二甲双胍通过AMPK/mtROS/mtDNA调控STING通路改善肥胖相关脂肪组织炎症

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研究背景及目的在过去的几十年里,肥胖已经成为一个主要的全球公共卫生问题,它可以导致多种代谢紊乱性疾病,包括糖尿病、高脂血症和多囊卵巢综合征等。新出现的证据表明,许多肥胖相关代谢性疾病往往伴随着代谢组织(如脂肪组织、肝脏和骨骼肌)中慢性炎症的产生。其中,脂肪组织炎症是肥胖相关代谢性疾病发生发展的主要原因。临床及动物研究表明,在摄入过多热量后,体重增加与脂肪组织炎症之间存在密切关联。此外,Lee等人通过使用几种免疫受损小鼠模型,证明了脂肪组织炎症在长期摄入高脂肪饮食后肥胖相关并发症的发生与发展中发挥重要作用。因此,脂肪组织炎症在肥胖及相关代谢性疾病治疗中至关重要。新的证据表明,巨噬细胞浸润丰度的增加在脂肪组织炎症中起着重要作用。在人类和动物中,随着体重的增加,巨噬细胞在脂肪组织中积累,并分泌促炎细胞因子,如与代谢并发症相关的肿瘤坏死因子α(TNF-α)和白细胞介素-1β(IL-1β)。体重减轻导致巨噬细胞含量降低,进而导致炎症因子表达降低。此外,越来越多的证据表明,在脂肪组织炎症中,特别是在脂肪组织巨噬细胞炎症中,干扰素基因蛋白刺激因子(STING)免疫炎症通路发挥着不可或缺的作用。据报道,STING通路可被受损线粒体泄漏进入细胞质的DNA激活,后者可被受损线粒体中许多促炎信号,特别是线粒体活性氧(mtROS)所刺激。cGAMP合成酶(cGAS)识别胞浆中异常定位的线粒体DNA(mtDNA),然后激活下游的STING通路。当通路激活后,STING招募并激活TANK结合激酶1(TBK1),刺激转录因子干扰素调节因子3(IRF3)和核因子-κB(NF-κB)的核转位,导致干扰素(IFNs)和许多其他炎症因子,如TNF-α和IL-1β的产生。这一发现提出了抑制脂肪组织中STING通路有助于减轻脂肪组织炎症的可能性。二甲双胍是一种广泛用于糖尿病的口服降糖药。除了降糖作用,二甲双胍还被证明有抗癌和抗衰老作用。此外,二甲双胍的抗炎作用也逐渐被临床研究和临床前研究所认识。越来越多的证据表明,二甲双胍不仅可以通过改善代谢参数发挥抗炎作用,而且可以通过直接靶向脂肪组织特别是靶向脂肪组织中的巨噬细胞发挥抗炎作用。目前的研究主要集中在二甲双胍对脂肪组织的直接抗炎作用。二甲双胍的抗炎作用与腺苷一磷酸(AMP)活化蛋白激酶(AMPK)的激活密切相关。已有研究表明,二甲双胍是通过激活AMPK使巨噬细胞极化为M2表型而发挥抗炎作用。值得注意的是,二甲双胍和AMPK激活剂(AICAR)激活AMPK后,减少了 mtROS的产生和mtDNA的胞浆泄漏,而AMPK的缺失则显著增强了 mtROS和mtDNA的合成。此外,有报道称AMPK激活二甲双胍可通过抑制mtROS和mtDNA合成来减轻巨噬细胞的自噬,并消除NOD-like receptor protein 3(NLRP3炎症小体)的激活,从而减弱炎症反应[19-21]。然而,二甲双胍是否能通过AMPK/mtROS/mtDNA信号通路调控STING通路的激活进而改善肥胖相关炎症,目前尚不清楚,有待进一步研究。方法:1.利用GEO(GENE EXPRESSION OMNIBUS)数据库进行分析,探究肥胖患者和服用二甲双胍的肥胖患者脂肪组织间炎症分子和STING及相关通路分子的差异性表达。2.3周雄性C57BL/6小鼠,适应性喂养1周后,给予普通饲料(con组)及生理盐水灌胃;3周雄性ob/ob鼠,适应性喂养1周后,随机分为两组:分别给予普通饲料(ob组)辅以生理盐水灌胃和普通饲料辅以二甲双胍灌胃(met组)。每周称量体重,饲养10周后(即鼠龄14周),处死雄鼠。