Существенную роль в развитии диабета играют факторы окружающей среды, в частности сахарный диабет 2 типа. Воздействие определенных химических веществ и загрязняющих веществ может мешать метаболическим процессам организма, повышая риск этого хронического заболевания. За последние два десятилетия все большее количество эпидемиологических и экспериментальных данных установило, что загрязнители окружающей среды могут выступать в качестве метаболических разрушителей, способствуя глобальной эпидемии диабета. Понимание этих связей имеет решающее значение как для клинической практики, так и для политики общественного здравоохранения.

Метаболические нарушения относятся к нарушению способности организма регулировать энергетический баланс, гомеостаз глюкозы и липидный обмен. Когда эти системы скомпрометированы, у людей может развиться резистентность к инсулину, дисфункция бета-клеток и, в конечном итоге, открытый диабет. В этой статье рассматриваются конкретные воздействия окружающей среды, которые были вовлечены в нарушение обмена веществ, задействованные биологические механизмы и последствия для профилактики и вмешательства на уровне населения.

Понимание метаболических процессов и диабета

Метаболизм охватывает сложную сеть химических реакций, которые преобразуют пищу в энергию, строят и восстанавливают ткани и устраняют отходы.Центральным для метаболического здоровья является способность поддерживать стабильный уровень глюкозы в крови посредством действия инсулина, гормона, секретируемого бета-клетками поджелудочной железы.У здорового человека инсулин облегчает поглощение глюкозы в мышечные, жировые и печеночные клетки, где он используется для получения энергии или хранится в виде гликогена.

Диабет 2 типа развивается, когда организм становится устойчивым к воздействию инсулина, и поджелудочная железа больше не может производить достаточно инсулина для компенсации. Это состояние резистентности к инсулину обусловлено сочетанием генетической восприимчивости, факторов образа жизни и влияния окружающей среды. В то время как диета и физическая активность являются общепризнанными факторами, роль токсикантов окружающей среды все более признается. Термин «диабетогенный» использовался для описания химических веществ, способствующих метаболической дисфункции, и исследования выявили несколько классов веществ, которые могут мешать ключевым метаболическим путям.

Глобальная распространенность диабета резко возросла за последние 50 лет, тенденция, которая не может быть полностью объяснена только изменениями в диете, физических упражнениях или генетике. Воздействие окружающей среды, особенно тех, которые начали увеличиваться с индустриализацией, предлагает правдоподобный фактор. Эта перспектива привела к концепции «экзосомы» - совокупности воздействий окружающей среды, которые человек испытывает от зачатия, - и ее связи с метаболическими заболеваниями, такими как диабет.

Основные экологические воздействия, связанные с метаболическим нарушением

Исследования выявили несколько факторов воздействия на окружающую среду, которые постоянно связаны с нарушением обмена веществ и повышенным риском развития диабета 2 типа. К ним относятся химические вещества, разрушающие эндокринную систему, загрязнители воздуха и тяжелые металлы. Каждая группа работает с помощью различных, но перекрывающихся механизмов.

Эндокринно-разрушающие химические вещества (EDCs)

Эндокринные разрушающие химические вещества являются экзогенными веществами, которые препятствуют синтезу гормонов, секреции, транспортировке, связыванию или элиминации. Многие EDC встречаются в повседневных продуктах, и их повсеместное распространение в окружающей среде делает хроническое воздействие низких доз почти неизбежным. Ключевые классы EDC, участвующие в метаболическом нарушении, включают:

  • Бисфенол А (BPA) и его аналоги: Используется в поликарбонатных пластмассах и эпоксидных смолах, BPA, как было показано, способствует адипогенезу, ухудшает секрецию инсулина и вызывает резистентность к инсулину на животных моделях и в исследованиях на людях. Даже на уровнях, считающихся безопасными регулирующими органами, воздействие BPA было связано с более высокой частотой диабета 2 типа в эпидемиологических когортах.
  • Фталаты: Эти соединения используются в качестве пластификаторов и содержатся в продуктах личной гигиены, пищевой упаковке и медицинских устройствах. Некоторые фталаты, такие как ди(2-этилгексил) фталат (DEHP), были связаны с резистентностью к инсулину, окислительным стрессом и изменениями липидного обмена. Метаболиты фталатов были обнаружены в моче почти всех протестированных лиц, что указывает на широкое воздействие.
  • Пер- и полифторалкильные вещества (PFAS): Известен как «вечные химические вещества» из-за их экологической стойкости, PFAS используются в неприклеенных покрытиях, водонепроницаемых тканях и пенопластах для тушения пожаров.Эпидемиологические исследования связывают более высокие уровни PFAS в сыворотке крови с повышенным риском диабета 2 типа, а также повышенным уровнем холестерина и мочевой кислоты. PFAS может нарушать метаболические процессы, активируя пероксисомные пролифератор-активированные рецепторы (PPAR) и изменяя митохондриальную функцию.
  • Пестициды и гербициды:] Органофосфат и хлорорганические пестициды, а также гербицид глифосат, были связаны с нарушениями обмена веществ у сельскохозяйственных рабочих и населения в целом. Эти соединения могут вызывать окислительный стресс, нейроэндокринные нарушения и изменения микробиома кишечника, которые способствуют резистентности к инсулину.

