糖尿病药二甲双胍变成新兴环境污染源？
最近，西湖大学生命科学学院吴连锋课题组和工学院鞠峰课题组共同在环境健康领域国际期刊Environment International上发表了题为Metformin chlorination byproducts in drinking water exhibit marked toxicities of a potential health concern的最新成果，发现糖尿病药物二甲双胍的自来水消毒副产物具有潜在公共卫生安全危害。2020级博士生张润帅、2020级博士生贺圆珍以及2018级博士生姚璐霞为本文的共同第一作者，生命科学学院吴连锋博士和工学院鞠峰博士是本文的共同通讯作者。
01 二甲双胍另一重身份——新兴的环境污染物
你听说过二甲双胍吗？
这是一种十分常见的2型糖尿病治疗药物。伴随着糖尿病的发病率逐年增高，它的使用也愈加频繁。据国际糖尿病联合会（International Diabetes Federation, IDF）报道，目前全球糖尿病人数已经达到4.63亿人，预测到2045年全球糖尿病人数将增加至7亿人。二甲双胍作为治疗2型糖尿病的一线药物，在2020年已被列为第四大处方药，其处方率从2006年的5450万增加到2017年的7860万，增长了44.2%（临床统计）。
然而，除了治病，二甲双胍还有另一重身份——新兴的环境污染物。
为什么这么说？因为二甲双胍不能被人体所代谢，这也就是说，被人体摄入的二甲双胍几乎会100%未经修饰地随着尿液和粪便排出体外，这就最终导致大量的二甲双胍广泛地分布于地表水（河流，湖泊）中，从而被认为是一种新兴的环境污染物。
研究者之一吴连锋博士此前在哈佛大学医学院从事博士后研究期间偶然发现二甲双胍溶液可以和处理线虫时使用的次氯酸钠反应，并生成黄色的溶液（图1）（Wu et al. 2016. Cell）。他用这种黄色的液体处理线虫时，发现造成了线虫的死亡。我们都知道次氯酸钠是自来水厂消毒中最常用的消毒剂之一，如果水源中含有二甲双胍，那么经过自来水厂的消毒，便会产生这种有毒性的物质。
图1 发现二甲双胍和次氯酸发生反应可生成黄色物质
基于目前全世界范围内激增的糖尿病人数和不断增加的二甲双胍使用量、以及二甲双胍在地表水的广泛分布，在自来水厂的消毒处理过程中是否会发生二甲双胍和次氯酸的化学反应从而增加二次污染尚未有报道。因此，探究二甲双胍次氯酸消毒副产物的产生和影响具有广泛的意义。虽然目前二甲双胍在饮用水中的剂量可能不会直接对人类造成安全问题，但其氯化副产品的潜在威胁不容忽视。
02 二甲双胍+自来水消毒剂=？
如何研究？首先研究团队追踪了二甲双胍排放后的去向（图2），被病人服用后的二甲双胍，会通过尿液或粪便排出，后经市政管网、污水处理厂等主要途径进入地表水与水源地中。
于是，西湖大学两个研究团队历时3个月时间，对国内外各大城市进行地表水和自来水水样采集，在西湖大学质谱平台冯杉博士和潘晋亨老师的协助下完成了水样中二甲双胍以及其消毒副产物的检测。
他们发现，在城镇水厂饮用水加氯消毒过程中，二甲双胍会和次氯酸消毒剂发生反应，并产生两种新的副产物Y和C。通过实验室模拟反应发现，随着二甲双胍浓度不断增加，在相同氯含量的情况下，其消毒副产物Y和C的量也逐渐增加。
图2 二甲双胍与次氯酸反应生成有毒的副产物
如果二甲双胍的消毒副产物Y和C在自来水中的含量持续增加，会带来哪些潜在的风险呢？
通过生物学毒性实验检测，研究团队发现二甲双胍消毒副产物Y和C均对人类肝癌细胞系HepG2和线虫具有很明显的致死效应。在小鼠的毒性检测中，研究团队发现高浓度和低浓度Y分别能对小鼠的肠道造成急性和慢性损伤，急性损伤表现为肠道肿胀充血，甚至死亡（图3）；慢性损伤表现为小肠绒毛缩短破损。进一步研究还发现，这种绒毛缩短是由于消毒副产物抑制肠道干细胞增殖而引起的。
图3 Y处理小鼠后的急性毒性造成肠道损伤
这也就是说，长期饮用含有副产物Y的水会损害小鼠的小肠。最重要的是，如果二甲双胍使用量和水源地残留浓度进一步增加，那么其氯化消毒副产物会进一步增加对人类健康的危害。
03 怎么治理？煮沸+吸附很有用
上述的研究结果证明，次氯酸盐会将二甲双胍转变为了有毒的物质(副产品Y和C)，而这种物质随着时间的推移，会对生命健康造成威胁，并且该物质已经在全球数十亿人每天饮用的家庭自来水中被检测到，因此十分需要关注氯化饮用水中广泛存在的二甲双胍副产物。
