郭曉晨，高明，吳南翔

1.杭州醫(yī)學(xué)院，浙江 杭州 310053

2.浙江省醫(yī)學(xué)科學(xué)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(dāng)前社會嚴(yán)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(fù)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(shí)，大量流行病學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究表明環(huán)境持久性有機(jī)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(fēng)險，有可能是糖尿病誘因之一，導(dǎo)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(jī)制也不盡相同。本文按POPs 來源進(jìn)行分類，對有機(jī)氯農(nóng)藥中的對雙氯苯基雙氯乙烷（dichlorodiphenyltrichloroethane，DDT）及其代謝產(chǎn)物，工業(yè)化學(xué)品中的多氯聯(lián)苯（polychlorinated biphenyl，PCB）以及工業(yè)副產(chǎn)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(jī)制進(jìn)行綜述。除了探討氧化應(yīng)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(jī)制進(jìn)行總結(jié)，從而為當(dāng)前POPs 糖尿病致病機(jī)理的進(jìn)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(chǎn)物

DDT是一種高效的有機(jī)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(chǎn)物具有難降解、難揮發(fā)、生物蓄積、內(nèi)分泌干擾等特性，造成了極其嚴(yán)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(xué)和動物實(shí)驗(yàn)表明，DDT及其代謝產(chǎn)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(guān)系［4］，p，p’-DDE亞急性暴露會引起機(jī)體葡萄糖穩(wěn)態(tài)的失調(diào)，導(dǎo)致2型糖尿病的發(fā)生［5］。

氧化應(yīng)激和線粒體損傷被認(rèn)為是DDT 及其代謝產(chǎn)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(chǎn)物可通過誘導(dǎo)氧化應(yīng)激或氧化磷酸化過程參與機(jī)體糖脂代謝，相關(guān)分子機(jī)制的研究成為近年研究熱點(diǎn)。Singh 等［6］通過將96 孔板中培養(yǎng)的大鼠L6 肌管暴露于質(zhì)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(xiàn)其葡萄糖攝取和抗氧化物質(zhì)含量呈依賴性降低，丙二醛水平呈上升趨勢，誘發(fā)實(shí)驗(yàn)動物的氧化應(yīng)激，激活核糖體S6 蛋白激酶，導(dǎo)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(yīng)激誘導(dǎo)大鼠肌肉產(chǎn)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(nèi)的特定復(fù)合物及相應(yīng)過程，損害電子傳遞鏈和氧化磷酸化，主要表現(xiàn)在其一方面可以通過抑制琥珀酸轉(zhuǎn)運(yùn)從而抑制線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅱ，導(dǎo)致腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）生產(chǎn)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(chǎn)生線粒體呼吸和膜電位相關(guān)的缺陷，從而導(dǎo)致或參與2 型糖尿病的發(fā)生［7］。線粒體在ATP 的產(chǎn)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(jī)體脂質(zhì)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(chǎn)物的水平，而且會引起細(xì)胞呼吸和線粒體膜電位受損，降低脂肪酸β 氧化，進(jìn)而影響ATP 水平和耗氧率，加重機(jī)體脂肪酸代謝紊亂［8］。研究發(fā)現(xiàn)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(xì)胞膜內(nèi)部質(zhì)子濃度的巨大差異，導(dǎo)致氧化磷酸化與線粒體電子傳遞解耦，擾亂細(xì)胞內(nèi)糖酵解，使產(chǎn)生的ATP 無法維持細(xì)胞內(nèi)能量穩(wěn)態(tài)的代謝轉(zhuǎn)變，擾亂小鼠肝臟的氧化還原狀態(tài)，并下調(diào)線粒體氧化磷酸化所需酶的基因表達(dá)，導(dǎo)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(fù)合物的抑制作用中，DDT 對ATP 酶活性的破壞可能導(dǎo)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(guān)［10-11］，DDT 影響ATP 酶作用的分子機(jī)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(jìn)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(xiàn)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(xiàn)出糖耐量受損和胰島素分泌異常。但DDT 及其代謝產(chǎn)物如何通過表觀遺傳途徑調(diào)控糖尿病的具體分子機(jī)制尚不清楚，是糖尿病病因?qū)W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(nèi)蓄積。近年來發(fā)現(xiàn)PCB 暴露與糖尿病的發(fā)生發(fā)展之間存在相關(guān)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(shù)低于5 的PCB 與2 型糖尿病或胰島素抵抗呈正相關(guān)，氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)是PCB 參與糖尿病胰島素抵抗的重要過程，其中炎癥反應(yīng)被認(rèn)為是PCB 與糖尿病相關(guān)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(jìn)行染毒后，發(fā)現(xiàn)PCB153 除了引起糖代謝紊亂，導(dǎo)致葡萄糖和胰島素耐受性受損外，還可通過下調(diào)肝細(xì)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(dá)，誘導(dǎo)代謝功能障礙。HNF1b在調(diào)節(jié)肝脂肪合成、脂肪細(xì)胞分化、葡萄糖平衡和胰島素抵抗中具有重要作用，其下調(diào)是PCB153 誘導(dǎo)氧化應(yīng)激、炎癥和代謝功能障礙的關(guān)鍵步驟［17］，可增加活性氧水平，并激活巨噬細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄因子κB（nuclear transcription factor-κB，NF-κB）通路，導(dǎo)致p65 NF-κB核蛋白表達(dá)增加以及肝臟中白細(xì)胞介素-1α、白細(xì)胞介素-6 等炎癥因子的表達(dá)增加，誘發(fā)機(jī)體炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致葡萄糖代謝異常。同樣，PCB77 可以通過芳香烴受體依賴機(jī)制，特異性促進(jìn)腫瘤壞死因子在3T3-L1 脂肪細(xì)胞的表達(dá)［18］，腫瘤壞死因子作為一種炎細(xì)胞因子，可以使小鼠脂肪細(xì)胞誘導(dǎo)胰島素信號傳遞的重要介質(zhì)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(zhuǎn)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(jìn)脂肪分解，間接促進(jìn)脂肪細(xì)胞胰島素抵抗，成為公認(rèn)的胰島素抵抗因素。

