Auswirkungen von aerobem Training in Kombination mit Spirulina-Nahrungsergänzung auf Lernen und Gedächtnis bei Ratten mit Typ-2-Diabetes und deren Mechanismus
Bei etwa 65% der Patienten mit Typ-2-Diabetes kommt es zu kognitiven Funktionsstörungen des Gehirns, die sich im Frühstadium manifestieren und sich mit fortschreitendem Krankheitsverlauf verschlimmern. Zu den klinischen Manifestationen kognitiver Funktionsstörungen bei Diabetes gehören vor allem die Lern- und Gedächtnisfähigkeit, insbesondere die Abnahme der räumlichen Positionierungsfähigkeit, und sogar die Alzheimer-Krankheit, die zu einem globalen medizinischen und gesundheitspolitischen Problem geworden ist. Es ist bekannt, dass eine medikamentöse Behandlung bei der Behandlung von Lern- und Gedächtnisstörungen bei Diabetes notwendig ist, aber der klinische Behandlungseffekt ist nicht ideal, und es gibt viele unerwünschte Wirkungen. In jüngster Zeit gehen immer mehr Studien davon aus, dass die Verwendung natürlicher Produkte zur Vorbeugung von Lern- und Gedächtnisstörungen bei Diabetes die gleiche Wirkung mit weniger unerwünschten Nebenwirkungen haben kann. Spirulina ist ein ernährungsphysiologisch umfassendes und ausgewogenes reines Naturprodukt mit biologischen Funktionen wie Anti-Müdigkeit, Anti-Aging und Immunregulation. Die Forschung zu Spirulina und Diabetes konzentriert sich hauptsächlich auf die Senkung des Blutzuckerspiegels, die Hemmung der Entzündungsreaktion der Nieren und die Entzündungshemmung. Die jüngste Entdeckung zeigt, dass Spirulina eine Anti-Alzheimer-Wirkung auf Gedächtnisstörungen bei Mäusen hat. Die Wirkung von Spirulina auf das Lernen und das Gedächtnis bei Diabetes ist jedoch noch wenig erforscht. Aerobes Training ist die Grundlage der Lern- und Gedächtnisfunktion zur Vorbeugung und Behandlung von Diabetes. Kim und andere Studien haben gezeigt, dass traditionelles aerobes Laufbandtraining das Kurzzeitgedächtnis und die räumliche Lernfähigkeit von Diabetes-Ratten verbessern kann. Bislang ist jedoch noch unklar, wie sich aerobes Training in Kombination mit einer Spirulina-Supplementierung auf die Lern- und Gedächtnisleistung bei Diabetes auswirkt.

Daher sollen in dieser Studie am Modell der Typ-2-Diabetes-Ratten die Auswirkungen von aerobem Training und Spirulina auf die Verbesserung der Lern- und Gedächtnisleistung bei Diabetes-Ratten sowie auf die Proteine des extrazellulären signalregulierten Kinase- (ERK) und des cAMP-Response-Element-Binding-Proteins (CREB) und die Apoptose der Hippocampuszellen untersucht werden, um experimentelle Daten für die Suche nach neuen Methoden zur Verbesserung der Lern- und Gedächtnisleistung bei Diabetes und die Anwendung von Spirulina in der Sportmedizin zu gewinnen.

