慢性低剂量镉暴露诱导人胚胎干细胞源性视网膜类器官神经发育损伤

本研究针对环境重金属污染物镉的发育神经毒性机制不明的问题，利用hESC来源的3D视网膜类器官模型，系统探究了低剂量CdCl2长期暴露对早期视网膜发育的影响。研究发现镉暴露导致神经视网膜厚度减少、细胞凋亡增加、视网膜祖细胞增殖抑制和神经节细胞分化异常，并通过转录组分析揭示其通过破坏离子稳态和调控环境信息处理通路介导毒性效应，为评估环境毒物对人类胚胎视网膜发育影响提供了创新研究模型。

　　

随着工业化进程加速，重金属污染物镉及其化合物在环境中的蓄积日益严重，通过空气、水和食物链进入人体。这种具有长生物半衰期（10-30年）的污染物不仅能诱发肾损伤和心血管疾病，更令人担忧的是能够穿透血视网膜屏障和胎盘屏障，在眼组织和胎儿体内富集。流行病学研究已将镉暴露与多种眼部疾病相关联，包括白内障、青光眼和年龄相关性黄斑变性。然而，由于缺乏合适的人类模型，镉暴露对胚胎视网膜发育的影响及其分子机制至今尚未明确。

针对这一科学难题，北京放射医学研究所的研究团队在《Ecotoxicology and Environmental Safety》发表了创新性研究成果。他们利用人胚胎干细胞（hESC）来源的3D视网膜类器官模型，模拟人类胚胎视网膜发育过程，系统探究了慢性低剂量镉暴露对神经视网膜发育的毒性效应及其作用机制。

研究采用hESC（WA09/H9系）定向分化为视网膜类器官的技术体系，通过多阶段诱导策略成功构建具有典型分层结构的视网膜组织。实验设计包含0、0.01、0.1、1和10 μM五个CdCl₂暴露浓度组，处理时间持续1-4周。研究人员综合运用形态学分析、免疫荧光染色、流式细胞术、TUNEL凋亡检测、RNA测序和RT-qPCR等多种技术手段，从形态结构、细胞生物学行为到分子机制多个层面进行了系统评估。

3.1. 镉暴露影响视网膜类器官的形态发生

研究结果显示，镉暴露导致神经视网膜（NR）厚度和视网膜类器官体积呈现剂量和时间依赖性的减少。特别值得注意的是，10 μM镉处理4周后，视网膜类器官出现典型的玫瑰花结样结构，神经视网膜层排列紊乱，表明镉干扰了正常的视网膜组织形态发生过程。

3.2. 镉促进视网膜类器官细胞凋亡并抑制细胞增殖

TUNEL染色和流式细胞术分析证实，镉暴露显著增加了视网膜细胞的凋亡比例，同时Ki67阳性增殖细胞数量明显减少。这种促凋亡和抑增殖效应在10 μM处理组最为显著，且随着暴露时间延长而加剧，这可能是导致视网膜类器官体积减小的主要原因。

3.3. 镉阻碍神经视网膜内层祖细胞发育

通过PAX6和SOX2双标免疫荧光染色，研究发现镉暴露显著减少了内层神经视网膜中PAX6阳性祖细胞的数量和比例，且细胞分布呈现紊乱状态。定量分析显示，镉处理组的内层NR厚度和PAX6阳性细胞层厚度均显著降低，表明镉特异性抑制了视网膜祖细胞的正常发育。

3.4. 镉抑制视网膜神经节细胞的神经发生

作为视网膜中最早产生的神经元类型，视网膜神经节细胞（RGC）的分化受到镉暴露的显著影响。HUC/D和TUJ1免疫染色显示，镉处理导致RGC数量减少、排列紊乱，并呈巢样分布。流式细胞术进一步证实CD184和CD171双阳性RGC比例从对照组的7.63%降至镉处理组的3.46%，表明镉暴露严重损害了RGC的正常分化和成熟。

3.5. 镉暴露破坏离子稳态并激活环境信息处理通路

转录组分析揭示了镉毒性的分子机制。RNA测序发现671个差异表达基因（DEGs），其中617个上调，54个下调。GO富集分析显示上调基因主要与离子稳态相关，包括镉离子应答、锌离子应答等；而下调基因则与发育和形态发生过程相关。KEGG分析表明DEGs显著富集于环境信息处理相关通路，包括神经活性配体-受体相互作用、细胞因子-细胞因子受体相互作用、MAPK信号通路、PI3K-Akt信号和钙信号通路。

3.6. 镉暴露后视网膜类器官中的枢纽基因

蛋白互作网络分析识别出MT1E、MT1X、MT2A等金属硫蛋白家族基因以及FOS、JUN、FGF7等环境信息处理相关基因为关键枢纽基因。RT-qPCR验证了这些基因在镉暴露后的表达变化。免疫荧光染色进一步显示，镉暴露后金属硫蛋白在神经视网膜外层表达上调，而c-JUN在RGC核内表达增加，提示这些分子可能参与了镉诱导的视网膜毒性反应。

研究结论部分强调，该研究首次利用hESC源性视网膜类器官模型系统揭示了低剂量镉暴露对人类胚胎视网膜发育的毒性效应。镉通过诱导细胞凋亡、抑制细胞增殖、破坏视网膜祖细胞和神经节细胞分化，导致神经视网膜结构异常和厚度减少。从分子机制上看，镉暴露显著扰乱离子稳态，上调金属硫蛋白表达，并激活环境信息处理相关信号通路，特别是通过调节AP-1转录因子复合物（c-Fos/c-Jun）介导毒性反应。

这项研究的重要意义在于建立了一个评估环境毒物对人类胚胎视网膜发育影响的新型实验平台，为揭示镉的发育神经毒性机制提供了深入见解。研究结果不仅对理解环境重金属污染导致的视觉系统发育障碍具有重要理论价值，也为预防和干预镉相关视网膜疾病提供了科学依据。未来研究可进一步探索关键枢纽基因在镉毒性中的具体功能，以及开发针对性的保护策略，为保护易感人群（如孕妇和儿童）的视觉健康提供新思路。