本研究由 Weiping Qin 和 Xiaomin Ren（共同第一作者）以及通讯作者 Lianghong Guo 领衔完成，研究单位为中国科学院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室，以及中国计量大学环境与健康科学研究所。该论文发表于 Journal of Environmental Sciences 第115卷（2022年），第162–172页，题为《Exposure to perfluorooctane sulfonate reduced cell viability and insulin release capacity of β cells》。

一、研究背景与目的

全氟及多氟烷基物质（per- and polyfluoroalkyl substances, PFAS）是一类在全球范围内广泛分布、具有生物累积性和潜在健康风险的持久性有机污染物。其中，全氟辛烷磺酸（perfluorooctane sulfonate, PFOS）作为典型的长链PFAS，已被多项流行病学和毒理学研究提示与血糖稳态紊乱、胰岛素分泌异常及糖尿病风险增加有关。胰腺中的胰岛β细胞是体内唯一能够合成并分泌胰岛素的细胞，其功能损伤被认为是糖尿病发生前的重要预警信号。已有研究显示，PFAS暴露可导致斑马鱼胰岛形态异常、小鼠胰腺组织病理改变以及β细胞功能紊乱。然而，关于PFOS长期暴露对β细胞活力及胰岛素释放能力的具体影响及其潜在毒性机制，尚缺乏系统研究。因此，本研究旨在通过体内（in vivo）与体外（in vitro）相结合的方法，探讨PFOS对胰岛β细胞的长期毒性效应，并重点关注氧化应激在此过程中的作用，以期为PFOS暴露与糖尿病风险之间的因果关联提供实验依据。

二、研究流程与方法

本研究主要包括动物实验和细胞实验两大部分。在动物实验中，研究者选用6周龄C57BL/6小鼠，经过一周适应性饲养后进行PFOS灌胃给药。首先，为了观察PFOS对小鼠基础生理指标的影响，将小鼠分为对照组和不同剂量PFOS组（1、5、10 mg/(kg体重·天)），持续给药28天。每周测量小鼠的空腹体重和空腹血糖水平。给药结束后，采集小鼠血清用于空腹血清胰岛素（fasting serum insulin, FSI）测定，并取胰腺称重。胰腺组织进一步进行苏木精-伊红（hematoxylin and eosin, H&E）染色，以观察胰岛形态并测量胰岛面积。为了评估PFOS对小鼠葡萄糖代谢和胰岛素敏感性的影响，另设对照组和PFOS高剂量组（10 mg/(kg体重·天)），分别进行葡萄糖耐量试验（glucose tolerance test, GTT）和胰岛素耐量试验（insulin tolerance test, ITT）。此外，研究者还通过液相色谱-串联质谱法测定了小鼠血清中的PFOS浓度，以建立体内暴露剂量与体外实验浓度之间的关联。

在体外细胞实验中，研究者使用小鼠胰岛β细胞癌细胞系β-TC-6作为模型。首先通过细胞计数试剂盒（cell counting kit, CCK）检测不同浓度PFOS（0–400 μmol/L）处理12、24和48小时后细胞活力的变化。随后，利用流式细胞术结合凋亡检测试剂盒，分析PFOS暴露48小时后活细胞、凋亡细胞和坏死细胞的比例。为了评估PFOS对β细胞胰岛素释放能力的影响，将β-TC-6细胞预先暴露于不同浓度PFOS 48小时，然后更换为含1.4 mmol/L葡萄糖的新鲜缓冲液刺激1小时，测定上清液中胰岛素含量，即葡萄糖刺激的胰岛素分泌（glucose-stimulated insulin secretion, GSIS）实验。最后，利用2’,7’-二氯荧光素二乙酸酯（2’,7’-dichlorofluorescin diacetate, DCFH-DA）探针检测PFOS暴露后细胞内活性氧（reactive oxidative species, ROS）水平，暴露时间点为0、0.5、1、2、4、8、12和24小时，以明确氧化应激在PFOS所致β细胞毒性中的作用。

