空气污染与糖尿病的关系研究进展

牛草草，于鹏鑫，丁世彬，王宗立，余增丽

(1.新乡医学院公共卫生学院，河南 新乡 453003；2.郑州市第二人民医院检验科，河南 郑州 450000)

当前，我国经济处于中高速增长，伴随着能源消耗量和交通工具保有量的增加，空气污染问题日益严峻。根据污染物在大气中的存在状态，可将其分为气态污染物和大气颗粒物，气态污染物包括含硫化合物、含氮化合物、碳氧化合物、碳氢化合物和卤素化合物等；大气颗粒物包括总悬浮颗粒物、可吸入颗粒物(inhalable particle，PM10)、细颗粒物(fine particulate matter，PM2.5)和超细颗粒物[1]。大量研究发现，空气污染能增加呼吸系统疾病[2]、心脑血管系统疾病[3]和代谢综合征[4]等的发病率和病死率。糖尿病是在遗传因素和环境因素共同作用下，致使胰岛素分泌不足和(或)其生物学作用受损，引起供能物质代谢紊乱的一种代谢性疾病，临床主要表现为多饮、多食、多尿和体质量减轻等。近年来，全球糖尿病发病率逐年增高，我国的糖尿病发病人数也在逐年增加。当前，我国成人糖尿病患病率为11.6%[5]。研究发现，环境因素在糖尿病发病过程中起着重要作用，空气污染是重要的“促发剂”[6-8]。基于此，本文就空气污染对糖尿病发病的影响及可能机制进行综述。

1 空气污染与糖尿病的关系

为研究长期暴露于交通有关污染物与2型糖尿病发病的关系，ANDERSEN等[9]对51 818例志愿者进行了平均9.7 a的随访，结果显示，在长期暴露于交通有关污染物的人群中，生活方式健康、积极参加体育锻炼及不吸烟人群的糖尿病发生率低于无此习惯的人群，且交通有关污染物可能为2型糖尿病的潜在危险因素之一。为进一步研究长期暴露于大气颗粒物或交通有关污染物与2型糖尿病发病风险的密切程度，KRMER等[10]对1 775名54～55岁的妇女进行长达16 a的随访调查，结果发现，大气颗粒物或二氧化氮(nitrogen dioxide，NO2)的浓度每增加1个四分位数间距，人群糖尿病发病风险增加15%～42%。DIJKEMA等[11]对居住在荷兰西弗里斯兰地区50～75岁的8 018名老年人进行了糖尿病横断面筛查，结果发现，2型糖尿病患病率高达8%，且NO2浓度升高至10 mg·m-3，2型糖尿病发病的比值比上升为1.39。PEARSON等[4]利用美国疾病预防控制中心和环境保护局的数据进行多元回归分析发现，PM2.5暴露浓度每上升10 μg·m-3，2型糖尿病的相对发病率增加1%。这些研究结果均表明，长期接触大气颗粒物或交通相关空气污染物会增加2型糖尿病的发病风险。此外，BROOK等[12]研究表明，即使暴露在较低水平的PM2.5[(9.7±3.9)～(11.2±3.9)μg·m-3]，也能降低胰岛素代谢的敏感性。最新研究显示，长期生活在空气污染较严重地区的拉丁裔儿童胰岛素敏感性和胰岛β细胞功能下降，该人群患肥胖和2型糖尿病的风险可能会更高，这是第1次在儿童群体中发现空气污染与糖尿病发病风险之间的关联[13]。国内多位学者也有类似研究，WANG等[14]通过医学图书馆(Pubmed)、医学文摘资料库(Embase)和科学网(Web of Science)检索相关文献进行meta分析发现，长期暴露在高浓度的空气污染物与患2型糖尿病的风险显著相关。SUN等[15]研究发现，北京空气污染物浓度升高与2型糖尿病发病率呈正相关。CHEN等[16]进行了1项基于人群的大样本随访研究，结果表明，PM2.5年平均浓度升高至 10 μg·m-3，2型糖尿病发病危险度为1.11(95%可信区间：下限为1.02，上限为1.21)，支持了空气污染是糖尿病危险因素的观点。总之，越来越多的流行病学证据表明，空气污染能增加或导致糖尿病的发生，其发病机制可能是通过炎症反应、氧化应激和内质网应激等介导胰岛素抵抗(insulin resistance，IR)和(或)胰岛素敏感性下降，进而导致糖尿病的发生。

