针对MLKL–F-actin–NLRP3轴可减轻砷诱导的心肌坏死炎症

《Food Bioscience》：Targeting the MLKL–F-actin–NLRP3 Axis Attenuates Arsenic-Induced Myocardial Necroinflammation

　　慢性低剂量砷暴露通过MLKL磷酸化介导的F-actin解聚激活NLRP3炎症小体，形成“坏死-细胞骨架破坏-炎症”级联反应，导致心肌损伤。靶向MLKL-F-actin-NLRP3轴为防治砷性心肌病提供新策略。

　　本研究聚焦于长期低剂量接触砷对心脏造成的炎症损伤，并深入探讨其潜在的分子机制。砷是一种广泛存在于自然环境中的金属元素，主要以无机砷化合物的形式存在于水体、土壤和食物链中。人类通过受污染的饮用水、工业排放和生物累积等途径暴露于砷中，全球已有超过2亿人面临砷污染饮用水带来的健康风险。长期积累的砷不仅与皮肤病变、胃肠道损伤、多种癌症以及心血管、神经系统和代谢功能紊乱相关，还被认为是Ⅰ类致癌物，凸显了其对人类健康的严重威胁。

近年来，越来越多的流行病学研究指出，长期接触砷与心血管疾病的发病率和死亡率之间存在显著的正相关关系。这使得砷相关的心血管疾病成为全球公共健康领域的重要挑战。一项2025年的系统综述分析了低至中等剂量砷暴露与心血管疾病风险之间的关系，结果显示水中的砷含量与缺血性心脏病的发病率呈正相关。此外，基于国家健康与营养调查（NHANES）的研究发现，心力衰竭患者的尿液中砷浓度升高与心血管死亡率增加密切相关。在孟加拉国的一项大规模队列研究中，1481名长期饮用含砷地下水的个体显示出砷暴露与高血压发病率之间存在显著的剂量反应关系。临床评估也表明，慢性砷中毒患者会表现出血清心脏酶活性异常以及心电图上的多种改变，包括QT间期延长、ST-T段变化和室性早搏等。

动物实验进一步验证了上述发现，表明慢性砷暴露可诱导小鼠模型的心肌细胞凋亡和坏死，并伴随一系列病理变化，如线粒体肿胀、胶原纤维增生和炎症细胞浸润，最终导致心肌间质纤维化和舒张功能障碍。这些研究结果提示，砷对心脏的损害不仅限于直接的细胞毒性作用，还可能通过复杂的病理机制引发炎症反应。

当前的研究表明，砷引发的心肌损伤涉及多种病理机制，例如线粒体功能障碍、内质网应激以及炎症级联反应。然而，这些机制的具体分子调控过程仍不完全明确。近年来，有证据表明，除了经典的凋亡和自噬途径外，程序性坏死（necroptosis）在砷的心脏毒性中起着核心作用。necroptosis是一种依赖于受体相互作用蛋白激酶（RIPKs）的非凋亡性细胞死亡方式，特别是RIPK1和RIPK3在这一过程中发挥关键作用。当necroptosis被激活时，RIPK1/RIPK3复合体会招募并磷酸化混合谱系激酶结构域样蛋白（MLKL），促使MLKL寡聚化并转移到细胞膜，最终导致膜破裂和细胞裂解。这一过程会释放损伤相关分子模式（DAMPs），进而激活NOD样受体家族含PYD结构域3（NLRP3）炎性小体。NLRP3炎性小体通过招募凋亡相关斑点样蛋白含CARD结构域（ASC）形成炎症复合体，进一步激活Caspase-1，从而促进促炎细胞因子IL-1β和IL-18的成熟和释放，最终引发以细胞坏死为特征的炎症反应，即necroinflammation。

