铅通过重塑镉的配位环境缓解镉肝毒性：结合XAFS和DFT的研究

《Chemico-Biological Interactions》：Lead alleviates cadmium hepatotoxicity by remodeling its coordination environment: A combined XAFS and DFT study

　　

摘要

镉（Cd）和铅（Pb）在受污染环境中常共同存在，但两者之间的毒理学相互作用尚不清楚。本研究建立了镉铅联合暴露大鼠模型，并利用FTIR、同步辐射XAFS和DFT计算，探究铅调控镉肝毒性的配位机制。铅共暴露显著减轻了镉诱导的肝损伤，表现为血清ALT、ALP和GGT水平降低，组织病理学损伤减轻。光谱学和计算分析揭示，铅通过竞争GSH中的含氧配体和桥接MT中的硫原子，改变了镉的局部配位环境，从而削弱Cd–S相互作用，促进镉从LCF衍生的游离Cd²⁺组分向GSH-/MT结合形态再分布。铅共暴露减轻了镉诱导的肝毒性，该效应与镉配位化学的改变相关，强调了金属形态分析在评估混合金属暴露风险中的重要性。

引言

镉（Cd）和铅（Pb）是广泛分布于环境中的有毒重金属，通过工业排放、采矿和冶金活动常发生联合暴露^{1, 2}。由于其强大的生物累积潜力和多器官毒性，镉铅联合暴露构成了重要的环境健康问题。在靶器官中，肝脏尤其容易受到这两种金属的毒性影响^{3, 4, 5}。

越来越多的证据表明，单独暴露于Cd或Pb可诱导肝功能障碍、氧化应激和组织病理学损伤^{6, 7}。然而，这两种金属之间的毒理学相互作用仍未完全阐明。我们之前的基于人群的研究表明，Pb可能部分减轻Cd相关的肝毒性，提示两种金属之间存在拮抗作用[8]。在其他生物体中也报道了类似的拮抗作用，包括日本沼泽小龙虾和植物，其中Pb减少了Cd诱导的氧化损伤或植物毒性^{9, 10}。此外，Cd-Pb相互作用似乎具有浓度依赖性[11]。这些发现表明，Cd-Pb拮抗作用可能是一个跨物种的普遍现象。然而，其机制基础在很大程度上仍未解决。

目前关于Cd-Pb共暴露的研究主要集中在通过转运体的竞争性摄取和抗氧化防御的调节^{6, 12}。虽然这些机制可能有助于观察到的相互作用，但它们不能解释Pb是否改变了组织内Cd的内部化学形态。重要的是，Cd的肝毒性不仅取决于总Cd负荷，还取决于其形态分布和局部配位环境。LCF衍生的游离Cd²⁺组分具有高反应性，可直接损伤生物分子和细胞结构。相反，Cd在肝细胞中主要通过结合含硫醇配体，特别是谷胱甘肽（GSH）和金属硫蛋白（MT）而解毒^{13, 14}。GSH通过形成Cd-GSH复合物参与Cd的临时螯合和转运[15]。另一方面，MT通过富含半胱氨酸残基的结合位点将Cd隔离为Cd-MT复合物，从而稳定Cd，降低其生物毒性[14]。因此，如果Pb改变了Cd与这些配体的配位作用，则可能改变Cd在肝脏中的生物利用度和毒性。

然而，关于Pb诱导肝脏Cd形态变化的直接证据仍然缺乏。传统毒理学方法在解析生物组织中金属局部配位结构方面能力有限。同步辐射X射线吸收精细结构（XAFS）光谱学在原子尺度上提供元素特异性结构信息，包括配位数、键长和局部化学环境[16]。傅里叶变换红外光谱（FTIR）可进一步探测配体官能团及其结合变化，而密度泛函理论（DFT）计算可阐明金属-配体相互作用的热力学和结构基础。尽管这些技术具有互补性，但将它们联合应用于研究混合Cd-Pb暴露下肝脏中Cd形态尚未有系统报道^{17, 18, 19}。

基于这些考虑，本研究建立了镉铅联合暴露大鼠模型，整合FTIR、XAFS、DFT计算和常规毒理学终点，以研究Pb对Cd诱导肝毒性的影响。我们假设Pb会与Cd竞争含硫和含氧配体，从而重塑Cd的局部配位环境，促进Cd从LCF衍生的游离Cd²⁺组分向GSH-和MT结合形态再分布。通过阐明体内Cd-Pb拮抗作用背后的配位化学，本研究为混合金属毒理学提供了机制性见解，并支持对联合重金属暴露进行更准确的风险评估。

章节片段

动物

所有动物实验均严格按照《实验动物护理和使用指南》的规定进行，并获得兰州大学第一医院动物伦理委员会批准（伦理批准号：LDYYLL2024-160）。四周龄雄性Sprague-Dawley大鼠购自兰州兽医研究所。动物饲养于清洁环境中，保持恒定温度（21-25 °C）和湿度（40%-70%），

Pb在大鼠中拮抗Cd诱导的肝损伤：肝脏表型分析

为了验证Pb是否在体内拮抗Cd诱导的肝损伤，我们评估了各组大鼠的肝脏表型。血清肝功能检测显示，与对照组相比，Cd组血清ALT和AST水平显著升高（P < 0.05），与Cd组相比，Cd+Pb组ALT、ALP和GGT活性显著降低（P < 0.05），而AST也呈现下降趋势（图2a）。氧化应激标志物分析显示，

Pb对Cd肝毒性的拮抗效应

在环境和职业暴露场景中，人类暴露通常涉及混合物而非单一金属。然而，Cd和Pb之间的毒理学相互作用在不同研究中仍不一致，有报道称存在拮抗、加性、协同或无效应。本研究中，与我们之前的流行病学观察一致[8]，Pb共暴露显著减轻了Cd诱导的大鼠肝毒性，表现为血清ALT、ALP和GGT降低

结论

总之，在特定浓度条件下，Pb共暴露减轻了Cd诱导的肝毒性。FTIR、XAFS和DFT分析共同表明，Pb共暴露与肝脏中Cd配位环境的改变相关，促进其转化为解毒的GSH-和MT结合形态，同时减少了有毒游离Cd²⁺的丰度。DFT结果进一步表明，Pb诱导了Cd-S键的部分伸长或解离，而整体Cd-S共价

CRediT作者贡献声明

朱星旺： 数据分析。张红龙： 写作 – 审阅与编辑，数据管理。王瑞鹏： 数据管理，概念化。王婷婷： 写作 – 原稿，方法学，调查研究。严俊： 监督，资源。李迅： 写作 – 审阅与编辑，验证，资源。辛明远： 方法学。田猛： 数据分析

伦理声明

本研究遵循以下动物福利和/或报告指南进行：《实验动物护理和使用指南》。本研究已获得兰州大学第一医院动物伦理委员会批准。（批准号：LDYYLL2024-160）

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系影响本文报告的工作。

资助

本研究得到国家自然科学基金 [项目编号：32460305,32602327]、中国博士后科学基金（资助编号：2026M792194）和湖北省博士后拔尖人才计划（项目编号：2025HBBSHJD049）资助。

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们感谢黄佳木在图形摘要准备方面提供的协助。

王婷婷|严俊|张红龙|王瑞鹏|朱星旺|辛明远|田猛|李迅

兰州大学第一临床医学院，兰州 730000，中国