湯 琦，李 睿，張 然，陳小川

(西南大學(xué)動物科技學(xué)院，重慶 400715)

宮內(nèi)發(fā)育遲緩(intrauterine growth retardation，IUGR)是由于子宮內(nèi)外不利因素使胎兒生長發(fā)育緩慢，在妊娠期結(jié)束后導(dǎo)致出生體重降低的一種現(xiàn)象[1]。IUGR使新生兒早產(chǎn)并發(fā)癥頻發(fā)、死亡率增加[2]，并且IUGR胎兒在成年后有肥胖和患有代謝綜合征的傾向[3]。胰腺作為體內(nèi)最重要的內(nèi)分泌器官，IUGR可通過損害胰腺發(fā)育來影響出生甚至成年后的胰腺內(nèi)、外分泌功能。胰腺各發(fā)育階段主要由多種轉(zhuǎn)錄因子共同調(diào)控，IUGR可通過干預(yù)胰腺發(fā)育各階段轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)而影響胰腺結(jié)構(gòu)和功能。因此，研究IUGR對胰腺各發(fā)育階段的潛在分子機制有利于找到合適的治療靶基因，在準(zhǔn)確的時間用合適的藥物來預(yù)防和減緩IUGR的發(fā)生，有利于減少后代死亡率和代謝綜合征發(fā)病率。

1 IUGR產(chǎn)生原因

胎兒宮內(nèi)發(fā)育遲緩主要是母體、胎兒和胎盤這三方面共同作用的結(jié)果，并且IUGR的嚴(yán)重程度取決于圍產(chǎn)期受損程度和持續(xù)時間。母體營養(yǎng)水平和不良生活習(xí)慣均可誘發(fā)IUGR。母體飲食中缺乏維生素B6，B9和B12容易造成高同型半胱氨酸血癥[4]，而缺鋅容易使母體血清C反應(yīng)蛋白(CRP)、TNF-α和IL-8三種重要炎性細(xì)胞因子升高以及胎盤中炎性細(xì)胞因子的調(diào)節(jié)因子NF-kB被激活[5]，最終導(dǎo)致IUGR。煙草中的有害物質(zhì)，如尼古丁、CO等穿過胎盤并進入胎兒循環(huán)，使胎兒的氧氣供應(yīng)減少，臍動脈中的碳氧血紅蛋白水平增加，抑制細(xì)胞氧氣輸送而使胎兒缺氧，也容易產(chǎn)生IUGR[6]。由于人類妊娠時間長和營養(yǎng)種類需求復(fù)雜，母體營養(yǎng)不良成為誘發(fā)IUGR的重要原因。

胎兒感染以及多胎也容易誘發(fā)IUGR。胎兒感染病毒，如弓形蟲病，梅毒，風(fēng)疹，巨細(xì)胞病毒和皰疹是造成IUGR的常見原因[7]。另外，臨床上也發(fā)現(xiàn)雙胎IUGR發(fā)生率明顯升高，并且采用助孕技術(shù)受孕的雙胎IUGR發(fā)生率明顯高于自然妊娠胎兒[8]。胎盤作為連接母體和胎兒的中間調(diào)節(jié)者，在胎兒的生長發(fā)育過程中起重要作用。胎盤結(jié)構(gòu)異常[9]、胎盤血管化減少[10]或胎盤功能不全降低了胎盤血流量，限制了胎兒對營養(yǎng)物質(zhì)(如：氨基酸、葡萄糖等)、生長因子和激素的利用率[11]，使胎兒處于低氧和低血糖生長環(huán)境，從而在妊娠期間延遲生長導(dǎo)致IUGR。