三、主要研究结果

在体内实验中，经过28天PFOS给药后，各组小鼠的体重和空腹血糖水平均无统计学显著差异。GTT和ITT结果也显示，PFOS高剂量组与对照组在葡萄糖负荷后的血糖变化曲线下面积以及胰岛素注射后的血糖下降幅度均无显著差异，提示PFOS未引起明显的系统性葡萄糖代谢异常。然而，进一步的病理学观察发现，10 mg/(kg体重·天) PFOS暴露组雄性小鼠的胰腺重量显著低于对照组（0.14 ± 0.03 g vs. 0.22 ± 0.05 g, p < 0.05），而雌性小鼠则无显著差异。组织切片分析显示，暴露组雄性小鼠的胰岛面积显著小于对照组（(0.74 ± 0.40) × 10⁴ μmol/L² vs. (1.27 ± 0.66) × 10⁴ μmol/L², p < 0.05），雌性小鼠同样未见显著变化。与胰腺组织损伤相对应，暴露组雄性小鼠的空腹血清胰岛素水平显著低于对照组（0.16 ± 0.02 ng/mL vs. 0.39 ± 0.08 ng/mL, p < 0.05），葡萄糖刺激后的胰岛素分泌水平也显著降低（0.36 ± 0.14 ng/mL vs. 1.12 ± 0.22 ng/mL, p < 0.05）。雌性小鼠在上述指标中均未表现出显著差异。血清PFOS浓度测定结果显示，1、5、10 mg/(kg体重·天)剂量组小鼠的血清PFOS浓度分别为63 ± 9、234 ± 27和348 ± 47 μmol/L，且无性别差异。

体外细胞实验结果与体内发现一致。PFOS暴露以时间和浓度依赖的方式降低β-TC-6细胞活力。具体而言，100 μmol/L PFOS暴露12小时未显著影响细胞活力，但暴露24和48小时后细胞活力分别降至90%以下；在48小时暴露条件下，100 μmol/L PFOS组细胞活力为对照的88%，而400 μmol/L组仅剩9%。流式细胞术分析显示，随着PFOS浓度从50升高至400 μmol/L，正常细胞比例逐渐下降，凋亡细胞和坏死细胞比例显著增加。在400 μmol/L PFOS暴露组中，凋亡细胞比例超过40%，坏死细胞比例超过20%。GSIS实验结果表明，48小时暴露于100 μmol/L PFOS后，β-TC-6细胞在1.4 mmol/L葡萄糖刺激下的胰岛素分泌量降至对照组的79%，400 μmol/L组进一步降至66%，表明PFOS长期暴露可损伤β细胞的胰岛素释放能力。ROS检测结果显示，50–400 μmol/L PFOS均可在β-TC-6细胞内引起时间依赖性的ROS积累。以12小时暴露为例，50 μmol/L PFOS使细胞内ROS水平升高1.3倍，而400 μmol/L PFOS则升高3.1倍，且ROS水平随PFOS浓度增加而升高。

四、结论与意义

本研究通过系统的体内外实验证明，亚慢性暴露于PFOS可导致雄性小鼠胰腺重量下降、胰岛面积减小、空腹及葡萄糖刺激后胰岛素分泌减少，其机制可能与PFOS诱导β细胞内ROS积累、进而引发细胞凋亡与坏死以及胰岛素释放功能受损有关。体外实验中PFOS同样显著降低β-TC-6细胞活力并抑制其GSIS功能。本研究首次将PFOS长期暴露引起的胰岛β细胞氧化应激与胰岛素释放功能障碍直接联系起来，揭示了PFOS致糖尿病风险的可能毒性通路。尽管本研究中使用的PFOS浓度远高于一般人群的环境暴露水平，但对于职业暴露人群或生活在PFAS污染地区的居民而言，其血清PFOS浓度可达到微摩尔级别，因此该研究结果对评估此类高风险人群的健康损害具有实际参考价值。此外，考虑到其他PFAS化合物与PFOS结构相似且常具有类似毒性效应，该研究提示应进一步关注不同PFAS对胰岛β细胞功能的影响。

五、研究亮点

本研究的亮点在于：第一，采用从整体动物到细胞的多层次研究策略，系统阐明了PFOS长期暴露对胰岛β细胞活力和胰岛素释放能力的影响；第二，揭示了性别差异现象，即PFOS仅对雄性小鼠的胰腺和胰岛素分泌产生显著毒性，提示雌性激素可能对β细胞具有保护作用；第三，发现PFOS通过诱导细胞内ROS积累导致β细胞凋亡、坏死及功能障碍，为PFOS的胰腺毒性提供了机制层面的解释；第四，首次将PFOS长期暴露与β细胞GSIS损伤直接关联，为PFAS暴露与糖尿病风险的因果关系提供了新的实验证据。该研究不仅丰富了PFOS内分泌干扰效应的毒理学数据，也为环境中PFAS的健康风险评估和糖尿病防控策略提供了科学依据。