综述：敌草快诱导器官损伤的分子机制：细胞信号传导与潜在治疗药物的见解

《Cell Biology and Toxicology》：Molecular mechanisms in diquat-induced organs injury：insights into cell signaling and potential therapeutic agents

本综述系统阐述了非选择性除草剂敌草快（DQ）引发多器官损伤的分子机制，重点聚焦于氧化应激、炎症、铁死亡等关键过程，并深入探讨了Nrf2、NF-κB、MAPKs等核心信号通路的相互作用。文章汇总分析了超过70种具有保护潜力的治疗剂，为开发DQ中毒特异性解毒剂提供了重要的理论依据和药物候选库，对中毒救治具有重要指导意义。

　　

敌草快（Diquat, DQ）是一种广泛使用的非选择性联吡啶类除草剂。由于其氧化还原电位（E° = -349 mV）高于百草枯（E° = -446 mV），DQ在氧化还原循环中产生活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）的效率更高，约为百草枯的10-40倍。意外或故意摄入DQ可导致严重的多器官损伤，包括肠道、肝脏、肾脏、肺、大脑和睾丸等，目前尚无特效解毒剂，主要治疗手段局限于血液净化疗法和支持性护理，死亡率高达20%-60%。

DQ的毒代动力学与多器官损伤

DQ主要通过胃肠道吸收，吸收率低于10%。其亲水性导致其主要通过扩散方式缓慢跨膜转运。吸收后，DQ迅速分布到全身各组织，2小时后达到血药浓度峰值，随后主要通过肾脏以原形排泄。与百草枯不同，DQ不是肺多胺摄取系统的底物，因此不会在肺组织中选择性蓄积。

摄入DQ后，临床表现为局部粘膜损伤，如咽喉痛、恶心、呕吐和腹痛。随后可发展为麻痹性肠梗阻、肝功能障碍、急性肾损伤（Acute Kidney Injury, AKI）、中毒性脑病等一系列严重并发症。病理学检查可见各器官明显的组织结构破坏和生化标志物改变。

DQ毒性的分子机制

氧化应激与生化机制

DQ毒性的核心在于其触发氧化还原循环的能力。DQ通过细胞色素P450还原酶（Cytochrome P450 reductase, CYP450）接受来自NADPH（Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate）或NADH（Nicotinamide adenine dinucleotide）的电子，形成自由基阳离子（DQ·+）。DQ·+迅速将电子传递给氧气（O₂），再生为母体DQ的同时产生超氧阴离子（O₂·-）。O₂·-经超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase, SOD）歧化为过氧化氢（H₂O₂），后者再被过氧化氢酶（Catalase, CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（Glutathione Peroxidase, GPX）转化为水和氧气。此过程大量消耗谷胱甘肽（Glutathione, GSH），并生成氧化型谷胱甘肽（Glutathione Disulfide, GSSG），导致细胞氧化还原稳态失衡。DQ·+和O₂·-还能将三价铁（Fe³⁺）还原为二价铁（Fe²⁺），后者通过芬顿反应（Fenton reaction）产生高毒性的羟基自由基（·OH），加剧细胞损伤。

2·-）。O₂·-经超氧化物歧化酶（SOD）歧化为过氧化氢（H₂O₂），后者再被过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）解毒为水和氧气。谷胱甘肽（GSH）清除ROS，但在过程中被氧化为谷胱甘肽二硫化物（GSSG），导致细胞GSH耗竭。同时，DQ·+与O₂·-的相互作用将三价铁（Fe³⁺）还原为二价铁（Fe²⁺），催化芬顿反应并生成高反应活性的羟基自由基（·OH）。'>

