摘要
可卡因仍然是全球消费最广泛的非法药物之一，对公共卫生构成了重大挑战。虽然其急性强化效应是通过促进多巴胺能和5-羟色胺能神经传递来实现的，但长期接触会导致广泛的神经生物学适应和系统性毒性。除了其精神活性外，可卡因还会通过诱导氧化应激、线粒体功能障碍和激活细胞凋亡通路，在包括大脑、心脏和肝脏在内的多个器官系统中产生多方面的细胞毒性作用。本综述对这些细胞和分子机制进行了全面分析，并介绍了关于查获可卡因的毒理学影响的新证据。原始的体外数据表明，可卡因与常见掺杂剂左旋咪唑、阿司匹林和咖啡因的结合通过协同作用显著加剧了细胞毒性。此外，本综述探讨了σ1受体（σ1R）在可卡因诱发毒性中的关键作用，这一作用得到了分子对接分析的支持，这些分析描述了可卡因、掺杂剂和保守受体残基之间的具体相互作用。这种受体介导的机制表明，它是导致该药物兼具毒性和强化效应的核心因素。总体而言，这些发现整合了实验、计算和文献证据，提供了对可卡因诱发毒性及其被掺杂剂调节的更深入的理解。
引言
可卡因仍是全球使用最广泛的非法药物之一，持续对公共卫生构成严重威胁。根据《2025年世界药物报告》，过去十年间全球可卡因使用量稳步增加，2023年估计有2500万使用者，而2013年为1700万。这一增长使得15至64岁人群中的使用率从0.36%上升至0.47%。与此同时，2023年的全球可卡因查获量达到了创纪录的高水平，比2019年增长了68%。根据用户估计和废水分析数据，最大的消费市场仍然是北美、西欧和中欧以及南美洲（联合国毒品和犯罪问题办公室2025年；Steinmetz 2017年）。
可卡因主要通过作用于大脑的奖赏系统来产生其精神活性和成瘾效应，该系统是一组调节愉悦感和动机的相互连接的区域（Nestler 200）。可卡因与单胺类神经递质多巴胺、去甲肾上腺素和5-羟色胺的转运蛋白（DAT、NET和SERT）结合并抑制其再摄取，具有类似的亲和力。然而，其主要的兴奋和强化效应主要来自DAT的阻断，这显著增加了纹状体中的细胞外多巴胺水平（Trifilieff和Martinez 2014）。单胺类物质在突触间隙积累，导致增强和持久的交感神经效应；多巴胺的积累引起欣快感和成瘾（Ritz等人1987），而同时产生的儿茶酚胺激增会引发全身生理应激。
除了这些神经适应性变化外，可卡因成瘾进程迅速，并伴随着超出其精神作用的严重医学后果（Cregler 1989）。新兴证据表明，这些临床并发症深深植根于该药物的固有细胞毒性。可卡因的代谢降解及由此产生的单胺类不平衡会引发氧化应激、线粒体功能障碍和程序性细胞死亡（Badisa等人2018；Donnelly等人1988；Liou等人2014；Dietrich等人2005）。这种毒理学效应不仅限于中枢神经系统，还扩展到心血管、肝脏和肾脏组织，在这些组织中，药物的负面影响经常因药物中存在的活性掺杂剂而加剧（Acosta和Anuforo 1976；Kazaks等人2019；Patierno等人1989）。
除了其对单胺转运蛋白的已知作用外，σ1受体（σ1R）的激活也是与可卡因的行为和毒性效应相关的关键分子成分（Navarro等人2010）。虽然转运蛋白介导的儿茶酚胺激增会引发全身应激，但σ1R作为多方面的调节因子，响应药物作用调节细胞内环境。该受体在最初的神经化学失衡与随后的细胞损伤之间起着关键作用，影响钙稳态、内质网应激和线粒体完整性（Lever等人2016）。因此，可卡因与σ1R之间的相互作用构成了该药物多系统细胞毒性和神经适应性结果的基本机制。
