環(huán)境中常見重金屬致肝毒性的研究進(jìn)展

尉夢(mèng)瑤，陳華國，趙超，龔小見，周欣

貴州師范大學(xué) a.貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 b.喀斯特山地生態(tài)環(huán)境保護(hù)與資源利用協(xié)同創(chuàng)新中心 c.貴州省藥物質(zhì)量控制及評(píng)價(jià)技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室 d.天然藥物質(zhì)量控制中心，貴州 貴陽 550001

現(xiàn)如今，人類生活現(xiàn)代化和生產(chǎn)工業(yè)化程度飛速提高，重金屬逐漸成為環(huán)境問題中最具危害性的污染物之一。環(huán)境中的重金屬廣泛分布并通過多種途徑威脅人體健康［1］，鉛、鎘、汞和砷作為其中毒性較強(qiáng)、危害最重的重金屬，主要經(jīng)由呼吸道、消化道進(jìn)入人體，對(duì)呼吸系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)或心、肝、腎等多個(gè)器官造成損傷，甚至引起癌癥的發(fā)生［2］。

肝臟是機(jī)體消化系統(tǒng)中起新陳代謝作用的重要器官，它不僅是重金屬在機(jī)體中代謝的重要場(chǎng)所，也是其毒性作用的靶器官之一。重金屬在肝臟中蓄積，引發(fā)肝損傷、肝纖維化甚至肝癌。近年來，重金屬污染物暴露所致的肝毒性引起了研究人員的關(guān)注。本文結(jié)合近5年的文獻(xiàn)，總結(jié)了鉛、鎘、汞和砷單獨(dú)或聯(lián)合暴露產(chǎn)生的肝毒性作用及其可能的作用機(jī)制，為重金屬致肝毒性的后續(xù)研究提供參考。

1 鉛、鎘、汞和砷的肝毒性作用

1.1 單獨(dú)暴露的肝毒性作用

1.1.1 鉛人體通過職業(yè)暴露或環(huán)境污染產(chǎn)生鉛接觸，鉛被吸收并蓄積于體內(nèi)對(duì)肝臟產(chǎn)生毒性作用，蓄積程度不同，造成肝臟損傷的程度也不同。少量的鉛在人體中先進(jìn)入血液，蓄積于軟組織中，多數(shù)經(jīng)由腎臟排出，少數(shù)仍留在體內(nèi)。急性醋酸鉛暴露可引起明顯肝毒性，表現(xiàn)為肝功能異常，血清總蛋白、白蛋白和葡萄糖濃度顯著降低［3］。亞急性鉛中毒一般發(fā)生于長(zhǎng)期較低水平鉛接觸人群，主要蓄積在肝臟和腎臟中［4］。有實(shí)驗(yàn)表明，醋酸鉛誘導(dǎo)的肝損傷表現(xiàn)為纖維組織增生和靜脈血管阻塞，大鼠肝臟局部出現(xiàn)大面積肝臟變性和膠原沉積增加，血清谷丙轉(zhuǎn)氨酶（alanine aminotransferase，ALT）、谷草轉(zhuǎn)氨酶（aspartate aminotransferase，AST）和乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase，LDH）水平升高［5］。

1.1.2 鎘鎘暴露對(duì)肝臟的影響主要由于環(huán)境污染或吸煙所致［6］。鎘暴露可導(dǎo)致肝功能障礙、肝壞死性炎癥、非酒精性或酒精性脂肪肝和肝纖維化。鎘主要通過消化道進(jìn)入機(jī)體，經(jīng)血液循環(huán)后在肝臟發(fā)生蓄積。研究顯示，鎘的肝毒性表現(xiàn)出性別差異，在女性/雌性體內(nèi)更易吸收和蓄積，孕激素激活受體介導(dǎo)的鈣離子通道參與急性鎘暴露造成的性別差異性肝損傷［7］。實(shí)驗(yàn)表明急性鎘暴露對(duì)斑馬魚肝臟的應(yīng)激防御、免疫和鋅離子轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)造成負(fù)面影響，產(chǎn)生炎癥反應(yīng)［8］。采用動(dòng)物模型模擬中年人群肝臟慢性鎘沉積發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期慢性鎘暴露使小鼠肝細(xì)胞內(nèi)脂肪過度沉積，造成非酒精性脂肪肝炎［9］。研究表明，鎘的肝毒性呈現(xiàn)劑量和時(shí)間依賴性，通過干擾肝臟中的抗氧化屏障，降低谷胱甘肽和巰基的濃度，導(dǎo)致總抗氧化能力下降，產(chǎn)生氧化應(yīng)激［10］。

