《Redox Biology》：Integrative epidemiology and multi-Omics reveal a frailty-associated ACKR1 redox axis linking cadmium exposure to atherosclerosis
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本研究针对环境重金属镉暴露增加心血管疾病风险但其氧化还原机制不清的难题，整合人群流行病学、孟德尔随机化与多组学技术，发现衰弱状态可放大镉相关心血管易感性。研究通过空间与单细胞转录组分析，锁定巨噬细胞亚群MP1与应激内皮细胞通过CXCL2/3/8–ACKR1轴交互驱动活性氧积累，并在动物模型中证实内皮特异性敲低ACKR1可显著减轻动脉粥样硬化。该研究为环境污染相关心血管疾病的防治提供了新靶点。
心血管疾病是全球范围内导致死亡的主要原因，而环境重金属暴露对其发生发展的影响日益受到关注。其中，镉作为一种广泛存在于工业排放、污染水体和烟草烟雾中的有毒金属，已被多项研究证实与高血压、冠状动脉疾病及心血管死亡风险增加相关。然而，镉暴露究竟通过何种分子机制导致心血管损伤，尤其是其背后的氧化还原依赖性机制，至今仍未明确。另一方面，衰弱作为一种以生理储备下降和多系统脆弱性为特征的临床综合征，近年被认识到是心血管结局的重要修饰因子。衰弱个体通常表现出更高的氧化应激、慢性低度炎症和组织修复能力受损，这些特征可能放大环境毒素对血管的有害效应。尽管人群水平证据表明衰弱会加剧不良环境暴露下的心血管风险，但两者在细胞和分子水平上如何协同加速血管损伤，仍是一个悬而未决的问题。
为了深入揭示镉暴露致心血管疾病的内在机制，研究人员在《Redox Biology》上发表了一项整合性研究。他们聚焦动脉粥样硬化——这一大多数心血管事件的病理基础，巧妙地将基于人群的分析与多组学方法相结合。
研究团队主要运用了几项关键技术方法：首先，利用美国国家健康与营养检查调查（NHANES）2021–2023年的人群数据进行了流行病学分析，并采用孟德尔随机化方法推断镉暴露与心血管疾病的潜在因果关系。其次，对多个公共数据库的人类动脉粥样硬化组织转录组数据（包括GSE20129, GSE27034, GSE28829, GSE100927等）进行批量转录组分析，构建了镉相关评分和衰弱相关评分。第三，整合了四个人类动脉粥样硬化单细胞RNA测序数据集（GSE155512, GSE179159, GSE246315, GSE253903），并利用空间转录组技术解析细胞类型特异性转录反应和空间共定位。此外，还应用了基因非负矩阵分解算法识别巨噬细胞元程序，并通过CellChat框架推断细胞间通讯网络。最后，通过构建镉暴露的动脉粥样硬化小鼠模型，并利用AAV9载体介导的内皮特异性ACKR1基因敲低进行功能验证。
3.1. 基线特征
研究分析了5467名参与者，其中422人（7.7%）患有心血管疾病。与无心血管疾病者相比，患者年龄更大、男性比例更高、体重指数和收缩压更高。生活方式上，患者饮酒率较低而吸烟率显著更高。在金属暴露方面，心血管疾病患者的血镉和血铅水平显著更高，而血汞和血硒水平较低。这些结果初步揭示了镉暴露与心血管疾病的相关性。
3.2. 通过遗传分析推断镉暴露与心血管疾病之间的因果关系
研究人员首先分析了五种循环金属与心血管疾病风险的关系，发现镉、铅和硒与心血管疾病发病率显著相关。最高镉三分位数组的心血管疾病风险是最低组的三倍多。限制性立方样条分析显示镉、铅和硒与心血管疾病风险存在显著的线性剂量反应关系。进一步分析表明，血镉浓度与衰弱指数呈正相关，而衰弱本身与心血管疾病风险存在剂量依赖关系。中介分析显示，衰弱介导了镉暴露与心血管疾病之间约16%的总效应。孟德尔随机化分析结果支持镉暴露对心血管疾病风险的因果效应。
3.3. 动脉粥样硬化病变中镉和衰弱相关基因特征升高且呈正相关并空间共定位
通过分析四个独立的动脉粥样硬化mRNA表达数据集，研究人员发现镉评分和衰弱评分在动脉粥样硬化病变中均显著上调，且两者在所有数据集中均呈现强正相关。空间转录组图谱显示，镉评分和衰弱评分在动脉粥样硬化组织的病变核心区域表现出显著的空间共定位。
3.4. 巨噬细胞在动脉粥样硬化病变中表现出最强的镉和衰弱相关转录反应
整合单细胞RNA测序数据后，研究人员鉴定了九种主要的免疫和基质细胞群体。其中，巨噬细胞表现出最强的镉暴露转录反应和最高的衰弱相关基因表达。相关性分析进一步证实，巨噬细胞富集群落中镉评分与衰弱评分呈现最一致的正相关。
3.5. MP1巨噬细胞通过应激内皮细胞相互作用协调镉和衰弱相关的微环境信号
通过基因非负矩阵分解算法，研究人员在单细胞转录组数据中识别出八个巨噬细胞元程序。其中，MP1巨噬细胞亚群在镉评分和衰弱评分方面均表现出最高的富集度，且倾向于采用促炎性M1样表型。细胞间通讯网络分析显示，MP1主要与内皮细胞相互作用，特别是与应激内皮细胞亚群的相互作用最强。配体-受体配对分析确定CXCL2、CXCL3和CXCL8（主要由MP1表达）是与ACKR1受体（选择性富集于应激内皮细胞）结合的关键配体。空间转录组分析证实了MP1评分与应激内皮细胞评分在动脉粥样硬化组织中的显著共定位。
3.6. 内皮ACKR1敲低减轻体内镉和衰弱相关的动脉粥样硬化
体内实验显示，与对照组相比，衰弱组仅出现轻度血管病变，而镉暴露单独可引起更明显的脂质沉积和内膜增厚。值得注意的是，衰弱+镉组表现出最广泛和严重的动脉粥样硬化病变。通过AAV9-ICAM2-shACKR1实现内皮特异性ACKR1敲低后，小鼠动脉粥样硬化斑块负荷和脂质积累显著减少，病变内活性氧水平降低，巨噬细胞浸润减少，M1/M2巨噬细胞比率下降，血清炎症细胞因子水平也得到改善。
该研究通过多层次的整合分析，揭示了一个先前未被认识的镉–衰弱–ACKR1氧化还原炎症轴，从机制上阐明了环境金属暴露如何导致氧化性血管损伤。研究表明，镉暴露会对巨噬细胞的代谢和炎症状态进行重编程，驱动过量的趋化因子释放和持续的ACKR1依赖性巨噬细胞-内皮细胞相互作用，进而促进动脉粥样硬化病变内活性氧的病理性积累和氧化还原失衡。重要的是，阻断ACKR1能显著减弱炎症信号、减少活性氧积累并减轻血管组织损伤。这些发现不仅为理解环境和衰老相关应激源如何协同驱动氧化性血管损伤提供了机制性见解，而且突出了ACKR1作为减轻污染相关心血管疾病的潜在治疗靶点。该研究架起了环境毒理学、氧化还原生物学和血管老化之间的桥梁，为未来的治疗探索提供了机制框架。
