Int. J. Biol. Sci：环境镉与百草枯如何协同诱发帕金森样神经毒性？IJBS揭示mito-ROS/OPA1/Caspase-3/GSDME机制轴

帕金森病是最常见的神经退行性疾病之一。除了震颤、运动迟缓、肌强直等典型运动症状，患者还常伴随认知下降、情绪异常等非运动症状。长期以来，遗传因素被认为是帕金森病的重要原因，但对于多数散发病例而言，环境暴露同样不可忽视。

现实中的环境暴露往往不是“单一毒物”模式。人们可能同时接触农药、重金属、空气污染物和食品链污染物。

问题在于：当某些污染物单独低剂量暴露时并不表现出明显毒性，它们联合出现时是否会产生更强的神经损伤？

2026年，湖南大学王立明团队等在 International Journal of Biological Sciences发表研究论文Synergistic Neurotoxicity of environmental Cadmium and Paraquat in Parkinsonism: Unveiling the Mito-ROS/OPA1/Caspase-3/GSDME-driven Apoptosis Axis。文章聚焦两类常见环境毒物：镉 Cd 和百草枯 PQ，系统解析二者低剂量慢性共暴露如何诱导帕金森样神经毒性。

1这篇文章想解决什么问题？

镉是一种典型重金属污染物，可通过工业排放、水体和食物链进入人体；百草枯是一种广泛使用的除草剂，也被大量研究证实与氧化应激、线粒体损伤和神经毒性相关。已有研究显示，二者单独暴露都可能损伤神经系统。

但这篇文章真正关心的不是“Cd或PQ是否有毒”，而是另一个更接近现实的问题：如果Cd和PQ都处在相对低剂量、单独暴露毒性有限的水平，二者联合是否会产生协同神经毒性？如果会，这种损伤是通过哪条分子通路发生的？最终是否会表现为帕金森样行为异常和多巴胺神经元退行性改变？

2整体思路：从细胞毒性到动物行为，再回到分子机制

作者的研究路径非常清晰。

第一步，在SH-SY5Y神经细胞中分别测试Cd和PQ的剂量反应，找到单独暴露时毒性较低的剂量窗口。第二步，将两个亚毒性剂量联合处理，判断是否出现协同毒性。第三步，解析这种细胞死亡属于哪类死亡方式。第四步，继续追踪上游机制，重点分析线粒体ROS、OPA1加工失衡、caspase激活和GSDME裂解。第五步，在小鼠慢性共暴露模型中验证这种机制是否对应帕金森样行为缺陷和黑质-纹状体多巴胺系统损伤。

换句话说，这篇文章不是只停留在“现象观察”，而是试图建立一条完整证据链：环境毒物共暴露 -> 线粒体氧化应激 -> OPA1失衡和线粒体碎片化 -> caspase-3/GSDME介导的凋亡放大 -> 多巴胺神经元损伤 -> 帕金森样行为异常。

3结果一：低剂量Cd和PQ联合暴露产生协同细胞毒性

作者首先使用SH-SY5Y细胞作为体外神经细胞模型。通过MTT、CCK-8和PI摄取实验，他们分别检测Cd和PQ对细胞活力、增殖能力和细胞膜完整性的影响。

结果显示，Cd在较高浓度下会明显降低细胞活力，而PQ在150 μM以下未引起显著形态变化或细胞活力下降。基于这些结果，作者选定5 μM Cd和150 μM PQ作为后续共暴露实验的亚毒性剂量。

真正关键的是联合处理。通过Combination Index分析，作者发现5 μM Cd与150 μM PQ共处理36小时后，CI值小于1，提示二者具有协同毒性。形态学观察、MTT、CCK-8和PI摄取结果也一致显示，共暴露组细胞损伤明显重于任一单独处理组。

这一结果说明，低剂量环境毒物的风险不能简单按照单一暴露来估算。两个单独看起来“损伤有限”的因素，联合后可能跨过细胞耐受阈值。

同时暴露于亚毒性镉（Cd）和对氯苯酚（PQ）可诱导协同细胞毒性效

4结果二：共暴露诱导的是线粒体相关凋亡

接下来，作者进一步追问：Cd/PQ共暴露导致的细胞死亡究竟是什么类型？

他们使用Annexin V-FITC/PI流式检测细胞凋亡，并通过DNA ladder实验观察典型的凋亡性DNA片段化。同时，Western blot显示共暴露组cleaved caspase-9和cleaved caspase-3明显升高。

在线粒体凋亡通路中，BAX活化并转位到线粒体，随后促进cytochrome c从线粒体释放到胞质中。作者通过线粒体/胞质蛋白分离和共聚焦观察发现，Cd/PQ共暴露显著促进BAX线粒体转位和cytochrome c释放。