鉴于可卡因引起的全身性损伤日益重要，本综述首先阐明了该药物细胞毒性的典型细胞和分子机制，借鉴了体外和体内模型的现有证据。随后，扩展范围以整合关于常见掺杂剂（特别是阿司匹林、左旋咪唑和咖啡因）的细胞毒性影响的新证据，强调它们的协同作用如何加剧细胞损伤。最后，讨论了σ1受体作为调节这些细胞毒性过程的关键介质的作用。通过结合传统的机制见解与原创的体外和计算机模拟数据，本综述提供了关于查获可卡因毒理学现状的全面和更新的理解。
可卡因诱导的细胞毒性的全身图景
体内和体外研究一致表明，接触可卡因及其主要代谢物会在多个生物系统中引起显著的细胞毒性效应。在中枢神经系统（CNS）中，可卡因暴露已被证明会严重影响神经元和神经胶质细胞；在小鼠模型中，这表现为神经突起数量和长度的显著减少，随后是广泛的神经元死亡（Nassogne等人1995）。这些发现得到了使用NG108-15和C6细胞系的体外模型的进一步支持，这些细胞系暴露于可卡因的主要代谢物苯甲酰乙可宁后，细胞活力丧失并从生长表面脱落，证实了其对神经元和神经胶质细胞的固有毒性（Lin和Leskawa 1994）。
这些中枢神经系统病变的病理生理学根源在于氧化应激和氧化还原失衡。急性和慢性可卡因给药已被证明会在多巴胺能脑结构（如雄性大鼠的前额叶皮层和纹状体）中刺激活性氧（ROS）的产生，凸显其氧化损伤潜力（Dietrich等人2005）。在细胞水平上，表现为丙二醛（MDA）的产生增加以及超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性的代偿性升高。在C6胶质瘤细胞中，这种氧化反应导致线粒体功能障碍和显著的DNA损伤（Steinmetz等人2018）。这种基因毒性效应并非局部现象，因为观察到在雌性大鼠的前额叶皮层、海马体、纹状体和小脑中也存在DNA损伤（de Souza等人2014）。
可卡因的负面影响还扩展到心血管系统，其中毒性由功能受损和程序性细胞死亡驱动。在人类中，与可卡因相关的过量服用与心肌氧化损伤有关，主要是通过激活心脏的Fas依赖性和线粒体依赖性的细胞凋亡通路（Turillazzi等人2017）。类似机制也在雄性大鼠中发现，其中慢性暴露通过相同的通路触发心肌细胞凋亡（Liou等人2014）。此外，慢性暴露会扰乱抗氧化防御系统，表现为SOD、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）、谷胱甘肽还原酶（GR）和抗坏血酸（AA）水平升高，同时谷胱甘肽（GSH）严重耗尽（Fineschi等人2001）。除了直接的细胞毒性外，体外数据表明，可卡因通过抑制去甲肾上腺素再摄取、增强血管收缩和调节离子通道活性来损害心脏收缩力（Fineschi等人2001）。
肝脏和肾脏组织也对可卡因引起的氧化还原紊乱高度敏感。在DBA/2Ha小鼠中，急性暴露会导致严重的肝脏毒性，表现为线粒体膜破坏、肿胀和内质网应激（Gottfried等人1986）。这些形态学变化伴随着锰-SOD（Mn/SOD）活性和硫代巴比妥酸反应物质（TBARS）的增加，而GSH-Px和CAT活性降低（Gottfried等人1986）。这导致线粒体ROS生成增加以及细胞内ATP和GSH水平下降（Devi和Chan 1996）。体外实验表明，可卡因及其代谢物去甲可卡因和N-羟基诺可卡因进一步耗尽肝脏中的谷胱甘肽，增加过氧化氢水平，并触发细胞色素c的释放和caspase-3活性的激活（Thompson等人1979；Zaragoza等人2001）。同样，可卡因和去甲可卡因以剂量依赖的方式损害肾功能，降低肾细胞活力并削弱谷胱甘肽系统的抗氧化能力（Valente等人2012）。
