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    持久性有機(jī)污染物與糖尿病

    2012-04-03 03:21:14閆秀峰
    醫(yī)學(xué)研究雜志 2012年2期
    關(guān)鍵詞:多氯聯(lián)苯抵抗受體

    倪 青 閆秀峰 姜 山

    持久性有機(jī)污染物(persistent organic pollutants,POPs)是指能夠通過(guò)各種環(huán)境介質(zhì)(大氣、水、生物體等)長(zhǎng)距離遷移并長(zhǎng)期存在于環(huán)境中,具有生物蓄積性和高毒性,嚴(yán)重危害環(huán)境和人類健康的天然或人工合成的有機(jī)污染物質(zhì)。2001年5月22日,在聯(lián)合國(guó)規(guī)劃署(UNEP)的組織和倡導(dǎo)下,多國(guó)政府派代表在瑞典斯德哥爾摩簽署了關(guān)于研究和控制POPs的斯德哥爾摩公約,從此拉開(kāi)了人類向POPs宣戰(zhàn)的序幕。截至2008年底,已有180多個(gè)國(guó)家成為該項(xiàng)公約的參與者[1]。早已有研究證實(shí),POPs中有多種物質(zhì)都是潛在的內(nèi)分泌干擾物質(zhì)(endocrine disrupting chemicals,EDC),有些能夠模擬雌激素與雌激素受體結(jié)合,發(fā)揮類雌激素樣作用,有些則表現(xiàn)為對(duì)雄激素的破壞作用,從而造成生殖和發(fā)育障礙。

    而近些年來(lái),隨著以糖尿病為代表的代謝紊亂性疾病發(fā)病率的急劇上升,人們開(kāi)始更多地關(guān)注POPs在代謝方面的生態(tài)毒性[2]。POPs現(xiàn)已被認(rèn)為是兒童1型糖尿病的誘發(fā)因素之一,多個(gè)橫向研究結(jié)果已顯示出POPs與2型糖尿病之間的相關(guān)性[3,4]。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為,POPs可引發(fā)糖尿病、肥胖、胰島素抵抗、高脂血癥、代謝綜合征等疾病。防治POPs污染至關(guān)重要,刻不容緩?,F(xiàn)結(jié)合近年來(lái)相關(guān)文獻(xiàn),對(duì)POPs對(duì)糖尿病發(fā)病影響綜述如下。

    POPs是能夠抵抗環(huán)境對(duì)其通過(guò)化學(xué),生物和光降解過(guò)程的有機(jī)物。正由于這個(gè)原因,POPs得以持續(xù)存在于環(huán)境中,能夠遠(yuǎn)距離遷移,蓄積在人體和動(dòng)物組織,在食物鏈中傳播,并有對(duì)人類健康和環(huán)境產(chǎn)生重大影響。POPs的來(lái)源主要是人類制造的殺蟲(chóng)劑和工業(yè)化學(xué)產(chǎn)品,自然界中固有的 POPs是很少的[5]。經(jīng)典的POPs有12種,即1995年聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃理事會(huì)所謂的“dirty dozen(骯臟的一打)”,包括aldrin(艾氏劑),chlordane(氯丹),DDT(滴滴涕),dieldrin(狄氏劑),endrin(異狄氏劑),heptachlor(七氯),hexachlorobenzene(六氯代苯),mirex(滅蟻靈),polychlorinated biphenyls(多氯聯(lián)苯),polychlorinated dibenzo-p-dioxins(多氯二苯并-p-二英),polychlorinated dibenzofurans(多氯代二苯并呋喃),和toxaphene(毒殺芬)等[6]。隨后,在近年的更新中納入了更多種類,包括致癌多環(huán)芳烴(carcinogenic polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)、及某些溴化阻燃劑(brominated flame-retardants),以及一些如三丁基錫(tributyltin,TBT)的有機(jī)金屬化合物(organometallic compounds),目前已達(dá)26類,其中,殺蟲(chóng)劑14類,農(nóng)業(yè)化學(xué)或副產(chǎn)品12類[7]。

    一、POPs的特性及分類

    國(guó)際持久性有機(jī)污染物審查委員會(huì)(POPPC)在考慮將一種化學(xué)品列入斯德哥爾摩公約的POPs控制名單時(shí),要求其必須具備以下特性:持久性,生物富集性,遠(yuǎn)程傳播性高毒性。

