细菌感染对中华软壳龟（Pelodiscus sinensis）铁代谢、炎症和氧化应激的影响具有时间和剂量依赖性

《Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology》：Time- and dose-dependent effects of bacterial infection on iron metabolism, inflammation, and oxidative stress in the juvenile soft-shelled turtle Pelodiscus sinensis

铁代谢失衡与炎症氧化应激在软壳龟急性细菌感染中的关联研究。通过不同剂量 Elizabethkingia anophelis 注射及时间梯度采样，发现感染导致血浆铁浓度下降，肝脾铁代谢相关基因（hepcidin、transferrin、TFR1、FTH1）表达上调，FPN1 表达下调，铁在组织中异常蓄积。铁蓄积与氧化应激水平及促炎因子基因表达正相关，形成铁失衡-炎症-氧化应激恶性循环，揭示铁代谢紊乱在感染性组织损伤中的核心作用。

　　

杨璐|张宇|牛翠娟

中国北京师范大学生命科学学院，生物多样性科学与生态工程教育部重点实验室，北京100875

摘要

病原体引起的高死亡率是龟类养殖中的一个严重问题。越来越多的证据表明，病原体感染可能会破坏铁的稳态，从而形成铁失衡–炎症–氧化应激的恶性循环。然而，感染对龟类铁代谢及相关生理特征的影响仍不清楚。本研究旨在探讨幼年软壳龟（Pelodiscus sinensis）在急性细菌挑战下的铁代谢反应及其与炎症和氧化应激的关联。我们向幼年P. sinensis（108?±?2.5?g）腹腔注射了最近发现的病原体Elizabethkingia anophelis，浓度分别为0、3.24?×?10⁷、8.10?×?10⁷和1.62?×?10⁸菌落形成单位/毫升（CFU/mL），注射体积为0.2?mL。我们在注射后6小时、24小时和120小时采样，以评估其对细菌入侵的生理反应。结果表明，随着时间的推移和细菌剂量的增加，溶血现象逐渐出现，同时血浆中铁浓度下降。此外，肝脏和脾脏中与铁代谢相关的基因（hepcidin、transferrin、TFR1和FTH1）的表达水平升高，而FPN1的表达水平降低，同时组织中铁含量升高。氧化应激水平和促炎细胞因子基因的表达与组织中铁积累呈正相关。总体而言，急性E. anophelis感染以剂量和时间依赖的方式破坏了P. sinensis的铁稳态，促进了铁从循环系统向储存组织的重新分布，加剧了组织炎症反应，并降低了抗氧化能力。这些发现表明，铁稳态失调在感染相关的组织损伤中起着核心作用，恢复铁平衡可能有助于治疗P. sinensis的细菌感染。

引言

软壳龟Pelodiscus sinensis是东亚水产养殖中具有重要经济价值的爬行动物（Wang et al., 2021）。作为变温羊膜动物（Gong et al., 2011; Joyce and Gauthier, 2004），P. sinensis依靠强大的抗氧化防御系统清除活性氧（ROS），从而保护组织免受氧化损伤，并对非生物胁迫具有很强的抵抗力（Zhang et al., 2018; Li et al., 2022a; Chen et al., 2022）。然而，P. sinensis对细菌感染等生物胁迫的抵抗力相对较弱。现有证据表明，病原体感染后，P. sinensis可能发生败血症、严重的组织损伤和强烈的免疫反应；这些过程与细菌铁载体生物合成和血红素获取密切相关（Wang et al., 2024; Teo et al., 2014）。在持续感染期间，P. sinensis主要依赖先天免疫，并分泌促炎因子（如IL-1β）以促进免疫细胞的募集（Liang et al., 2016; Zhang et al., 2024; Zhang et al., 2019b）；然而，随之而来的过度炎症可能会增加死亡率。此外，病原体可诱导血浆膜中多不饱和脂肪酸的过氧化，从而触发铁死亡（ferroptosis）——一种以铁依赖性脂质过氧化为特征的调节性细胞死亡形式，通常被认为比凋亡更具免疫原性（Gao et al., 2022）。转录组分析还显示，Bacillus cereus感染显著上调了P. sinensis相关组织中多种铁死亡相关基因的表达（Cheng et al., 2025）。综上所述，病原体入侵可能导致P. sinensis的铁代谢失调；这种失衡不仅加剧了氧化应激，还过度激活了炎症反应，从而削弱了有效的病原体清除能力，尽管其潜在机制仍有待阐明。目前，高密度集约化养殖使P. sinensis容易受到Aeromonas hydrophila、Edwardsiella tarda等病原体的感染（Tao et al., 2024）。Elizabethkingia anophelis是一种常见于水生环境中的需氧革兰氏阴性细菌；最近有报告将其与包括P. sinensis在内的多种水生物种的大规模死亡事件联系起来（Janda and Lopez, 2017; Wang et al., 2024）。然而，它导致该物种死亡的具体机制仍不甚清楚，需要进一步研究。

