宫内发育迟缓导致成年糖尿病的研究进展

戴程婷 李一卉 袁逸 袁庆新

南京医科大学第一附属医院内分泌科 210029

宫内发育迟缓(IUGR)又称为胎儿发育迟缓(FGR)，是指胎儿出生体重低于胎龄平均体重的第十百分位数。美国IUGR的发生率高达10%，我国IUGR的发生率约3%～10%。目前研究已经证实，IUGR的病因包括母体因素、胎儿因素和胎盘因素。研究发现，IUGR胎儿的胰岛体积减小，β细胞数量减少，胰岛素分泌减少，出生后出现生长追赶，发生高胰岛素血症，成长过程中胰岛功能下降或者胰岛素抵抗(IR)，成年后易发生糖尿病[1]。本文重在阐述表观遗传和氧化应激等机制在IUGR导致成年糖尿病中的作用。

1 IUGR胎儿胰岛变化的特点与成年糖尿病的发生

1.1 正常胚胎胰腺发育过程 胚胎胰腺的发育经历早、中、晚3个时期。以大鼠为例，早期(E8.5d～E12.5d)，原始胰腺开始出现；中期(E13d～E15.5d)是胰腺内分泌和外分泌细胞分化和增殖的关键阶段，此时典型胰岛结构开始形成；晚期(E16d～E21d)功能细胞进一步成熟和完善；出生后第1周，外分泌胰腺大量生长，形成新的腺泡[2]。出生后3周内，新生鼠的胰岛β细胞出现凋亡，同时伴随新的胰岛细胞再生，至此，胰岛发育正式完成，这一过程被称为胰岛重塑。

人的内分泌细胞分化始于孕第7周；孕第12周时，人体胰腺基本成形，成为有腺泡、导管和胰岛结构的胰腺组织。孕第21～26周，胰岛形成。新生儿出生后第1个月内，胰岛细胞凋亡增加，同时新的细胞产生，经历这个胰岛重塑过程，胰岛细胞数量保持恒定[2]。

在胰腺发育和胰岛β细胞功能完善的过程中，有众多因子参与及调控。转录因子是最重要的组成部分，胰-十二指肠同源盒基因-1(PDX-1)和Nkx2.2是胰腺前体细胞的标志物； PDX-1、Ptf1a、Nkx2.2、Nkx6.1、Hb9、Hex、Hnf6、Foxa2(Hnf3β)在内、外分泌分化前的前体细胞中共表达；Ngn3是内分泌前体细胞的标志，来源于Hnf1β+的导管上皮细胞；Nkx6.1是β细胞的标志。SNARE复合体是胰岛素释放过程中所必须的分子构件，Munc、Rab、Synaptotagmin等蛋白家族的不同成员在其中起关键调节作用。

1.2 IUGR后代胰岛变化的特点 既往研究发现，在IUGR后代中胰岛体积减小，β细胞数量减少，胰岛素分泌降低。在E18d～E19d用子宫动脉结扎法建立IUGR大鼠模型，结果显示，IUGR鼠在7周龄之前由于胰岛重塑及生长追赶的作用，其胰岛β细胞形态规则，胰岛细胞数量、胰岛体积和胰腺重量与正常对照组无明显差别，但到15周龄时，β细胞质量是正常对照组的50%，此后持续下降，到26周龄时，胎儿β细胞质量仅为正常对照组的三分之一。

1.3 IUGR与成年糖尿病的发生 动物模型表明，IUGR大鼠出生时体重明显低于对照组，但出生7～10周幼仔表现出赶超生长并超过对照组，在26周龄时比对照组明显肥胖；IUGR大鼠出生1周时血糖及血胰岛素水平与对照组无明显差别，出生后7～10周出现轻度的空腹血糖升高和高胰岛素血症，在26周时发生糖尿病。利用链脲佐菌素(STZ)造模的糖尿病小鼠后代也发生同样的改变。目前在多个国家和种族中的流行病学调查都证实,胎儿发育迟缓是糖耐量异常和成年2型糖尿病的独立危险因素[1]。“节俭表型假说”认为，各种原因导致的IUGR胎儿在出生后食物摄入和脂肪沉积增加，能量输出减少。充足的热量使机体稳态调节机制发生改变，产生高胰岛素血症，胰岛功能逐渐下降，成年后发生外周性和中枢性胰岛素抵抗，最终导致个体发生代谢综合征，特别是糖尿病[3]。也有研究显示，IUGR的后代中由于影响胰岛素释放的因子异常，如Munc13-1等表达的改变，导致血糖异常[4]。

