鎘致肝損傷機制及硒拮抗鎘肝毒性的研究進展

羅通旺,吳 亞,王書杰,宋厚輝,邵春艷

(浙江農林大學動物科技學院·動物醫學院 浙江省畜禽綠色生態健康養殖應用技術研究重點實驗室 動物健康互聯網檢測技術浙江省工程實驗室 動物醫學與健康管理浙江省國際科技合作基地 中澳動物健康大數據分析聯合實驗室,杭州 311300)

鎘是一種廣泛存在的環境污染物,不僅造成重大的經濟損失也嚴重危害了人類健康[1],因此,鎘污染的防治是一個不可忽視的環境問題。鎘污染也確實引起了全世界的高度關注,但至今還沒能徹底解決這個問題。早在1984年,聯合國環境規劃署提出了12種具有全球性意義的危險化學物質,鎘列首位并被世界衛生組織確定為優先研究的食品污染物[2]。鎘進入動物體內經血液循環轉運到所有靶器官,蓄積后可造成肝、腎、骨骼等多器官的損傷,甚至引起死亡[3-6]。肝是鎘重要的靶器官之一,被吸收的鎘首先會與白蛋白結合,然后在肝門靜脈循環的作用下被運送到肝竇毛細血管,并被肝細胞攝取,最終約有1/6的鎘蓄積于肝中,導致肝細胞損傷或死亡[7]。就目前的研究來看,鎘誘導肝細胞毒性的原因有很多,但是導致肝細胞損傷的確切機制仍是未知的。為了緩解鎘的細胞毒性損傷,研究者們一直在尋找能拮抗鎘毒性的有效藥物。硒作為一種生命必需的微量元素,以硒代半胱氨酸的形式參與各種抗氧化酶的合成,發揮抗氧化和免疫調節等功能[8-9]。近些年的研究表明,硒具有拮抗鎘毒性的作用[10]。但是傳統無機硒的生理劑量與中毒劑量范圍較窄,攝入過量的硒會引發毒性癥狀,而新型納米硒因其毒性低且高效的特點,有望在臨床中得到推廣應用。因此,本文擬對鎘致肝毒性的機制以及硒拮抗鎘肝毒性的相關研究進行歸納綜述,以期為鎘污染的防治以及硒的臨床應用提供理論依據。

1 鎘誘導肝毒性損傷的作用機制

鎘誘導肝損傷的機制主要有:細胞自噬[11]、氧化應激[12]、線粒體損傷[13]、細胞凋亡[14]、炎性介質和黏附分子的產生[15]、必需金屬元素的內穩態失衡[15]以及鐵死亡等[16]。

1.1 誘導細胞自噬

自噬是由一系列刺激誘導的細胞成分降解,如錯誤折疊的蛋白質、受損的細胞器、脂滴等。自噬的分子機制與病理過程以及細胞損傷情況相關,據報道自噬還與鎘誘導的細胞毒性有一定的關系[17-18]。p62蛋白在自噬被抑制時累積,而激活時則會降解,因此p62被認為是自噬活性的標志[19]。

過度自噬將導致細胞損傷,而適當的自噬對機體是有益的。在高膽固醇飲食喂養的小鼠中,鎘導致了自噬缺陷從而引起肝脂肪的堆積,因為自噬能夠降低甘油三酯和脂滴的含量,抑制自噬將會減少甘油三酯的分解[20]。這種相互關系可能會使肝細胞陷入一個有害的循環,在這個循環中,自噬減少會促進脂質堆積,而脂質滯留又反過來抑制自噬。有研究顯示,鎘誘導的自噬抑制與溶酶體降解能力受損有關,原因是溶酶體膜通透性增加抑制了轉錄因子EB的核轉位,以及由于Rap7蛋白表達減少阻止了自噬小體與溶酶體的融合[21]。例如在鎘處理的HepG2細胞中,由于內質網鈣離子動態平衡的改變抑制了溶酶體的降解途徑,從而增加了甘油三酯的含量。據報道,AMPK/PPAR-γ/NF-κB通路在鎘誘導的肝細胞自噬中具有重要作用[22],而線粒體自噬在肝損傷的早期也發揮了一定的作用[23]。