2 空气污染导致糖尿病发生的可能机制

2.1炎症反应空气污染物首先作用于肺脏，其被吸入后易沉积于细支气管和肺泡组织。研究表明，机体暴露于空气颗粒物可诱导上皮细胞和肺泡巨噬细胞释放白细胞介素 (interleukin，IL)-8、IL-6、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemotactic protein-1，MCP-1)和巨噬细胞炎性蛋白2(macrophage inflammatory protein 2，MIP2)等炎性因子和细胞因子[17]，增加血液中C反应蛋白(C-reactive protein，CRP)水平，从而介导全身炎症反应，使胰岛素敏感性降低，出现外周组织利用葡萄糖受阻，增加了2型糖尿病的发病风险。WANG等[18]认为，IR的原因之一是炎症反应，他们做的meta分析包含10项前瞻性研究，共 19 709 名参与者和4 480名病例，检测到IL-6水平与2型糖尿病风险存在显著剂量-反应关联[相对危险度(relative risk，RR)=1.31；95%可信区间：下限为1.17，上限为1.46)]；对于CRP，Meta分析涉及22个队列研究，共有40 735名参与者和5 753个病例，结果显示，CRP水平升高与2型糖尿病发病风险增加显著相关(RR=1.26；95%可信区间：下限为1.16，下限为1.37)，提示升高的IL-6和CRP水平与2型糖尿病发病风险增加显著相关，同时也说明慢性炎症是2型糖尿病发展的预测因子。一项关于短期雾霾暴露对健康人群机体炎症反应影响的研究发现，短期雾霾暴露能显著增加受试者血清中炎症标志物超敏CRP水平，而橙汁干预(每天中午和晚上分别饮用橙汁200 mL)能明显改善雾霾暴露引起的炎症反应[19]。不同来源的PM10对大鼠炎症反应影响的研究发现，分别来自扬尘、香烟和烹调油烟中的PM10能增加大鼠支气管肺泡灌洗液中白细胞、巨噬细胞、淋巴细胞和中性粒细胞数量，肺组织中超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)活性下降，丙二醛(malondialdehyde，MDA)和中性粒细胞趋化因子升高，表明上述来源的PM10均有增强啮齿动物炎症反应和氧化应激的作用[20]。哺乳动物的脂肪组织分为2种：白色脂肪组织(white adipose tissue，WAT)和棕色脂肪组织(brown adipose tissue，BAT)，前者的主要功能是储存能量，后者的主要功能是氧化分解并供能。