组合应用基于1H NMR的代谢组学和13C标记底物的13C NMR方法研究糖尿病脑病的代谢机制

糖尿病并发症是糖尿病致残和致死的主要原因，由于缺乏系统的研究方法，其代谢机制至今还不清楚。基于核磁共振1H谱(1H NMR)的代谢组学是研究糖尿病及其并发症整体代谢通路的重要手段，活体动物注射13C标记底物的13C NMR可以提供代谢途径变化的细节信息。申请人前期在青年基金的资助下，借助基于1H NMR的代谢组学发现了与糖尿病及其并发症相关的代谢调控通路变化。本项目拟在我们已有的较好的研究基础上，建立组合应用基于1H NMR的代谢组学和13C标记底物的13C NMR方法，研究糖尿病脑病发生发展过程中脑代谢的变化，分析该病对大脑整体代谢的影响，以及对糖酵解、丙酮酸羧化等特定代谢途径的改变，阐述脑中胶质细胞和神经元间的神经递质代谢循环。本项目实现了整体代谢通路与特定代谢途径研究间的互补与统一，为糖尿病并发症的发病机制和发展演化研究探索新方法，同时也为其它疾病的病理生理学研究提供新的研究思路。

糖尿病脑病是严重的糖尿病微血管并发症之一，主要表现为认知功能障碍和神经生理功能的缺失。然而，糖尿病引起脑损伤的发病机理以及潜在的代谢机制尚未明确。因此，研究糖尿病脑病发展演化过程中的代谢变化对糖尿病脑病的预防、诊断和治疗都具有重要意义。核磁共振波谱(MRS)是目前少数可以用作活体无损伤的检测细胞水平代谢变化的非侵入性技术，对了解多种疾病的病理生理变化以及早期诊断都具有极其重要的应用价值。.本项目组合应用基于1H NMR的代谢组学和活体注射13C标记底物的13C NMR方法研究了1型糖尿病大鼠发病不同时期的血清和脑组织代谢变化以及db/db小鼠糖尿病脑病的代谢机制。结果表明，血清中主要代谢物，如丙酮酸、乳酸、柠檬酸等的浓度显著改变并在糖尿病发展演变过程中呈现规律性变化，这表明糖尿病演变过程中所涉及的体液循环有糖酵解、三羧酸循环、脂肪酸β氧化、和支链脂肪酸代谢等。1型糖尿病大鼠早期阶段脑中代谢物含量未发生显著性改变，这与胶质细胞线粒体代谢增强以支持Glu能和GABA能神经元功能正常进行有关。此外，丙酮酸再生途径增强，生成的丙酮酸以乳酸形式提供给神经元作为能量底物进入三羧酸循环。但随着糖尿病发展至15周，脑中大部分代谢物发生了显著变化，丙酮酸再生途径减弱，Gln-Glu循环紊乱，胶质细胞和神经元代谢平衡打破。Db/db小鼠海马内能量代谢和递质代谢均出现明显紊乱。活体注射13C稳态同位素标记底物([3-13C]乳酸和[2-13C]醋酸)的13C NMR方法表明，db/db小鼠大脑对外源性的乳酸利用增加，神经元供能可能发生障碍，而对胶质细胞代谢底物醋酸的利用降低，表明2型糖尿病状态下胶质细胞活性减弱，进一步验证了Gln-Glu循环介导的胶质细胞和神经元两大代谢区间发生递质传递障碍和能量代谢紊乱。.通过本项目实施，成功地建立了组合应用基于1H NMR 的代谢组学和13C 标记底物的13C NMR方法，研究糖尿病脑病发生发展中脑代谢的变化，分析该病对大脑整体代谢的影响，以及对糖酵解、丙酮酸羧化等特定代谢途径的改变，阐述脑中胶质细胞和神经元间的神经递质代谢循环。本项目实现了整体代谢通路与特定代谢途径研究间的互补与统一，为糖尿病并发症的发病机制和发展演化研究探索新方法，同时也为其它疾病的病理生理学研究提供新的研究思路。