鎘導致高血壓發(fā)生機制的研究進展

季星岐， 韓邦興， 陳乃富， 周 陽， 施海峰

(1. 江蘇大學 生命科學研究院， 鎮(zhèn)江 212013；2. 皖西學院 生物與制藥工程學院 中藥研究與開發(fā)工程技術(shù)研究中心， 六安 237012)

鎘導致高血壓發(fā)生機制的研究進展

季星岐1， 韓邦興2， 陳乃富2， 周 陽1， 施海峰1

(1. 江蘇大學 生命科學研究院， 鎮(zhèn)江 212013；2. 皖西學院 生物與制藥工程學院 中藥研究與開發(fā)工程技術(shù)研究中心， 六安 237012)

鎘具有很強的生物毒性，它可通過吸煙、飲食、呼吸等方式進入人體，并在人體內(nèi)積累，造成機體損傷。鎘在人體內(nèi)積累后不但能導致骨骼畸形、腎臟損傷和癌癥的發(fā)生，而且還能導致機體脂代謝紊亂，而脂代謝紊亂會導致心腦血管疾病的發(fā)生。近年來，有越來越多的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)鎘能誘導哺乳動物產(chǎn)生心臟病、高血壓等疾病，其分子機制包括鎘產(chǎn)生大量自由基、鎘抑制Na+/K+泵活性、鎘影響VE-cadherin的功能等。綜述了鎘導致心腦血管疾病發(fā)生機制的研究進展。

鎘；心腦血管疾??；VE-cadherin；自由基；Na+/K+泵

鎘是人體生理活動和新陳代謝中非必需的金屬元素，具有很強的生物毒性，在人體內(nèi)積累后十分容易造成機體損傷。近年來發(fā)現(xiàn)鎘能誘導心腦血管疾病的發(fā)生，其分子機制的研究也越來越受到關(guān)注?？偨Y(jié)近幾年的研究結(jié)果，鎘誘導心腦血管疾病發(fā)生的機制有以下幾個方面：1)鎘產(chǎn)生氧化壓力(Oxidative stress)使血漿中脂類過氧化，從而導致高血壓的發(fā)生。鎘是一種能對細胞造成很強氧化壓力的重金屬，鎘進入血液后，將血漿中低密度脂蛋白(Low-density lipoprotein，LDL)過氧化，而被氧化修飾的LDL(Oxidized low-density lipoprotein，oxLDL)能在血管中大量積累，并且在血管壁產(chǎn)生斑塊，誘發(fā)血管動脈粥樣硬化。2)鎘抑制Na+/K+泵(Na+/K+ATPase)活性，使腎小管細胞發(fā)生鈉潴留而導致高血壓。腎臟是鎘在人體中積累最多的器官，鎘在腎小管中積累后，會抑制腎小管細胞Na+/K+泵活性，導致細胞內(nèi)的鈉輸出產(chǎn)生障礙，使得細胞內(nèi)鈉濃度升高。細胞內(nèi)鈉濃度升高后會引發(fā)細胞鈉潴留，血管血容量增加，最終產(chǎn)生高血壓。3)鎘與鈣競爭血管內(nèi)皮細胞鈣黏蛋白(Vascular endothelial cadherin，VE-cadherin)膜外鈣離子結(jié)合位點，使血管通透性下降而導致高血壓。VE-cadherin在調(diào)控血管內(nèi)皮細胞通透性的過程中具有重要作用，鎘能與鈣競爭性結(jié)合VE-cadherin的膜外鈣離子結(jié)合位點，導致血管內(nèi)皮細胞的形變能力下降。同時鎘還能降低VE-cadherin與血管內(nèi)皮細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)蛋白復合體之間的聯(lián)系，使血管通透性下降、血管脆化，并最終引發(fā)高血壓。

