典型持久性有機污染物參與糖尿病發(fā)生的機制研究進展

郭曉晨，高明，吳南翔

1.杭州醫(yī)學院，浙江 杭州 310053

2.浙江省醫(yī)學科學院，浙江 杭州 310013

隨著生活水平的提高以及生活方式和飲食營養(yǎng)模式的改變，糖尿病成為當前社會嚴重威脅人類健康的慢性疾病之一。糖尿病發(fā)生的誘因較為復雜，為遺傳與環(huán)境因素多重作用，近年來環(huán)境污染在糖尿病發(fā)病中的作用得到證實，大量流行病學和實驗研究表明環(huán)境持久性有機污染物（persistent organic pollutant，POPs）的長期低劑量暴露會增加胰島素抵抗和代謝紊亂的風險，有可能是糖尿病誘因之一，導致2 型糖尿病發(fā)生［1-3］。隨著研究的不斷深入，越來越多的POPs 被納入其中，所涉及的分子機制也不盡相同。本文按POPs 來源進行分類，對有機氯農藥中的對雙氯苯基雙氯乙烷（dichlorodiphenyltrichloroethane，DDT）及其代謝產物，工業(yè)化學品中的多氯聯(lián)苯（polychlorinated biphenyl，PCB）以及工業(yè)副產物中的四氯二苯并-p-二噁英（tetrachlorodibenzo-p-dioxin，TCDD）等典型POPs 在糖尿病發(fā)生發(fā)展過程中的潛在分子機制進行綜述。除了探討氧化應激這一廣泛研究的通路外，也就不同種類POPs 誘發(fā)糖尿病的新機制進行總結，從而為當前POPs 糖尿病致病機理的進一步研究以及糖尿病的綜合防治提供新思路。

1 DDT及其代謝產物

DDT是一種高效的有機氯類殺蟲劑，在減輕病蟲害方面發(fā)揮重要作用，但由于DDT及其代謝產物具有難降解、難揮發(fā)、生物蓄積、內分泌干擾等特性，造成了極其嚴重的生態(tài)環(huán)境問題，并帶來了全球性的健康危害，已被很多國家和地區(qū)禁止使用。已有大量流行病學和動物實驗表明，DDT及其代謝產物2，2-雙-（對氯苯基）-1，1-二氯乙烯（p，p’-dichlorodiphenyldichloroethylene，p，p’-DDE）與糖尿病的發(fā)生之間存在關系［4］，p，p’-DDE亞急性暴露會引起機體葡萄糖穩(wěn)態(tài)的失調，導致2型糖尿病的發(fā)生［5］。

氧化應激和線粒體損傷被認為是DDT 及其代謝產物參與糖尿病發(fā)生發(fā)展的主要環(huán)節(jié)，DDT 及其代謝產物可通過誘導氧化應激或氧化磷酸化過程參與機體糖脂代謝，相關分子機制的研究成為近年研究熱點。Singh 等［6］通過將96 孔板中培養(yǎng)的大鼠L6 肌管暴露于質量濃度（后稱“濃度”）為30 mg·L-1和60 mg·L-1的DDT 18 h 后，發(fā)現其葡萄糖攝取和抗氧化物質含量呈依賴性降低，丙二醛水平呈上升趨勢，誘發(fā)實驗動物的氧化應激，激活核糖體S6 蛋白激酶，導致肌管中胰島素受體底物1 的酪氨酸磷酸化水平和胰島素刺激下的蛋白激酶B 的絲氨酸磷酸化下降，但胰島素受體酪氨酸水平無變化。這表明該濃度DDT 暴露可通過氧化應激誘導大鼠肌肉產生胰島素抵抗，從而減弱胰島素信號，減少葡萄糖在肌管中的攝取。同時，有研究指出DDT 和p，p’-DDE 可作用于線粒體內的特定復合物及相應過程，損害電子傳遞鏈和氧化磷酸化，主要表現在其一方面可以通過抑制琥珀酸轉運從而抑制線粒體呼吸鏈復合物Ⅱ，導致腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）生產能力有限；另一方面可以通過抑制線粒體ATP 酶活性，影響氧化磷酸化過程，產生線粒體呼吸和膜電位相關的缺陷，從而導致或參與2 型糖尿病的發(fā)生［7］。線粒體在ATP 的產生和能量消耗中起核心作用，線粒體功能障礙是能量代謝障礙的一個重要原因，直接影響機體脂質和葡萄糖的代謝。暴露于DDT 和p，p’-DDE 后，不僅會影響哺乳動物肝臟組織代謝譜，改變肝臟脂肪酸組成和幾種三羧酸循環(huán)產物的水平，而且會引起細胞呼吸和線粒體膜電位受損，降低脂肪酸β 氧化，進而影響ATP 水平和耗氧率，加重機體脂肪酸代謝紊亂［8］。研究發(fā)現p，p’-DDE可以損傷線粒體膜，使其無法維持呼吸鏈的功能，也無法維持細胞膜內部質子濃度的巨大差異，導致氧化磷酸化與線粒體電子傳遞解耦，擾亂細胞內糖酵解，使產生的ATP 無法維持細胞內能量穩(wěn)態(tài)的代謝轉變，擾亂小鼠肝臟的氧化還原狀態(tài)，并下調線粒體氧化磷酸化所需酶的基因表達，導致線粒體功能障礙和葡萄糖利用的改變［9］。

