综述：重金属诱导的氧化炎症（Oxinflammation）机制解析

《Metabolites》：Unravelling Mechanisms of Oxinflammation Induced by Heavy Metals Luiz Otávio Guimar?es-Ervilha, Mírian Quint?o Assis, Izabela da Silva Lopes, Thainá Iasbik-Lima, Jo?o Victor Leles Faria, Ana Cláudia Ferreira Souza and Mariana Machado-Neves

　　

重金属暴露由于其环境持久性、生物累积性及干扰必需细胞过程的能力，仍然是重要的公共卫生问题。金属诱导毒性的很大一部分集中于慢性氧化炎症状态的建立，该状态由氧化应激和炎症之间的相互作用驱动。在本综述中，研究人员综合了当前描述有毒金属（包括铝、砷、镉、铅、汞和镍）如何破坏氧化还原稳态、损害细胞完整性并激活炎症信号通路的机制性证据。这些金属通过多种机制（包括线粒体功能障碍、必需金属辅因子的置换以及抗氧化系统的抑制）促进活性氧和活性氮的过度产生。由此产生的分子损伤导致损伤相关分子模式的形成，这些模式激活氧化还原敏感的转录因子和炎症级联反应。重要的是，新出现的代谢组学证据表明，这些过程伴随着涉及氨基酸、脂质和能量代谢以及微生物群衍生代谢物的协调代谢重组。这些代谢改变不仅反映了细胞对应激的适应，而且积极地促进了全身性炎症状态的扩散。一个整合的氧化炎症和代谢反应构成了多个器官系统（包括肝脏、肾脏、心血管系统、神经系统和生殖器官）结构和功能改变的基础。即使是低剂量的持续暴露也会维持这种通常是亚临床和慢性的过程，这强化了理解代谢变化作为金属诱导毒性核心组成部分的必要性。

论文主体内容总结

1. 引言

重金属污染对人类和动物健康构成挑战。在环境毒理学中，术语“重金属”指的是与环境毒性和持久性相关的一组金属元素，包括类金属。这些有毒金属具有高持久性、扩散性、抗降解性以及在组织中积累和干扰代谢过程的能力，即使在低浓度下也具有高毒性。一旦进入体内，它们不会被经典的代谢降解。相反，它们的动力学涉及吸收、全身运输、与还原性分子络合以及组织再分布的过程。这些元素可以与蛋白质、脂质和核酸相互作用，置换生理金属辅因子，破坏必需的催化中心，导致长期暴露引发结构和功能损伤。在许多情况下，这些改变不会立即显现，而是演变为慢性和亚临床过程。元素如镉、砷、铅、镍和汞通常被视为重金属，而铝虽不严格归类为重金属，但在某些条件下因其潜在毒性也受到环境关注。

重金属与细胞组分之间的这种相互作用促进了活性氧和活性氮的生成，氧化还原稳态的破坏是金属毒性的核心。产生的氧化应激促进了源自脂质、蛋白质和核酸氧化的次级生物活性代谢物的形成，这些代谢物可以修饰蛋白质和细胞结构。同时，炎症在重金属毒性中扮演着模糊的角色。最初，它充当对细胞损伤的修复性反应，但在持续暴露于金属的情况下，它会演变为慢性炎症状态。氧化应激和炎症之间的相互依赖性建立了一个反馈循环，可能放大细胞损伤并维持持久的代谢改变。因此，重金属介导的氧化炎症可能通过引发全身性炎症来影响代谢途径，而全身性炎症反过来会破坏代谢中间体的产生。因此，代谢组学方法可能为识别和解释重金属暴露产生的代谢物所介导的机制提供了一个框架。

