环境锰暴露通过脂毒性内质网应激加速代谢功能障碍相关脂肪性肝病的新机制

《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》：Environmental manganese exposure accelerates metabolic dysfunction-associated steatotic liver disease by lipotoxic endoplasmic reticulum stress

本研究针对当前环境锰(Mn)暴露阈值基于健康人群制定，而代谢紊乱个体可能更易感的问题，开展了环境相关浓度Mn暴露是否会通过脂毒性机制加剧单纯性脂肪变性向脂肪性肝炎(MASH)进展的主题研究。研究人员利用油酸(OA)诱导的脂肪变性HepG2细胞模型，结合细胞毒性检测、靶向代谢组学和脂质组学技术，发现Mn与OA协同作用可显著加剧脂质积累，引发氧化应激(ROS增加180?%，MDA增加210?%)，激活IRE1α-CHOP内质网应激通路，并触发炎症级联反应(IL-6增加200?%，IL-8增加180?%)。该研究揭示了Mn作为环境修饰因子，能将亚毒性暴露转化为强效脂毒性催化剂，强调了为代谢脆弱人群制定疾病特异性环境暴露阈值的紧迫性，对公共健康具有重要意义。

　　

在我们周围的环境中，微量的金属元素无处不在，它们既是生命活动所必需，也可能在过量时成为健康的隐形杀手。锰(Mn)就是这样一种具有双重身份的元素，它作为必需的微量元素，广泛存在于饮用水、谷物和蔬菜中。然而，随着工业发展和农业活动的增加，环境中的锰污染问题日益凸显。更令人担忧的是，当前基于健康人群制定的锰暴露安全阈值，是否同样适用于日益增长的代谢性疾病患者群体？这个问题如同悬在头顶的达摩克利斯之剑，亟待科学家们给出答案。

代谢功能障碍相关脂肪性肝病(MASLD)是全球最常见的慢性肝病，影响着约四分之一成年人的健康。这种疾病的特点就是肝脏中脂肪异常堆积，但更可怕的是，约有30%的MASLD患者会进一步发展为代谢功能障碍相关脂肪性肝炎(MASH)，其中部分患者最终可能走向肝硬化和肝癌的深渊。令人困惑的是，为什么有些患者的脂肪肝会稳定存在，而另一些则会快速恶化？除了已知的遗传和生活方式因素外，环境暴露因素可能在其中扮演着关键角色。

正是在这样的背景下，由Longyi Liu、Youya Niu、Zhaolai Guo、Chengchen Wang、Hai Liu、Ji Yang、Peng Gao和Ping Xiang组成的研究团队，在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》上发表了他们的最新发现。他们独辟蹊径，将目光投向了以往较少被关注的微量元素锰，探讨环境相关浓度的锰暴露是否会成为推动MASLD向MASH进展的"加速器"。

为了回答这个关键问题，研究人员设计了一套严谨的实验方案。他们首先建立了油酸(OA)诱导的HepG2细胞脂肪变性模型，模拟人类MASLD的早期阶段——单纯性脂肪肝。随后，让这些"生病"的肝细胞接触环境相关浓度的锰(40?μM/L)，这一剂量相当于长期暴露于受污染水源人群肝脏中可能积累的锰水平。研究团队运用了细胞活力检测、油红O染色、活性氧(ROS)检测、丙二醛(MDA)含量测定等经典毒理学方法，同时结合了先进的靶向代谢组学和脂质组学技术，对细胞内的代谢物变化进行了全景式扫描。他们还通过实时荧光定量PCR(RT-qPCR)技术，检测了脂质代谢、氧化应激、内质网应激和炎症相关基因的表达变化。

3.1. Mn和OA单独显示最小毒性但协同降低细胞活力

研究人员首先评估了锰和油酸对肝细胞的毒性作用。令人惊讶的是，当锰浓度低于80?μM/L或油酸低于500?μM/L时，单独处理对HepG2细胞活力均无显著影响。然而，当脂肪变性的肝细胞同时暴露于锰和油酸时，细胞活力显著下降。统计学分析显示，锰和油酸之间存在显著的交互作用，表明这两种因素协同作用，共同加剧了细胞损伤。这一发现提示，对于已经存在脂肪变性的肝细胞，即使是环境相关浓度的锰暴露也可能构成严重威胁。

