低剂量镉与溴氰菊酯联合使用对人类肺成纤维细胞线粒体生物能量代谢的影响

《Toxicology Reports》：The effects of combined low-dose cadmium and deltamethrin on mitochondrial bioenergetics and metabolism in human lung fibroblasts

研究探讨了低剂量镉（Cd）和拟除虫菊酯（DM）单独及联合暴露对人类肺成纤维细胞线粒体代谢、能量代谢和活性氧（ROS）生成的影响。结果显示，Cd和DM均导致线粒体功能障碍，而联合暴露加剧了代谢紊乱、线粒体呼吸抑制和ROS生成，提示两者协同可能促进肺纤维化发展。

　　在现代社会中，环境中的污染物已成为威胁人类健康的重要因素之一。镉（Cd）和氯氰菊酯（DM）作为两种常见的环境污染物，其对生物体的影响早已引起广泛关注。镉是一种广泛存在的重金属，能够通过食物链、空气、水源等多种途径进入人体，并在体内积累，导致一系列健康问题。而氯氰菊酯则是一种广泛使用的合成拟除虫菊酯类杀虫剂，因其对害虫的高效控制而被广泛应用于农业、商业及家庭环境中。尽管这两种物质在单独存在时已被证明对健康具有潜在危害，但它们在实际环境中往往同时出现，且其联合暴露对细胞代谢和功能的影响尚未得到充分研究。本文通过实验研究，探讨了低浓度镉和氯氰菊酯对人肺成纤维细胞的联合暴露效应，特别是在线粒体代谢、生物能量活动以及活性氧（ROS）生成方面的变化。

线粒体作为细胞内的能量工厂，其功能的正常运作对维持细胞代谢至关重要。镉和氯氰菊酯均可干扰线粒体的功能，从而影响细胞的能量代谢和氧化还原平衡。然而，目前尚缺乏关于它们联合暴露对线粒体代谢的具体研究。为了深入理解这一问题，研究人员选择了人肺成纤维细胞作为实验模型，因为这些细胞在肺部纤维化过程中扮演着重要角色。通过结合高分辨率代谢组学分析和线粒体生物能量检测，研究团队系统地评估了镉和氯氰菊酯对线粒体代谢和功能的影响。

在实验设计方面，研究采用了多种先进的技术手段。首先，利用液相色谱-高分辨率质谱（LC-HRMS）进行代谢组学分析，以捕捉线粒体代谢过程中产生的广泛代谢物。这种方法能够提供高精度的代谢物识别和定量信息，有助于揭示不同暴露条件下代谢物的变化。其次，采用Seahorse外源性通量分析仪（Extracellular Flux Analyzer）测定线粒体生物能量活动，包括基础呼吸、最大呼吸和ATP相关呼吸等关键参数。这种技术能够直接反映细胞的能量代谢状态，并通过注射不同的线粒体复合物抑制剂来进一步分析线粒体功能的改变。此外，通过荧光细胞化学方法（如MitoSOX Red染色）检测线粒体活性氧的生成，为评估氧化应激提供了直观的证据。

研究结果显示，镉和氯氰菊酯的联合暴露对人肺成纤维细胞的线粒体代谢和功能产生了更为显著的影响。在代谢组学分析中，镉和氯氰菊酯单独暴露时，均导致某些代谢物的改变，但联合暴露则表现出更广泛的代谢扰动。例如，柠檬酸循环相关代谢物的浓度显著变化，包括乙酰辅酶A、柠檬酸、异柠檬酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、富马酸、苹果酸、草酰乙酸等。这些代谢物的变化不仅反映了线粒体功能的受损，还可能与细胞内的氧化应激和纤维化过程密切相关。同时，研究还发现，联合暴露显著增加了胶原蛋白相关氨基酸（如脯氨酸和羟脯氨酸）的浓度，这可能是纤维化活动的一个重要指标。此外，研究还观察到，镉和氯氰菊酯的联合暴露导致线粒体基础呼吸、最大呼吸和ATP相关呼吸的显著抑制，表明线粒体生物能量活动受到了明显影响。

进一步分析表明，镉和氯氰菊酯的联合暴露不仅影响了线粒体的代谢过程，还加剧了线粒体活性氧的生成。活性氧的积累是氧化应激的重要标志，而氧化应激已被广泛认为是肺部疾病发生发展的关键因素之一。线粒体活性氧的增加可能通过多种机制促进纤维化进程，包括激活炎症反应、干扰细胞信号传导通路以及诱导细胞凋亡等。研究中提到的NLRP3炎症小体的激活，就是一个典型的例子。NLRP3炎症小体在慢性氧化应激的条件下被激活，进而导致促纤维化因子（如IL-1β和IL-18）的持续释放，这些因子能够促进成纤维细胞向肌成纤维细胞的转化，从而加剧肺部组织的纤维化。

