鎘對(duì)機(jī)體免疫影響的概述

馬海燕,顧杰,周陽(yáng),施海峰

(江蘇大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

鎘在體內(nèi)代謝緩慢,其長(zhǎng)期富集會(huì)對(duì)機(jī)體多種器官和組織造成損傷[1]。急性鎘吸入會(huì)嚴(yán)重破壞呼吸系統(tǒng),導(dǎo)致呼吸急促,還會(huì)破壞黏膜并導(dǎo)致肺水腫。慢性鎘接觸通過吸入導(dǎo)致腎小管細(xì)胞壞死、貧血并損害肺功能。報(bào)道顯示,鎘暴露可引發(fā)免疫應(yīng)答異常,如大鼠鎘暴露30 d后內(nèi)皮細(xì)胞中IL-1β、IL-6、IL-10以及腫瘤壞死因子水平升高[2]。同樣,鎘暴露可抑制免疫,在伴刀豆球蛋白A和IL-2激活的大鼠中鎘暴露能抑制脾臟細(xì)胞增殖,抑制伴刀豆球蛋白A誘導(dǎo)的γ-干擾素和IL-17表達(dá)[3]。鎘暴露可導(dǎo)致孕婦尿液中CD3+、CD4+細(xì)胞數(shù)量減少。研究表明,鎘毒性與氧化應(yīng)激[4]、Ca2+通道[5]、膽固醇代謝[6]以及自噬[7]等密切相關(guān)。本文針對(duì)這四種關(guān)鍵途徑之間可能存在的聯(lián)系作一綜述。

1 鎘引起機(jī)體免疫毒性的四種關(guān)鍵機(jī)制

1.1 氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是指當(dāng)細(xì)胞中自由基的產(chǎn)生與抗氧化劑之間失衡時(shí),細(xì)胞內(nèi)氧自由基過量積累,從而造成脂質(zhì)過氧化、DNA損傷和蛋白質(zhì)氧化增加等,最終導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙和壞死。研究表明,鎘經(jīng)機(jī)體吸收后,進(jìn)入血液與紅細(xì)胞和血清白蛋白結(jié)合,刺激脂質(zhì)過氧化和活性氧的形成,從而引起細(xì)胞氧化和組織損傷,通過使用自由基清除劑和抗氧化劑進(jìn)行治療可用于防止鎘毒性[8]。

氧化應(yīng)激可引發(fā)炎癥反應(yīng),而炎癥反應(yīng)主要通過免疫細(xì)胞介導(dǎo),因此三者存在一定的聯(lián)系。當(dāng)機(jī)體氧自由基產(chǎn)生過多時(shí),往往會(huì)引起免疫細(xì)胞的異常反應(yīng),影響機(jī)體的免疫功能[9]。氧化應(yīng)激涉及反應(yīng)性氧化劑的異常,產(chǎn)生不穩(wěn)定的游離羥基,導(dǎo)致碳水化合物、蛋白質(zhì)、多不飽和脂肪酸的異常氧化以及DNA羥基化。氧化應(yīng)激可通過產(chǎn)生促炎性趨化因子進(jìn)一步引發(fā)級(jí)聯(lián)免疫反應(yīng),如炎性細(xì)胞因子釋放增加,嗜中性粒細(xì)胞激活和白細(xì)胞釋放等[10]。在不同代謝過程中,線粒體產(chǎn)生的氧自由基對(duì)于殺傷病原體是必需的[11]；尤其是在吞噬細(xì)胞,如巨噬細(xì)胞和嗜中性粒細(xì)胞中,其大量產(chǎn)生的氧自由基可破壞病原微生物。然而當(dāng)氧自由基累積過量后,其較高濃度可導(dǎo)致免疫細(xì)胞和組織的氧化應(yīng)激以及隨之而來(lái)的損傷[12]。

1.2 Ca2+通道

Ca2+作為第二信使,對(duì)細(xì)胞分裂、激活、增殖和凋亡起著重要作用。由于Cd2+與Ca2+具有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)與電荷,Cd2+可競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合Ca2+通道,從而影響Ca2+發(fā)揮生物功能。Cd2+通過以下機(jī)制擾亂Ca2+介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo):Cd2+抑制細(xì)胞膜鈣泵,阻止Ca2+流出,并通過抑制肌質(zhì)/內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣泵或分泌途徑阻止Ca2+進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體[5]；通過誘導(dǎo)Ca2+細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存或細(xì)胞外釋放,增加細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平[13]；可以改變細(xì)胞膜脂質(zhì)中磷脂酰肌醇的含量。Cd2+與G蛋白偶聯(lián)受體相互作用從而激活磷脂酶C,從而導(dǎo)致磷脂酰肌醇分解和三磷酸肌醇(IP3)產(chǎn)生。因此,Cd2+誘導(dǎo)IP3增加后,激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜IP3受體,導(dǎo)致Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放至細(xì)胞質(zhì)中[14]。由此表明,Cd2+不僅能直接抑制Ca2+通道或相關(guān)蛋白,還能通過誘導(dǎo)的脂質(zhì)代謝紊亂間接影響Ca2+穩(wěn)態(tài)。