Загрязнение воздуха

Воздействие загрязнения окружающего воздуха является хорошо документированным фактором риска сердечно-сосудистых и респираторных заболеваний, но все больше доказательств также связывают его с метаболическими нарушениями, включая диабет. Прекрасные твердые частицы (PM2.5), диоксид азота (NO2) и озон являются загрязнителями, наиболее часто изучаемыми в этом контексте. Механизмы включают системное воспаление, окислительный стресс и прямое воздействие на жировую ткань и печеночный метаболизм.

Долгосрочное воздействие PM2.5 было связано с увеличением заболеваемости диабетом типа 2 в крупных когортных исследованиях из Соединенных Штатов, Европы и Азии. Например, исследование 2018 года в The Lancet Planetary Health подсчитало, что примерно 3,2 миллиона новых случаев диабета во всем мире в год могут быть связаны с воздействием PM2.5. Эффект особенно выражен у лиц с ранее существовавшими факторами риска, такими как ожирение или метаболический синдром. Краткосрочные всплески загрязнения воздуха также были связаны с острыми нарушениями чувствительности к инсулину.

Озон, вторичный загрязнитель, образующийся в результате реакций между оксидами азота и летучими органическими соединениями, был показан на животных моделях для индуцирования резистентности к инсулину посредством активации симпатической нервной системы и стимулирования воспаления жировой ткани. Хотя исследования на людях менее последовательны, общие данные свидетельствуют о том, что загрязнение воздуха является модифицируемым фактором риска для диабета.

Тяжелые металлы

Тяжелые металлы, такие как мышьяк, кадмий, свинец и ртуть, являются токсичными элементами, которые накапливаются в организме с течением времени. Хроническое воздействие, даже при низких уровнях, было связано с нарушением обмена веществ и диабетом. Механизмы включают окислительный стресс, вмешательство в передачу сигналов инсулина и повреждение бета-клеток поджелудочной железы.

  • Мышьяк: Загрязнение питьевой воды неорганическим мышьяком является серьезной проблемой общественного здравоохранения во многих частях мира, включая Бангладеш, Индию и части Соединенных Штатов.Эпидемиологические исследования последовательно показывают зависимость между воздействием мышьяка и риском диабета 2 типа. Мышьяк нарушает метаболизм глюкозы, нарушая секрецию инсулина, способствуя резистентности к инсулину и вызывая эпигенетические изменения в ключевых метаболических генах.
  • Кадмий: Обнаруженный в табачном дыме, загрязненной пище (особенно рисе и моллюсках) и промышленных выбросах, кадмий накапливается в почках и печени. Воздействие кадмия было связано с увеличением глюкозы натощак, резистентностью к инсулину и распространенностью диабета в многочисленных перекрестных и перспективных исследованиях. Металл стимулирует окислительный стресс и нарушает передачу сигналов кальция, оба из которых имеют решающее значение для нормального действия инсулина.
  • Свинец и ртуть: Воздействие свинца, даже при низких уровнях в крови, было связано с повышенным уровнем HbA1c и нарушением толерантности к глюкозе. Ртуть, особенно метилртуть из потребления морепродуктов, может способствовать метаболической дисфункции через окислительное повреждение и вмешательство в регуляцию гормонов щитовидной железы.

Механизмы разрушения

Обсуждаемые выше воздействия окружающей среды могут нарушать метаболические процессы с помощью нескольких хорошо охарактеризованных механизмов. Эти механизмы часто взаимосвязаны, и у подверженных воздействию людей могут одновременно активироваться несколько путей.

