镉对机体免疫影响的概述

马海燕,顾杰,周阳,施海峰

(江苏大学生命科学学院,江苏 镇江 212013)

镉在体内代谢缓慢,其长期富集会对机体多种器官和组织造成损伤[1]。急性镉吸入会严重破坏呼吸系统,导致呼吸急促,还会破坏黏膜并导致肺水肿。慢性镉接触通过吸入导致肾小管细胞坏死、贫血并损害肺功能。报道显示,镉暴露可引发免疫应答异常,如大鼠镉暴露30 d后内皮细胞中IL-1β、IL-6、IL-10以及肿瘤坏死因子水平升高[2]。同样,镉暴露可抑制免疫,在伴刀豆球蛋白A和IL-2激活的大鼠中镉暴露能抑制脾脏细胞增殖,抑制伴刀豆球蛋白A诱导的γ-干扰素和IL-17表达[3]。镉暴露可导致孕妇尿液中CD3+、CD4+细胞数量减少。研究表明,镉毒性与氧化应激[4]、Ca2+通道[5]、胆固醇代谢[6]以及自噬[7]等密切相关。本文针对这四种关键途径之间可能存在的联系作一综述。

1 镉引起机体免疫毒性的四种关键机制

1.1 氧化应激

氧化应激是指当细胞中自由基的产生与抗氧化剂之间失衡时,细胞内氧自由基过量积累,从而造成脂质过氧化、DNA损伤和蛋白质氧化增加等,最终导致细胞功能障碍和坏死。研究表明,镉经机体吸收后,进入血液与红细胞和血清白蛋白结合,刺激脂质过氧化和活性氧的形成,从而引起细胞氧化和组织损伤,通过使用自由基清除剂和抗氧化剂进行治疗可用于防止镉毒性[8]。

氧化应激可引发炎症反应,而炎症反应主要通过免疫细胞介导,因此三者存在一定的联系。当机体氧自由基产生过多时,往往会引起免疫细胞的异常反应,影响机体的免疫功能[9]。氧化应激涉及反应性氧化剂的异常,产生不稳定的游离羟基,导致碳水化合物、蛋白质、多不饱和脂肪酸的异常氧化以及DNA羟基化。氧化应激可通过产生促炎性趋化因子进一步引发级联免疫反应,如炎性细胞因子释放增加,嗜中性粒细胞激活和白细胞释放等[10]。在不同代谢过程中,线粒体产生的氧自由基对于杀伤病原体是必需的[11]；尤其是在吞噬细胞,如巨噬细胞和嗜中性粒细胞中,其大量产生的氧自由基可破坏病原微生物。然而当氧自由基累积过量后,其较高浓度可导致免疫细胞和组织的氧化应激以及随之而来的损伤[12]。

1.2 Ca2+通道

Ca2+作为第二信使,对细胞分裂、激活、增殖和凋亡起着重要作用。由于Cd2+与Ca2+具有相似的化学结构与电荷,Cd2+可竞争性结合Ca2+通道,从而影响Ca2+发挥生物功能。Cd2+通过以下机制扰乱Ca2+介导的信号转导:Cd2+抑制细胞膜钙泵,阻止Ca2+流出,并通过抑制肌质/内质网钙泵或分泌途径阻止Ca2+进入内质网和高尔基体[5]；通过诱导Ca2+细胞内储存或细胞外释放,增加细胞内Ca2+水平[13]；可以改变细胞膜脂质中磷脂酰肌醇的含量。Cd2+与G蛋白偶联受体相互作用从而激活磷脂酶C,从而导致磷脂酰肌醇分解和三磷酸肌醇(IP3)产生。因此,Cd2+诱导IP3增加后,激活内质网膜IP3受体,导致Ca2+从内质网释放至细胞质中[14]。由此表明,Cd2+不仅能直接抑制Ca2+通道或相关蛋白,还能通过诱导的脂质代谢紊乱间接影响Ca2+稳态。

T淋巴细胞功能取决于Ca2+信号传导,免疫细胞活化的重要信号途径是Ca2+通过激活细胞膜上Ca2+通道进入胞内。在T淋巴细胞中,刺激T细胞受体后可激活Ca2+通道,导致磷脂酶Cγ活化,IP3产生并作用于内质网膜IP3受体,引起内质网Ca2+释放,细胞内Ca2+浓度瞬时增加[15]。由此可见,Ca2+对于免疫功能的影响主要基于Ca2+通道介导信号转导,激活免疫细胞表面的相关抗原,进而影响免疫细胞的功能。

1.3 胆固醇代谢

Cd2+在体内与多种转运蛋白结合,从而影响胆固醇转运与摄取。镉暴露可改变脂质代谢并促进心血管疾病的发展,包括动脉粥样硬化、高血压等[1]。自噬可通过消除三酰甘油和防止脂肪变性而调节脂质代谢,当镉暴露导致自噬失调时,胆固醇喂养的小鼠肝细胞中脂质含量上升[16]。Wang等[6]报道,镉暴露可引起小鼠肝脏胆固醇的重新分布,这可能与调节胆固醇的外排蛋白ABCA1和氧固醇结合蛋白的表达有关。斑马鱼在食用镉4周后,三酰甘油、血浆总胆固醇以及胆固醇酯水平明显上升,同时还引起脂肪肝加速变化和活性氧大量产生[17]。早期有研究报道,大鼠镉暴露后血浆三酰甘油和低密度脂蛋白浓度升高,这归因于脂蛋白脂肪酶活性降低,导致富含三酰甘油的低密度脂蛋白增加[18]。