脂肪的内分泌和代谢功能障碍在脂肪和能量稳态失调中起关键作用[21]。XU等[22]研究了长期接触环境PM2.5对啮齿动物代谢功能障碍形成的影响，结果显示，与对照组相比，暴露组小鼠葡萄糖耐量试验中，各时间点(30、60、90、120 min)血糖水平均升高，稳态胰岛素评价指数明显升高，血清脂联素和瘦素水平显著下降，WAT中F4/80+巨噬细胞浸润增加，肝脏、骨骼肌、WAT、BAT中蛋白激酶B磷酸化水平下降，表明长期PM2.5暴露可诱导啮齿动物葡萄糖耐量受损和IR、内脏脂肪组织炎症反应，导致内脏脂肪组织和器官能量代谢障碍，进而促进糖尿病的发生。此外，过氧化物酶体增殖物激活受体(the peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR)在调节细胞分化、脂质和葡萄糖代谢及炎症方面发挥重要作用[23]。PPARγ和PPARα水平与代谢疾病进展中的肝脏脂肪变性和糖原贮存呈负相关。C-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)是一种主要的炎性应激介质，可通过激活活性蛋白-1而促进促炎细胞因子表达[24]。核因子-κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)也是炎症反应的关键介质，在肝脏中，由信号诱导NF-κB抑制剂磷酸化和降解而触发NF-κB的激活[25]。Toll样受体(Toll-like receptors，TLR)是识别结构保守分子的特定模式识别受体，可诱导NF-κB活化和促进炎性细胞因子产生[26]。ZHENG等[27]通过动物和细胞培养实验研究发现，暴露于PM2.5可通过激活c-JNK、NF-κB、TLR4信号通路介导炎症应答途径，并抑制肝脏中PPARγ和PPARα的表达和胰岛素受体底物1(insulin receptor substrate 1，IRS1)介导的信号传导，提示暴露于PM2.5的小鼠可出现肝糖原贮存受损，葡萄糖耐量异常，脂质代谢障碍和IR。PM2.5暴露可诱导内脏脂肪组织巨噬细胞浸润，进一步的研究表明，脂肪组织巨噬细胞被高度激活，使促炎基因TNF-α、IL-6表达上调，抗炎基因IL-10、可选择性巨噬细胞活化标志物半乳糖-N-乙酰半乳糖胺-特异性凝集素表达下调[28]，提示PM2.5暴露可导致炎症信号通路被激活。因而空气污染暴露能介导全身炎症反应，引起葡萄糖耐量异常，脂肪代谢障碍，IR指数增加，使糖尿病患病风险显著升高。鲜橙汁等富含黄酮类植物化学物和维生素C，具有抗炎作用，可缓解空气污染介导的机体炎症反应。

