饮食诱导的糖尿病前期对雄性 Sprague-Dawley 大鼠 HPA 轴、SNS 及内源性阿片系统的时程影响：循环激素与海马受体表达

《Frontiers in Endocrinology》：Investigating the effect of diet-induced prediabetes on the HPA-axis, sympathetic nervous system and endogenous opioids in male Sprague-Dawley rats

　　

背景：糖尿病前期（prediabetes）与代谢功能障碍相关，可能在明显2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus, T2DM）发生前破坏神经内分泌调节。尽管既往研究已独立检查了糖尿病前期期间下丘脑–垂体–肾上腺（hypothalamic–pituitary–adrenal, HPA）轴、交感神经系统（sympathetic nervous system, SNS）和内源性阿片系统（endogenous opioid system）的改变，但这些系统在疾病进展过程中的时序相互作用仍知之甚少。本研究旨在探讨饮食诱导的糖尿病前期大鼠中这些相互关联的神经内分泌通路的变化。

方法：雄性 Sprague-Dawley 大鼠（n = 48）接受标准饮食（非糖尿病前期，n = 24）或 HFHC 饮食（糖尿病前期，n = 24）20周。使用空腹血糖（fasting blood glucose, FBG）、口服葡萄糖耐量试验（oral glucose tolerance test, OGTT）和糖化血红蛋白（glycated hemoglobin, HbA_1c）确认糖尿病前期。在处死前第20至32周测量体重、FBG 和 OGTT。在每个时间点，处死动物，使用酶联免疫吸附测定（enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA）评估血浆促肾上腺皮质激素（adrenocorticotropic hormone, ACTH）、皮质酮（corticosterone, CORT）、儿茶酚胺（去甲肾上腺素、肾上腺素和多巴胺）以及 β-内啡肽。通过实时定量聚合酶链反应（quantitative real-time polymerase chain reaction, qRT-PCR）定量海马糖皮质激素受体（glucocorticoid receptor, GR）、盐皮质激素受体（mineralocorticoid receptor, MR）、β₁-肾上腺素能受体（β₁-adrenergic receptor, β₁-AR）、β₂-肾上腺素能受体（β₂-AR）、μ-阿片受体（mu-opioid receptor, MOR）、δ-阿片受体（delta-opioid receptor, DOR）和κ-阿片受体（kappa-opioid receptor, KOR）mRNA 表达。

结果：第20周，与 NPD 组相比，PD 组循环 ACTH（30.70 ± 2.10 vs. 42.79 ± 2.91 pg/mL）、CORT（16.89 ± 0.26 vs. 19.94 ± 0.24 pg/mL）、去甲肾上腺素（3.46 ± 0.15 vs. 4.36 ± 0.14 ng/mL）、多巴胺（1224.61 ± 24.83 vs. 1664.00 ± 19.43 pg/mL）和 β-内啡肽（376.72 ± 18.04 vs. 529.35 ± 9.70 ng/ml）显著降低。这些变化伴有糖皮质激素和阿片受体表达的显著变化。到第24周，与 NPD 组相比，PD 组 CORT、多巴胺和 β-内啡肽浓度升高，受体转录物显著下调，但 MOR 除外，其上调。第28周，受体表达仍下调。到第32周，PD 组血浆激素和海马受体 mRNA 表达升高。第32周，KOR 与 β-内啡肽在 NPD 组呈强负相关。结论：饮食诱导的糖尿病前期与 HPA 轴、SNS 和内源性阿片系统的激素及海马受体的进行性变化相关，这些变化随疾病进展更明显。需要功能研究确定这些转录和激素变化是否转化为神经内分泌反馈调节受损，以及其他脑区是否类似。