关键信号通路

DQ诱导的细胞损伤涉及复杂的信号网络，主要包括：

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  AHR/Nrf2通路：芳香烃受体（Aryl hydrocarbon receptor, AHR）和核因子E2相关因子2（Nuclear factor erythroid 2-related factor 2, Nrf2）是调控抗氧化反应的关键转录因子。在急性DQ中毒初期，Nrf2被激活，上调SOD、NAD(P)H醌氧化还原酶1（NQO1）、CAT、血红素氧合酶-1（Heme oxygenase-1, HO-1）等抗氧化酶的表达，这是一种早期适应性反应。然而，长期低剂量DQ暴露则会抑制Nrf2/ARE（Antioxidant Response Element）信号通路，加剧氧化损伤。AHR可调控细胞色素P450家族1成员A1（CYP1A1）等I相代谢酶的表达。
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  SIRT1/PGC1α与线粒体功能障碍：去乙酰化酶Sirtuin 1（SIRT1）可去乙酰化并激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1-α（PGC1α）。PGC1α与Nrf2相互作用，激活线粒体转录因子A（TFAM），维持线粒体稳态。DQ可抑制SIRT1和TFAM的活性，导致PGC1α乙酰化水平增加，并降低核呼吸因子1（Nrf1）的表达，进而引起线粒体DNA含量、ATP和NAD+水平下降，破坏线粒体功能。
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  PERK/eIF2α与内质网应激：DQ破坏内质网（Endoplasmic Reticulum, ER）稳态，触发未折叠蛋白反应（Unfolded Protein Response, UPR）。ER分子伴侣GRP78/Bip从PERK（Protein kinase R-like endoplasmic reticulum kinase）、ATF6（Activating transcription factor 6）和IRE1α上解离，导致PERK二聚化并自磷酸化。活化的PERK磷酸化真核起始因子2α（eIF2α），抑制蛋白质翻译，并上调C/EBP同源蛋白（CHOP）的表达，最终诱导细胞凋亡。
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  PI3K/Akt/FOXO3a与细胞自噬和凋亡：DQ通过促进磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）和蛋白激酶B（Akt）的磷酸化，进而磷酸化转录因子FOXO3a，使其滞留于胞质，抑制其转录活性。同时，DQ抑制SIRT1活性，破坏了Akt-FOXO3a轴的负反馈，导致自噬抑制。此外，DQ通过降低B细胞淋巴瘤-2（Bcl-2）与Bcl-2关联X蛋白（Bax）的比值，增加Caspase-8的表达，诱导细胞凋亡。
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  炎症级联反应：
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    MAPK通路：DQ激活丝裂原活化蛋白激酶（Mitogen-activated protein kinases, MAPKs），包括细胞外信号调节激酶1/2（ERK1/2）、c-Jun N末端激酶（JNK）和p38 MAPK。这些激酶的磷酸化促进了自噬（通过破坏Bcl-2/Beclin-1复合物）和炎症因子（如IL-6, IL-8, TNF-α）的产生。
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    NF-κB通路：DQ产生的ROS促进IκB kinase（IKB）复合物磷酸化并降解IκBα，释放核因子κB（NF-κB）二聚体入核，启动TNF-α、IL-8等促炎细胞因子的转录。Toll样受体4（TLR4）的激活也可启动该通路。
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    NLRP3炎症小体：DQ诱导的ROS和ATP释放激活P2X4受体和NLRP3炎症小体，导致Caspase-1活化。活化的Caspase-1切割IL-1β和IL-18的前体，产生成熟的炎症因子，并切割消皮素D（GSDMD），引发细胞焦亡。
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  铁死亡：DQ通过下调溶质载体家族7成员11（SLC7A11）和谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4），抑制胱氨酸摄取和GSH合成，导致脂质过氧化物积累。同时，DQ上调转铁蛋白受体1（TFR1）和长链脂酰辅酶A合成酶4（ACSL4），促进铁摄取和多不饱和脂肪酸-磷脂酰乙醇胺（PUFA-PE）的合成，最终触发铁死亡。

Nrf2与NF-κB的交互作用（Crosstalk）

Nrf2和NF-κB是细胞应对氧化应激和炎症的两条核心通路，它们之间存在复杂的交互对话。适度的ROS激活Nrf2以恢复氧化还原平衡，而高水平的ROS则激活IKK，进而活化NF-κB。Keap1作为Nrf2的胞质抑制蛋白，也能促进IKK的蛋白酶体降解，从而抑制NF-κB活化。ROS诱导的Nrf2激活可增加HO-1活性，后者可能抑制NF-κB的核转位。反之，NF-κB p65过表达可促进Keap1核转位，破坏Nrf2与ARE的结合，并与Nrf2竞争转录共激活因子CBP。Nrf2/NF-κB的平衡状态深刻影响着DQ中毒的治疗结局。

潜在治疗药物

通过对过去35年间166篇符合条件的文献进行总结，发现超过70种药物在动物模型中显示出对抗DQ毒性的潜力。这些药物可分为氨基酸及其衍生物、植物提取物、益生菌、营养补充剂和化学药物等几大类。它们主要通过激活Nrf2、抑制NF-κB、调节MAPK、PI3K/Akt、NLRP3等信号通路，以及抑制铁死亡和细胞凋亡等机制发挥保护作用。

代表性药物包括：

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  氨基酸类：精氨酸、L-茶氨酸、色氨酸、丝氨酸、谷胱甘肽、N-乙酰半胱氨酸（NAC）等，可通过调节AHR/Nrf2、MAPK等通路，改善氧化应激和炎症。
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  植物提取物：羟基酪醇（Hydroxytyrosol）和紫檀芪（Pterostilbene）具有强抗氧化和抗炎活性，可通过激活Nrf2、SIRT1/PGC1α通路以及抑制铁死亡来保护肠道和肝脏。
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  益生菌：解淀粉芽孢杆菌SC06（Bacillus amyloliquefaciens SC06）、植物乳杆菌P8（Lactiplantibacillus plantarum P8）、罗伊氏乳杆菌（Lactobacillus reuteri）等可通过调节肠道菌群、抑制JNK/NF-κB通路、激活Nrf2等方式减轻肠道和肝脏损伤。
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  营养补充剂：维生素C、维生素D₃、角鲨烯、富硒酵母、硒纳米颗粒等能有效增强机体抗氧化能力，抑制炎症反应。
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  化学药物：可溶性血栓调节蛋白（sTM）通过HMGB1/NF-κB通路减轻急性肾损伤；地塞米松通过TLR4/MyD88/NF-κB通路发挥抗炎作用；褪黑素（Melatonin）作为ROS清除剂和抗氧化剂，对肝、肾、睾丸损伤均有保护作用。

展望与结论

尽管对DQ毒性机制的研究已取得显著进展，且众多潜在治疗药物在临床前研究中展现出良好效果，但将其转化应用于人类仍面临挑战。未来研究应致力于：利用多组学技术进一步阐明DQ的毒性机制；借助基于结构的药物设计、计算化学和人工智能（AI）策略筛选和优化潜在解毒剂；并对已有临床应用背景的药物（如维生素C、维生素D₃、N-乙酰半胱氨酸、褪黑素等）进行严格的临床前和临床评价，以期早日为DQ中毒患者提供有效的治疗手段。