本研究的前期工作已经表明，砷暴露能够激活necroptosis，进而触发NLRP3炎性小体的激活。然而，具体的分子调控机制仍有待进一步阐明。有研究指出，F-actin细胞骨架的破坏可以激活NLRP3炎性小体，从而导致IL-1β和IL-18的高表达，这提示了细胞骨架重塑在炎症调控中的关键作用。但目前尚无研究明确探讨F-actin破坏是否通过NLRP3炎性小体的激活导致砷诱导的心肌炎症损伤。因此，本研究采用体外H9C2大鼠胚胎心肌细胞和体内MLKL基因敲除的C57BL/6小鼠模型，系统地探讨了细胞骨架破坏在慢性砷暴露引发的心肌necroinflammation中的作用。研究结果不仅有助于深入理解砷与心血管疾病之间的关系，也为开发针对砷中毒心脏损伤的靶向治疗策略提供了理论基础。

为了评估慢性砷暴露对心肌组织和H9C2细胞的影响，本研究构建了相应的动物模型。实验中，将4周龄的雄性C57BL/6小鼠（体重18-22克）随机分为四组（每组3只），其中对照组给予正常饮食和蒸馏水，而砷暴露组则分别给予含2.8、8.4和25.2毫克/升的亚砷酸钠（NaAsO?）污染水，持续8周。这些NaAsO?浓度的选择基于本研究团队的前期实验结果。实验过程中，每周对小鼠的体重和临床状况进行监测，以评估其整体健康状态和砷暴露的影响。在实验结束时，对小鼠进行相关检测，以分析其心肌组织的变化。

在体外实验中，H9C2细胞被暴露于不同浓度的砷（8-32微摩尔），持续24小时。为了进一步研究MLKL、NLRP3和F-actin在砷诱导的心肌损伤中的作用，本研究还使用了针对MLKL的抑制剂（Nec-1、GSK-872和NSA）、针对NLRP3的抑制剂（MCC950）以及针对F-actin稳定性的药物（Jasplakinolide）。结果显示，砷的剂量依赖性暴露显著提高了心肌组织和H9C2细胞中p-MLKL和NLRP3蛋白的表达水平。而通过MLKL基因敲除或使用MLKL抑制剂，可以明显抑制NLRP3的激活，并减轻心脏损伤的程度。此外，砷暴露还导致了F-actin的解聚和肌动蛋白表达的减少，这一变化在MLKL基因敲除小鼠和使用MLKL抑制剂的条件下得到了部分逆转。值得注意的是，F-actin稳定剂Jasplakinolide能够显著抑制NLRP3的激活，但并不影响MLKL的磷酸化。这表明，F-actin的稳定性可能在NLRP3炎性小体的激活过程中发挥重要作用，而MLKL的磷酸化可能通过影响F-actin结构间接调控NLRP3的活性。

上述研究结果揭示了慢性砷暴露引发心肌损伤的潜在机制：MLKL的磷酸化导致F-actin的解聚，进而激活NLRP3炎性小体，形成“坏死性细胞死亡-细胞骨架破坏-炎症风暴”的恶性循环。通过靶向抑制MLKL，不仅可以重塑细胞骨架网络，还能有效抑制necroinflammation的进展，从而减轻心脏损伤。这为未来针对砷中毒相关心脏疾病的研究和治疗提供了新的思路和方向。

从更广泛的角度来看，砷引发的心肌损伤涉及多个层面的相互作用。首先，砷能够直接干扰细胞内的能量代谢，影响线粒体功能，进而导致细胞死亡和炎症反应。其次，内质网应激的激活会触发未折叠蛋白反应（UPR），破坏细胞内的钙离子平衡，并异常激活钙蛋白酶系统，进一步加剧细胞损伤。此外，砷还能激活NF-κB等炎症信号通路，促进促炎细胞因子如TNF-α和IL-6的释放，从而推动炎症级联反应的发展。这些机制相互交织，共同作用于心肌组织，最终导致心功能障碍。

值得注意的是，NLRP3炎性小体的激活不仅与细胞坏死有关，还可能通过多种信号通路与细胞骨架的动态变化产生联系。F-actin作为细胞骨架的重要组成部分，其结构的稳定性对维持细胞形态、细胞迁移和细胞信号传导至关重要。当F-actin发生解聚时，细胞的结构完整性受到破坏，可能促进炎症因子的释放，进而激活NLRP3炎性小体。这一过程在慢性砷暴露的背景下尤为关键，因为长期的低剂量接触可能导致细胞骨架的持续性损伤，从而引发持续的炎症反应。因此，研究F-actin在砷诱导的心肌炎症中的作用，不仅有助于揭示其在炎症调控中的角色，还可能为开发新的治疗策略提供依据。