在DDT 對線粒體呼吸鏈復合物的抑制作用中，DDT 對ATP 酶活性的破壞可能導致線粒體呼吸障礙和膜電位的改變。ATP 酶參與全身能量代謝，其功能與肥胖、糖尿病等代謝性疾病密切相關［10-11］，DDT 影響ATP 酶作用的分子機制可能成為DDT 誘發(fā)糖尿病研究的新方向。然而DDT 對ATP 酶影響的作用方向似乎存在不一致性［12-13］，可能是由于ATP 酶對DDT 的敏感性因溫度而異造成。

此外，DDT 暴露引起的基因印記等表觀遺傳修飾的改變，也逐漸進入糖尿病研究者的視野。Song 等［14］通過灌胃給藥給予孕F0 代SD 大鼠劑量為100 mg·kg-1（按體重計）的p，p’-DDE 以建立跨代動物模型，發(fā)現后代胰腺胰島素樣生長因子2和lncRNA H19印記控制區(qū)代際低甲基化，并表現出糖耐量受損和胰島素分泌異常。但DDT 及其代謝產物如何通過表觀遺傳途徑調控糖尿病的具體分子機制尚不清楚，是糖尿病病因學研究中值得深入的一個課題。

2 PCB

PCB 因具有良好的耐熱性和絕緣性，可以作為熱載體、絕緣油和潤滑油等，在工業(yè)上用途廣泛。PCB難溶于水但易溶于脂肪，且不容易分解，因此暴露后容易在生物體內蓄積。近年來發(fā)現PCB 暴露與糖尿病的發(fā)生發(fā)展之間存在相關性，有研究表明在PCB 的影響下，1 型糖尿病和2 型糖尿病的患病率增加［15］。聯(lián)苯上被氯取代個數低于5 的PCB 與2 型糖尿病或胰島素抵抗呈正相關，氧化應激、炎癥反應是PCB 參與糖尿病胰島素抵抗的重要過程，其中炎癥反應被認為是PCB 與糖尿病相關最為主要的因素。Wu 等［16］按1 mg·kg-1·d-1劑量的PCB153 對小鼠進行染毒后，發(fā)現PCB153 除了引起糖代謝紊亂，導致葡萄糖和胰島素耐受性受損外，還可通過下調肝細胞核因子1b（hepatocyte nuclear factor 1b，HNF1b）和重組谷胱甘肽過氧化物酶1 的表達，誘導代謝功能障礙。HNF1b在調節(jié)肝脂肪合成、脂肪細胞分化、葡萄糖平衡和胰島素抵抗中具有重要作用，其下調是PCB153 誘導氧化應激、炎癥和代謝功能障礙的關鍵步驟［17］，可增加活性氧水平，并激活巨噬細胞核轉錄因子κB（nuclear transcription factor-κB，NF-κB）通路，導致p65 NF-κB核蛋白表達增加以及肝臟中白細胞介素-1α、白細胞介素-6 等炎癥因子的表達增加，誘發(fā)機體炎癥反應，導致葡萄糖代謝異常。同樣，PCB77 可以通過芳香烴受體依賴機制，特異性促進腫瘤壞死因子在3T3-L1 脂肪細胞的表達［18］，腫瘤壞死因子作為一種炎細胞因子，可以使小鼠脂肪細胞誘導胰島素信號傳遞的重要介質胰島素受體底物1 的絲氨酸磷酸化，并將胰島素受體底物1 轉化為胰島素受體酪氨酸激酶活性的抑制劑［19］，誘發(fā)胰島素抵抗，同時可以促進脂肪分解，間接促進脂肪細胞胰島素抵抗，成為公認的胰島素抵抗因素。