Der orale Glukosetoleranztest (OGTT) ist derzeit der Goldstandard für die Bewertung des Glukosestoffwechsels und wird auch häufig für die klinische Bewertung der Betazellfunktion der Bauchspeicheldrüse und der Insulinempfindlichkeit verwendet. Diese Studie folgte der Methode von Hou et al. und führte den OGTT-Test an Ratten durch, die 5 Wochen lang eine fettreiche Diät erhielten. Es wurde festgestellt, dass die Ratten im Nüchternzustand eine Hyperglykämie und Hyperinsulinämie aufwiesen, was auf eine gestörte Glukosetoleranz und Insulinresistenz hindeutet. In Verbindung mit der selektiven Zerstörung der Betazellen der Bauchspeicheldrüse durch die STZ-Injektion traten nach einer Woche bei den Modellratten zunehmend Symptome wie übermäßiges Trinken, Fressen und Wasserlassen auf. Gleichzeitig zeigten die Ratten während des Experiments Gewichtsverlust, schütteres Haar mit gelber und stumpfer Farbe, lockeren Stuhl und langsame Bewegungen. Nach 8 Wochen Versuchszyklus traten bei den Modellratten des Typ-2-Diabetes immer noch die wichtigsten klinischen Merkmale der Hyperglykämie und Hyperinsulinämie auf, was darauf hindeutet, dass die Modellratten des Typ-2-Diabetes erfolgreich induziert wurden. Der Grund für die höheren Insulinspiegel in den Modellmäusen während des Versuchs könnte mit der Abnahme des Insulinrezeptorgehalts an der Zielzellmembran, der verringerten Effizienz der Insulinwirkung und der übermäßigen kompensatorischen Insulinausschüttung durch den Körper zusammenhängen. Acht Wochen langes aerobes Training kann den Blutzucker- und Insulinspiegel von Ratten senken, hat aber keine offensichtlichen Auswirkungen auf das Körpergewicht. Der Grund dafür könnte darin liegen, dass regelmäßiges Training die Insulinrezeptorsensitivität der Skelettmuskulatur bei Diabetes-Ratten erhöhen, die direkte Aufnahme von Glukose durch die Skelettmuskulatur fördern und den Blutzuckerspiegel senken kann; diese Wirkung ist nicht von einer Gewichtsabnahme abhängig.

Studien haben bestätigt, dass Ratten mit fettreicher Ernährung und STZ-induziertem Diabetes Lern- und Gedächtnisstörungen aufweisen. Der Morris-Wasserlabyrinth-Test zeigte auch, dass die durch diese Studie induzierten hyperglykämischen Typ-2-Diabetes-Ratten eine deutliche Verschlechterung der räumlichen Lern- und Gedächtnisfähigkeit aufwiesen, was mit früheren Studien übereinstimmte. Tierstudien haben bestätigt, dass ein hoher Blutzuckerspiegel die Apoptose von Zellen verursachen kann. In dieser Studie wurde festgestellt, dass die Apoptoserate der Hippocampuszellen bei den hyperglykämischen Modellratten im Vergleich zur Kontrollgruppe signifikant anstieg, was darauf hindeutet, dass der hohe Glukosestatus des Diabetes einen signifikanten Anstieg der Apoptose der Hippocampuszellen verursacht, was mit früheren Studien übereinstimmt. Gleichzeitig war die Fluchtlatenz der Ratten signifikant verlängert und die Anzahl der Überquerungen der Plattform signifikant reduziert, was darauf hindeutet, dass die Abnahme der Lern- und Gedächtnisfähigkeit bei Diabetes eng mit der Apoptose von Hippocampus-Neuronen zusammenhängt. Aerobes Training hat eine anti-apoptotische Wirkung auf Hippocampuszellen. Nach acht Wochen Laufbandtraining war die Apoptoserate der Hippocampuszellen in den Modellmäusen deutlich reduziert, und die Lern- und Gedächtnisfunktion verbesserte sich. Dies deutet darauf hin, dass ein langfristiges aerobes Training die apoptotische Schädigung von Hippocampus-Zellen verhindert und die Lern- und Gedächtnisleistung bei Diabetes verbessert, was mit der hypoglykämischen Wirkung zusammenhängen könnte.

