殼寡糖改善HepG2細胞胰島素抵抗作用及機制研究

劉朋，李恒*，龔勁松，蔣敏，許泓瑜，許正宏,3，史勁松*

1(糖化學與生物技術教育部重點實驗室(江南大學)，江南大學 生命科學與健康工程學院，江蘇 無錫，214122) 2(糧食發酵與食品生物制造國家工程研究中心(江南大學)，江蘇 無錫，214122) 3(江南大學 生物工程學院，江蘇 無錫，214122)

殼寡糖(chitooligosaccharides，COS)是由海洋生物甲殼提取而成的低聚寡糖，其在抗炎、降血脂、提高免疫力及保肝等方面具有良好療效[8]。COS能夠顯著降低糖尿病小鼠血糖水平，改善胰島細胞功能并抑制腸道對葡萄糖的攝取[9]，但作用機制并不完全明晰。鑒于COS的藥理作用往往與其聚合度息息相關[10]。因此，本研究旨在探究COS及其組成單體對胰島素誘導的HepG2細胞胰島素抵抗的改善作用，為COS的降糖、保肝等生物活性應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

HepG2細胞由本實驗室保存；COS(成分為殼二糖、殼三糖和殼四糖，占比分別為28.4%、50.07%和21.53%)，揚州日興生物科技股份有限公司；殼二糖、殼三糖、殼四糖標準品，青島博智匯力公司；胰島素、二甲雙胍、DMEM培養基及葡萄糖檢測試劑盒，Sigma公司；CCK-8試劑盒，日本同仁化學；抗體胰島素受體(insulin receptor，IR)、胰島素受體底物(insulin receptor substrate，IRS-1)，Abcam公司；磷酸化蛋白激酶B(phosphate protein kinase B，p-PKB/p-Akt)、蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)、葡萄糖轉運蛋白4(glucose transporter 4，GLUT4)和甘油醛-3-磷酸脫氫酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, GAPDH)，Cell Signaling Technology公司。

1.2 主要儀器

SpectraMaxM2e多功能酶標儀，美國molecular devices公司；T100型PCR分析儀、CFX96TMTouch熒光定量PCR分析儀，美國Bio-Rad公司；Tanon 4800 Multi化學發光圖像分析儀，上海天能科技公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 細胞活力檢測

HepG2細胞在含體積分數10%血清和1%青霉素-鏈霉素雙抗的DMEM培養基中，于37 ℃、5% CO2的濕潤環境中培養。

HepG2細胞(2×104個/孔)培養于96孔板中至完全貼壁后，更換添加待測藥物(干預組)的新鮮培養基繼續孵育24 h，不添加藥物的培養孔為對照組，無細胞的培養孔為空白組。然后，再次吸去每孔培養基，并用pH 7.5的PBS洗3遍后，加入含有10% CCK-8溶液的等體積無血清培養基，避光孵育2 h后于450 nm波長下測OD值(n=3)。根據公式(1)計算細胞活力。

(1)

1.3.2 HepG2細胞胰島素抵抗模型的建立

而此時，城中早已看不到鱗次櫛比的樓宇殿閣、整齊有序的房屋建筑和寬闊筆直的街道，只剩下狼藉一片。一堵堵居民房屋的殘墻孤獨而立，那些散布遍地的磚石瓦當、鐵器銅鏃、泥佛遺物無不訴說著當年的繁榮與興旺。走在黑城里，有一種強烈的時光逆流的感覺，夕陽照在殘垣斷壁上，看著千年以前的古建筑變成金黃色，在湛藍的天幕下，有一種無言的悲壯和蒼涼。

HepG2細胞(2×104個/孔)于96孔板中培養貼壁后，更換不含或含不同濃度胰島素(0.1 ～ 50 μmol/L)的DMEM培養基，分別設為對照組和模型組，繼續培養24、36或48 h，無細胞的培養孔為空白組。漂洗3遍后更換新鮮無血清培養基繼續孵育12 h，檢測培養基中葡萄糖含量及細胞活力情況(n=3)。葡萄糖消耗量按公式(2)計算。

葡萄糖消耗量/(μmol·L-1)=c(空白)-c(對照/模型)

(2)

1.3.3 COS對葡萄糖消耗量的影響

參照1.3.2建立胰島素抵抗模型，PBS洗3遍并更換含有不同濃度COS或其組分的DMEM培養基繼續培養24 h。低劑量組100 μg/mL，高劑量組200 μg/mL，陽性組二甲雙胍2 mmol/L，對照組則給予相同體積的DMEM培養基。之后，更換無血清培養基繼續孵育12 h。取培養基上清液對其進行葡萄糖水平檢測(n=3)。

