运动训练增强D-半乳糖诱导衰老大鼠Sirt1信号传导并减轻心脏炎症

摘要

介绍

衰老是一个身体和功能能力下降的恶化过程。老龄化增加了糖尿病（DM）、心血管疾病（CVD）和肌肉减少症的风险，尤其是在长期炎症和对氧化应激反应弱的人群中。如骨骼肌所示，衰老过程与线粒体中氧化磷酸化和呼吸的生化途径减弱有关[1-三]. 在衰老过程中，线粒体功能的逐渐恶化导致氧化应激的积累，导致衰老，并调节寿命相关蛋白（如SIRT1）的水平[4,5].

SIRT1是一种氧化还原敏感酶，调节各种细胞事件，包括凋亡、细胞存活、内分泌信号、染色质重塑和基因转录[6]. SIRT1的激活通过其下游蛋白过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅活化子1-α（PGC-1α）增强线粒体的生物生成，从而补充代谢信号通路并抑制炎症信号[7,8]. PGC-1α是几种转录因子和核受体的强转录共激活剂，它特异性地控制代谢途径，特别是氧化代谢。PGC-1α的主要作用之一是线粒体的生物生成和相关的氧化磷酸化。

通过增强PGC-1α的表达，可以增加肌肉、心脏和脂肪组织中线粒体的生物生成和氧化磷酸化[9-12]. 同样值得注意的是，虽然运动训练通常通过提供抗氧化益处来防止老化诱导的线粒体蛋白减少和相关的细胞凋亡，但PGC-1α基因敲除小鼠在运动后没有表现出抗氧化作用[13-15]. 同样，已知急性运动训练可触发二聚体转录因子-核因子-κB（NFκB）的激活。NFκB被各种刺激物激活，包括TNF-α。TNF-α受体的激活触发IκB激酶（IKK）磷酸化IκB，从而导致NFκB复合体P50/P65亚单位的释放，使NFκ子B核移位[16,17]. 虽然大多数研究阐明了骨骼肌中的这些事件，但运动训练对衰老心脏长寿机制的长期影响尚不清楚。

长期D-半乳糖IP注射用于生成衰老研究的动物模型，并重现与衰老相关的氧化应激[18-21]. 本研究探讨了长期运动对D-半乳糖诱导的SD大鼠衰老的心脏效应。

结果

运动对老年心脏组织学变化的影响

游泳运动8周后，切除心脏，用H&E染色分析运动训练对组织学变化的影响。与对照组（C）和衰老组（A）相比，衰老大鼠组（A）的心脏组织切片显示心肌变薄，但运动训练大鼠（E和AE）的心室壁变厚，表现出生理性肥大现象。进一步分析表明，D-半乳糖诱导的衰老导致心脏结构严重紊乱。衰老组心肌细胞紊乱，间质间隙大(图1). 相反，在进行游泳运动（E和AE）的组中，心肌细胞排列有序。

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图1

苏木精伊红染色（H&E染色）显示心脏组织结构。苏木精和伊红染色的左心室心肌切片的典型组织病理学分析。苏木精将嗜碱性结构染成蓝紫色，而曙红将嗜酸性结构染成亮粉红色。心肌结构图像放大400倍。

运动训练抑制衰老心脏炎症介质

western blotting分析用于评估游泳运动对炎症相关蛋白的影响，结果表明，对照大鼠（C）和运动训练大鼠（E）心脏TNF-R、TNF-α、iNOS和COX-2蛋白的表达无显著差异(图2). 正如预期的那样，与对照组（C）相比，D-半乳糖诱导的衰老大鼠（A）的TNF-R、TNF-α、pNFκB和COX-2水平显著升高。有趣的是，运动训练显著降低了衰老大鼠的炎症标记物水平。值得注意的是，与对照组相比，D-半乳糖诱导衰老大鼠心脏中COX-2的表达是2.25倍，而那些接受游泳运动的衰老大鼠仅是对照组的1.33倍。

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图2

运动训练对TNF-α相关炎症途径的影响。(一)典型的Western blot显示从离体心脏左心室提取的TNF-R、TNF-α、iNOS、p-NFκB和COX-2蛋白产物(B类)α-微管蛋白用作内部对照。(C类)密度计条显示了以平均值±SEM表示的相对蛋白质水平。*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001与对照组相比存在显著差异#与年龄组相比，P<0.05，##P<0.01，###P<0.001存在显著差异。

运动训练可延长寿命

对AMPK及其下游细胞寿命相关蛋白水平的分析表明，正常大鼠的运动训练提高了pFOXO3a、pFOXO3a、(图3). 同时，衰老大鼠的pFOXO3a和pAMPKα1水平进一步升高，SIRT1、PGC-1α、PPARα和SOD1水平降低，但运动训练导致pFOXO3a、SIRT1和PGC-1β水平逆转，与衰老组相比，pAMPKα1、PPARβ和SOD1.水平无显著差异。

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图3

运动训练对APK相关细胞稳态的影响。(一)代表性的Western blot显示了从切除心脏左心室提取的p-FOXO1、FOXO3a、p-FOXO3a、p-AMPKα1、AMPKβ1、SIRT1、PGC-1α、PPARα和SOD-1水平的调节。α-微管蛋白用作内部对照。(B类)密度分析显示蛋白质水平的相对变化，用平均值±SEM表示。*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001与对照组相比存在显著差异#与年龄组相比，P<0.05，##P<0.01，###P<0.001存在显著差异。

讨论

以前的研究表明，高血压、肥胖和糖尿病等各种疾病都会导致大鼠心脏异常。与这些条件相关的炎症反应引发心脏肥大和细胞凋亡，继而导致心脏功能障碍。已经证明，有几种替代策略可以针对各种病理状况提供心脏保护[22-29]. 众所周知，运动训练可以在缺血再灌注损伤等情况下提供心脏保护[30,31].