2 IUGR导致成年糖尿病发病的机制

2.1 IUGR通过表观遗传影响胰腺发育 表观遗传学是研究基因的核苷酸序列不发生改变的情况下，基因发生可遗传性改变的一门遗传学分支学科。常见的表观遗传现象包括DNA甲基化、组蛋白修饰和RNA编辑。

2.1.1 DNA甲基化影响胰腺发育 DNA甲基化是通过DNA甲基转移酶(DNMT)在CpG二核苷酸的5′-碳胞嘧啶碱基的位置发生共价加甲基的过程。研究表明，参与胰腺发育和胰岛素分泌的基因DNA甲基化改变可能导致表观遗传失调，从而使暴露于糖尿病患者宫内环境的个体将来患糖尿病的风险增加[5]。

DNA甲基化的建立和维持主要依赖于DNMT的参与[6]。其中主要的是DNMT1，其具有胞嘧啶甲基转移活性，可调节细胞内甲基化过程。在DNMT1催化活性缺失的突变斑马鱼中发现，DNA甲基化程度明显下降，斑马鱼胚胎最初胰腺形态正常，受精84 h后胰腺开始退化，腺泡细胞大面积凋亡，虽然内分泌细胞、导管可以幸免，但是整体胰岛功能明显下降[7]。

胰岛素样生长因子2(IGF2)是胎儿宫内生长发育的重要印迹基因，与IUGR的发生显著相关[8]。IGF2/H19印迹基因在人定位于染色体11p15.5，通常由差异性甲基化区域(DMR，也称DMD)即印迹控制区调节表达[9]。IGF2的印迹作用受H19上游的H19 DMR调节，母系来源的H19基因DMR未甲基化区域可与CCCTC结合因子结合，阻断IGF2与H19下游增强子的结合，从而抑制IGF2的表达[10]。由STZ诱导的母体高血糖症小鼠模型中，糖尿病鼠后代H19-IGF2印迹区的甲基化增加，IGF2和H19的表达降低，提示IGF2表达降低和低出生体重有关[7]。同样，对1944—1945年经历荷兰饥饿冬季的个体的研究发现，暴露于饥荒的成年人与未暴露的同性兄弟姐妹相比，IGF2甲基化水平显著降低[11]。随后相同的队列研究对生长和发育相关的15个基因座的差异甲基化进行分析，发现ATP结合盒转运蛋白-1的甲基化存在显著差异。表明H19-IGF2甲基化影响了胰腺细胞的发育，最终导致成年糖尿病的发生[12]。

过氧化物酶体增殖物活化受体γ(PPARγ)协同刺激因子(PGC)-1α是一个联系营养信号和能量代谢的重要节点，对能量平衡有重要的调控作用。最新研究表明，宫内发育受限而生后追赶生长(CG-IUGR)的环境可能共同介导了PGC-1α启动子DNA甲基化水平及PGC-1α转录活性的持续性改变，这可能是 CG-IUGR导致大鼠成年期IR的重要机制之一[13]。

2.1.2 组蛋白修饰影响胰腺发育 组蛋白修饰是指组蛋白在相关酶作用下发生甲基化、乙酰化、磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等修饰的过程。其中最主要的是组蛋白甲基化、乙酰化。

PDX-1是一种含有同源结构域的转录因子，PDX-1的表达发生在胚胎8.5 d，参与胰腺的发育和分化，促进胰岛β细胞增殖，抑制其凋亡，是调节胰腺生长、发育和β细胞特异性基因表达的特异性转录因子，也是胰腺干细胞发育过程中表达的第一个分子标志[14]。在IUGR小鼠胚胎发育过程中，PDX-1和特异性组蛋白3赖氨酸4(H3K4)甲基转移酶set蛋白家族成员set7/9协同作用并将其招募到胰岛素启动子，介导其基因近端启动子H3甲基化，二者能够以依赖DNMT的方式发挥协同作用而增强基因表达的活性。在小鼠孕期，使β细胞中PDX-1特异性失活，妊娠晚期可观察到胚胎的胰岛素分泌细胞增殖减少，进而转化为β细胞的数量也减少，并且在成熟胰岛β细胞中，敲低PDX-1表达也会导致糖尿病。

2.1.3 RNA编辑影响胰腺发育 RNA编辑主要发生在微小RNA(miRNA)，现有研究表明，miRNA-15a、miRNA-15b、miRNA-16、miRNA-195参与胰岛β细胞发育和胰岛再生。

新生IUGR大鼠即存在肝组织胰岛素受体底物(IRS)-2信号和骨骼肌IRS-1信号转导障碍，直接导致胰岛素信号不能正常下传或转导减弱，进而直接影响了组织对细胞外糖的摄取和利用，造成组织IR，并且这一变化在生后3周(相当于青春期前)时仍不能恢复，与个体在3周龄时IR密切相关。胎鼠出现肝IRS-1 mRNA(雌性大鼠妊娠第19天)、IRS-2 mRNA(雌性大鼠妊娠第15天)的表达下降以维持机体低水平的代谢状态，可能与其生长迟缓和成年期IR的发生有关[3]。