1.3.4 RT-PCR分析

通過TRIzol法提取細胞總RNA[11]，1 μg總RNA逆轉錄為cDNA，反應體系：200 ng cDNA，5 nmol/L上下游引物，5 μL SYBR Green混合物，并在95 ℃、15 s，60 ℃、30 s條件下運行40個循環。通過RT-PCR系統測定靶基因的相對表達水平，并用2-(△△CT)方法進行分析。測定的目標基因為IR、IRS-1、GLUT4、過氧化物酶體增生物激活受體-γ輔激活子-1α(peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator 1α，PGC-1α)、叉頭轉錄因子1(fork head transcription factor，Foxo1)、白細胞介素6(interleukin，IL-6)和β-肌動蛋白(β-actin)(表1)。

表1 引物序列Table 1 Primer sequences

1.3.5 Western Blot分析

細胞重懸于添加了磷酸酶抑制劑和蛋白酶抑制劑的裂解液中，冰上渦旋10 s，靜置1 min，反復操作3次。4 ℃、12 000 r/min離心20 min，取上清液，獲得總蛋白。蛋白定量后，與Loading buffer混勻沸水浴10 min。蛋白通過SDS-PAGE分離后，凝膠迅速轉移到聚偏氟乙烯膜上，并進行電轉。封閉2 h后，一抗4 ℃孵育過夜。洗滌緩沖液蕩洗3遍后二抗室溫孵育1～2 h，通過化學發光法對目標蛋白顯影，并通過image J軟件定量分析。

1.4 統計學分析

數據用平均值±標準差表示，采用單向方差分析法進行分析，通過GraphPad Prism 5軟件作圖分析。P<0.05為具有顯著性差異。與對照組比較，#P<0.05，##P<0.01，###P<0.001，與模型組比較，*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001，ns為無統計學差異。

2 結果與分析

2.1 HepG2細胞胰島素抵抗模型的建立

高濃度胰島素刺激是建立胰島素抵抗模型的常用方法之一，如圖1-a所示，50 μmol/L胰島素孵育細胞24 h即能夠顯著降低其葡萄糖消耗量(P<0.05)；在刺激36 h和48 h后，5 μmol/L胰島素也能夠明顯抑制HepG2細胞的葡萄糖消耗量(P<0.05)(圖1-b，圖1-c)。同時，為了評估胰島素對HepG2細胞的毒性作用，通過CCK-8法檢測細胞增殖情況，如圖1-d所示，孵育24 h時，胰島素刺激無細胞毒性(P>0.05)；孵育36 h時，50 μmol/L胰島素顯著引起細胞毒性(P<0.05)(圖1-e)；圖1-f顯示，孵育48 h時，10和50 μmol/L的胰島素均可以明顯引起細胞毒性(P<0.05)。綜合考慮，選擇5 μmol/L胰島素對HepG2細胞刺激36 h為誘導胰島素抵抗的造模條件。

a-胰島素刺激細胞24 h葡萄糖消耗量；b-胰島素刺激細胞36 h葡萄糖消耗量；c-胰島素刺激細胞48 h葡萄糖消耗量； d-胰島素刺激細胞24 h細胞存活率；e-胰島素刺激細胞48 h細胞存活率；f-胰島素刺激細胞36 h細胞存活率圖1 HepG2細胞的胰島素抵抗模型建立Fig.1 Establishment of insulin-resistant HepG2 cell model

2.2 COS對HepG2細胞增殖活性影響

為探究COS對HepG2細胞的毒性作用，CCK-8法檢測結果顯示，與對照組比較，COS在15.625～1 000 μg/mL質量濃度下對HepG2細胞無毒性作用(P>0.05)(圖2)。

圖2 COS對HepG2細胞毒性分析Fig.2 Cytotoxicity analysis of COS and chitotriose on HepG2 cells

2.3 COS對HepG2細胞胰島素抵抗的改善作用

如圖3所示，高劑量組的COS能夠顯著促進胰島素抵抗HepG2細胞的葡萄糖消耗量(P<0.05)。COS能夠改善2型糖尿病小鼠空腹血糖水平、口服糖耐量、飲水量和體重等[12]。細胞水平上，COS可以逆轉胰島細胞損傷、提高肝細胞和小腸上皮中糖轉運蛋白水平以促進葡萄糖吸收[13]。雖然COS改善葡萄糖代謝的詳細機制并未完全清楚，但是以上結果體現了COS確實具有顯著的降血糖、促進葡萄糖代謝作用。

圖3 COS對胰島素抵抗HepG2細胞的緩解作用Fig.3 Alleviative effect of COS on insulin resistant HepG2 cells