可卡因通过免疫抑制和氧化应激之间的复杂相互作用产生全身毒性，长期暴露会加剧氧化还原失衡。来自大鼠模型的证据（Pacifici等人2003）显示，急性可卡因给药会暂时抑制T淋巴细胞增殖和自然杀伤（NK）细胞活性，并迅速改变Th1和Th2细胞因子谱型。这些急性免疫变化伴随着抗氧化谱型的即时、尽管是暂时的改变，表现为AA、GSH和GR活性的增加。这些全身性的氧化还原平衡和免疫功能的变化为神经组织中观察到的特异性细胞损伤提供了更广泛的生理背景。例如，除了直接的氧化还原失衡外，可卡因还作为神经炎症信号传导和细胞可塑性的强效调节因子。慢性给药已被证明会增加大鼠小脑中NF-κB的活性，NF-κB是一种广泛认可的氧化应激和炎症反应的关键传感器（López-Pedrajas等人2015）。这种炎症级联反应还扩展到神经血管单元，例如，周细胞暴露于可卡因会导致促炎细胞因子（包括TNF-α、IL-1β和IL-6）在细胞内和细胞外区的显著上调，以及自噬体的形成增加（Sil等人2016）。此外，可卡因还会破坏神经前体细胞（NPCs）的功能动态。研究表明，可卡因抑制这些细胞对CXCL12（基质细胞来源因子-1alpha）的迁移反应，这一现象与可卡因诱导的NPC表面CXCR4受体下调相关。此外，暴露于可卡因的NPCs会过早分化为表达神经元标记物的细胞。这一过程与SOX2（SRY相关HMG-box基因2）的抑制有关，SOX2是维持前体细胞未分化状态的关键转录因子（Xiao和Zhang 2008）。
可卡因的细胞毒性效应还体现在其通过内在和外在途径触发程序性细胞死亡的能力，特别是在关键发育阶段。在胎儿大脑中，产前可卡因暴露已被证明会以剂量依赖的方式增加caspase-3、caspase-8和caspase-9的活性。这种促凋亡环境是由Bcl-2家族蛋白的显著调节驱动的，其中Bax/Bcl-2比值的上升是可卡因诱导凋亡的主要介质（Xiao和Zhang 2008）。
与这些神经发育影响一致，可卡因对心肌组织也有显著的凋亡效应。在培养的胎儿大鼠心肌细胞中，该药物以时间和浓度依赖的方式诱导凋亡，其特征是线粒体释放细胞色素c和随后的caspase-9和caspase-3级联反应（Xiao等人2000）。这些分子事件伴随着心肌细胞的严重结构和超微结构损伤（Welder等人1988，1993）。此外，这种毒性的代谢特征包括ATP显著耗竭和乳酸脱氢酶（LDH）泄漏增加，表明存在显著的膜损伤和线粒体功能障碍——这些都是内在凋亡通路激活的标志（Yuan和Acosta 1996；Li等人2005）。可卡因的细胞毒性复杂性还体现在肾上腺嗜铬细胞（PC12）细胞模型中。在NGF分化的PC12细胞中，可卡因通过上调caspase-3和caspase-9的活性，在浓度高达500微米时降低细胞活力并诱导细胞凋亡；值得注意的是，更高剂量可能会改变细胞反应，无法引发相同的凋亡标志物（Imam等人，2012年）。除了凋亡外，可卡因还会在PC12细胞中触发坏死途径，表现为乳酸脱氢酶（LDH）释放增加、α-spectrin裂解以及抗凋亡蛋白Bcl-2下调（Lepsch等人，2009年）。这种毒性的关键机制是线粒体通透性转换孔（PTP）的开放。研究表明，可卡因诱导的死亡依赖于PTP的敏感性，因为给予PTP抑制剂（如环孢素A或二甲双胍）可以显著减轻药物的细胞毒性效应（Lamarche等人，2017年）。细胞发育的破坏还受到特定分子检查点的进一步影响。如前所述，可卡因暴露通过诱导细胞周期停滞来抑制人胎儿脑源性神经前体细胞（NPCs）的增殖，这一过程可能是由cyclin依赖性激酶抑制剂p21的上调介导的（Hu等人，2006年）。