2.2氧化应激氧化应激是指机体受到各种有害刺激时，自由基如活性氧自由基(reactive oxygen species，ROS)和活性氮自由基(reactive nitrogen species，RNS)产生过多，超过机体正常的清除能力，打破氧化系统与抗氧化系统之间的平衡，从而引起组织器官氧化损伤。ROS包括超氧阴离子(·O2-)、羟自由基(·OH)和过氧化氢(hydrogen peroxide，H2O2)等；RNS包括一氧化氮(nitric oxide，NO)、NO2和过氧化亚硝酸盐(ONOO-)等。机体抗自由基物质的保护系统包括2类：一类是抗氧化酶系统，如：SOD、GSH-Px、内源性抗氧化物(尿酸、谷胱甘肽、α-硫辛酸、辅酶Q等)；另一类是非酶促防御系统，如：维生素C和维生素E等[29]，它们对自由基清除、保护组织细胞具有重要作用。在某些不良因素作用下，体内自由基产生增加或抗氧化能力下降，从而引起生物大分子氧化损伤，导致细胞变性甚至凋亡，进而引起疾病发生。研究表明，暴露于环境PM2.5可诱导啮齿动物组织细胞产生ROS，对介导体内氧化损伤具有重要作用[22，27]。细胞实验研究表明，PM2.5主要通过线粒体电子传递链生成ROS，导致机体氧化应激发生[30]。胰岛β细胞内过氧化氢酶(catalase，CAT)、GSH-Px等抗氧化酶水平较低，抗氧化能力差，对ROS非常敏感。有报道称，氧化应激可导致胰岛β细胞功能障碍，ROS可直接造成β细胞损伤，特别是能破坏细胞内的线粒体结构[31]。ROS也可干扰胰岛素信号转导通路，间接抑制β细胞功能，如激活NF-κB信号通路，触发β细胞炎症反应[27]；抑制胰十二指肠同源盒因子-1 mRNA表达，使胰岛素合成与分泌减少[32]；活化JNK使IRS-1丝氨酸残基(307位)发生磷酸化，减少胰岛素刺激的酪氨酸磷酸化[33]；以及活化p38丝裂原活化蛋白激酶途径和激活氨基己糖途径等，这些通路的激活使胰岛素信号传导通路下游信号分子磷脂酰肌醇-3激酶活性下降，降低胰岛素功能，进而发生IR[34]。胡建荣等[35]研究了PM2.5对被动吸烟大鼠慢性气道炎症及氧化应激反应的影响，结果显示，与正常对照组相比，单纯被动吸烟组和PM2.5暴露组大鼠支气管肺泡灌洗液中MDA水平显著升高，总抗氧化能力(total antioxidant capacity，TAOC)、GSH-Px和CAT水平显著降低；与单纯被动吸烟组比较，高剂量PM2.5暴露组大鼠支气管肺泡灌洗液中MDA水平显著升高，TAOC、GSH-Px和CAT水平显著降低，提示被动吸烟和PM2.5短期暴露均可诱导大鼠氧化应激反应。核因子E2相关因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2)是在氧化应激造成组织损伤中起重要作用的氧化还原敏感转录因子，Nrf2通路是当前发现最为重要的内源性抗氧化应激通路[36]。XU等[22]研究发现，长期PM2.5暴露可诱导小鼠体内SOD水平显著增加，并导致BAT贮存库中氧化应激标志物3-硝基酪氨酸高表达以及WAT和BAT中转录因子Nrf2的表达增加，以上结果表明，长期PM2.5暴露可激活氧化应激信号通路，诱导内脏脂肪组织发生氧化应激，干扰脂肪代谢。也有研究表明，PM2.5暴露(2个月)可引起BAT中ROS产生增加、WAT中解偶联蛋白1(uncoupling protein 1，UCP1)的表达降低以及BAT和WAT中线粒体数量显著下降，引起BAT中抗氧化应激和脂肪组织功能下降，进而发生IR[37]。MENG等[38]研究了沙尘暴PM2.5对Wistar大鼠肺、心及肝组织氧化损伤的影响，实验组大鼠单次气管内灌注不同浓度(1.5、7.5、37.5 mg·kg-1)的PM2.5溶液，对照组大鼠气管灌注生理盐水，24 h后处死大鼠，观察SOD、GSH和硫代巴比妥酸反应物(thiobarbituric acid reactive substance，TBARS)的活性，结果显示，包头市和武威市的沙尘暴中PM2.5可引起大鼠肺、肝组织中SOD活性和GSH含量呈剂量依赖性降低，肺组织中TBARS含量呈剂量依赖性增加，提示气管内滴注PM2.5能诱导大鼠肺，心和肝脏不同程度的氧化损伤。然而，此研究发现，低浓度PM2.5灌注引起大鼠组织器官GSH含量升高，而高浓度PM2.5灌注则出现相反结果，出现双相变化的原因尚需要进一步的研究。

