探讨全氟和多氟烷基物质暴露与中风风险之间的关联：一项利用NHANES数据分析、网络毒理学及分子对接方法的系统性研究

《Brain and Behavior》：Exploring the Association Between Per- and Polyfluoroalkyl Substances Exposure and the Risk of Stroke: A Systematic Investigation Using NHANES Data Analysis, Network Toxicology and Molecular Docking Approaches

本研究通过队列分析和分子模拟发现，PFOS暴露与中风风险显著相关，其机制涉及PI3K/AKT通路和炎症反应，分子对接显示PFOS与AKT1等靶点结合稳定，并通过KEGG和GO分析揭示了脂质代谢和神经血管损伤的关联。

　　
近年来，环境污染物与神经系统疾病的关联性成为全球公共卫生研究的重要议题。其中，全氟化合物（PFAS）作为一类具有持久性、生物蓄积性和环境稳定性的化学物质，其与心血管疾病及脑卒中的潜在关联备受关注。现有研究虽已证实PFAS的神经毒性特征，但关于其与卒中风险的具体作用机制仍存在显著争议。部分流行病学调查显示PFAS可能通过干扰内分泌系统发挥保护作用，而另一些研究则指出其可能加剧炎症反应和氧化应激。这种学术分歧不仅源于研究方法的差异，更与PFAS的复杂化学特性及多靶点作用机制密切相关。

### 一、研究背景与科学问题
全氟化合物自20世纪50年代工业化应用以来，其广泛存在于食品包装、纺织材料及消防泡沫等日常用品中。全球年产量超过230万吨，其中美国国民健康与营养调查（NHANES）数据显示，78%以上人群血液中存在PFAS残留。然而，这类化合物对脑血管系统的影响机制尚未完全阐明。现有矛盾结论可能源于以下关键问题：
1. **暴露评估方法差异**：传统线性回归模型难以捕捉PFAS混合暴露的非线性效应，导致统计结果波动。
2. **生物标志物选择局限**：多数研究仅关注PFOS、PFOA等常见物，而忽视其代谢产物（如EtFOSAA、MeFOSAA）的协同作用。
3. **分子机制不明**：尽管已有研究提示PFAS可能通过PI3K/AKT通路影响神经血管健康，但缺乏系统性靶点验证。

基于上述问题，本研究创新性地整合了流行病学队列分析、网络毒理学预测与分子动力学模拟三重验证体系，重点突破以下技术难点：
- 采用加权量化总和模型（WQS）解析混合暴露效应权重
- 构建PFAS-靶点-疾病三元网络模型
- 首次将机器学习算法（PLS-DA）与分子对接结合验证关键靶点

### 二、研究方法创新
研究团队构建了多维度分析框架（见图1），其核心创新体现在：
1. **混合暴露评估技术**：通过WQS模型将12种PFAS量化为综合暴露指数，解决传统主成分分析（PCA）丢失生物信息的问题。该模型通过自适应加权算法（R2=0.93）识别PFOS贡献率达37.9%，远超其他组分。
2. **网络毒理学系统**：
- 数据整合：调用ChEMBL（生物活性数据）、TargetNet（靶点预测）、PharmMapper（三维结构匹配）三大数据库，构建覆盖789个PFAS靶点的预测模型
- 网络构建：基于STRING数据库的PPI网络分析，筛选出度中心性＞5的183个共同靶点
- 核心靶点筛选：通过CytoHubba插件整合四类算法（Degree/EPC/MCC/MNC），最终确定AKT1、HSP90AA1等6个核心靶点
3. **动态模拟验证**：
- 采用GROMACS软件进行50纳秒MD模拟，PFOS-AKT1复合物RMSD稳定在0.31 ?
- 通过MM/GBSA计算自由能（ΔGbind=-20.12 kcal/mol），结合氢键网络（PFOS-AKT1形成7个关键氢键）

### 三、核心研究发现
#### （一）流行病学分析突破
NHANES 2003-2012队列的亚组分析显示：
- PFOS与卒中风险呈显著剂量-反应关系（OR=1.59，95%CI 1.09-2.31）
- 突破性发现低剂量（Q1）PFOS反而与卒中风险负相关（OR=0.82），提示可能存在双向剂量反应曲线
- 60岁以上人群OR值达2.33（95%CI 1.41-3.85），提示衰老状态可能加剧PFAS神经毒性

#### （二）分子机制系统性解析
1. **关键靶点网络**：
- PFOS与AKT1的分子对接显示形成稳定的盐桥（Arg273-PFOS）及6个氢键网络
- HSP90AA1与PFOS结合界面覆盖约32%的疏水表面，形成3个氢键和2个π-π堆积作用
- ESR1与PFOS结合能（-7.0 kcal/mol）虽低于AKT1，但通过调控雌激素信号通路影响卒中微环境

2. **信号通路互作网络**：
- 构建包含427个节点、1278条边的PPI网络，核心模块包含PI3K/AKT/MAPK信号轴
- 蛋白质组学验证显示PFOS暴露组AKT1磷酸化水平较对照组升高2.3倍（p<0.001）
- 氧化应激通路（Nrf2/ARE）激活程度与PFOS浓度呈正相关（r=0.71）

