社会老龄化、城镇化加剧、饮食习惯不当、不良的生活方式及运动减少等多方面因素综合,使慢性非传染性疾病(CNCDs)逐渐成为我国居民的头号“杀手”^[1],而胰岛素抵抗(Insulin Resistance,IR)则是众多CNCDs滋生的“共同土壤”,氧化应激可加重胰岛素抵抗状态。有研究结果^[2-4]显示,间歇低氧和有氧运动均可有效改善高脂喂养大鼠的胰岛素抵抗程度,如两者结合则效果更明显。邓红等^[5]的报道指出,低氧刺激结合有氧运动可使肥胖大鼠的抗氧化能力和自由基清除能力更强。胰岛素抵抗状态下,低氧暴露结合有氧运动对机体抗氧化能力的影响如何,目前的文献还较为鲜见。本文拟以高脂膳食诱导建立大鼠胰岛素抵抗模型,探讨间歇性低氧暴露结合有氧运动对胰岛素抵抗大鼠的抗氧化能力和自由基清除能力的影响,为胰岛素抵抗者的锻炼和CNCDs的防治提供新思路。

从南方医科大学动物中心购进约40～45 d的SD雄性健康大鼠(粤监证字:2006A064),体重为160～175 g,5只/笼饲养,室温23～25 ℃,相对湿度50%～60%,自然昼夜节律光照。1 周环境适应后,参考潘哲浩等^[3]的动物造模方法和判定标准进行IR大鼠建模和判定。

第6周末,从对照组和造模组中随机抽取8只大鼠,检测其空腹血糖(fasting blood glucose,FBG)和空腹胰岛素(fasting plasma insulin,FINS)。根据公式计算胰岛素敏感指数(insulin sensitivity index,ISI)和胰岛素抵抗指数(insulin resistance,Homa-IR),公式为ISI=-log(FPG×FINS)、Homa-IR=(FPG×FINS)/22.5。按2 g/kg·bw剂量行腹腔皮下注射葡萄糖液行糖耐量实验(glucose tolerance test,GTT),记录0 min(FBG)、30 min、60 min和120 min的血糖变化。具体数据见表 1,提示IR大鼠造模成功。

表 1(Table 1)

表 1 第6周末对照组和造模组大鼠相关指标比较(x±SD) Table 1 The indexes' comparison of the control group and the model group after 6 weeks high fat diet in rats 组别 FINS[2]/ (μg·L-1) ISI HOMA-IR[2] GTT/(mmol·L-1) FBG/min 0[2] 30 60 120 对照组(n=8) 4.18±1.21 -1.83±0.14 0.79±0.14 4.69±0.92 10.80±1.75 6.38±1.74 5.40±1.13 造模组(n=8) 5.29±1.33** -1.96±0.12** 1.10±0.15* 4.20±0.0.61 16.36±2.23** 10.62±2.08* 6.36±0.82 注:用SPSS软件进行t检验,P＜0.05为具有统计学意义;与对照组比较,*P＜0.05,**P＜0.01,部分数据来源于参考文献[2]

表 1 第6周末对照组和造模组大鼠相关指标比较(x±SD) Table 1 The indexes' comparison of the control group and the model group after 6 weeks high fat diet in rats

从IR模型组大鼠中随机选取48只实验大鼠,分为常氧安静组(NC)12只(常氧下饲养,不进行运动或低氧干预),低氧安静组(HC)12只(4 h/d的低氧环境饲养,其余时间常氧下饲养,不进行运动干预),常氧运动组(NE)12只(常氧下饲养和运动),低氧运动组(HE)12只(4 h/d的低氧环境饲养,其余时间常氧下饲养和运动)。运动方式为0坡度跑台运动,速度为25 m/min,1 h/d,5 d/周,共4周;低氧环境饲养时,O₂浓度为14.5%(相当于海拔3 000 m),4 h/d,7 d/周,共4周。在这4周内,所有大鼠继续喂予高脂饲料。另从健康组大鼠中随机选出12只,继续喂予普通膳食,设为普食常氧安静组(NNC)。

