基于人胚胎干细胞胰腺分化模型研究全氟化合物与糖尿病发病的相关性

Perfluorocompounds (PFCs) are a class of persistent organic pollutants, whose health risks are of wide concern. Studies have shown that perfluorochemicals have a significant correlation with defects in glycolipid metabolism, which may lead to diseases, such as diabetes. However, the molecular mechanisms behind those toxic effects are not clear. In this project, we aim at investigating the correlation between six common PFCs (PFOA, PFHA, PFOS, PFHS, 8:2FTOH and 6:2FTOH) and the incidence of diabetes, with a human embryonic stem cell-dependent pancreas differentiation model. First, we will differentiate human embryonic stem cells into pancreatic stem cells in vitro, to simulate the pancreas formation process in the human body and evaluate the effects of PFCs on the development of the pancreas. Then, we will induce pancreatic stem cells to generate mature insulin-producing beta cells and evaluate the effects of PFCs on the levels of insulin synthesis and secretion. With this model we can potentially explain the correlation between PFCs and type 1 diabetes, which results from the pancreas not being able to produce enough insulin, and a percentage of type 2 diabetes characterized by insufficient endogenous insulin. Furthermore, by employing live cell 3D printing technology we will construct stem cell-derived pancreatic organoids and validate the potential pancreatic developmental/functional toxicity of PFCs in 3D conditions mimicking physiological microenvironments. In conclusion, the main goal of this project is to reveal the relationship between PFCs and the onset of diabetes at the molecular level and provide some basis for the standardized management of synthetic compounds.

全氟化合物是一类持久性有机污染物，其健康风险广受关注。研究显示，全氟化合物与糖脂代谢特别是糖尿病的发病有显著相关性，但其致毒过程尚不明确。本项目基于人胚胎干细胞胰腺分化模型，针对六种常见的全氟化合物（PFOA、PFHA、PFOS、PFHS、8:2FTOH、6:2FTOH），研究全氟化合物与糖尿病发病的相关性。通过干细胞胰腺定向分化过程模拟人体胚胎胰腺发育，评价全氟化合物对胰腺发育的影响，初步判断其与1型糖尿病发病的相关性。同时，利用干细胞诱导获得成熟的胰腺β细胞，评价全氟化合物对成熟细胞胰岛素的合成/分泌水平造成的影响，研究其与2型糖尿病发病的关联。进一步借助活细胞3D打印技术构建干细胞诱导胰腺类器官，对全氟化合物的致毒过程及毒性效应进行验证，从人体正常生理角度解释全氟化合物潜在的胰腺发育/功能毒性。本项目有望从分子层面揭示全氟化合物与糖尿病存在的关联，为合成化合物的规范管理提供依据。

全氟化合物是一类持久性有机污染物，其健康风险广受关注。目前有流行病学研究显示全氟化合物与糖尿病的发病具有显著相关性。然而，全氟化合物的胰腺毒性数据尚比较匮乏，胰腺毒性机制也未被阐明。因此，本项目基于人胚胎干细胞胰腺分化模型，以六种常见的全氟化合物（PFOA、PFHA、PFHxA、PFOS、PFHS、PFHxS）作为研究对象，探究了全氟化合物与糖尿病发病的相关性。首先使用人胚胎干细胞胰腺诱导分化模型，评估了常见全氟化合物对胰腺发育不同过程的影响。通过检测胰腺发育关键转录因子PDX1的表达水平，发现PFOA和PFOS会抑制胰腺祖细胞的生成，而四种短链全氟化合物（PFHxA、PFOS、PFHS、PFHxS）则不具有类似毒性效应。不过在胰腺祖细胞向胰岛内分泌细胞分化的过程中，六种全氟化合物均会异常激活SOX9和NOTCH通路关键转录因子HES1基因的表达，从而导致胰岛内分泌细胞分化关键基因NGN3表达水平的下降，进而抑制该分化的过程。为了进一步揭示全氟化合物的关键毒性靶点，我们进行了转录组测序分析，发现全氟化合物会显著影响胞间粘附和胞外基质相关的信号通路以及NOTCH和WNT信号通路相关关键基因的表达。为了直接找到全氟化合物的生物靶点，通过化学合成的方法给PFOS添加了生物素标记，使用生物素连化合物免疫共沉淀技术，钓出了与PFOS直接作用的靶蛋白，结合蛋白质组学分析技术，发现PFOS可以直接结合Tubulin、Vinculin和Vimentin等与细胞骨架和胞间连接相关的蛋白。由于已有研究显示细胞骨架和胞间连接会参与NOTCH和WNT信号通路的调控，因此PFOS可能通过作用于细胞骨架和胞间连接进而影响NOTCH和WNT信号通路，最终导致胰腺发育毒性。本研究不仅揭示了全氟化合物的胰腺发育毒性，还接直接探明了全氟化合物的生物靶点，为全面阐明全氟化合物的毒性效应和机制提供了线索。