    首批列入斯德哥爾摩公約控制名單的POPs包括3大類12種化學(xué)物質(zhì):第1類是有機(jī)氯農(nóng)藥,它們分別是艾氏劑(aldrin)、氯丹(chlordane)、滴滴涕(DDT)、狄氏劑(dieldrin)、異狄氏劑(endrin)、七氯(heptachlor)、六氯苯(HCB)、滅蟻靈(mirex)、毒殺芬(toxaphene)等;第2類是工業(yè)化學(xué)品,主要是多氯聯(lián)苯(polychlorinated biphenyls,PCBs);第3類是副產(chǎn)物,主要是二英(polychlorinated dibenzo-p-dioxins,PCDDs)、呋喃(polychlorinated dibenzofurans,PCDFs),它們是化工產(chǎn)品的雜質(zhì)衍生物和含氯廢物焚燒所產(chǎn)生的次生污染物。隨著POPs相關(guān)研究的深入,近年來(lái)不斷有新物質(zhì)增列入公約名單當(dāng)中[1]。

    二、POPs與糖尿病發(fā)病

    目前,多項(xiàng)研究表明,POPs對(duì)糖尿病及其相關(guān)問(wèn)題(如代謝綜合征、高血壓等)或pre-diabetes的發(fā)生和發(fā)展具有一定的影響(圖1)。

    圖1 糖尿病發(fā)病新學(xué)說(shuō)

    1.POPs通過(guò)影響體重調(diào)節(jié)和胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄,引起體重增加和肥胖從而誘發(fā)糖尿病:Jan等[8]研究發(fā)現(xiàn),POPs暴露組可以明顯觀察到:①較早出現(xiàn)的青春期;②升高男/女性別比例;③在5個(gè)月年齡增加體重。這均提示POPs對(duì)基因調(diào)控有一定的不良作用。全基因組轉(zhuǎn)錄基因功能分析確定的基因網(wǎng)絡(luò),其中的體重穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)者雌二醇(PPARs,glucocoricoids,CEBPs),類固醇激素雌二醇(glucocoricoids,NCOA3)的功能和胰島素信號(hào)(HNF4A,CEBPs,PPARG)占據(jù)中心位置。研究中觀察到的體重增加與胰島素信號(hào)相關(guān)的基因表達(dá)調(diào)控并存。這一結(jié)果表明,環(huán)境污染影響內(nèi)分泌代謝調(diào)控,可能導(dǎo)致體重增加和肥胖。Lee等[9]研究了8種有機(jī)氯農(nóng)藥,多氯聯(lián)苯22(多氯聯(lián)苯)聯(lián)苯同類物,1多溴聯(lián)苯(PBB)等POPs是否能夠在年輕人冠狀動(dòng)脈風(fēng)險(xiǎn)研究[the coronary artery risk development in young adults(CARDIA)cohort]的隊(duì)列人群中可預(yù)示2型糖尿病發(fā)病。POPs暴露可能會(huì)增加患糖尿病的風(fēng)險(xiǎn),其機(jī)制是通過(guò)引起內(nèi)分泌紊亂和肥胖進(jìn)而導(dǎo)致糖尿病的發(fā)生。

    2.POPs通過(guò)多種細(xì)胞因子途徑引起糖尿病和高血壓:Charles等[10]研究發(fā)現(xiàn),糖尿病和高血壓的發(fā)病率和病死率與包括暴露于諸如聚氯聯(lián)苯(PCB)等POPs有關(guān)。研究表明血清的多氯聯(lián)苯水平與代謝綜合征、胰島素敏感性及胰島素分泌的關(guān)聯(lián)。其發(fā)生機(jī)制為:在動(dòng)物和人類細(xì)胞的研究,各種多氯聯(lián)苯和二英出現(xiàn)改變了血糖和胰島素的代謝。這些研究明確顯示在葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體(GLUT-4)基因和蛋白質(zhì)水平上進(jìn)行影響,以及在胰島素樣生長(zhǎng)因子結(jié)合蛋白-1(IGFBP-1),核轉(zhuǎn)錄因子κB(NF-κB),腫瘤壞死因子-α(TNF-α);和胰島素的生產(chǎn)方面造成影響。Shu等[11]研究也表明,負(fù)擔(dān)了多氯聯(lián)苯和二英的禹城婦女,糖尿病的發(fā)病率增加。