1.1.3 汞汞主要以有機(jī)汞、無機(jī)汞和元素汞3 種形式存在，人為造成的汞污染遠(yuǎn)大于自然中的汞含量。在不同的接觸途徑中，人類主要通過攝入受有機(jī)汞污染的食物和職業(yè)接觸兩種途徑造成汞暴露，肝臟中汞的過度蓄積會(huì)改變肝臟的結(jié)構(gòu)和功能。汞與靶細(xì)胞或組織中的谷胱甘肽和谷胱甘肽過氧化物酶等幾種蛋白質(zhì)和非蛋白巰基之間存在復(fù)雜的結(jié)合作用，導(dǎo)致蛋白質(zhì)損傷和含巰基的抗氧化劑損耗，從而引起氧化應(yīng)激介導(dǎo)的肝損傷［11］。有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，氯化汞所致大鼠肝毒性存在性別差異，雌性肝毒性明顯高于雄性；氯化汞處理后雄性大鼠肝細(xì)胞膜中陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Oat3 豐度降低，限制汞離子進(jìn)入肝臟，從而保護(hù)其免受汞的肝毒性作用［12］。

1.1.4 砷砷進(jìn)入機(jī)體后主要蓄積于肝臟并在肝臟內(nèi)進(jìn)行甲基化代謝，生成甲基砷酸和二甲基砷酸，而代謝過程中還會(huì)產(chǎn)生甲基亞砷酸等中間產(chǎn)物，均具有很強(qiáng)的肝毒性［13］。長(zhǎng)期接觸砷會(huì)導(dǎo)致肝細(xì)胞壞死、變性，肝功能損傷，甚至肝硬化、肝癌等不同程度的肝臟疾病，成為砷致死的主要原因之一。組織學(xué)病理研究發(fā)現(xiàn)，砷對(duì)肝臟的毒性早期表現(xiàn)為肝細(xì)胞及細(xì)胞器腫脹、變性，晚期表現(xiàn)為不同程度的肝細(xì)胞壞死、纖維化或增生。亞砷酸鈉在體內(nèi)可引起肝臟的損傷和纖維化，并伴有大量膠原沉積和肝星狀細(xì)胞活化［14］。動(dòng)物研究顯示，砷染毒大鼠肝臟內(nèi)存在大量砷蓄積，且觀察到肝細(xì)胞崩解、中央靜脈連接壞死和肝小葉溶解現(xiàn)象，砷誘導(dǎo)肝組織中堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）水平增加，肝臟臟器指數(shù)降低，可作為衡量肝臟毒性的指標(biāo)［15］。

1.2 聯(lián)合暴露的肝毒性作用

鉛、鎘、汞和砷于環(huán)境污染中往往以兩種或兩種以上組合的方式出現(xiàn)，多種重金屬的混合物通過空氣、水和食物聯(lián)合暴露，其間相互作用復(fù)雜。重金屬種類不同，聯(lián)合產(chǎn)生的肝毒性效應(yīng)也不同，存在協(xié)同、相加及拮抗3 種形式。聯(lián)合暴露產(chǎn)生的肝毒性效應(yīng)還與受試對(duì)象、染毒劑量、染毒方式以及評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)等多個(gè)因素相關(guān)。鉛、鎘、汞和砷之間聯(lián)合暴露的肝毒性作用［16-25］詳見表1。

