鎘誘導(dǎo)肝損傷的研究進(jìn)展

劉暢，李磊，王艷，朱倩，姚鑫，趙磊

（安徽科技學(xué)院、動物營養(yǎng)調(diào)控與健康安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽滁州 233100）

我國環(huán)境中鎘（Cadmium，Cd）污染日趨嚴(yán)重，部分地區(qū)土壤中Cd污染含量較高，這使得農(nóng)業(yè)耕地的土壤質(zhì)量下降。其中，Cd污染點(diǎn)位超標(biāo)率高達(dá)7.0%，是草地和耕地的主要污染物之一[1]。Cd可對人和動物機(jī)體造成多種毒性作用?？扇苄訡d的慢性積累可導(dǎo)致多種組織臟器損傷，包括腎組織、肝組織和肺組織等[2]。在細(xì)胞水平上，Cd除了能導(dǎo)致直接細(xì)胞毒性（細(xì)胞凋亡或死亡）外，還與癌細(xì)胞的惡性增殖有關(guān)，是I類致癌物。

肝臟是Cd的重要靶器官之一。Cd進(jìn)入人和動物機(jī)體后，通過血液循環(huán)的運(yùn)輸?shù)竭_(dá)肝臟，并在肝臟中進(jìn)行蓄積，機(jī)體內(nèi)大約1/6的Cd蓄積于肝臟。急性或高劑量Cd中毒主要表現(xiàn)為急性肝損傷[2]，甚至可導(dǎo)致Cd急性中毒者死亡[3]。

1 Cd在肝細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)

Cd一般通過胃腸道或呼吸道進(jìn)入人和動物體循環(huán)，從而被轉(zhuǎn)運(yùn)到所有靶器官。而被胃腸道吸收的Cd首先與白蛋白結(jié)合，在肝門靜脈循環(huán)的作用下運(yùn)送至肝竇毛細(xì)血管，最終被肝細(xì)胞所攝取[4]。Cd在肝細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)的過程分為兩個階段，第一階段Cd通過內(nèi)化作用與肝細(xì)胞的細(xì)胞膜結(jié)合；第二階段Cd在肝竇狀隙質(zhì)膜上轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的作用下進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)運(yùn)。參與肝細(xì)胞Cd攝取的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白有DMT1、ZIP8和ZIP14。轉(zhuǎn)運(yùn)至肝細(xì)胞內(nèi)的Cd通過巰基與還原型谷胱甘肽（GSH）或金屬硫蛋白（MT）多基因家族MT-I和MT-II相結(jié)合形成復(fù)合物，并使其呈現(xiàn)“惰性”狀態(tài)，因此MT-I和MT-II具有保護(hù)肝臟的作用[5]。然而，Cd與MT-I、MT-II所組成的復(fù)合物具有腎毒性，可導(dǎo)致腎Cd慢性中毒[6]。

2 Cd誘導(dǎo)肝損傷的超微病理學(xué)變化

Cd誘導(dǎo)肝損傷的超微病理學(xué)變化是深入研究Cd肝毒性作用機(jī)制的基礎(chǔ)。采用電子顯微鏡/X射線光譜測定法在腫脹的線粒體內(nèi)顆粒物中檢測到了Cd的峰值，這表明細(xì)胞已鎘中毒。Qi等[7]采用分析型透射電鏡/X射線能譜儀（TEM/X-EDS）對Cd中毒的肝組織進(jìn)行了超微結(jié)構(gòu)分析和X射線能譜圖分析。分析結(jié)果顯示，Cd可引起肝細(xì)胞亞微米級超微結(jié)構(gòu)發(fā)生病變，包括：膜結(jié)構(gòu)塌陷、線粒體腫脹、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)擴(kuò)張、細(xì)胞器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞以及內(nèi)含物的出現(xiàn)。通過TEM/X-EDS證明Cd能夠在肝細(xì)胞線粒體內(nèi)富集，同時也為Cd誘導(dǎo)的線粒體形態(tài)學(xué)變化提供了可視化證據(jù)。該研究結(jié)果表明，Cd能夠?qū)е赂渭?xì)胞內(nèi)線粒體結(jié)構(gòu)被破壞甚至崩解，從而使得肝細(xì)胞內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的亞微米級病理學(xué)變化。此外，Renugadevi等[8]采用共焦拉曼成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在Cd中毒受損的肝細(xì)胞中某些特定的區(qū)域中脂類和蛋白質(zhì)顯著增加。