2 IUGR對后代內(nèi)、外分泌胰腺的影響

IUGR是胎兒早產(chǎn)后圍產(chǎn)期死亡的第二大原因，生長受限胎兒在出生前有一半以上沒有被發(fā)現(xiàn)或發(fā)生宮內(nèi)死亡[12]。研究發(fā)現(xiàn)，IUGR新生兒經(jīng)常出現(xiàn)各種圍產(chǎn)期并發(fā)癥，雖然IUGR個體在后天表現(xiàn)出追趕性生長以達(dá)到正常體重水平，但這些個體仍表現(xiàn)為智力和運動水平低下[13]。成年后，IUGR個體患2型糖尿病(T2DM)、肥胖、高血壓、血脂異常和代謝綜合征的風(fēng)險顯著增加[14]，這表明IUGR對新生兒的影響延續(xù)整體生命周期。1991年Lucas[15]提出了“代謝程序化”這個概念，Lucas認(rèn)為如果胎兒在發(fā)育的關(guān)鍵或敏感時期受到刺激或損害，就會對生物體的結(jié)構(gòu)或功能產(chǎn)生長期或永久的影響。IUGR可以持久性的損害胰腺發(fā)育來使胎兒消化和代謝系統(tǒng)等出現(xiàn)功能上的缺陷。胰腺由內(nèi)分泌胰島和外分泌腺泡組成，胰島內(nèi)分泌功能主要集中在β細(xì)胞，β細(xì)胞分泌的胰島素是體內(nèi)唯一降血糖的激素，而外分泌功能主要集中在腺泡細(xì)胞，腺泡細(xì)胞分泌的胰液有消化蛋白質(zhì)、脂肪和糖的作用。

IUGR使內(nèi)分泌胰島細(xì)胞體積減小、β細(xì)胞質(zhì)量減少，造成β細(xì)胞功能受損，從而導(dǎo)致胰島素分泌較低，葡萄糖耐量降低以及成年后發(fā)生2型糖尿病的機率增加[16]。研究發(fā)現(xiàn)母體營養(yǎng)不良誘導(dǎo)的IUGR仔鼠β細(xì)胞質(zhì)量明顯減少，哺乳期正常喂養(yǎng)也不能恢復(fù)β細(xì)胞質(zhì)量[17]。在妊娠后期高熱誘導(dǎo)的IUGR胎羊中發(fā)現(xiàn)，由于β細(xì)胞有絲分裂速率降低，造成胰島素陽性細(xì)胞面積減少，β細(xì)胞質(zhì)量和增殖減少[18]。IUGR對外分泌胰腺發(fā)育的影響還研究得比較少，目前研究可以確認(rèn)IUGR會導(dǎo)致外分泌腺泡細(xì)胞功能受損。Kolacek等[19]發(fā)現(xiàn)IUGR胎兒的胰凝乳蛋白酶濃度較低，Lebenthal等[20]發(fā)現(xiàn)母體胎盤血流量減少導(dǎo)致妊娠晚期胎鼠的淀粉酶和脂肪酶濃度選擇性降低。此外，胰腺外分泌異常與1型糖尿病(T1DM)的相關(guān)性在很大程度上被忽視，T1D患者存在外分泌功能不全和腺泡萎縮，且患有較長期1型糖尿病(>1年)患者的腺泡變小且酶原耗盡[21]，非內(nèi)分泌胰腺糖尿病被美國糖尿病協(xié)會和世界衛(wèi)生組織列為繼發(fā)性或3型糖尿病(T3DM)[22]。這些研究雖然沒有直接揭示IUGR與外分泌胰腺發(fā)育的關(guān)系，但也提示IUGR可能通過影響胰腺外分泌發(fā)育而導(dǎo)致胰腺外分泌功能受損。

3 常見IUGR動物模型

與胰腺研究相關(guān)的IUGR動物模型的構(gòu)建方法主要有低能量飲食法(CR)、低蛋白飲食法(LP)、子宮動脈結(jié)扎法(UAL)和熱應(yīng)激法，前三種動物模型主要用于大、小鼠這樣的嚙齒動物，而熱應(yīng)激模型主要用于綿羊等類型的大動物。CR和LP是在妊娠期間減少母體對飼料的攝入量或減少母體飲食中的蛋白質(zhì)含量，從而減少母體對胎兒的營養(yǎng)供應(yīng)和限制胎盤生長而導(dǎo)致IUGR。研究表明，自妊娠11 d起限制母鼠飲食(予正常50%)至妊娠結(jié)束，導(dǎo)致IUGR新生大鼠胰腺發(fā)育受損和胰島面積減少[23]。在大鼠妊娠期或哺乳期或兩個時期都進行LP喂養(yǎng)，所有情況下的蛋白質(zhì)限制都導(dǎo)致β細(xì)胞面積減少和哺乳期結(jié)束時的胰島形狀不規(guī)則，并且出生后蛋白質(zhì)限制導(dǎo)致β細(xì)胞和胰島數(shù)量有更大程度的減少[24]。UAL是通過對動物子宮動脈進行結(jié)扎來減少子宮胎盤血流灌注量、胎盤營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的供應(yīng)，產(chǎn)生突然的全身營養(yǎng)和氧限制而導(dǎo)致IUGR。在妊娠后期高熱誘導(dǎo)的綿羊胎兒中發(fā)現(xiàn)，低氧血癥和高兒茶酚胺血癥可能有助于降低胰島素陽性細(xì)胞面積，減少β細(xì)胞質(zhì)量和增殖[18]。像綿羊和人類的胰腺在產(chǎn)前就已經(jīng)發(fā)育成熟，而嚙齒動物的胰腺發(fā)育在出生后仍在繼續(xù)，如表1所示。因此，嚙齒動物的胰腺在相對不連續(xù)的階段發(fā)育，使得嚙齒動物模型的β細(xì)胞受損能夠與不同階段的發(fā)育轉(zhuǎn)變聯(lián)系起來，而綿羊模型更接近人類胰腺的發(fā)育。