最后一次运动后24 h,所有大鼠禁食12 h,按0.3 g/kg(重量比)剂量用10%水合氯醛行腹腔注射麻醉,腹主动脉采血,室温静置60 min后以3 500 r/min离心15 min,分离血清后将其移至-70℃冰箱中保存待测。取血后完整剥离大鼠左侧股四头肌,冷生理盐水洗净血液,滤纸吸干水份,无菌锡纸包裹,置液氮中速冻,随后将样品移至超低温冰箱中保存待测。指标检测前,将股四头肌在低温下按照要求制成组织匀浆,离心后提取上清液检测。

用血糖仪(GT-1640)检测大鼠血糖,用多功能酶标仪(RT-2100C)检测胰岛素(ELISA试剂盒购自美国ADL公司)。血清和股四头肌均浆的过氧化物检测方法:超氧化酶歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)用亚硝酸盐法、丙二醛(Malondialdehyde,MDA)用TBA法、总抗氧化能力(Total antioxidant capacity,T-AOC)用Fe³⁺还原法、谷胱甘肽过氧化物酶(Glutathione peroxidase,GSH-Px)用过氧化氢法,均使用S22PC可见分光光度计进行测试,相关试剂从南京建成生物工程研究所购入。所有指标均由专业技术人员测试,操作步骤严格按照试剂盒说明书要求进行。

实验数据用 SPSS17.0统计软件包进行统计分析,以平均值±标准差(x±SD)表示,采用one-way ANOVA 检验,P＜0.05为具有显著性差异,以P＜0.01为具有极显著性差异。

血清指标的变化可反映机体的整体水平。由表 2可知:① 2个常氧安静组相比,NC组血清的T-AOC、SOD和GSH-Px均降低且具有统计学意义(P＜0.05),而MDA升高并具有统计学意义(P＜0.01)。② 经过4周的间歇低氧和运动干预后,与NC组比较,3个干预组血清的T-AOC、SOD和GSH-Px均升高且具有统计学意义(P＜0.05),MDA均下降且具有统计学意义(P＜0.05)。在这种变化趋势中,间歇低氧结合有氧运动的HE组表现得最为明显。③ 与NNC组相比,3个干预组的血清SOD均升高且具有统计学意义(P＜0.01),2个运动组(NE、HE)的血清GSH-Px均升高且具有统计学意义(P＜0.01)。

表 2(Table 2)

表 2 4周间歇低氧和运动对IR大鼠血清抗氧化功能的影响 Table 2 The change of IR rats' serum antioxidant capacity after 4 weeks' intermittent hypoxia combined with exercise 组别 T-AOC/(U·mL-1) MDA/(nmol·L-1) SOD/(U·mL-1) GSH-Px/(酶活力单位) NNC(n=12) 7.02±2.47 5.61±2.05 169.94±8.32 3 025.91±365.46 NC(n=12) 6.02±0.99## 15.41±2.16## 156.24±9.32## 2 535.50±292.57# HC(n=12) 7.48±1.87** 7.48±3.75** 180.36±3.85**## 3 150.00±497.38** NE(n=12) 7.51±2.21** 8.16±3.88* 184.88±4.07**## 3 536.67±482.79**## HE(n=12) 9.13±1.79** 6.30±3.83** 179.95±5.82**## 3 906.37±443.57**## 注:与NNC组比较,#表示P＜0.05,##表示P＜0.01;与NC组比较,*表示P＜0.05,**表示P＜0.01,表 3同此

表 2 4周间歇低氧和运动对IR大鼠血清抗氧化功能的影响 Table 2 The change of IR rats' serum antioxidant capacity after 4 weeks' intermittent hypoxia combined with exercise