3. **剂量响应非线性特征**：
- RCS模型显示PFOS存在阈值效应（剂量阈值=2.8 ng/mL）
- WQS模型揭示低于Q2浓度时OR值接近1，但超过Q3浓度后OR值呈指数增长（每增加1 log unit，OR=1.22，95%CI 1.07-1.38）

#### （三）跨尺度验证体系
1. **计算毒理学验证**：
- admetSAR预测显示PFOS具有中等神经毒性（ QSAR score=0.87）
- PROTox预测其可能干扰血脑屏障（BBB）功能（Z-score=1.24）

2. **分子模拟验证**：
- PFOS-AKT1复合物在MD模拟中保持稳定构象（RMSD<0.3 ?）
- 关键结合残基（Thr82、Arg273）的B factor值显著降低（p<0.01）

3. **临床相关性验证**：
- 核心靶点基因（AKT1、HSP90AA1）在卒中患者脑组织中mRNA表达量上调1.5-2.1倍
- PFOS暴露者血小板CD40L表达量增加40%（p<0.05）

### 四、机制解析与临床启示
#### （一）核心作用通路
1. **PI3K/AKT通路**：
- PFOS通过竞争性抑制AKT1激酶活性（IC50=8.7 μM），导致下游mTOR信号通路失调
- 实验证实PFOS可降低 astrocyte 细胞中AKT1磷酸化水平达30%（p<0.01）

2. **炎症-氧化应激轴**：
- PFOS诱导小胶质细胞分泌IL-1β（浓度依赖性增强）
- Nrf2通路抑制导致GSH水平下降（PFOS组较对照组降低18%）
- 铁死亡标志物（ACSL4表达）上调2.3倍

3. **血脑屏障损伤机制**：
- PFOS使紧密连接蛋白（claudin-5）表达量降低（p=0.003）
- 分子动力学模拟显示PFOS与血脑屏障关键蛋白（VEGF受体）结合能达-8.2 kcal/mol

#### （二）人群异质性特征
1. **性别差异**：
- 男性OR值（1.89）显著高于女性（1.12，p=0.02）
- 原因推测：男性PBPK模型显示PFOS脑组织分布浓度更高（Δ=log2(C_brain/C_plasma)=0.47）

2. **种族差异**：
- 非裔人群OR值达2.15（p=0.008）
- 可能与FADS2基因多态性（C-776T）影响PFOS代谢有关

#### （三）剂量-反应非线性特征
1. **阈值效应**：
- 当PFOS浓度超过3 ng/mL时，卒中风险显著升高（HR=1.22）
- 该阈值与PFOS在脑组织中的生物蓄积平衡点（B值=1.8）高度吻合

2. **敏感人群识别**：
- BMI≥30人群OR值达2.76（p<0.001）
- 可能与脂肪组织PFAS蓄积量（Q4组达1.8 μg/g）相关

### 五、争议与局限性
1. **机制验证缺口**：
- 尚未证实PFOS是否通过干扰AKT1自磷酸化位点（T308/S473）发挥作用
- HSP90AA1的具体作用机制（如是否通过分子伴侣功能影响蛋白稳定性）需进一步验证

2. **暴露评估局限性**：
- NHANES数据为横断面调查，无法排除反向因果
- PFAS代谢产物（如N-ETFOSAA）的浓度测量存在技术瓶颈

3. **剂量范围偏差**：
- 研究人群PFOS浓度中位数（0.87 ng/mL）低于毒理学阈值（5 ng/mL）
- 需要补充高剂量暴露（>10 ng/mL）的病理学研究

### 六、公共卫生应对策略
1. **暴露控制**：
- 重点监管含PFOS的消防泡沫（年产量约12万吨）
- 建议食品包装中PFOA替代品（如BEF）浓度控制在0.5 mg/kg以下

2. **医疗干预**：
- 开发AKT1磷酸化抑制剂（如MK-2206类似物）
- 研制HSP90螯合剂（参考17AAG临床前研究）

3. **政策建议**：
- 建立PFOS血脑屏障穿透率（PBPK）的暴露评估标准
- 将PFOS纳入《斯德哥尔摩公约》第二阶段议定书修订建议

### 七、未来研究方向
1. **跨物种验证**：
- 开展斑马鱼模型研究（已初步证实PFOS致动脉瘤形成）
- 建立灵长类动物长期暴露实验模型

2. **多组学整合**：
- 结合空间转录组技术定位PFOS在脑微血管中的分布
- 开发基于单细胞测序的神经血管毒性评估体系

3. **暴露组学应用**：
- 构建PFAS暴露-基因表达-表型的动态预测模型
- 开发基于机器学习的早期卒中预警算法

该研究首次系统揭示PFOS通过"炎症-氧化应激-血脑屏障损伤"三重机制引发卒中的分子路径，其创新性的混合暴露评估模型（WQS-PLS-DA）为后续毒理学研究提供了标准化方法框架。研究证实PFOS在卒中发生中起主导作用，其机制涉及AKT1介导的细胞存活信号通路失活，以及HSP90依赖的蛋白稳态破坏，这些发现为开发靶向PI3K/AKT通路的神经保护药物提供了理论依据。建议后续研究重点验证PFOS与AKT1/4复合物的直接相互作用机制，并开展基于真实世界数据的暴露-风险剂量反应模型构建。