3 Cd誘導(dǎo)肝損傷的作用機(jī)制

Cd急性肝毒性，一方面通過直接作用所引起的原發(fā)性損傷，另一方面是由炎癥引起的繼發(fā)性損傷。Cd2+能夠與線粒體關(guān)鍵分子的巰基結(jié)合而引起肝細(xì)胞的原發(fā)性損傷。結(jié)合后的巰基會導(dǎo)致線粒體關(guān)鍵分子的硫醇基失活，失活后的線粒體關(guān)鍵分子會造成肝細(xì)胞發(fā)生一系列病變，包括：線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激和線粒體通透性轉(zhuǎn)換。Cd雖然能夠直接損傷肝細(xì)胞，但是令人信服的理由是內(nèi)皮細(xì)胞損傷所引起的局部缺血間接導(dǎo)致了機(jī)體內(nèi)的肝損傷[9]。急性Cd暴露激活枯否細(xì)胞分泌大量炎性因子和細(xì)胞毒性介質(zhì)，從而引發(fā)繼發(fā)性損傷[9]。

目前包含幾種假定的鎘誘導(dǎo)肝毒性機(jī)制。肝損傷可能與膜蛋白、胞質(zhì)蛋白和酶的巰基結(jié)合位點(diǎn)有關(guān)。Cd是一種非氧化還原性金屬，能夠通過降低細(xì)胞水平GSH（還原型谷胱甘肽）而間接引起肝細(xì)胞氧化應(yīng)激。此外，Cd還與鋅（Zn）、硒（Se）、銅（Cu）和鈣（Ca）等必需金屬元素相競爭[10]，從而干擾肝細(xì)胞金屬膜轉(zhuǎn)運(yùn)、能量代謝等一系列細(xì)胞過程。同時，Cd還影響了細(xì)胞的酶活性、DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)、氧化還原和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等多種細(xì)胞功能。Cd通過分解E-cadherin/β-catenin復(fù)合物從而改變了細(xì)胞間的粘附[9]。Cd誘導(dǎo)肝損傷的主要機(jī)制有：炎性介質(zhì)和粘附分子的產(chǎn)生、必需金屬元素的內(nèi)穩(wěn)態(tài)、巰基失活、氧化應(yīng)激、線粒體損傷以及細(xì)胞凋亡。

3.1 炎性介質(zhì)和粘附分子的產(chǎn)生

在Cd誘導(dǎo)的肝毒性中，經(jīng)Cd活化的枯否細(xì)胞會釋放出大量的炎性分子。其中，TNF-α和IL-1β能夠識別并激活肝臟中各種黏附分子的表達(dá)，包括E-選擇素、ICAM-1、VCAM-1、P-選擇素和β2家族整合素Mac-1[9,10]。肝細(xì)胞中黏附分子大量表達(dá)后引發(fā)一系列細(xì)胞和體液反應(yīng)最終導(dǎo)致炎癥和繼發(fā)性肝損傷。

3.2 干擾必需金屬元素的內(nèi)穩(wěn)態(tài)

Cd暴露能夠擾亂體內(nèi)其他金屬元素的內(nèi)穩(wěn)態(tài)，然而Cd的影響取決于鐵和鋅等必需金屬元素的機(jī)體狀態(tài)。許多金屬蛋白的功能關(guān)鍵取決于它們與金屬的相互作用，尤其是過渡金屬元素Cu、Fe和Zn。其中，Cd和Zn都不會轉(zhuǎn)變其氧化態(tài)，以二價陽離子的形式在生物環(huán)境中出現(xiàn)。例如，Cd僅與金屬硫蛋白中的硫元素位點(diǎn)結(jié)合，但在乙醇脫氫酶或個別鋅指蛋白中Zn位點(diǎn)中有時夾雜著Cd配位。通過這種方式，內(nèi)源性金屬元素被Cd替代通常認(rèn)為是Cd肝毒性的主要分子機(jī)制[10]。

3.3 巰基失活和氧化應(yīng)激

Cd與巰基的結(jié)合親和力強(qiáng)于與磷酸鹽、氯化物、羧基或氨基基團(tuán)的親和力。富含半胱氨酸殘基的MT和GSH通過巰基與Cd結(jié)合從而使其呈現(xiàn)“惰性”狀態(tài)，因此巰基在保護(hù)Cd誘導(dǎo)的肝毒性中是十分重要的。非蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)的硫醇基失去活性后，會通過擾亂肝細(xì)胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)而對肝細(xì)胞產(chǎn)生毒性[11]。機(jī)體內(nèi)活性氧的濃度和抗氧化防御機(jī)制間的不平衡狀態(tài)造成氧化應(yīng)激，最終導(dǎo)致肝損傷。