Гормональное вмешательство

Многие ЭДК действуют путем имитации или блокирования эндогенных гормонов. В случае нарушения обмена веществ особенно актуальным является вмешательство в передачу сигналов инсулина, гормона щитовидной железы и половых стероидов. Например, БФА связывается с рецепторами эстрогена и с гамма-рецептором, связанным с эстрогеном (ERRγ), изменяя метаболизм глюкозы и липидов в печени и жировой ткани. Некоторые фталаты активируют PPARγ, ядерный рецептор, который играет центральную роль в дифференцировке адипоцитов и чувствительности к инсулину. В то время как активация PPARγ может быть полезной (как и при применении препаратов тиазолидиндиона), хроническая активация химическими веществами окружающей среды может нарушать нормальную функцию адипоцитов и способствовать резистентности к инсулину.

Воспаление и иммунная активация

Хроническое низкосортное воспаление является отличительной чертой ожирения и резистентности к инсулину. Загрязнители окружающей среды могут вызывать воспалительные реакции посредством активации врожденной иммунной системы. Частицы загрязнения воздуха, например, распознаются по рецепторам распознавания образов, таким как Toll-подобные рецепторы (TLR), что приводит к образованию провоспалительных цитокинов, таких как фактор некроза опухоли-альфа (TNF-α) и интерлейкин-6 (IL-6). Эти цитокины ухудшают передачу сигналов инсулина, вмешиваясь в путь субстрата рецептора инсулина (IRS). Аналогичным образом, тяжелые металлы, такие как мышьяк и кадмий, могут активировать NLRP3-инфламмасому, ключевой медиатор стерильного воспаления, тем самым способствуя метаболической дисфункции.

Окислительный стресс

Окислительный стресс возникает, когда выработка активных форм кислорода (ROS) превышает способность антиоксидантных защит. Многие токсиканты окружающей среды вызывают образование ROS, либо непосредственно, либо через митохондриальную дисфункцию. Чрезмерное повреждение ROS клеточных компонентов, включая липиды, белки и ДНК, и может вызывать стресс-чувствительные сигнальные пути, которые ухудшают действие инсулина. Например, было показано, что вызванный мышьяком окислительный стресс снижает экспрессию переносчика глюкозы GLUT4 в мышечных клетках, способствуя резистентности к инсулину. Антиоксидантные вмешательства в моделях животных часто смягчают метаболические эффекты воздействия окружающей среды, подчеркивая важность окислительного стресса как механизма.

Эпигенетические модификации

Эпигенетические изменения — модификации метилирования ДНК, гистоновых меток и некодирующих РНК — могут изменять экспрессию генов без изменения последовательности ДНК. Воздействие окружающей среды во время критических окон развития (в утробе матери, в раннем детстве) может вызывать стойкие эпигенетические изменения, которые повышают восприимчивость к диабету в более позднем возрасте. Например, пренатальное воздействие загрязнения воздуха было связано с изменениями метилирования ДНК генов, участвующих в метаболизме и регуляции аппетита. Воздействие BPA на взрослых также может вызывать эпигенетическое перепрограммирование в адипоцитах, что приводит к длительной предрасположенности к резистентности к инсулину.

Изменения микробиома кишечника

Микробиом кишечника играет решающую роль в метаболизме хозяина, влияя на извлечение энергии из пищи, метаболизм желчных кислот и воспалительный тонус. Загрязнители окружающей среды могут изменять состав и функцию микробиоты кишечника. Было показано, что воздействие тяжелых металлов, пестицидов и стойких органических загрязнителей уменьшает микробное разнообразие, способствует дисбактериозу и увеличивает проницаемость кишечника (протекающий кишечник). Эти изменения могут привести к системному воспалению, эндотоксикозу и метаболической эндотоксикозу, все из которых способствуют резистентности к инсулину. Некоторые исследования показывают, что микробиом кишечника может опосредовать до 30-40% метаболических эффектов токсикантов окружающей среды.

Последствия для профилактики и общественного здравоохранения

Признание того, что воздействие окружающей среды может нарушить метаболические процессы, имеет глубокие последствия для профилактики диабета. Хотя индивидуальные изменения образа жизни остаются важными, для устранения факторов риска для окружающей среды требуются более широкие политические меры и стратегии общественного здравоохранения.