膜脂质可以直接调控T细胞信号和功能。胆固醇作为膜脂质的关键组成部分,其代谢水平影响T细胞受体聚集和T细胞免疫突触形成以及免疫信号传导产生[19]。研究显示,通过抑制CD8+T细胞受体表达,可以明显促进质膜的胆固醇水平上升,从而增强CD8+T细胞免疫应答能力[20]。此外,巨噬细胞作为调节脂质代谢的重要细胞,又是免疫的起始点,其功能与胆固醇代谢有着密切联系。当胆固醇代谢平衡破坏时,巨噬细胞通过清除剂受体吸收细胞质内的修饰脂蛋白,从而形成泡沫细胞,失去其免疫起始的功能[21]。

1.4 自噬

自噬是所有真核细胞中进化保守的细胞内消化和再循环途径。自噬与病毒、细菌和真菌病原体的先天免疫反应有关。目前已报道系统性红斑狼疮、哮喘、类风湿性关节炎等慢性炎性疾病以及自身免疫疾病与自噬基因相关[7]。Zhang等[22]报道,镉诱导视网膜色素上皮细胞凋亡时,激活内质网应激,且促进自噬。当镉在睾丸中蓄积,引起生精小管萎缩,管径减小,精原干细胞从内层脱落,生殖细胞层排列紊乱,造成睾丸损伤,这可能与自噬水平升高有关[23]。同样,在肝癌细胞暴露于氯化镉后,显示镉诱导线粒体来源的超氧阴离子依赖性自噬细胞死亡[10]。此外,阻断自噬可抑制镉暴露诱导的口腔鳞状细胞癌细胞增殖、迁移和侵袭[7]。

镉可以通过调节自噬引起免疫异常。海藻糖通过抑制由镉激活的核因子E2相关因子2信号通路,介导细胞凋亡和自噬,从而避免镉导致的脾脏损伤[24]。镉处理小鼠单核巨噬细胞通过激活抗氧化酶引起氧化应激反应,进而介导DNA损伤、细胞凋亡和自噬发生[11]。用抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸处理镉暴露的小鼠单核巨噬细胞时,抑制自噬底物p62/SQSTM1的积累,由此表明氧化应激可影响自噬底物降解[25]。自噬在镉诱导小鼠单核巨噬细胞中通过内质网应激介导钙蛋白酶激活引起肿瘤坏死因子α表达降低,从而引起炎症反应[26]。镉通过诱导小鼠脾脏组织中液泡膜蛋白1的表达和自噬,导致小鼠免疫细胞凋亡；降低液泡膜蛋白1表达后,镉诱导的自噬和细胞凋亡得以减轻[27]。此外,镉诱导的人B淋巴细胞瘤细胞中膜泡蛋白1表达、自噬和细胞凋亡取决于Ca2+和活性氧的升高[27]。综上所述,自噬介导免疫B细胞中镉暴露造成的机体免疫损伤,而自噬通路的激活可通过氧化应激诱导。

2 镉影响免疫的作用机制概述

镉暴露诱导IP3与内质网膜相应受体结合,导致Ca2+从内质网释放至细胞质中,胞内Ca2+增加激活胞外信号调节激酶通路,引起自噬。此外,镉通过细胞内Ca2+增加诱导活性氧产生,激活糖原合成酶激酶3β(GSK-3β)信号通路,并触发自噬,自噬进一步通过隔离和降解泛素化的炎症小体调节免疫[28]。线粒体是已知的镉重要细胞内靶标,镉可通过介导谷胱甘肽和蛋白质结合的巯基消耗,引起线粒体功能失调,产生过量活性氧引起脂质过氧化,血浆三酰甘油和低密度脂蛋白浓度升高。脂质代谢紊乱后又将依赖肝脏X受体的代谢途径与免疫反应调节相互联系[29](图1)。镉对细胞自噬的诱导或者抑制是由细胞类型和状态决定的,而且受氧化应激和Ca2+通道介导。自噬的改变进一步引起脂代谢和免疫细胞功能的改变。综上所述,镉引起的免疫损伤是一个复杂的系统调节过程,文中所述的四种关键机制可通过相互作用引发免疫毒性。

图1 镉影响免疫功能通路示意图

镉毒性的防治并没有成熟的治疗方案,目前临床上治疗镉引起免疫毒性的方案主要是基于氧化应激机制。由于抗氧化酶产生减少,导致活性氧产生过高。因此治疗方案旨在补充抗氧化酶,并与常规药物结合使用来补充天然抗氧化剂。抗氧化酶有超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶等。这些酶通过将自由基催化为无毒分子,从而将人体中自由基清除,阻止氧化应激介导的免疫毒性发生[10]。

3 展望

镉通过抑制自噬-溶酶体途径促进脂质转运蛋白累积,导致肝脏胆固醇的重新分布。此外,镉暴露通过破坏Ca2+稳态和增加活性氧激活液泡膜蛋白表达介导自噬,促进脾脏B细胞凋亡[30],而抑制自噬可以减轻镉诱导的脾脏和免疫细胞的凋亡。由此可知,镉的免疫生物毒性主要与其诱导的氧化应激、Ca2+转运、胆固醇代谢以及自噬有关,且其之间存在着复杂的相互作用网络关系。目前尚缺乏有力的实验数据证实镉毒性可通过多种机制相互作用来共同调节免疫功能,同时镉毒性的防治也没有成熟的治疗方案,因此还需进一步实验探究镉免疫毒性的多种分子机制之间的作用关系,同时通过对镉免疫毒性作用靶点的分析,寻找治疗机体免疫疾病的新策略。