T淋巴細(xì)胞功能取決于Ca2+信號(hào)傳導(dǎo),免疫細(xì)胞活化的重要信號(hào)途徑是Ca2+通過激活細(xì)胞膜上Ca2+通道進(jìn)入胞內(nèi)。在T淋巴細(xì)胞中,刺激T細(xì)胞受體后可激活Ca2+通道,導(dǎo)致磷脂酶Cγ活化,IP3產(chǎn)生并作用于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜IP3受體,引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+釋放,細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度瞬時(shí)增加[15]。由此可見,Ca2+對(duì)于免疫功能的影響主要基于Ca2+通道介導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),激活免疫細(xì)胞表面的相關(guān)抗原,進(jìn)而影響免疫細(xì)胞的功能。

1.3 膽固醇代謝

Cd2+在體內(nèi)與多種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)合,從而影響膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)與攝取。鎘暴露可改變脂質(zhì)代謝并促進(jìn)心血管疾病的發(fā)展,包括動(dòng)脈粥樣硬化、高血壓等[1]。自噬可通過消除三酰甘油和防止脂肪變性而調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝,當(dāng)鎘暴露導(dǎo)致自噬失調(diào)時(shí),膽固醇喂養(yǎng)的小鼠肝細(xì)胞中脂質(zhì)含量上升[16]。Wang等[6]報(bào)道,鎘暴露可引起小鼠肝臟膽固醇的重新分布,這可能與調(diào)節(jié)膽固醇的外排蛋白ABCA1和氧固醇結(jié)合蛋白的表達(dá)有關(guān)。斑馬魚在食用鎘4周后,三酰甘油、血漿總膽固醇以及膽固醇酯水平明顯上升,同時(shí)還引起脂肪肝加速變化和活性氧大量產(chǎn)生[17]。早期有研究報(bào)道,大鼠鎘暴露后血漿三酰甘油和低密度脂蛋白濃度升高,這歸因于脂蛋白脂肪酶活性降低,導(dǎo)致富含三酰甘油的低密度脂蛋白增加[18]。

膜脂質(zhì)可以直接調(diào)控T細(xì)胞信號(hào)和功能。膽固醇作為膜脂質(zhì)的關(guān)鍵組成部分,其代謝水平影響T細(xì)胞受體聚集和T細(xì)胞免疫突觸形成以及免疫信號(hào)傳導(dǎo)產(chǎn)生[19]。研究顯示,通過抑制CD8+T細(xì)胞受體表達(dá),可以明顯促進(jìn)質(zhì)膜的膽固醇水平上升,從而增強(qiáng)CD8+T細(xì)胞免疫應(yīng)答能力[20]。此外,巨噬細(xì)胞作為調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝的重要細(xì)胞,又是免疫的起始點(diǎn),其功能與膽固醇代謝有著密切聯(lián)系。當(dāng)膽固醇代謝平衡破壞時(shí),巨噬細(xì)胞通過清除劑受體吸收細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的修飾脂蛋白,從而形成泡沫細(xì)胞,失去其免疫起始的功能[21]。

1.4 自噬

自噬是所有真核細(xì)胞中進(jìn)化保守的細(xì)胞內(nèi)消化和再循環(huán)途徑。自噬與病毒、細(xì)菌和真菌病原體的先天免疫反應(yīng)有關(guān)。目前已報(bào)道系統(tǒng)性紅斑狼瘡、哮喘、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等慢性炎性疾病以及自身免疫疾病與自噬基因相關(guān)[7]。Zhang等[22]報(bào)道,鎘誘導(dǎo)視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞凋亡時(shí),激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,且促進(jìn)自噬。當(dāng)鎘在睪丸中蓄積,引起生精小管萎縮,管徑減小,精原干細(xì)胞從內(nèi)層脫落,生殖細(xì)胞層排列紊亂,造成睪丸損傷,這可能與自噬水平升高有關(guān)[23]。同樣,在肝癌細(xì)胞暴露于氯化鎘后,顯示鎘誘導(dǎo)線粒體來(lái)源的超氧陰離子依賴性自噬細(xì)胞死亡[10]。此外,阻斷自噬可抑制鎘暴露誘導(dǎo)的口腔鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞增殖、遷移和侵襲[7]。

