宫内发育迟缓对胰腺发育的影响

汤 琦，李 睿，张 然，陈小川

(西南大学动物科技学院，重庆 400715)

宫内发育迟缓(intrauterine growth retardation，IUGR)是由于子宫内外不利因素使胎儿生长发育缓慢，在妊娠期结束后导致出生体重降低的一种现象[1]。IUGR使新生儿早产并发症频发、死亡率增加[2]，并且IUGR胎儿在成年后有肥胖和患有代谢综合征的倾向[3]。胰腺作为体内最重要的内分泌器官，IUGR可通过损害胰腺发育来影响出生甚至成年后的胰腺内、外分泌功能。胰腺各发育阶段主要由多种转录因子共同调控，IUGR可通过干预胰腺发育各阶段转录因子的表达而影响胰腺结构和功能。因此，研究IUGR对胰腺各发育阶段的潜在分子机制有利于找到合适的治疗靶基因，在准确的时间用合适的药物来预防和减缓IUGR的发生，有利于减少后代死亡率和代谢综合征发病率。

1 IUGR产生原因

胎儿宫内发育迟缓主要是母体、胎儿和胎盘这三方面共同作用的结果，并且IUGR的严重程度取决于围产期受损程度和持续时间。母体营养水平和不良生活习惯均可诱发IUGR。母体饮食中缺乏维生素B6，B9和B12容易造成高同型半胱氨酸血症[4]，而缺锌容易使母体血清C反应蛋白(CRP)、TNF-α和IL-8三种重要炎性细胞因子升高以及胎盘中炎性细胞因子的调节因子NF-kB被激活[5]，最终导致IUGR。烟草中的有害物质，如尼古丁、CO等穿过胎盘并进入胎儿循环，使胎儿的氧气供应减少，脐动脉中的碳氧血红蛋白水平增加，抑制细胞氧气输送而使胎儿缺氧，也容易产生IUGR[6]。由于人类妊娠时间长和营养种类需求复杂，母体营养不良成为诱发IUGR的重要原因。

胎儿感染以及多胎也容易诱发IUGR。胎儿感染病毒，如弓形虫病，梅毒，风疹，巨细胞病毒和疱疹是造成IUGR的常见原因[7]。另外，临床上也发现双胎IUGR发生率明显升高，并且采用助孕技术受孕的双胎IUGR发生率明显高于自然妊娠胎儿[8]。胎盘作为连接母体和胎儿的中间调节者，在胎儿的生长发育过程中起重要作用。胎盘结构异常[9]、胎盘血管化减少[10]或胎盘功能不全降低了胎盘血流量，限制了胎儿对营养物质(如：氨基酸、葡萄糖等)、生长因子和激素的利用率[11]，使胎儿处于低氧和低血糖生长环境，从而在妊娠期间延迟生长导致IUGR。

2 IUGR对后代内、外分泌胰腺的影响

IUGR是胎儿早产后围产期死亡的第二大原因，生长受限胎儿在出生前有一半以上没有被发现或发生宫内死亡[12]。研究发现，IUGR新生儿经常出现各种围产期并发症，虽然IUGR个体在后天表现出追赶性生长以达到正常体重水平，但这些个体仍表现为智力和运动水平低下[13]。成年后，IUGR个体患2型糖尿病(T2DM)、肥胖、高血压、血脂异常和代谢综合征的风险显著增加[14]，这表明IUGR对新生儿的影响延续整体生命周期。1991年Lucas[15]提出了“代谢程序化”这个概念，Lucas认为如果胎儿在发育的关键或敏感时期受到刺激或损害，就会对生物体的结构或功能产生长期或永久的影响。IUGR可以持久性的损害胰腺发育来使胎儿消化和代谢系统等出现功能上的缺陷。胰腺由内分泌胰岛和外分泌腺泡组成，胰岛内分泌功能主要集中在β细胞，β细胞分泌的胰岛素是体内唯一降血糖的激素，而外分泌功能主要集中在腺泡细胞，腺泡细胞分泌的胰液有消化蛋白质、脂肪和糖的作用。

