì)胞及周圍突起內(nèi)自噬體數(shù)量及形態(tài)。

4統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

結(jié) 果

11型糖尿病早期大鼠血漿、腦脊液和大腦皮層組織中葡萄糖、TG和CHOL的變化

為證明1型糖尿病早期外周代謝異常對(duì)中樞糖脂有無(wú)影響，我們?cè)谔悄虿〈笫?個(gè)月后分別檢測(cè)了模型和對(duì)照組大鼠外周血、腦脊液和皮層腦組織內(nèi)葡萄糖、TG和CHOL的含量變化。結(jié)果表明，2個(gè)月后糖尿病大鼠血漿葡萄糖含量明顯增高，同時(shí)腦脊液中葡萄糖的含量也明顯高于正常對(duì)照組，但糖尿病大鼠腦組織葡萄糖含量下降，見表1。該結(jié)果表明1型糖尿病導(dǎo)致外周和中樞葡萄糖變化明顯，組織葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)異常可能是腦組織葡萄糖水平較低的原因。我們也檢測(cè)了TG及CHOL在外周血、腦脊液及腦組織中的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各組之間無(wú)顯著差異。

2Fluo-Jade-C染色結(jié)果

表1結(jié)果表明，1型糖尿病不但導(dǎo)致外周血糖升高，同時(shí)也存在中樞性高血糖，神經(jīng)組織內(nèi)葡萄糖水平下降，表明存在細(xì)胞葡萄糖利用障礙。為進(jìn)一步研究該變化對(duì)皮層區(qū)域神經(jīng)細(xì)胞的損傷效應(yīng)，我們通過(guò)Fluo-Jade-C染色，檢測(cè)皮層神經(jīng)細(xì)胞損傷狀況，(Fluo-Jade-C可以染色潰變的神經(jīng)元)。從染色結(jié)果可以觀察到，2個(gè)月后1型糖尿病大鼠皮層可見較多的Fluo-Jade-C染色的陽(yáng)性神經(jīng)元出現(xiàn)，見圖1。

表11型糖尿病對(duì)大鼠血液、腦脊液和大腦皮層組織中葡萄糖、甘油三酯和總膽固醇含量的影響

ItemGroupPlasma(mg/dL．n=18)Cerebrospinalfluid(mg/dL．n=18)Cerebralcortex[mg/(gprotein)．n=10]GlucoseNormal87．70±24．1545．67±14．70366．03±61．37DM331．64±35．33??141．51±15．20??268．29±32．60?TriglycerideNormal103．00±11．8075．16±0．68233．66±57．90DM164．00±41．9090．71±2．83132．88±29．20CholesterolNormal90．86±6．5045．40±2．431051．66±177．50DM153．86±32．6052．07±6．97921．89±65．40

*P<0.05,**P<0.01vsnormal.

Figure 1. Degenerative neurons were stained by Fluo-Jade-C in frontal cortex in STZ-induced diabetic rats. The arrows indicate degenerative neurons.

圖11型糖尿病對(duì)大鼠皮層神經(jīng)細(xì)胞潰變的影響

3線粒體檢測(cè)結(jié)果

考慮到1型糖尿病神經(jīng)損傷的關(guān)鍵因素是高血糖(高血糖可以導(dǎo)致顯著的氧化應(yīng)激，從而波及細(xì)胞內(nèi)的線粒體)，我們通過(guò)分離皮層組織的線粒體組分，并通過(guò)電子顯微鏡鑒定線粒體純度，見圖2。在此基礎(chǔ)上，我們檢測(cè)了線粒體氧化及抗氧化水平，結(jié)果可見當(dāng)外周血中氧化損傷加劇，MDA含量升高時(shí)，腦組織線粒體MDA也同步升高，而線粒體抗氧化能力則下調(diào)，即GSH水平下降，見圖3。

4線粒體中能量感受分子AMPK磷酸化水平檢測(cè)結(jié)果

線粒體氧化應(yīng)激可能會(huì)影響線粒體的氧化功能。我們檢測(cè)了線粒體中能量感受分子AMPK磷酸化水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1型糖尿病大鼠腦內(nèi)線粒體中AMPK磷酸化水平明顯下降，見圖4。

5糖尿病導(dǎo)致的線粒體損傷與自噬活化的關(guān)系

1型糖尿病可以導(dǎo)致線粒體損傷，功能異常的線粒體或其它細(xì)胞器會(huì)通過(guò)自噬-溶酶體途徑清除。我們對(duì)皮層組織進(jìn)行電鏡檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)皮層神經(jīng)元及其突起內(nèi)出現(xiàn)較多的自噬-溶酶體結(jié)構(gòu)，在這些自噬體中往往包含有線粒體結(jié)構(gòu)，見圖5。這說(shuō)明在1型糖尿病損傷中存在自噬激活。

Figure 2. Identification of mitochondria by electron microscopy. Mitochondria were observed in the isolated fraction.A:normal;B:diabetes mellitus.