Рекомендации по вопросам политики

  • Укрепление регулирования эндокринно-разрушающих химических веществ:] Многие EDC недостаточно протестированы на метаболические эффекты перед выходом на рынок. Регулирующие органы должны принять более активные программы скрининга, особенно для химических веществ с длительным периодом полураспада или широким использованием. Программа REACH Европейского союза и Программа скрининга эндокринных расстройств EPA США являются шагами в правильном направлении, но нуждаются в большем количестве ресурсов и обеспечении соблюдения.
  • Сокращение загрязнения атмосферного воздуха:] Внедрение более строгих стандартов выбросов для транспортных средств, электростанций и промышленных источников может снизить уровень ТЧ2,5 и озона. Городское планирование, которое способствует общественному транспорту, езде на велосипеде и зеленым насаждениям, также может снизить воздействие на население. Было показано, что политика чистого воздуха быстро улучшает здоровье сердечно-сосудистой системы; ожидаются аналогичные преимущества для здоровья метаболизма.
  • Устранение загрязнения тяжелыми металлами: Обеспечение безопасной питьевой воды является приоритетом, особенно для мышьяка и свинца. Улучшения инфраструктуры, такие как замена свинцовых труб и установка систем фильтрации в районах с высоким содержанием мышьяка, могут предотвратить постоянное воздействие. Следует поощрять сельскохозяйственную практику, которая уменьшает накопление кадмия в продовольственных культурах.
  • Включите здоровье окружающей среды в клиническую практику: Медицинские работники должны быть обучены распознавать и обсуждать факторы риска для окружающей среды при диабете. Простые шаги, такие как консультирование пациентов использовать контейнеры без BPA, избегать микроволнового пластика и выбирать органические продукты для предметов высокого риска, могут снизить индивидуальное воздействие.

Индивидуальные действия по снижению воздействия

Хотя изменения в политике имеют важное значение, люди также могут предпринять шаги для минимизации воздействия метаболических разрушителей:

  • Выберите стеклянные или нержавеющие стальные контейнеры поверх пластмассы для хранения продуктов питания и напитков, особенно для горячих жидкостей или кислых продуктов.
  • Выберите органические продукты , когда это возможно, особенно для продуктов, которые, как известно, имеют высокие остатки пестицидов (список «Грязная дюжина» из Рабочей группы по окружающей среде является полезным руководством).
  • Фильтр питьевой воды (FLT:0) Если вы обеспокоены загрязнением, фильтры с активированным углем могут уменьшить многие EDC и тяжелые металлы.
  • Используйте натуральные средства личной гигиены , свободные от фталатов и парабенов.
  • Снизить потребление обработанных пищевых продуктов, которые часто упаковываются в EDC-содержащие материалы и могут содержать следы промышленных химикатов.
  • Поддерживать инициативы в области чистого воздуха , пропагандируя местные стратегии и используя очистители воздуха с фильтрами HEPA в районах с высоким уровнем загрязнения.

Важно отметить, что кумулятивный эффект от множественных низкоуровневых воздействий может быть более значительным, чем любой один фактор.

Будущие направления исследований

Несмотря на значительный прогресс, остается много вопросов. Будущие исследования должны быть сосредоточены на выявлении критических окон воздействия, понимании роли смесей («эффект коктейля») и выяснении механизмов, с помощью которых эпигенетические изменения передаются через поколения. Для более точного установления причинно-следственной связи необходимы продольные исследования с повторными измерениями воздействия. Кроме того, вмешательства, которые уменьшают воздействие и измеряют метаболические результаты в контролируемых испытаниях, обеспечат самые убедительные доказательства действий общественного здравоохранения.

Заключение

Воздействие окружающей среды значительно влияет на метаболическое здоровье и риск развития диабета. Эндокринно-разрушающие химические вещества, загрязнение воздуха и тяжелые металлы последовательно связаны с резистентностью к инсулину и диабетом 2 типа через механизмы, включающие гормональное вмешательство, воспаление, окислительный стресс, эпигенетические модификации и нарушение микробиома кишечника. Продолжение исследований и активные меры необходимы для смягчения этих рисков и содействия более здоровым сообществам. Политики, поставщики медицинских услуг и отдельные лица играют важную роль в снижении воздействия метаболических разрушителей окружающей среды. Интегрируя здоровье окружающей среды в усилия по профилактике диабета, мы можем обратиться к упущенной, но все более важной движущей силе глобальной эпидемии диабета.

Для дальнейшего чтения см. доклад Всемирной организации здравоохранения о Воздействие диабета на окружающую среду и здоровье на рабочем месте , Программа скрининга эндокринных нарушений EPA США и обзор Heindel et al. по экологическим факторам, способствующим диабету в Эндокринные обзоры .