研究背景：下丘脑–垂体–肾上腺（hypothalamic–pituitary–adrenal, HPA）轴和交感神经系统（sympathetic nervous system, SNS）是相互连接的神经内分泌系统，负责维持稳态。HPA 轴活动调节垂体前叶促肾上腺皮质激素（adrenocorticotropic hormone, ACTH）和肾上腺皮质皮质酮（corticosterone, CORT）分泌；SNS 从肾上腺髓质和交感神经末梢释放儿茶酚胺。CORT 抑制胰腺胰岛素分泌、降低葡萄糖摄取并促进肝糖异生，从而升高血糖；循环 CORT 通过高亲和力盐皮质激素受体（mineralocorticoid receptor, MR）和较低亲和力糖皮质激素受体（glucocorticoid receptor, GR）在脑内发挥反馈调节。儿茶酚胺抑制胰岛素介导的葡萄糖摄取，损害葡萄糖转运体4（glucose transporter 4, GLUT4）向质膜转位，并通过β₁-肾上腺素能受体（β₁-adrenergic receptor, β₁-AR）和β₂-AR调节神经血管与代谢功能。内源性阿片系统（endogenous opioid system）通过β-内啡肽（β-endorphin）减弱 HPA 轴和 SNS 过度活化，作用于广泛表达于脑内的μ-阿片受体（mu-opioid receptor, MOR）、κ-阿片受体（kappa-opioid receptor, KOR）和δ-阿片受体（delta-opioid receptor, DOR）。长期应激反应通路失调与代谢紊乱和2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus, T2DM）相关。在 T2DM 中，基础皮质醇升高，MR 和 GR 敏感性改变，MOR 表达下调。糖尿病前期（prediabetes）是血糖高于正常但低于 T2DM 诊断阈值的状态。既往高脂高碳水化合物（high-fat high-carbohydrate, HFHC）饮食诱导的啮齿类糖尿病前期模型显示 HPA 轴失调和应激应对受损；空腹血糖受损个体中 SNS 功能障碍常见。然而，内源性阿片系统受到的关注相对较少，且这些系统多被独立研究，其在糖尿病前期进展中的时序关系尚不清楚。因此，本研究旨在探讨 HFHC 饮食诱导的雄性 Sprague-Dawley 大鼠中 HPA 轴、SNS 和内源性阿片系统循环标志物及其相应受体表达的时序变化。

关键技术与方法：研究使用雄性 Sprague-Dawley 大鼠（n = 48），饲养于 University of KwaZulu-Natal（UKZN）Biomedical Research Unit（BRU），随机接受标准饮食（非糖尿病前期，non-prediabetic, NPD；n = 24）或 HFHC 饮食（糖尿病前期，prediabetic, PD；n = 24）20周。以空腹血糖（fasting blood glucose, FBG）、口服葡萄糖耐量试验（oral glucose tolerance test, OGTT）和糖化血红蛋白（glycated hemoglobin, HbA_1c）确认糖尿病前期。第20、24、28、32周处死动物，采集血浆和海马。采用酶联免疫吸附测定（enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA）检测血浆 ACTH、CORT、去甲肾上腺素（noradrenaline/norepinephrine, NE）、肾上腺素（adrenaline/epinephrine, EPI）、多巴胺和β-内啡肽；采用实时定量聚合酶链反应（quantitative real-time polymerase chain reaction, RT-qPCR）检测海马 GR、MR、β₁-AR、β₂-AR、MOR、DOR 和 KOR mRNA 表达。统计分析使用双因素方差分析、Sidak 多重比较、Pearson/Spearman 相关分析及错误发现率（false discovery rate, FDR）校正。