此外，MLKL作为necroptosis的关键执行者，其磷酸化状态与细胞坏死的发生密切相关。在本研究中，MLKL的抑制显著减轻了砷诱导的心肌损伤，提示其在心肌炎症中的重要作用。然而，MLKL的磷酸化并不直接导致NLRP3的激活，而是通过影响F-actin的结构间接发挥作用。这一发现为理解necroptosis与NLRP3炎性小体之间的相互关系提供了新的视角。同时，这也说明了细胞骨架的动态变化可能在连接necroptosis和炎症反应中扮演重要角色。

综上所述，慢性砷暴露通过多条路径引发心肌损伤，其中necroptosis和NLRP3炎性小体的激活是重要的组成部分。而F-actin的破坏则可能是连接这两者的关键桥梁。通过抑制MLKL或稳定F-actin，可以有效阻断这一恶性循环，从而减轻心脏损伤。因此，针对MLKL-F-actin-NLRP3轴的干预可能成为预防和治疗砷相关心肌损伤的新策略。这一研究不仅有助于深化对砷中毒机制的理解，也为开发具有临床应用潜力的靶向治疗方案提供了科学依据。

在研究过程中，本团队遵循了严格的伦理规范，所有动物实验均按照ARRIVE指南（动物研究：体内实验报告指南）和美国国立卫生研究院（NIH）的《实验室动物护理与使用指南》进行。实验方案已经通过西安交通大学动物伦理委员会的审查和批准，批准号为XJTUAE2023-163。此外，本研究的作者声明不存在潜在的竞品利益冲突，确保了研究的客观性和科学性。

在实验设计方面，本研究采用了体外和体内相结合的方法，以全面评估砷对心肌组织的影响。H9C2细胞作为心肌细胞的代表，能够模拟心肌细胞在砷暴露下的生理和病理变化。而MLKL基因敲除的小鼠模型则有助于研究MLKL在这一过程中的具体作用。通过比较不同处理组之间的变化，本研究能够更准确地揭示砷诱导心肌损伤的分子机制。

实验结果的分析不仅依赖于传统的免疫组化和Western blot技术，还结合了多种生物化学和分子生物学方法，以确保数据的可靠性和全面性。此外，研究还关注了不同浓度砷暴露对心肌组织和细胞的影响，从而揭示其剂量依赖性特征。这种系统性的研究方法有助于更全面地理解砷暴露与心肌损伤之间的关系，并为未来的临床研究提供参考。

在实际应用层面，本研究的发现可能对砷污染地区的公共卫生政策制定产生重要影响。通过识别砷引发心肌损伤的关键分子机制，可以为预防和干预措施提供科学依据。例如，针对MLKL-F-actin-NLRP3轴的药物干预可能成为一种有效的治疗手段，帮助减少砷中毒患者的心脏损伤风险。此外，这些研究结果还可以为开发新的诊断工具提供支持，例如通过检测特定的炎症标志物或细胞骨架相关蛋白的表达水平，来评估个体对砷暴露的敏感性。

在科学探索方面，本研究的成果也为后续的深入研究提供了方向。例如，可以进一步探讨其他细胞骨架蛋白（如微管蛋白或中间纤维）在砷诱导心肌损伤中的作用，或者研究不同类型的砷化合物对细胞骨架和炎症反应的影响差异。此外，还可以探索其他与NLRP3炎性小体相关的信号通路，以更全面地理解其在慢性砷暴露中的调控机制。

总之，本研究揭示了慢性砷暴露通过MLKL介导的F-actin破坏引发NLRP3炎性小体激活的机制，为砷相关心肌损伤的预防和治疗提供了新的理论基础和潜在的干预靶点。这些发现不仅有助于加深对砷毒理学的理解，还可能为相关疾病的治疗策略提供创新思路。同时，研究中采用的科学方法和严谨的实验设计也为未来类似研究提供了借鉴。