D-半乳糖诱导衰老大鼠的生化和生理变化包括衰老增加、氧化应激、线粒体功能障碍和心脏凋亡，因此该模型非常符合自然衰老动物模型[32]. 我们的结果还表明，老龄组的整个心脏重量增加了6%，左心室重量增加了9%。增加整个心脏和左心室重量是高血压、肥胖和衰老等情况下与肥大相关的常见现象[33-35]. 因此，D-半乳糖诱导的心脏老化可能是心肌病的潜在危险因素。据Boyne等人2013年的报告，运动训练还可以改善心肌病患者的心脏功能[36]. 此外，在心肌梗死动物模型中观察到的左心室重量比的降低被发现在心脏功能和心脏重塑恶化方面得到改善。运动的效果也与慢性心力衰竭动物模型中炎症状况的改善有关[37]. 运动训练具有抗炎作用，这可以从上调NFκB表达和内皮血管舒张中推断出来[38]. 我们的结果表明，TNF-α、NFκB、，COX-2和iNOS在衰老组中稳定增加，但在运动训练组中有效恢复，因此可以解释为运动训练可以潜在地调节和维持炎症和氧化应激方面的细胞内环境平衡(图4) [39]. 有趣的是，当结合长期运动训练时，在D-半乳糖诱导的衰老中观察到p-NFκB的代偿性表达。可能的原因可能是由于运动训练的时间和频率的变化[40].

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图4

运动可以增强代谢适应能力，减轻衰老心脏的炎症反应。长期运动训练可增强衰老心脏的SIRT1、PGC-1α和AMPK，从而保护其免受衰老相关损伤。

SIRT1是一种脱乙酰酶，参与肌肉组织对耐力运动的代谢适应，可能是由于肌肉收缩引起的细胞溶质NAD+/NADH比率失衡所致[41]. SIRT1水平的增加促进了肌肉的代谢适应[42]并通过各种机制调节与年龄相关的变化，包括通过PGC-1α的脱乙酰化和活化增强线粒体的生物生成，包含氧化应激和通过FOXO家族蛋白的活化促进生存信号，减少细胞凋亡和增殖，减轻衰老的促炎症反应[43-45]. 运动也会加剧心肌收缩，这可能促进SIRT1上调，我们的结果也与运动训练与SIRT1水平升高相关。

衰老与压力增加有关，如活性氧水平升高和炎症，这些都会有效地触发细胞死亡，从而导致心肌细胞排列紊乱，导致心肌效率降低[46]. 本研究进行的组织学评估表明，运动训练改善了心肌细胞的排列，反映了心脏功能的改善。

在氧化应激条件下，存在于细胞核中的FOXO3a诱导炎症蛋白的表达。脱乙酰酶SIRT1去除FOXO3a上的乙酰基并减弱其功能，从而保护细胞并稳定核DNA[47]. 本研究中观察到的D-半乳糖诱导的衰老大鼠FOXO3a水平升高通过运动训练而降低，运动训练与SIRT1水平升高相关，SIRT1可能有助于心脏细胞中的脱乙酰酶活性。

运动能量消耗通常通过AMPK非依赖性途径进行葡萄糖转运。在我们的结果中，AMPK在进行运动训练的正常大鼠中表达较高，但有趣的是，p-AMPK水平在衰老大鼠中较高，并且在进行运动锻炼的衰老大鼠体内进一步增加。结果表明，D-半乳糖诱导的衰老大鼠心脏存在能量需求，运动训练后AMPK非依赖性通路未受到调节。AMPK是一种能量传感器，由于它也增加细胞内NAD+水平，其活性与SIRT1增强相关[48]. 然而，由于SIRT1也可以激活主要的AMPK激酶LKB-1，因此它也被确定为AMPK的上游激活物。因此，在某些条件下，运动的影响是通过LKB1/AKT激活介导的，在某些情况下，它们是通过SIRT1诱导的去乙酰化介导的。在本研究中，尽管AMPK和SIRT1水平存在相关性，但老龄组中的活性pAMPK水平似乎独立于SIRT1的水平。因此，我们的结果还表明，尽管AMPK和SIRT1水平通常是相互依赖的[49]他们在某些条件下是独立的，例如老化。

总之，我们的结果表明，长期游泳运动可以增强衰老大鼠心肌细胞中的SIRT1、PGC-1α和AMPK，从而促进心脏的代谢适应，减弱促炎介质的激活，共同改善衰老诱导的肥厚效应。

材料和方法

脚注

参考文献