通过综合网络毒理学和分子对接技术，解析全氟和多氟烷基物质（PFAS）在肌肉骨骼疾病中的毒理机制

《Environment International》：Deciphering the toxicological mechanisms of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) in musculoskeletal disorders via integrated network toxicology and molecular docking

PFAS通过分子网络干扰骨骼肌肉系统疾病进程，揭示其与椎间盘退行、肌炎、骨关节炎及骨质疏松相关的靶点及通路。整合毒基因组学数据库与GeneCards数据，构建疾病-PFAS共现靶点库，利用分子对接验证PFAS与SIRT1、CAT、MMP9等关键蛋白的强结合特性，并发现长链PFAS因更大疏水表面积更易形成稳定结合。动态模拟显示PFAS结合导致靶蛋白构象柔性变化及功能域紊乱。核心机制涉及慢性炎症、氧化应激、凋亡及ECM降解等通路失调，为多靶点干预提供理论依据。

　　PFAS（全氟和多氟烷基物质）是一类广泛应用于工业和消费品中的合成有机氟化合物，因其独特的化学稳定性、疏水性和疏油性，被广泛用于制造防火泡沫、半导体材料、纺织品、炊具涂层以及食品包装等。然而，尽管这些化合物在工业领域具有重要价值，其对人类健康的潜在影响仍缺乏充分研究。近年来，PFAS污染问题逐渐引起关注，特别是在环境中广泛存在、难以降解以及具有潜在生物累积性的背景下。PFAS的长期暴露已被关联到多种健康问题，包括代谢紊乱、肝脏毒性、甲状腺功能障碍以及发育和免疫系统的损害。更为重要的是，PFAS可能对骨骼和肌肉系统产生深远影响，进而导致一系列与肌骨骼相关的疾病，如椎间盘退化、肌炎、骨关节炎和骨质疏松症等。

本研究旨在系统性地探讨PFAS如何通过分子机制影响人类肌骨骼系统的功能，重点分析了四种代表性疾病：椎间盘退化（IVDD）、肌炎、骨关节炎（OA）和骨质疏松症（OP）。为了实现这一目标，研究者整合了多个数据库资源，包括Comparative Toxicogenomics Database（CTD）和GeneCards，以识别PFAS可能与这些疾病相关的靶点。此外，还采用了分子对接模拟技术，评估PFAS与靶蛋白之间的相互作用。通过分析不同PFAS分子与多种蛋白靶点的结合能力，研究揭示了某些PFAS化合物具有较强的结合亲和力，可能通过干扰关键的生物学过程，如慢性炎症、氧化应激、细胞凋亡、细胞外基质降解和骨重塑，对肌骨骼系统造成损害。

PFAS的广泛使用和其在环境中的持久性使其成为新兴污染物。这些化合物在水、土壤、空气、生物体甚至偏远生态系统中都被检测到，显示出其环境分布的广泛性。PFAS在人体内的代谢和排泄过程也受到关注，其中长链PFAS（如碳链长度超过8个原子的化合物）因其较长的生物半衰期而在血液中长期存在。尽管短链PFAS和醚类替代物已被引入以减少其环境影响，但研究发现这些替代物可能仍然具有相似或更强的生物累积潜力。例如，F-53B在人体内的半衰期可达15.3年，并能够通过胎盘和血脑屏障，从而在母体和新生儿的血液中被广泛检测到。这种长期滞留和广泛分布的特性，使得PFAS成为一种潜在的环境健康威胁。

PFAS对骨骼和肌肉系统的潜在影响主要体现在其对脂质代谢、骨密度、炎症反应以及细胞凋亡等过程的干扰。已有研究表明，PFAS暴露可能与骨密度降低和骨质疏松风险增加密切相关，尤其是在女性群体中更为显著。此外，母体在生命早期阶段的PFAS暴露还可能影响婴儿体重和肥胖的发生，这提示PFAS可能通过干扰早期发育程序对肌骨骼系统产生长期影响。与此同时，某些PFAS化合物（如PFOA和PFOS）已被发现与骨关节炎的高发率相关，进一步表明PFAS可能在多种肌骨骼疾病中发挥关键作用。