研究结果：体重方面，双因素设计下 PD 组体重从第20周至第32周均显著高于 NPD 组。空腹血糖（FBG）方面，PD 组 FBG 在第20–32周显著高于 NPD 组；NPD 组平均 FBG 低于糖尿病前期诊断范围，而 PD 组处于该范围，但第28周 PD 组 FBG 低于诊断范围且仍高于 NPD 组。口服葡萄糖耐量试验（OGTT）方面，PD 组血糖水平从第20周至第32周持续高于 NPD 组。糖化血红蛋白（HbA_1c）方面，双因素方差分析显示无显著组×时间交互，也无显著时间主效应，但组主效应显著，PD 组总体 HbA_1c 高于 NPD 组，且第20、24、28、32周 PD 组均显著高于 NPD 组。糖皮质激素部分：促肾上腺皮质激素（ACTH）方面，存在显著组×时间交互和时间主效应，但组主效应不显著；第20周 PD 组 ACTH 显著低于 NPD 组，第24、28、32周无显著差异。皮质酮（CORT）方面，存在显著组×时间交互和时间主效应，组主效应不显著；第20周 PD 组 CORT 显著低于 NPD 组，第24周和第32周 PD 组显著高于 NPD 组，第28周无显著差异。血浆 ACTH 与 CORT 相关性方面，NPD 组第20周呈强正相关但 FDR 校正后不显著；PD 组各周均呈非显著负相关。MR 与 GR 方面，海马 GR mRNA 存在显著组×时间交互、时间主效应和组主效应，PD 组总体高于 NPD 组；第20周和第32周 PD 组 GR 显著高于 NPD 组，第28周显著低于 NPD 组，第24周无显著差异。MR mRNA 存在显著组×时间交互和时间主效应，组主效应不显著；第20周无显著差异，第24、28周 PD 组显著低于 NPD 组，第32周 PD 组显著高于 NPD 组。CORT 与 GR、MR 相关性方面，各时间点两组 CORT 与 GR 均无显著相关；NPD 组第24周 CORT 与 MR 正相关，PD 组第32周 CORT 与 MR 强负相关，但 FDR 校正后均不显著。儿茶酚胺部分：NE 方面，存在显著组×时间交互、时间主效应和组主效应，NPD 组总体 NE 高于 PD 组；第20、28周 NPD 组 NE 显著高于 PD 组，第24周无显著差异，第32周 PD 组 NE 显著高于 NPD 组。EPI 方面，存在显著组×时间交互和时间主效应，组主效应不显著；第20、24周无显著差异，第28周 NPD 组 EPI 显著高于 PD 组，第32周 PD 组 EPI 显著高于 NPD 组。多巴胺方面，存在显著组×时间交互和时间主效应，组主效应不显著；第20周 NPD 组多巴胺显著高于 PD 组，第24、28周 PD 组显著高于 NPD 组，第32周无显著差异但 PD 组数值较高。肾上腺素能受体（AR）方面：β₁-AR 存在显著组×时间交互和时间主效应，组主效应不显著；第20周无显著差异，第24、28周 PD 组显著下调，第32周 PD 组显著上调。β₂-AR 存在显著组×时间交互、时间主效应和组主效应，PD 组总体高于 NPD 组；第20周 PD 组显著较高，第28周显著较低，第32周显著较高，第24周无显著差异。血浆 NE 与 β₁-AR/β₂-AR 相关性方面，第20、24周均无显著相关；第28周 PD 组 NE 与 β₁-AR 强正相关，第32周 NPD 组 NE 与 β₁-AR 强负相关，但 FDR 校正后均不显著；β₂-AR 在各时间点均无显著相关。血浆 EPI 与 β₁-AR/β₂-AR 相关性方面，第20、24、28周无显著相关；第32周 PD 组 EPI 与 β₁-AR 强正相关，第20周 NPD 组 EPI 与 β₂-AR 强正相关，但 FDR 校正后均不显著。内源性阿片部分：β-内啡肽方面，存在显著组×时间交互和时间主效应，组主效应不显著；第20周 NPD 组显著高于 PD 组，第24周 PD 组显著高于 NPD 组，第28、32周无显著差异。阿片受体方面：MOR mRNA 存在显著组×时间交互、时间主效应和组主效应，PD 组总体高于 NPD 组；第20、24、32周 PD 组显著较高，第28周无显著差异。DOR mRNA 存在显著组×时间交互、时间主效应和组主效应，PD 组总体高于 NPD 组；第20、32周 PD 组显著较高，第24、28周显著较低。KOR mRNA 存在显著组×时间交互、时间主效应和组主效应，PD 组总体高于 NPD 组；第20、32周 PD 组显著较高，第28周 NPD 组显著较高，第24周无显著差异。血浆β-内啡肽与 MOR、DOR、KOR 相关性方面，β-内啡肽与 MOR、DOR 在各时间点均无显著相关；第32周 NPD 组β-内啡肽与 KOR 呈几乎完全负相关且 FDR 校正后仍显著，PD 组呈强正相关但 FDR 校正后不显著。

