鋁暴露對(duì)大鼠胰島結(jié)構(gòu)及功能的影響

韋 喜，韋 華，李 東，楊現(xiàn)莉，何明杰，吳標(biāo)良*

(1.右江民族醫(yī)學(xué)院，廣西百色 533000；2.右江民族醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，廣西百色 533000)

鋁元素(aluminum ,Al)是地殼中含量最豐富的金屬元素，隨著我國(guó)工業(yè)化的快速發(fā)展,人們接觸和攝入鋁的機(jī)會(huì)也在增多,生活中鋁可經(jīng)飲用水、食品、鋁制炊具經(jīng)由呼吸道、消化道及皮膚等多種途徑進(jìn)入機(jī)體，當(dāng)鋁的攝入超過了機(jī)體的排泄能力時(shí)便在機(jī)體內(nèi)滯留，通過細(xì)胞免疫、神經(jīng)內(nèi)分泌等機(jī)制致神經(jīng)、消化、泌尿、免疫系統(tǒng)的損傷,導(dǎo)致癡呆、貧血、骨質(zhì)疏松等疾病的發(fā)生[1-2]。臨床研究發(fā)現(xiàn)，血清鎘、鉻、鋅、硒、鐵、銅、鋁等多種金屬元素可影響機(jī)體糖代謝[3-4]，與糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[5]。廣西百色地區(qū)為中國(guó)鋁工業(yè)基地，我們前期研究發(fā)現(xiàn)本地區(qū)居民的糖代謝紊亂發(fā)生率明顯高于非高鋁地區(qū),長(zhǎng)期暴露于高鋁環(huán)境下可導(dǎo)致糖代謝紊亂和胰島素抵抗。但目前鋁引起代謝紊亂機(jī)制尚未明確，且關(guān)于鋁暴露對(duì)胰島及其功能的研究較少。本試驗(yàn)通過腹腔注射法，建立鋁暴露大鼠模型，通過對(duì)血糖、胰島素等的測(cè)定及胰腺組織形態(tài)學(xué)的觀察，旨在探討鋁暴露對(duì)大鼠胰島結(jié)構(gòu)及功能的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 無特定病原體雄性Wistar大鼠30只，體重180 g～225 g，購自右江民族醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心(動(dòng)物生產(chǎn)許可證號(hào)：SCXK桂2012-0003，使用許可證號(hào)：SYXK桂2011-0010)。飼養(yǎng)條件：室溫27℃，濕度50%，自由飲水及進(jìn)食。

1.1.2 主要試劑 六水氯化鋁(分析純，批號(hào)：T858030143)，購自廣州和為化工有限公司。

1.2 方法

1.2.1 分組及造模 采用隨機(jī)數(shù)字表法隨機(jī)將30只大鼠分為2組，即空白對(duì)照組(15只)和試驗(yàn)組(15只)。參照文獻(xiàn)[6]方法，試驗(yàn)組每天腹腔注射8 mg/kg AlCl3溶液(AlCl3溶液用蒸餾水配制并高壓滅菌)，對(duì)照組每天腹腔注射等體積生理鹽水(2 mL/只)。連續(xù)注射3 d后休息1 d，再繼續(xù)注射，全程共30 d。

1.2.2 生化指標(biāo)測(cè)定 建模結(jié)束后用70 mL/L水合氯醛(0.30 mL/100 g體重)腹腔注射麻醉，待大鼠麻醉后開胸腹主動(dòng)脈取血3 mL～4 mL,置于普通無抗凝劑生化管中，1 h內(nèi)送檢驗(yàn)科對(duì)空腹血糖(fasting blood glucose，F(xiàn)BG)及空腹胰島素(fasting insulin，F(xiàn)INS)水平進(jìn)行測(cè)定。采用穩(wěn)態(tài)模式評(píng)估法(homeostasis model assessment，HOMA)計(jì)算胰島素抵抗指數(shù)(insulin resistance index，HOMA-IR)，即(HOMA-IR=FBG×FINS/22.5)，及胰島-β細(xì)胞功能(homa beta cell function index，HOMA-β)，即HOMA-β=20×FINS/(FBG-3.5)。

1.2.3 胰腺組織形態(tài)學(xué)觀察 麻醉后取胰腺組織，用生理鹽水洗凈血漬后，用100 mL/L福爾馬林固定48 h，常規(guī)包埋切片。進(jìn)行HE 染色，用光學(xué)顯微鏡觀察胰腺形態(tài)學(xué)改變。

