Влияние аэробных упражнений в сочетании с пищевой добавкой спирулины на обучение и память у крыс с диабетом 2 типа и его механизм
Около 65% пациентов с диабетом 2 типа сопровождаются когнитивной дисфункцией мозга, которая проявляется на ранней стадии и усугубляется по мере удлинения течения заболевания. Клиническими проявлениями когнитивной дисфункции при диабете являются в основном нарушения способности к обучению и памяти, особенно снижение способности к пространственному позиционированию, и даже болезнь Альцгеймера, которая стала глобальной проблемой медицины и здравоохранения. Известно, что медикаментозное лечение необходимо при лечении диабета, связанного с обучением и памятью, однако клинический эффект лечения не идеален, и существует множество побочных реакций. В последнее время все больше исследований считают, что использование натуральных продуктов для профилактики диабета обучения и памяти может дать такой же эффект с меньшим количеством побочных реакций. Спирулина - это полноценный и сбалансированный чистый натуральный продукт питания, обладающий биологическими функциями, включая борьбу с усталостью, антистарение и регулирование иммунитета. Исследования, посвященные спирулине и диабету, в основном сосредоточены на ее снижении уровня сахара в крови, ингибировании воспалительного сигнального пути почек и противовоспалительном действии. Последнее открытие показывает, что спирулина оказывает противодействие болезни Альцгеймера на ухудшение памяти у мышей. Однако исследований, посвященных влиянию спирулины на обучение и память при диабете, было проведено мало. Аэробные упражнения являются основой обучения и памяти для профилактики и лечения диабета. Ким и другие исследования показали, что традиционные аэробные упражнения на беговой дорожке могут улучшить кратковременную память и способность к пространственному обучению у крыс с диабетом. Но до сих пор влияние аэробных упражнений в сочетании с добавлением спирулины на обучение и память при диабете остается неясным.

Поэтому в данном исследовании на модели крыс с диабетом 2 типа изучается влияние аэробных упражнений и спирулины на улучшение обучения и памяти у крыс с диабетом, а также на белки сигнального пути внеклеточной киназы, регулируемой сигналом (ERK), белок, связывающий элемент ответа cAMP (CREB), и апоптоз клеток гиппокампа, чтобы предоставить экспериментальные данные для поиска новых методов улучшения обучения и памяти при диабете и применения спирулины в спортивной медицине.

Оральный тест толерантности к глюкозе (ОГТТ) в настоящее время является золотым стандартом для оценки состояния метаболизма глюкозы, а также широко используемым методом клинической оценки функции бета-клеток поджелудочной железы и чувствительности к инсулину. В данном исследовании, следуя методу Хоу и др., ОГТТ проводился на крысах, которых кормили диетой с высоким содержанием жиров в течение 5 недель. Было обнаружено, что у крыс наблюдалась гипергликемия натощак и гиперинсулинемия, что свидетельствует о нарушении толерантности к глюкозе и инсулинорезистентности. В сочетании с селективным разрушением бета-клеток поджелудочной железы при введении STZ, через неделю симптомы чрезмерного питья, еды и мочеиспускания у модельных крыс становились все более очевидными. В то же время во время эксперимента у крыс наблюдалась потеря веса, редкая шерсть желтого и тусклого цвета, рыхлый стул и медленные движения. После 8 недель экспериментального цикла основные клинические характеристики гипергликемии и гиперинсулинемии все еще проявлялись у модельных крыс диабета 2 типа, что свидетельствует об успешном индуцировании модельных крыс диабета 2 типа. Причина повышения уровня инсулина у модельных мышей в ходе эксперимента может быть связана с уменьшением содержания рецепторов инсулина на мембране клеток-мишеней, снижением эффективности действия инсулина и избыточной компенсаторной секрецией инсулина организмом. Восемь недель аэробных тренировок могут снизить уровень сахара и инсулина в крови крыс, но не оказывают очевидного влияния на массу тела. Причина может быть связана с тем, что регулярные физические упражнения могут повысить чувствительность инсулиновых рецепторов скелетных мышц крыс с диабетом, способствовать прямому поглощению глюкозы скелетными мышцами и снижению уровня сахара в крови; причем этот эффект не зависит от потери веса.

