中国安徽省长江沿岸成人多种金属暴露的神经毒性分析：整合社区人群队列的轻度认知障碍体外实验研究

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Analyses of neurotoxicity following multiple metal exposures among adults living along the Yangtze River in Anhui Province, China: In vitro experiments with mild cognitive impairment integrating community population cohort

　　

本研究旨在探讨中国安徽省长江沿岸成年居民多种金属暴露与轻度认知障碍（MCI）之间的关联。研究人员整合了网络毒理学、流行病学队列研究以及在人类现实剂量下开展的体外实验，以阐明多种金属暴露诱导MCI的潜在生物学机制。在1337名参与者中，镉（Cd）与MCI发病呈正相关（OR = 1.13，95% CI: 1.01–1.26），并在多种混合物模型中显示出最强的正向权重。网络毒理学分析和分子对接模拟评估了Cd与认知功能相关靶点的结合亲和力，并确定NFKB1为核心关键靶点。基于研究人群实际Cd暴露浓度的细胞实验表明，Cd可促进SH-SY5Y细胞中NF-κB的激活，并上调炎症因子的表达。人群验证实验显示，TNF-α和IL-6部分介导了Cd与MCI之间的关联。综上，本研究阐明了多种金属暴露诱导MCI的潜在生物学机制，为MCI的综合防治提供了新的暴露生物标志物和治疗靶点。

**论文解读：中国安徽省长江沿岸成人多种金属暴露的神经毒性分析——整合社区人群队列的轻度认知障碍体外实验研究**

**一、研究背景**

认知障碍已成为全球日益沉重的公共卫生负担。据全球疾病负担研究估计，到2050年阿尔茨海默病（AD）及其他痴呆症患者将达1.52亿，其中绝大多数生活在低收入和中等收入国家。由于目前临床缺乏针对AD的特异性有效治疗方法，早期阶段的预防、及时诊断和干预变得愈发重要。轻度认知障碍（MCI）是介于正常衰老与AD之间的异常认知状态，一旦进展为AD往往难以逆转或治疗。一项涵盖393，525名中国成人的荟萃分析显示MCI总体患病率为19.6%，且近年呈上升趋势，每年约有10%-15%的MCI患者进展为AD。因此，识别可改变的决定因素并阐明认知衰退的危险因素，以预防或延缓MCI向AD的进展，已成为公共卫生和临床实践的重点。

日常生活中，社区居民通过饮水、膳食摄入和吸入污染颗粒物持续暴露于金属。这种暴露通常具有长期、低剂量和多种金属混合暴露的特征。虽然环境暴露水平通常低于职业场所，但慢性低水平暴露仍可能导致金属蓄积并诱导氧化应激、炎症和进行性神经损伤。目前关于混合金属暴露与社区人群MCI关联的前瞻性队列研究较少，流行病学证据级别有限，且多种金属暴露神经毒性的潜在机制仍未完全阐明。现有研究表明，金属诱导的氧化应激可能激活NF-κB信号通路，进而促进TNF-α、IL-6和IL-1β等促炎细胞因子的产生，导致血脑屏障功能障碍、神经炎症、神经元损伤和认知衰退。然而，很少有研究整合多组学方法（如转录组学）与计算毒理学和机器学习技术来全面绘制分子通路。

长江流域素有中国"鱼米之乡"之称，沿岸居住着约4亿人口。随着长江经济带工业快速发展，区域性金属污染加剧。研究人员前期研究成果显示，该地区居民尿液中Cd、砷（As）、铬（Cr）、锰（Mn）和钡（Ba）水平高于国内其他研究，且Cd暴露水平虽随时间有所下降但仍相对偏高，表明该区域人群存在持续性体内Cd负荷。基于此，开展这项研究以揭示金属暴露与MCI之间的"黑箱"机制并识别高风险人群。

**二、主要技术方法**

本研究基于安徽省长江沿岸（马鞍山、池州、铜陵）的皖江队列，于2019年5月至11月采用多阶段分层随机整群抽样纳入3200名居民完成基线调查，2024年6月至9月完成随访，最终纳入1337名参与者进行分析。研究采用了以下关键技术方法：（1）电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）定量检测血浆中23种金属浓度；（2）网络毒理学分析，整合比较毒物基因组学数据库（CTD）和基因表达综合数据库（GEO）鉴定Cd相关靶基因与AD差异表达基因；（3）分子对接与分子动力学模拟评估Cd2?与NFKB1的相互作用；（4）基于人群实际Cd暴露浓度（0.89 nM/L为1×）的人神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞体外实验，结合Western blot检测NF-κB通路蛋白表达；（5）酶联免疫吸附测定（ELISA）检测血清炎症因子水平；（6）多变量logistic回归、加权分位数和（WQS）回归、分位数g计算（QGC）及限制性立方样条（RCS）等流行病学统计方法；（7）中介分析评估炎症因子在Cd与MCI关联中的中介效应。

**三、研究结果**

**3.1 人群基本特征**

在1337名参与者中，106人（7.93%）被诊断为MCI。与无MCI者相比，MCI患者具有更高的体质指数（BMI）和腰围（WC）、更高的糖尿病患病率、较低的膳食多样性评分以及更高比例的重体力劳动强度。MCI组血浆Cd浓度显著高于非MCI组，而Mn浓度显著低于非MCI组。