4 IUGR對胰腺各發(fā)育階段的影響機制

胰腺的發(fā)育是許多轉(zhuǎn)錄因子在時空上選擇性表達(dá)的結(jié)果(見表2)，根據(jù)胰腺發(fā)育各階段特定祖細(xì)胞的形成順序可以將胰腺發(fā)育分為胰腺發(fā)生、胰腺祖細(xì)胞分化和胰腺內(nèi)分泌祖細(xì)胞分化這三個階段[25-27]。胰腺發(fā)生階段決定了胰腺是否發(fā)生，胰腺祖細(xì)胞分化階段是祖細(xì)胞向內(nèi)分泌祖細(xì)胞和腺泡祖細(xì)胞分化的過程，胰腺內(nèi)分泌祖細(xì)胞分化階段是內(nèi)分泌祖細(xì)胞向胰島α、β、δ、PP細(xì)胞分化的過程。IUGR對胰腺發(fā)育的影響主要是通過調(diào)控胰腺發(fā)育各階段相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子，這些轉(zhuǎn)錄因子之間相互作用，同時還受表觀遺傳學(xué)(如DNA甲基化、組蛋白修飾和miRNA修飾等)的影響。

4.1 IUGR對胰腺發(fā)生的影響

IUGR通過延遲或抑制胰腺發(fā)生導(dǎo)致最后的胰腺體積減小甚至胰腺缺失。胰十二指腸同源盒基因-1(pancreatic and duodenal homeobox 1，PDX-1)的表達(dá)是胰腺開始形成的標(biāo)志，Pdx-1可促進腸內(nèi)胚層背側(cè)及腹側(cè)的胰腺萌芽的生長分化。研究顯示早在生長發(fā)育遲緩開始24 h后，IUGR胎鼠的Pdx-1 mRNA水平降低50%以上[28]。雖然Pdx-1在IUGR胎兒胰腺發(fā)生時期的變化沒有直接研究，但I(xiàn)UGR可以通過調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子Pdx1來控制胰腺發(fā)生。

表1 胰腺發(fā)育關(guān)鍵時期的物種比較

注：E：embryonic day，胚胎日；dGA：days of gestational age，天胎齡；wGA，weeks of gestational age，周胎齡；G：fraction of gestation，妊娠分?jǐn)?shù)。

表2 人和小鼠胰腺正常發(fā)育各階段相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子

4.2 IUGR對胰腺祖細(xì)胞定向分化的影響

IUGR通過損害胰腺祖細(xì)胞的增殖和胰腺祖細(xì)胞向內(nèi)分泌、外分泌細(xì)胞分化之間的平衡，造成胰腺祖細(xì)胞增殖減少，內(nèi)分泌祖細(xì)胞和外分泌腺泡祖細(xì)胞形成能力降低，最終可能導(dǎo)致胰腺發(fā)育畸形、胰島和腺泡數(shù)量減少、內(nèi)分泌胰島和外分泌腺泡功能受損。Pdx-1在早期外分泌腺泡發(fā)育、成熟和生長中也起重要作用，研究顯示在小鼠胎齡13.5～14 d(E13.5～E14)，Pdx-1表達(dá)抑制導(dǎo)致腺泡數(shù)量減少且腺泡發(fā)育不成熟[29]。因此，IUGR胎兒胰腺中Pdx-1表達(dá)的持續(xù)降低會抑制外分泌腺泡形成。

成纖維細(xì)胞生長因子(fibroblast growth factors，F(xiàn)GFs)作為細(xì)胞間信號分子能刺激DNA的合成和細(xì)胞分裂來促進細(xì)胞增殖和細(xì)胞分化，F(xiàn)gfr2IIIb、Fgf7和Fgf10促進胰腺祖上皮細(xì)胞增殖[30]，在IUGR胎羊胰腺中發(fā)現(xiàn)Fgf7和Fgfr2IIIb的mRNA表達(dá)水平降低，并且胰腺祖上皮細(xì)胞減少[31]。

