基于活体注射13C标记底物的核磁共振技术研究FGF21对糖尿病大鼠认知功能障碍的潜在治疗作用及其机制

Cognitive impairment is a serious complication in central nervous system of diabetic patients. Our lately published results reveal that this disease is closely associated with a disturbance of neuron-astrocyte metabolic cooperation and an enhancement of gluconeogenesis. Moreover, FGF21, one of members in FGF family, possesses a significant therapeutic effect on this disease. However, its potential mechanism remains unclear due to lack of systematic and effective research method. An integrated nuclear magnetic resonance (NMR) technique with in-vivo injection of 13C-labeled substrate not only largely increases the detection sensitivity of 13C signals, but also gives information related to specific metabolic pathways by tracking the changes in pattern and abundance of labeled metabolites. In the present project, we attempt to analyze the regulation effect of FGF21 on specific metabolic pathways (e.g. energy metabolism, gluconeogenesis, etc.) in different brain regions (e.g. hippocampus, striatum, etc.) of diabetic rats with cognitive decline using this technique in combination with labeled acetate and lactate, and thereby elucidate the potential therapeutic effect and mechanism of FGF21 on cognitive impairment in diabetic rats. Take it for an example, the present project aims at systematically developing an integrated NMR technique with in-vivo injection of 13C-labeled substrate for providing a referenceable experimental protocol and research method for the investigation of pharmacological mechanism of other drugs.

认知功能障碍是糖尿病患者中枢神经系统的严重并发症。我们最近发表的工作表明该病与神经元和胶质细胞间代谢互作关系的紊乱以及糖异生作用的增强密切相关，且作为成纤维细胞生长因子家族中新成员的FGF21对其有明显的治疗作用。但由于缺乏系统有效的研究方法，潜在的作用机制还不明确。活体注射13C标记底物的NMR技术大大提高了13C的检测灵敏度，通过示踪代谢物的标记模式和标记丰度变化，可以给出特定代谢途径的信息。本项目拟运用这一技术，借助13C标记乳酸和醋酸，分析FGF21对认知功能障碍的糖尿病大鼠海马、纹状体等不同脑区中的能量代谢、糖异生等特定代谢途径的调控作用，从而阐述FGF21对糖尿病大鼠认知功能障碍的潜在治疗作用及其机制。以此为例，建立一套系统的活体注射13C标记底物的NMR技术，为该技术运用于其它药物药理机制研究提供可参考的实验方法和研究思路。

认知功能障碍是糖尿病患者面临的并发症之一。FGF21是成纤维细胞生长因子家族中的成员，很多研究报道FGF21具有降糖降脂的功效，从而对糖尿病具有改善作用，但是对糖尿病认知功能障碍是否有治疗作用及其潜在机制尚不明确。本课题首先考察侧脑室单次注射FGF21对糖尿病认知功能障碍是否具有改善作用，然后运用活体注射13C 标记底物的NMR代谢组学技术探索其潜在的代谢机制。研究结果显示侧脑室单次给予FGF21能够有效地改善糖尿病导致的认知功能障碍。运用NMR代谢组学技术揭示了糖尿病认知功能障碍的发生可能与脑区特异性代谢紊乱有关，涉及的代谢通路包括能量代谢、神经递质代谢、细胞膜代谢等等。采用活体注射13C标记底物的技术我们发现FGF21可以加速脑中葡萄糖清除能力，使得脑中葡萄糖更多地进入三羧酸循环并代谢为神经递质，通过分子生物学实验验证了FGF21可以增强糖尿病大鼠脑中胰岛素信号通路。另外，脑中葡萄糖清除率增加有效地抑制高糖引起的神经元凋亡，从而改善认知功能。本课题研究成果为FGF21治疗糖尿病认知功能障碍提供了理论依据和方法参考。另外，建立了一种基于活体注射13C标记底物的NMR分析技术研究药物药理代谢机制，为今后药理机制的研究提供新的方法。