铁在支持多种生理功能中起着重要作用，如血红蛋白合成和氧气运输、细胞能量代谢、免疫防御和DNA代谢（Zhao et al., 2014）。为了维持铁稳态，动物进化出了一个复杂的、共同调节的代谢网络，包括转铁蛋白（TF）、转铁蛋白受体1（TFR1）、铁转运蛋白1（FPN1）、铁蛋白（FTH1和FTL

细菌感染是动物铁代谢紊乱的主要驱动因素，会改变调节分子的表达，从而加剧铁代谢失调（Nairz and Weiss, 2020）。在感染期间，大多数宿主（以哺乳动物为例）将铁从循环系统转移到肝脏和脾脏等储存器官，降低生物可利用铁的含量，限制病原体的铁获取和增殖（Runyen-Janecky, 2013; Wandersman and Delepelaire, 2004）。然而，这一过程也可能加剧败血症，破坏铁代谢，并形成铁失衡–炎症–氧化应激的恶性循环（Liu et al., 2021）。先前的研究表明，在感染Aeromonas hydrophila和Edwardsiella ictaluri的草鱼中，从脾脏和头肾分离出的巨噬细胞表现出显著的铁积累，这加剧了氧化应激和炎症（Ren et al., 2024; Sun et al., 2024a）。同样，在小鼠急性Mycobacterium tuberculosis感染期间，肺细胞中铁过度积累，产生大量脂质过氧化物，激活铁死亡途径，加重组织坏死（Amaral et al., 2019）。尽管已发表的文献表明铁代谢失调是降低宿主抵抗力的关键因素（Tarife?o-Saldivia et al., 2018; Stefanova et al., 2018），但关于爬行动物在微生物感染期间的铁代谢的研究仍然很少。

本研究旨在探讨铁代谢如何应对急性细菌挑战，以及铁代谢与抗氧化防御和炎症反应在幼年软壳龟P. sinensis中的潜在关系。使用E. anophelis作为急性细菌挑战病原体。我们研究了细菌浓度和注射后时间对血液和铁储存器官（肝脏和脾脏）中铁代谢系统的影响，以及它们与抗氧化防御和炎症反应的相关性。我们假设急性细菌挑战会导致组织中铁积累增加，作为限制病原体获取循环中铁的防御机制。然而，这种反应也可能以剂量和时间依赖的方式加剧铁储存器官中的炎症和氧化应激。本研究为P. sinensis在细菌感染期间的组织损伤和死亡率提供了新的见解，并提出了预防和控制细菌疾病的潜在途径。

部分摘录

细菌培养

用于急性细菌挑战实验的E. anophelis EJX2021菌株由江西省农业科学院（中国南昌）的郭晓泽博士提供。根据生化和分子鉴定，确认该菌株为纯培养物。实验中，该菌株在30?°C的LB琼脂上培养，随后用于进一步分析。

动物适应

本文描述的所有动物实验均按照相关指南进行

组织中的细菌负荷

如图1所示，感染后肝脏和脾脏中的细菌负荷显著增加。两个器官中的细菌负荷都受到感染剂量和注射后时间的影响（p?

讨论

本研究首次系统评估了E. anophelis挑战对软壳龟P. sinensis铁代谢的影响，以及这些影响与铁储存器官中的炎症和氧化应激之间的关系。在6–120小时内，细菌剂量的增加显著破坏了血液和铁储存器官（肝脏和脾脏）之间的铁稳态，改变了组织中铁稳态调节基因的表达，并导致铁积累。

结论

总之，我们的结果表明，在细菌入侵后，P. sinensis通过协调激活hepcidin–FPN1轴和多种铁调节分子（即转铁蛋白TF、TFR1和FTH1）在储存器官中保留铁，从而限制病原体对循环中铁的获取。然而，这种策略扰乱了全身铁稳态，促进了与炎症和氧化应激的相互作用，并可能触发组织中的铁死亡，从而加剧了损伤

CRediT作者贡献声明

杨璐：撰写 – 原稿撰写、验证、方法学设计、数据管理、概念构思。张宇：数据管理。牛翠娟：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金争取、概念构思。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：31670419）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢江西省农业科学院（中国南昌）的郭晓泽博士和王玉珠博士慷慨提供E. anophelis菌株，以及在细菌菌株鉴定和培养方法方面的宝贵帮助。我们还要感谢Springer Nature在提高本文语言可读性方面的协助。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：31670419）的支持。