《食品科学》：西南大学陈科伟教授、中匈食品科学合作研究中心蔡甜讲师等：多组学方法探究叶绿素对镉诱导小鼠肝肾损伤的缓解作用

随着农业和工业的快速发展，镉（Cd）作为一种广泛存在的环境污染重金属，已成为全球性的食品安全隐患。镉通过食物链在生物体间传递，长期暴露会导致肝脏、肾脏及其他器官功能损伤，具有明显的肾毒性、肝毒性、致癌性及生殖毒性。此外，不同食源性形态的镉可能呈现不同毒性效应特征，进一步增加了膳食镉风险管理与干预研究的复杂性。国际癌症研究机构（IARC）将镉及其化合物列为I类致癌物。在国际食品安全风险评估体系中，FAO/WHO食品添加剂联合专家委员会将镉的健康风险控制值由“周”尺度调整为更符合其蓄积特征的“月”尺度，并设定暂定每月耐受摄入量为25 μg/kg mb，提示需长期关注膳食镉暴露带来的慢性健康风险。我国居民膳食镉暴露具有显著的地域与膳食结构相关性，稻米/谷物及部分蔬菜等是重要来源，且南方地区人群总体暴露水平往往更高；儿童等敏感人群的暴露与健康风险亦更值得关注。同时，镉在人体内具有生物半衰期长、体内累积性强等特点，其在肾脏中的生物半衰期可达十余年，长期低剂量暴露即可造成以肾小管损伤为核心的慢性肾损伤，并可伴随肝脏氧化应激、炎症反应等多器官毒性。因此，针对膳食活性成分干预镉致肝肾损伤的机制研究具有重要的现实意义与应用价值。

镉通过多复杂因素诱发机体损伤。例如，镉暴露可诱导DNA损伤、活性氧（ROS）生成以及细胞凋亡，进而引发肝细胞死亡和损伤、氧化应激与炎症反应。据报道，氧化应激是镉诱发小鼠肝肾损伤的主要因素。因此，通过提高抗氧化能力减轻镉引发的危害已成为当前毒理学研究中的一个重要方向。植物化学物质具有抗炎、抗氧化和抗肿瘤活性等多种生物活性，其对机体的有益影响通过调节细胞增殖、凋亡（程序性细胞死亡）和炎症反应等多种细胞过程介导。槲皮素、儿茶素、花青素、姜黄素和葛根素可作为天然拮抗剂。例如，槲皮素作为重要的黄酮类化合物，具备显著的抗氧化活性，已在多种肾毒性模型中显示出肾脏保护作用。姜黄素亦能有效抑制镉对小鼠肝脏和肾脏的氧化损伤。叶绿素是最丰富的天然色素之一，广泛存在于绿色蔬菜、水果和海藻中。关于叶绿素及其衍生物的生物活性研究主要集中在抗炎、代谢调控、肠道微生态调节及体内转化等方面。膳食补充研究表明，叶绿素及其富集提取物可调节肠道菌群，改善肥胖相关低度炎症，并在代谢层面产生有益影响，同时，叶绿素在消化吸收过程中的代谢转化及其产物谱已逐渐被阐明，相关代谢物可在肝脏中检测到并呈现累积特征，为其体内效应提供化学基础。值得注意的是，不同海藻中叶绿素及其衍生物的组成存在差异。本课题组之前的研究表明，紫菜中的叶绿素主要以脱镁叶绿素a 和脱镁叶绿酸a形式存在。脱镁叶绿素a和脱镁叶绿酸a是叶绿素的衍生物，具有抗炎、抗氧化等生物 活性。叶绿素的体内和体外消化实验表明，叶绿素在体内最终产物为脱镁叶绿素和脱镁叶绿酸，这意味着脱镁叶绿素可能通过抗炎、抗氧化等机制减轻镉毒性，对镉诱导的肝肾损伤具有潜在保护作用。

高通量组学技术已广泛应用于生物学、病理学等的生理和病理过程研究。代谢组学聚焦于生物体代谢产物的系统分析，能够敏感地反映疾病等内外环境扰动引起的代谢改变，并与表型变化密切相关，因而在疾病诊断和治疗评估中展现出重要的应用价值。转录组学则通过解析特定生理状态下的基因表达谱，为深入理解细胞功能表型提供依据单一组学方法，代谢组学与转录组学的整合分析可建立从上游遗传变异到下游代谢调控的完整关联。这种综合技术能够揭示叶绿素对镉诱导毒性的改善作用及其内在机制。