1 鎘產(chǎn)生氧化壓力導致高血壓

1.1 鎘導致氧化壓力產(chǎn)生的機制

氧化壓力為機體活性氧成分(Reactive oxygen species，ROS)與抗氧化系統(tǒng)之間平衡失調(diào)引起的一系列適應性的反應。當細胞正常的氧化還原狀態(tài)被干擾后，細胞會制造出過氧化物與自由基，這些物質(zhì)會對細胞產(chǎn)生毒性，損害細胞的蛋白質(zhì)、脂類和DNA。鎘導致氧化壓力產(chǎn)生的機制主要有以下幾個方面：1)鎘通過間接方式引發(fā)芬頓反應(Fenton Reaction)產(chǎn)生氧化壓力。細胞質(zhì)中和細胞膜上有很多與鐵、銅結(jié)合的蛋白(如鐵蛋白，銅藍蛋白)，鎘能取代鐵、銅與這些蛋白結(jié)合，導致細胞中游離的鐵離子和銅離子濃度增加。這些游離的金屬離子能引發(fā)Fenton Reaction產(chǎn)生超氧自由基、羥基自由基和氮氧自由基[1]。2)鎘結(jié)合SOD和GSH產(chǎn)生氧化壓力。超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)和谷胱甘肽(Glutathione，GSH)氧化還原系統(tǒng)是人體中主要的抗氧化劑，它們都富含巰基，而鎘對SOD和GSH的巰基有很高的親和力，當鎘和SOD和GSH的巰基結(jié)合后會導致細胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡，從而導致氧化壓力的產(chǎn)生[2-4]。3)鎘改變線粒體結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生氧化壓力[5-6]。鎘能作用于線粒體呼吸鏈中的復合體Ⅲ，使線粒體滲透轉(zhuǎn)換孔(Mitochondrial permeability transition pore，MPTP)打開，從而導致線粒體產(chǎn)生的ROS釋放到細胞質(zhì)中。同時，鎘還能導致線粒體中不穩(wěn)定半泛醌(Semiubiquinones)的積累，使其易于向分子氧轉(zhuǎn)移一個電子，從而導致過氧化物的產(chǎn)生[7]。

1.2 鎘導致血漿脂類過氧化和斑塊形成

鎘誘導產(chǎn)生的自由基使血漿中脂類產(chǎn)生過氧化反應，從而導致心腦血管損傷[8]。LDL被氧化后形成的oxLDL可能是導致動脈粥樣硬化的原因[9]。

在血管中，LDL中的長鏈多不飽和脂肪酸會被血管內(nèi)皮細胞、平滑肌細胞和巨噬細胞產(chǎn)生的ROS氧化修飾，產(chǎn)生共軛雙烯和脂質(zhì)過氧自由基(LOO-)[10]。LOO-會攻擊相鄰的脂肪酸分子，并使其分解。同時，LDL中脂類被氧化后產(chǎn)生大量丙二醛(Malondialdehyde，MDA)和溶血磷脂(Lysophosphatide)，并在LDL中積累。這些物質(zhì)修飾載脂蛋白B100(Aplolipoprotein B100，ApoB100)的氨基酸鏈形成oxLDL[11]。oxLDL由于其氨基酸被氧化修飾后無法被LDL受體識別，最終會被巨噬細胞吞噬。通過這種方式，巨噬細胞內(nèi)吞噬了大量oxLDL，使細胞內(nèi)充滿脂類并且聚集在血管內(nèi)皮中，這種富含脂類物質(zhì)的巨噬細胞在血管內(nèi)皮中積累會導致血管中脂類無法被代謝，從而誘發(fā)血管動脈粥樣硬化。同時，oxLDL的產(chǎn)生還會產(chǎn)生多種不良效應，如刺激單核細胞(Monocyte)釋放大量TNF-α、IL-1β，而這些細胞因子會導致平滑肌細胞分化，產(chǎn)生大量膠原蛋白(Collagen)和彈性蛋白(Elastin)，促進血管中斑塊形成和血管纖維化[12]。另外，oxLDL還能抑制環(huán)前列腺素(Prostacyclin)的合成[12]，而環(huán)前列腺素在阻遏血小板聚集上有重要作用，故其合成減少會導致血小板在血管中聚集。血小板聚集后能釋放生長因子，導致平滑肌細胞的分化和遷移，同時還能誘導血栓的形成。

2 鎘抑制Na+/K+泵活性導致高血壓

2.1 Na+/K+泵結(jié)構(gòu)和功能

Na+/K+泵是一種細胞膜蛋白，主要由α，β和γ 3個亞基組成[13]。α亞基為分子質(zhì)量約120 ku的10次跨膜蛋白，它具有和Na+、K+結(jié)合的活性，同時又具有水解ATP產(chǎn)生能量的活性[14],α亞基還含有一個烏本苷結(jié)合位點(Ouabain-binding site)，該位點是強心類固醇(Cardiotonic steroids)的受體[15];β亞基分子質(zhì)量約為50 ku，其主要功能是維持Na+/K+泵在細胞膜上的穩(wěn)定性；γ亞基有2個亞型，γ(a)和γ(b)。γ(a)主要在腎臟近曲小管上皮細胞中表達，并且調(diào)控Na+/K+泵活性[16]。