IUGR使内分泌胰岛细胞体积减小、β细胞质量减少，造成β细胞功能受损，从而导致胰岛素分泌较低，葡萄糖耐量降低以及成年后发生2型糖尿病的机率增加[16]。研究发现母体营养不良诱导的IUGR仔鼠β细胞质量明显减少，哺乳期正常喂养也不能恢复β细胞质量[17]。在妊娠后期高热诱导的IUGR胎羊中发现，由于β细胞有丝分裂速率降低，造成胰岛素阳性细胞面积减少，β细胞质量和增殖减少[18]。IUGR对外分泌胰腺发育的影响还研究得比较少，目前研究可以确认IUGR会导致外分泌腺泡细胞功能受损。Kolacek等[19]发现IUGR胎儿的胰凝乳蛋白酶浓度较低，Lebenthal等[20]发现母体胎盘血流量减少导致妊娠晚期胎鼠的淀粉酶和脂肪酶浓度选择性降低。此外，胰腺外分泌异常与1型糖尿病(T1DM)的相关性在很大程度上被忽视，T1D患者存在外分泌功能不全和腺泡萎缩，且患有较长期1型糖尿病(>1年)患者的腺泡变小且酶原耗尽[21]，非内分泌胰腺糖尿病被美国糖尿病协会和世界卫生组织列为继发性或3型糖尿病(T3DM)[22]。这些研究虽然没有直接揭示IUGR与外分泌胰腺发育的关系，但也提示IUGR可能通过影响胰腺外分泌发育而导致胰腺外分泌功能受损。

3 常见IUGR动物模型

与胰腺研究相关的IUGR动物模型的构建方法主要有低能量饮食法(CR)、低蛋白饮食法(LP)、子宫动脉结扎法(UAL)和热应激法，前三种动物模型主要用于大、小鼠这样的啮齿动物，而热应激模型主要用于绵羊等类型的大动物。CR和LP是在妊娠期间减少母体对饲料的摄入量或减少母体饮食中的蛋白质含量，从而减少母体对胎儿的营养供应和限制胎盘生长而导致IUGR。研究表明，自妊娠11 d起限制母鼠饮食(予正常50%)至妊娠结束，导致IUGR新生大鼠胰腺发育受损和胰岛面积减少[23]。在大鼠妊娠期或哺乳期或两个时期都进行LP喂养，所有情况下的蛋白质限制都导致β细胞面积减少和哺乳期结束时的胰岛形状不规则，并且出生后蛋白质限制导致β细胞和胰岛数量有更大程度的减少[24]。UAL是通过对动物子宫动脉进行结扎来减少子宫胎盘血流灌注量、胎盘营养物质和氧气的供应，产生突然的全身营养和氧限制而导致IUGR。在妊娠后期高热诱导的绵羊胎儿中发现，低氧血症和高儿茶酚胺血症可能有助于降低胰岛素阳性细胞面积，减少β细胞质量和增殖[18]。像绵羊和人类的胰腺在产前就已经发育成熟，而啮齿动物的胰腺发育在出生后仍在继续，如表1所示。因此，啮齿动物的胰腺在相对不连续的阶段发育，使得啮齿动物模型的β细胞受损能够与不同阶段的发育转变联系起来，而绵羊模型更接近人类胰腺的发育。

4 IUGR对胰腺各发育阶段的影响机制

胰腺的发育是许多转录因子在时空上选择性表达的结果(见表2)，根据胰腺发育各阶段特定祖细胞的形成顺序可以将胰腺发育分为胰腺发生、胰腺祖细胞分化和胰腺内分泌祖细胞分化这三个阶段[25-27]。胰腺发生阶段决定了胰腺是否发生，胰腺祖细胞分化阶段是祖细胞向内分泌祖细胞和腺泡祖细胞分化的过程，胰腺内分泌祖细胞分化阶段是内分泌祖细胞向胰岛α、β、δ、PP细胞分化的过程。IUGR对胰腺发育的影响主要是通过调控胰腺发育各阶段相关转录因子，这些转录因子之间相互作用，同时还受表观遗传学(如DNA甲基化、组蛋白修饰和miRNA修饰等)的影响。

4.1 IUGR对胰腺发生的影响

IUGR通过延迟或抑制胰腺发生导致最后的胰腺体积减小甚至胰腺缺失。胰十二指肠同源盒基因-1(pancreatic and duodenal homeobox 1，PDX-1)的表达是胰腺开始形成的标志，Pdx-1可促进肠内胚层背侧及腹侧的胰腺萌芽的生长分化。研究显示早在生长发育迟缓开始24 h后，IUGR胎鼠的Pdx-1 mRNA水平降低50%以上[28]。虽然Pdx-1在IUGR胎儿胰腺发生时期的变化没有直接研究，但IUGR可以通过调控转录因子Pdx1来控制胰腺发生。