更重要的是，当使用广谱caspase抑制剂Q-VD预处理后，共暴露诱导的凋亡表型得到明显缓解。这说明Cd/PQ共暴露造成的细胞死亡主要依赖caspase介导的凋亡程序，尤其与线粒体内源性凋亡通路密切相关。

镉（Cd）与对氯苯醌（PQ）共同暴露可诱导SH-SY5Y细胞发生凋亡

5结果三：GSDME是凋亡过程中的重要放大器

GSDME是gasdermin家族成员。它可以被caspase-3切割，产生N端片段GSDME-N。GSDME-N具有成孔能力，可进一步影响细胞膜或线粒体膜通透性，从而放大细胞死亡信号。

在这篇文章中，作者发现Cd/PQ共暴露可以诱导全长GSDME裂解为约30 kDa的GSDME-N片段，并且GSDME-N在线粒体中的分布增加。Q-VD预处理可以降低GSDME裂解，说明这一过程依赖caspase活化。

为了验证GSDME是否只是伴随变化，还是功能性参与者，作者进一步构建GSDME敲低细胞。结果显示，敲低GSDME后，Cd/PQ共暴露诱导的细胞凋亡明显减轻。相反，敲低另一个焦亡相关执行蛋白GSDMD并未显著改变该模型中的细胞死亡。

这一步的意义在于，作者把GSDME从“被检测到的分子变化”推进为“参与损伤放大的功能节点”。在这条通路中，caspase-3不仅是凋亡执行者，还通过切割GSDME进一步增强线粒体损伤和细胞死亡。

GSDME 介导镉（Cd）与PQ共同暴露诱导的细胞凋亡

6结果四：mito-ROS是上游关键触发因素

线粒体是细胞内ROS的重要来源。既然Cd和PQ都与氧化应激有关，作者自然将目光转向线粒体ROS，也就是mito-ROS。

他们使用MitoSOX Red结合流式细胞术检测mito-ROS水平。结果显示，Cd/PQ共暴露显著增加mito-ROS。随后，作者使用NAC和Mito-Tempo进行干预。NAC是广义抗氧化剂，Mito-Tempo更偏向线粒体ROS清除。

干预结果显示，清除ROS尤其是mito-ROS后，细胞形态损伤、凋亡比例、caspase-9/caspase-3活化以及GSDME裂解均得到缓解。

这说明mito-ROS不是一个简单的伴随指标，而是Cd/PQ共暴露诱导凋亡和GSDME激活的重要上游事件。换句话说，线粒体氧化应激是这条损伤链条的起点之一。

线粒体活性氧（ROS）在线粒体 GSDME 的激活及细胞凋亡的诱导过程

7结果五：OPA1加工失衡连接mito-ROS与线粒体碎片化

线粒体不是静止结构，而是不断发生融合与分裂。OPA1是维持线粒体内膜融合和嵴结构稳定的关键蛋白，存在长型L-OPA1和短型S-OPA1。二者平衡一旦被打破，线粒体形态和功能都会受到影响。

作者发现，Cd/PQ共暴露导致ATP水平下降，并引起明显线粒体碎片化。进一步检测线粒体动力学相关蛋白后发现，共暴露显著影响OPA1加工状态，表现为L-OPA1与S-OPA1比例失衡。

为了证明OPA1变化具有功能意义，作者进行了两个关键干预：其一，敲低OMA1。OMA1是参与OPA1加工的蛋白酶。其二，构建OPA1-FL和OPA1-ΔS1稳定表达细胞，其中OPA1-ΔS1为S1位点抗裂解突变形式。结果显示，调节OMA1或表达抗裂解OPA1可以部分恢复OPA1状态，并减轻共暴露诱导的细胞损伤和凋亡。

这一结果把机制链条进一步串起来：Cd/PQ共暴露升高mito-ROS，mito-ROS扰乱OPA1加工，导致线粒体碎片化和功能障碍，最终推动caspase-3/GSDME介导的凋亡放大。

线粒体活性氧（ROS）通过破坏OPA1加工平衡而加剧线粒体损伤

8结果六：小鼠慢性共暴露出现帕金森样行为异常

体外机制成立后，作者进一步建立小鼠慢性共暴露模型。实验使用雄性C57BL/6小鼠，分为对照组、Cd组、PQ组和Cd+PQ组。Cd通过25 mg/L饮水暴露，PQ以5 mg/kg腹腔注射、每周两次，持续8周。

随后，作者进行了一系列行为学检测。旷场实验显示，共暴露小鼠自发活动减少，运动距离和平均速度下降。抓力/悬挂实验显示其肌力和耐力下降。转棒实验中，共暴露组小鼠掉落时间缩短，提示运动协调和平衡能力受损。爬杆实验中，共暴露组下爬时间延长，符合帕金森样运动迟缓特征。

