Smog, geny i cukrzyca: jak zanieczyszczenie powietrza zaburza metabolizm i sprzyja otyłości
Coraz więcej danych naukowych wskazuje, że oddychanie zanieczyszczonym powietrzem wpływa nie tylko na płuca i układ sercowo-naczyniowy, lecz także na metabolizm glukozy, funkcjonowanie tkanki tłuszczowej i ryzyko rozwoju cukrzycy typu 2. W niedawno opublikowanym badaniu na łamach JCI Insight naukowcy z Uniwersytetu w Zurychu i Case Western Reserve University wykazali, że długotrwała ekspozycja na drobne cząstki pyłów zawieszonych (PM2.5) może powodować zmiany epigenetyczne w brunatnej tkance tłuszczowej, prowadząc do zaburzeń gospodarki energetycznej i insulinooporności.
Oddech, który szkodzi metabolizmowi
Zanieczyszczenia powietrza są jednym z największych wyzwań zdrowia publicznego XXI wieku. Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) szacuje, że każdego roku odpowiadają one za ponad 7 milionów przedwczesnych zgonów. O ile ich wpływ na choroby układu oddechowego i sercowo-naczyniowego jest dobrze poznany, o tyle rola w rozwoju chorób metabolicznych dopiero zaczyna być wyjaśniana.
Zespół badaczy kierowany przez prof. Francesco Paneniego z Uniwersytetu w Zurychu oraz prof. Sanjaya Rajagopalana z Case Western Reserve University przeprowadził badanie eksperymentalne, które pozwoliło zrozumieć, jak drobne pyły PM2.5 wpływają na tkanki odpowiedzialne za utrzymanie prawidłowego poziomu cukru i lipidów we krwi.
W eksperymencie laboratoryjne myszy przez 24 tygodnie – sześć godzin dziennie, pięć dni w tygodniu – oddychały powietrzem zawierającym wysokie stężenie PM2.5. Tak długotrwała ekspozycja miała odzwierciedlać warunki życia w silnie uprzemysłowionych miastach. Po zakończeniu badania zwierzęta wykazywały pogorszenie wrażliwości na insulinę oraz nieprawidłowości w funkcjonowaniu brunatnej tkanki tłuszczowej.
Brunatna tkanka tłuszczowa – kluczowy obrońca metabolizmu
Brunatna tkanka tłuszczowa (BAT – brown adipose tissue) różni się od klasycznej, białej tkanki tłuszczowej tym, że nie magazynuje energii, lecz ją spala – produkując ciepło w procesie termogenezy. BAT odgrywa ważną rolę w kontroli masy ciała, wrażliwości na insulinę i metabolizmie glukozy.
W badaniu Paneniego stwierdzono, że u myszy narażonych na zanieczyszczenia powietrza doszło do zaburzeń ekspresji genów odpowiedzialnych za procesy spalania tłuszczu, regulację stresu oksydacyjnego i produkcję ciepła. W efekcie w brunatnej tkance tłuszczowej gromadziły się lipidy, pojawiały się ogniska włóknienia i oznaki uszkodzenia komórek.
„Zaobserwowaliśmy, że długotrwały kontakt z PM2.5 znacząco zmienia funkcjonowanie brunatnej tkanki tłuszczowej – osłabia jej zdolność do spalania energii, co sprzyja przybieraniu na wadze i zaburzeniom glikemii” – podkreśla prof. Paneni.
Epigenetyka w służbie zanieczyszczeń
Kluczowym odkryciem badania było zidentyfikowanie mechanizmu, poprzez który smog wpływa na metabolizm. Nie chodzi o klasyczne mutacje genetyczne, lecz o zmiany epigenetyczne – modyfikacje chemiczne DNA i histonów, które regulują aktywność genów bez zmiany samego kodu genetycznego.
Naukowcy ustalili, że dwa enzymy – HDAC9 i KDM2B – odgrywają centralną rolę w tej patologicznej reakcji. Są one odpowiedzialne za modyfikacje histonów, a tym samym decydują, które geny w brunatnej tkance tłuszczowej są „włączone” lub „wyłączone”.
W eksperymentach laboratoryjnych wykazano, że nadaktywność tych enzymów u myszy oddychających zanieczyszczonym powietrzem prowadziła do utraty metylacji promujących ekspresję genów odpowiedzialnych za spalanie tłuszczów i regulację glukozy. Co więcej, gdy naukowcy farmakologicznie zahamowali działanie HDAC9 i KDM2B, funkcje brunatnej tkanki tłuszczowej uległy poprawie.
To odkrycie otwiera nową perspektywę terapeutyczną – możliwe, że w przyszłości modulacja aktywności tych enzymów stanie się elementem profilaktyki i leczenia insulinooporności wywołanej czynnikami środowiskowymi.
Zanieczyszczenie powietrza a cukrzyca typu 2 – rosnące zagrożenie
Coraz liczniejsze badania epidemiologiczne wskazują, że osoby mieszkające w regionach o wysokim poziomie zanieczyszczeń mają wyższe ryzyko rozwoju cukrzycy typu 2. Według metaanaliz nawet wzrost stężenia PM2.5 o 10 µg/m³ może zwiększać ryzyko cukrzycy o 8–15%.
Smog działa wielokierunkowo: zwiększa stan zapalny w całym organizmie, nasila stres oksydacyjny, zmienia mikrobiotę jelitową i – jak dowiedziono w omawianym badaniu – wpływa na epigenetyczną regulację genów odpowiedzialnych za spalanie energii.
W kontekście globalnej epidemii otyłości i cukrzycy typu 2 wyniki te mają ogromne znaczenie zdrowotne i społeczne. Zanieczyszczenie powietrza można uznać nie tylko za czynnik środowiskowy, lecz także za istotny czynnik metaboliczny, który – podobnie jak dieta czy aktywność fizyczna – wpływa na homeostazę glukozowo-lipidową.
Co dalej? Profilaktyka i nowe kierunki badań
Choć omawiane badanie przeprowadzono na zwierzętach, jego wyniki mają duży potencjał translacyjny. Wskazują, że długotrwała ekspozycja na smog może powodować trwałe zmiany w metabolizmie człowieka poprzez mechanizmy epigenetyczne.
Badacze planują kolejne etapy pracy – w tym badania kliniczne u ludzi z miast o różnym poziomie zanieczyszczenia. Celem jest ocena, czy podobne zmiany epigenetyczne można zaobserwować w ludzkiej brunatnej tkance tłuszczowej, a także opracowanie farmakologicznych inhibitorów HDAC9 i KDM2B jako potencjalnych leków wspomagających leczenie cukrzycy typu 2.
Jak podkreśla prof. Paneni, „zrozumienie, że środowisko może dosłownie ‘przeprogramować’ nasze geny, zmienia sposób, w jaki patrzymy na profilaktykę metaboliczną. To nie tylko kwestia diety i ruchu, ale także powietrza, którym oddychamy”.
Źródło: JCI Insight, Air pollution modulates brown adipose tissue function through epigenetic regulation by HDAC9 and KDM2B
DOI: http://dx.doi.org/10.1172/jci.insight.187023