3.2. Mn对油酸诱导的脂肪变性HepG2细胞氧化应激的影响

氧化应激是肝细胞损伤的重要机制。研究发现，锰和油酸单独处理时，细胞内的活性氧(ROS)水平仅有轻微变化，但两者联合作用却使ROS水平激增180%。同时，脂质过氧化产物丙二醛(MDA)的含量也增加了210%，表明细胞膜受到了严重氧化损伤。更有趣的是，研究人员发现锰暴露改变了脂肪变性肝细胞的抗氧化防御系统：超氧化物歧化酶(SOD)的活性升高，而过氧化氢酶(CAT)的活性却下降。在基因表达水平上，抗氧化主控因子Nrf2的表达被抑制，这可能是细胞抗氧化能力失衡的重要原因。

3.3. Mn暴露将脂质代谢从保护性甘油三酯储存转向毒性脂质积累

通过油红O染色和生化指标检测，研究人员观察到锰暴露显著加剧了脂肪变性肝细胞中的脂质堆积，甘油三酯(TG)含量增加了2.1倍。深入探究其机制发现，锰虽然促进了脂质合成基因FAS和PNPLA3的表达，抑制了脂肪酸氧化基因PPARα的表达，但 paradoxically（看似矛盾地）抑制了甘油三酯合成的关键酶DGAT1和DGAT2的表达。这一发现如同找到了拼图中最关键的一块——锰通过抑制DGAT1/2，阻断了脂肪酸向相对无害的甘油三酯的转化，导致毒性脂质中间体大量堆积。

3.4. Mn对肝脏代谢谱的影响

代谢组学和脂质组学分析揭示了更为精细的分子变化。在锰暴露的脂肪变性肝细胞中，毒性脂质如二酰基甘油(DAG)增加了230%，游离脂肪酸(FFA)增加了195%，同时溶血磷脂酰胆碱(LPC)等炎症相关脂质也显著上升。这些脂质代谢物的变化主要富集在甘油酯代谢和甘油磷脂代谢通路。更重要的是，毒性脂质的积累激活了内质网应激通路，特别是IRE1α-CHOP分支被显著激活，而PERK-eIF2α通路却意外地受到抑制。这种选择性的内质网应激通路激活，可能是锰诱导肝细胞损伤的特有机制。

3.5. Mn暴露诱导MASH样炎症标志物

随着脂毒性作用和内质网应激的加剧，肝细胞开始表达典型的炎症标志物。研究人员发现，锰和油酸联合暴露使白细胞介素IL-6、IL-8和IL-18的mRNA表达水平分别上升了200%、180%和显著水平。同时，肝细胞损伤标志物ALT和AST的活性也显著升高，表明肝细胞出现了实质性损伤。这些变化模拟了人类MASH的典型特征，为锰暴露促进MASLD向MASH进展提供了直接证据。

这项研究的讨论部分深入剖析了发现的意义。研究人员提出了一个新颖的"二次打击"模型：在代谢紊乱的背景下，环境相关浓度的锰暴露可作为"第二击"，通过破坏正常的脂质储存途径，将相对良性的脂肪堆积转化为强烈的脂毒性应激。锰特异性抑制DGAT1/2的表达，导致脂质代谢流向改变，生成大量毒性中间产物，进而引发氧化应激、内质网应激和炎症反应，最终推动疾病向更严重阶段发展。

该研究的创新之处在于首次揭示了锰暴露与代谢性疾病之间的交互作用机制，挑战了当前基于健康人群制定的环境锰暴露安全阈值。研究结果暗示，对于MASLD患者而言，即使是被认为"安全"的锰暴露水平也可能带来健康风险。这一发现对公共健康政策制定具有重要启示，呼吁建立疾病特异性的环境暴露标准。

当然，研究人员也坦诚指出了研究的局限性，如使用肝癌细胞系可能无法完全模拟人类MASLD的复杂性，急性暴露模型与真实世界的慢性暴露存在差异等。这些局限性为未来研究指明了方向，包括在更复杂的模型系统中验证机制、探索干预策略以及研究遗传易感因素等。

总之，这项研究为我们理解环境因素与代谢性疾病交互作用提供了新的视角，揭示了锰暴露如何通过脂毒性内质网应激机制加速MASLD的疾病进程。在代谢性疾病患病率持续上升和环境金属暴露普遍存在的当下，这项研究不仅深化了我们对疾病机制的认识，也为保护脆弱人群的健康提供了科学依据。随着后续研究的深入，我们有望制定出更加精准的预防策略，为代谢性疾病患者筑起一道坚实的健康防线。