鎘對機體免疫影響的概述

馬海燕,顧杰,周陽,施海峰

(江蘇大學生命科學學院,江蘇 鎮江 212013)

鎘在體內代謝緩慢,其長期富集會對機體多種器官和組織造成損傷[1]。急性鎘吸入會嚴重破壞呼吸系統,導致呼吸急促,還會破壞黏膜并導致肺水腫。慢性鎘接觸通過吸入導致腎小管細胞壞死、貧血并損害肺功能。報道顯示,鎘暴露可引發免疫應答異常,如大鼠鎘暴露30 d后內皮細胞中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胞增殖,抑制伴刀豆球蛋白A誘導的γ-干擾素和IL-17表達[3]。鎘暴露可導致孕婦尿液中CD3+、CD4+細胞數量減少。研究表明,鎘毒性與氧化應激[4]、Ca2+通道[5]、膽固醇代謝[6]以及自噬[7]等密切相關。本文針對這四種關鍵途徑之間可能存在的聯系作一綜述。

1 鎘引起機體免疫毒性的四種關鍵機制

1.1 氧化應激

氧化應激是指當細胞中自由基的產生與抗氧化劑之間失衡時,細胞內氧自由基過量積累,從而造成脂質過氧化、DNA損傷和蛋白質氧化增加等,最終導致細胞功能障礙和壞死。研究表明,鎘經機體吸收后,進入血液與紅細胞和血清白蛋白結合,刺激脂質過氧化和活性氧的形成,從而引起細胞氧化和組織損傷,通過使用自由基清除劑和抗氧化劑進行治療可用于防止鎘毒性[8]。

氧化應激可引發炎癥反應,而炎癥反應主要通過免疫細胞介導,因此三者存在一定的聯系。當機體氧自由基產生過多時,往往會引起免疫細胞的異常反應,影響機體的免疫功能[9]。氧化應激涉及反應性氧化劑的異常,產生不穩定的游離羥基,導致碳水化合物、蛋白質、多不飽和脂肪酸的異常氧化以及DNA羥基化。氧化應激可通過產生促炎性趨化因子進一步引發級聯免疫反應,如炎性細胞因子釋放增加,嗜中性粒細胞激活和白細胞釋放等[10]。在不同代謝過程中,線粒體產生的氧自由基對于殺傷病原體是必需的[11]；尤其是在吞噬細胞,如巨噬細胞和嗜中性粒細胞中,其大量產生的氧自由基可破壞病原微生物。然而當氧自由基累積過量后,其較高濃度可導致免疫細胞和組織的氧化應激以及隨之而來的損傷[12]。

1.2 Ca2+通道

Ca2+作為第二信使,對細胞分裂、激活、增殖和凋亡起著重要作用。由于Cd2+與Ca2+具有相似的化學結構與電荷,Cd2+可競爭性結合Ca2+通道,從而影響Ca2+發揮生物功能。Cd2+通過以下機制擾亂Ca2+介導的信號轉導:Cd2+抑制細胞膜鈣泵,阻止Ca2+流出,并通過抑制肌質/內質網鈣泵或分泌途徑阻止Ca2+進入內質網和高爾基體[5]；通過誘導Ca2+細胞內儲存或細胞外釋放,增加細胞內Ca2+水平[13]；可以改變細胞膜脂質中磷脂酰肌醇的含量。Cd2+與G蛋白偶聯受體相互作用從而激活磷脂酶C,從而導致磷脂酰肌醇分解和三磷酸肌醇(IP3)產生。因此,Cd2+誘導IP3增加后,激活內質網膜IP3受體,導致Ca2+從內質網釋放至細胞質中[14]。由此表明,Cd2+不僅能直接抑制Ca2+通道或相關蛋白,還能通過誘導的脂質代謝紊亂間接影響Ca2+穩態。

T淋巴細胞功能取決于Ca2+信號傳導,免疫細胞活化的重要信號途徑是Ca2+通過激活細胞膜上Ca2+通道進入胞內。在T淋巴細胞中,刺激T細胞受體后可激活Ca2+通道,導致磷脂酶Cγ活化,IP3產生并作用于內質網膜IP3受體,引起內質網Ca2+釋放,細胞內Ca2+濃度瞬時增加[15]。由此可見,Ca2+對于免疫功能的影響主要基于Ca2+通道介導信號轉導,激活免疫細胞表面的相關抗原,進而影響免疫細胞的功能。

1.3 膽固醇代謝

Cd2+在體內與多種轉運蛋白結合,從而影響膽固醇轉運與攝取。鎘暴露可改變脂質代謝并促進心血管疾病的發展,包括動脈粥樣硬化、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節脂質代謝,當鎘暴露導致自噬失調時,膽固醇喂養的小鼠肝細胞中脂質含量上升[16]。Wang等[6]報道,鎘暴露可引起小鼠肝臟膽固醇的重新分布,這可能與調節膽固醇的外排蛋白ABCA1和氧固醇結合蛋白的表達有關。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,同時還引起脂肪肝加速變化和活性氧大量產生[17]。早期有研究報道,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,導致富含三酰甘油的低密度脂蛋白增加[18]。