西南大学食品科学学院的张志敏、陈科伟*，中匈食品科学合作研究中心的蔡甜*等研究使用6 周龄的C57BL/6J小鼠模型探究紫菜叶绿素提取物对镉诱导小鼠肝肾毒性的缓解作用及其机制。经8 周连续实验后，采用生化指标（氧化应激）、病理切片和多组学（转录组学和代谢组学）联用的方法检测小鼠肝肾发生的变化，以全面解析叶绿素的抗镉诱导毒性作用。

1 叶绿素对小鼠体质量及肝肾镉含量的影响

紫菜叶绿素提取物主要成分为脱镁叶绿素，相对含量为93%，其组分如图1所示。叶绿素提取物主要包括脱镁叶绿素a（分子式为C55H74N4O5，摩尔质量为871.20 g/mol）和脱镁叶绿酸a（分子式为C35H36N4O5，摩尔质量为592.68 g/mol）。在为期8 周的实验中，各实验组小鼠的体质量未发生显著变化（图2A）。在叶绿素干预后，小鼠肾脏中的镉含量显著降低。虽然在小鼠肝脏中也观察到镉含量的下降，但这种趋势无统计学意义（图2B）。

2 叶绿素对镉致肝肾损伤的缓解作用

如图3所示，Cd暴露影响了小鼠血清肝功能与肾功能相关指标。与CG组相比，Cd组小鼠血清的ALT、AST及ALP水平均升高，同时尿素、UA与CREA水平亦升高，提示Cd暴露引起了明显的肝肾功能紊乱。

在Cd暴露基础上补充叶绿素后，高剂量叶绿素与低剂量叶绿素均对部分血清指标表现出保护性回调。具体而言，与Cd组相比，高、低剂量叶绿素干预均使AST水平显著降低，并显著降低尿素与CREA水平，提示叶绿素可缓解Cd暴露相关的肝细胞损伤及肾功能异常。对于ALT与ALP水平，叶绿素干预组较Cd组呈一定回调趋势，但组间差异不显著，提示这2 项指标对叶绿素干预的响应程度与AST存在差异。

此外，Chl组、LChl组与CG组相比，各血清指标整体接近，表明本研究所用剂量叶绿素本身不会引起明显肝肾功能异常。总体而言，叶绿素对Cd诱导的血清指标调节呈现一定选择性，其对AST、尿素及CREA水平的改善效果更明显，同时ALT与ALP水平呈回调趋势但未达显著水平。

2.1 氧化应激指标与肝肾功能

如图4A、B所示，与CG组相比，Cd组小鼠肝脏、肾脏中的SOD与GSH-Px活性明显降低，而MDA水平明显升高。结果表明，镉暴露导致肝肾发生氧化应激相关损伤。与Cd组相比，Cd-Chl组小鼠肝脏、肾脏中的SOD、GSH-Px活性升高且MDA水平下降，说明叶绿素干预可在一定程度上改善镉诱导的氧化应激状态。但与CG组相比，Cd-Chl组的氧化应激标志物仍未完全恢复到基线水平。这一结果表明尽管叶绿素具有减轻毒性的作用，但其不能完全消除镉暴露引起的氧化应激损伤。

2.2 组织病理学分析

组织病理学分析结果进一步证实了叶绿素对肝肾的保护作用（图4C、D）。Cd组小鼠肝脏组织切片显示明显的肝细胞水样变性、少量肝细胞坏死和炎症细胞浸润。相比之下，Cd-Chl组表现为轻度水样变性、炎症细胞浸润稀疏和最小程度的肝细胞坏死，表明叶绿素减轻了肝损伤程度。Cd组小鼠肾脏组织切片显示肾小球萎缩、炎症细胞浸润、肾小管空泡变性，并伴有血管周围稀疏水肿。Cd-Chl组表现为轻度的肾小球萎缩和炎症细胞浸润，但肾小管空泡变性仍然严重。HE染色结果综合表明，补充叶绿素能够减轻镉诱导的肝肾损伤，但未能完全消除镉暴露的影响。