Исследования подтвердили, что у крыс на модели диабета с высоким содержанием жиров и STZ-индуцированной диетой наблюдаются нарушения обучения и памяти. Тест на водный лабиринт Морриса также показал, что у крыс с гипергликемическим диабетом 2 типа, индуцированным в данном исследовании, наблюдалось значительное снижение способности к пространственному обучению и памяти, что согласуется с результатами предыдущих исследований. Исследования на животных подтвердили, что высокий уровень сахара в крови может вызывать апоптоз клеток. В данном исследовании было обнаружено, что по сравнению с контрольной группой уровень апоптоза клеток гиппокампа у крыс с гипергликемией значительно увеличился, что указывает на то, что высокий уровень глюкозы при диабете вызывает более значительное увеличение апоптоза клеток гиппокампа, что согласуется с результатами предыдущих исследований. В то же время латентность побега крыс была значительно увеличена, а количество раз пересечения платформы значительно уменьшено, что указывает на то, что снижение способности к обучению и памяти при диабете было тесно связано с апоптозом нейронов гиппокампа. Аэробные упражнения оказывают антиапоптотическое действие на клетки гиппокампа. После восьми недель занятий на беговой дорожке скорость апоптоза клеток гиппокампа у мышей значительно снизилась, а функции обучения и памяти улучшились. Это указывает на то, что длительные аэробные упражнения оказывают антиапоптотическое действие на клетки гиппокампа и улучшают обучение и память при диабете, что может быть связано с их гипогликемическим эффектом.

В последние годы изучение взаимосвязи между изменениями в путях сигнальной трансдукции в нервной системе и обучением и памятью стало новым направлением исследований. ERK широко распространен в центральной нервной системе, с выраженной экспрессией в таких областях, как гиппокамп, стриатум и префронтальная кора, и тесно связан с обучением и памятью. CREB - ядерный белок, выполняющий функцию регуляции транскрипции генов. CREB является одной из важнейших сигнальных молекул ERK. Активированный ERK регулирует синаптическую пластичность и улучшает способности мозга к обучению и памяти, активируя экспрессию нижележащего CREB. Внутриклеточный сигнальный путь ERK/CREB играет роль "переключателя" в регуляции способности мозга к обучению и памяти, а также синаптической пластичности. Фосфорилирование сигнальных молекул является одним из способов активации сигнальных путей. Результаты исследования показали, что по сравнению с контрольной группой уровни p-ERK/ERK и p-CREB/CREB у модельных крыс были значительно снижены, что говорит о том, что гипергликемия при диабете может вызывать снижение регуляции сигналов ERK/CREB. После аэробных упражнений на беговой дорожке уровни p-ERK/ERK и p-CREB/CREB у модельных крыс значительно повысились, что указывает на то, что умеренные физические нагрузки могут влиять на экспрессию сигнальных белков ERK/CREB, восстанавливать повреждения нейронов гиппокампа и улучшать обучение и память. Аэробные упражнения - это нефармакологический метод, который напрямую воздействует на гиппокамп и нейронные синапсы. Длительные аэробные упражнения могут способствовать экспрессии связанных с памятью белков гиппокампа, таких как ERK и CREB, что приводит к восстановлению поврежденных клеток нейронов гиппокампа и улучшению обучения и памяти. Исследования также показали, что глушение экспрессии CREB может способствовать апоптозу нейронов коры головного мозга, подвергшихся кислородно-глюкозному голоданию/реоксигенации. Регуляция белков сигнального пути ERK и CREB оказывает антиапоптотическое действие, достигая нейропротекторного эффекта через этот путь. Сигнальный путь ERK может быть общим механизмом для индуцирования синаптической пластичности в гиппокампе. Цистинил-аспартат-специфическая протеаза-3 (каспаза-3) является движущей и ключевой исполнительной молекулой клеточного апоптоза, а ее активация - важный шаг в расщеплении клеточного белка во время запрограммированной клеточной смерти. В данном исследовании показано, что аэробные упражнения повышают уровень ERK/CREB-сигнализации, снижают экспрессию активированной каспазы-3 и ингибируют апоптоз клеток. Предполагается, что аэробные упражнения в этих экспериментальных условиях могут снизить уровень глюкозы в крови, повысить регуляцию сигнального пути ERK/CREB, снизить экспрессию расщепленной каспазы-3, повысить способность гиппокампа противостоять апоптозу, способствовать восстановлению нейронов гиппокампа и тем самым предотвратить снижение пространственного обучения и памяти, связанное с диабетом. В настоящее время существует мало исследований, посвященных сигналу ERK/CREB и аэробным упражнениям против диабетического обучения и памяти. Опосредованный сигналом ERK/CREB антиапоптозный эффект на клетки гиппокампа может быть одним из нейропротекторных механизмов улучшения способности к обучению и памяти при диабете.

Спирулина обладает множеством функций, таких как гипогликемическая, антиоксидантная и так далее. В 21 веке ее называют источником человеческого белка. В настоящее время многие страны превращают спирулину в питательный продукт, который используется для восполнения потребностей человека в питании, профилактики и лечения различных заболеваний (таких как диабет, гипертония и так далее). Последние исследования показали, что спирулина обладает нейропротекторным действием, улучшая память и сопротивляясь ее повреждению. Ее механизм связан с увеличением экспрессии nNOS, ингибированием экспрессии белка GSK-3 β и улучшением когнитивной дисфункции у крыс, вызванной отложением белка A β 1-42. Однако нет никаких сообщений о том, что спирулина улучшает обучение и память при диабете. Может ли спирулина улучшить или усилить обучение и память крыс с диабетом за счет снижения уровня глюкозы в крови и влияния на сигнальный путь ERK/CREB, пока неясно.

