膜转运蛋白在环境化学物处置调控及环境暴露响应中的核心作用

《Current Opinion in Toxicology》：The Roles of Transporters in Modulating Environmental Chemical Disposition and Responding to Environmental Exposures

　　

吸收、分布、代谢与排泄（ADME）是决定外源性与内源性化合物在人体内组织特异性暴露和生物蓄积的关键过程。这些过程受到具有组织及细胞类型特异性表达的整合膜转运蛋白（transporter）的显著影响。转运蛋白在许多环境化学物的处置与毒性中发挥重要作用，并基于其底物特异性最终影响这些化学物的潜在毒性。环境化学物亦可通过改变基因和蛋白表达、直接抑制摄取与外排、以及改变膜转运等机制，改变转运蛋白的表达与功能，从而影响ADME过程及外源化合物的最终处置。这些转运蛋白表达与功能的变化可能造成药代动力学（pharmacokinetics）和毒代动力学（toxicokinetics）的个体差异。本综述聚焦于肠道、肝脏和肾脏作为具有与ADME相关转运蛋白表达且影响器官特异性毒性的重要器官系统。本综述旨在通过展示这些器官系统中转运蛋白与环境化学物的典型实例，阐明转运蛋白在环境化学物毒代动力学中的作用以及环境化学物对转运蛋白的影响，从而加深对二者相互作用及其对人类健康和环境安全潜在影响的理解。研究人员与医学专业人员应在追求改善人类健康的过程中充分考虑这两个因素。

一、研究背景与意义

环境化学物广泛存在于空气、水、食物和土壤中，人类可通过经口摄入、吸入和皮肤接触等途径持续暴露于这些外源化合物。人体依赖吸收、分布、代谢和排泄（ADME）过程维持内源性和外源性化合物的生理稳态，而有害环境化学物的暴露可破坏这一稳态并引发毒理学反应。转运蛋白（transporter）是一类具有组织和细胞类型特异性表达模式的膜蛋白，根据化合物的分子大小、电荷和极性，在决定环境化学物的组织分布和细胞摄取中发挥关键作用。参与ADME的主要转运蛋白超家族包括溶质载体（SLC）超家族和ATP结合盒（ABC）超家族，二者根据同源性、能量利用方式和底物特异性分为不同家族。摄取转运蛋白包括转运正电荷化合物的有机阳离子转运蛋白（OCTs）、转运极性和负电荷化合物的有机阴离子转运蛋白（OATs）以及转运多种两亲性化合物的有机阴离子转运多肽（OATPs）；外排转运蛋白则包括P-糖蛋白（P-gp）和乳腺癌耐药蛋白（BCRP）等ABC外排转运蛋白。

目前该领域面临的关键问题包括：环境化学物与转运蛋白相互作用的机制尚不完全清楚；体外模型难以完全重现体内转运蛋白和代谢酶的生理表达模式；环境化学物对转运蛋白表达和功能的调控机制及其对药代动力学和毒代动力学变异性的贡献有待深入阐明。因此，系统梳理转运蛋白在环境化学物处置中的作用以及环境化学物对转运蛋白的调控效应，对于理解环境暴露的健康风险具有重要意义。

二、研究内容与结论

本综述聚焦于肠道、肝脏和肾脏三个重要器官系统，系统阐述了组织特异性转运蛋白表达在决定环境化学物暴露和蓄积中的作用，以及环境化学物对转运蛋白表达和活性的调控机制。研究得出以下主要结论：第一，转运蛋白的组织特异性表达和底物选择性是决定环境化学物组织特异性分布和毒性的关键因素；第二，环境化学物可通过改变基因和蛋白表达、直接抑制转运蛋白功能以及改变膜定位等多种机制调控转运蛋白活性；第三，转运蛋白与环境化学物的相互作用对预测毒代动力学和评估健康风险具有重要意义。

三、关键技术方法

研究人员主要采用以下关键技术方法：利用三维肠道微组织模型研究微囊藻毒素（MCs）的肠道吸收机制；采用人诱导多能干细胞来源的肠道上皮细胞研究全氟和多氟烷基物质（PFAS）的肠道摄取；应用单细胞和单细胞核RNA测序（scRNA-Seq和snRNA-Seq）技术观察肝脏腺泡区的转运蛋白表达变化；利用三明治培养人肝细胞研究2,3,7,8-四氯二苯并二噁英（TCDD）对转运蛋白表达的影响；使用转运蛋白基因敲除小鼠模型验证OATP在肝毒性中的作用；采用体外细胞模型研究镉对肾转运蛋白膜定位和功能的影响；并将转运蛋白动力学参数整合入基于生理的药代动力学（PBK）模型以预测肾脏暴露和毒性结局。

四、研究结果

2. 组织特异性转运蛋白表达决定毒素暴露与蓄积

2.1 肠道转运蛋白：肠道是许多环境毒物的吸收途径，肠上皮细胞表达协调的摄取和外排转运蛋白网络，共同影响口服生物利用度和全身暴露。通过三维肠道微组织模型研究发现，微囊藻毒素的摄取仅部分归因于OATPs，顶端外排主要由MRP2和部分BCRP介导，且外排系统可能比摄取和代谢对MC肠道吸收更为关键。利用人诱导多能干细胞来源的肠道上皮细胞研究发现，ASBT和OATP2B1参与PFAS的肠道吸收；另一项研究证实ASBT在PFAS同系物的肠肝循环中发挥关键作用，是其极长半衰期的重要因素。

