《Toxicology Research》：Mechanistic insights into PFAS derivatives-induced coronary heart disease and atherosclerotic renal artery stenosis via integrated network toxicology and molecular modeling
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本研究针对全氟和多氟烷基物质（PFAS）暴露与冠状动脉疾病（CAD）及肾动脉粥样硬化性狭窄（ARAS）风险增加相关的机制尚不明确的问题，采用网络毒理学与分子建模相结合的方法，揭示了PFAS衍生物（PFHpA、PFOA、PFNA、PFDA）通过干扰STAT3、MMP9、NFκB1、CASP3、AKT1、PPARG等核心靶点，调控脂质代谢与动脉粥样硬化信号通路，进而加剧心肾损伤的毒性机制。分子对接与动力学模拟证实PFAS与MMP9等靶点具有强结合亲和力（<-5 kcal/mol），其中PFDA-MMP9复合物稳定性尤为突出。该研究为PFAS致心血管与肾脏损伤的早期预警和干预提供了重要理论依据。
在我们日常生活中，从防水服装、不粘锅涂层到食品包装材料，全氟和多氟烷基物质（PFAS）的身影无处不在。这类人工合成的化学物质因其出色的稳定性而被广泛应用，但正是这种“顽固”的特性，使得它们在自然环境中难以降解，并在人体内长期累积，成为潜伏的健康威胁。近年来，越来越多的流行病学研究表明，PFAS暴露与心血管疾病、代谢紊乱等多种健康问题密切相关，特别是与冠状动脉疾病（CAD）和肾动脉粥样硬化性狭窄（ARAS）的发病风险上升有着显著关联。然而，PFAS究竟是如何“攻击”我们的心脑血管和肾脏，其具体的分子“作案”机制仍是一个亟待解开的谜团。为了揭开这一谜底，研究人员在《Toxicology Research》上发表了一项研究，综合运用了网络毒理学和分子模拟等前沿技术，深入探究了四种常见的PFAS衍生物（PFHpA, PFOA, PFNA, PFDA）导致心肾动脉粥样硬化的潜在毒性机制。
研究人员为系统揭示PFAS的毒性机制，主要运用了几项关键技术。首先，他们利用ProTox-3.0和ADMETlab 3.0等计算毒理学平台，对四种PFAS衍生物进行了器官毒性预测。其次，通过Super-PRED、PharmMapper、SwissTargetPrediction等多个数据库筛选PFAS的潜在作用靶点，并从OMIM、PheGeni、GeneCards等疾病数据库中获取CAD与ARAS的相关靶点基因。接着，利用STRING数据库构建蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络，并运用Cytoscape软件筛选核心毒性靶点。然后，通过DAVID数据库对潜在靶点进行基因本体论（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析，以识别关键的生物学过程和信号通路。最后，研究的关键环节是分子对接和分子动力学（MD）模拟，他们使用CB-Dock2进行对接计算，并利用Gromacs 2020软件包进行100纳秒的MD模拟，以评估PFAS与核心靶点（如MMP9）的结合模式、亲和力及复合物的动态稳定性。
结果
毒性预测
研究人员首先对PFHpA、PFOA、PFNA和PFDA四种PFAS衍生物进行了器官毒性预测。结果发现，这四种化合物均对肝脏、神经系统、肾脏、呼吸系统和心脏表现出不同程度的毒性潜力。尤为值得注意的是，在ProTox-3.0数据库中，所有四种化合物对肾脏毒性的预测状态均为“活性”，概率值均为0.51，提示它们对肾脏具有相似的毒性风险。ADMETlab 3.0平台的进一步分析（概率值>0.7）显示，这些化合物还对皮肤刺激、眼刺激、呼吸系统、肾毒性和遗传毒性有影响，其中眼刺激和遗传毒性尤为突出。
毒性靶点与疾病靶点的收集
通过整合多个靶点预测数据库（如Super-PRED、PharmMapper等）的结果，研究共鉴定出589个PFAS衍生物的独特毒性作用靶点。同时，从OMIM、PheGeni和GeneCards数据库中，分别搜集到4254个ARAS相关靶点和9763个CAD相关靶点。通过韦恩图分析，找到了PFAS毒性靶点与疾病靶点的交集：其中与CAD相关的潜在毒性靶点有214个，与ARAS相关的有189个，两者共同的有167个。