    3.POPs導(dǎo)致的肥胖、血脂異常和胰島素抵抗,是2型糖尿病和心血管疾病共同發(fā)病基礎(chǔ):Lee等[12]對(duì)90例糖尿病和對(duì)照組做了20年隨訪。他們是一對(duì)分層隨機(jī)抽樣,超重和肥胖者較多。在1987~1988年度(第2年)血清檢測(cè)出POPs包括8種有機(jī)氯(超頻)農(nóng)藥,22多氯化聯(lián)苯(PCB),1多溴聯(lián)苯(PBB)。在2005~2006年度(第20年)對(duì)這些人的身體質(zhì)量指數(shù)(BMI),甘油三酯,高密度脂蛋白膽固醇,低密度脂蛋白膽固醇和胰島素抵抗指數(shù)(HOMA-IR穩(wěn)態(tài)模型)等結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。發(fā)現(xiàn)同時(shí)暴露在總?cè)丝谥械母鞣NPOPs可能會(huì)導(dǎo)致肥胖,血脂異常及胰島素抵抗,2型糖尿病和心血管疾病的共同前體的發(fā)展。

    三、POPs與糖尿病發(fā)病機(jī)制

    各種POPs對(duì)糖尿病發(fā)病的影響機(jī)制十分復(fù)雜,目前尚不完全明確。一般而言,POPs物質(zhì)對(duì)人體造成的傷害,多不是某一種或某一族POPs單獨(dú)作用的結(jié)果,而是某幾族POPs相互協(xié)同作用的結(jié)果[5]。糖尿病是一組由遺傳和環(huán)境因素相互作用所致的臨床綜合征。胰島素分泌絕對(duì)或相對(duì)不足、組織或細(xì)胞對(duì)胰島素敏感性降低是導(dǎo)致糖尿病發(fā)病的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此,任何導(dǎo)致胰島β細(xì)胞分泌功能障礙或胰島素抵抗的POPs都會(huì)促進(jìn)糖尿病的發(fā)生和發(fā)展。

    1.POPs干擾胰島細(xì)胞分泌胰島素:已有分子生物學(xué)及病理學(xué)研究證據(jù)證明,雙酚A(BPA),鄰苯二甲酸鹽和二英等POPs可對(duì)胰島細(xì)胞功能造成干擾,從而導(dǎo)致胰島素的產(chǎn)生減少[6]。Jφrgensen等[13]通過(guò)對(duì)格陵蘭島的因紐特人成年生活的研究表明,POPs與胰島素濃度和β細(xì)胞功能穩(wěn)態(tài)模型評(píng)估有顯著的負(fù)相關(guān),但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與胰島素抵抗指標(biāo)的改變。作者認(rèn)為,POPs可能主要時(shí)通過(guò)影響胰島素的分泌,而不是在胰島素抵抗發(fā)病機(jī)制影響血糖。

    2.POPs引起胰島素抵抗:Jér?me Ruzzin等[14]通過(guò)研究認(rèn)為,POPs,特別是有機(jī)氯農(nóng)藥,導(dǎo)致胰島素功能的障礙。此外,POPs引起兩個(gè)主要調(diào)節(jié)脂質(zhì)平衡的胰島素誘導(dǎo)基因1(Insig-1)和Lpin1基因下調(diào)。暴露于POPs在食物鏈中目前常見(jiàn)的導(dǎo)致胰島素抵抗和相關(guān)的代謝紊亂。持久性有機(jī)污染物可能激活核受體,包括芳香烴受體(AhR),孕烷X受體(PXR的),雄甾構(gòu)受體(CAR)的,或未知的受體。POPs暴露可誘導(dǎo)的炎癥途徑,線粒體功能,脂質(zhì)氧化,脂肪生成有關(guān)的基因調(diào)控,從而促進(jìn)胰島素抵抗綜合征的發(fā)展,是胰島素抵抗綜合征的POPs暴露誘導(dǎo)發(fā)展的可能機(jī)制。