2. 重金属诱导氧化应激的一般机制

与重金属的接触主要通过摄入，其次是吸入和皮肤暴露发生。进入细胞后，重金属通过存在于脂双层中的生理转运蛋白进入胞质溶胶。在胞质溶胶中，重金属倾向于与结构蛋白、抗氧化酶和重要细胞内氧化还原缓冲剂还原型谷胱甘肽的巯基（-SH）强烈结合。金属离子对硫配体的高亲和力导致形成稳定的金属-巯基复合物，从而引起与抗氧化防御相关的几种蛋白质的结构和功能改变。这种相互作用可能代表了金属诱导毒性的初始事件。重金属还可以干扰其他二价阳离子（如Ca²⁺、Mg²⁺和Fe²⁺）的稳态。通过模拟这些离子，重金属破坏Ca²⁺依赖性信号通路，抑制ATP酶，并损害跨膜运输、细胞膜完整性和细胞内通讯。

在胞质溶胶中，金属的积累通过蛋白质结合位点的金属-锌竞争增加了不稳定Zn²⁺的细胞内库。这种不稳定Zn²⁺的增加被金属响应转录因子-1（MTF-1）检测到，其发生锌依赖性激活并易位至细胞核，在那里与金属响应元件结合并诱导金属硫蛋白（如MT-I和MT-II）的转录。MT最初充当螯合剂和抗氧化剂，然而，长期暴露会使MTs中的巯基位点饱和和氧化，促进先前螯合金属的逐渐释放，从而有利于金属催化的氧化还原反应，通过局部氧化过程促进氧化应激。

在质膜上，重金属诱导的离子失衡激活氧化酶，其中NADPH氧化酶（NOXs）尤为突出，其生理功能是受控地生成超氧化物阴离子。在重金属存在下，NOXs的活性失调，导致活性氧生成增加。重金属毒性也与细胞器损伤有关，特别是其对线粒体的影响。重金属可干扰电子传递链的组织和功能，为电子泄漏和加剧的活性氧生成创造条件。复合物I和复合物III是特别敏感的部位。通过破坏氧化还原中心、增加线粒体膜电位、促进反向电子传递并损害线粒体抗氧化系统，重金属可以将线粒体转化为金属诱导氧化应激的核心和放大源。

与线粒体不同，过氧化物酶体通过氧化酶直接产生过氧化氢作为副产物。在重金属存在下，过氧化氢酶（CAT）因血红素基团中的Fe³⁺被置换或氧化以及巯基氧化而受到抑制，导致过氧化物酶体内H₂O₂增加并泄漏至胞质溶胶。内质网是活性氧的另一个天然来源，也是镉和镍等重金属的潜在靶点。重金属可结合蛋白二硫键异构酶（PDI）的半胱氨酸残基，抑制其活性，导致未折叠蛋白质在网状结构中积累，从而触发未折叠蛋白反应（UPR）。持续的UPR激活可导致内质网氧化还原蛋白1α（ERO1α）过表达，从而加剧H₂O₂的产生。

活性氮的生成激活氧化还原敏感的炎症通路，促进诱导型一氧化氮合酶（iNOS）的诱导，增加一氧化氮（NO）的产生。在这些条件下，由于重金属相互作用而过度存在于胞质溶胶中的超氧化物阴离子与NO反应，直接与其歧化竞争，形成过氧亚硝酸盐（ONOO^-）。ONOO^-促进蛋白质中酪氨酸残基的硝化，形成3-硝基酪氨酸，这不仅反映了蛋白质损伤，还改变了线粒体和胞质溶胶酶的催化和结构特性，导致代谢功能障碍和活性物种产生增加。

3. 重金属介导的促氧化环境产生的氧化代谢物

重金属相互作用产生的活性氧和活性氮是高度不稳定的，空间范围有限，优先在其起源部位发生反应。这些反应导致次级氧化代谢物的形成，从而传播细胞损伤。由此产生的细胞损伤破坏细胞器的功能完整性，导致细胞损伤并启动炎症修复过程。在膜中，金属催化的氧化反应促进脂质过氧化，特别是在富含多不饱和脂肪酸的区域，损害膜的不对称组织、完整性和通透性。对于蛋白质，活性物质促进影响结构稳定性和功能的翻译后修饰。在DNA中，活性物质与含氮碱基和磷酸二酯骨架相互作用，导致嘌呤和嘧啶碱基的修饰、单链断裂和交联。线粒体DNA由于其接近活性物种来源且缺乏与细胞核同等的保护系统，特别容易受到氧化损伤。