In den letzten Jahren hat sich die Untersuchung der Beziehung zwischen Veränderungen in den Signaltransduktionswegen im Nervensystem und Lernen und Gedächtnis zu einem neuen Forschungsschwerpunkt entwickelt. ERK ist im zentralen Nervensystem weit verbreitet, mit einer signifikanten Expression in Bereichen wie dem Hippocampus, dem Striatum und dem präfrontalen Kortex, und steht in engem Zusammenhang mit Lernen und Gedächtnis. CREB ist ein Kernprotein, das die Gentranskription reguliert. CREB ist eines der wichtigsten nachgeschalteten Signalmoleküle von ERK. Aktiviertes ERK reguliert die synaptische Plastizität und verbessert die Lern- und Gedächtnisfähigkeiten des Gehirns, indem es die Expression des nachgeschalteten CREB aktiviert. Der intrazelluläre ERK/CREB-Signalweg spielt eine "Schalter"-Rolle bei der Regulierung der Lern- und Gedächtnisfähigkeiten des Gehirns sowie der synaptischen Plastizität. Die Phosphorylierung von Signalmolekülen ist eine Möglichkeit, Signalwege zu aktivieren. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass die Werte von p-ERK/ERK und p-CREB/CREB bei den Modellratten im Vergleich zur Kontrollgruppe deutlich reduziert waren, was darauf hindeutet, dass die Hyperglykämie bei Diabetes eine Herabregulierung der ERK/CREB-Signale verursachen könnte. Nach aerobem Laufbandtraining stiegen die p-ERK/ERK- und p-CREB/CREB-Werte bei den Modellratten signifikant an, was darauf hindeutet, dass moderates Training die Expression von ERK/CREB-Signalproteinen beeinflussen, Schäden an Hippocampusneuronen reparieren und Lernen und Gedächtnis verbessern kann. Aerobes Training ist eine nicht pharmakologische Methode, die sich direkt auf den Hippocampus und die neuronalen Synapsen auswirkt. Langfristiges aerobes Training kann die Expression von Proteinen, die mit dem Gedächtnis zusammenhängen, wie ERK und CREB, im Hippocampus fördern, wodurch Schäden an den Nervenzellen des Hippocampus repariert und Lernen und Gedächtnis verbessert werden. Die Forschung hat auch gezeigt, dass die Unterdrückung der CREB-Expression die Apoptose von kortikalen Neuronen fördern kann, die einem Sauerstoff-Glukose-Entzug/Reoxygenierung ausgesetzt sind. Die Hochregulierung von Proteinen des ERK- und CREB-Signalwegs hat eine antiapoptotische Wirkung und erzielt über diesen Weg neuroprotektive Effekte. Der ERK-Signalweg könnte ein gemeinsamer Mechanismus für die Induktion synaptischer Plastizität im Hippocampus sein. Die Cystinylaspartat-spezifische Protease-3 (Caspase-3) ist eine treibende Kraft und ein wichtiges ausführendes Molekül der Zellapoptose, und ihre Aktivierung ist ein wichtiger Schritt bei der Spaltung von Zellproteinen während des programmierten Zelltods. Diese Studie zeigt, dass aerobes Training die ERK/CREB-Signalübertragung hochreguliert, die Expression von aktivierter Caspase-3 reduziert und die Zellapoptose hemmt. Es wird spekuliert, dass aerobes Training unter diesen experimentellen Bedingungen den Blutzuckerspiegel senken, den ERK/CREB-Signalweg hochregulieren, die Expression von gespaltener Caspase-3 reduzieren, die Fähigkeit des Hippocampus, Apoptose zu widerstehen, verbessern, die Reparatur von Hippocampus-Neuronen fördern und somit den Rückgang des räumlichen Lernens und Gedächtnisses im Zusammenhang mit Diabetes verhindern kann. Gegenwärtig gibt es nur wenige Forschungsarbeiten über das ERK/CREB-Signal und aerobe Übungen gegen das Lernen und Gedächtnis bei Diabetes. Die durch das ERK/CREB-Signal vermittelte Anti-Apoptose-Wirkung auf Hippocampus-Zellen könnte einer der neuroprotektiven Mechanismen sein, durch die Bewegung das Lernen und Gedächtnis bei Diabetes verbessert.

