全氟辛烷磺酸盐(PFOS)通过干扰钙离子的调节机制导致红细胞功能异常,而糖尿病会加剧PFOS引发的血栓形成倾向

时间:2026年1月27日
来源:Journal of Hazardous Materials

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PFOS通过干扰红细胞钙稳态和膜脂翻转酶活性,导致红细胞变形性降低、磷脂酰丝氨酸外翻和微囊泡生成,增强促凝血活性,并在糖尿病条件下加剧这种效应,增加血栓风险。

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韩镇朴|崔成彬|金东贤|金恩惠|边艺颖|裴奥南
韩国汉阳大学药学院药学科学与技术研究所,安山15588

摘要

流行病学研究已充分证明了全氟辛烷磺酸盐(PFOS)与心血管疾病之间的关联,最近的一项研究还表明PFOS可能影响红细胞。然而,PFOS影响红细胞的潜在机制仍不甚明了。在本研究中,我们发现PFOS增强了人类红细胞的促凝活性,并在糖尿病条件下提高了红细胞对PFOS诱导的损伤的敏感性。PFOS暴露导致红细胞功能受损,表现为溶血增加、形态改变、变形能力下降以及膜完整性受损,这是由于磷脂酰丝氨酸(PS)外化作用增强和微囊泡(MV)生成增多所致。这些变化是由细胞内Ca²⁺失衡引起的,EGTA联合处理后PS外化作用得以恢复,从而证实了这一点。Ca²⁺失衡通过激活PANX1降低了红细胞中的ATP水平,并改变了磷脂转运酶(如flippase和scramblase)的活性,最终破坏了膜完整性。因此,PFOS增加了红细胞与内皮细胞的黏附性,并提高了凝血酶的生成。与体外研究结果一致,大鼠静脉血栓模型显示PFOS暴露后血栓重量增加。此外,在糖尿病条件下,人类红细胞对PFOS更为敏感,在高葡萄糖或甲基乙二醛存在下,PS外化和微囊泡生成更为明显。STZ诱导的糖尿病大鼠在PFOS处理后也表现出血栓重量增加,表明其对PFOS诱导的促凝作用更为敏感。综上所述,这些发现表明红细胞介导的机制可能增加了PFOS相关的血栓风险,尤其是在糖尿病患者等易感人群中。

引言

全氟烷基和多氟烷基物质(PFAS)因其两亲性结构而被广泛应用于各种商业和工业产品中[29],[54],并在环境中累积[24],[5],[9]。这些累积的PFAS通过多种途径进入人体[5],容易被吸收,通过血液循环并分布到各个器官[14],[26],[52]。主要发现全氟辛烷磺酸盐(PFOS)和全氟辛酸(PFOA)存在于人体血浆中[47],[77]。据报道,在中国,血浆中PFOS的浓度约为30,000 ng/mL(约60 μM)[77],而在美国约为100 ng/mL(约200 nM)[47]。2023年的同一研究中,PFOA的暴露浓度为10,000 ng/mL(约24 μM)[47]。此外,其结构稳定性使其无法被代谢途径清除,导致其在体内长期累积。
最近的研究表明,人体内累积的PFAS可诱发心血管疾病(CVD)和多种健康问题[36],[6]。PFAS持续引发炎症、生殖毒性和癌症,许多监管机构已呼吁限制其使用[6](Chain等人,2020;[19],[23],[36],[59],[73])。由于PFAS主要在血液中累积,其与心血管系统的毒性作用受到了广泛研究[20],[33],[43],[61]。Lin等人[43]基于队列研究指出,PFOS增加了颈动脉内膜-中层厚度(CMIT)(p < 0.001),表明动脉粥样硬化的风险增加[43]。Starling等人[61]计算出婴儿冠状动脉疾病(CAD)风险与PFOS暴露之间的比值比为1.21(1.09–1.34)[61]。特别是N Ding等人[20]发现,高血压患者的血清PFOS水平升高会降低其生存概率[20]。然而,当暴露于PFAS时,心血管疾病(CVD)发展的关键机制仍不清楚[69]。
红细胞(RBCs)是重要的运输细胞,负责将氧气和营养物质输送到外周组织,同时清除细胞呼吸过程中产生的代谢副产物[37],[8]。除了传统功能外,红细胞最近因其作为心血管稳态调节器的作用而受到关注,尤其是在血栓形成过程中。血栓形成在心血管疾病(CVDs)的发展和进展中起着重要作用[1]。尽管以往的研究主要集中在免疫细胞、血小板和凝血因子上,但历史上红细胞被认为只是被动地参与血栓形成[68]。然而,最近的研究开始将红细胞视为血栓形成中的重要细胞[68]。
红细胞通过多种途径调节血栓形成,包括离子介导的、机械性的和氧化还原介导的信号通路[15],[38]。细胞内钙离子(Ca²⁺)的调节对维持红细胞功能至关重要[10]。在红细胞中,Ca²⁺水平由多种膜Ca²⁺通道严格控制,并调节磷脂转运酶(flippase和scramblase)、pannexin 1(PANX1)和calpain 1等蛋白质的活性[32],[70]。这些信号导致红细胞膜完整性变化,增加磷脂酰丝氨酸(PS)向外膜的暴露,并促进微囊泡(MV)的形成[15],[38]。PS的外化和微囊泡的生成可以将凝血因子招募到红细胞膜上,激活凝血途径[56],[76]。
此外,最近的研究强调了PFOS与红细胞之间的潜在关联[44],[67]。多项临床报告显示,PFOS暴露会改变红细胞的血液学指标,如血红蛋白(Hb)、平均红细胞体积(MCV)、血细胞比容(HCT)和平均红细胞血红蛋白(MCH)[44]。
最新研究表明,红细胞功能障碍可能与糖尿病(DM)患者的心血管并发症密切相关[58],[62]。糖尿病患者的红细胞处于高氧化应激和高渗透压状态,导致变形能力下降和PS外化增加[71]。特别是,氧化应激的增加被认为是糖尿病条件下红细胞功能改变的关键因素[53]。甲基乙二醛(MG)作为糖尿病患者的代谢副产物,被认为是导致这种氧化应激增加的重要原因[13]。这些病理状态使红细胞更容易受到外来物质的影响,可能促进血栓形成[21],[35]。
在本研究中,我们使用分离的人类红细胞和大鼠体内血栓模型,探讨了PFAS对红细胞的影响及其对血栓形成的潜在贡献。此外,我们还利用体外模型(如甲基乙二醛或高葡萄糖模型以及链脲佐菌素诱导的糖尿病模型)评估了糖尿病条件下红细胞对PFOS的敏感性增加情况。