1.2 誘導氧化應激

當細胞損傷較輕時,可通過線粒體自噬清除功能失調或多余的線粒體,從而微調線粒體數并保持能量代謝。當發生功能紊亂的線粒體數量較多時,會導致氧化與抗氧化系統失衡,從而發生氧化應激。氧化應激被認為是鎘引起細胞損傷的重要機制之一[24]。正常狀態下的動物機體具有一套包括谷胱甘肽過氧化物酶、過氧化氫酶、過氧化物酶和超氧化物歧化酶等的抗氧化防御系統,但是由于鎘與巰基結合的親和力強于其與氯化物、磷酸鹽、羧基或氨基基團結合的親和力,所以進入機體的鎘通過與蛋白質上的巰基結合,使其失去活性后擾亂肝細胞內氧化還原狀態,引起細胞活性氧(ROS)增加以及氧化應激[25-26],最終導致肝細胞損傷。

1.3 誘導線粒體損傷

線粒體是細胞內最易損傷的細胞器也是產生ROS的主要場所,它可以顯示細胞受損傷的程度。線粒體損傷時可導致細胞發生變性、ROS生成過多、細胞能量不足等[27]。線粒體是鎘的主要靶標,鎘暴露能夠引起線粒體膜電位的改變和通透性增加,還能干擾呼吸鏈并增加自由基的產生,導致脂質過氧化以及細胞凋亡等,進而誘導肝的毒性損傷[28]。

1.4 誘導脂質穩態失衡

脂質過氧化將導致脂質穩態的失衡,而近幾年的研究表明,脂質穩態失衡也是鎘致肝損傷的一個機制。肝病大多情況下開始于脂質過載,脂質過載有時是可逆的,此時對肝功能的影響比較小,但由于炎癥的持續存在,肝病可能繼續發展到很嚴重的狀態[28]。有研究發現,氯化鎘暴露造成的小鼠肝損傷中甘油三酯和膽固醇的含量明顯增加,在大鼠體內試驗中也有類似的發現,用大鼠暴露于氯化鎘3個月后,觀察到血清中甘油三酯、總膽固醇、高密度脂蛋白膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇、谷胱甘肽和丙二醛明顯增加,這與增加的ROS一起,可能導致癌癥的發生[29]。事實上,膽固醇本身就可以為癌癥的發展提供啟動條件,而鎘的存在會加大這種可能性。有研究表明,高膽固醇飼糧喂養的小鼠肝細胞中甘油三酯的含量增加,當這些肝細胞又暴露于鎘時,甘油三酯的產生量得到更明顯提高[30]。鎘通過促進磷脂酰膽堿重塑和花生四烯酸的合成擾亂小鼠的脂質結構從而誘導肝功能發生障礙[31]。氯化鎘還能刺激miR-34a/SIRT1/FXR/p53軸誘導大鼠的非酒精性脂肪肝[32]。另外,血清鎘水平與脂肪變性以及纖維化之間也存在相關性。目前只在臨床前的研究模型中發現鎘會導致纖維化和肝癌,還需要進一步進行人類臨床研究,找到將慢性接觸鎘與肝癌聯系起來的確切證據,因為肝硬化和肝癌是肝進行性損害的最后階段。

1.5 誘導細胞凋亡

研究表明,無論是氧化應激還是脂質穩態失衡都可能繼發細胞凋亡。細胞凋亡是一種由多個基因介導的程序性細胞死亡,包括外在途徑和內在途徑,細胞凋亡也是機體去除受損細胞以確保器官正常功能的一種重要措施[33]。鎘暴露能夠導致肝細胞內質網應激和胞內鈣離子濃度升高,促進細胞凋亡誘導因子和核酸內切酶G的核移位[34-36]。此外,鎘暴露也能顯著增加細胞色素C的釋放量以及ROS和Caspase-3的生成,降低線粒體膜電位,最終導致細胞凋亡[37]。另一方面,鎘還能通過MAPK、NO、p53和Caspase-8等途徑誘導肝細胞發生凋亡[38]。總之,鎘暴露誘導肝細胞發生凋亡的途徑有很多,而過度凋亡時也將導致肝的功能受損。