Spirulina hat viele Funktionen, wie z. B. hypoglykämische, antioxidative und so weiter. Im 21. Jahrhundert wird sie als Quelle für menschliches Protein bezeichnet. Derzeit wird Spirulina in vielen Ländern zu einem gesunden Nahrungsmittel verarbeitet, das zur Ergänzung des menschlichen Ernährungsbedarfs und zur Vorbeugung und Behandlung verschiedener Krankheiten (wie Diabetes, Bluthochdruck usw.) verwendet wird. Jüngste Studien haben ergeben, dass Spirulina eine neuroprotektive Wirkung auf die Verbesserung des Gedächtnisses und die Resistenz gegen Gedächtnisschäden hat. Der Mechanismus steht im Zusammenhang mit der Erhöhung der Expression von nNOS, der Hemmung der Expression des GSK-3 β-Proteins und der Verbesserung der kognitiven Dysfunktion bei Ratten, die durch die Ablagerung von A β 1-42-Protein verursacht wurde. Es gibt jedoch keinen Bericht darüber, dass Spirulina die Lern- und Gedächtnisleistung bei Diabetes verbessert. Ob Spirulina das Lernen und Gedächtnis von Diabetes-Ratten durch die Senkung des Blutzuckerspiegels und die Beeinflussung des ERK/CREB-Signalwegs verbessern oder steigern kann, ist noch unklar.

Diese Studie zeigt, dass sich nach einer Spirulina-Supplementierung die Lernfähigkeit und das Gedächtnis von Ratten im Diabetes-Modell signifikant verbessern, während der Blutzucker- und Insulingehalt sinkt, das ERK/CREB-Signal im Hippocampus signifikant ansteigt und die gespaltene Caspase-3 und die Apoptoserate signifikant reduziert werden. Dies deutet darauf hin, dass Spirulina das Lernen und das Gedächtnis verbessern kann, indem es den Blutzuckerspiegel senkt und die Funktion der geschädigten Inselzellen der Bauchspeicheldrüse repariert. Der Mechanismus könnte durch die Verstärkung des ERK/CREB-Signals im Hippocampus und die Hemmung der Apoptose von Hippocampuszellen erreicht werden. Frühere Studien haben gezeigt, dass Spirulina die Signalübertragung des Brain-Derived Neurotrophic Factor (BDNF) im Hippocampus hochreguliert und die Hippocampus-Verletzung bei Ratten, die unter körperlicher Ermüdung leiden, verbessert. Der vom Gehirn abgeleitete neurotrophe Faktor (BDNF) bindet an seinen Tyrosinkinase-Rezeptor B (TrkB) und kann durch die Aktivierung von ERK eine CREB-Aktivierung auslösen, was zu einer anhaltenden CREB-Signalisierung führt; die Verstärkung der ERK/CREB-Signalisierung von BDNF/TrkB ist für die Verbesserung des Lernens und des Gedächtnisses im Hippocampus von Vorteil. In der Studie mit app/ps1-Mäusen wurde festgestellt, dass ein Anstieg des β-Amyloid-Proteinspiegels die CREB-Phosphorylierung herabreguliert, was zu einer Herabregulierung der durch BDNF induzierten TrkB-Autophosphorylierung im Hippocampus und zu einem Rückgang der durch ERK aktivierten CREB-Expression führt, was einen Rückgang der Lern- und Gedächtnisfähigkeiten verursachen kann. Spirulina kann ERK, CREB und andere Schlüsselsignalmoleküle für das Lernen und Gedächtnis von Hippocampusneuronen deutlich hochregulieren und die Zellapoptose bis zu einem gewissen Grad hemmen, was einer der neuen Schutzmechanismen für das Gehirn gegen Lern- und Gedächtnisschäden bei Diabetes sein könnte.