表1 胰腺发育关键时期的物种比较

注：E：embryonic day，胚胎日；dGA：days of gestational age，天胎龄；wGA，weeks of gestational age，周胎龄；G：fraction of gestation，妊娠分数。

表2 人和小鼠胰腺正常发育各阶段相关转录因子

4.2 IUGR对胰腺祖细胞定向分化的影响

IUGR通过损害胰腺祖细胞的增殖和胰腺祖细胞向内分泌、外分泌细胞分化之间的平衡，造成胰腺祖细胞增殖减少，内分泌祖细胞和外分泌腺泡祖细胞形成能力降低，最终可能导致胰腺发育畸形、胰岛和腺泡数量减少、内分泌胰岛和外分泌腺泡功能受损。Pdx-1在早期外分泌腺泡发育、成熟和生长中也起重要作用，研究显示在小鼠胎龄13.5～14 d(E13.5～E14)，Pdx-1表达抑制导致腺泡数量减少且腺泡发育不成熟[29]。因此，IUGR胎儿胰腺中Pdx-1表达的持续降低会抑制外分泌腺泡形成。

成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factors，FGFs)作为细胞间信号分子能刺激DNA的合成和细胞分裂来促进细胞增殖和细胞分化，Fgfr2IIIb、Fgf7和Fgf10促进胰腺祖上皮细胞增殖[30]，在IUGR胎羊胰腺中发现Fgf7和Fgfr2IIIb的mRNA表达水平降低，并且胰腺祖上皮细胞减少[31]。

发状分裂相关增强子1(hairy and enhancer of split，HES1)能够抑制胰腺内分泌细胞分化而促进外分泌腺泡细胞分化。研究表明，Hes1缺陷的小鼠存在内分泌细胞提前发育而早熟，而外分泌腺泡细胞发生凋亡而发育不全的现象[32]。IUGR能显着增加母体和胎儿的糖皮质激素水平[33]，糖皮质激素通过上调外分泌转录因子Hes1的表达而有利于外分泌腺泡分化，同时使内分泌转录因子Pdx-1、Pax-6和Nkx6.1的表达下调而抑制胰腺祖细胞向内分泌细胞分化[34]。因此，IUGR可以通过上调糖皮质激素水平来增加Hes1浓度，从而调节胰腺内分泌和外分泌细胞分化之间的平衡，最终促进胰腺外分泌分化而抑制内分泌分化。

4.3 IUGR对胰腺内分泌祖细胞分化的影响

IUGR通过降低胰岛细胞增殖或破坏内分泌祖细胞谱系向α、β、δ、PP细胞分化的平衡，使胎儿胰岛面积减小、胰岛数量减少、胰岛细胞功能障碍以及β细胞质量降低。神经元素3(neurogenin-3，NGN3)是胰腺内分泌祖细胞标记物，决定胰腺内分泌细胞分化命运。Ngn3的下游靶基因包括Neurod1、Pax4、Arx、Insm1、Rfx6、Nkx2.2，这些转录因子与内分泌分化相关。研究发现，Ngn3基因敲除的小鼠没有胰腺内分泌细胞[35]，且Pdx1启动子下的Ngn3异常表达诱导胰腺祖细胞过早分化为主要是α细胞的内分泌细胞[36]。在妊娠期低能量饮食的胎鼠胰腺中发现Ngn3阳性细胞数量在E15时减少[37]。以上研究提示，IUGR通过下调Ngn3的表达而抑制胰岛细胞形成或损害内分泌祖细胞分化。

Pdx-1能抑制胰岛细胞凋亡，研究表明在Pdx-1敲除的胰岛细胞中抗凋亡蛋白减少而凋亡相关蛋白活性增强[38]，说明IUGR可以通过下调Pdx-1水平使胰岛细胞凋亡增加。此外，血管内皮生长因子A(vascular endothelial growth factor A，VEGFA)在胰岛中的作用是使胰岛增生和血管内皮细胞增加。在低蛋白饮食(LP)胎儿的研究发现，β细胞质量减少与β细胞增殖受损和晚期胰岛血管形成减少有关[35]。IUGR通过下调VegfA的表达使早期胰岛血管密度降低，从而导致胰岛发育受损[39-40]。