2.3内质网应激(endoplasmicreticulumstress，ERS) ERS是指在多种生理生化或病理状态下直接或间接中断蛋白质折叠过程，导致内质网腔内未折叠或错误折叠蛋白质的积累。内质网是真核生物细胞中具有蛋白质合成、折叠和分泌的一个精细的膜系统，也是Ca2+的主要储存场所。内质网在细胞内环境的动态平衡中发挥着重要作用，缺血缺氧、高血糖症、Ca2+浓度异常等均可触发ERS。面对应激，细胞会启动未折叠蛋白反应(unfolded protein response，UPR)，UPR一方面能高效清除内质网腔内未折叠或错误折叠的蛋白质，减少蛋白质合成；另一方面可加强内质网生物合成能力，增加伴侣分子的合成[39]，从而重建平衡以达到缓解ERS和保护细胞的目的。但是，ERS持续时间过长和(或)强度过大，内质网的动态平衡不能被重建，此时UPR会激活凋亡信号通路，如C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein，CHOP)通路和肌醇需求激酶1(inositol requiring enzyme 1，IRE1)-JNK通路等。研究表明，激活UPR的信号通路分别为双链RNA活化蛋白激酶PKR样内质网激酶(protein kinase-like endoplasmic reticulum kinase，PERK)信号通路、IRE1信号通路和活化转录因子6信号通路[40]。此外，葡萄糖调节蛋白78，又称作内质网分子伴侣免疫球蛋白重链结合蛋白(immunoglobulin heavy chain binding protein，BiP)，是UPR的中央调节器。胰岛细胞的主要功能是分泌胰岛素，内质网很发达，因此，对ERS非常敏感。越来越多的证据表明，空气污染介导的机体肝脏和胰腺细胞ERS可能是糖尿病发生发展的重要机制之一[41]。MENDEZ等[42]将实验组小鼠暴露于平均浓度为94.4 μg·m-3的PM2.510个月，对照组小鼠暴露于过滤的洁净空气，苏木精-伊红染色结果显示，与对照组小鼠相比，实验组小鼠WAT细胞浸润增加，F4/80染色证实WAT浸润的细胞是活化的巨噬细胞；免疫组织化学染色结果显示实验组小鼠WAT中Bip表达增加，表明PM2.5暴露可引起WAT发生炎症反应和激活ERS，进一步研究发现，在暴露PM2.5小鼠WAT内，通过IRE1α介导2种不同的UPR信号传导途径，即未折叠或错误折叠蛋白的内质网相关降解和mRNAs受调节IRE1依赖型降解。肺是气态污染物进入机体的首要靶器官，肝脏是化学物质和脂质代谢解毒的主要器官，暴露PM2.5可能靶向作用于肺和肝脏，活化巨噬细胞，激活ERS、UPR，刺激脂肪生成、脂质沉积和脂肪细胞分化，进而出现内脏脂肪炎症、IR、棕色脂肪线粒体脂肪改变和肝脏ERS，最终诱发糖尿病。为了明确PM2.5暴露介导的小鼠ERS信号通路，LAING等[43]研究在动物模型和细胞培养中PM2.5暴露对细胞内应激信号通路的影响。将实验组雄性C57BL/6J小鼠暴露在浓缩的PM2.5环境(曝露室内的平均浓度为74.6 g·m-3，每天暴露6 h，每周暴露5 d)10周，对照组小鼠暴露于过滤PM2.5的干净空气中。结果发现，暴露PM2.5可诱发小鼠肺和肝组织ERS和激活UPR。进一步研究发现环境PM2.5暴露通过激活PERK，导致真核起始因子2α(eukaryotic initiation factor 2α,eIF2α)磷酸化，进而介导UPR，并诱导C/EBP同源转录因子CHOP/GADD153。C/EBP同源转录因子CHOP/GADD153是PERK/eIF2α介导的UPR途径中的下游靶点之一[44]。此外，暴露于 PM2.5的小鼠肝脏和肺组织中CHOP的表达水平增加，表明ERS相关的细胞凋亡是通过PERK/eIF2α途径激活UPR通路，导致促凋亡因子CHOP的表达增加诱导的。CHOP是重要的促凋亡因子，可上调凋亡基因Bax/Bak，下调抗凋亡基因Bcl-2，导致胰岛β细胞凋亡[45]。总体而言，空气污染可介导ERS和UPR，进一步诱导胰岛β细胞凋亡，引起胰岛素分泌能力受损，进而导致糖尿病发生。

3 小结

众所周知，糖尿病是终生性疾病，一旦患病，会给家庭和社会带来沉重的经济负担，因此，从源头控制糖尿病的发生发展，明确其危险因素至关重要。近年来，空气污染日趋严重，空气污染与糖尿病的关系也被众多学者所关注。空气污染可能通过多种分子机制和信号通路以及交互作用对机体多组织、器官产生作用。因此，进一步明确空气污染对糖尿病的影响及其确切的发病机制具有重要意义，这有助于减轻空气污染对人体的危害，降低与空气污染有关的慢性疾病的发病率。