Die Studie ergab ferner, dass nach 8 Wochen Bewegung in Kombination mit Spirulina die Lern- und Gedächtnisverbesserung bei Diabetes-Ratten ebenfalls besser ausfiel als bei der Gruppe mit nur aerobem Training und der Spirulina-Gruppe, was darauf hindeutet, dass Bewegung in Kombination mit Spirulina eine synergistische Wirkung hat. Die Bewegungstherapie hat als Ergänzung zur medikamentösen Therapie gute Anwendungsmöglichkeiten. Die verstärkende Wirkung von aerobem Training in Kombination mit Spirulina steht im Einklang mit der neuroprotektiven Wirkung von aerobem Training in Kombination mit Resveratrol im Typ-2-Diabetes-Modell. Die Studie über den Mechanismus zeigte, dass die Werte von p-ERK/ERK und p-CREB/CREB in der Kombinationsgruppe aus Aerobic und Spirulina signifikant höher waren als in der Gruppe mit Aerobic und Spirulina, die Expression von gespaltener Caspase-3 war signifikant reduziert und die Apoptoserate war signifikant reduziert, Dies deutet darauf hin, dass das Training in Kombination mit der Spirulina-Supplementierung den ERK/CREB-Signalweg weiter aktiviert, die Aktivierung der Schlüsselproteine ERK und CREB im Hippocampus-Gedächtnis fördert, die Apoptose der Hippocampus-Zellen wirksam hemmt und damit eine neuroprotektive Rolle bei der Senkung des Blutzuckerspiegels und der Verbesserung von Lernen und Gedächtnis bei Diabetes-Ratten spielt. Dies könnte ein wichtiger Grund dafür sein, dass Bewegung in Kombination mit Spirulina die Lern- und Gedächtnisleistung bei Diabetes verbessern kann. Bewegung in Kombination mit Nahrungsergänzungsmitteln könnte ein neuer Weg zur Verbesserung von Lernen und Gedächtnis bei neurodegenerativen Erkrankungen im Zusammenhang mit Diabetes sein.

Es ist erwähnenswert, dass sich der Insulinspiegel der DES-Gruppe in dieser Studie in der späten Interventionsphase (8. Woche) im Wesentlichen auf das normale Niveau erholt hat, und obwohl sich die Blutzuckerkonzentration deutlich verbessert hat, ist sie immer noch deutlich höher als das normale Niveau, was darauf hindeutet, dass Diabetes eine kontinuierliche, fortschreitende Krankheit ist, und dass Bewegung und Spirulina den Blutzuckerspiegel nicht in einer begrenzten Zeit auf den normalen Stand bringen können, sondern die geschädigte Funktion der Inselzellen reparieren können, so dass die Insulinsekretion tendenziell normal ist. Es wird empfohlen, dass Patienten mit Typ-2-Diabetes über einen längeren Zeitraum hinweg regelmäßig Sport treiben und auf eine angemessene Zufuhr von Spirulina in der Ernährung achten sollten.

Es zeigt sich, dass unter den Bedingungen dieses Experiments aerobes Training und Spirulina den Blutzucker effektiv senken und das Lernen und Gedächtnis von Ratten mit Typ-2-Diabetes verbessern können, wobei das Training in Kombination mit Spirulina einen deutlicheren Anwendungseffekt hat, der dem einfachen aeroben Training und Spirulina überlegen ist. Der Mechanismus steht im Zusammenhang mit der Aufwärtsregulierung des ERK/CREB-Signals im Hippocampus, der Verringerung der Expression von gespaltener Caspase-3, der Hemmung der Zellapoptose bis zu einem gewissen Grad und der schützenden Rolle für die Neuronen des Hippocampus. Der ERK/CREB-Signalweg könnte ein potenzielles Ziel für aerobes Training und Spirulina werden, um das Lernen und Gedächtnis des Hippocampus bei Diabetes zu verbessern.