2 鉛、鎘、汞和砷的肝毒性作用機(jī)制

2.1 氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激代表氧化活性物質(zhì)和抗氧化防御體系之間出現(xiàn)失衡［26］。氧化活性物質(zhì)分為活性氧（reactive oxygen species，ROS）和活性氮（reactive nitrogen species，RNS）兩種，重金屬誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生過量高度有害的ROS是導(dǎo)致肝臟發(fā)生氧化應(yīng)激的直接原因?？寡趸烙w系包括抗氧化物質(zhì)、酶類抗氧化物質(zhì)和非酶類抗氧化蛋白。重金屬作用于抗氧化防御體系，干擾機(jī)體內(nèi)ROS 的消除以及氧化還原反應(yīng)的正常發(fā)生，是重金屬致使肝臟發(fā)生氧化應(yīng)激的間接原因。

2.1.1 單獨(dú)暴露鉛通過直接增加肝臟線粒體ROS 水平，或消耗肝細(xì)胞內(nèi)超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶等抗氧化物質(zhì)干擾抗氧化防御系統(tǒng)［27］；鎘耗竭谷胱甘肽促成ROS 的產(chǎn)生，造成肝臟線粒體損傷和肝細(xì)胞脂質(zhì)過氧化［28］。同時(shí)，鎘與膜蛋白（如二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等）競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合進(jìn)入靶細(xì)胞，參與銅、鋅、錳等必需金屬的運(yùn)輸，破壞肝細(xì)胞中的氧化還原平衡［29］；汞與巰基或硒基極易發(fā)生共價(jià)結(jié)合，引起抗氧化酶活性變化，阻礙肝細(xì)胞內(nèi)ROS 的清除［24］。此外，Hg2+還會(huì)置換鋅指蛋白中的Zn2+，在肝臟中產(chǎn)生ROS 堆積，從而誘導(dǎo)氧化損傷［30］；砷在機(jī)體代謝的過程中引起肝臟的脂質(zhì)過氧化物、蛋白羰基含量增加，抗氧化酶含量減少，進(jìn)一步損傷細(xì)胞膜和蛋白質(zhì)［31］。無機(jī)砷通過核因子Nrf2 信號(hào)通路調(diào)控抗氧化酶的表達(dá)下調(diào)，使機(jī)體的抗氧化能力降低，引發(fā)氧化損傷，從而造成肝臟損傷［32］。

表1 鉛、鎘、汞和砷聯(lián)合暴露的肝毒性作用Table 1 Hepatotoxicity of combined exposure to lead, cadmium, mercury, and arsenic

2.1.2 聯(lián)合暴露鉛鎘的聯(lián)合暴露會(huì)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。研究表明，鉛鎘聯(lián)合處理使得機(jī)體抗氧化酶及相關(guān)微量元素的表達(dá)上調(diào)，造成肝臟發(fā)生氧化應(yīng)激；鎘汞聯(lián)合暴露改變ALT、AST、LDH 和膽紅素等各種肝毒性生化指標(biāo)，在肝臟中主要表現(xiàn)為協(xié)同作用，腎臟中則表現(xiàn)為拮抗作用［20］；鉛、鎘和汞共暴露會(huì)造成大鼠肝臟、腎臟等多器官性損傷，實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出的白蛋白的濃度降低可能是由于機(jī)體對(duì)抗氧化應(yīng)激所致；鉛、鎘、汞和砷混合暴露具有更高的毒性，主要通過氧化應(yīng)激誘導(dǎo)肝細(xì)胞損傷，表現(xiàn)為ALT、AST、ALP 水平升高，抗氧化物質(zhì)水平降低。一般來說，接觸金屬混合物會(huì)減少單一金屬在靶器官中的積累，然而接觸鉛和砷的混合金屬會(huì)增加這些金屬在肝臟中的濃度［33］。