讨论总结：研究人员指出，HPA 轴和 SNS 在生理与代谢挑战中维持稳态，内源性阿片系统通过β-内啡肽抑制促肾上腺皮质激素释放激素（corticotropin-releasing hormone, CRH）及中枢蓝斑/去甲肾上腺素（locus coeruleus/norepinephrine, LC/NE）系统，从而调节 HPA 轴和 SNS。T2DM 中慢性高血糖与 HPA 轴和 SNS 过度活化及失调相关。糖尿病前期先于 T2DM，表征此期神经内分泌改变有助于理解代谢恶化。HFHC 饮食可诱导 Sprague-Dawley 大鼠出现糖尿病前期代谢特征，本研究中 PD 组体重、FBG、OGTT 和 HbA_1c 均支持糖尿病前期成功诱导并持续。HPA 轴方面，第20周 ACTH 和 CORT 低于 NPD，与 Mosili et al. 的结果不同；第24、32周 CORT 升高而 ACTH 无显著差异，提示 ACTH 与 CORT 耦合解离。海马 GR 和 MR 呈时间依赖性变化，第20周 GR 升高，第24、28周 GR 和 MR 降低，第32周升高；这与 Mosili et al. 报道的 GR 和 MR 下调相反，提示糖尿病前期糖皮质激素受体调节是动态的而非单向。儿茶酚胺方面，NE、EPI 和多巴胺均呈时序性变化，第32周 NE 和 EPI 升高，提示长期代谢功能障碍可能伴随交感活化增强，但循环儿茶酚胺仅为间接指标。β₁-AR 和β₂-AR 表达高度动态，第32周与儿茶酚胺同时升高。内源性阿片方面，β-内啡肽第20周降低、第24周升高；MOR、DOR 和 KOR 存在显著组×时间交互，MOR 和 KOR 效应量较大。第32周β-内啡肽与 KOR 在 NPD 组负相关且 FDR 后显著，在 PD 组正相关但 FDR 后不显著，提示糖尿病前期可能改变内源性阿片调节，但需谨慎解释。研究人员强调，本研究仅测海马受体 mRNA，未测蛋白、占据率和下游信号，不能外推至全脑，也不能确定代偿适应或病理失调，相关分析不建立方向性或因果性，FDR 校正后部分关联消失，小样本量需更大研究验证。

研究结论部分翻译：本研究表明，HFHC 饮食诱导的糖尿病前期与 HPA 轴、SNS 和内源性阿片系统的进行性变化相关，且随疾病进展更加明显。循环 ACTH、CORT、NE、EPI、多巴胺和β-内啡肽的变化伴随其相应受体表达的时序改变，包括在海马中测量的 GR、MR、β₁-AR、β₂-AR、MOR、DOR 和 KOR。这些发现提示，神经内分泌激素和海马受体表达在糖尿病前期全程并非一致反应，而是经历阶段依赖性改变，可能反映对持续代谢应激的适应。早期糖尿病前期以 ACTH、CORT、NE 和β-内啡肽降低以及海马糖皮质激素和肾上腺素能受体表达改变为特征。中期，海马受体表达和循环儿茶酚胺浓度波动明显。到第32周，PD 动物中 CORT、NE、EPI 和β-内啡肽等神经内分泌介质升高，伴有海马 GR、MR、β₁-AR、β₂-AR、MOR、DOR 和 KOR 增加；这一模式提示持续代谢功能障碍可能逐步改变循环神经内分泌介质与海马受体表达之间的关系。重要的是，这些发现不应被解释为类似受体变化发生在全脑；本研究仅测量海马受体 mRNA 表达，不能外推至参与 HPA 轴、SNS 或内源性阿片调节的其他脑区。此外，本研究不能确定观察到的变化代表代偿适应、病理性失调或二者兼有。相关分析提供选定循环介质与受体转录物共变证据，但不建立方向性或因果性；FDR 校正后若干关联消失，进一步强调需谨慎解释。尽管如此，这些相互连接系统的一致时序变化提示，长期糖尿病前期代谢应激伴随循环糖皮质激素、儿茶酚胺、β-内啡肽和海马受体表达的动态变化。