**3.2 多种金属暴露与MCI的关联**

经协变量调整后，Cd与MCI呈正相关（OR = 1.13，95% CI: 1.01–1.26），Mn与MCI呈负相关（OR = 0.88，95% CI: 0.81–0.96）。经Benjamini-Hochberg错误发现率（FDR）校正后，两种关联仍具统计学意义。WQS和QGC模型显示金属混合物的总体效应不显著，但Cd在两种模型中均贡献最大的正向权重（WQS权重=0.277，QGC权重=0.186），表明Cd是混合物正向效应方向的主要贡献者。RCS分析显示Cd与MCI之间呈线性关联。亚组分析发现睡眠障碍存在效应修饰作用。

**3.3 Cd浓度的纵向观察**

对同一研究对象的尿Cd浓度进行基线和随访重复测量，结果显示尿Cd浓度由基线时的2.45 μg/g肌酐降至随访时的1.63 μg/g肌酐，但仍相对偏高。糖尿病患者的Cd水平在随访期间反而升高。

**3.4 网络毒理学分析**

从CTD获得985个Cd靶基因，从GEO数据集获得486个AD相关基因，取交集后保留59个重叠靶基因。富集分析显示这些基因主要富集于金属离子应答和解毒相关生物学过程，以及蛋白激酶活性等分子功能；KEGG通路分析提示与矿物质吸收、细胞衰老及多条炎症免疫相关通路有关。通过四种拓扑算法（MNC、Degree、EPC、Closeness）鉴定出17个hub基因。

**3.5 机器学习筛选核心基因**

采用LASSO、随机森林（RF）和支持向量机-递归特征消除（SVM-RFE）三种机器学习算法，交集得到3个基因：DUSP1、GPT和NFKB1。ROC曲线分析表明，在GSE132903、GSE122063和GSE63060三个数据集中，NFKB1的曲线下面积（AUC）分别为0.711、0.775和0.639，展现出良好的区分能力。

**3.6 单细胞RNA测序分析**

对GSE157827数据集进行单细胞分析，将细胞注释为少突胶质细胞、星形胶质细胞、兴奋性神经元、抑制性神经元、小胶质细胞和内皮细胞六种主要细胞类型。NFKB1在单细胞图谱中广泛分布，且在AD组少突胶质细胞中的表达较对照组显著升高。

**3.7 分子对接与动力学模拟**

探索性分子对接产生了Cd2?-NFKB1预测构象，MET60和THR63位于Cd2?附近。分子动力学模拟显示该系统在轨迹后期趋于稳定，自由能景观分析确定了相对低能量的构象区域，提示该预测构象在计算模型中可维持相对稳定状态。

**3.8 细胞实验**

在人群现实剂量（0.89 nM/L为1×）条件下，以0×、1×、100×、1000×Cd处理SH-SY5Y细胞24小时。结果显示Cd暴露改变了p65磷酸化（p-p65）及p-p65/p65比值，表明Cd调节了经典NF-κB信号通路。NF-κB通路抑制剂BAY 11–7082共处理可减弱Cd相关的p65磷酸化增加。结果显示Cd暴露可激活NF-κB信号通路并上调炎症因子水平。

**3.9 炎症因子的中介效应**

人群验证分析显示，Cd与TNF-α和IL-6呈正相关，与IL-1β无显著关联。中介分析表明，TNF-α和IL-6显著介导了Cd暴露与MCI之间的关联，中介比例分别为45.02%和46.21%。敏感性分析显示，排除高血压个体后TNF-α和IL-6仍为显著中介因子。

**四、讨论与结论**

**讨论部分总结**：本研究系统整合了皖江队列流行病学数据、网络毒理学、分子亲和力评估和人类现实剂量下的机制实验等多维度证据，推断Cd通过促进NF-κB通路表达触发神经炎症，从而促进MCI的发生和发展。研究揭示了Cd暴露与MCI之间的潜在生物学机制，将NFKB1确定为Cd相关神经炎症反应的潜在分子靶点。研究同时指出，虽然经典力场在描述金属离子配位方面存在局限，计算结果应视为假设生成性证据而非直接Cd2?与NFKB1结合的结构验证，但综合网络毒理学、转录组分析和Cd暴露后NF-κB激活的实验证据，仍支持NFKB1参与Cd相关神经炎症反应。通过建立人类现实Cd剂量下的SH-SY5Y细胞模型，研究发现Cd通过NF-κB介导的系统性炎症增加认知衰退的易感性。TNF-α和IL-6作为神经炎症中的关键细胞因子，显著介导了Cd与MCI之间的关系，与现有毒理学证据一致。

**研究结论翻译**：通过系统整合多维数据，本研究证明中国长江流域沿岸居民多种金属混合物暴露与MCI风险升高相关。在机制上，现实世界的Cd暴露可能通过上调NF-κB触发神经炎症，从而促进MCI的发生和进展。这些结果强调了环境污染物在神经系统疾病发病机制中的关键参与作用，并为制定环境健康干预措施和个体化治疗策略提供了科学基础。