Effect of Pomelo crude extract (Thong Dee cultivar) on insulin resistance and cognitive impairment in type 2 diabetic rats
Keywords:
type 2 diabetes mellitus, pomelo crude extract, insulin resistance, cerebral blood perfusion, cognitive impairmentAbstract
บทคัดย่อ
ส้มโอมีสารพฤกษเคมีที่สำคัญโดยเฉพาะสารในกลุ่มฟลาโวนอยด์ ซึ่งมีฤทธิ์ต้านอนุมูลอิสระ ต้านการอักเสบ แต่ในปัจจุบันยังไม่พบการศึกษาเกี่ยวกับฤทธิ์ของสารสกัดจากส้มโอในการป้องกันหรือฟื้นฟูความบกพร่องด้านการเรียนรู้และความจำในภาวะเบาหวานชนิด 2 ดังนั้น การศึกษาในครั้งนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาฤทธิ์ของสารสกัดหยาบจากส้มโอต่อภาวะดื้อต่ออินซูลิน การเรียนรู้และความจำในหนูเบาหวานชนิด 2 โดยทำการศึกษาในหนูขาว Sprague Dawley เพศผู้ (น้ำหนักตัว 150-180 กรัม) แบ่งหนูเป็น 3 กลุ่มและแบ่งอย่างสุ่ม ได้แก่ หนูควบคุมปกติ (Control) และหนูเบาหวาน ชนิด 2 ทั้งที่ได้รับและไม่ได้รับการป้อนด้วยสารสกัดหยาบจากส้มโอ (DM2-PM และ DM2 ตามลำดับ) การเหนี่ยวนำหนูให้เป็นเบาหวานชนิด 2 โดยป้อนอาหารไขมันสูง (ไขมัน 40%, 5,085 กิโลกรัม-แคลอรี) เป็นเวลา 3 สัปดาห์ จากนั้นฉีดสารสเตร็ปโตโซโตซินขนาดต่ำ 30 mg/kg BW) เข้าทางหลอดเลือดดำ ป้อนสารสกัดหยาบจากส้มโอ (PM)ขนาด 200 mg/kg BW แก่หนูเบาหวานเป็นเวลา 12 สัปดาห์พารามิเตอร์ที่ใช้ศึกษา ได้แก่ 1) พารามิเตอร์ทางเมตาบอลิก ได้แก่ ระดับกลูโคส (blood glucose; BG) คอเลสเตอรอล (cholesterol; CHOL) ไตรกลีเซอร์ไรด์(triglyceride; TG) และค่าฮีโมโกลบิน เอวันซี (hemoglobin A1C: HbA1C) ในเลือด วิเคราะห์ระดับอินซูลินในเซรั่ม(S. insulin) ทดสอบ Oral Glucose Tolerance Test (OGTT) และคำนวณดัชนีบ่งชี้ภาวะดื้อต่ออินซูลิน (HOMA-IR) 2) ค่าอัตราการไหลเวียนเลือดที่สมอง (cerebral blood perfusion; CBP) 3) ระยะเวลาที่บ่งชี้ความสามารถในการเรียนรู้และความจำ โดยใช้วิธี Morris water maze (MWM) test โดยการหาระยะเวลา escape latency (EL) ซึ่งเป็นดัชนีบ่งชี้ความสามารถในการเรียนรู้ และ total time spent in platform area (TTSP) เป็นดัชนีบ่งชี้ด้านความจำเมื่อเปรียบเทียบกับหนูกลุ่ม Control พบว่าหนู DM2 มีระดับ BG, HbA1C, CHOL, TG ในเลือดและค่า S. insulin สูงกว่า ขณะที่ค่า CBP ต่ำกว่า เมื่อคำนวณค่า HOMA-IR ได้ผลว่าหนูกลุ่ม DM2 มีภาวะดื้อต่ออินซูลิน เมื่อทดสอบ MWM test พบว่าหนู DM2 มีระยะเวลา EL ที่ยาวและ TTSP ที่สั้นกว่าหนู control บ่งชี้ว่ามีความสามารถ ในการเรียนรู้และความจำที่ต่ำกว่ากลุ่ม Control ขณะที่หนูกลุ่ม DM2-PM พบมีค่าทางเมตาบอลิกที่ลดลงทั้ง BG,CHOL, TG รวมทั้ง S. insulin และดัชนี HOMA-IR ต่ำกว่าค่าในกลุ่ม DM2 อย่างมีนัยสำคัญทางสถิติ ผลการทดสอบ MWM พบว่ามีระยะเวลา ของ EL ที่สั้น และ TTSP ที่ยาวกว่าหนู DM2 ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสารสกัดหยาบจากส้มโอ ที่ป้อนให้หนูเบาหวานอย่างต่อเนื่องเป็นเวลา 12 สัปดาห์ สามารถฟื้นฟูความบกพร่องทางด้านการเรียนรู้และความจำ ในหนูเบาหวานชนิด 2 ได้ โดยส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากการลดลงของภาวะดื้อต่ออินซูลิน การเพิ่มขึ้นของอัตราการไหลเวียนเลือดที่สมอง และจากฤทธิ์ในการลดระดับน้ำตาลและไขมันในเลือด
Abstract