综上所述，膳食补充叶绿素能够缓解镉诱导的氧化应激及肝肾功能和细胞损伤。

3 非靶向代谢组学分析

为了研究叶绿素对镉诱导的肝肾损伤的潜在缓解机制，对Cd组和Cd-Chl组小鼠的肝脏和肾脏组织进行了非靶向代谢组学分析。正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）结果显示，肝脏（图5A、B）和肾脏（图6A、B）的代谢谱在叶绿素干预后发生了明显变化，表明代谢物水平受到了整体性调控。以VIP＞1、P＜0.05为标准筛选差异代谢物，参照人类代谢组数据库（HMDB）进行注释。在正离子模式下，从肝脏中鉴定出52 种差异代谢物（34 种上调、18 种下调）；从肾脏中鉴定出49 种（17 种上调，32 种下调）。在负离子模式下，从肝脏中鉴定出28 种差异代谢物（3 种上调、25 种下调）；从肾脏中鉴定出18 种（8 种上调、10 种下调）。在2 种离子模式下、双器官均稳定检出3 种共有差异代谢物，其相对丰度变化以聚类热图形式呈现（图5C、D和图6C、D）。

对注释后的差异代谢物进行代谢通路分析，根据P＜0.05和影响值（拓扑分析评估代谢物生物学相关性）筛选出变化最显著的通路。结果显示，正离子模式下，肝脏中显著扰动的通路为苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成，甘油磷脂代谢，苯丙氨酸代谢，鞘脂代谢及精氨酸生物合成（图5E）；肾脏中则为精氨酸生物合成，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢，烟酸和烟酰胺代谢，甘油磷脂代谢及嘌呤代谢（图6E）。负离子模式下，肝脏中显著富集排名前3的差异代谢通路为亚油酸代谢、不饱和脂肪酸生物合成与甘油磷脂代谢（图5F）；肾脏中为花生四烯酸代谢，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢，甘油磷脂代谢，亚油酸代谢及氮代谢（图6F）。上述结果表明，叶绿素干预后差异代谢物主要富集于脂质代谢和氨基酸代谢通路。这提示叶绿素可能通过调控细胞膜结构完整性（脂质代谢）和核心代谢解毒能力（氨基酸代谢）缓解镉诱导的肝肾毒性。

4 转录组学分析

为在转录组水平上探究叶绿素缓解镉毒性的分子机制，对Cd组和Cd-Chl组进行了RNA-seq分析。火山图显示，从肝脏中共鉴定出799 个DEGs，其中401 个上调、398 个下调（图7A）。从肾脏中共鉴定出1 778 个DEGs，其中895 个上调、883 个下调（图8A）。KEGG富集通路的圆环热图显示了最显著的前25 个差异代谢通路。肝脏中富集最显著的通路包括氧化磷酸化、化学致癌作用-ROS、糖尿病心肌病、产热作用和阿尔茨海默病（图7B）。肾脏中富集最显著的通路是细胞外基质-受体相互作用、蛋白质消化和吸收、代谢通路、局灶黏附和化学致癌作用-ROS（图8B）。这些通路主要涉及氧化应激、炎症细胞因子和细胞凋亡等生理病理过程。基于KEGG数据库构建的通路网络图显示，在肝脏代谢网络中，氧化磷酸化与其他通路的连接最为广泛，处于网络的核心地位（图7C）；在肾脏代谢网络中，磷脂酰肌3-激酶/蛋白激酶B（PI3K-Akt）信号通路具有最多的信号通路互联，处于网络的核心地位（图8C）。对DEGs进行KEGG二级通路分类（排除全局和概览图类别），肝脏（图7D）和肾脏（图8D）中排名前5的代谢相关通路均为能量代谢、脂质代谢、辅因子与维生素代谢、碳水化合物代谢及氨基酸代谢。

上述转录组结果表明，叶绿素可能通过调控线粒体功能缓解镉毒性。对2 个涉及线粒体调节的基因进行PCR验证，结果（图7E、8E）与转录组数据相印证，证实了转录组结果的可靠性。结合代谢组学结果可知，叶绿素对能量代谢、脂质代谢和氨基酸代谢的调控作用共同构成其保护机制的基础。