除了凋亡和坏死之外，可卡因还通过涉及一氧化氮和甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）的特异性信号级联反应引起自噬性细胞毒性。这种自噬驱动的特点是LC3-II水平显著升高和p62的耗竭。这一机制的关键证据在于，药理学抑制自噬，特别是耗竭关键介质如ATG5或beclin-1，可以提供针对可卡因诱导的死亡的保护，这进一步强调了失调的自噬在中枢神经系统病理学中的作用（Xiao和Zhang，2008年）。除了这些急性细胞损伤外，可卡因暴露还对细胞的表观遗传稳态产生深远影响，表明可能存在跨代毒性。在雄性小鼠的生殖细胞中，该药物显著扰乱了各种表观遗传调节因子的表达，表现为组蛋白去乙酰化酶（HDac1/2/8）、DNA甲基转移酶Dnmt3b和ten-eleven转位蛋白Tet1的水平下降，同时Dnmt3a的表达增加（González等人，2018年）。这些表观遗传变化表明，可卡因引起的损害超出了直接的细胞毒性，可能会改变生殖组织中的基因组调控景观。总之，大量证据强调了可卡因的多方面细胞毒性，主要是通过氧化还原失衡、线粒体功能障碍、促凋亡信号通路和表观遗传紊乱的复杂相互作用来实现的。这些有害效应普遍存在于各种生物系统中，为理解可卡因如何独立破坏细胞完整性提供了坚实的基础。
可卡因掺杂物相互作用：扩展细胞损伤的范畴
在这些系统性影响的基础上，必须认识到参与可卡因加工和掺杂的几种成分具有显著的细胞毒性潜力。这些包括加工过程中产生的化学残留物，如溶剂和碱化剂，以及惰性稀释剂，如滑石粉和硼酸。此外，在查获的样品中经常发现具有药理活性的掺杂物，包括咖啡因、利多卡因、对乙酰氨基酚和左旋咪唑，这些已知可以增强药物的毒性和拟交感效应（Lapachinske等人，2015年；Oliveira和Wagner，2013年；Tallarida等人，2014年）。例如，20微米的咖啡因暴露已被证明在大鼠心脏细胞中引起显著的毒性，表现为细胞活力下降、 vacuolization增加和伪足形成（Acosta和Anuforo，1976年；Kazaks和Collier，2019年）。同样，对乙酰氨基酚也被证明可以在小鼠胚胎细胞模型中引起细胞毒性（Patierno等人，1989年）。为了进一步阐明这些关联如何影响细胞完整性，本综述提供了新的未发表数据，通过MTT检测评估急性暴露下的细胞活力。根据研究小组之前建立的实验方案和标准化条件（Steinmetz，2017年），使用C6大鼠胶质瘤细胞系评估了可卡因（10微米）单独作用以及与常见掺杂物（左旋咪唑、咖啡因和对乙酰氨基酚）联合作用的效果（详细方法见补充信息）。在这些实验中，掺杂物的浓度固定为可卡因的10%、20%和30%，相当于每种化合物的1微米、2微米和3微米。通过Kruskal–Wallis检验后进行Dunn的后续检验的统计分析显示，单独使用可卡因并未显著降低细胞活力（图1和表1）。同样，单独使用掺杂物在测试浓度下也未达到统计显著的细胞毒性水平（表1）。
图1
相比之下，当这些物质结合使用时，特别是在较高浓度下，观察到了强烈的协同效应。可卡因与咖啡因的结合在所有测试浓度下均显著降低了C6细胞的活力（p<0.05）。对于对乙酰氨基酚和左旋咪唑，在最高浓度30%（3微米）时观察到显著的细胞毒性，对应的p值为0.0147和0.0276（图1，表1）。这些发现至关重要，因为它们表明，在查获的可卡因中观察到的高细胞毒性并非仅仅是这种生物碱的固有属性，而是由其非法生产中使用的助剂和掺杂物的协同作用显著放大的。