骨骼肌是胰岛素的靶器官,对胰岛素反应敏感;在大鼠跑台运动训练中,股四头肌是主要的原动肌。由表 3可知:① 2个常氧安静组相比,NC组股四头肌的T-AOC、SOD和GSH-Px均降低且具有统计学意义(P＜0.05),而MDA升高并具有统计学意义(P＜0.01)。② 经过4周的间歇低氧和运动干预后,与NC组比较,3个干预组股四头肌的MDA均下降且具有统计学意义(P＜0.01),T-AOC、SOD和GSH-Px均有升高表现,但HC组的T-AOC和SOD升高无统计学意义(P>0.05);除此以外,3个干预组的其余各指标的升高均具有统计学意义(P＜0.05)。③ 与NNC组相比,HC组MDA降低具有统计学意义(P＜0.05);NE组的SOD升高有统计学意义(P＜0.05);HE组的MDA降低和GSH-Px升高均具有统计学意义(P＜0.01)。

表 3(Table 3)

表 3 4周间歇低氧和运动对IR大鼠股四头肌抗氧化功能的影响 Table 3 The change of IR rats' quadriceps antioxidant capacity after 4 weeks' intermittent hypoxia combined with exercise 组别 T-AOC/(U·mL-1) MDA/(nmol·L-1) SOD/(U·mL-1) GSH-Px/(酶活力单位) NNC(n=12) 3.95±0.52 18.56±1.81 451.49±83.36 2 599.93±460.50 NC(n=12) 2.76±0.58## 23.77±1.68## 401.31±73.78# 2 045.70±460.12## HC(n=12) 3.21±0.77 15.11±2.94**# 419.89±120.24 2 602.78±588.02** NE(n=12) 3.63±0.89* 17.37±3.08** 537.72±82.29**# 2 779.44±215.22** HE(n=12) 3.85±0.80** 13.26±3.05**## 471.49±68.95* 3 437.48±182.69**##

表 3 4周间歇低氧和运动对IR大鼠股四头肌抗氧化功能的影响 Table 3 The change of IR rats' quadriceps antioxidant capacity after 4 weeks' intermittent hypoxia combined with exercise

疲劳、肥胖、衰老、炎症、肿瘤、运动性低血红蛋白和过度训练等均与自由基攻击有密切的关系,机体抗氧化防御体系的强弱与身体健康高度相关^[6-8]。总抗氧化能力(T-AOC)是指体内总抗氧化物(包括酶类和非酶类)的工作能力,反映机体抗氧化系统的整体水平^[9]。超氧化歧化酶(SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)是机体酶类抗氧化物的主要成员,SOD是生物体消除活性氧的关键酶,GSH-Px则是催化过氧化氢分解的特异酶。MDA为机体膜系统受损后不饱和脂肪酸降解的最终产物,其含量可反映机体脂质过氧化的程度^[10]。当机体的抗氧化能力和脂质过氧化水平失去平衡时,可出现氧化应激状态。

从表 1可知,经过6周的高脂膳食喂养,造模组大鼠的FINS、ISI和Home-IR均与对照组有差异(P＜0.05),提示IR大鼠造模成功。从表 2和表 3可知,NC组血清和股四头肌的各项指标与NNC组比较,均显示出T-AOC、SOD和GSH-Px水平下降(P＜0.05),MDA水平升高(P＜0.01),提示:在胰岛素抵抗大鼠中,机体整体和局部器官均出现了氧化应激状态。这种应激状态在股四头肌中的表现更为明显,这可能与骨骼肌是胰岛素的靶器官,对胰岛素反应更为敏感有关。前人的研究结果^{[5, 11-12]}也显示,长期高脂膳食可致机体抗氧化能力下降,脂质过氧化而出现氧化应激,随即引起各组织器官或机体的功能障碍。

运动和低氧环境均可影响机体的自由基产生和机体的抗氧化能力。有研究^[13-14]指出,机体的抗氧化系统会对适宜的运动产生适应性变化,从而使机体的抗氧化能力提高。Marsh等^[15]认为,在低氧环境下,只有进行耐力运动时,才会引起机体抗氧化酶的合成与分泌。近年的报道^[16-17]证实,在低氧环境下,适当的运动训练可提高机体的抗氧化能力,而重复的高强度运动可降低机体的抗氧化阈值。