Данное исследование показало, что после приема спирулины значительно улучшается обучение и память крыс с диабетом, снижается содержание глюкозы и инсулина в крови, значительно повышается сигнал ERK/CREB в гиппокампе, а также значительно снижается уровень расщепленной каспазы-3 и апоптоза. Это позволяет предположить, что спирулина может улучшать обучение и память за счет снижения уровня глюкозы в крови и восстановления функции поврежденных островковых клеток поджелудочной железы. Механизм ее действия может быть достигнут за счет усиления сигнала ERK/CREB в гиппокампе и ингибирования апоптоза клеток гиппокампа. Предыдущие исследования показали, что спирулина повышает уровень нейротрофического фактора мозга (BDNF) в гиппокампе и улучшает повреждение гиппокампа у крыс на модели физической усталости. Нейротрофический фактор мозга (BDNF) связывается с рецептором тирозинкиназы B (TrkB) и может вызывать активацию CREB, активируя ERK, что приводит к устойчивому CREB-сигналу; усиление ERK/CREB-сигнализации BDNF/TrkB полезно для улучшения гиппокампального обучения и памяти. При исследовании мышей app/ps1 было обнаружено, что повышение уровня β-амилоидного белка снижает фосфорилирование CREB, что приводит к снижению аутофосфорилирования TrkB, индуцированного BDNF в гиппокампе, и снижению экспрессии CREB, активируемого ERK, что может вызвать снижение способности к обучению и памяти. Спирулина может значительно повысить регуляцию ERK, CREB и других ключевых сигнальных молекул в процессе обучения и памяти нейронов гиппокампа, а также в определенной степени подавить апоптоз клеток, что может стать одним из новых защитных механизмов мозга против нарушения обучения и памяти при диабете.

Исследование также показало, что после 8 недель физических упражнений в сочетании со спирулиной эффект улучшения обучения и памяти у крыс с диабетом был выше, чем у группы с одними аэробными упражнениями и группы со спирулиной, что свидетельствует о синергетическом эффекте физических упражнений в сочетании со спирулиной. Физическая терапия, как дополнение к медикаментозному лечению, имеет хорошие перспективы применения. Усиливающий эффект аэробных упражнений в сочетании со спирулиной согласуется с нейропротекторным эффектом аэробных упражнений в сочетании с ресвератролом в модели диабета 2 типа. Исследование механизма показало, что уровни p-ERK/ERK и p-CREB/CREB в группе сочетания упражнений со спирулиной были значительно выше, чем в группе с одним аэробным упражнением и спирулиной, экспрессия расщепленной каспазы-3 была значительно снижена, а скорость апоптоза была значительно снижена, Это говорит о том, что физические упражнения в сочетании с добавлением спирулины могут дополнительно активировать сигнальный путь ERK/CREB, способствовать активации ключевых белков ERK и CREB в гиппокампе, эффективно подавлять апоптоз клеток гиппокампа, тем самым играя нейропротекторную роль в снижении уровня сахара в крови и улучшении обучения и памяти у крыс с диабетом. Это может быть важной причиной того, почему физические упражнения в сочетании со спирулиной могут улучшить обучение и память при диабете. Упражнения в сочетании с пищевой добавкой могут стать новым способом улучшения обучения и памяти при нейродегенеративных заболеваниях, связанных с диабетом.

Стоит отметить, что уровень инсулина в группе DES в этом исследовании в основном восстановился до нормального уровня в поздний период вмешательства (8-я неделя), и хотя концентрация глюкозы в крови значительно улучшилась, она все еще значительно выше нормального уровня, что говорит о том, что диабет - это непрерывное прогрессирующее заболевание, упражнения и спирулина не могут восстановить уровень глюкозы в крови до нормального состояния за ограниченное время, но могут восстановить поврежденную функцию островковых клеток, так что секреция инсулина стремится к норме. Предлагается, чтобы пациенты с диабетом 2 типа придерживались регулярных аэробных упражнений в течение длительного времени, а также обращали внимание на соответствующую добавку спирулины в рацион.

Как видно, в условиях данного эксперимента аэробные упражнения и спирулина могут эффективно снижать уровень сахара в крови, улучшать обучение и память крыс с диабетом 2 типа, а упражнения в сочетании со спирулиной имеют более очевидный эффект применения, который превосходит простые аэробные упражнения и спирулину. Механизм действия спирулины связан с повышением регуляции сигнала ERK/CREB в гиппокампе, снижением экспрессии расщепленной каспазы-3, ингибированием клеточного апоптоза в определенной степени и защитной ролью в нейронах гиппокампа. Сигнальный путь ERK/CREB может стать потенциальной мишенью для аэробных упражнений и спирулины для улучшения обучения и памяти в гиппокампе при диабете.