發(fā)狀分裂相關(guān)增強子1(hairy and enhancer of split，HES1)能夠抑制胰腺內(nèi)分泌細(xì)胞分化而促進外分泌腺泡細(xì)胞分化。研究表明，Hes1缺陷的小鼠存在內(nèi)分泌細(xì)胞提前發(fā)育而早熟，而外分泌腺泡細(xì)胞發(fā)生凋亡而發(fā)育不全的現(xiàn)象[32]。IUGR能顯著增加母體和胎兒的糖皮質(zhì)激素水平[33]，糖皮質(zhì)激素通過上調(diào)外分泌轉(zhuǎn)錄因子Hes1的表達(dá)而有利于外分泌腺泡分化，同時使內(nèi)分泌轉(zhuǎn)錄因子Pdx-1、Pax-6和Nkx6.1的表達(dá)下調(diào)而抑制胰腺祖細(xì)胞向內(nèi)分泌細(xì)胞分化[34]。因此，IUGR可以通過上調(diào)糖皮質(zhì)激素水平來增加Hes1濃度，從而調(diào)節(jié)胰腺內(nèi)分泌和外分泌細(xì)胞分化之間的平衡，最終促進胰腺外分泌分化而抑制內(nèi)分泌分化。

4.3 IUGR對胰腺內(nèi)分泌祖細(xì)胞分化的影響

IUGR通過降低胰島細(xì)胞增殖或破壞內(nèi)分泌祖細(xì)胞譜系向α、β、δ、PP細(xì)胞分化的平衡，使胎兒胰島面積減小、胰島數(shù)量減少、胰島細(xì)胞功能障礙以及β細(xì)胞質(zhì)量降低。神經(jīng)元素3(neurogenin-3，NGN3)是胰腺內(nèi)分泌祖細(xì)胞標(biāo)記物，決定胰腺內(nèi)分泌細(xì)胞分化命運。Ngn3的下游靶基因包括Neurod1、Pax4、Arx、Insm1、Rfx6、Nkx2.2，這些轉(zhuǎn)錄因子與內(nèi)分泌分化相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，Ngn3基因敲除的小鼠沒有胰腺內(nèi)分泌細(xì)胞[35]，且Pdx1啟動子下的Ngn3異常表達(dá)誘導(dǎo)胰腺祖細(xì)胞過早分化為主要是α細(xì)胞的內(nèi)分泌細(xì)胞[36]。在妊娠期低能量飲食的胎鼠胰腺中發(fā)現(xiàn)Ngn3陽性細(xì)胞數(shù)量在E15時減少[37]。以上研究提示，IUGR通過下調(diào)Ngn3的表達(dá)而抑制胰島細(xì)胞形成或損害內(nèi)分泌祖細(xì)胞分化。

Pdx-1能抑制胰島細(xì)胞凋亡，研究表明在Pdx-1敲除的胰島細(xì)胞中抗凋亡蛋白減少而凋亡相關(guān)蛋白活性增強[38]，說明IUGR可以通過下調(diào)Pdx-1水平使胰島細(xì)胞凋亡增加。此外，血管內(nèi)皮生長因子A(vascular endothelial growth factor A，VEGFA)在胰島中的作用是使胰島增生和血管內(nèi)皮細(xì)胞增加。在低蛋白飲食(LP)胎兒的研究發(fā)現(xiàn)，β細(xì)胞質(zhì)量減少與β細(xì)胞增殖受損和晚期胰島血管形成減少有關(guān)[35]。IUGR通過下調(diào)VegfA的表達(dá)使早期胰島血管密度降低，從而導(dǎo)致胰島發(fā)育受損[39-40]。

肌腱膜纖維肉瘤癌基因同源物A(macrophage-activating factor A，MAFA)是β細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子，其特異性歸因于MafA啟動子特異性結(jié)合Pdx1、Nkx2.2和Foxa2[41]，而這些轉(zhuǎn)錄因子又與胰腺內(nèi)分泌祖細(xì)胞的分化相關(guān)。同時，研究發(fā)現(xiàn)MafA既可以增強Pdx1將Ngn3陽性內(nèi)分泌祖細(xì)胞誘導(dǎo)β細(xì)胞形成的能力，還能夠使Pdx1將定向的胰高血糖素陽性α細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為β細(xì)胞[42]。在IUGR大鼠胚胎后期直至出生時的胰腺中，MafA的mRNA和蛋白質(zhì)的表達(dá)量一直降低[43]。因此，IUGR可以通過降低MafA表達(dá)來抑制β細(xì)胞形成。