这些事件导致细胞稳态的破坏和氧化代谢物的积累。多不饱和脂肪酸的氧化导致反应性醛（如丙二醛和4-羟基壬烯醛）的形成，这些醛与亲核蛋白质残基共价结合，改变其构象和功能。同时，蛋白质发生羰基化和硝化，包括通过ONOO^-形成硝基酪氨酸，而核DNA和线粒体DNA积累氧化损伤，如8-氧代-2'-脱氧鸟苷。这种状态为即将释放细胞内危险信号创造了条件。氧化的线粒体组分释放、细胞内分子暴露和膜完整性的改变将氧化损伤转化为触发危险识别通路的扳机。此外，多不饱和脂肪酸的氧化可产生高反应性的γ-酮醛，称为异戊二烯醛。这些化合物来源于氧化应激过程中形成的脂质内过氧化物的重排，是脂质过氧化反应性最强的产物之一。

为了最小化反应性物种造成的损伤，细胞激活主要由核因子E2相关因子2（Nrf2）介导的适应机制。在基础条件下，Nrf2保留在胞质溶胶中，与阻遏蛋白Kelch样ECH相关蛋白1（Keap1）结合，并持续被导向蛋白酶体降解。重金属暴露似乎诱导Keap1半胱氨酸残基的修饰，导致Keap1-Nrf2复合物解离，并允许Nrf2核转位。一旦进入细胞核，Nrf2诱导涉及谷胱甘肽合成、外源物代谢和金属解毒的细胞保护基因的转录。尽管Nrf2激活是恢复氧化还原稳态的代偿机制，但长期或强烈的金属暴露会损害细胞核中的Nrf2信号传导。这种损害源于还原性辅因子的逐渐耗竭、调节蛋白的持续氧化、表观遗传改变以及显性炎症通路（如核因子-κB）的干扰，这些通路竞争转录共激活因子和/或抑制抗氧化基因的转录。

4. 重金属诱导的氧化应激产生的代谢物介导的炎症机制

尽管重金属可以直接修饰蛋白质，但大多数结构损伤是通过次级氧化代谢物的形成产生的。这些危险信号激活炎症通路，通过损伤相关分子模式、模式识别受体和胞质平台（如炎症小体）将化学损伤转化为免疫学语言。这些事件触发细胞内反应，将氧化损伤转化为炎症小体激活。通过损害细胞完整性，细胞外损伤相关分子模式激活Toll样受体，在组织/器官中传播炎症，招募免疫细胞，并巩固氧化炎症循环。因此，金属诱导的应激最初是一种生化紊乱。其病理影响源于氧化还原失衡向结构损伤的转化，影响脂质、蛋白质、核酸和细胞器，从而产生损伤相关分子模式并激活炎症通路。

在任何炎症小体被激活之前，其组分必须可用。参与此反应的主要炎症小体是NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NLRP3），它由三个组分组成：NLRP3传感器、凋亡相关斑点样蛋白（ASC）适配器和前体半胱天冬酶-1。炎症小体的可用性取决于转录激活，主要受转录因子NF-κB控制。在暴露于重金属的细胞中，活性氧和活性氮介导的分子损伤产物充当激活氧化还原敏感通路的信号，这些信号汇聚于IκB激酶复合物。IKK复合物的激活促进NF-κB抑制蛋白的磷酸化和随后的降解，释放NF-κB进行核转位。在细胞核中，NF-κB诱导NLRP3炎症小体的结构组分和前体形式的促炎细胞因子（如白细胞介素-1β和白细胞介素-18前体）的表达，建立初始炎症状态。

