百草枯通过改变小胶质细胞的糖酵解过程诱导神经炎症：来自网络毒理学分析和体外实验的证据

《Chemico-Biological Interactions》：Paraquat induces neuroinflammation through glycolysis reprogramming in microglia: evidence from network toxicology analysis and in vitro experiments

帕克托（PQ）神经毒性机制研究：通过网络毒理学分析发现PQ可靶向186个基因，结合体外实验证实其通过激活mTOR/AMPK通路诱导微胶质糖酵解重编程，促进神经炎症和多巴胺能神经元凋亡，抑制糖酵解有效缓解毒性。

　　

杨毅|徐颖|孟庆泰|王新阳|田雅|刘亮|张晓峰

哈尔滨医科大学公共卫生学院毒理学系，中国哈尔滨，150081

摘要：

百草枯（PQ）与帕金森病（Parkinson disease）有密切关联，但其潜在机制尚未完全明确。本研究采用网络毒理学分析方法预测百草枯的神经毒性靶点和作用途径，并通过分子生物学技术验证预测结果及可能的机制。分析表明，百草枯可能影响小胶质细胞的葡萄糖代谢。百草枯显著增强了BV2细胞中的糖酵解作用，表现为乳酸含量、HK2和GLUT-1表达水平的升高以及糖酵解通量的增加。百草枯激活mTOR的同时抑制AMPK，从而促进小胶质细胞的糖酵解并加剧其促炎反应。值得注意的是，使用葡萄糖类似物抑制糖酵解或沉默hk2基因可有效减轻百草枯引起的炎症反应和多巴胺能神经元的凋亡。这些发现揭示了小胶质细胞糖酵解重编程通过促进神经炎症而参与百草枯神经毒性的新机制，表明小胶质细胞的糖酵解可能是环境毒素相关神经退行性疾病的潜在干预靶点。

引言

百草枯（PQ）的化学名称为1,1'-二甲基-4,4'-联吡啶，是一种广谱阳离子接触性除草剂，在过去四十年中因成本低廉和除草效果迅速而在全球广泛使用。百草枯具有较高的水溶性和在土壤中的持久性，可污染水源和土壤，并进入食物链。其结构与1-甲基-4-苯基吡啶相似，后者是1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶的代谢产物，能诱发帕金森病的病理特征，因此进一步研究了百草枯的神经毒性[1]。流行病学和实验研究表明，百草枯暴露与帕金森病风险之间存在显著关联[2]。小胶质细胞作为中枢神经系统的常驻免疫细胞，对维持神经稳态至关重要。激活后，小胶质细胞会向促炎或抗炎方向极化，前者会引发神经炎症级联反应并加剧神经毒性[3]。我们之前的研究发现，百草枯可在体外和体内激活小胶质细胞并增加炎症介质的表达[4][5]，这一过程通过HSP60-TLR4-NF-κB通路介导[6]。有证据表明，小胶质细胞激活伴随着糖酵解增强，即所谓的代谢重编程。然而，目前尚不清楚百草枯是否通过诱导小胶质细胞的糖酵解重编程来发挥其毒性作用。

在本研究中，我们结合网络毒理学分析和体外实验，阐明了百草枯暴露后小胶质细胞的代谢重编程机制及其对神经毒性的影响，揭示了百草枯暴露、小胶质细胞糖酵解重编程与神经炎症之间的新联系，并提出了一种针对小胶质细胞糖酵解的潜在干预策略，以缓解环境毒素引起的神经退行性病变。

网络毒理学分析

通过网络毒理学识别百草枯神经毒性相关靶点

本研究使用ProTox3.0这一免费的计算机平台进行体外毒性预测[7]。百草枯的SMILES结构式和SDF文件从PubChem获取用于后续分析。以人类为模型生物，通过STITCH[8]、ChEMBL[9]和比较毒理学数据库（CTD）[10]检索百草枯的毒性靶点（数据更新至2025年5月14日）。文献检索使用了“neurotoxicity”这一关键词（截至2025年5月14日）

网络毒理学分析揭示了百草枯诱导的神经毒性过程中小胶质细胞的代谢特征

PROTox网站的毒性预测结果显示百草枯具有呼吸毒性和神经毒性（图1A）。系统毒理学分析确定了1,186个潜在的百草枯毒性靶点基因，这些基因与511个已知的神经毒性相关基因进行了交叉比对，最终筛选出186个可能与百草枯神经毒性相关的候选基因（图1B）。KEGG通路富集分析表明这些靶点

讨论

本研究结合网络毒理学分析和体外实验，证实百草枯通过mTOR/AMPK信号通路诱导小胶质细胞的糖酵解重编程，进而引发神经炎症。这些发现将小胶质细胞的代谢重编程定位为神经炎症的核心调节机制，表明小胶质细胞的糖酵解可能是环境毒素相关神经退行性疾病的潜在干预靶点。

结论

百草枯可通过mTOR/AMPK信号通路影响小胶质细胞的糖酵解重编程和促炎反应。这些发现揭示了百草枯诱导的神经炎症背后的葡萄糖代谢-免疫机制，强调了调节小胶质细胞糖酵解作为干预环境毒素诱导的神经炎症的有效策略。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的利益冲突或个人关系。

作者贡献

徐颖：实验设计、软件使用、资源提供。王新阳：数据可视化、实验设计、方法学指导。杨毅：初稿撰写、数据可视化、结果验证。孟庆泰：文章修订与编辑、数据可视化、结果验证、实验指导。张晓峰：实验实施、资金筹集、概念构思。田雅：方法学设计、实验实施、数据分析。刘亮：项目统筹、实验实施、数据分析、概念构思

数据获取

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：82173547）和黑龙江省自然科学基金（项目编号：LH2024H066）的支持。