此外，Morris水迷宫结果显示，共暴露小鼠逃避潜伏期延长，空间学习和记忆能力受损。也就是说，Cd/PQ慢性共暴露不仅造成运动异常，也影响认知功能。

镉（Cd）与对苯二酚（PQ）共同暴露可导致小鼠出现显著的神经行为

9结果七：黑质-纹状体多巴胺系统发生退行性损伤

帕金森病的核心病理特征之一，是黑质致密部多巴胺神经元丢失及黑质-纹状体通路受损。为验证行为异常背后的组织学基础，作者进一步分离小鼠黑质SN和纹状体STR进行检测。

Western blot显示，共暴露组SN和STR中的TH水平下降。TH是多巴胺合成关键酶，也是多巴胺神经元常用标志物。与此同时，OPA1加工异常、caspase-9/caspase-3激活以及GSDME-N生成也在脑组织中被观察到。

透射电镜结果显示黑质区域线粒体结构受损；TH免疫荧光进一步显示多巴胺神经元标志下降。这些结果与体外细胞实验相互呼应，说明Cd/PQ共暴露不仅在培养细胞中激活这条死亡通路，也能在动物脑组织中诱导类似机制，并最终表现为帕金森样神经病理改变。

镉（Cd）与对苯二酚（PQ）共同暴露可诱导黑质纹状体多巴胺能神经

10这篇文章的创新点在哪里？

第一，研究视角从单一毒物转向混合暴露。现实世界中，人类面对的环境风险往往是多种污染物共同存在，这篇文章用Cd和PQ组合模拟了这种更复杂的暴露场景。

第二，文章证明了低剂量共暴露的协同效应。Cd和PQ单独亚毒性处理时损伤有限，但联合后显著诱导神经细胞死亡和动物行为异常。

第三，文章提出了较完整的机制轴：mito-ROS/OPA1/Caspase-3/GSDME。这个机制把氧化应激、线粒体动力学失衡、凋亡执行和GSDME放大效应连接起来。

第四，作者不仅观察相关性，还通过NAC、Mito-Tempo、Q-VD、GSDME敲低、OMA1敲低和OPA1抗裂解突变等干预手段增强因果证据。

第五，研究完成了从细胞模型到小鼠行为学和脑组织病理的验证，使证据链更加完整。

11主要实验方法总结

这项研究使用的实验体系可以分为四类。

细胞层面，作者使用SH-SY5Y细胞，进行Cd/PQ单独和联合处理，并通过MTT、CCK-8、PI摄取、Annexin V/PI流式、DNA ladder等方法判断细胞毒性和凋亡。

机制层面，作者使用Western blot、线粒体/胞质蛋白分离、共聚焦显微镜、MitoSOX流式检测等方法，分析BAX转位、cytochrome c释放、caspase激活、GSDME裂解、mito-ROS生成和OPA1加工状态。

干预层面，作者使用NAC、Mito-Tempo、Q-VD等药理工具，并结合GSDME shRNA、OMA1 siRNA、OPA1-FL和OPA1-ΔS1稳定表达细胞，验证关键节点的功能作用。

动物层面，作者建立雄性C57BL/6小鼠8周慢性共暴露模型，通过旷场、抓力/悬挂、转棒、爬杆、尾悬和Morris水迷宫检测运动与认知行为，并通过TH免疫荧光、透射电镜和Western blot分析黑质-纹状体病理变化。

12局限性与谨慎解读

需要注意的是，这项研究的动物实验只使用了雄性小鼠。帕金森病在流行病学、进展速度和病理机制上存在性别差异，因此这些发现是否完全适用于雌性动物，还需要进一步验证。

此外，SH-SY5Y细胞虽然常用于神经毒性研究，但它并不能完全代表人类中脑多巴胺神经元。小鼠帕金森样模型也不能直接等同于人类帕金森病。因此，这篇文章更适合被理解为环境混合暴露诱发神经退行性改变的机制研究，而不是直接给出临床治疗结论。

这篇文章最重要的价值，不只是再次证明镉和百草枯具有神经毒性，而是把“混合环境暴露”放回了帕金森样病理形成的机制框架中。

作者提出，低剂量Cd和PQ慢性共暴露会显著放大线粒体ROS生成，扰乱OPA1加工平衡，诱导线粒体碎片化和功能障碍；随后激活caspase-3，并通过GSDME裂解进一步放大神经细胞凋亡，最终导致黑质-纹状体多巴胺系统损伤和运动、认知行为异常。

对于环境健康和神经退行性疾病研究而言，这项研究提醒我们：真正值得警惕的，可能不是单一污染物的孤立毒性，而是长期、低剂量、多因素共同暴露下被放大的生物学后果。

在该研究中，研究人员使用了赛昂斯大小鼠转棒疲劳仪（SANS，SA102）来进行实验操作。

作者提示: 个人观点，仅供参考

原文链接：https://www.ijbs.com/v22p2885.htm

SA102 大小鼠转棒疲劳仪

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SA210 悬尾实验视频分析系统

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