1.6 誘導炎性介質和黏附分子的產生

鎘暴露時肝細胞會釋放出大量的炎性分子,而肝的巨噬細胞與中性粒細胞被認為是產生和釋放促炎細胞因子的主要來源。促炎因子主要包括白介素1α(IL-1α)、白介素1β(IL-1β)、白介素18(IL-18)、腫瘤壞死因子α(TNF-α)和單核細胞趨化蛋白1(MCP-1)。其中IL-1β和TNF-α可以識別并激活肝細胞中的黏附分子,然后引發一系列細胞和體液反應,最終導致肝炎和繼發性肝損傷。炎癥小體NLRP3是一種蛋白質化合物,在炎癥中發揮中介作用,鎘暴露可激活大鼠肝細胞中NLRP3、NF-κB和MAPK信號通路,并增加促炎細胞因子的表達[39-40]。鎘暴露還能誘導大鼠肝中一氧化氮(NO)的水平和過氧化物酶活性顯著升高,而NO在炎癥過程中發揮著重要作用。此外,鎘暴露的大鼠肝組織中,抗炎細胞因子IL-10和miR-182-5p水平顯著減少,而促炎細胞因子IL-6、TNF-α、IL-1β和TLR4顯著增加[41],表明miR-182-5p/TLR4/炎癥軸參與了鎘的肝毒性。

1.7 誘導必需金屬元素內穩態失衡

銅、鐵、鋅等必需金屬元素作為酶的輔助因子參與合成一些生物大分子,在生命活動中扮演著至關重要的角色[28]。鎘暴露能夠導致體內金屬轉運系統的紊亂以及一些必需金屬元素的內穩態失衡,這也是鎘毒性的機制之一[42]?，F有研究表明,鎘不會轉變其氧化態,而是以二價陽離子的形式存在于環境中,并通過特定的轉運體與必需金屬元素競爭進入機體內,如二價金屬轉運體、ZIP和鈣離子通道等[43]。鎘的積累會改變二價金屬的動態平衡,比如鐵缺乏的原因可能是與鎘競爭二價金屬轉運體有關。此外,ZIP8和ZIP14是促進細胞攝取鐵、錳和鋅的轉運體,但它們也可以轉運鎘。特別是ZIP8轉運蛋白表達的降低會減少鎘的含量,但也會造成細胞內鋅的缺乏,從而引起金屬元素的內穩態失衡并影響組織細胞的生命過程[44]。銅轉運蛋白是另一個與鎘進入機體有關的轉運蛋白,對人肝癌細胞系HepG2的研究表明,銅轉運蛋白的過表達會導致鎘攝取增加,而銅轉運蛋白的沉默又會減少銅等金屬元素進入細胞內[45]。另外,金屬硫蛋白在必需金屬元素特別是鋅和銅的運輸和調節中起著非常重要的作用。金屬硫蛋白的巰基能夠螯合鎘并將之排出體外,從而降低鎘離子對機體細胞的毒性,因此誘導金屬硫蛋白的表達對鎘的肝毒性具有保護作用[46]。總之,鎘可以取代蛋白質中的一些必需金屬元素,導致它們的功能障礙,從而干擾細胞膜金屬轉運、能量代謝等一系列細胞過程,這種方式被認為是鎘肝毒性的主要分子機制之一。