One of the most important chemical compositions of Pomelo crude extract is flavonoids which are classified as strong anti-oxidant and anti-inflammatory activities. However, the effect of Pomelo crude extract on cognitive impairment in type 2 diabetes has not been investigated. Therefore, the present study aims to examine effects of Pomelo crude extract (PM) on insulin resistance and cognitive impairment in type 2 diabetes (DM2) rat model. Male Sprague-Dawley rats (150-180 grams) were randomly divided into three groups: normal control (Control), type 2 diabetes with PM (DM2-PM) and type 2 diabetes without PM (DM2) supplementation. Type 2 diabetes was induced in rats by feeding high fat diet (40.0% fat with 5,085 kcal/kg diet) for consecutive three weeks followed by an I.V. injection of low dose streptozotocin (30 mg/kg BW). Daily gavage feeding of PM with 200 mg/kg BW was performed for 12 weeks. The effect of PM was studied on 1) metabolic changes; blood glucose (BG), hemoglobin A1C (HbA1C) blood cholesterol (CHOL), triglyceride (TG), serum insulin (S. insulin), Oral Glucose Tolerance Test (OGTT) and calculated HOMA-IR (insulin resistance index), 2) cerebral blood perfusion (CBP) and 3) cognitive performance. Morris water maze test was used to evaluate cognitive performance. The elevated blood glucose, HbA1c, cholesterol, triglyceride were observed in DM2 rats. Our results showed that insulin resistance, as evaluated by an increasing in S. insulin and HOMA-IR were developed in HF fed and low dose of STZ induced DM2 rat model. Compared with control rats, DM2 rats had decline in CBP and cognitive performance in the Morris water maze test. Performance on Morris water maze test improved after PM supplementation in DM2-PM rats. PM not only reduced EL but also increased the TTSP in the target quadrant in DM2-PM rats compared to those of DM2 rats. In addition, as compared to DM2 rats, DM2-PM rats demonstrated a significant reduction in BG, CHOL, TG and S. insulin and HOMA-IR. Therefore, long-term Pomelo crude extract supplementation in type 2 diabetic rats could improve cognitive impairment through increased insulin sensitivity and increased in cerebral blood perfusion through its anti-hyperglycemia, and anti-dyslipidemia.
References
2. Bell RD, Zlokovic BV. Neurovascular mechanisms and blood-brain barrier disorder in Alzheimer’s disease. Acta Neuropathol 2009;118(1):103-13.
3. Weller RO, Massey A, Newman TA, et al. Cerebral amyloidangiopathy: amyloid beta accumulates in putative interstitial fluid drainage pathways in Alzheimer’s disease. Am J Pathol 1998 Sep;153(3):725-33.
4. Barbagallo M, Dominguez LJ. Type 2 diabetes mellitus and Alzheimer’s disease. World J Diabetes 2014 Dec 15;5(6):889-93.
5. Zhao L, Teter B, Morihara T, et al. Insulindegrading enzyme as a downstream target of insulin receptor signaling cascade: implications for Alzheimer’s disease intervention. J Neurosci 2004 Dec8;24(49):111-20.
6. Ho L, Qin W, Pompl PN, et al. Diet-induced insulin resistance promotes amyloidosis in a transgenic mouse model of Alzheimer’s disease. FASEB J 2004 May;18(7):902-4.
7. Diplock AT. Antioxidants and disease prevention. Mol Aspects Med 1994;5:293-76.
8. Willett WC. Diet and health: what should we eat?. Science 1994 Apr 22;264(5158):532-37.
9. Tanizawa H, Ohkawa Y, Takino Y, et al. Studies on natural antioxidants in citrus species. I. Determination of antioxidative activities of citrus fruits. Chem Pharm Bull
(Tokyo) 1992;40:1940-2.
10. Kawaii S, Tomono Y, Katase E, et al.Quantitation of flavonoid constituents in citrus fruits. J Agric Food Chem 1999:47;3565-71.