此外，研究还发现，镉和氯氰菊酯的联合暴露对细胞代谢路径的改变具有深远的影响。例如，1-碳代谢和脯氨酸代谢路径均受到显著影响，这些代谢路径与胶原蛋白的合成和周转密切相关。胶原蛋白是肺部组织结构的重要组成部分，其合成和降解的失衡可能直接导致肺部纤维化的发生。研究结果显示，氯氰菊酯单独暴露时即可增加胶原蛋白相关氨基酸的浓度，而镉则在这一过程中未表现出显著影响。这表明，氯氰菊酯可能是诱导肺部纤维化的重要因素之一，而镉则可能在某些情况下起到协同作用。

值得注意的是，尽管镉和氯氰菊酯单独暴露时均未显著改变线粒体的基础呼吸和最大呼吸能力，但它们的联合暴露却导致了这些参数的显著下降。这可能是因为两者在不同的代谢路径中产生了协同效应，从而加剧了线粒体功能的损害。例如，镉通过抑制线粒体复合物I和III，干扰了电子传递链的正常运作，而氯氰菊酯则可能通过其他机制进一步削弱线粒体的生物能量活动。这种相互作用可能导致线粒体氧化磷酸化功能的受损，进而促使细胞依赖于其他能量代谢途径，如糖酵解和谷氨酰胺代谢。

在代谢路径的分析中，研究团队还发现，谷氨酰胺代谢在镉和氯氰菊酯联合暴露下表现出显著的变化。谷氨酰胺代谢是线粒体代谢的重要组成部分，其产物α-酮戊二酸可以直接进入柠檬酸循环，支持能量的产生和生物合成过程。研究中观察到α-酮戊二酸和谷氨酸的浓度同时增加，这可能表明谷氨酰胺代谢在维持线粒体代谢循环中发挥了重要作用。此外，α-酮戊二酸的积累还可能通过激活mTORC1信号通路，进一步促进胶原蛋白的合成和稳定性，从而加剧纤维化过程。

在生物能量活动的分析中，研究发现氯氰菊酯单独暴露时即可显著降低线粒体的基础呼吸和最大呼吸能力，而镉的加入则可能进一步加剧这一效应。这种效应的出现可能与线粒体膜电位的改变以及电子传递链的抑制有关。线粒体膜电位的降低不仅会影响ATP的合成效率，还可能激活线粒体凋亡通路，导致细胞死亡。同时，线粒体活性氧的生成也显著增加，这可能与线粒体功能的紊乱密切相关。

研究团队还指出，镉和氯氰菊酯的联合暴露可能导致线粒体功能的全面紊乱，从而影响细胞的能量代谢和氧化还原平衡。这种紊乱可能通过多种机制导致肺部疾病的发生和发展，包括促进炎症反应、干扰细胞信号传导通路以及诱导细胞凋亡等。此外，研究还强调了线粒体活性氧在纤维化进程中的关键作用，表明其不仅是氧化应激的标志，还可能直接参与纤维化相关通路的激活。

在讨论部分，研究团队进一步探讨了镉和氯氰菊酯对线粒体代谢和功能的深远影响。他们指出，线粒体代谢的紊乱可能通过多种途径影响细胞的生理功能，包括干扰能量代谢、促进炎症反应以及诱导细胞凋亡等。这些变化可能在慢性暴露条件下，逐渐累积并导致肺部组织的纤维化。此外，研究还提到，未来的实验可以结合形态学终点或超微结构成像技术，以更直观地评估氧化应激对细胞膜完整性、线粒体结构（如嵴的重塑或密度变化）以及细胞内基质的影响。

总体而言，这项研究揭示了镉和氯氰菊酯在低浓度下对人肺成纤维细胞的联合暴露效应。镉和氯氰菊酯单独暴露时均对线粒体代谢和功能产生了一定的影响，但它们的联合暴露则表现出更为显著的代谢紊乱和生物能量活动的抑制。这些变化可能通过多种机制促进肺部疾病的形成和发展，包括增加氧化应激、干扰线粒体功能以及改变细胞代谢路径等。因此，镉和氯氰菊酯的联合暴露可能对肺部健康构成更大的威胁，特别是在长期暴露的背景下。研究结果不仅加深了我们对这两种环境污染物作用机制的理解，也为进一步评估其对人类健康的潜在影响提供了重要的科学依据。