劉暢，李磊，王艷，朱倩，姚鑫，趙磊

（安徽科技學院、動物營養(yǎng)調控與健康安徽省重點實驗室，安徽滁州 233100）

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

肝臟是Cd的重要靶器官之一。Cd進入人和動物機體后，通過血液循環(huán)的運輸?shù)竭_肝臟，并在肝臟中進行蓄積，機體內大約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]，甚至可導致Cd急性中毒者死亡[3]。

1 Cd在肝細胞內的轉運

Cd一般通過胃腸道或呼吸道進入人和動物體循環(huán)，從而被轉運到所有靶器官。而被胃腸道吸收的Cd首先與白蛋白結合，在肝門靜脈循環(huán)的作用下運送至肝竇毛細血管，最終被肝細胞所攝取[4]。Cd在肝細胞內轉運的過程分為兩個階段，第一階段Cd通過內化作用與肝細胞的細胞膜結合；第二階段Cd在肝竇狀隙質膜上轉運蛋白的作用下進行進一步轉運。參與肝細胞Cd攝取的轉運蛋白有DMT1、ZIP8和ZIP14。轉運至肝細胞內的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相結合形成復合物，并使其呈現(xiàn)“惰性”狀態(tài)，因此MT-I和MT-II具有保護肝臟的作用[5]。然而，Cd與MT-I、MT-II所組成的復合物具有腎毒性，可導致腎Cd慢性中毒[6]。

2 Cd誘導肝損傷的超微病理學變化

Cd誘導肝損傷的超微病理學變化是深入研究Cd肝毒性作用機制的基礎。采用電子顯微鏡/X射線光譜測定法在腫脹的線粒體內顆粒物中檢測到了Cd的峰值，這表明細胞已鎘中毒。Qi等[7]采用分析型透射電鏡/X射線能譜儀（TEM/X-EDS）對Cd中毒的肝組織進行了超微結構分析和X射線能譜圖分析。分析結果顯示，Cd可引起肝細胞亞微米級超微結構發(fā)生病變，包括：膜結構塌陷、線粒體腫脹、內質網擴張、細胞器內部結構的破壞以及內含物的出現(xiàn)。通過TEM/X-EDS證明Cd能夠在肝細胞線粒體內富集，同時也為Cd誘導的線粒體形態(tài)學變化提供了可視化證據。該研究結果表明，Cd能夠導致肝細胞內線粒體結構被破壞甚至崩解，從而使得肝細胞內發(fā)生嚴重的亞微米級病理學變化。此外，Renugadevi等[8]采用共焦拉曼成像技術發(fā)現(xiàn)，在Cd中毒受損的肝細胞中某些特定的區(qū)域中脂類和蛋白質顯著增加。

3 Cd誘導肝損傷的作用機制

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+能夠與線粒體關鍵分子的巰基結合而引起肝細胞的原發(fā)性損傷。結合后的巰基會導致線粒體關鍵分子的硫醇基失活，失活后的線粒體關鍵分子會造成肝細胞發(fā)生一系列病變，包括：線粒體功能障礙、氧化應激和線粒體通透性轉換。Cd雖然能夠直接損傷肝細胞，但是令人信服的理由是內皮細胞損傷所引起的局部缺血間接導致了機體內的肝損傷[9]。急性Cd暴露激活枯否細胞分泌大量炎性因子和細胞毒性介質，從而引發(fā)繼發(fā)性損傷[9]。

目前包含幾種假定的鎘誘導肝毒性機制。肝損傷可能與膜蛋白、胞質蛋白和酶的巰基結合位點有關。Cd是一種非氧化還原性金屬，能夠通過降低細胞水平GSH（還原型谷胱甘肽）而間接引起肝細胞氧化應激。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]，從而干擾肝細胞金屬膜轉運、能量代謝等一系列細胞過程。同時，Cd還影響了細胞的酶活性、DNA損傷修復系統(tǒng)、氧化還原和信號轉導等多種細胞功能。Cd通過分解E-cadherin/β-catenin復合物從而改變了細胞間的粘附[9]。Cd誘導肝損傷的主要機制有：炎性介質和粘附分子的產生、必需金屬元素的內穩(wěn)態(tài)、巰基失活、氧化應激、線粒體損傷以及細胞凋亡。

3.1 炎性介質和粘附分子的產生

在Cd誘導的肝毒性中，經Cd活化的枯否細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，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]。肝細胞中黏附分子大量表達后引發(fā)一系列細胞和體液反應最終導致炎癥和繼發(fā)性肝損傷。

3.2 干擾必需金屬元素的內穩(wěn)態(tài)

Cd暴露能夠擾亂體內其他金屬元素的內穩(wěn)態(tài)，然而Cd的影響取決于鐵和鋅等必需金屬元素的機體狀態(tài)。許多金屬蛋白的功能關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結合，但在乙醇脫氫酶或個別鋅指蛋白中Zn位點中有時夾雜著Cd配位。通過這種方式，內源性金屬元素被Cd替代通常認為是Cd肝毒性的主要分子機制[10]。

3.3 巰基失活和氧化應激

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

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蛋白的抑制效應而干擾線粒體呼吸，結果造成線粒體內呼吸和磷酸化率降低[12]。因此，在高濃度無機磷酸鹽的情況下，Cd能夠誘導解偶聯(lián)，是一種強大的解偶聯(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：高濃度Cd可以抑制線粒體基礎呼吸，而低濃度Cd能夠促進靜息呼吸。

在大鼠肝細胞線粒體中，Cd通過與NADH-輔酶Q還原酶（復合物Ⅰ）的結合位點相互作用，從而對其產生抑制作用。最近的研究結果表明，在虹鱒肝細胞線粒體中，Cd通過與復合物Ⅰ的黃素位點結合誘導活性氧生成，從而抑制線粒體呼吸[13]。在肝細胞線粒體中，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誘導的大鼠肝癌細胞AS-30D壞死具有保護作用，這表明琥珀酸脫氫酶在Cd誘導的線粒體損傷中起關鍵作用[8]。另外，有研究結果表明，Cd通過輔酶Q-細胞色素C還原酶（復合物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)出較強肝毒性。

3.5 誘導細胞凋亡

Cd能夠導致肝細胞Hep3B胞內鈣離子濃度升高，從而觸發(fā)肝細胞內細胞凋亡誘導因子和核酸內切酶G的核移位。在大鼠肝細胞中，線粒體動力相關蛋白1（Drp1）在Cd誘導的細胞凋亡中起關鍵作用。Cd誘導產生的Drp1能夠顯著增強細胞色素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，最終導致細胞凋亡。另一方面，Cd還可通過激活NO和Caspase-8而誘導細胞凋亡[9,14]。

4 結語

在Cd中毒的過程中氧化應激起到關鍵作用，其可導致多臟器損傷，尤其對肝組織和腎組織的損害尤為嚴重。將Cd體內暴露水平與體外暴露水平進行比較可以得到有意思的結果，但是在進行不同試驗間比較時則應謹慎。因為體外細胞系通常抵抗力較強，所以對于體外細胞系來說Cd體外暴露水平較高。通過體外試驗得到的結果不能完全代替動物體內的真正過程。在這種情況下，有必要將體內與體外相結合進行全面綜合分析，共同確定Cd誘導的肝損傷機制，以便取得較大進展。就目前研究來看，鎘誘導的肝細胞損傷確切機制仍是未知的，這將是今后研究Cd誘導肝損傷的重點。