西格玛受体与可卡因的细胞毒性
越来越多的证据表明，西格玛受体，特别是σ1R亚型，是可卡因毒性和增强效应的关键调节器。值得注意的是，可卡因可以直接结合σ1R，并在体内的结合浓度（ED50）大约是多巴胺转运蛋白（DAT）结合浓度的2.5倍时占据这些受体（Lever等人，2017年）。这种相互作用已被证明是导致关键行为结果（如过度运动、抽搐和致死性）的基础。在啮齿动物模型中，降低σ1R的脑浓度或使用选择性拮抗剂（如BD1008、BD1047和LR172）可以一致地减轻可卡因引起的行为毒性，而σ1R激动剂则会加剧这些反应（Lever等人，2017年；Navarro等人，2010年；McCracken等人，1999年；Matsumoto等人，2001年）。在细胞水平上，σ1R在中枢神经系统和外周组织中广泛表达，它通过在内质网（ER）和线粒体之间的独特定位（称为线粒体相关膜（MAM）发挥多效功能（Novakova等人，1995年；Wolfe等人，1997年；Alonso等人，2000年；Maurice和Su，2009年）。作为分子伴侣，σ1R调节ER应激反应、钙平衡、线粒体代谢和凋亡信号通路（Hayashi和Su，2003年；Mavlyutov等人，2017年；Yasui和Su，2016年）。作为激动剂，可卡因促进σ1R寡聚化并从伴侣蛋白BiP上解离，从而调节IP₃受体、离子通道和多巴胺转运蛋白等目标蛋白的功能，进而影响细胞内钙流和多巴胺能神经传递（Balasuriya等人，2014年；Nguyen等人，2017年；Chu和Ruoho，2016年；Chu等人，2013年；Hayashi和Su，2007年）。相反，σ1R拮抗剂稳定其与BiP的结合并抑制这些下游效应（Aydar等人，2002年）。此外，与可卡因相关的神经炎症效应似乎与西格玛受体活性有内在联系。研究表明，可卡因介导的内皮细胞激活涉及自噬的失调和ER应激途径的上游激活。这一级联反应导致促炎细胞因子的产生，而通过药理学阻断σ1R可以有效地消除这一过程（Sil等人，2019年）。这些发现表明，针对σ1R或其上游ER应激调节因子是缓解可卡因在神经血管单元中引起的炎症的有希望的治疗策略。补充这些机制的是，σ2R也通过调节钙信号传导和促进非caspase依赖的细胞死亡来贡献于药物的细胞毒性特征，进一步确立了西格玛受体作为可卡因暴露导致的细胞和行为后果的核心调节器（Crawford和Bowen，2002年；Hanner等人，1996年；Bowen，2000年；Matsumoto和Mack，2001年；Matsumoto等人，2007年）。将这些机制与专门为本综述进行的新型计算机模拟分析（图2）相结合。最近的分子对接技术进展（Guedes等人，2024年）被用来表征可卡因及其常见掺杂物在σ1R结合口袋内的结合情况（详细方法见补充信息）。这些计算评估揭示了所有测试配体与受体特定残基之间的高度保守的相互作用，其中Tyr103、Leu105、Glu172和Leu182成为关键的接触点。其中，Leu182不与最小的分子咖啡因相互作用，这突出了其结合模式中可能存在的空间或结构限制。Tyr103和Leu105位于σ1R的典型配体结合区域内，如UniProt（Q99720）中所注释的，而Glu172则基于与其他晶体学复合物的相似性被描述为配体相互作用的必需残基（Schmidt等人，2016年，2018年）。这些结果不仅支持这些残基在稳定可卡因结合中的关键作用，还表明结构相关的污染物如左旋咪唑和对乙酰氨基酚利用了相同的相互作用热点。计算出的结合能量证实了这一特征，其中可卡因（-9.14千卡/摩尔）显示出最高的亲和力，其次是左旋咪唑（-8.97千卡/摩尔），而对乙酰氨基酚（-8.18千卡/摩尔）和咖啡因（-7.87千卡/摩尔）显示出较低但仍然相关的结合能量。