PPARγ控制脂肪的储存和释放，维持机体能量平衡，调节IR及血糖的稳定，促进脂肪细胞基因表达，在脂肪细胞分化的全过程特别是在脂肪细胞分化的早期，起正向调节作用。研究表明，缺氧使PPARγ mRNA表达下降，导致胎盘功能不全[15]。

随着研究的逐渐深入，研究者发现长链非编码RNA(lncRNA)作为一类新兴的转录本在人类早期胚胎发育过程中也起着重要的作用[16]。在小鼠胎盘组织中，lncRNA诱导特异性基因沉默，抑制蛋白质复合物的合成，从而影响胎盘的正常发育[17]。LncRNA NEAT1(核旁突组装转录物1)过表达使胎盘绒毛滋养细胞中paraspeckles增加，导致胎盘功能异常[18]。

2.2 IUGR通过氧化应激、内质网应激影响胰腺发育 氧化应激是指体内氧化与抗氧化作用失衡，导致中性粒细胞炎性浸润，蛋白酶分泌增加，产生大量氧化中间产物。研究表明，胎儿IUGR与氧化应激增加有关[19]。在生长发育迟缓的胎儿中氧含量明显降低，导致电子传递链的复合物活性降低和活性氧簇的产生增加。β细胞易受活性氧簇的攻击。活性氧簇过量产生损害葡萄糖刺激的胰岛素分泌，减少β细胞关键基因的表达，并诱导细胞死亡。同时，活性氧簇的过量产生引发多种氧化反应，不仅导致细胞蛋白质、脂质和核酸中的氧化损伤，而且导致线粒体中的氧化损伤。IUGR胎儿以重编程线粒体功能作为适应性改变。β细胞是一类具有高能量需求的细胞，其依赖ATP的生成来诱导胰岛细胞增殖和胰岛素分泌。线粒体功能的改变可能对β细胞产生有害影响。

内质网具有合成、翻译后修饰以及转运膜和分泌蛋白的功能。内质网稳态的破坏会导致蛋白质错误折叠及异常糖基化，降低蛋白质的生物活性。研究表明，内质网应激抑制胎盘蛋白合成是IUGR中胎盘病理生理学的一个特征[20]。过量的蛋白质合成会加重胰腺中的内质网应激，促进前胰岛素的积累和β细胞凋亡，导致糖尿病的发生。在孕期，胎盘内分泌细胞中的内质网应激影响IGF2和其他蛋白的翻译后加工，导致其生物活性改变。

3 早期干预IUGR以预防糖尿病的发生

IUGR导致子代发生糖尿病的风险明显增加。因此，早期预防显得尤为重要。胎盘营养不良是发生IUGR的首要原因，因此，孕妇应保证充足的热量及蛋白质摄入，避免IUGR的产生。对大鼠的研究显示，孕期运动可能逆转或重编程IUGR的长期代谢作用[21]。因此，孕妇可以通过适当运动降低IUGR的发生。

IUGR高蛋白喂养组小鼠从出生后至8周的生长曲线显示，IUGR高蛋白喂养组仔鼠出生后早期能够尽快完成追赶性生长，表明早期强化喂养对促进IUGR生长是有积极意义的。但是对追赶性生长后的小鼠研究发现，其成年后发生糖尿病的风险极大[3]。因此，IUGR胎儿出生后是否给予高蛋白饮食喂养以促进其生长发育仍存在较大争议。

Gatford等[21]进行的IUGR大鼠运动实验表明，早期(7～15周)运动锻炼能有效促进IUGR后代的胰腺分泌，预防IR，增加胰岛素敏感性。因此，运动干预对改善青少年的胰岛功能至关重要。

胰高血糖素样肽-1(GLP-1)可提高糖尿病模型大鼠的糖耐量，促进β细胞再生和修复，增加β细胞增生和新生，并抑制β细胞凋亡，提高β细胞质量和数量，增加β细胞葡萄糖敏感性，促进胰岛素的合成与分泌。研究报道，在新生儿期给予长效GLP-1激动剂exendin-4可阻止IUGR大鼠肝脏中氧化应激的发展，逆转胰岛素信号转导缺陷，防止发生成年糖尿病，因此，exendin-4可逆转IUGR胎儿的不良后果，恢复胎儿的葡萄糖耐量，并防止肝IR的发展[22]。但是临床上，关于GLP-1类似物是否能用于治疗新生儿糖尿病及青少年糖尿病尚存在争议。

综上所述，IUGR不仅从营养状态、下丘脑-垂体-肾上腺轴方面影响胰腺发育，还从表观遗传、氧化应激和内质网应激的不同方面严重影响新生儿胰腺的生长发育，极大地增加了后代发生糖尿病的风险。这为预防和治疗IUGR导致的糖尿病提供了新的靶点。