1.8 誘導細胞鐵死亡

金屬元素的內穩態失衡可能導致細胞的死亡,比如鐵死亡。鐵死亡是一種細胞程序性死亡方式,主要與鐵代謝紊亂、氨基酸抗氧化系統失衡、脂質過氧化物集聚有關[47]。雖然肝損傷的類型與損傷的性質及嚴重程度有關,而且不同性質的肝疾病可由不同原因引起,但是肝的病變由肝炎、肝纖維化、肝硬化或原發性肝癌的演變進程是相似的。近幾年的研究顯示,鐵死亡除了在腫瘤、帕金森病等疾病中發揮作用,在多種肝疾病中也發現了鐵代謝紊亂和脂質過氧化物集聚的現象,并且調控鐵死亡可以影響肝疾病進程[48-49]。陳敬宜等[50]的研究表明,鎘暴露造成鎘離子大量蓄積于肝中,引發鐵死亡,進而引起肝組織炎性損傷。在He等[51]的研究中顯示,鎘能通過誘導氧化應激介導的自噬和內質網應激來激活鐵死亡并引起肝損傷,這一過程中使用鐵死亡抑制劑能夠降低肝損傷的程度。也有研究表明,中藥對肝細胞鐵死亡具有一定的保護作用[52],那么硒作為鎘的拮抗劑對鎘誘導的肝細胞鐵死亡是否具有一定的緩解作用呢?這是需要進一步研究并探討的問題。此外,有文獻報道鎘暴露可通過激活PERK信號抑制胎盤來源的雌激素合成,從而損害胎兒的肝發育[53]。有意思的是,鎘除了誘導肝損傷外還能抑制早期癌癥的進展從而起到保護作用[54]。根據目前的報道,對鎘致肝損傷機制的相關文獻進行了匯總整理,具體如表1所示。

表1 鎘致肝損傷的相關研究匯總Table 1 Summary of related studies on cadmium induced liver damage

2 硒拮抗鎘肝毒性的研究進展

2.1 硒的概述

硒是哺乳動物所必需的微量元素之一,具有廣泛的生物活性,可通過形成硒蛋白調節細胞的氧化還原反應,維持機體內環境穩態[60-61]。硒的生理劑量與中毒劑量范圍較窄,一旦攝入過量的硒則會引起乏力、食欲減退、精神不振以及頭皮癢痛等癥狀[62]。常見的硒分為無機硒和有機硒,其中無機硒毒性較高而且很難控制用量,有機硒的吸收效率比無機硒高但是安全性也不強。在動物體內,硒以硒代半胱氨酸的形式結合到硒蛋白中,通過硒蛋白的表達來發揮生物學功能,在抗氧化、抗炎、免疫以及肝、腎等器官損傷的保護等方面具有重要作用[8]。此外,硒拮抗重金屬毒性的功能已經被證實,并且能夠從多種途徑緩解鎘對機體的毒性損傷,如通過AKT信號通路拮抗鎘誘導的細胞凋亡,通過緩解氧化應激降低鎘的肝毒性等[63]。但是傳統的有機硒和無機硒本身也具有較大的毒性,因此制備安全有效的硒制劑很有必要,毒性低且高效的紅色納米硒有望解決這一問題。納米硒是一種新型納米級單質硒,穩定性好,與傳統的硒化合物相比,安全性能高、具有更好的生物活性和抗氧化性[64]。納米硒能夠通過直接清除氧自由基、激活抗氧化酶活性、增強機體抗氧化防御體系中其它關鍵酶的活性等多種方式發揮其抗氧化作用,另外納米硒在雞上還能拮抗鎘誘導的肝纖維化[55]。在鎘導致的神經毒性和肝毒性方面,納米硒具有一定的保護作用[65-66]。過量的納米硒也能夠造成機體的損傷,但是在畜禽的養殖過程中適當的補充硒可以降低重金屬對機體造成毒性損傷的風險。

2.2 硒在鎘致肝毒性損傷中的作用

硒與肝的健康息息相關,肝病患者體內普遍缺硒,而補充硒能夠提高肝細胞的抗氧化能力,抑制肝纖維化和損傷。雖然硒對重金屬的拮抗作用在十幾年前就有報道,但是其作用機制卻還不是很明確。從現有報道的研究來看,在肝細胞中硒拮抗鎘的機制可能有:減輕氧化應激[67]、緩解脂質代謝紊亂和線粒體損傷、抑制細胞凋亡和自噬[56]、減輕炎癥反應以及改善細胞內游離Ca2+穩態等。此外,有研究顯示硒對外因導致的細胞鐵死亡具有保護作用[68-69],但是在鎘誘導的肝細胞鐵死亡中硒的作用機制還未明確。