图2
除了残基水平的接触外，之前为σ1R提出的药效团模型（Glennon等人，1994年）为解释这些发现提供了补充框架。值得注意的是，除了咖啡因外，所有测试的配体都能够满足药效团要求，这与晶体学数据一致，并强调了它们作为功能性σ1R配体的能力。咖啡因的情况特别有趣，因为该分子含有多个氮原子，根据所考虑的参考原子，这些氮原子可能会以不同的方式满足药效团约束，这表明可能存在需要进一步探索的替代相互作用模式。总的来说，这些分子对接结果不仅证实了可卡因与σ1R相互作用的实验证据，还揭示了其常见掺杂物可能对该受体的调节作用，这对实际使用中的可卡因的药理学和毒理学特征具有重要意义。在这多系统损伤中，σ1R本身起着关键作用，它作为一个重要的分子支架和伴侣。可卡因及其掺杂物与σ1R的相互作用扰乱了钙平衡和线粒体代谢，进一步加剧了之前描述的氧化和凋亡过程。在功能水平上，σ1R调节ER应激、离子通道（如Kv1.2和NMDA）和多巴胺受体相互作用，这些共同决定了神经元的兴奋性和突触可塑性，这些都是可卡因增强效应的核心。临床前模型表明，抑制σ1R不仅减少了可卡因诱导的多巴胺信号传导和增强作用，还减少了神经毒性和炎症途径，例如在免疫模型中的组织蛋白酶B分泌（López等人，2019年）。
总之，可卡因的多系统细胞毒性是由氧化还原平衡的逐步崩溃和线粒体功能障碍驱动的，导致广泛的细胞损伤。使用C6大鼠胶质瘤细胞进行的原始体外评估表明，这种毒理学特性在常见掺杂物（如左旋咪唑、对乙酰氨基酚和咖啡因）的协同存在下显著加剧。这些发现表明，在查获的可卡因中发现的掺杂物不仅仅是惰性填充物，而是细胞损伤的活性增强剂。虽然本综述基于这些受控的实验和计算机模拟模型，但证据表明，在体内可卡因的细胞毒性潜力可能会进一步增强。诸如长期暴露、这些化合物的代谢激活以及它们在靶器官中的差异性积累等因素，可能会放大有害影响，使其超出细胞实验观察到的结果。总体而言，这些机制——包括典型的氧化损伤、辅剂介导的协同作用以及σ1R的调节作用——共同构成了可卡因滥用的复杂病理机制，如图3系统地整合所示。在这一框架中，σ1R作为一个核心分子支架，介导从结构相互作用到系统性损伤的转变。未来的研究应优先进行体内实验，以验证这种协同毒性的程度，并确定靶向σ1R是否能够有效缓解可卡因及其常见掺杂物的综合行为和细胞毒性效应。理解这些多方面的相互作用，可以更全面地了解可卡因的真实情况，从而指导制定减少可卡因使用对人类健康影响的策略。
图3：该图像的替代文本可能是利用人工智能生成的。
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可卡因暴露通过σ1R相互作用诱导的细胞死亡途径的示意图。可卡因会促进氧化应激（↑ROS）、线粒体功能障碍（↓ATP、细胞色素c释放），并激活通过caspase-9和caspase-3的内在凋亡级联反应。这些效应伴随着促凋亡蛋白BAX的上调、抗凋亡蛋白Bcl-2的下调，以及通过FAS/FAS-L和caspase-8激活的外在凋亡途径，最终导致细胞凋亡或坏死。可卡因还会触发炎症信号通路（IL-6、TNF、NF-κB），并下调SOX2和Cyclin A，从而导致细胞周期停滞。据推测，掺杂物（左旋咪唑、咖啡因、苯乙酰嗪）会与σ1R相互作用，增强或调节这些细胞毒性效应，从而促进整体的氧化和凋亡反应。