一旦NLRP3和促炎细胞因子可用，细胞就对反映结构和代谢衰竭的细胞内信号变得敏感。NLRP3充当细胞应激传感器，响应多种改变。炎症小体激活的主要信号包括线粒体活性氧增加、氧化的线粒体DNA释放到胞质溶胶、脂质氧化和离子失衡。这些事件促进NLRP3的构象变化，有利于其寡聚化和ASC适配器的募集，最终形成功能性炎症小体复合物。炎症小体组装激活效应半胱天冬酶-1，其将白细胞介素-1β和白细胞介素-18前体切割成其活性形式。此外，半胱天冬酶-1切割消皮素D，形成质膜孔，可诱导受损细胞的焦亡。

损伤相关分子模式不再仅仅是细胞内的，而是到达细胞外空间和组织。这种通讯通过两个主要机制发生：通过细胞死亡被动释放或应激下活细胞的主动分泌。在重金属对氧化还原系统的初始亚临床效应中，甚至在仍然存活的细胞中，也存在损伤相关分子模式的主动分泌。损伤相关分子模式充当氧化损伤的分子信使。它们可以被邻近细胞和先天免疫系统细胞上表达的模式识别受体识别，例如广泛分布于组织中的Toll样受体（TLR）和其他受体。TLR在炎症过程中起着核心作用。TLR2和TLR4可以识别源自氧化损伤的多种损伤相关分子模式。尽管没有结论性研究，但据信这些受体不识别金属离子本身，而是识别由它们引起的损伤产生的分子模式。TLR对损伤相关分子模式的识别放大了炎症。

TLR对损伤相关分子模式的识别通过NF-κB和丝裂原活化蛋白激酶等信号通路得到放大。活化的TLR募集作为信号平台的胞质适配蛋白，骨髓分化初级反应蛋白88依赖性通路似乎是重金属诱导炎症中最相关的。这种相互作用启动了“mydosome”的组装，这是一个多蛋白复合物，包括白介素-1受体相关激酶家族的激酶，主要是IRAK4和IRAK1。这些激酶的连续激活促进肿瘤坏死因子受体相关因子6的募集，其传播炎症信号。这反过来导致额外激酶的募集。其中，TAK1-TABs复合物尤为突出，作为信号分叉点发挥作用。在TAK1，两个主要通路被协调激活：NF-κB和MAPK通路。NF-κB激活后，TAK1磷酸化IKK复合物。因此，先前保留在胞质溶胶中的NF-κB被释放并转位至细胞核，在那里充当转录因子。在重金属暴露的背景下，这个轴特别相关，因为它提供了持续表达促炎细胞因子和NLRP3炎症小体组分所需的激活信号。同时，在MAPK通路中，p38、JNK和ERK激酶被激活，它们在细胞核中作用，磷酸化转录因子，如激活蛋白1、激活转录因子2和Elk-1。虽然NF-κB直接作为转录因子发挥作用，但MAPK调节转录和mRNA稳定性。因此，NF-κB和MAPKs的同时激活赋予了重金属诱导的炎症反应持续性特征。

NF-κB和MAPK通路的激活最终导致常驻细胞和免疫细胞的转录重编程，从而产生细胞因子、趋化因子和炎症介质。这组反应代表了重金属诱导的氧化损伤转化为炎症反应的主要机制。在细胞因子中，肿瘤坏死因子-α和白细胞介素-6尤为突出。肿瘤坏死因子-α是炎症的核心介质，促进次级活性物种的产生、血管功能障碍和其他炎症通路的敏化。白细胞介素-6扮演多效性角色，整合局部和全身反应，包括代谢改变和免疫细胞分化调节。与细胞因子并行，MAPK激活促进趋化因子的表达。来自CXC和CC家族的趋化因子建立趋化梯度，指导中性粒细胞、单核细胞和淋巴细胞向金属损伤组织的募集。这种募集放大了炎症反应，但也引入了新的活性氧和活性氮来源，加剧氧化损伤。血管内皮激活至关重要，它将血管系统转化为炎症的积极参与者。在肿瘤坏死因子-α和白细胞介素-6的影响下，内皮细胞增加黏附分子的表达，包括细胞间黏附分子1、血管细胞黏附分子1和E-选择素，促进炎症细胞向组织迁移。除了细胞因子和趋化因子，炎症酶如环氧合酶-2和诱导型一氧化氮合酶也被表达，扩大了组织中活性介质的范围。环氧合酶-2促进前列腺素合成，有助于血管舒张，而诱导型一氧化氮合酶产生大量一氧化氮。在已经受重金属污染的环境中，一氧化氮迅速与超氧化物阴离子反应，形成过氧亚硝酸盐，加剧对蛋白质、脂质和DNA的氧化和亚硝化损伤。这样，炎症反应产物本身开始反馈到金属诱导的氧化应激中。