線粒體質量控制是通過調節線粒體形態、遷移、分布和數量的平衡來實現線粒體穩態的關鍵機制,線粒體質量控制缺陷被認為是細胞衰老的主要因素。線粒體質量控制機制能夠被鎘破壞,硒通過減輕線粒體質量控制機制的紊亂來改善鎘誘導的衰老[57]。Cong等[70]的報道表明,在雞的肝組織中,硒通過細胞色素P450能夠對鎘誘導的線粒體損傷發揮保護作用[70]。另一方面,鎘能夠擾亂兔肝組織中微量元素的平衡,而補硒能夠激活Nrf2信號通路調節線粒體相關蛋白的表達并平衡線粒體的分裂和融合,最終緩解鎘誘導的肝細胞線粒體自噬以及內質網應激[58]。此外,硒通過干預脂質過氧化,改善細胞內游離Ca2+穩態和脂代謝紊亂,從而減輕鎘誘導的肝細胞毒性損傷[71]。并且適當劑量的亞硒酸鈉對氯化鎘誘導的DNA損傷、細胞凋亡、細胞壞死具有一定的抑制作用[63]。El-Boshy等[72]用含鎘水喂飼大鼠30 d后發現肝、腎受到了一定程度的損傷,而給予亞硒酸鈉共處理則降低了鎘引起的血清促炎因子水平,并且提高了肝中抗氧化酶活性從而緩解肝的毒性損傷。Cao等[59]發現,硒能夠通過抑制鴨肝細胞中NLRP3炎癥小體與HMGB1/NF-κB通路的相互作用,拮抗鎘誘導的炎癥和氧化應激。Wang等[73]在蛋雞的研究中也發現硒通過抑制氧化應激和MAPK途徑發揮鎘肝毒性的拮抗作用。

由于鎘致肝損傷的機制比較復雜,很難從單一的方面去闡述清楚其發病機制以及硒的保護作用,而采取聯合治療往往會取得更好的效果。對于聯合用藥方面,王躍[74]的研究顯示,富硒酵母聯合維生素E通過提高體內抗氧化酶的活性、抑制細胞凋亡以及減輕炎癥反應,可以緩解鎘導致的肝損傷。趙鳴飛[75]的研究表明,姜黃素-硒配合物對鎘導致的大鼠肝氧化損傷和肝細胞凋亡等具有緩解作用,而L-肉堿與四氯化硒的聯合使用也可以保護小鼠肝免受氯化鎘誘導的組織結構損傷。根據目前報道,對硒拮抗鎘肝毒性的文獻進行了匯總整理,具體如表2所示。硒在鎘致肝毒性中的作用如圖1所示。

圖1 硒在鎘致肝毒性損傷中的作用示意圖Fig.1 Schematic diagram of the role of selenium in cadmium induced hepatotoxicity injury

表2 硒拮抗鎘肝毒性的相關研究匯總Table 2 Summary of related studies on selenium antagonizing cadmium hepatotoxicity

3 結 語

綜上所述,肝是鎘主要的靶器官和蓄積部位,鎘在肝中蓄積后能夠造成毒性損傷,最終影響肝的功能。鎘致肝損傷的機制比較多,各機制之間既相互獨立又相互聯系,而且可能還有潛在的機制未被發現。正是由于鎘中毒的復雜性及其對人類健康造成的危害,鎘污染的防控和治理是一直是政府努力解決的環境問題,而如何降低鎘進入機體后造成的毒性損傷也是科學界研究的熱點之一。硒作為哺乳動物必需的微量元素,具有廣泛的生物活性,而且研究表明,硒對鎘毒性具有一定的拮抗作用,但是由于傳統硒的安全劑量范圍比較窄,導致硒的應用受到了限制。近幾年發現的紅色納米硒作為一種新形態的硒,因其具有低毒性和高生物活性的特點,有望成為新型的硒產品并在防治鎘毒性中得到應用。然而,關于硒拮抗鎘毒性的科學研究和應用仍然存在許多的困惑,例如目前報道的作用機制主要是硒的抗氧化性,但具有抗氧化性的產品有很多,而且鎘對機體的毒性不止是氧化損傷一方面。因此,只有進一步研究硒、鎘相互作用的機理以及硒發揮作用的關鍵靶點,才能促進相關硒產品更廣泛的應用,這也是未來研究的方向。