2 結(jié)果

2.1 鋁暴露對(duì)大鼠FBG、FINS、HOMA-IR、HOMA-β水平的影響

①組間相同時(shí)間位點(diǎn)比較：與對(duì)照組比較，鋁暴露組FBG、HOMA-IR于第10天、20天時(shí)明顯高于對(duì)照組(P<0.05)，第30天時(shí)降低，與對(duì)照組比較無統(tǒng)計(jì)學(xué)，F(xiàn)INS于第10天、20天時(shí)明顯高于對(duì)照組(P<0.05)，第30天時(shí)反而低于對(duì)照組(P<0.05)，HOMA-β明顯低于對(duì)照組。

②組內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)比較：隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，試驗(yàn)組FBG水平呈下降趨勢(shì)，但各時(shí)點(diǎn)比較差異無顯著差異(P>0.05)；試驗(yàn)組FINS、HOMA-IR水平呈下降趨勢(shì)，于第30天時(shí)明顯低于第10、20天(P<0.05)，呈現(xiàn)一定時(shí)間-效應(yīng)關(guān)系；HOMA-β在各時(shí)點(diǎn)比較無顯著差異(P>0.05)(表1)。

2.2 鋁暴露對(duì)大鼠胰腺病理組織學(xué)影響

對(duì)照組大鼠胰腺細(xì)胞分布均勻，胰島結(jié)構(gòu)完整，邊緣清晰，內(nèi)分布著密集的胰島內(nèi)分泌細(xì)胞。與對(duì)照組比較，試驗(yàn)組隨著鋁暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，胰腺組織充血、腺泡擴(kuò)張，胰島細(xì)胞排列紊亂、間隙增大、數(shù)目減少，甚至出現(xiàn)細(xì)胞空泡變、壞死的程度加重，以第30天病變最為明顯(圖1)。

表1 各組大鼠FBG、FINS、HOMA-IR、HOMA-β檢測(cè)結(jié)果

注：與對(duì)照組比較，aP<0.05；與第10天比較，bP<0.05；與第20天比較，cP<0.05.

Note:Compared with control group,aP<0.05；Compared with 10 d，bP<0.05；Compared with 20 d，cP<0.05.

3 討論

關(guān)于鋁暴露模型建立及鋁對(duì)代謝影響的相關(guān)研究，本試驗(yàn)研究方法及結(jié)果與前人有所不同，Nam S M[7]通過飲水染鋁試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鋁并未影響小鼠糖代謝相關(guān)指標(biāo)，而腹腔注射染鋁可對(duì)糖代謝產(chǎn)生一定的影響。關(guān)于不同造模方法對(duì)鋁的吸收率，研究發(fā)現(xiàn)[8]口服鋁的生物利用度僅為0.1%～0.4%，職業(yè)性吸入鋁的生物利用度為2%，而腹腔注射鋁溶液其吸收率明顯提高[9]，可看出鋁對(duì)機(jī)體的影響主要取決于其暴露途徑。雖然人體染鋁主要通過飲用含鋁污染的水導(dǎo)致，采用口服染鋁更能模仿人體染鋁自然進(jìn)程，但該途徑染鋁其生物利用度小，且試驗(yàn)中由于不好掌握動(dòng)物采食量及飲水量，難以精確染鋁劑量，會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果有所偏差；而腹腔注射更有利于增加機(jī)體各組織對(duì)鋁的吸收和積累，更有利于探討鋁對(duì)機(jī)體的影響。本試驗(yàn)通過腹腔注射建立大鼠鋁暴露模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，染鋁組大鼠出現(xiàn)毛發(fā)干燥蓬松、生長(zhǎng)緩慢等癥狀，且隨著染鋁時(shí)間的延長(zhǎng)癥狀加重，剖檢時(shí)發(fā)現(xiàn)腹部組織及腸管粘連，大鼠四肢骨骼肌萎縮，常規(guī)染色提示胰腺組織發(fā)生病變，與潘麗娜等[10]研究結(jié)果一致，說明本試驗(yàn)成功復(fù)制鋁暴露模型，為研究染鋁對(duì)糖代謝的影響提供基礎(chǔ)。