5. 重金属污染后改变的代谢物和代谢特征

代谢组学是环境毒理学研究中日益受到重视的工具，能够全面表征生化紊乱并识别有毒物质暴露的早期敏感生物标志物。代谢组学研究揭示，重金属暴露诱导关键代谢途径的一致性改变，包括氨基酸、脂质和能量代谢，以及微生物群衍生的代谢物。氨基酸代谢的改变与抗氧化防御密切相关，反映了对氧化还原失衡的适应性反应。重金属污染改变了与抗氧化防御密切相关的氨基酸代谢，反映了对氧化还原失衡的适应性反应。代谢组学分析一致报告了暴露于铝、镉和镍后苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸通路的破坏。这些氨基酸是涉及神经递质合成、免疫调节和氧化还原稳态的关键代谢前体，它们的失调有助于氧化和炎症过程的传播。

脂质代谢是受金属影响的另一个核心轴。暴露于砷、镉、镍和汞后，甘油磷脂代谢、脂肪酸β-氧化和类固醇激素生物合成的改变被广泛报道。在砷诱导毒性的小鼠模型中，综合代谢组学和转录组学分析揭示了与肝脏甘油三酯积累和线粒体β-氧化受损相关的脂质代谢途径紊乱。同样，暴露于铝和镉会导致脂质代谢重组，包括通过改变肠道微生物群组成和肠-肝轴信号传导介导的胆汁酸代谢紊乱。铅和汞暴露也会导致脂质代谢紊乱，作为对金属毒性的全身反应的核心组成部分。

能量代谢也受到显著影响。暴露于砷、汞和镉会破坏糖酵解、克雷布斯循环中间体和丙酮酸代谢。这些改变与线粒体功能障碍密切相关，线粒体功能障碍是氧化还原失衡的主要靶点，它促进电子传递链的电子泄漏并放大活性物种的产生。最近的代谢组学研究进一步强调了肠道微生物群作为金属诱导毒性介质的作用。砷暴露诱导微生物组成和相关代谢物的显著变化，包括参与氨基酸生物合成和脂质代谢的代谢物。综合微生物组-代谢组学方法在暴露于镉、铅、铝和镍后也证明了微生物群-代谢物相互作用的类似破坏。这些变化与脂质代谢物、氨基酸和胆汁酸的改变相关，支持肠道微生物群作为连接环境暴露与全身代谢功能障碍和炎症的关键界面的作用。