圖2皮層組織線粒體分離鑒定

討 論

近年研究表明長(zhǎng)期的2型糖尿病，或是未控制血糖的1型糖尿病會(huì)導(dǎo)致中樞神經(jīng)損傷，中樞神經(jīng)損傷的機(jī)制可能涉及多個(gè)方面，尤其長(zhǎng)期糖尿病所致的代謝障礙，往往會(huì)損傷血管系統(tǒng)，波及腦內(nèi)的小血管，導(dǎo)致血管硬化，血管炎癥反應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)神經(jīng)病理改變[5]。但1型糖尿病早期，沒有形成明顯的血管病變，但由于胰島素水平低下，血糖過(guò)高，脂類代謝障礙成為腦損傷的潛在病理。本研究中，我們首先確定了糖尿病的主要損傷因素，通過(guò)檢測(cè)血漿、腦脊液和腦組織中葡萄糖、TG和CHOL含量，發(fā)現(xiàn)在1型糖尿病早期主要病因?yàn)楦哐牵@一過(guò)度升高的血糖效應(yīng)，不但存在于外周，同時(shí)也影響到腦脊液，這說(shuō)明高血糖不但會(huì)影響外周器官，也會(huì)影響腦，雖然有血腦屏障這一結(jié)構(gòu)，但對(duì)血液中高濃度葡萄糖似乎并無(wú)影響，腦脊液中葡萄糖濃度雖然低于外周，但糖尿病組大鼠腦脊液葡萄糖濃度依然高于對(duì)照組。可能部分原因是因?yàn)槟X內(nèi)葡萄糖的代謝較少依賴葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體4(glucose transporter 4，GLUT4)，已知GLUT4的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)作用對(duì)胰島素具有依賴性[6]。另一方面，和外周器官比較，腦組織對(duì)葡萄糖的利用更高，這也許是腦脊液中葡萄糖濃度低于外周血的原因，但因?yàn)槌掷m(xù)高血糖，以及腦內(nèi)胰島素信號(hào)也有下降， 所以依然在糖尿病動(dòng)物的腦脊液中檢測(cè)到較高的葡萄糖水平。而腦組織內(nèi)葡萄糖水平則可以反映進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)葡萄糖的量，這一結(jié)果發(fā)現(xiàn)糖尿病動(dòng)物腦組織葡萄糖含量有下降，這意味著神經(jīng)細(xì)胞攝取葡萄糖的效率是下降的，該結(jié)果的確切機(jī)制可能較為復(fù)雜，因?yàn)橐葝u素信號(hào)除促進(jìn)GLUT4的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)外，在神經(jīng)保護(hù)、非GLUT4途徑的葡萄糖利用方面也發(fā)揮作用[7]，因此腦組織中葡萄糖濃度降低，一方面可能是因?yàn)槠咸烟寝D(zhuǎn)運(yùn)的問(wèn)題，另一方面，可能和神經(jīng)細(xì)胞對(duì)葡萄糖的利用有關(guān)。

圖31型糖尿病對(duì)大鼠皮層組織內(nèi)線粒體氧化和抗氧化能力的影響

圖4糖尿病大鼠皮層線粒體AMPK磷酸化水平的變化

Figure 5. Autophagysomes in the frontal cortex of rats were observed by electron microscopy. N:nucleus;DM:diabetic mellitus;D:dendrite. Black arrows indicate autophagysome;white triangles indicate mitochondria.

