湖南农业大学食品科学技术学院全威讲师等:膳食丙烯酰胺暴露对2型糖尿病大鼠血糖代谢及脏器功能的影响

2023-06-02作者:来源:责任编辑:食品界 字体A+AA-

2型糖尿病是因胰岛素相对缺乏、胰岛素抵抗或胰岛素信号传导受损造成的一种严重慢性疾病和复杂代谢紊乱,目前已成为当今社会威胁人类健康的主要问题。当前对2型糖尿病患者的日常管理和综合治疗中,饮食管理是最基础也是最重要的环节。丙烯酰胺是一种具有致畸、致突变作用的2A类致癌物和公认的神经毒性化合物,一些基于流行病学和动物实验的研究发现长期摄入丙烯酰胺会造成机体空腹血糖上升,胰岛细胞凋亡和氧化和炎症应激等情况的发生,这些都是2型糖尿病及其并发症发生和发展的重要影响因素,但膳食丙烯酰胺暴露是否会对糖尿病机体的血糖代谢和其他脏器组织功能产生不良影响目前还尚未可知。

湖南农业大学食品科学技术学院的谢依婷、全威*和湖南食品药品职业学院的彭非等人通过血清生化分析、组织病理学分析以及尿液和血液代谢组学分析相结合的手段,评估膳食丙烯酰胺暴露对于糖尿病模型GK大鼠糖尿病及其并发症的发生和发展造成的影响,以期评估膳食丙烯酰胺暴露对糖尿病患者的健康风险并为指导糖尿病患者更加健康的饮食管理和干预提供一定的理论依据。


1、丙烯酰胺对GK大鼠常规指标的影响

实验期间观察发现对照组GK大鼠毛色暗淡,饮水及排尿量较多,精神状态一般,体质量增长较缓慢。而丙烯酰胺组大鼠精神状态不好,活动明显减少,步态异常且出现震颤现象,如图1A所示,丙烯酰胺组大鼠体质量增长较对照组明显减慢,并且丙烯酰胺组大鼠体质量在第5周后有所降低,最终在第7、8周时显著低于对照组(P<0.05)。从图1B所示的大鼠24 h进食量和进水量结果可以看到,与对照组相比,丙烯酰胺组大鼠的进食量和进水量均显著减少(P<0.05)。


2、丙烯酰胺对GK大鼠血糖代谢的影响

GK大鼠是一种成熟的非肥胖自发性2型糖尿病模型大鼠,对照组GK大鼠空腹血糖处于6~8mmol/L之间(图2A),表现为轻度空腹高血糖,而丙烯酰胺组大鼠血糖水平从第五周开始上升,并显著高于对照组(P<0.05)。此外,大鼠的空腹胰岛素浓度结果显示(图2B),丙烯酰胺组大鼠空腹胰岛素浓度显著高于对照组(P<0.05),提示丙烯酰胺组大鼠可能存在胰岛素敏感性降低的情况。如图2C所示,丙烯酰胺组JC-1单体比例较高,表明长期摄入丙烯酰胺会导致大鼠胰岛细胞线粒体膜电位处于较低的水平,显著低于对照组(P<0.05),使得葡萄糖刺激产生的ATP减少,进而导致在葡萄糖刺激下,正常胰岛细胞的胰岛素分泌功能异常,从而对血糖代谢产生不良影响。这些数据表明长期摄入丙烯酰胺会影响糖尿病模型鼠的血糖代谢功能,并加速机体空腹血糖水平的升高。

对GK大鼠进行葡萄糖负荷实验(OGTT),从图2D所示的结果来看,经灌胃给予2 g/kg mb葡萄糖溶液后,30 min内丙烯酰胺组和对照组大鼠血糖值迅速升高。到60 min时对照组大鼠血糖值逐渐下降,但丙烯酰胺组大鼠血糖值仍维持在较高水平,并显著高于对照组(P<0.05)。从OGTT曲线下面积(图2E)也可以看出,丙烯酰胺组结果也显著高于对照组(P<0.05),结果表明长期摄入丙烯酰胺会加剧糖尿病大鼠糖耐量损伤程度。在此基础上进一步对丙烯酰胺暴露大鼠进行了胰岛稳态模型分析,图2F结果表明丙烯酰胺组HOMA-IR和MBCI值均显著高于对照组(P<0.05),提示连续8 周摄入丙烯酰胺会加剧GK大鼠的胰岛素抵抗,并影响胰岛β细胞的正常胰岛素分泌功能,对血糖代谢和血糖负荷造成严重的不良影响。

3、丙烯酰胺对GK大鼠氧化和炎症应激的影响

如图3所示,丙烯酰胺暴露的大鼠血清中SOD(总SOD和Mn SOD)活性和MDA浓度显著高于对照组(P<0.05),而GSH浓度显著低于对照组(P<0.05),表明长期摄入丙烯酰胺会引起大鼠体内氧化应激水平提高。如图3D所示,与对照组相比,丙烯酰胺组大鼠血清的TNF-α水平显著升高(P<0.05),表明长期摄入丙烯酰胺会引起大鼠体内的炎症反应。长期摄入丙烯酰胺造成的大鼠体内炎症和氧化应激水平升高可能是影响糖尿病大鼠血糖代谢的重要因素,并且可能对其他脏器组织造成不利影响。