Na+/K+泵首先在膜內(nèi)側(cè)與細胞內(nèi)的Na+結(jié)合，ATP酶活性被激活后，由ATP水解釋放的能量使Na+/K+泵構(gòu)象發(fā)生變化，將Na+輸出細胞；與此同時，Na+/K+泵與細胞膜外側(cè)的K+結(jié)合，發(fā)生去磷酸化后構(gòu)象再次改變，將K+輸入細胞內(nèi)。研究表明，每消耗1個ATP分子，可使細胞內(nèi)減少3個Na+并增加2個K+。

2.2 鎘影響抑制細胞Na+/K+泵活性導致高血壓

Na+/K+泵為Na+的重吸收提供能量，抑制Na+/K+泵會導致細胞鈉潴留。在血管平滑肌細胞中，當Na+/K+泵活性被抑制后，細胞中Na+濃度升高，Na+/Ca2+交換所需的Na+濃度梯度隨之降低，使得細胞內(nèi)的Ca2+濃度上升，從而導致血管平滑肌細胞伸縮性增加，并且導致高血壓。

在腎小管中積累的鎘能通過蛋白酶體途徑(Proteasomal degradation pathway)和溶酶體途徑(Lysosomal degradation pathway)降解Na+/K+泵，從而抑制腎小管細胞排出Na+。細胞內(nèi)Na+濃度升高后會引起腎小管鈉潴留，血容量增加，從而導致高血壓[17]。同時，細胞內(nèi)的高鈉又會導致Na+和Ca2+之間的交換減少，細胞內(nèi)Ca2+濃度升高，血管平滑肌收縮，肌張力和外周阻力增高，最終引起高血壓。

鎘還能通過抑制多巴胺(Dopamine)的合成來影響Na+/K+泵的功能[18]。Dopamine通過和細胞表面多巴胺受體D1、D3結(jié)合來調(diào)控Na+/K+泵的活性，當Na+/K+泵活性過高時，Dopamine促進細胞內(nèi)吞來抑制Na+/K+泵活性，從而調(diào)節(jié)細胞內(nèi)Na+濃度[19]。鎘能增加細胞Dopamine的合成，當多巴胺的含量增加時，能抑制腎小管細胞Na+/K+泵的功能，從而導致腎小管細胞排鈉量降低，細胞內(nèi)發(fā)生鈉潴留，最終引起高血壓。

血管緊張素Ⅱ(Angiotensin II)在腎小管中能通過血管緊張素Ⅱ受體信號通路(AT1R signaling pathway)調(diào)控Na+的重吸收。低濃度的血管緊張素Ⅱ增加Na+/K+泵活性；高濃度抑制其活性[20]。鎘能導致血管緊張素Ⅱ的合成增加，導致Na+/K+泵活性被抑制，引起細胞內(nèi)Na+潴留。同時，鎘能增加血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(Angiotensin-converting enzyme)的活性，導致血管緊張素Ⅱ的合成增加，促進前列腺素的合成(Prostanoid)[21]，前列腺素具有調(diào)節(jié)血管緊張性的作用，過量合成的前列腺素會導致血管收縮性增加，導致高血壓[22]。

3 鎘影響VE-cadherin導致高血壓

3.1 VE-cadherin的結(jié)構(gòu)和功能

VE-cadherin是一種在內(nèi)皮細胞表面特異性表達的黏附蛋白，它在維持內(nèi)皮細胞之間的黏附上起著重要的作用。在血管內(nèi)皮細胞中，VE-cadherin能調(diào)控血管通透性和白細胞外溢，并且能調(diào)節(jié)細胞分化、凋亡和內(nèi)皮細胞表面生長因子受體的表達[23]。

VE-cadherin包含5個胞外cadherin結(jié)構(gòu)域(EC domain)，EC domain和Ca2+的結(jié)合是VE-cadherin發(fā)揮細胞黏附作用的重要條件[23]。VE-cadherin的C端胞內(nèi)區(qū)主要和細胞質(zhì)中的catenins結(jié)合，VE-cadherin和β-catenin結(jié)合后，β-catenin會和α-catenin結(jié)合，α-catenin又和肌動蛋白actin相結(jié)合，它們形成的VE-cadherin-β-catenin-α-catenin-actin復合體在維持細胞結(jié)構(gòu)和細胞之間的黏附上具有重要的作用[23]。