PPI网络构建与核心毒性靶点筛选
将上述交集靶点导入STRING数据库构建PPI网络后，使用Cytoscape软件进行拓扑分析，并根据Degree值（连接度）筛选出核心毒性靶点。分析发现，CASP3、PPARG、EGFR、STAT3、MMP9、SRC、ESR1、NFκB1、HIF1A和AKT1在CAD、ARAS以及两者共有的毒性靶点网络中均处于核心地位。进一步聚焦于与疾病高度相关的“脂质与动脉粥样硬化”通路，研究人员最终筛选出STAT3、MMP9、NFκB1、CASP3、AKT1和PPARG这六个基因作为后续分子对接研究的候选核心靶点。
功能富集分析
GO富集分析表明，这些潜在毒性靶点显著富集在RNA聚合酶II转录调控、染色质重塑、信号转导、细胞凋亡调控、炎症反应、细胞增殖等生物过程；位于细胞质、细胞核、质膜等细胞组分；并具有蛋白质结合、ATP结合、锌离子结合、DNA结合等分子功能。KEGG通路分析显示，最富集的通路包括“癌症通路”、“PI3K-Akt信号通路”、“脂质与动脉粥样硬化”以及“化学致癌-受体激活”等。这提示PFAS衍生物可能通过干扰这些关键的生物学过程和信号通路，从而促进CAD和ARAS的发生发展。
分子对接
分子对接结果显示，四种PFAS衍生物与六个核心靶点蛋白均表现出较强的结合亲和力，结合能均低于-5 kcal/mol，表明结合稳定。其中，PFNA与MMP9的结合能最低，为-13.7 kcal/mol，结合相互作用涉及亮氨酸（LEU）、组氨酸（HIS）、天冬氨酸（ASP）等残基，其羧基（-COOH）与苏氨酸（THR?426）和谷氨酸（GLU?416）形成氢键。PFDA与MMP9的结合能为-11.0 kcal/mol，主要通过氢键与THR?426和精氨酸（ARG?424）相互作用。相比之下，所有化合物与AKT1的结合亲和力相对较弱。
分子动力学模拟
为了更真实地评估结合稳定性，研究人员对四种PFAS与MMP9的复合物进行了100纳秒的分子动力学模拟。根均方偏差（RMSD）分析表明，所有复合物在模拟后期（约40纳秒后）均达到动态平衡，结构整体稳定。根均方涨落（RMSF）分析显示，除了蛋白质固有的柔性区域（如铰链区）外，大多数氨基酸残基构象变化在可接受范围内。回转半径（Rg）分析提示，与PFDA、PFNA和PFOA结合的MMP9复合物结构紧凑性增强，疏水相互作用可能更强。氢键数目分析和溶剂可及表面积（SASA）分析进一步证实了复合物的稳定性。结合自由能计算结果表明，PFDA与MMP9的结合最稳定，结合自由能最低（-27.5 ± 0.7 kcal/mol），静电作用和范德华力是主要的驱动力。
讨论与结论
本研究通过整合网络毒理学和计算模拟方法，系统阐明了PFAS衍生物促进冠状动脉和肾动脉粥样硬化性疾病的潜在分子机制。研究发现，STAT3、MMP9、NFκB1、CASP3、AKT1和PPARG构成了一个相互关联的核心调控网络，共同协调炎症反应、细胞凋亡/增殖、脂质代谢等关键病理过程。PFAS暴露可能通过直接结合并干扰这些核心靶点的功能，破坏其间的精细调控平衡。例如，PFAS可能激活STAT3/NFκB1炎症轴，上调MMP9表达，促进斑块不稳定；可能扰乱AKT1/CASP3介导的细胞存活/凋亡开关，损害血管内皮完整性；还可能竞争性结合PPARG，削弱其抗炎和调节脂质代谢的功能。GO和KEGG富集分析结果支持了PFAS通过影响凋亡、增殖、炎症以及“脂质与动脉粥样硬化”等通路发挥毒性作用。分子对接和动力学模拟则从原子水平证实了PFAS与核心靶点（尤其是MMP9）之间存在强而稳定的结合，为上述机制提供了结构基础。
该研究的结论指出，PFAS衍生物（PFHpA, PFOA, PFNA, PFDA）可能通过作用于STAT3、MMP9、NFκB1、CASP3、AKT1、PPARG等核心靶点，干扰脂质代谢和动脉粥样硬化相关信号通路，从而加剧心血管和肾脏的动脉粥样硬化性损伤。PFAS与这些靶点，特别是与MMP9，表现出强烈的结合亲和力，其中PFDA与MMP9的结合最为稳定。这些发现不仅深化了对PFAS介导器官损伤分子机制的理解，为PFAS暴露的健康风险评估提供了科学依据，而且所识别出的关键靶点有望作为高危人群的生物标志物，为开发针对PFAS诱导的脂代谢紊乱和炎症反应的干预策略提供了新的潜在靶点和理论支持。