膜脂質可以直接調控T細胞信號和功能。膽固醇作為膜脂質的關鍵組成部分,其代謝水平影響T細胞受體聚集和T細胞免疫突觸形成以及免疫信號傳導產生[19]。研究顯示,通過抑制CD8+T細胞受體表達,可以明顯促進質膜的膽固醇水平上升,從而增強CD8+T細胞免疫應答能力[20]。此外,巨噬細胞作為調節脂質代謝的重要細胞,又是免疫的起始點,其功能與膽固醇代謝有著密切聯系。當膽固醇代謝平衡破壞時,巨噬細胞通過清除劑受體吸收細胞質內的修飾脂蛋白,從而形成泡沫細胞,失去其免疫起始的功能[21]。

1.4 自噬

自噬是所有真核細胞中進化保守的細胞內消化和再循環途徑。自噬與病毒、細菌和真菌病原體的先天免疫反應有關。目前已報道系統性紅斑狼瘡、哮喘、類風濕性關節炎等慢性炎性疾病以及自身免疫疾病與自噬基因相關[7]。Zhang等[22]報道,鎘誘導視網膜色素上皮細胞凋亡時,激活內質網應激,且促進自噬。當鎘在睪丸中蓄積,引起生精小管萎縮,管徑減小,精原干細胞從內層脫落,生殖細胞層排列紊亂,造成睪丸損傷,這可能與自噬水平升高有關[23]。同樣,在肝癌細胞暴露于氯化鎘后,顯示鎘誘導線粒體來源的超氧陰離子依賴性自噬細胞死亡[10]。此外,阻斷自噬可抑制鎘暴露誘導的口腔鱗狀細胞癌細胞增殖、遷移和侵襲[7]。

鎘可以通過調節自噬引起免疫異常。海藻糖通過抑制由鎘激活的核因子E2相關因子2信號通路,介導細胞凋亡和自噬,從而避免鎘導致的脾臟損傷[24]。鎘處理小鼠單核巨噬細胞通過激活抗氧化酶引起氧化應激反應,進而介導DNA損傷、細胞凋亡和自噬發生[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胞時,抑制自噬底物p62/SQSTM1的積累,由此表明氧化應激可影響自噬底物降解[25]。自噬在鎘誘導小鼠單核巨噬細胞中通過內質網應激介導鈣蛋白酶激活引起腫瘤壞死因子α表達降低,從而引起炎癥反應[26]。鎘通過誘導小鼠脾臟組織中液泡膜蛋白1的表達和自噬,導致小鼠免疫細胞凋亡；降低液泡膜蛋白1表達后,鎘誘導的自噬和細胞凋亡得以減輕[27]。此外,鎘誘導的人B淋巴細胞瘤細胞中膜泡蛋白1表達、自噬和細胞凋亡取決于Ca2+和活性氧的升高[27]。綜上所述,自噬介導免疫B細胞中鎘暴露造成的機體免疫損傷,而自噬通路的激活可通過氧化應激誘導。

2 鎘影響免疫的作用機制概述

鎘暴露誘導IP3與內質網膜相應受體結合,導致Ca2+從內質網釋放至細胞質中,胞內Ca2+增加激活胞外信號調節激酶通路,引起自噬。此外,鎘通過細胞內Ca2+增加誘導活性氧產生,激活糖原合成酶激酶3β(GSK-3β)信號通路,并觸發自噬,自噬進一步通過隔離和降解泛素化的炎癥小體調節免疫[28]。線粒體是已知的鎘重要細胞內靶標,鎘可通過介導谷胱甘肽和蛋白質結合的巰基消耗,引起線粒體功能失調,產生過量活性氧引起脂質過氧化,血漿三酰甘油和低密度脂蛋白濃度升高。脂質代謝紊亂后又將依賴肝臟X受體的代謝途徑與免疫反應調節相互聯系[29](圖1)。鎘對細胞自噬的誘導或者抑制是由細胞類型和狀態決定的,而且受氧化應激和Ca2+通道介導。自噬的改變進一步引起脂代謝和免疫細胞功能的改變。綜上所述,鎘引起的免疫損傷是一個復雜的系統調節過程,文中所述的四種關鍵機制可通過相互作用引發免疫毒性。

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激機制。由于抗氧化酶產生減少,導致活性氧產生過高。因此治療方案旨在補充抗氧化酶,并與常規藥物結合使用來補充天然抗氧化劑?？寡趸赣谐趸锲缁?、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毒分子,從而將人體中自由基清除,阻止氧化應激介導的免疫毒性發生[10]。

3 展望

鎘通過抑制自噬-溶酶體途徑促進脂質轉運蛋白累積,導致肝臟膽固醇的重新分布。此外,鎘暴露通過破壞Ca2+穩態和增加活性氧激活液泡膜蛋白表達介導自噬,促進脾臟B細胞凋亡[30],而抑制自噬可以減輕鎘誘導的脾臟和免疫細胞的凋亡。由此可知,鎘的免疫生物毒性主要與其誘導的氧化應激、Ca2+轉運、膽固醇代謝以及自噬有關,且其之間存在著復雜的相互作用網絡關系。目前尚缺乏有力的實驗數據證實鎘毒性可通過多種機制相互作用來共同調節免疫功能,同時鎘毒性的防治也沒有成熟的治療方案,因此還需進一步實驗探究鎘免疫毒性的多種分子機制之間的作用關系,同時通過對鎘免疫毒性作用靶點的分析,尋找治療機體免疫疾病的新策略。