肌腱膜纤维肉瘤癌基因同源物A(macrophage-activating factor A，MAFA)是β细胞特异性转录因子，其特异性归因于MafA启动子特异性结合Pdx1、Nkx2.2和Foxa2[41]，而这些转录因子又与胰腺内分泌祖细胞的分化相关。同时，研究发现MafA既可以增强Pdx1将Ngn3阳性内分泌祖细胞诱导β细胞形成的能力，还能够使Pdx1将定向的胰高血糖素阳性α细胞转分化为β细胞[42]。在IUGR大鼠胚胎后期直至出生时的胰腺中，MafA的mRNA和蛋白质的表达量一直降低[43]。因此，IUGR可以通过降低MafA表达来抑制β细胞形成。

4.4 IUGR对β细胞增殖分化和存活的影响

除了早期胰腺在宫内的发育之外，已有大量的研究证明在出生后的β细胞生长过程中，IUGR通过增加β细胞凋亡、降低β细胞增殖和存活，最终使β细胞数量减少或质量降低。

胰岛素样生长因子(insulin-like growth factors，IGFs)可以通过改变β细胞复制和凋亡的平衡来调节β细胞增殖分化和存活，而它们的结合蛋白(IGFBPs)可以抑制或增强IGF活性。在绵羊上的研究发现，IUGR胎儿胰腺中IGF-1的mRNA表达水平降低，而IUGR胎儿胰岛中IGF-2的mRNA表达水平升高[31]。另一项研究也表明，促进细胞生长和存活的生长因子IGF2、IGF1R和IGF2R在IUGR胎儿胰岛中均上调，而IGF2BP1则减少了2.9倍[44]。IGFBPs水平的降低有助于增强IGF与IGF-1R/2R的相互作用而降低IGF浓度，而IGF-2水平的升高可以通过抑制糖原合成酶激酶3而部分抑制β细胞凋亡，促进新生大鼠胰岛β细胞存活[45]。以上研究提示，IUGR一方面通过降低IGF-1来抑制β细胞增殖和分化，而另一方面IGF-2的局部升高可能是对β细胞再生的一种补偿调控。

Pdx-1表达对于胰岛β细胞增殖、分化和存活也是必需的。Pdx-1的表达在IUGR胎儿的β细胞中永久性地减少[46]，其主要影响机制为表观遗传修饰中的甲基化和乙酰化。从IUGR胎儿中分离的胰岛显示在Pdx-1的近端启动子处的H3和H4的脱乙酰化而失去USF-1结合，USF-1是Pdx-1转录的关键激活剂，其结合减少显着降低Pdx-1转录[47]。此外，在IUGR动物β细胞中组蛋白甲基转移酶(SET7/9)与Pdx-1的近端启动子的结合丧失，其导致Pdx-1区域中H3K4的甲基化显着减少，Pdx-1的转录被抑制，其表达量降低[27]。因此，IUGR可以通过在妊娠后期持续性的抑制Pdx-1表达来降低β细胞增殖。

5 展望

IUGR成因复杂且对人类疾病和动物生产影响巨大。目前，IUGR对胰腺发育的研究主要集中在内分泌β细胞，而外分泌腺泡和导管占据胰腺大部分结构，其外分泌功能异常会造成胰腺炎、胰腺癌和3型糖尿病等疾病，因此IUGR是否通过损害外分泌胰腺发育来影响外分泌功能仍然值得深入研究。与此同时，由于Pdx-1在胰腺各发育阶段都发挥重要作用，因此目前胰腺发育相关转录因子的研究主要围绕Pdx-1展开，然而胰腺发育受损是多种转录因子共同作用的结果，因此除Pdx-1之外的其他重要转录因子在IUGR上的变化还有待进一步的研究。此外，miRNA是一类在转录后水平上调控基因表达的小分子RNA，miRNA可以通过结合特定的转录因子来抑制其表达，从而影响胰腺发育。已经有大量的研究证明miRNA与胰腺发育和β细胞存活有关[48-49]，因此，表观遗传修饰除了DNA甲基化和组蛋白修饰外，miRNA修饰可能是IUGR调节胰腺发育相关转录因子表达的一种新机制，也是未来研究的新方向。