    (1)POPs細(xì)胞核受體途徑與基因調(diào)控:POPs的內(nèi)分泌毒性作用大多通過(guò)與細(xì)胞核受體結(jié)合,通過(guò)對(duì)核受體后通路的基因表達(dá)調(diào)控,模擬或干擾體內(nèi)各種激素的生理作用,對(duì)內(nèi)分泌和代謝過(guò)程造成影響。有研究表明,POPs可通過(guò)與芳香烴受體(AhR)、結(jié)構(gòu)性雄烷受體(CAR)及孕烷受體(PXR)等核受體結(jié)合,上調(diào)TLR5,ROCK2,CD14以及YWHAZ等基因的表達(dá),導(dǎo)致慢性低度炎癥的發(fā)生;下調(diào)過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子-1α(PGC1α)基因的表達(dá),從而使Lpin1基因表達(dá)下調(diào),間接導(dǎo)致線粒體功能減退,脂肪酸氧化受抑制;下調(diào)胰島素誘導(dǎo)基因-1 (Insig-1),繼而增加固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白-1c (SREBP-1c)及脂肪酸合成酶(FAS)的表達(dá),間接導(dǎo)致脂肪生成增多。而以上過(guò)程的共同結(jié)果正是胰島素抵抗的產(chǎn)生(圖2)[7]。

    圖2 POPs導(dǎo)致胰島素抵抗的核受體途徑

    核受體AhR是一種細(xì)胞內(nèi)的配體激活性轉(zhuǎn)錄因子,在哺乳動(dòng)物的大多數(shù)組織中均有其表達(dá)的存在[8]。有研究表明,四氯二苯并-p-二英(TCDD)與AhR受體結(jié)合后,可上調(diào)TNF-α的表達(dá),進(jìn)一步激活NF-κB,使葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-4(GLUT-4)的表達(dá)下調(diào)。GLUT-4是血糖調(diào)節(jié)中的重要蛋白質(zhì),它存在與肌肉和脂肪細(xì)胞中,在胰島素介導(dǎo)下,將葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)部加以利用和貯存,其缺失和減損可導(dǎo)致血糖調(diào)節(jié)障礙和胰島素抵抗[4]。

    (2)POPs使胰島素釋放增多:實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),多氯聯(lián)苯類化合物PCB47及PCB53可誘發(fā)大鼠胰島瘤細(xì)胞中胰島素的釋放,其部分機(jī)制為PCB導(dǎo)致的細(xì)胞內(nèi)游離鈣的增多。這種PCB刺激下的引起高胰島素血癥,可能是造成胰島素抵抗的原因之一[4]。

    四、檢測(cè)方法

    如何判斷一個(gè)人是否被POPs所侵害呢?臨床上,各種POPs可依據(jù)不同的化學(xué)成分可以采用不同的規(guī)范方法來(lái)進(jìn)行毒物檢測(cè),但均較復(fù)雜,尚無(wú)簡(jiǎn)單便捷的檢測(cè)方法,這里不羅列贅述。氣相色譜分析(gas chromatography,GC)是用氣體作為流動(dòng)相的色譜法分析方法,是檢測(cè)POPs的最常用方法,具有高選擇性、高分辨率、高靈敏度、良好的準(zhǔn)確度和精密度等優(yōu)點(diǎn)。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)是一種既可以定性確證又可以定量分析的簡(jiǎn)便測(cè)定方法,現(xiàn)已成為檢測(cè)痕跡量POPs的重要手段。近年來(lái),通過(guò)串聯(lián)放射性核素稀釋(ID)、高分辨率質(zhì)譜(HRMS)等技術(shù)可以進(jìn)一步改善GC-MS的選擇性和靈敏度,更有利于分析各種環(huán)境樣品中的POPs[15]。GC系統(tǒng)中的檢測(cè)器對(duì)POPs分析對(duì)象具有一定的選擇性,如電子捕獲檢測(cè)器(ECD)適用于分析PCBs[16]。國(guó)際上目前已制定了相應(yīng)規(guī)范,可以參閱相關(guān)網(wǎng)站[16,17]。文獻(xiàn)中有一些方法值得進(jìn)一步探討。