11. Theppakorn T, Chaiwong S. The evaluating Bioactive compounds and antioxidant capacity Pomelo Thong Dee cultivar in Thailand for Export. In: Burapha University,
Faculty of Science Proceeding, editor. The 35th Congress on Science and Technology of Thailand (STT 35); October
15-17 2009; Venue : The Tide Resort (Bangsaen Beach), Chonburi, Thailand /Organized by The Science Society of Thailand under the Patronage of His Majesty the King in Association with faculty of Science, Burapha University.
12. Sachdeva AK, Kuhad A, Chopra K.Naringin ameliorates memory deficits in experimental paradigm of Alzheimer’s disease by attenuating mitochondrial dysfunction. Pharmacol Biochem Behav 2014 Nov 6;127C:101-10.
13. Singleton. V. L, Joseph A. Rossi. Colorimetry of Total Phenolics with PhosphomolybdicPhosphotungstic Acid Reagents. Am J Enol Vitic 1965 January;16(1):144-58.
14. Guimarães R, Barros L, Barreira JC, et al. Targeting excessive free radicals with peels and juices of citrus fruits: grapefruit, lemon, lime and orange. Food Chem Toxicol 2010 Jan;48(1):99-106.
15. Jariyapongskul A, Areebambud C, Suksamrarn S, et al. Alpha-Mangostin attenuation of Hyperglycemia-induced ocular hypoperfusion and blood retinal barrier leakage in the early stage of type 2 diabetes rats. Biomed Res Int 2015; 785826. Published online 2015 Apr 9. doi: 10.1155/2015/785826.
16. Morris R. Developments of a water-maze procedure for studying spatial learning in the rat. J Neurosci Methods 1984 May;11(1):47-60.
17. Luchsinger JA. Type 2 diabetes and cognitive impairment: linking mechanisms. J Alzheimers Dis 2012;30 Suppl 2:S185-98. doi: 10.3233/JAD-2012-111433.
18. Janson J, Laedtke T, Parisi JE, et al. Increased risk of type 2 diabetes in Alzheimer disease. Diabetes 2004 Feb;V53:125-35.
19. Akter K, Lanza EA, Martin SA, et al. Diabetes mellitus and Alzheimer’s disease: shared pathology and treatment?. Br J Clin Pharmacol 2011;71:3:365-76.
20. Reed MJ, Meszaros K, Entes LJ, et al. A new rat model of type 2 diabetes: the fat-fed, streptozotocin-treated rat. Metabolism 2000;49(11):1390-94.
21. Wang HJ, Jin YX, Shen W, et al. Low dose streptozotocin (STZ) combined with high energy intake can effectively induce type 2 diabetes through altering the related gene expression. Asia Pac J Clin Nutr 2007;16(1):412-17.
22. Ming Zhang, Xiao-Yan Lv, Jing Li, et al. The Characterization of High-Fat Diet and Multiple Low-Dose Streptozotocin Induced Type 2 Diabetes Rat Model. Exp Diabetes Res 2009 Jan 4. doi: 10.1155/2008/704045.
23. Søs Skovsø. Modeling type 2 diabetes in rats using high fat diet and streptozotocin. J Diabetes Investig 2014 Jul;5(4):349-58.doi: 10.1111/jdi.12235.
24. Pichaiyongvongdee S, Haruenkit R. Investigation of Limonoids, Flavanones, Total Polyphenol Content and Antioxidant Activity in Seven Thai Pummelo Cultivars.
Kasetsart J (Nat. Sci.) 2009;43:458-66.
25. Sachdeva AK, Kuhad A, Chopra K. Naringin ameliorates memory deficits in experimental paradigm of Alzheimer’s disease by attenuating mitochondrial dysfunction. Pharmacol Biochem Behav 2014 Dec 6;127:101-10.
26. Jariyapongskul A. Complete research report. Research grant from,Thailand Science Research and Innovation (TSRI) Project code RDG5420040-2555. Effect of Pomelo juice extract on cerebral blood flow and cerebral endothelial function in streptozotocin-induced diabetic rats.
27. Mateusz Maciejczyk, Ewa Zebrowska,Adrian Chabowski. Insulin Resistance and Oxidative Stress in the Brain: What’s New?.Int J Mol Sci 2019;20(4):874.doi; 10.3390/
jims20040874.
28. Farris W, Mansourian S, Chang Y, et al. insulin, amyloid β-protein, and the β-amyloid precursor protein intracellular domain in vivo. PNAS 2003;100 (7): 4162-7.
29. Goedert M, Spillantini MG, Crowther RA. Tau proteins and neurofibrillary degeneration. Brain Pathol 1991;1:279-86.