VE-cadherin能調(diào)控血管內(nèi)皮細胞通透性[24]。血管內(nèi)皮是沿著血管內(nèi)側(cè)生長、調(diào)節(jié)液體和溶質(zhì)在血液和周圍組織之間流動的半滲透屏障，它將血管與周圍的組織隔開并控制著兩者之間的物質(zhì)運輸，這種控制物質(zhì)運輸?shù)哪芰礊檠軆?nèi)皮的通透性。將VE-cadherin和β-catenin在細胞內(nèi)的結(jié)合區(qū)進行突變后，細胞間的連接能力顯著下降，并且還會引起血管形變。向成年小鼠體內(nèi)注入抗VE-cadherin的抗體后會導致小鼠血管內(nèi)皮細胞通透性下降、血管脆化并出血[25]。這些研究表明，VE-cadherin能調(diào)控內(nèi)皮細胞的通透性和細胞間的穩(wěn)定性。

3.2 鎘與鈣競爭VE-cadherin鈣離子結(jié)合位點

VE-cadherin和高血壓的發(fā)生密切相關(guān)[26]。鎘作為一種非生理必需的重金屬，會和VE-cadherin特異性結(jié)合而影響其正常的生理功能，從而導致血管通透性減弱、炎癥反應和高血壓等疾病的發(fā)生。

VE-cadherin的膜外區(qū)上有Ca2+結(jié)合位點，當它和Ca2+結(jié)合后，其構(gòu)象會變得具有剛性，兩個相鄰細胞的VE-cadherin就能彼此接觸并連接到一起。細胞外Ca2+被EGTA螯合后，VE-cadherin的構(gòu)象會發(fā)生變化，并且導致細胞無法黏附[25]。研究表明，鎘能抑制VE-cadherin在維持細胞形態(tài)中的作用。5～100 μmol/L CdCl2處理Caco-2細胞4 h后細胞的通透性增加，并且cadherin的胞內(nèi)區(qū)與catenin結(jié)合位點發(fā)生了改變[27]。在鎘誘導肺損傷的小鼠模型中，鎘暴露小鼠血管內(nèi)皮細胞中的VE-cadherin顯著下降[28]。另外，體外CdCl2處理VE-cadherin膜外EC domain，圓二色譜(Circular dichroism)檢測發(fā)現(xiàn)Cd2+能導致該肽段的二級結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。這些研究表明，鎘能和cadherin的EC domain結(jié)合，導致Ca2+無法和cadherin結(jié)合，造成cadherin黏附細胞功能喪失。因此，鎘誘導的VE-cadherin結(jié)構(gòu)的改變是誘發(fā)動脈粥樣硬化和心腦血管疾病的重要因素。

4 鎘導致高血壓的其他機制

鎘還能導致血清中脂類水平發(fā)生顯著變化。給大鼠喂養(yǎng)含鎘濃度為1 mg/kg的食物，持續(xù)喂養(yǎng)4周，采血后檢測其中脂類物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)總膽固醇(Total cholesterol，TC)、低密度脂蛋白膽固醇(Low-density lipoprotein cholesterol，LDL-C)和甘油三酯(Triglyceride，TG)含量顯著上升[29]。另一項研究表明，給大鼠喂養(yǎng)含鎘濃度為3 mg/kg的食物，持續(xù)喂養(yǎng)21 d后檢測血漿脂類含量，發(fā)現(xiàn)TC、極低密度脂蛋白膽固醇(Very low-density lipoprotein cholesterol，VLDL-C)、LDL-C、TG、脂肪酸(Fatty acid，F(xiàn)A)和磷脂(Phospholipids)都顯著上升。這些脂類物質(zhì)在血漿中含量上升會導致血管中斑塊的形成，使動脈越來越窄，引起心絞痛，一旦潰破還會形成血栓，堵塞動脈，導致心肌梗死、中風等嚴重問題。這些研究表明鎘能通過直接影響血清中脂類物質(zhì)的代謝過程來引發(fā)心腦血管疾病，然而其分子機制還不是十分清楚，因此鎘如何導致血清中脂類物質(zhì)代謝異常還有待解決(圖1)。