    1.使用高敏感氣體傳感器:有文獻(xiàn)報(bào)道使用持久性有機(jī)污染物氣體傳感器進(jìn)行檢測(cè),認(rèn)為較為簡(jiǎn)便。主要方法是采用多孔氧化錫納米結(jié)構(gòu)與特殊的三壁通過(guò)水熱法和退火工藝制備結(jié)構(gòu)作為氣敏材料。認(rèn)為能夠?qū)Π籽醯蔚翁?、滅蟻靈、磷的性能、p'-DDT和艾氏劑具有較好的監(jiān)測(cè)效果。此外,還發(fā)現(xiàn)能夠通過(guò)對(duì)目標(biāo)POPs利用氣體吸附和解吸動(dòng)力學(xué)曲線的影響加以鑒別。由于所提出的檢測(cè)方法是沒(méi)有復(fù)雜的操作簡(jiǎn)便,價(jià)格昂貴和笨重的文書(shū)的要求,預(yù)計(jì)這將是發(fā)展成為一個(gè)有前途的持久性有機(jī)污染物的檢測(cè)方法,從而顯示出其對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的意義[18]。

    2.利用半透膜裝置對(duì)河流進(jìn)行檢測(cè):當(dāng)放在水生環(huán)境中時(shí),半透膜(aemipermeablemembrane devices,SPMDs)疏水膜裝置被動(dòng)積累有機(jī)物。它們包括低密度聚乙烯(LDPE)膜與分子質(zhì)量脂質(zhì),三油酸甘油酯,不能透過(guò)膜擴(kuò)散。在低密度聚乙烯膜的模仿能力,使有機(jī)物選擇性滲透膜生物。部署期結(jié)束后,SPMDs是從流中檢索,透析,清理與凝膠滲透色譜和硅膠,并分析了用氣相色譜/質(zhì)譜法(GC/MS)或氣相色譜/電子捕獲(氣相色譜/ECD)的技術(shù)[19]。

    五、干預(yù)方法

    由于本問(wèn)題帶有全球的色彩,故而在具體的干預(yù)方法干預(yù)方法上,國(guó)際上目前主要是通過(guò)制定國(guó)際規(guī)范來(lái)推動(dòng)預(yù)防,理論上應(yīng)該是如何減少相關(guān)物質(zhì)的排放,可參考網(wǎng)站“處理技術(shù)報(bào)告”,畢竟作為清除毒物的治療有時(shí)顯得勢(shì)單力薄,防不勝防[20]。但目前醫(yī)學(xué)上有一些解毒劑,可以試用,國(guó)外有解毒食品添加劑(detox supplements)的做法,但目前僅限于臨床急性中毒時(shí)的解救,而尚無(wú)對(duì)這種情況的報(bào)道。文獻(xiàn)中并未直接提及藥物治療。

    六、研究前景

    目前,國(guó)際上對(duì)POPs的研究非常重視[21,22]。國(guó)際上有一些專門的組織,如Persistent Organic Pollutants Review Committee(POPRC),是POPs的審查委員會(huì)。還有一些國(guó)際共識(shí)和準(zhǔn)則,如美國(guó)International Environmental Law(CIEL)、國(guó)際POP Air Pollution Protocol、和Stockholm Convention on Persistent Organic Pollutants等。中國(guó)也做出了很大的努力,如中國(guó)資助的Partnership on persistent organic pollutants pesticidesmanagement for agricultural production in central asian countries(financed by the government of the people's republic of china)項(xiàng)目。另外,還有一些網(wǎng)站: http://www.epa.gov/oia/toxics/pop.html,美國(guó)環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)(The U.S.Environmental Protection Agency),以及IPEN機(jī)構(gòu)(The International POPs Elimination Network)。目前這方面仍是一個(gè)較新的領(lǐng)域,無(wú)論哪些方面,均有一定的探討價(jià)值。中藥解毒劑較多,如綠豆、甘草等,既可以廣泛種植,又可以個(gè)體化服用,但遺憾的是尚無(wú)在防治POPs方面研究的報(bào)道,有必要在此領(lǐng)域進(jìn)行研究,尤其是針對(duì)糖尿病的預(yù)防,具有較好的前景[23~25]。

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