镉（Cd）作为一种剧毒重金属，存在于各种环境中，已经有流行病学研究证明镉暴露和糖尿病之间有紧密关联。在目前已有的研究中，证明了通过饮用水接触镉会致使机体血糖水平上升和血清胰岛素水平下降，导致葡萄糖耐受不良并抑制 C57/6J 小鼠胰腺中的胰岛素表达，但仍然很有必要在动物模型和人类研究中进行整合，以证明环境镉暴露的毒性机制与人类糖尿病病发之间可能存在的联系。
2022年2月13日，来自浙江大学的周舟团队在环境科学的高水平期刊Environment International (IF 9.6)发表了题为“Cadmium perturbed metabolomics signature in pancreatic beta cells correlates with disturbed metabolite profile in human urine”的报道。在本研究中，通过体内体外多层次的研究，极大地扩展了镉暴露下对胰腺 β 细胞的代谢毒性的理解，为揭示环境有害因素暴露致糖尿病的发生提供了实验与人群的依据。另一方面，也指出了可以通过尿液检测来检测镉暴露的毒性影响，以及在人群水平上通过饮用水减少镉暴露的重要性。EI杂志主编与三位审稿人高度评价了这一实验与人群研究相结合的创新工作。其中，中科新生命参与了本研究中非靶代谢组学的相关工作。
研究材料
8 周龄雄性 C57BL/6J 小鼠；MIN6 细胞；镉暴露人群及正常人群尿液
技术路线
· 步骤1：动物模型证实镉暴露在体内和体外胰腺β细胞产生功能障碍的关系；
· 步骤2：体外分析胰腺β细胞由镉暴露引发的代谢物及mRNA扰动；
· 步骤3：镉暴露人群尿液代谢组学分析；
· 步骤4：构建镉暴露扰动代谢网络。
研究结果
镉暴露处理的小鼠出现了明显葡萄糖代谢失调，血糖水平在第三周和第六周显著增加。此外，在腹腔葡萄糖耐受实验中，镉暴露小鼠也显示出了血糖水平升高和血清胰岛素水平降低的情况。对镉暴露小鼠胰岛进行H&E染色和免疫荧光染色，观察到胰岛组织出现形态学损伤和β细胞明显减少。
图1 H&E染色和免疫荧光结果
为了进一步验证镉暴露是否在体外诱导胰腺 β 细胞功能障碍，在体外使用CdCl2 处理MIN6细胞，发现细胞活力和胰岛素分泌会受到CdCl2浓度和处理时间的影响。通过以上体内和体外两部分数据表明镉暴露会导致葡萄糖耐受不良、胰岛受损并会抑制胰腺 β 细胞胰岛素分泌。
2. MIN6细胞镉暴露后出现整体代谢紊乱
对镉暴露24小时后的MIN6细胞进行LC-MS非靶向代谢组学检测，多维统计学分析结果显示组内样本聚集趋势紧密，镉暴露与正常MIN6细胞分离趋势明显，根据VIP>1，P value <0.05筛选出对差异影响较大的代谢物76种，主要类别是核苷、核苷酸和类似物、有机酸和衍生物、脂质和类脂分子，这表明镉暴露会导致 MIN6 细胞中的显着代谢紊乱。
图2 镉暴露及正常MIN6细胞代谢组PCA及OPLS-DA分析
对差异代谢物进行亚细胞分析，有28种代谢物位于线粒体中，主要是核苷、核苷酸和类似物、有机酸及衍生物、脂质和类脂质分子。其中有7 种代谢物同时存在于线粒体和内质网中，6种代谢物同时存在线粒体和溶酶体中。线粒体、溶酶体和 ER 中共存在 4 种代谢物，表明这些细胞器在代谢上与毒性有关。此外，过氧化物酶体被认为是脂质和氧化还原信号网络中的关键枢纽，而镉暴露后过氧化物酶体和线粒体有9种代谢物同时存在，这表明细胞线粒体功能和氧化应激可能会受到毒性的干扰。
3.镉暴露毒性与线粒体功能受损有关
进一步借助KEGG数据库对代谢通路和功能进行分析，发现10种脂毒性相关代谢物浓度伴随镉暴露升高，并与位于线粒体中的代谢物密切相关，这些结果也支持线粒体作为镉暴露代谢毒性的主要靶细胞器。对MIN6 细胞和小鼠胰腺中调节线粒体 TCA 循环和相关脂肪酸氧化的基因的 mRNA 表达进行了检测，发现相关基因表达均受到严重扰动，表明镉暴露通过失调基因表达损害线粒体 TCA 循环和相关的脂肪酸氧化。
图3 TCA循环及脂肪酸氧化相关基因表达
4.镉暴露人群与正常人群尿液样本代谢组学分析
对比分析了15名高浓度镉暴露工人和15名健康人的尿液样本，共鉴定出53种差异代谢物（VIP>1,P value<0.05）,对排名前20的代谢物进行ROC分析， AUC 值在 95% 置信区间内介于 0.867 和 1 之间，表明这些代谢物具有良好的预测性能。对代谢物进行KEGG分析，发现多种代谢通路扰动同时存在于人尿和胰腺β细胞中，这些结果表明，镉暴露对线粒体代谢的毒性可以通过尿液中的代谢物来指示。
5. 镉暴露的代谢毒性及其影响机制
从尿液与胰腺β细胞中共存的扰动代谢物和糖尿病的代谢物标志物进行重叠，筛选出L-谷氨酰胺、硫胺素和牛磺酸这三种代谢物，进行ROC分析，发现AUC值处于0.751-0.960之间。这些结果表明，在MIN6 细胞中鉴定出的扰动代谢物与人类接触镉的产生的代谢毒性密切相关，且镉暴露使人群尿液中的糖尿病相关生物标志物含量显著上升。
图4 糖尿病标志物及镉暴露扰动代谢物
6. 镉暴露对 TCA 循环和甘油磷脂代谢影响的通路图
根据细胞和人群中鉴定到的扰动代谢物数据和在 MIN6 细胞和小鼠胰腺中的验证结果，绘制出了镉暴露对线粒体 TCA 循环和甘油磷脂代谢的影响通路图。
图5 镉暴露对TCA 循环和甘油磷脂代谢影响的通路图
小编小结
本文通过非靶向代谢组学在多层次上描绘了镉暴露对机体代谢的影响，在亚细胞器水平上挖掘与描绘了镉暴露的代谢毒性，并提出了尿液中相关代谢物的含量检测可以作为检测镉暴露对机体代谢毒性的一种手段。这一工作首次揭示了镉诱导的代谢紊乱在胰岛β细胞功能障碍中的重要作用，强调了从人群水平控制镉暴露降低糖尿病发病风险的重要性。
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