刚断奶的非肥胖Goto-Kakizaki糖尿病大鼠早期胰岛素抵抗相关的系统性和骨骼肌代谢特征

《Biomedicine & Pharmacotherapy》：Systemic and skeletal muscle metabolic signatures associated with early insulin resistance in just-weaned non-obese Goto-Kakizaki diabetic rats

骨骼肌代谢异常早于显性糖尿病发生，GK大鼠21天龄时即呈现胰岛素抵抗，血清代谢组学显示氨基酸、脂质及能量代谢物显著改变，肌肉组织NMR分析揭示肌酐、丙氨酸等物质下降，性别差异在脂质代谢和肌肉能量代谢中表现明显，为非肥胖2型糖尿病早期诊断提供生物标志物依据。

　　本研究聚焦于一种自发性非肥胖2型糖尿病（T2DM）的动物模型——Goto-Kakizaki（GK）大鼠，探讨其在断奶阶段（21日龄）骨骼肌代谢变化的早期特征。该模型在T2DM研究中具有重要意义，因为它能够在不伴随肥胖的情况下模拟人类T2DM的病理过程，为理解疾病机制和开发更早、更精准的诊断及治疗策略提供了宝贵的实验基础。通过系统分析血清和骨骼肌的代谢变化，研究揭示了在血糖升高之前，GK大鼠已经表现出显著的代谢异常，这些发现不仅加深了对T2DM早期阶段的认识，还为性别的差异性研究提供了新的视角。

T2DM是一种全球范围内广泛存在的慢性代谢性疾病，其特征包括慢性低度炎症、胰岛素抵抗（IR）和高血糖。根据国际糖尿病联合会的数据，全球已有超过5.89亿成年人被诊断患有糖尿病，其中约90%为T2DM患者。尽管T2DM通常与肥胖密切相关，但有10%-15%的患者并不伴有肥胖，这些患者被称为非肥胖T2DM患者。由于缺乏明显的肥胖特征，许多非肥胖T2DM患者往往在出现并发症后才被诊断，这可能导致β细胞功能衰竭、胰岛素依赖性加重以及较高的死亡率。因此，研究非肥胖T2DM的动物模型，如GK大鼠，有助于揭示该疾病的潜在机制，并为个性化医疗提供理论支持。

GK大鼠是由选择性繁殖的非糖尿病Wistar大鼠发育而来，表现出轻度的葡萄糖耐受不良。这种大鼠在断奶阶段就表现出IR的特征，包括高血糖水平、高HOMA-IR指数以及低QUICKI指数。值得注意的是，GK大鼠在21日龄时并未出现显著的胰岛素水平升高，且HOMA-β指数降低，这表明β细胞功能在该模型中存在早期损害。这些现象与人类非肥胖T2DM患者的临床表现相似，说明GK大鼠是一个具有高度代表性的研究模型。

在本研究中，研究人员对21日龄的GK大鼠和同龄的Wistar大鼠进行了系统的代谢分析。通过非靶向核磁共振（NMR）代谢组学方法，他们检测了血清和骨骼肌（包括趾长伸肌和胫骨肌）中的代谢物变化。研究结果显示，GK大鼠在血清中表现出多种代谢物的升高，包括丙氨酸、赖氨酸、脯氨酸、乳酸、脂肪酰链、胆固醇和甘油磷胆碱。而三酰甘油（TAG）和葡萄糖的升高仅出现在雄性GK大鼠中。此外，GK大鼠的骨骼肌（包括趾长伸肌和胫骨肌）的湿重和干重均显著低于Wistar大鼠，这一现象可能与胰岛素抵抗引发的肌肉分解代谢有关。

进一步的高分辨率魔角旋转（HR-MAS）NMR分析揭示了骨骼肌中一些关键代谢物的变化。例如，雄性和雌性GK大鼠的骨骼肌中丙氨酸、精氨酸和肌酸的水平均降低，而雄性GK大鼠还表现出甘氨酸、谷氨酰胺、乳酸和ATP的进一步减少。这些代谢物的变化表明，胰岛素抵抗不仅影响了全身代谢，还对骨骼肌的代谢功能产生了深远影响。值得注意的是，雄性GK大鼠的代谢变化更为显著，这可能与性别差异在代谢调控中的作用有关。

骨骼肌是人体能量代谢的重要场所，约占瘦体质量的40%-50%，并且在餐后葡萄糖摄取中占据约80%的份额。因此，骨骼肌的代谢状态与整体代谢健康密切相关。胰岛素作为一种具有促合成和抗分解作用的激素，其功能受损会导致肌肉蛋白质的合成减少，而分解途径如泛素-蛋白酶体系统和自噬则被激活。这种代谢失衡可能导致肌纤维蛋白的流失，进而影响肌肉质量和功能，增加疾病相关并发症的风险。

本研究还通过机器学习（ML）方法对代谢组学数据进行了分析，以评估其在区分GK大鼠和Wistar大鼠中的有效性。结果表明，基于代谢物的ML模型能够准确识别GK大鼠，显示出高特异性（无假阳性）和良好的分类能力。其中，Extra Trees分类器表现出最佳的性能，其准确率达到75%，精度为100%，F1得分为0.7，MCC得分为0.6。这些结果表明，代谢组学特征可以作为胰岛素抵抗的有力生物标志物，为疾病的早期诊断和预测提供了新的工具。

此外，研究还探讨了性别差异在T2DM发展中的潜在影响。在雄性GK大鼠中，肌肉质量的下降和代谢物的改变更为明显，这可能与雄性激素水平的变化有关。在断奶阶段，雄性和雌性大鼠的激素水平会发生显著波动，这些变化可能影响其代谢编程，从而导致性别特异性的疾病表现。例如，雄性GK大鼠表现出更明显的三酰甘油和葡萄糖水平升高，而雌性GK大鼠的代谢变化则相对温和，这提示了性别在T2DM发展中的重要作用。

值得注意的是，GK大鼠的代谢异常可能部分源于其父母的表观遗传学影响。由于GK大鼠是由糖尿病父母繁殖而来，其后代可能通过DNA甲基化和组蛋白修饰等表观遗传机制继承了代谢和基因表达的变化。这些变化可能在出生前就已形成，导致断奶阶段即表现出胰岛素抵抗的特征。因此，GK大鼠的代谢异常不仅反映了其自身基因的表达，还可能是表观遗传因素共同作用的结果。

研究还指出，尽管代谢组学方法在区分GK大鼠和Wistar大鼠方面表现出色，但其在实际应用中仍存在一定的局限性。例如，样本量较小是早期研究中常见的问题，这可能影响结果的普遍性和可重复性。此外，由于幼年大鼠的血液容量有限，动态葡萄糖或胰岛素耐受测试难以实施，这也限制了对代谢变化的全面评估。然而，研究人员通过优化提取方法和提高高场NMR的灵敏度，成功克服了这些技术挑战，为未来的研究奠定了基础。

总体而言，本研究通过系统的代谢组学分析，揭示了GK大鼠在断奶阶段已出现的代谢异常，这些异常不仅涉及血清中的代谢物变化，还包括骨骼肌中关键代谢物的减少。这些发现强调了胰岛素抵抗在T2DM早期阶段的重要性，并为理解性别差异在疾病发展中的作用提供了新的视角。此外，研究还展示了代谢组学与机器学习结合在疾病诊断和预测中的潜力，为开发更早、更精准的诊断工具提供了理论支持。未来的研究可以进一步探索这些代谢异常的机制，并结合其他组学方法（如脂质组学和蛋白质组学）来全面解析T2DM的发病过程，为治疗策略的制定提供更深入的依据。