5 結(jié)論與展望

鎘具有很強的生物毒性，并且其半衰期很長，一旦被攝入人體就很難被代謝，從而對人體各組織和器官造成損傷。鎘離子進入細胞后能間接產(chǎn)生自由基，會影響一系列細胞信號的傳導，甚至導致細胞凋亡。除了產(chǎn)生ROS外，鎘還能參與細胞的鈣離子代謝過程，從而影響細胞對鈣的吸收和排出。另外，鎘還能抑制自然殺傷細胞(Natural killer cell，NK)的活性，降低機體的免疫力。總而言之，鎘能多方位對生物機體產(chǎn)生毒性，造成嚴重的健康問題。如20世紀初發(fā)生在日本富山縣的骨痛病，就是由于在該地區(qū)的人飲用含有大量鎘的水，使得鎘在人體中積累，從而導致病人骨質(zhì)疏松、骨骼萎縮和關(guān)節(jié)疼痛。

圖1 鎘誘導高血壓發(fā)生的分子機制

在一些發(fā)展中國家，鎘污染現(xiàn)象十分嚴重，并且隨著工業(yè)化進程的加快，其現(xiàn)狀越來越惡化，因此，鎘污染的防治就變得尤其重要。目前，行之有效的鎘污染防治措施包括污染土壤的物理隔離；控制鋅礦過度開采；嚴格按照排放標準檢測廢水、廢氣中鎘含量等。然而，這些措施雖然能在一定程度上控制鎘污染現(xiàn)象的發(fā)生，但是對于有關(guān)行業(yè)的發(fā)展具有很大的負面作用。因此，能在兼顧發(fā)展的同時又能有效控制鎘污染就變得尤為重要了。在生物學飛速發(fā)展的今天，運用生物學方法對鎘污染進行有效地檢測和預防給人們帶來了新的思路。目前世界上已有很多實驗室把目光聚焦于鎘導致機體各種損傷的分子機制上，試圖從分子機制層面解釋鎘的生物毒性，并且已經(jīng)在某些方面清晰地闡明了鎘誘導機體損傷的分子機制。然而，對于近年來發(fā)現(xiàn)的鎘誘導產(chǎn)生心臟病、高血壓等心腦血管疾病現(xiàn)象的分子機制的報道還不夠完善，鑒于其對人體健康的重要性而言，盡快闡明鎘引起心腦血管疾病的分子機制無疑是造福人類的一項巨大貢獻。

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Research progress in mechanisms of cadmium induced hypertension

JI Xing-qi1, HAN Bang-xing2, CHEN Nai-fu2, ZHOU Yang1, SHI Hai-feng1

(1. Institute of Life Sciences, Jiangsu University, Zhenjiang 212013; 2. Engineering Technology Research Center of Research and Development of Traditional Chinese Medicine, College of Biological and Pharmaceutical Engineering, West Anhui University, Lu′an 237012, China)

Cadmium has strong biological toxicity. It could be absorbed by smoking, dietary and inhalation. Cadmium could lead to series damage to mammalian, including bone misshapen, kidney injury and cancer; it can also lead to abnormal lipid metabolism. In recent years, many researchers found that cadmium could lead to cardiovescular diseases in mammalians, such as heart attack, hypertension and so on，however, the mechanism is still unknown. The mechanism of this phenomenon could be the result of ROS(Reactive oxygen species) production, Na+/K+ATPase activity inhibition and impaired VE-cadherin function. Here, we discussed the research progress in mechanisms of cadmium induced hypertension.

cadmium; cardiovescular diseases; VE-cadherin; ROS; Na+/K+ATPase

2016-08-01；

2016-08-15

國家自然科學基金項目(No.31271272、31301919)；江蘇省自然科學基金(BK20130506)；安徽省自然科學基金(1508085MH203)；安徽省高等學校省級自然科學基金項目(KJ2011A270、KJ2013A265)；江蘇省六大人才高峰項目“人細胞鐵代謝紊亂與人的相關(guān)疾病”

季星岐，碩士研究生，生物化學與分子生物學,E-mali：olivia_jxq@sina.com

施海峰，教授，博士生導師，研究方向為鐵代謝、重金屬毒性, E-mail：shihf@ujs.edu.cn

R544.1

A

2095-1736(2017)04-0094-04

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2017.04.094