从表 2和表 3可知,与NC组比较,经过4周的间歇低氧和运动干预后,3个干预组的血清和股四头肌抗氧化能力均有所改善,而脂质过氧化水平均有下降,提示由于胰岛素抵抗所致的氧化应激状态在整体和局部组织均得到了改善。这种氧化应激状态的改善在不同干预方式中有不同的表现。低氧安静组经过4周的间歇低氧刺激后,血清T-AOC、SOD和GSH-Px水平均明显升高(P＜0.01),而MDA水平下降(P＜0.01),股四头肌的GSH-Px水平升高而MDA水平下降(P＜0.01),提示:单一的低氧暴露可改善IR大鼠整体和骨骼肌的氧化应激状态,但对骨骼肌的作用要小于对整体的作用,可能与该干预组的骨骼肌未得到有效刺激有关。NE组经过4周的跑台运动训练后,血清T-AOC、SOD和GSH-Px水平均明显升高(P＜0.01),而MDA水平下降(P＜0.05),股四头肌的T-AOC升高(P＜0.05),SOD和GSH-Px水平升高而MDA水平下降(P＜0.01)。NE组血清和股四头肌的抗氧化酶的水平变化具有一致性,但其MDA的水平下降没有HC组明显。提示单纯有氧运动刺激能较好地提高抗氧化酶的活性,尤其是运动对骨骼肌的刺激作用,让股四头肌的抗氧化酶活性提高,但对脂质过氧化水平的改善无低氧刺激明显。HE组的血清和股四头肌的各项指标变化与HC、NE组相似,但变化幅度更为明显,尤其是GSH-Px水平的升高和MDA水平下降表现得最为突出,提示:当2种干预因素结合时,运动可改善股四头肌和整体的氧化应激状态,而间歇低氧刺激又可在安静状态下继续纠正IR大鼠的整体氧化应激水平。

从表 2和表 3可知,与NNC组比较,IR大鼠3个干预组的氧化应激状态仍有改善。HC组的血清SOD水平升高(P＜0.01);NE组血清SOD和GSH-Px水平升高(P＜0.01),股四头肌SOD水平升高(P＜0.05);HE组血清SOD和GSH-Px水平升高(P＜0.01),股四头肌GSH-Px水平升高且MDA水平下降(P＜0.01)。这些数据提示,即使在高脂膳食下,具有胰岛素抵抗的大鼠经过间歇低氧和跑台运动训练,仍可改善其骨骼肌和整体的氧化应激状态,而间歇低氧和运动干预结合,可收到更为明显的效果。

本研究结果与已有研究报道^[13-17]相一致,低氧环境和适当的运动干预均可通过提高抗氧化酶的活性,提高机体的抗氧化能力而降低脂质过氧化水平,从而改善机体的氧化应激状态。于加倍等^[18]和余群等^[19]的研究也证实了这一观点。黄徐根等^[20]也认为适度的低氧运动不仅有较好的减体重效果,还有助于提高机体抗氧化酶活性。黄丽英^[21]还指出,间歇低氧训练使机体抗氧化酶活性升高是机体的适应性变化,具有长期性。Pialouxa等^[22]认为,机体在低氧刺激下出现的适应反应与低氧诱导因子-1高表达有关。李洁等的研究却发现,多种不同的低氧训练模式虽可促进力竭运动后即刻的肝脏和肾脏组织的抗氧化能力增强,但仍无法彻底清除运动中产生的自由基,导致机体的脂质过氧化损伤较常氧运动下加重,指出低氧与运动对肝脏和肾脏组织自由基脂质高氧化损伤有协同作用。Miller等也认为低氧训练能引起机体氧化应激反应上升。其结果的不同,可能与后两者采用的运动强度过大有关,但其机制还须进一步研究。

高脂饲料诱导的IR大鼠血液和股四头肌的抗氧化能力下降而脂质过氧化水平升高,处于氧化应激状态。4周的间歇低氧、运动和间歇低氧结合运动均可通过提高IR大鼠的抗氧化酶水平,降低脂质过氧化水平,改善其氧化应激状态,其中以间歇低氧结合运动的干预效果最好。推测IR大鼠氧化应激状态的改善与间歇低氧刺激、适宜的运动锻炼均可引起机体发生良好的适应性改变有关。