鎘可以通過調(diào)節(jié)自噬引起免疫異常。海藻糖通過抑制由鎘激活的核因子E2相關(guān)因子2信號(hào)通路,介導(dǎo)細(xì)胞凋亡和自噬,從而避免鎘導(dǎo)致的脾臟損傷[24]。鎘處理小鼠單核巨噬細(xì)胞通過激活抗氧化酶引起氧化應(yīng)激反應(yīng),進(jìn)而介導(dǎo)DNA損傷、細(xì)胞凋亡和自噬發(fā)生[11]。用抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸處理鎘暴露的小鼠單核巨噬細(xì)胞時(shí),抑制自噬底物p62/SQSTM1的積累,由此表明氧化應(yīng)激可影響自噬底物降解[25]。自噬在鎘誘導(dǎo)小鼠單核巨噬細(xì)胞中通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)鈣蛋白酶激活引起腫瘤壞死因子α表達(dá)降低,從而引起炎癥反應(yīng)[26]。鎘通過誘導(dǎo)小鼠脾臟組織中液泡膜蛋白1的表達(dá)和自噬,導(dǎo)致小鼠免疫細(xì)胞凋亡；降低液泡膜蛋白1表達(dá)后,鎘誘導(dǎo)的自噬和細(xì)胞凋亡得以減輕[27]。此外,鎘誘導(dǎo)的人B淋巴細(xì)胞瘤細(xì)胞中膜泡蛋白1表達(dá)、自噬和細(xì)胞凋亡取決于Ca2+和活性氧的升高[27]。綜上所述,自噬介導(dǎo)免疫B細(xì)胞中鎘暴露造成的機(jī)體免疫損傷,而自噬通路的激活可通過氧化應(yīng)激誘導(dǎo)。

2 鎘影響免疫的作用機(jī)制概述

鎘暴露誘導(dǎo)IP3與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜相應(yīng)受體結(jié)合,導(dǎo)致Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放至細(xì)胞質(zhì)中,胞內(nèi)Ca2+增加激活胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶通路,引起自噬。此外,鎘通過細(xì)胞內(nèi)Ca2+增加誘導(dǎo)活性氧產(chǎn)生,激活糖原合成酶激酶3β(GSK-3β)信號(hào)通路,并觸發(fā)自噬,自噬進(jìn)一步通過隔離和降解泛素化的炎癥小體調(diào)節(jié)免疫[28]。線粒體是已知的鎘重要細(xì)胞內(nèi)靶標(biāo),鎘可通過介導(dǎo)谷胱甘肽和蛋白質(zhì)結(jié)合的巰基消耗,引起線粒體功能失調(diào),產(chǎn)生過量活性氧引起脂質(zhì)過氧化,血漿三酰甘油和低密度脂蛋白濃度升高。脂質(zhì)代謝紊亂后又將依賴肝臟X受體的代謝途徑與免疫反應(yīng)調(diào)節(jié)相互聯(lián)系[29](圖1)。鎘對(duì)細(xì)胞自噬的誘導(dǎo)或者抑制是由細(xì)胞類型和狀態(tài)決定的,而且受氧化應(yīng)激和Ca2+通道介導(dǎo)。自噬的改變進(jìn)一步引起脂代謝和免疫細(xì)胞功能的改變。綜上所述,鎘引起的免疫損傷是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程,文中所述的四種關(guān)鍵機(jī)制可通過相互作用引發(fā)免疫毒性。

圖1 鎘影響免疫功能通路示意圖

鎘毒性的防治并沒有成熟的治療方案,目前臨床上治療鎘引起免疫毒性的方案主要是基于氧化應(yīng)激機(jī)制。由于抗氧化酶產(chǎn)生減少,導(dǎo)致活性氧產(chǎn)生過高。因此治療方案旨在補(bǔ)充抗氧化酶,并與常規(guī)藥物結(jié)合使用來(lái)補(bǔ)充天然抗氧化劑。抗氧化酶有超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶等。這些酶通過將自由基催化為無(wú)毒分子,從而將人體中自由基清除,阻止氧化應(yīng)激介導(dǎo)的免疫毒性發(fā)生[10]。

3 展望

鎘通過抑制自噬-溶酶體途徑促進(jìn)脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白累積,導(dǎo)致肝臟膽固醇的重新分布。此外,鎘暴露通過破壞Ca2+穩(wěn)態(tài)和增加活性氧激活液泡膜蛋白表達(dá)介導(dǎo)自噬,促進(jìn)脾臟B細(xì)胞凋亡[30],而抑制自噬可以減輕鎘誘導(dǎo)的脾臟和免疫細(xì)胞的凋亡。由此可知,鎘的免疫生物毒性主要與其誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激、Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)、膽固醇代謝以及自噬有關(guān),且其之間存在著復(fù)雜的相互作用網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。目前尚缺乏有力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)鎘毒性可通過多種機(jī)制相互作用來(lái)共同調(diào)節(jié)免疫功能,同時(shí)鎘毒性的防治也沒有成熟的治療方案,因此還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探究鎘免疫毒性的多種分子機(jī)制之間的作用關(guān)系,同時(shí)通過對(duì)鎘免疫毒性作用靶點(diǎn)的分析,尋找治療機(jī)體免疫疾病的新策略。