PCB153 還被發(fā)現可以通過表觀遺傳機制調控NF-κB 亞基p56 誘導內皮細胞炎癥［20］，探討PCB153 激活NF-κB 誘導炎癥反應的表觀遺傳途徑，對PCB 通過引起機體炎癥反應參與糖脂代謝調節(jié)的深入研究具有重要意義。同樣，在之前一項研究中發(fā)現HNF1b 可以促進卵巢透明細胞癌的葡萄糖攝取和糖酵解活性，參與機體胰島素抵抗過程［21］，因此還需進一步的研究來闡明PCB153 誘導的HNF1b 的調節(jié)機制，并探索HNF1b表達是否會受到PCB 其他同系物的影響。

3 TCDD

TCDD 全稱為四氯二苯并-p-二噁英，為燃燒和工業(yè)生產的副產物，環(huán)境中的TCDD 通過食物鏈進入動物體內并在脂肪組織中蓄積，已有基于人群的流行病學研究表明TCDD 暴露為糖尿病的危險因素［22］。同其他POPs 一樣，TCDD 也可引起氧化應激［23］或靶細胞代謝障礙［24］，誘發(fā)機體胰島素抵抗，與糖尿病的發(fā)生相關。但目前在TCDD 與糖尿病相關分子機制研究中的主要方向和熱點是其對胰島細胞的發(fā)育、分化和功能的損害，以2，3，7，8-四氯二苯并-p-二噁英（2，3，7，8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin，2，3，7，8-TCDD）為主要代表，已有體內外動物實驗證明其能夠直接或間接損害胰腺發(fā)育或胰島細胞功能，進而影響胰島素分泌，最終導致糖尿病的發(fā)生。Kubi 等［25］用與人類暴露濃度相似的TCDD 預處理的人胚胎干細胞（human embryonic stem cells，hESCs）向胰腺系細胞分化，并確定其整體DNA 甲基化模式，發(fā)現低劑量TCDD 誘導了hESCs 的DNA 甲基化改變，并損傷了早期胰腺譜系細胞分化潛能，胰十二指腸同源異形盒基因1 的表達被顯著抑制，證實胚胎發(fā)育早期的TCDD 暴露可能會潛在地損害早期胰腺發(fā)育和功能。Ibrahim 等［26］通過測量小鼠TCDD 注射給藥后各組織中TCDD 濃度發(fā)現，給藥7 d 后肝臟和脂肪中TCDD 濃度分別比胰腺中的高72 倍和23 倍，但胰腺中TCDD 濃度高于其他非經典靶組織；給藥第7 天至第35 天，肝臟中TCDD 的濃度下降了91%～94%，而胰腺中TCDD 的濃度僅下降了50%～70%，這些數據表明TCDD 在胰腺中可能比經典靶組織更穩(wěn)定。除此之外，體內單次大劑量或多次低劑量TCDD 暴露，可有效誘導小鼠胰島細胞色素氧化酶P450 1A1（cytochrome P450 1A1，CYP1A1）基因表達并適度增加CYP1A1 酶活性，表明胰島作為內分泌腺在體內直接暴露于TCDD 會抑制胰島素分泌。同樣體外直接接觸TCDD 小鼠胰島細胞也可導致葡萄糖誘導的胰島素分泌受到抑制，β細胞死亡增多。Kim等［27］發(fā)現TCDD 可以通過T 型通道誘導的鈣內流調節(jié)囊泡轉運，如溶酶體和分泌顆粒胞吐，對大鼠胰島細胞瘤細胞產生直接的細胞毒性作用，并且持續(xù)釋放胰島素導致β 細胞衰竭，增加糖尿病發(fā)生的可能性。