3.4 線粒體損傷

Cd引起線粒體功能障礙的主要指標(biāo)是線粒體的電子傳遞鏈和線粒體膜通透性的改變。另一方面，研究人員從雄性Wistar大鼠的肝臟中分離線粒體的過程中發(fā)現(xiàn)，Cd能夠通過下游Q蛋白的抑制效應(yīng)而干擾線粒體呼吸，結(jié)果造成線粒體內(nèi)呼吸和磷酸化率降低[12]。因此，在高濃度無機(jī)磷酸鹽的情況下，Cd能夠誘導(dǎo)解偶聯(lián)，是一種強(qiáng)大的解偶聯(lián)劑，抑制琥珀酸、蘋果酸/丙酮酸刺激呼吸。Cd對線粒體呼吸的影響與Cd的濃度密切相關(guān)：高濃度Cd可以抑制線粒體基礎(chǔ)呼吸，而低濃度Cd能夠促進(jìn)靜息呼吸。

在大鼠肝細(xì)胞線粒體中，Cd通過與NADH-輔酶Q還原酶（復(fù)合物Ⅰ）的結(jié)合位點(diǎn)相互作用，從而對其產(chǎn)生抑制作用。最近的研究結(jié)果表明，在虹鱒肝細(xì)胞線粒體中，Cd通過與復(fù)合物Ⅰ的黃素位點(diǎn)結(jié)合誘導(dǎo)活性氧生成，從而抑制線粒體呼吸[13]。在肝細(xì)胞線粒體中，Cd還能夠抑制琥珀酸脫氫酶的活性。琥珀酸脫氫酶的抑制劑是丙二酸，其對Cd誘導(dǎo)的大鼠肝癌細(xì)胞AS-30D壞死具有保護(hù)作用，這表明琥珀酸脫氫酶在Cd誘導(dǎo)的線粒體損傷中起關(guān)鍵作用[8]。另外，有研究結(jié)果表明，Cd通過輔酶Q-細(xì)胞色素C還原酶（復(fù)合物Ⅱ）損害線粒體的電子傳遞，使得線粒體ETC受到抑制，從而Cd表現(xiàn)出較強(qiáng)肝毒性。

3.5 誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡

Cd能夠?qū)е赂渭?xì)胞Hep3B胞內(nèi)鈣離子濃度升高，從而觸發(fā)肝細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)因子和核酸內(nèi)切酶G的核移位。在大鼠肝細(xì)胞中，線粒體動力相關(guān)蛋白1（Drp1）在Cd誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡中起關(guān)鍵作用。Cd誘導(dǎo)產(chǎn)生的Drp1能夠顯著增強(qiáng)細(xì)胞色素C的釋放、活性氧以及Caspase-3的激活的生成，從而降低線粒體跨膜電勢，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。另一方面，Cd還可通過激活NO和Caspase-8而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[9,14]。

4 結(jié)語

在Cd中毒的過程中氧化應(yīng)激起到關(guān)鍵作用，其可導(dǎo)致多臟器損傷，尤其對肝組織和腎組織的損害尤為嚴(yán)重。將Cd體內(nèi)暴露水平與體外暴露水平進(jìn)行比較可以得到有意思的結(jié)果，但是在進(jìn)行不同試驗(yàn)間比較時則應(yīng)謹(jǐn)慎。因?yàn)轶w外細(xì)胞系通常抵抗力較強(qiáng)，所以對于體外細(xì)胞系來說Cd體外暴露水平較高。通過體外試驗(yàn)得到的結(jié)果不能完全代替動物體內(nèi)的真正過程。在這種情況下，有必要將體內(nèi)與體外相結(jié)合進(jìn)行全面綜合分析，共同確定Cd誘導(dǎo)的肝損傷機(jī)制，以便取得較大進(jìn)展。就目前研究來看，鎘誘導(dǎo)的肝細(xì)胞損傷確切機(jī)制仍是未知的，這將是今后研究Cd誘導(dǎo)肝損傷的重點(diǎn)。