为了全面解析PFAS对肌骨骼系统的影响，研究团队采用了一系列先进的计算生物学方法。首先，通过整合CTD和GeneCards数据库，构建了PFAS与四种肌骨骼疾病相关的靶点库。随后，使用Venn分析工具对疾病相关基因和PFAS靶点进行交叉分析，识别出共同的基因靶点，并进一步构建了蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络，以揭示这些靶点之间的分子联系。通过CytoHubba插件，研究团队确定了每个疾病中最重要的核心靶点，并对其功能进行了分类，包括细胞凋亡调控、炎症反应、细胞外基质组织和缺氧响应等。

为了进一步探索PFAS与这些核心靶点之间的相互作用，研究团队进行了基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路分析。GO分析揭示了这些靶点在多个生物学过程中的关键作用，例如对缺氧的反应、对炎症因子的反应、对氧化应激的调节以及对细胞外基质组织的调控。KEGG通路分析则显示了PFAS可能影响的多个重要信号通路，包括PI3K-AKT信号通路、AGE-RAGE信号通路、凋亡信号通路和化学致癌作用相关的氧化应激通路。这些发现不仅阐明了PFAS如何通过干扰特定的分子机制影响肌骨骼系统的健康，也为未来研究提供了理论依据。

分子对接分析进一步揭示了PFAS与核心靶点之间的具体相互作用。研究团队选择了14种具有代表性的PFAS化合物，包括长链PFAS（如PFOA、PFOS、PFHxS等）和短链或醚类替代物（如PFBA、PFHxA、PFPeS等），并评估了它们与关键蛋白靶点的结合能力。结果显示，长链PFAS通常表现出更高的结合亲和力，这可能与其较大的疏水表面积和更强的范德华力有关。然而，某些例外情况，如PFHxS，虽然属于长链PFAS，但其结合能力与其他长链化合物有所不同，这可能是由于其磺酸基团和分子结构的特殊性所致。此外，两种结构独特的化合物PFEC（环状全氟烷烃）和OBS（含有芳香环、醚键和磺酸基团的化合物）表现出不同的结合模式，说明除了链长之外，分子几何形状和功能基团也对PFAS的结合能力产生重要影响。

为了验证这些分子对接结果，研究团队进一步进行了分子动力学模拟，以分析PFAS与SIRT1、CAT和MMP9等核心蛋白结合后的结构稳定性。模拟结果显示，PFAS与这些蛋白结合后，其结构表现出一定的可塑性和动态变化。例如，结合后的蛋白结构显示出较高的变形能力和B因子值，这可能意味着PFAS在结合过程中改变了蛋白的构象，从而影响其正常功能。此外，通过分析变异数值和相关性图谱，研究团队还发现PFAS与某些蛋白之间的结合可能引发更复杂的分子相互作用，如盐桥、氢键和范德华力的协同作用。这些发现不仅为PFAS诱导的肌骨骼毒性提供了分子层面的解释，也为后续的实验验证和干预策略设计奠定了基础。

在讨论部分，研究者进一步分析了PFAS可能影响的多个关键分子机制。例如，TNF（肿瘤坏死因子）在慢性炎症中起核心作用，通过促进白细胞募集和组织破坏加剧肌骨骼疾病的发展。IL10（白细胞介素10）则作为抗炎因子，通过调节免疫反应和抑制过度组织损伤发挥作用。CXCL8（C-X-C基序趋化因子配体8）是促炎因子，通过招募中性粒细胞维持持续的炎症状态。ICAM1（细胞间粘附分子1）则促进白细胞在内皮层的粘附和迁移，从而加剧炎症浸润。NOS2（诱导型一氧化氮合酶）在炎症条件下被激活，产生大量一氧化氮，进一步加重氧化应激和细胞凋亡。HSP90B1（热休克蛋白90β）作为一种关键的分子伴侣，参与多种蛋白质的折叠和组装，包括许多分泌蛋白、Toll样受体和整合素，这表明PFAS可能通过干扰这些蛋白质的正常功能，间接影响肌骨骼系统的健康。

此外，研究还指出PFAS可能通过影响凋亡调控因子、细胞外基质重塑酶和血管生成介质，促进肌骨骼组织的退化。例如，BAX（促凋亡蛋白）通过诱导线粒体外膜通透性，触发内在凋亡通路，而CASP9（半胱天冬酶9）作为凋亡的启动因子，激活CASP3（半胱天冬酶3），后者是凋亡的关键执行者。MMP9和MMP2等基质金属蛋白酶在细胞外基质降解中起重要作用，导致骨关节炎中软骨的侵蚀、椎间盘退化中纤维环的弱化以及肌骨骼损伤后的组织修复障碍。血管生成因子VEGFA、神经生长因子BDNF、内皮素EDN1和胰岛素样生长因子IGF1等分子在肌骨骼疾病的病理过程中也发挥了重要作用，PFAS可能通过干扰这些信号通路，进一步加剧疾病的发展。

