研究背景镉是一种广泛存在的极具毒性的职业污染物和环境污染物,它严重危害着人类健康。镉作为一种全身毒性重金属,它的环境暴露和健康危害在中国引起了公众的广泛关注。肝脏是镉暴露的主要靶器官,镉的肝毒性机制日趋成为研究热点。流行病学数据显示镉暴露与脂肪肝和肝纤维化等疾病密切相关。越来越多的证据表明炎症和氧化应激在镉暴露引起的肝毒性中起着重要作用。研究发现NLRP3(NLR pyrin domain containing 3)炎症小体是一个炎症信号通路中的关键组成部分,它能感受病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMPs)和危险信号相关分子模式(damage-associated molecular patterns,DAMPs)的入侵。NLRP3炎症小体激活可诱导促炎因子如IL-1β和IL-18释放,进而促进天然免疫应答反应。然而,尚未有文献报道NLRP3炎症小体参与镉暴露引起的肝炎症反应。褪黑素(N-acetyl-5-methoxytryptamine,melatonin)是一种主要由松果体、皮肤和小肠等部位合成的吲哚胺,具有多种生物效应,包括抗氧化,抗炎和抗凋亡等。基于氧化应激和炎症反应在镉暴露引起肝损伤中的重要作用,在治疗镉暴露引起的肝毒性时褪黑素可能是一种潜在药物。然而,褪黑素是否能够减轻镉暴露引起的肝脏炎性损伤以及其中分子机制仍然不清楚。因此,本课题旨在研究镉暴露引起的肝脏炎症损伤是否是通过NLRP3炎症小体活化,探讨褪黑素能否通过抑制硫氧还蛋白互作蛋白(thioredoxin-interacting protein,TXNIP)与NLRP3炎症小体的相互作用来执行其肝保护作用。研究内容(1)雄性C57BL/6小鼠随机分为对照组和镉暴露组。镉处理组小鼠腹腔注射2 mg/kg Cd Cl2生理盐水溶液,对照组小鼠注射等体积生理盐水。镉暴露0、6、12和24 h后立刻收集小鼠血浆样本,通过检测血浆中ALT/AST、LDH、IL-1β、IL-6和TNF-α的分泌以及组织切片染色来反映镉暴露引起的肝损伤和炎症反应。检测NLRP3、caspase-1和IL-1β的表达,明确镉暴露致肝组织炎症小体激活的效应。进一步应用NLRP3敲除鼠来证实NLRP3炎症小体在镉暴露导致小鼠肝脏炎性损伤中的作用。(2)应用10 mg/kg褪黑素预处理小鼠3天,再给予Cd Cl2暴露,检测血浆中ALT/AST和LDH活性以及肝脏组织病理形态,证实褪黑素预处理对镉暴露引起肝脏毒性的保护作用。进一步检测小鼠肝组织氧化应激水平,TXNIP的表达以及NLRP3炎症小体激活,明确TXNIP-NLRP3炎症小体信号通路在褪黑素拮抗镉暴露引起肝损伤中的作用。研究结果(1)镉暴露可升高小鼠血浆中ALT/AST和LDH活性,增加IL-1β、IL-6和TNF-α的含量以及肝组织中MPO的表达。组织病理切片分析显示镉暴露引起了肝细胞肿胀和坏死,肝脏轻度炎性细胞浸润和出血,提示镉暴露引起了炎症反应和肝功能损伤。同时,镉暴露显著增加肝组织中NLRP3、caspase-1和IL-1β的表达以及增强caspase-1的活性。与野生小鼠比较,敲除NLRP3的表达可显著减轻小鼠肝功能损伤,炎性细胞浸润以及NLRP3炎症小体活化,证实NLRP3炎症小体在镉暴露引起小鼠肝脏炎性损伤中起重要作用。(2)褪黑素预处理能显著减轻镉暴露引起的肝功能损伤、肝细胞坏死和炎性细胞浸润。ELISA结果显示褪黑素预处理显著降低镉暴露引起血浆中IL-1β、IL-6和TNF-α的含量。同时,褪黑素预处理能有效拮抗镉暴露引起的MDA含量,SOD、CAT和GSH活性以及TXNIP的表达。进一步结果显示,褪黑素预处理能够显著拮抗镉暴露引起的NLRP3炎症小体活化以及TXNIP与NLRP3的相互作用,证实褪黑素通过抑制TXNIP-NLRP3信号通路来拮抗镉暴露引起的肝损伤。研究结论本研究提出了一个全新的镉毒理作用机制,即镉暴露通过激活NLRP3炎症小体引起小鼠肝脏炎症反应和肝损伤。本实验进一步证明褪黑素对镉暴露引起肝炎症损伤的保护作用是通过抑制TXNIP与NLRP3炎症小体的相互作用。总而言之,我们的研究表明TXNIP-NLRP3炎症小体激活是镉暴露所致肝损伤的分子基础和新的干预靶点,同时也为褪黑素作为拮抗镉毒性的药物提供了新的实验证据。