PCB153 還被發(fā)現(xiàn)可以通過表觀遺傳機(jī)制調(diào)控NF-κB 亞基p56 誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞炎癥［20］，探討PCB153 激活NF-κB 誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)的表觀遺傳途徑，對PCB 通過引起機(jī)體炎癥反應(yīng)參與糖脂代謝調(diào)節(jié)的深入研究具有重要意義。同樣，在之前一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)HNF1b 可以促進(jìn)卵巢透明細(xì)胞癌的葡萄糖攝取和糖酵解活性，參與機(jī)體胰島素抵抗過程［21］，因此還需進(jìn)一步的研究來闡明PCB153 誘導(dǎo)的HNF1b 的調(diào)節(jié)機(jī)制，并探索HNF1b表達(dá)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(chǎn)的副產(chǎn)物，環(huán)境中的TCDD 通過食物鏈進(jìn)入動物體內(nèi)并在脂肪組織中蓄積，已有基于人群的流行病學(xué)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(yīng)激［23］或靶細(xì)胞代謝障礙［24］，誘發(fā)機(jī)體胰島素抵抗，與糖尿病的發(fā)生相關(guān)。但目前在TCDD 與糖尿病相關(guān)分子機(jī)制研究中的主要方向和熱點(diǎn)是其對胰島細(xì)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(nèi)外動物實(shí)驗(yàn)證明其能夠直接或間接損害胰腺發(fā)育或胰島細(xì)胞功能，進(jìn)而影響胰島素分泌，最終導(dǎo)致糖尿病的發(fā)生。Kubi 等［25］用與人類暴露濃度相似的TCDD 預(yù)處理的人胚胎干細(xì)胞（human embryonic stem cells，hESCs）向胰腺系細(xì)胞分化，并確定其整體DNA 甲基化模式，發(fā)現(xiàn)低劑量TCDD 誘導(dǎo)了hESCs 的DNA 甲基化改變，并損傷了早期胰腺譜系細(xì)胞分化潛能，胰十二指腸同源異形盒基因1 的表達(dá)被顯著抑制，證實(shí)胚胎發(fā)育早期的TCDD 暴露可能會潛在地?fù)p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(xiàn)，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(jīng)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(shù)據(jù)表明TCDD 在胰腺中可能比經(jīng)典靶組織更穩(wěn)定。除此之外，體內(nèi)單次大劑量或多次低劑量TCDD 暴露，可有效誘導(dǎo)小鼠胰島細(xì)胞色素氧化酶P450 1A1（cytochrome P450 1A1，CYP1A1）基因表達(dá)并適度增加CYP1A1 酶活性，表明胰島作為內(nèi)分泌腺在體內(nèi)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(xì)胞也可導(dǎo)致葡萄糖誘導(dǎo)的胰島素分泌受到抑制，β細(xì)胞死亡增多。Kim等［27］發(fā)現(xiàn)TCDD 可以通過T 型通道誘導(dǎo)的鈣內(nèi)流調(diào)節(jié)囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)，如溶酶體和分泌顆粒胞吐，對大鼠胰島細(xì)胞瘤細(xì)胞產(chǎn)生直接的細(xì)胞毒性作用，并且持續(xù)釋放胰島素導(dǎo)致β 細(xì)胞衰竭，增加糖尿病發(fā)生的可能性。

