MR磷谱探讨Parkin介导的线粒体自噬对糖尿病大鼠心肌线粒体功能的调控作用

Diabetic mellitus is a severe global disease, which results in inhibition of Parkin pathway induced-mitophagy and increased collection of impaired mitochondria in myocardium. However, the impact of the Parkin pathway induced-mitophagy detected in vitro on the living mitochondrial function is not very clear. In our preliminary experiment by 31P MR spectroscopy (31P-MRS), we found a reduced cardiac mitochondrial function at rest and stress in vivo of a 4-week diabetic rat comparing with a control rat. So, we suspect that the Parkin pathway induced-mitophagy has some power on the cardiac living mitochondrial function. Therefore, we want to explore the regulating effect of the Parkin pathway induced-mitophagy on the living mitochondrial function from molecular, cellular and living levels by an experiment of a diabetic cardiomyopathic rat model and metiformin-treated control with dynamic 31P-MRS and pathological exams at different time points. With our further experiment, we plan to stablish a platform to detect the living cardiac mitochondrial function at rest and at stress in a non-invasive and quantitative way by 31P-MRS and to verify its value in an early non-invasive detection of myocardial injury from diabetes and to investigate the regulation effect of the parkin pathway induced-mitophagy on the cardiac mitochondrial function. We try to provide a new standpoint from living mitochondrial function at rest and at stress to explore the diabetic cardiomyopathy, which is favorable to prevent and treat the cardiac injury from diabetes.

糖尿病是严重的全球性疾病，血糖升高致Parkin介导的心肌线粒体自噬下降致损伤线粒体在细胞内聚集，但线粒体自噬对活体心肌能量供给的影响尚不明确。我们预实验（活体心肌7TMR磷谱）表明糖尿病大鼠心肌PCr/ATPγ 比值及线粒体储备功能均降低，因而我们预测Parkin介导的线粒体自噬对活体线粒体功能有调控作用。因此，本研究拟通过建立大鼠糖尿病心肌病模型并采用二甲双胍治疗验证，在不同时间点运用7.0T MR心肌磷谱结合病理检测，从分子、细胞、动物水平多层次探讨Parkin介导的线粒体自噬在糖尿病心肌活体线粒体功能紊乱中的作用：建立活体定量检测心肌线粒体静息及储备功能的技术平台并探讨其在无创早期检测糖尿病心肌损伤中的价值；探索Parkin介导的线粒体自噬水平对糖尿病心肌线粒体功能的调控作用。本研究从活体心肌线粒体静息及储备功能这个新视点探讨糖尿病心肌病的发生机制，为其防治提供新思路。

项目背景：糖尿病（Diabetes mellitus，DM）是全球性疾病，引起心血管疾病，导致各种并发症甚至死亡。心肌线粒体损伤在糖尿病心肌病发展过程中起到重要作用，但线粒体损伤对活体心肌能量代谢的影响尚不明确。多模态MRI可以早期反映活体心功能及心肌线粒体功能。.研究内容：在不同时间点（第1、2、4、8周）运用7.0T MR观察糖尿病大鼠模型的心脏解剖和功能改变，研究糖尿病大鼠的心功能变化及心肌损伤（心肌线粒体静息和负荷功能），并通过病理、免疫组化学、血液学相关指标及、Parkin蛋白及大鼠心肌线粒体电镜进行验证，探讨糖尿病大鼠的病理生理变化及心肌线粒体功能代谢的变化，并于MRI数据进行对照研究。.主要结果及其科学意义：（1）DM组大鼠重构指数较对照组降低（0.97±0.14 vs 1.18±0.17,P<0.05），余心功能参数两组间无明显差别。糖尿病组大鼠与对照组在不同时间点的横向比较：两组间的左心功能参数在前4周无统计学差异；而在第8周，DM组大鼠SV高于对照组（0.24±0.02 vs 0.20±0.02ml，P=0.043）。此外，DM组大鼠EDVI、ESVI、SVI、CI要高于对照组，提示左心室扩大。糖尿病组和对照组大鼠在不同时间点的纵向比较：DM大鼠左心功能参数于前4周无明显变化；而第8周左心室EDV和ESV均高于其它时间点，EDVI和ESVI也高于其他时间点。故直到第8周，糖尿病大鼠心功能尚未发生明显变化，但左心室解剖结构发生了改变，出现了心腔扩大，左心室重构指数下降。（2）与对照组大鼠比较，DM组大鼠静息态PCr/ATPγ比值无差异，负荷后比值增加，负荷峰值无差异。糖尿病大鼠负荷态PCr/ATPγ比值达峰时间较对照组明显缩短（5min vs 17min），反映其储备功能下降。（3）与对照组相比，第4周DM大鼠血脂升高，HE染色发现心肌细胞肥大、细胞内出现脂滴，Parkin蛋白水平降低，第8周变化更明显。Masson染色发现第8周DM组大鼠心肌出现纤维化。第8周DM组大鼠线粒体数量增多，体积增大，线粒体嵴模糊、断裂。结论：糖尿病大鼠第8周开始出现心肌重构，静息和负荷后磷谱PCr/ATPγ比值可以反应糖尿病大鼠心肌线粒体数量增多和质量下降的变化。.