值得注意的是，二甲双胍氯化副产物Y和C都是高氮物质，这是迄今为止确定的膀胱致癌物的典型特征。这些以前被忽视的二甲双胍副产品是否为潜在的膀胱致癌物，或致癌物前体，需要进一步的探索。
既然这些消毒副产物的存在会对人类健康带来潜在的危险，那么能否通过一些常规的手段来防止这些消毒副产物的危害呢？
吴连锋博士和鞠峰博士团队的合作研究证明了煮沸和活性炭吸附是减少水中二甲双胍氯化副产物的可行方案，可以有效地减少消毒副产物Y和C在水中的残留浓度水平，从而能及时阻止这些副产物日常暴露对人类和野生动物日益增长的健康威胁。另外，控制二甲双胍的环境排放和选择更好的药物替代或减少消费二甲双胍，对全球饮用水供应的可持续性也有一定重要意义。
缘起一场PI午餐交流会的合作
吴连锋（左）和鞠峰（右）
来自生命科学学院的吴连锋博士长期利用线虫和小鼠作为模式生物，从事探究二甲双胍治疗糖尿病的机制的研究。他在哈佛大学医学院从事博士后研究期间，偶然发现了二甲双胍溶液可以与次氯酸钠反应并产生毒性。于是，探究二甲双胍和次氯酸钠反应生成的物质是否会引起公共卫生安全隐患，成为了吴连锋博士最感兴趣的任务之一。回国加入西湖大学之后，他也一直想要继续探究这个有趣的科学问题。
西湖大学鼓励学科交叉，也为西湖大学的PI们创造了许多交流的机会，这次的合作发生在2018年底的一次午餐交流会上。
同在午餐会上的吴连锋博士与鞠峰博士偶然讨论起这个有趣的课题，而来自工学院的鞠峰博士的研究兴趣之一就是研究抗生素耐药性在环境中的产生与传播机制。此前，他在瑞士联邦水科学与技术研究所（EAWAG）从事博士后项目（ResistFlow），研发期间探究了城镇污水处理厂二甲双胍等抗菌剂的归趋及与抗生素耐药选择关联问题 （Ju et al.,2019.ISME J），因此他很认同这是一个值得深入探究的科学问题，于是两个课题组一拍即合，开始了这一合作。
基于先前的发现，二甲双胍和次氯酸反应后生成的黄色物质可以在短时间内杀死线虫，说明产生了有毒的物质（Wu et al. 2016. Cell）。经过详细地讨论之后，鞠峰博士团队承担并迅速开始了二甲双胍和次氯酸反应的产物Y和C的合成与纯化方法探索，首次获得了高纯度产物作为定量分析的标准品；在此基础上率先建立两种消毒副产物的UPLC/MS检测方法，并应用其首次阐述了此类消毒副产物在中国、美国、日本和韩国部分城市家庭自来水及中国部分城市饮用水源地与游泳池水体中的残留浓度。
参考文献
Zhang, R.; He, Yuan.; Yao, Lu.; Chen, J.; Zhu, Shi.; Rao, X.; Tang, P.; You, J.; Hua, G.; Zhang, L.; Ju, F.; Wu, L., Metformin chlorination byproducts in drinking water exhibit marked toxicities of a potential health concern. ENVIRON INT 2020.
Wu, L.; Zhou, B.; Oshiro-Rapley, N.; Li, M.; Paulo, J. A.; Webster, C. M.; Mou, F.; Kacergis, M. C.; Talkowski, M. E.; Carr, C. E.; Gygi, S. P.; Zheng, B.; Soukas, A. A., An Ancient, Unified Mechanism for Metformin Growth Inhibition in C. elegans and Cancer. Cell 2016, 167, (7), 1705-1718 e13.
Ju, F.; Beck, K.; Yin, X.; Maccagnan, A.; McArdell, C. S.; Singer, H. P.; Johnson, D. R.; Zhang, T.; Burgmann, H., Wastewater treatment plant resistomes are shaped by bacterial composition, genetic exchange, and upregulated expression in the effluent microbiomes. ISME J 2019, 13, (2), 346-360.