CYP1A1 在體內(nèi)參與異生物質(zhì)代謝［28］，可以作為胰腺在體內(nèi)直接暴露于POPs 的有效生物標(biāo)志物，但在胰腺和胰島β 細(xì)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(xì)胞分泌胰島素影響的分子機(jī)制具有實(shí)際意義。

4 其他

除上述DDT 及其代謝產(chǎn)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(zhì)（perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances，PFAS［30］）等。其中在PFAS 與糖尿病相關(guān)的病因?qū)W研究中發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(jìn)一步了解PFAS 的毒性機(jī)制，2020年Liu 等［32］通過毒性試驗(yàn)用50 nmol·L-1的PFAS處理細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)PFAS可能在胰腺結(jié)構(gòu)域從腸管中出現(xiàn)后，改變胰腺的發(fā)育，誘導(dǎo)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(xì)胞的毒性作用，發(fā)現(xiàn)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(xì)胞因子的形成，并降低大鼠胰島β細(xì)胞瘤細(xì)胞存活率，增加細(xì)胞凋亡，這些變化表明PFOA可以通過增加氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙對胰腺細(xì)胞產(chǎn)生直接的細(xì)胞毒性作用。

5 小結(jié)與展望

隨著POPs 與糖尿病關(guān)系成為環(huán)境毒理學(xué)研究的熱點(diǎn)，POPs與糖尿病相關(guān)的潛在分子機(jī)制和信號通路研究取得了顯著進(jìn)展。氧化應(yīng)激作為各類POPs 誘發(fā)糖尿病的重要途徑，成為當(dāng)前POPs 糖尿病致病機(jī)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(jī)氯農(nóng)藥主要通過線粒體損傷影響氧化磷酸化過程參與機(jī)體糖脂代謝；以PCB為代表的工業(yè)化學(xué)品與糖尿病相關(guān)的病因?qū)W研究中，炎癥反應(yīng)誘導(dǎo)的胰島素抵抗是當(dāng)前研究的主要方向；而以TCDD 為代表的工業(yè)副產(chǎn)物則主要通過損害胰腺發(fā)育和胰島細(xì)胞功能，影響胰島素分泌，參與誘導(dǎo)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(fù)雜，有待進(jìn)一步研究證實(shí)。例如，HNF1b、CYP1A1 等相關(guān)靶點(diǎn)與糖脂代謝相關(guān)的分子機(jī)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(jī)制對細(xì)胞產(chǎn)生影響；POPs 引起的表觀遺傳改變以及跨代遺傳效應(yīng)也是糖尿病發(fā)病早齡化的關(guān)注焦點(diǎn)。對這些機(jī)制進(jìn)行深入研究，有助于探索糖尿病的發(fā)病機(jī)制，并為糖尿病的診斷和治療提供新的思路。另外，機(jī)體的環(huán)境暴露以低劑量長期暴露、多污染物暴露為特點(diǎn)，并產(chǎn)生機(jī)體的聯(lián)合效應(yīng)。因此，在探討POPs 的致病機(jī)制時，相關(guān)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(jī)制以及探討糖尿病的成因有很大的科學(xué)意義。