2.2 細(xì)胞凋亡與自噬

重金屬暴露會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，凋亡是一個(gè)多基因嚴(yán)格控制的過程。鉛、鎘、汞和砷等具有致癌性的過渡金屬均能促進(jìn)細(xì)胞凋亡，主要通過線粒體介導(dǎo)的內(nèi)源性途徑和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑發(fā)生。細(xì)胞自噬是指細(xì)胞將折疊錯(cuò)誤的蛋白及受損的細(xì)胞器用自噬小泡傳遞至溶酶體中降解的途徑，肝臟疾病的發(fā)生發(fā)展與細(xì)胞自噬功能的缺失有關(guān)。細(xì)胞凋亡和自噬之間相互抑制，在重金屬所致的肝毒性機(jī)制中具備高度調(diào)控性和關(guān)鍵性［34］。

2.2.1 單獨(dú)暴露鉛暴露使肝細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生ROS，大量ROS 的蓄積直接損傷線粒體膜結(jié)構(gòu)，由氧化應(yīng)激介導(dǎo)的絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）通路發(fā)生改變進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。另外，鉛誘導(dǎo)肝細(xì)胞P53 表達(dá)上調(diào)，經(jīng)半胱氨酸蛋白酶（cysteine aspirate protease，caspase）家族介導(dǎo)細(xì)胞凋亡［35］；鎘與含硫化合物有很高的親和力，鎘離子與線粒體膜上充足的含巰基蛋白緊密結(jié)合，造成巰基基團(tuán)失活，引起線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等功能的紊亂，從而導(dǎo)致肝臟中細(xì)胞凋亡和DNA損傷的發(fā)生［36］；實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，汞對(duì)肝細(xì)胞的毒性作用通過細(xì)胞凋亡和自噬作用導(dǎo)致，汞誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激造成線粒體功能喪失，細(xì)胞質(zhì)酸化明顯，細(xì)胞骨架和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能失調(diào)，表現(xiàn)出肝臟細(xì)胞活力下降、細(xì)胞質(zhì)收縮、細(xì)胞核碎裂等現(xiàn)象［37］；砷的肝毒性可能是通過抑制不同線粒體復(fù)合體的活性，造成線粒體功能紊亂而實(shí)現(xiàn)，線粒體復(fù)合體活性的整體下調(diào)增加ROS 生成，從而引起DNA 和其他分子的氧化損傷，誘導(dǎo)肝細(xì)胞凋亡［38］。

2.2.2 聯(lián)合暴露鉛鎘聯(lián)合處理誘導(dǎo)自噬對(duì)肝細(xì)胞造成損傷，自噬相關(guān)蛋白Atg5、Atg7、Beclin-1、p62、LC3和mRNAs 的表達(dá)水平上調(diào)［18］。低劑量鉛鎘共暴露通過引起線粒體的氧化損傷，導(dǎo)致促凋亡蛋白Bcl-2、Bax、caspase-3 等向胞漿中釋放，產(chǎn)生細(xì)胞凋亡，最終損害肝功能［39］。此外，氟鎘聯(lián)合作用會(huì)導(dǎo)致肝細(xì)胞線粒體功能障礙、腫脹以及膜電位降低，增加凋亡蛋白的表達(dá)，通過凋亡途徑增強(qiáng)肝毒性作用［40］。

2.3 炎癥反應(yīng)

肝臟受到環(huán)境中重金屬的誘導(dǎo)產(chǎn)生一種以防御為主的病理反應(yīng)，即為炎癥反應(yīng)。炎癥反應(yīng)在通常情況下造成的影響對(duì)機(jī)體是有利的，機(jī)體暴露于重金屬時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生一系列肝臟疾病，包括脂肪性肝病和肝纖維化等［41］。炎癥細(xì)胞隨著炎癥反應(yīng)的發(fā)生而激活，釋放出腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）、白細(xì)胞介素（interleukin，IL）、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）等促炎癥細(xì)胞因子。重金屬性肝臟炎癥的產(chǎn)生多由氧化應(yīng)激介導(dǎo)，炎癥細(xì)胞的聚集又會(huì)促成ROS 生成，兩種機(jī)制相互協(xié)同，加劇肝臟的損傷。