(1)HE染色观察附睾脂肪组织脂肪细胞的大体形态。(2)胰岛素耐量实验(Insulin Tolerance Test,ITT)检测小鼠胰岛素抵抗情况。(3)全自动生化分析仪检测血糖(GLU),总胆固醇(TC),血清甘油三酯(TG),低密度脂蛋白(LDL-C)及高密度脂蛋白(HDL-C)。(4)ELISA方法检测血清及脂肪组织炎症因子水平。(5)免疫组化技术检测脂肪组织炎症因子。(6)Western Blotting、RT-PCR技术及免疫荧光技术检测STING及相关通路分子变化。(7)Western Blotting技术检测AMPK及PAMPK变化。(8)免疫荧光技术检测mtROS/mtDNA。3.取RAW264.7巨噬细胞系,分别给予BSA(con组)、0.25 mmol/L棕榈酸(pa组)、0.25 mM棕榈酸加5 mM二甲双胍(pa+met组,简称met组)处理24 h,观察:(1)RT-PCR技术检测巨噬细胞炎症因子。(2)Western Blotting、RT-PCR技术及免疫荧光技术检测STING及相关通路分子变化。(3)Western Blotting检测AMPK及P-AMPK变化。(4)免疫荧光技术检测mtROS及mtDNA变化。4.取RAW264.7巨噬细胞系,分别给予BSA(con组)、0.25 mmol/L棕榈酸(pa组)、0.25 mM棕榈酸加5 mM二甲双胍(pa+met组,简称met组),0.25 mM棕榈酸、5mM 二甲双胍及 30 μg/mL STING 激动剂 DMXAA(pa+met+DMXAA 组,简称DMXAA组)。处理24 h,观察:(1)RT-PCR技术检测巨噬细胞炎症因子。(2)Western Blotting、RT-PCR技术及免疫荧光技术检测STING及相关通路分子变化。5.取RAW264.7巨噬细胞系,分别给予BSA(con组)、0.25 mmol/L棕榈酸(pa组)、0.25 mM棕榈酸加5 mM二甲双胍(pa+met组,简称met组),0.25 mM棕榈酸、5 mM 二甲双胍及 10 μM AMPK 抑制剂 Compound C(pa+met+Compound C 组,简称Compound C组)。处理24 h,观察:(1)RT-PCR技术检测巨噬细胞炎症因子。(2)Western Blotting检测AMPK及PAMPK变化。(3)免疫荧光技术检测mtROS及mtDNA变化。(4)Western Blotting、RT-PCR技术及免疫荧光技术检测STING及相关通路分子变化。结果:1.利用GEO数据库进行分析,发现肥胖患者和服用二甲双胍的肥胖患者脂肪组织间存在炎症分子的差异性表达,同时,也存在STING及相关通路分子的差异性表达;2.实验验证:(1)体内:①相较于ob组,met组糖脂代谢紊乱改善。②相较于ob组,met组炎症分子分泌减少。②相较于ob组,met组STING及通路相关分子在基因和蛋白水平的表达降低。(2)体外:①相较于pa组,met组炎症分子分泌减少。②相较于pa组,met组STING及通路相关分子在基因和蛋白水平的表达降低。3.机制研究:(1)STING通路:相较于met组,DMXAA组STING及相关通路分子表达增加,炎症增加。(2)AMPK/ROS通路:①相较于ob组,met组P-AMPK增加,mtROS及mtDNA减少。②相较于met组,Compound C组线粒体保护作用受到抑制,STING及相关通路分子表达增加,炎症增加。结论:1.二甲双胍可以调控STING通路改善肥胖相关脂肪组织炎症。2.二甲双胍可以通过AMPK/mtROS/mtDNA调控STING通路改善肥胖相关脂肪组织炎症。
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