基于质谱成像技术的糖尿病脑病生物标志物及其药物干预机制的研究

The aim of the project is to solve the key scientific problems related to the association between the changes of the content and spatial distribution of small molecule metabolites and diabetic encephalopathy, and the mechanism of astragaloside IV in preventing and treating diabetic encephalopathy by ultra high resolution mass spectrometry based air flow assisted ionization-mass spectrometric imaging (AFAI-MSI) technique. The comprehensive, dynamic, and in situ AFAI-MSI method will be developed to profile endogenous metabolites in rat brain tissues obtained from the diabetic encephalopathy model that established by feeding with high-fat and high-sucrose chow and inject a small amounts of streptozotocin intraperitoneally．Furthermore, the spatial distribution character and dynamic trends of a variety of metabolites will be investigated to find biomarkers closely associated with the occurrence, development, and drug intervention of diabetic encephalopathy and to reveal the metabolic mechanism for diabetic encephalopathy. In addition, the spatial distribution character of astragaloside IV and its main metabolites by targeted AFAI-MSI method, and then the pattern of interaction between drugs and endogenous metabolites will be explored to unveil the mechanism and material basis of astragaloside IV on prevention and treatment of diabetic encephalopathy. The implementation of this project is expected to provide new research strategies and techniques for the pathogenesis and drug development of diabetic encephalopathy, and provide important reference information for the diagnosis, prevention and treatment of diabetic encephalopathy.

本项目针对脑组织中小分子代谢物的含量及空间分布特征变化与糖尿病脑病的相关性以及黄芪甲苷防治糖尿病脑病的作用机制等关键科学问题，采用本课题组自主研制的新型敞开式离子化质谱成像技术（AFAI-MSI），以高糖、高脂饮食结合小剂量链脲佐菌素诱导的2型糖尿病脑病大鼠模型为研究对象，开展脑组织中各种内源性代谢物整体、动态及原位表征的质谱分析新方法研究。在此基础上，系统研究各种内源性代谢物在脑组织不同区域的分布特征和动态变化规律，获取与糖尿病脑病发生发展及药物防治密切相关的生物标志物，阐释糖尿病脑病发病的代谢调控机制。进一步采用靶向AFAI-MSI分析方法获取黄芪甲苷及其代谢物在脑组织的分布特征，探讨药物与内源性代谢物的相互作用规律，阐释黄芪甲苷防治糖尿病脑病的作用机制和物质基础。本项目的实施有望为糖尿病脑病发病机制和药物开发提供新的研究策略与技术手段，为糖尿病脑病的诊断、预防和治疗提供重要参考信息。

糖尿病脑病（DE）是糖尿病最严重的并发症之一，其特征在于认知功能障碍和神经结构的改变，其发病机制非常复杂，尚未完全阐明，并且缺乏有效的早期诊断方法和治疗药物。本项目基于空气动力辅助离子化-高分辨质谱成像技术，建立了一种适用于大鼠脑组织原位分析的空间分辨代谢组学方法，并用于研究DE模型大鼠脑组织区域特异性的代谢变化，旨在寻找与发现与DE密切相关的原位生物标志物。首先，本研究通过对影响脑组织中小分子代谢物原位检测的主要参数进行系统考察和优化，建立了一种适用于大鼠脑组织中内源性代谢物原位分析的灵敏度高、专属性强的AFADESI-MSI分析方法。该方法在正、负离子检测模式下可以在脑组织冰冻切片上分别检测到1158和1044个特征离子，并获得其空间分布特征。进而，采用上述方法对不同时期收集的高糖、高脂饮食结合小剂量链脲佐菌素诱导构建的DE模型大鼠脑组织冰冻切片中的代谢物进行了全面分析，获得了其原位代谢组信息。进一步构建了OPLS-DA多元统计分析模型对DE组和对照组大鼠脑组织不同区域的原位代谢组进行了系统比较和分析，发现并鉴定了19个与DE密切相关的差异代谢物，并首次同时获得了其在不同时期DE大鼠脑组织中的动态变化和空间分布信息。代谢通路分析结果表明这些代谢物的异常表达与糖酵解和磷酸戊糖通路活性增加，线粒体代谢功能障碍，腺苷酸、谷氨酸、多巴胺、胆碱和组胺等神经递质系统失调，渗透调节和抗氧化系统的紊乱以及脂质代谢紊乱密切相关。高剂量黄芪甲苷IV（100 mg/kg）连续灌胃给药12周可显著降低逃避潜伏期和上调脑组织p-AMPKα表达水平，并且大多数代谢物有恢复到正常水平的趋势，表明AST可以改善DE的学习记忆功能障碍，其机制可能与神经细胞的保护作用、抑制神经细胞凋亡、维持线粒体功能和能量稳态等有关。本项目为糖尿病脑病发病机制和药物开发提供新的研究策略与技术手段，为糖尿病脑病的诊断、预防和治疗提供重要参考信息。