研究材料
8 周齡雄性 C57BL/6J 小鼠；MIN6 細胞；鎘暴露人群及正常人群尿液

技術路線
· 步驟1：動物模型證實鎘暴露在體內(nèi)和體外胰腺β細胞產(chǎn)生功能障礙的關系；
· 步驟2：體外分析胰腺β細胞由鎘暴露引發(fā)的代謝物及mRNA擾動；
· 步驟3：鎘暴露人群尿液代謝組學分析；
· 步驟4：構(gòu)建鎘暴露擾動代謝網(wǎng)絡。

研究結(jié)果
1. 鎘暴露引發(fā)小鼠體內(nèi)葡萄糖代謝失衡
鎘暴露處理的小鼠出現(xiàn)了明顯葡萄糖代謝失調(diào)，血糖水平在第三周和第六周顯著增加。此外，在腹腔葡萄糖耐受實驗中，鎘暴露小鼠也顯示出了血糖水平升高和血清胰島素水平降低的情況。對鎘暴露小鼠胰島進行H&E染色和免疫熒光染色，觀察到胰島組織出現(xiàn)形態(tài)學損傷和β細胞明顯減少。

圖1 H&E染色和免疫熒光結(jié)果

為了進一步驗證鎘暴露是否在體外誘導胰腺 β 細胞功能障礙，在體外使用CdCl2 處理MIN6細胞，發(fā)現(xiàn)細胞活力和胰島素分泌會受到CdCl2濃度和處理時間的影響。通過以上體內(nèi)和體外兩部分數(shù)據(jù)表明鎘暴露會導致葡萄糖耐受不良、胰島受損并會抑制胰腺 β 細胞胰島素分泌。

2. MIN6細胞鎘暴露后出現(xiàn)整體代謝紊亂
對鎘暴露24小時后的MIN6細胞進行LC-MS非靶向代謝組學檢測，多維統(tǒng)計學分析結(jié)果顯示組內(nèi)樣本聚集趨勢緊密，鎘暴露與正常MIN6細胞分離趨勢明顯，根據(jù)VIP>1，P value <0.05篩選出對差異影響較大的代謝物76種，主要類別是核苷、核苷酸和類似物、有機酸和衍生物、脂質(zhì)和類脂分子，這表明鎘暴露會導致 MIN6 細胞中的顯著代謝紊亂。

圖2 鎘暴露及正常MIN6細胞代謝組PCA及OPLS-DA分析

對差異代謝物進行亞細胞分析，有28種代謝物位于線粒體中，主要是核苷、核苷酸和類似物、有機酸及衍生物、脂質(zhì)和類脂質(zhì)分子。其中有7 種代謝物同時存在于線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，6種代謝物同時存在線粒體和溶酶體中。線粒體、溶酶體和 ER 中共存在 4 種代謝物，表明這些細胞器在代謝上與毒性有關。此外，過氧化物酶體被認為是脂質(zhì)和氧化還原信號網(wǎng)絡中的關鍵樞紐，而鎘暴露后過氧化物酶體和線粒體有9種代謝物同時存在，這表明細胞線粒體功能和氧化應激可能會受到毒性的干擾。

3.鎘暴露毒性與線粒體功能受損有關
進一步借助KEGG數(shù)據(jù)庫對代謝通路和功能進行分析，發(fā)現(xiàn)10種脂毒性相關代謝物濃度伴隨鎘暴露升高，并與位于線粒體中的代謝物密切相關，這些結(jié)果也支持線粒體作為鎘暴露代謝毒性的主要靶細胞器。對MIN6 細胞和小鼠胰腺中調(diào)節(jié)線粒體 TCA 循環(huán)和相關脂肪酸氧化的基因的 mRNA 表達進行了檢測，發(fā)現(xiàn)相關基因表達均受到嚴重擾動，表明鎘暴露通過失調(diào)基因表達損害線粒體 TCA 循環(huán)和相關的脂肪酸氧化。

圖3 TCA循環(huán)及脂肪酸氧化相關基因表達

4.鎘暴露人群與正常人群尿液樣本代謝組學分析
對比分析了15名高濃度鎘暴露工人和15名健康人的尿液樣本，共鑒定出53種差異代謝物（VIP>1,P value<0.05）,對排名前20的代謝物進行ROC分析， AUC 值在 95% 置信區(qū)間內(nèi)介于 0.867 和 1 之間，表明這些代謝物具有良好的預測性能。對代謝物進行KEGG分析，發(fā)現(xiàn)多種代謝通路擾動同時存在于人尿和胰腺β細胞中，這些結(jié)果表明，鎘暴露對線粒體代謝的毒性可以通過尿液中的代謝物來指示。

5. 鎘暴露的代謝毒性及其影響機制
從尿液與胰腺β細胞中共存的擾動代謝物和糖尿病的代謝物標志物進行重疊，篩選出L-谷氨酰胺、硫胺素和牛磺酸這三種代謝物，進行ROC分析，發(fā)現(xiàn)AUC值處于0.751-0.960之間。這些結(jié)果表明，在MIN6 細胞中鑒定出的擾動代謝物與人類接觸鎘的產(chǎn)生的代謝毒性密切相關，且鎘暴露使人群尿液中的糖尿病相關生物標志物含量顯著上升。

圖4 糖尿病標志物及鎘暴露擾動代謝物
 

6. 鎘暴露對 TCA 循環(huán)和甘油磷脂代謝影響的通路圖
根據(jù)細胞和人群中鑒定到的擾動代謝物數(shù)據(jù)和在 MIN6 細胞和小鼠胰腺中的驗證結(jié)果，繪制出了鎘暴露對線粒體 TCA 循環(huán)和甘油磷脂代謝的影響通路圖。

圖5 鎘暴露對TCA 循環(huán)和甘油磷脂代謝影響的通路圖
 

小編小結(jié)
本文通過非靶向代謝組學在多層次上描繪了鎘暴露對機體代謝的影響，在亞細胞器水平上挖掘與描繪了鎘暴露的代謝毒性，并提出了尿液中相關代謝物的含量檢測可以作為檢測鎘暴露對機體代謝毒性的一種手段。這一工作首次揭示了鎘誘導的代謝紊亂在胰島β細胞功能障礙中的重要作用，強調(diào)了從人群水平控制鎘暴露降低糖尿病發(fā)病風險的重要性。