關(guān)于鋁對(duì)糖代謝的影響，目前研究認(rèn)為主要是通過刺激機(jī)體產(chǎn)生炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激作用，使胰島β細(xì)胞功能減退和引發(fā)胰島素抵抗，影響機(jī)體糖脂代謝，在T2DM的發(fā)生與發(fā)展過程有著重要影響[11]。胰腺為機(jī)體內(nèi)僅次于肝臟的第二大腺體，其內(nèi)分泌腺由胰島組成，β細(xì)胞約占胰島細(xì)胞總數(shù)的60%～80%，分泌的胰島素是機(jī)體唯一能降低血糖的激素，若β細(xì)胞功能發(fā)生障礙，胰島素分泌不足，機(jī)體糖代謝穩(wěn)態(tài)被打破，導(dǎo)致糖尿病發(fā)生。鋁為金屬元素，性質(zhì)比較活潑，易失去電子，從而易造成氧化應(yīng)激[12]，而胰腺作為機(jī)體抗氧化應(yīng)激能力最弱的組織，在應(yīng)對(duì)機(jī)體氧化應(yīng)激時(shí)受損嚴(yán)重。本試驗(yàn)研究顯示，鋁暴露后大鼠胰腺組織呈現(xiàn)不同程度充血，胰島細(xì)胞數(shù)量減少，呈壞死改變。胰島細(xì)胞病變必將導(dǎo)致其分泌功能下降，機(jī)體血糖調(diào)節(jié)受損。引起胰島細(xì)胞壞死的原因目前認(rèn)為與體內(nèi)氧化應(yīng)激及炎性反應(yīng)有關(guān)，我們前期研究發(fā)現(xiàn)[13]，高鋁暴露區(qū)居民FBG、HbA1c、IL-6、CRP明顯增高，HOMA-β下降，且與血鋁元素水平具有相關(guān)性，表明鋁暴露可通過引發(fā)機(jī)體的炎性反應(yīng)，影響胰島β細(xì)胞分泌功能，從而引發(fā)糖代謝紊。

胰島素抵抗是指生理濃度的胰島素產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)低于正常水平，胰島素介導(dǎo)的對(duì)胰島素敏感的組織對(duì)葡萄糖攝取和代謝能力減弱，是導(dǎo)致機(jī)體糖代謝紊亂、引發(fā)糖尿病的中心機(jī)制。HOMA-IR與作為診斷胰島素抵抗金標(biāo)準(zhǔn)的鉗夾試驗(yàn)有很好的相關(guān)性,因此本試驗(yàn)采用HOMA-IR評(píng)價(jià)大鼠的胰島素抵抗水平。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在鋁暴露早期，大鼠FBG、FINS和HOMA-IR明顯升高，其可能機(jī)制是機(jī)體在應(yīng)對(duì)外來有害物質(zhì)的作用下引起應(yīng)激反應(yīng)，F(xiàn)BG反應(yīng)性升高，通過反饋機(jī)制，刺激β細(xì)胞分泌胰島素增加，導(dǎo)致IR升高；但隨著鋁暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，IR反而有一定程度的降低趨勢(shì)，但胰島β細(xì)胞功能并沒有改善，這種改變?cè)蚩紤]可能與鋁刺激消化道、抑制機(jī)體新陳代謝及降低營(yíng)養(yǎng)吸收效率有關(guān)，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)大鼠攝食量隨著染鋁時(shí)間的延長(zhǎng)而減少，飲水量卻明顯增加，導(dǎo)致FBG下降,此時(shí)降低的FBG通過反饋機(jī)制使胰島B細(xì)胞壓力減輕；同時(shí)隨著染鋁時(shí)間延長(zhǎng)，胰腺組織病變加重，其分泌功能嚴(yán)重受損，F(xiàn)INS分泌減少，因此HOMA-IR反而下降。其分子機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

綜上所述，鋁可通過直接損傷胰腺組織和引發(fā)胰島素抵抗影響機(jī)體糖代謝，應(yīng)該引起人們的密切關(guān)注，特別是鋁工業(yè)地區(qū)的居民更應(yīng)注意在日常生活及工作中限制鋁的攝入并做好防護(hù)；鋁作業(yè)工人更應(yīng)該定時(shí)健康體檢及時(shí)尋找治療策略。因條件限制，本試驗(yàn)存在以下不足：①缺乏大樣本試驗(yàn)，對(duì)研究的論證數(shù)據(jù)不充足；②胰島功能測(cè)定，應(yīng)進(jìn)一步測(cè)定胰島素釋放試驗(yàn)及葡萄糖耐量試驗(yàn)，但因?yàn)檫@些試驗(yàn)要多時(shí)點(diǎn)采血，而因大鼠的血量及生命力限制導(dǎo)致無法進(jìn)行；③實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)設(shè)備的缺乏，無法在電子顯微鏡下觀察胰島β細(xì)胞的數(shù)量及其細(xì)微結(jié)構(gòu)變化。