2.2 肝脏转运蛋白：肝脏因高灌注率和丰富的代谢酶及转运蛋白表达而在外源化合物代谢中发挥核心作用。肝细胞具有功能极化的基底外侧（窦状隙）和顶端（胆小管）膜，SLC超家族转运蛋白介导窦状隙血液中的清除，ABC超家族胆小管外排转运蛋白介导胆汁消除。OATP1B1和OATP1B3几乎仅在肝细胞中表达并呈现腺泡区特异性表达，微囊藻毒素-LR（MCLR）因低被动膜通透性而依赖OATP1B1和OATP1B3进行肝脏摄取，其小叶中心性表达模式与MCLR暴露后观察到的小叶中心性毒性相关。MCLR是MRP2的底物，MRP2表达于肝细胞胆小管膜和近端小管细胞腔面膜。PFAS化合物也表现出转运蛋白相关的肝脏滞留，啮齿动物OATP家族成员参与肝脏蓄积和延长组织暴露。

2.3 肾转运蛋白：肾脏通过肾小球滤过、主动分泌和重吸收在外源化合物代谢和排泄中发挥重要作用。近端小管上皮细胞表达基底外侧摄取转运蛋白和顶端外泄及重吸收转运蛋白的协调网络。赭曲霉毒素A（OTA）是典型的肾毒素，其通过OAT1、OAT3、OAT4和OATP1A2主动转运进入近端小管细胞并经BCRP外排，导致近端小管细胞内高浓度蓄积和增强的肾毒性。PFAS同系物通过OAT1和OAT3在近端小管细胞中进行肾脏摄取，OAT4参与肾小管重吸收，这种转运蛋白介导的重吸收是PFAS同系物极长生物半衰期的潜在机制。除草剂百草枯依赖OCT2-MATE跨细胞通路进行主动肾分泌，将OCT介导的主动肾分泌整合入PBK框架的建模数据表明，转运蛋白动力学显著影响预测的肾脏浓度和急性肾毒性结局。

3. 环境化学物作为转运蛋白表达和活性的调节因子

3.1 基因和蛋白表达的改变：PFAS同系物在肝细胞模型中可诱导ABC外排转运蛋白（包括BCRP、P-gp和MRP1）的表达，同时抑制OATP1B1、OATP1B3、OATP2B1和牛磺胆酸钠共转运多肽（NTCP）等肝脏摄取转运蛋白，提示存在有利于外排和限制进一步细胞内蓄积的协调适应性反应。MCLR肝毒性降低了大鼠肝脏rOATP1B2表达，三维Hepoid-HepaRG细胞中MCLR暴露降低SLCO1B1、ABCB11和SLC10A1表达但增加SLCO1B3表达，同时降低肝细胞核因子4-α（HNF4α）表达。在肝外组织，PFOS暴露增加支持细胞中OATP3A1的mRNA和蛋白水平。TCDD作为芳烃受体（AhR）的经典激活剂，可改变肝细胞中多个SLC和ABC转运蛋白的表达，包括诱导多胺转运蛋白Slc22a3和肌酸转运蛋白Slc6a8，在三明治培养人肝细胞中降低SLC10A1（NTCP）表达并增加ABCG2（BCRP）表达。

3.2 对转运蛋白的直接抑制和竞争性相互作用：真菌毒素玉米赤霉烯酮（ZEN）及其代谢产物可抑制肠道和肝脏转运蛋白。ZEN和I相代谢产物以低微摩尔效力抑制OATP1B1、OATP1B3和OATP2B1；硫酸盐II相代谢产物额外抑制OATP1A2，对OATP1B1和OATP2B1效力最强（IC₅₀ 0.27-0.34 μM），而葡萄糖醛酸代谢产物仅抑制OATP2B1（IC₅₀ 1.1 μM），表明代谢可产生比母体毒素更有效的转运蛋白抑制剂。阳离子除草剂百草枯可直接与肾转运系统相互作用，将转运蛋白抑制参数整合入PBK模型可显著改变预测的肾脏百草枯浓度。

3.3 转运蛋白定位的改变：镉处理可增加OCT2的质膜定位和转运活性，并因增加肾脏顺铂浓度而加剧顺铂肾毒性；后续研究证实这种定位和功能变化仅发生于基底外侧摄取转运蛋白OCT2，对顶端外排转运蛋白MATE1无影响。

五、讨论与结论

转运蛋白在决定许多内源性和外源性化合物的ADME特性中发挥关键作用。由于环境化学物的多样性和丰富性，理解其与转运蛋白的相互作用对于确定毒代动力学、生物蓄积和组织特异性毒性至关重要。策略性阻断环境化学物的细胞摄取可防止吸收和靶器官蓄积，而破坏外排机制可能导致细胞内滞留增加和器官特异性毒性加重。理解环境化学物如何影响转运蛋白表达、膜转运和动力学（即表型转化的一种形式）对于预测药代动力学和毒代动力学具有重要意义。研究人员和医学专业人员在追求改善人类健康的过程中应充分考虑转运蛋白在环境化学物处置和毒性中的作用以及环境化学物对转运蛋白表达和功能的影响。