CYP1A1 在體內參與異生物質代謝［28］，可以作為胰腺在體內直接暴露于POPs 的有效生物標志物，但在胰腺和胰島β 細胞中的作用仍有待確定，深入探索CYP1A1 在胰島中的作用，對完善TCDD 致胰腺及胰島細胞分泌胰島素影響的分子機制具有實際意義。

4 其他

除上述DDT 及其代謝產物、PCB 和TCDD 外，還有很多POPs 參與到糖尿病的發(fā)生過程，如多溴聯(lián)苯醚［29］、全氟烷基和多氟烷基物質（perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances，PFAS［30］）等。其中在PFAS 與糖尿病相關的病因學研究中發(fā)現，PFAS 對胰腺的毒性作用成為其在糖尿病發(fā)生過程中的主要環(huán)節(jié)，之前有研究發(fā)現胚胎暴露于全氟辛烷磺?；衔锟赡軙茐陌唏R魚的胰腺生成［31］。為進一步了解PFAS 的毒性機制，2020年Liu 等［32］通過毒性試驗用50 nmol·L-1的PFAS處理細胞，發(fā)現PFAS可能在胰腺結構域從腸管中出現后，改變胰腺的發(fā)育，誘導胰腺發(fā)育毒性。Suh 等［33］研究0～500 nmol·L-1的全氟辛酸（pentadecafluorooctanoic acid，PFOA）對大鼠胰腺細胞的毒性作用，發(fā)現PFOA 暴露會以濃度依賴的方式增加活性氧、線粒體超氧化物和促炎細胞因子的形成，并降低大鼠胰島β細胞瘤細胞存活率，增加細胞凋亡，這些變化表明PFOA可以通過增加氧化應激和線粒體功能障礙對胰腺細胞產生直接的細胞毒性作用。

5 小結與展望

隨著POPs 與糖尿病關系成為環(huán)境毒理學研究的熱點，POPs與糖尿病相關的潛在分子機制和信號通路研究取得了顯著進展。氧化應激作為各類POPs 誘發(fā)糖尿病的重要途徑，成為當前POPs 糖尿病致病機理研究的普遍通路。與此同時，新的研究方向也在不斷發(fā)掘：以DDT 為代表的有機氯農藥主要通過線粒體損傷影響氧化磷酸化過程參與機體糖脂代謝；以PCB為代表的工業(yè)化學品與糖尿病相關的病因學研究中，炎癥反應誘導的胰島素抵抗是當前研究的主要方向；而以TCDD 為代表的工業(yè)副產物則主要通過損害胰腺發(fā)育和胰島細胞功能，影響胰島素分泌，參與誘導糖尿病。盡管如此，DDT、PCB 和TCDD 等POPs 與糖尿病發(fā)生之間的過程依然復雜，有待進一步研究證實。例如，HNF1b、CYP1A1 等相關靶點與糖脂代謝相關的分子機制研究尚不明確；即使是相同的POPs 暴露，不同的時間和劑量，也可能通過不同的分子機制對細胞產生影響；POPs 引起的表觀遺傳改變以及跨代遺傳效應也是糖尿病發(fā)病早齡化的關注焦點。對這些機制進行深入研究，有助于探索糖尿病的發(fā)病機制，并為糖尿病的診斷和治療提供新的思路。另外，機體的環(huán)境暴露以低劑量長期暴露、多污染物暴露為特點，并產生機體的聯(lián)合效應。因此，在探討POPs 的致病機制時，相關通路的研究對今后揭示糖尿病多發(fā)和高發(fā)的環(huán)境因素及致病機制以及探討糖尿病的成因有很大的科學意義。