4、丙烯酰胺对GK大鼠脏器功能的影响

如表1所示,与对照组相比,丙烯酰胺组大鼠血清ALP活力和UREA浓度显著降低(P<0.05),表明其对大鼠肝脏和肾脏功能产生了一定的影响。其他指标包括AST、CREA、TP、TC、TG、HDL-C、LDL-C水平在各组间的差异不显著(P>0.05)。


由图4A可见,丙烯酰胺组肝细胞轻微脂肪变性,门管区周围可见轻微多灶性炎细胞浸润。如图4B所示,对照组大鼠胰腺组织可见胰岛形状不规则,胰岛细胞排列紊乱和间质轻度纤维化,符合糖尿病模型大鼠的胰腺病理特征。而观察丙烯酰胺组大鼠胰腺发现,其胰岛呈不规则形状,胰岛β细胞排列紊乱且数量显著减少,胰岛β细胞间质呈中度纤维化。表明长期摄入丙烯酰胺会加重GK大鼠胰腺病理改变的程度,这符合前面观察到的丙烯酰胺组GK大鼠糖耐量受损加剧以及胰岛素分泌功能受损等结果。

从图4C可见,对照组大鼠肾脏皮质和髓质结构和界限清晰,未见肾小管扩张、肾小管上皮变性、肾小球间质充血、水肿及炎细胞浸润等异常病理改变。丙烯酰胺组大鼠也同样未观察到明显的肾脏病理改变。从图4D可见,对照组大鼠腓肠肌组织结构正常且完整,肌纤维排列整齐,神经纤维轴突无变性和脱髓鞘等病理变化。而丙烯酰胺组大鼠的腓肠肌呈现轻微的肌纤维萎缩,以及肌肉组织中神经纤维中度轴突变性等病理改变。

5、丙烯酰胺对GK大鼠血清和尿液内源代谢物的影响
大鼠血清和尿液代谢物的GC-TOF-MS数据经过Pareto缩放和对数转换预处理后,由SIMCA 14.0软件进行多元统计分析,并筛选差异性内源代谢物。图5A、B所示的是代谢组学分析中常用的无监督多元统计分析方法PLS-DA的得分图,从图中可以看出实验组和对照组的血清和尿液代谢物样本完全分开,前两个主成分得分在61.3%~66.5%之间,达到了建模要求。


通过对组间差异性变量进行VIP和火山图分析,以确定差异性内源代谢物。图5C、D中左上方或者右上方在平行于Y轴直线以上的点为具有显著统计差异(T检验P<0.05)的代谢物(蓝色和红色分别代表显著下调和上调的代谢物)。经过与LECO Fiehn代谢物数据库匹配分析后,丙烯酰胺组大鼠尿液和血清中定性的差异代谢物分别有10 种和8 种,其中丙烯酰胺组大鼠血液中主要差异代谢物为亚精胺、L-酪氨酸、草氨酸盐、甘油酸、葡萄糖-6-磷酸盐、腐胺、抗坏血酸和肌醇;而尿液中的差异代谢物主要是一些有机酸包括马尿酸、柠康酸、苯乙酰甘氨酸、N-乙酰基亮氨酸、喹啉酸(QUN)、葡萄糖酸、尿囊酸以及氨基酸和氨基酸的前体包括L-色氨酸(L-Trp)以及5-羟甲基色胺(5-HTP)等,这些差异代谢物的相关信息见表2。

6、血清和尿液代谢物通路富集分析
如图6A、B所示。长期摄入丙烯酰胺对GK大鼠体内磷酸戊糖代谢途径、精氨酸和脯氨酸代谢、抗坏血酸代谢、淀粉和蔗糖代谢、色氨酸代谢、磷酸肌醇代谢及苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸代谢等氨基酸代谢和糖代谢途径产生了明显影响。

讨 论
作为膳食中的重要伴生危害物,长期摄入丙烯酰胺对糖尿病模型GK大鼠糖尿病病程进展(包括糖尿病和糖尿病并发症)有显著不良影响,会导致GK大鼠胰腺病理改变程度加剧,胰岛细胞线粒体膜电位处于较低的水平,从而影响胰岛细胞正常的葡萄糖刺激的胰岛素分泌功能,导致GK大鼠空腹血糖浓度上升,糖耐量受损等糖尿病进展恶化的症状。还会引起GK大鼠体内氧化应激水平升高,干扰氨基酸代谢、糖代谢通路等进而对GK大鼠肝脏疾病和中枢神经系统造成不良影响。研究证实了膳食丙烯酰胺暴露对糖尿病机体的健康及危害机制,为糖尿病患者日常健康膳食管理提供了依据,未来还应该更多针对特殊人群考虑和制定膳食中伴生危害物的安全限量标准。