材料

甲醛溶液、四氧化锇、5(6)-羧基荧光素、氯化钾(KCl)、三磷酸腺苷(ATP)生物发光测定试剂盒、全氟辛烷磺酸盐(PFOS)钾盐、全氟辛酸(PFOA)、全氟丁烷磺酸盐(PFBS)钾盐和甲基乙二醛(MG)均购自Sigma-Aldrich(美国密苏里州圣路易斯)。Phycoerythrin标记的单克隆小鼠抗人CD235a抗体和荧光素异硫氰酸酯(FITC)标记的annexin V(annexin V-FITC)也用于实验。

PFOS对人类红细胞的溶血和膜完整性的影响

新鲜分离的人类红细胞分别暴露于0(溶剂)、25或50 μM的PFOS中,时间为3小时、6小时或24小时,通过测量血红蛋白的泄漏量来评估溶血情况。红细胞的整个裂解液作为阳性对照。在3小时暴露后,50 μM的PFOS并未显著增加溶血;而长时间暴露则导致了显著的溶血。溶剂组的溶血率为3.0%,25 μM和50 μM PFOS暴露组的溶血率分别为3.4%和4.7%。

讨论

在本研究中,我们发现PFOS破坏了细胞内Ca²⁺的水平,从而增强了人类红细胞的促凝活性。PFOS以时间和浓度依赖的方式诱导了PS的外化和微囊泡的生成。此外,PFOS还改变了红细胞的形态并降低了其变形能力。机制上,PFOS提高了电压依赖性钙通道(VOCC)的敏感性,增强了PANX1的活性,并增加了细胞内Ca²⁺和ATP的水平,同时增加了scramblase和flippase的活性。

结论

本研究表明,PFOS暴露迅速破坏了人类红细胞内的Ca²⁺稳态,从而增强了其促凝活性。PFOS引起的钙失衡导致磷脂酰丝氨酸(PS)外化、微囊泡(MV)生成和溶血,这些现象均与时间和浓度相关。PFOS还改变了红细胞的形态和变形能力,进一步促进了促凝表型的形成。
机制上,PFOS改变了

环境影响

我们首次证明了PFOS这种持久性有机污染物(POPs)的血栓风险。已有研究显示PFOS可诱发心血管疾病(CVD),最近的流行病学研究也表明PFOS暴露人群的心血管疾病风险增加。我们的研究结果提供了PFOS暴露后心血管疾病风险的证据,证明了PFOS通过快速破坏细胞内Ca²⁺稳态来激活促凝途径并增加血栓重量。我们还证明了

伦理批准

所有涉及人类血液的实验均获得了汉阳大学机构审查委员会(IRB,批准编号HYUIRB-202012-001-9)的批准;所有涉及动物的实验均获得了机构动物护理和使用委员会(IACUC,批准编号2024-0057A)的批准。

资金支持

本研究得到了韩国国家研究基金会(NRF-2022R1A24001434;RS2023-0021712)和韩国卫生福利部及韩国健康产业发展研究所的多部门研究项目(项目编号:HI23C1685)的资助。

作者贡献声明

裴奥南:写作、审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。金恩惠:写作、审稿与编辑、方法学。边艺颖:写作、审稿与编辑。崔成彬:写作、原始草稿、方法学。金东贤:写作、审稿与编辑、方法学。韩镇朴:写作、审稿与编辑、原始草稿、可视化、方法学、实验设计、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

无需要声明的利益冲突

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会(RS-2022-NR070655和RS-2023-00217123)的资助,以及韩国多部门研究项目(RS-2023-KH140699)资助的“制造基于人类细胞的人工血液和输血平台技术”项目的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
同意

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