4.4 IUGR對β細(xì)胞增殖分化和存活的影響

除了早期胰腺在宮內(nèi)的發(fā)育之外，已有大量的研究證明在出生后的β細(xì)胞生長過程中，IUGR通過增加β細(xì)胞凋亡、降低β細(xì)胞增殖和存活，最終使β細(xì)胞數(shù)量減少或質(zhì)量降低。

胰島素樣生長因子(insulin-like growth factors，IGFs)可以通過改變β細(xì)胞復(fù)制和凋亡的平衡來調(diào)節(jié)β細(xì)胞增殖分化和存活，而它們的結(jié)合蛋白(IGFBPs)可以抑制或增強IGF活性。在綿羊上的研究發(fā)現(xiàn)，IUGR胎兒胰腺中IGF-1的mRNA表達(dá)水平降低，而IUGR胎兒胰島中IGF-2的mRNA表達(dá)水平升高[31]。另一項研究也表明，促進細(xì)胞生長和存活的生長因子IGF2、IGF1R和IGF2R在IUGR胎兒胰島中均上調(diào)，而IGF2BP1則減少了2.9倍[44]。IGFBPs水平的降低有助于增強IGF與IGF-1R/2R的相互作用而降低IGF濃度，而IGF-2水平的升高可以通過抑制糖原合成酶激酶3而部分抑制β細(xì)胞凋亡，促進新生大鼠胰島β細(xì)胞存活[45]。以上研究提示，IUGR一方面通過降低IGF-1來抑制β細(xì)胞增殖和分化，而另一方面IGF-2的局部升高可能是對β細(xì)胞再生的一種補償調(diào)控。

Pdx-1表達(dá)對于胰島β細(xì)胞增殖、分化和存活也是必需的。Pdx-1的表達(dá)在IUGR胎兒的β細(xì)胞中永久性地減少[46]，其主要影響機制為表觀遺傳修飾中的甲基化和乙?；?。從IUGR胎兒中分離的胰島顯示在Pdx-1的近端啟動子處的H3和H4的脫乙?；SF-1結(jié)合，USF-1是Pdx-1轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵激活劑，其結(jié)合減少顯著降低Pdx-1轉(zhuǎn)錄[47]。此外，在IUGR動物β細(xì)胞中組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(SET7/9)與Pdx-1的近端啟動子的結(jié)合喪失，其導(dǎo)致Pdx-1區(qū)域中H3K4的甲基化顯著減少，Pdx-1的轉(zhuǎn)錄被抑制，其表達(dá)量降低[27]。因此，IUGR可以通過在妊娠后期持續(xù)性的抑制Pdx-1表達(dá)來降低β細(xì)胞增殖。

5 展望

IUGR成因復(fù)雜且對人類疾病和動物生產(chǎn)影響巨大。目前，IUGR對胰腺發(fā)育的研究主要集中在內(nèi)分泌β細(xì)胞，而外分泌腺泡和導(dǎo)管占據(jù)胰腺大部分結(jié)構(gòu)，其外分泌功能異常會造成胰腺炎、胰腺癌和3型糖尿病等疾病，因此IUGR是否通過損害外分泌胰腺發(fā)育來影響外分泌功能仍然值得深入研究。與此同時，由于Pdx-1在胰腺各發(fā)育階段都發(fā)揮重要作用，因此目前胰腺發(fā)育相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的研究主要圍繞Pdx-1展開，然而胰腺發(fā)育受損是多種轉(zhuǎn)錄因子共同作用的結(jié)果，因此除Pdx-1之外的其他重要轉(zhuǎn)錄因子在IUGR上的變化還有待進一步的研究。此外，miRNA是一類在轉(zhuǎn)錄后水平上調(diào)控基因表達(dá)的小分子RNA，miRNA可以通過結(jié)合特定的轉(zhuǎn)錄因子來抑制其表達(dá)，從而影響胰腺發(fā)育。已經(jīng)有大量的研究證明miRNA與胰腺發(fā)育和β細(xì)胞存活有關(guān)[48-49]，因此，表觀遺傳修飾除了DNA甲基化和組蛋白修飾外，miRNA修飾可能是IUGR調(diào)節(jié)胰腺發(fā)育相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)的一種新機制，也是未來研究的新方向。