在代谢调控、信号转导和转运蛋白方面，PFAS可能通过影响SIRT1（组蛋白去乙酰化酶1）的活性，干扰细胞氧化代谢、自噬和炎症信号传导，从而导致软骨细胞和成骨细胞的凋亡和衰老。HIF1A（缺氧诱导因子1α）则在缺氧条件下调控血管生成和代谢基因表达，而TP53（肿瘤蛋白p53）作为细胞应激反应的核心调控因子，负责细胞周期阻滞、DNA修复和凋亡的调控。NF-κB信号通路中的RELA（p65）和NFKB1在炎症反应中起关键作用，通过增强细胞因子和基质金属蛋白酶的表达，推动软骨的分解和滑膜的炎症。MAPK1（丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1）作为下游信号转导分子，连接细胞外应激信号与转录调控，促进基质降解和炎症反应。ABCB1（P-糖蛋白）作为ATP结合盒转运蛋白，在细胞膜上广泛表达，负责将外来物质和药物主动泵出细胞，从而减少其在细胞内的积累。这些发现表明，PFAS可能通过多种机制影响肌骨骼系统的正常功能。

尽管本研究在分子层面揭示了PFAS对肌骨骼系统的潜在影响，但仍存在一些局限性。首先，研究主要依赖于横断面流行病学研究或体外模型，这些方法难以明确PFAS暴露与肌骨骼疾病之间的因果关系。特别是像骨关节炎和椎间盘退化这类慢性疾病，缺乏长期追踪数据限制了研究的深度。其次，PFAS家族内部存在巨大的化学多样性，导致其在毒理学行为、组织分布和受体结合能力上表现出显著差异。然而，目前的研究在结构-活性关系（SAR）分析方面仍较为薄弱，这限制了对特定PFAS化合物的毒理学通路的精准识别。第三，个体易感性因素尚未被充分整合，如基因多态性（如与氧化应激和炎症相关的基因变异）、多种环境污染物的共同暴露以及关键的生活方式变量（如营养状况和运动水平）都可能成为重要的混杂因素。因此，未能系统性地建模这些交互变量，可能影响研究结果的普适性和外部效度。

为了克服这些局限性，未来的研究应优先建立大规模的前瞻性人类队列，将先进的环境暴露监测技术（如暴露组学）与长期健康监测相结合。这样的队列将有助于明确PFAS暴露与肌骨骼疾病之间的精确时间关系和剂量-反应曲线。从方法学角度来看，采用多组学整合策略（包括转录组学、蛋白质组学、代谢组学和暴露组学）是必要的，这将为系统解析PFAS如何干扰骨代谢和肌肉稳态提供更全面的视角。此外，应优先对关键信号轴（如Sirt1/FOXO、Nrf2/ARE和基质金属蛋白酶通路）进行功能验证，这可以通过相关的细胞和动物模型实现。未来的研究还应建立一个整合环境流行病学与基因易感性数据的交互分析框架，以识别高度易感人群并制定精准的预防策略。最后，应加大对干预策略的探索力度，例如开发针对PFAS的特定吸附剂以促进其清除、研究营养补充剂（如维生素D和广谱抗氧化剂）作为潜在的对抗剂，以及利用先进的类器官或器官芯片模型进行高通量毒理学筛选。从公共健康和政策角度来看，加强PFAS排放的监管、加快更安全的替代化学品的研发以及建立基于健康风险的环境标准，是减少人类暴露和减轻PFAS对肌骨骼系统的长期负担的关键措施。

综上所述，本研究通过整合网络毒理学和分子对接方法，系统地揭示了PFAS对肌骨骼系统的潜在影响机制。研究不仅识别了多个关键的分子靶点和相关的病理通路，还为未来实验验证和干预策略的开发提供了理论基础。然而，为了更全面地理解PFAS的健康风险，仍需进一步的多学科研究，结合临床、流行病学、分子生物学和计算生物学等多种手段，以建立更准确的因果关系模型并推动更有效的防控措施。