研究顯示，鉛中毒增加肝組織中促炎癥細(xì)胞因子TGF-β、IL-4 和TNF-α 的表達(dá)，降低抗氧化酶和抗炎癥細(xì)胞因子IL-10 的表達(dá)，鉛通過觸發(fā)肝組織中的炎癥化學(xué)介質(zhì)、降低免疫調(diào)節(jié)因子，擾亂信號(hào)傳導(dǎo)從而引起肝損傷［42］；鎘暴露可引起肝細(xì)胞損傷、炎癥浸潤(rùn)、血清ALT、AST 和促炎因子IL-1β、IL-6、TNF-α 表達(dá)上調(diào)，活化NLRP3 炎癥小體，發(fā)生肝臟炎性損傷和肝功能減退［43］；長(zhǎng)期砷暴露使得肝細(xì)胞反復(fù)發(fā)生炎癥、壞死或凋亡。三氧化二砷可上調(diào)細(xì)胞自噬水平，其誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡依賴于組織蛋白酶B 介導(dǎo)的NLRP3 炎癥小體的激活［44］。亞砷酸鈉通過調(diào)控MAPK 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路上的蛋白表達(dá)，誘導(dǎo)肝星狀細(xì)胞活化，造成肝臟纖維化［45］。

2.4 其他機(jī)制

生物膜損傷也是重金屬致肝損傷的重要結(jié)果。鉛、鎘暴露可導(dǎo)致肝細(xì)胞內(nèi)Ca2+平衡失調(diào)產(chǎn)生肝毒性，鎘離子搶占鈣離子通道，與細(xì)胞膜上有特異性功能的鈣調(diào)蛋白相結(jié)合，導(dǎo)致蛋白表達(dá)水平發(fā)生改變，干擾信息的傳遞［29］。

3 結(jié)語與展望

重金屬鉛、鎘、汞和砷通過環(huán)境污染和職業(yè)暴露兩種途徑進(jìn)入機(jī)體，對(duì)肝臟造成不同程度的損傷。根據(jù)重金屬的種類、劑量、暴露方式不同，對(duì)機(jī)體造成的毒性及毒性機(jī)制也不盡相同。

目前，針對(duì)鉛、鎘、汞和砷的肝毒性作用及其機(jī)制已經(jīng)做出了很多研究，但在未來仍存在一些問題，主要分析總結(jié)為以下幾方面：①生活中的重金屬污染往往以鉛鎘、鉛鎘汞、鉛鎘汞砷等復(fù)合形式出現(xiàn)，重金屬單獨(dú)暴露產(chǎn)生肝毒性機(jī)制的研究現(xiàn)已存在很多，但對(duì)于聯(lián)合的研究卻相對(duì)較少，仍需進(jìn)一步深入。②目前，重金屬聯(lián)合暴露的肝毒性機(jī)制僅涉及氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡兩方面，可以綜合單獨(dú)暴露的特點(diǎn)拓寬思路，增加炎癥反應(yīng)的研究。③鉛、鎘、汞和砷聯(lián)合暴露的評(píng)估體系并不完善，不同學(xué)者對(duì)于染毒劑量的選擇也不盡相同，不同實(shí)驗(yàn)相同重金屬聯(lián)合所得的交互關(guān)系可能不同。因此，應(yīng)逐步完善和標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估體系，這樣才能更有利于聯(lián)合毒性的研究。④在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，重金屬暴露對(duì)不同種屬動(dòng)物的相同組織器官（肝臟）產(chǎn)生的毒性機(jī)制是否相同尚未可知，有待探尋。⑤最后，重金屬肝毒性機(jī)制相互聯(lián)系，應(yīng)從多角度全面考慮，任何一種重金屬所致的肝毒性機(jī)制至今都還沒有分析透徹，仍需繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。