代谢组学还支持识别对环境毒物的性别依赖性反应，为理解生殖功能障碍的机制提供了见解。例如，砷暴露会改变与睾丸中精子发生和类固醇生成相关的代谢物，这些变化与氧化应激和炎症信号传导密切相关，最终可能损害生殖功能。重要的是，对代谢组学研究的详细分析揭示，几种改变的代谢物不仅表明一般代谢功能障碍，而且与氧化应激和炎症通路相关，证实了氧化炎症作为一个整合过程的概念。尽管探索很少，但针对不同金属和生物系统，氧化还原系统相关代谢物的改变已有报道。例如，暴露于铝和砷与谷胱甘肽代谢以及次黄嘌呤、黄嘌呤、牛磺酸和烟酰胺水平的改变相关，反映了抗氧化防御功能障碍和活性物种产生增加。类似地，暴露于镉和汞会改变谷胱甘肽/氧化型谷胱甘肽平衡和氨基酸代谢，包括与氧化还原稳态和细胞反应相关的精氨酸和脯氨酸通路。同时，苯丙氨酸、酪氨酸、组氨酸和甲硫氨酸等氨基酸在暴露于砷和镉的模型中显示出持续失调，表明免疫调节、神经递质合成和氧化应激适应方面的紊乱。脂质代谢也是氧化炎症信号传导的一部分，这从暴露于砷、铅和镍后花生四烯酸、亚油酸、溶血磷脂和胆汁酸的改变中得以证明。这些代谢物参与膜重组和调节炎症通路的脂质介质的产生。炎症介质如前列腺素和消退素已在暴露于砷和铅的动物模型中被鉴定。嘌呤代谢中间体，包括尿酸，在暴露于镉、汞和铅后发生改变，反映了氧化应激和与炎症相关的核苷酸转换。能量代谢的改变进一步证实了这种整合反应，暴露于砷和铅的实验模型中，乙酰肉碱和磷酸烯醇式丙酮酸等代谢物受到影响，表明线粒体功能障碍和代谢对氧化应激的适应。

6. 重金属诱导的氧化炎症在生物系统中的后果

尽管氧化应激、代谢物形成和由此产生的炎症谱的机制在不同重金属之间是共享的，但它们的生物学效应根据每种金属的毒理学特性（包括其化学形式和分布）表现。研究人员综合了易受重金属作用的小鼠模型中各器官和系统的组织病理学发现，以及由此产生的氧化炎症谱。铝诱导的氧化炎症通过趋同机制影响多个器官。在肝脏中，暴露于铝与线粒体功能障碍、活性氧生成增加、脂质过氧化和慢性炎症相关，最终导致脂质代谢改变和肝细胞损伤。在雄性生殖系统中，铝通过增加活性氧产生和局部炎症来增加氧化应激，导致促炎酶水平升高，并与睾酮水平降低、类固醇生成减少和精子发生受损相关，导致精子数量、活力和结构完整性下降。在雌性生殖系统中，铝暴露与激素失衡、氧化应激和卵巢细胞凋亡相关，从而损害卵母细胞质量和性腺稳态。在心血管系统中，活性氧增加和脂质过氧化导致内皮功能障碍、炎症激活和血管重塑，有利于心脏功能改变。在神经系统中，铝可以穿过血脑屏障，其积累与神经退行性疾病相关，并可诱导神经炎症反应。在肾脏中，铝暴露促进肾小管和肾小球功能障碍、氧化损伤、抗氧化防御受损和炎症激活，导致肾毒性。总的来说，这些发现巩固了铝作为整合氧化炎症反应的全身诱导剂的地位，其基础是氧化还原失衡、线粒体功能障碍、NF-κB等炎症信号通路以及多器官的代谢失调，并有焦亡证据。

砷的毒性和反应性强烈取决于其氧化态和形态。在生物和环境背景下，最相关的氧化态是As³⁺和As⁵⁺，而有机砷化物来自哺乳动物生物转化途径，可能根据其氧化还原状态降低或放大毒性。通常，三价砷比五价物种具有更高的巯基反应性，能够与蛋白质半胱氨酸残基和催化辅因子发生更强的相互作用，这是支持代谢功能障碍和氧化还原失衡的重要特征。肝脏是砷生物转化的主要场所，因此是代谢和炎症联合损伤的主要靶点。肾脏由于其在外源物处理中的作用以及近端小管细胞对线粒体功能障碍和炎症的易感性而高度脆弱。砷暴露可诱导急性肾损伤，与氧化应激和炎症相关，涉及sirtuin 1和PINK1/Parkin依赖性线粒体自噬等调节节点。心血管毒性越来越多地通过内皮氧化还原生物学的视角来理解。砷暴露易导致血管疾病状态