圖5大鼠前額皮層錐體細(xì)胞自噬分析

自由基累積導(dǎo)致線粒體損傷，會(huì)影響線粒體功能，線粒體是氧化代謝的核心細(xì)胞器，而AMPK分子對(duì)能量代謝異常敏感，AMPK通過(guò)磷酸化，活化下游的諸多通路，參與糖類、脂類及蛋白的利用[14- 15]。因此通過(guò)檢測(cè)AMPK活性，可以間接反映能量利用效率，通過(guò)對(duì)線粒體AMPK磷酸化水平檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)糖尿病大鼠皮層線粒體蛋白提取物中磷酸化AMPK水平降低。來(lái)自糖尿病外周器官損傷的眾多研究也發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果，尤其是糖尿病大鼠骨骼肌和腎小球內(nèi)AMPK活化水平下降，葡萄糖利用率降低[16]。能量利用效率和自噬活化之間有密切關(guān)系[17]，因?yàn)榫€粒體損傷以及腦組織葡萄糖利用率下降，可能會(huì)激活自噬，通過(guò)電子顯微鏡檢測(cè)，在神經(jīng)細(xì)胞胞體內(nèi)可以觀察到更多的自噬體，正常狀態(tài)下，腦內(nèi)自噬水平比較低，自噬體的半衰期很短，所以很難捕捉到廣泛出現(xiàn)的自噬體[18]。我們?cè)谡?dòng)物腦內(nèi)皮層錐體細(xì)胞中沒有觀察到太多的自噬體，而在糖尿病大鼠皮層錐體細(xì)胞中，則發(fā)現(xiàn)有異常增多的自噬體出現(xiàn)，這些自噬體內(nèi)往往包裹了線粒體結(jié)構(gòu)，或線粒體殘?bào)w，這說(shuō)明該過(guò)程伴隨有自噬的活化，但自噬激活在此扮演的角色依然難下結(jié)論，可能自噬活化目的是為了清除功能異常的細(xì)胞器，也可能由于高糖持續(xù)狀態(tài)，導(dǎo)致自噬活化，成為加重?fù)p傷的原因，要澄清自噬體在此的作用，尚需要更多的實(shí)驗(yàn)。

總之，我們的研究發(fā)現(xiàn)，1型糖尿病腦損傷的關(guān)鍵因素是持續(xù)高血糖，高糖導(dǎo)致氧化應(yīng)激，進(jìn)而損傷神經(jīng)細(xì)胞線粒體，線粒體功能異常伴隨自噬活化，成為腦損傷的后續(xù)病理變化。

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Early-onsettype1diabetescausesbraininjuryandmitochondrialdysfunction

GENG Xi-lin1, XU Ming-li2, YIN Jie3, MU Ji-ying3, ZHANG Lang3, JING Yu-hong3,4

(1DivisionofTraumaticSurgery,theSecondHospitalofLanzhouUniversity,Lanzhou730030,China;2DepartmentofPharmacy,GansuProvinceHealthSchool,Lanzhou730000,China;3InstituteofHumanAnatomy,HistologyandEmbryology,4InstituteofNeuroscience,SchoolofBasicMedicalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China.E-mail:jingyh@lzu.edu.cn)

AIM: To explore the main risk factors of diabetic encephalopathy and to investigate the changes of mitochondria in early-onset type 1 diabetes.METHODSSingle dose of streptozotocin was injected through the femoral vein to establish type 1 diabetes model in rats. The levels of glucose, triglyceride and cholesterol in plasma, cerebrospinal fluid and cerebral cortex were measured. Oxidative and antioxidative status was evaluated by determining the levels of malondialdehyde and glutathione in the isolated mitochondria of cerebral cortex. Furthermore, the level of active AMP-activated protein kinase (AMPK) in the isolated mitochondria was detected by Western blotting. Degenerative neurons were identified by Fluo-Jade-C staining in serial brain sections. Autophagy-lysosome was observed under electron microscope.RESULTSThe main risk factor in the development of diabetic encephalopathy was hyperglucemia, which increased the Fluo-Jade-C positive neurons in the cerebral cortex of diabetic rats. The content of malondialdehyde was increased and glutathione was decreased in diabetic rats compared with the control animals. The activity of AMPK was lower in diabetic brain than that in normal brain. Aggregated autophagysome and mitochondria enveloped by autophagy-lysosome were observed in pyramidal cells of cerebral cortex in diabetic rats.CONCLUSIONPersistent hyperglycemia and mitochondrial dysfunction contribute to the diabetic encephalopathy at an early stage in type 1 diabetes, indicating that the mechanism may be partly related to the oxidative stress and activation of autophagy.

Hyperglycemia; Mitochondria; Autophagy; Brain

R587.1

A

10.3969/j.issn.1000-4718.2012.09.007