2.4 不同COS單體對胰島素抵抗HepG2細胞的作用

為進一步探討不同COS單體對HepG2細胞胰島素抵抗的作用，對殼二糖、殼三糖和殼四糖的作用進行評價。如圖4所示，不同濃度下的殼二糖和殼四糖對胰島素抵抗的HepG2細胞葡萄糖消耗量并無明顯的改善效果(P>0.05)，而殼三糖可以明顯地提高胰島素抵抗細胞的葡萄糖消耗量(P<0.05)。不同聚合度COS因攜帶的電荷量、與作用受體親和力等差異而具有不同的生物活性[14]。本研究中，殼三糖對胰島素抵抗HepG2細胞的改善作用表現出最優效果，這可能與其相關受體具有更高的親和力等原因有關。綜上，COS組分中的殼三糖對胰島素抵抗HepG2細胞具有顯著的改善效果。

a-殼二糖；b-殼三糖；c-殼四糖圖4 不同COS單體對HepG2細胞胰島素抵抗的改善作用Fig.4 Improvement of insulin resistance of HepG2 cells by COS with different degree of polymerization

2.5 HepG2細胞胰島素抵抗相關基因轉錄水平

正常情況下，胰島素的主要作用方式為與下游IR結合，結合胰島素后的IR與下游IRS-1進一步發生酪氨酸磷酸化反應，活化后的IR/IRS-1復合體進一步與Akt結合，促使其磷酸化[15-16]。磷酸化的Akt會進一步使下游靶蛋白磷酸化引起一系列級聯反應，最終引起GLUT4移位到細胞膜表面，促進葡萄糖從胞外向胞內轉運，從而降低胞外的葡萄糖水平[15-16]。然而，在胰島素抵抗狀態下，IR對胰島素產生耐受，該通路表達下調，導致葡萄糖轉運下降，血糖水平繼而升高。為分析COS和殼三糖緩解HepG2細胞胰島素抵抗的作用機制，首先對IR、IRS-1和GLUT4等基因轉錄水平進行評估。結果顯示，COS(200 μg/mL)和殼三糖(100 μg/mL)孵育后可以顯著提高其轉錄水平(P<0.05)，其改善效果與陽性對照組基本保持一致的趨勢(圖5-a～圖5-c)。Foxo1是胰島素通路下游的重要轉錄因子，受Akt磷酸化的調節，過度活化Foxo1可以導致胰島素敏感性降低[17-19]。另外，PGC-1α與胰島素抵抗形成密切相關，其可加速肝臟糖異生進程，誘發肝內胰島素抵抗[19]。因此，為進一步評估COS及其殼三糖對IR/Akt/GLUT4通路下游基因的影響情況，分別探究了Foxo1和PGC-1α基因轉錄水平的變化情況。如圖5-d，圖5-e所示，COS和殼三糖可以顯著降低Foxo1和PGC-1α基因的轉錄水平(P<0.05)，COS和殼三糖也逆轉了胰島素抵抗模型中的IL-6基因轉錄水平(P<0.05)(圖5-f)。

a-IR；b-IRS-1；c-GLUT4；d-FOXO1；e-PGC-1α；f-IL-6圖5 HepG2細胞胰島素抵抗相關基因轉錄水平變化Fig.5 Amelioration of insulin resistance related mRNA levels in HepG2 cells

2.6 HepG2細胞胰島素抵抗Akt/GLUT4蛋白水平變化

如圖6所示，模型組細胞中IR、IRS-1、GLUT4及p-Akt水平顯著低于對照組(P<0.05)，COS(200 μg/mL)和殼三糖(100 μg/mL)處理后可以顯著上調IR、IRS-1、GLUT4和Akt的蛋白水平(P<0.05)。

a-凝膠電泳條帶；b-IR；c-IRS-1；d-GLUT4；e-P-AKT圖6 HepG2細胞胰島素抵抗Akt/GLUT4蛋白水平變化Fig.6 The protein levels of Akt/GLUT4 in insulin resistance of HepG2 cells

報道顯示，COS對多種細胞系均可以顯著調控其Akt的磷酸化水平，尤其在2型糖尿病疾病中，能夠通過激活Akt蛋白促進胰島素分泌、提高胰島素敏感性和胰高血糖素樣肽1水平，改善機體血糖水平，降低膽固醇及血清甘油三酯水平等，被認為是一種理想的糖尿病食品[20-21]，與本文結果基本一致。綜上，COS和殼三糖通過上調Akt/GLUT4通路改善HepG2細胞的胰島素抵抗情況，作用機制如圖7所示。

圖7 COS改善胰島素抵抗的作用機制Fig.7 Mechanism of COS ameliorating insulin resistance

3 結論

COS具有廣泛的生物活性，其中，降糖作用一直是研究熱點，但由于COS組成及聚合度的復雜性，以及評價所用細胞類型和造模方式等差異，其降糖作用機制尚未完全闡明。研究結果表明，COS作用于胰島素抵抗的HepG2細胞可顯著促進葡萄糖代謝作用，其中殼三糖的作用顯著高于殼二糖和殼四糖。COS和殼三糖通過上調Akt/GLUT4通路從而改善胰島素抵抗。