5 讨论与结论

镉暴露诱导小鼠的氧化应激损伤和肝肾功能紊乱已被广泛证实。叶绿素及其衍生物具有显著抗炎与抗氧化活性，提示其可能具有减轻镉诱导肝肾损伤的潜力。本研究通过宏观指标（氧化应激生物标志物、血清功能指标和组织病理学分析）和微观指标（代谢组学和转录组学分析），全面评估了叶绿素对镉暴露小鼠肝肾损伤的缓解效果及其机制。

肾脏镉含量的显著降低提示，叶绿素干预可能影响机体对镉的清除与组织蓄积过程，从而缓解全身镉毒性。对于肾脏这一镉长期积累并主要呈现毒性效应的靶器官，该变化具有重要的生物学意义，提示叶绿素可能有助于改善肾脏的解毒、清除能力。总之，叶绿素干预可显著降低肾脏镉蓄积，并对肝脏镉负荷呈一定降低趋势，提示其在降低组织镉负荷、尤其是肾脏长期蓄积方面具有潜力。

氧化应激是镉暴露后组织损伤的经典表现形式，伴随着线粒体功能障碍、脂质过氧化和谷胱甘肽耗竭等过程。叶绿素及其衍生物具有显著的抗炎和抗氧化特性。血清ALT、AST和ALP水平是传统的肝功能诊断指标，而血清尿素、UA和CREA浓度通常用于评估肾功能。结果表明，补充叶绿素缓解了镉引起的肝肾功能障碍。此外，组织病理学检查结果进一步证实，补充叶绿素改善了镉对肝肾造成的细胞损伤。

代谢组学可反映细胞代谢终末变化并揭示其机制。经过对代谢途径的筛选，发现肝脏和肾脏中最显著受影响的差异代谢途径为脂质代谢和氨基酸代谢。肝脏和肾脏中参与脂质代谢的主要物质是亚油酸、花生四烯酸、棕榈酸和甘油磷脂。亚油酸是花生四烯酸的前体，而花生四烯酸及其代谢物会影响细胞膜流动性、血小板活性、凝血功能及淋巴细胞介导的炎症反应。棕榈酸具有调控炎症因子和氧化应激的功能，其体内含量的减少被认为是一种有益的代谢改变，本实验结果与此相符。 甘油磷脂的代谢与不饱和脂肪酸及能量代谢密切相关。 苯丙氨酸、谷氨酰胺和L-天冬氨酸是氨基酸代谢通路中的主要差异代谢物。苯丙氨酸作为必需氨基酸，可转化为酪氨酸，参与能量代谢与免疫调节。L-天冬氨酸参与蛋白质和核苷酸合成、糖酵解、尿素循环和嘌呤核苷酸循环及神经传递等多种过程，并在维持氧化还原平衡中发挥作用。神经元释放的L-天冬氨酸与谷氨酸-谷氨酰胺循环相关，可确保糖酵解和星形胶质细胞的氨解毒。镉暴露的危害通常与氧化应激及DNA损伤有关，这与本研究的转录组结果一致。基于转录组通路富集分析，叉头框O（FoxO）、PI3K-Akt和肿瘤坏死因子（TNF）等信号通路可能参与炎症因子调控、细胞凋亡及氧化应激反应，同时引起脂质代谢、氨基酸代谢和能量生成等下游代谢途径的改变。这些转录层面的发现与代谢组学检测到的代谢物变化趋势一致。综上，叶绿素可能通过重塑脂质与氨基酸代谢并改善能量代谢紊乱，从而降低细胞炎症反应与氧化应激水平，进而发挥减轻镉诱导肝肾毒性的作用。

本研究的非组学部分表明，叶绿素能够有效缓解镉暴露引起的小鼠肝肾损伤。通过整合代谢组学和转录组学的分析，阐明了叶绿素缓解镉毒性的关键机制（图9）。具体机制如下：首先，减轻镉暴露相关的线粒体DNA损伤；其次，调控由线粒体功能障碍引发的能量代谢紊乱；最后，纠正异常能量代谢过程中发生的脂质和氨基酸代谢失调，从而抑制镉暴露小鼠体内的氧化应激及相关的肝肾功能和细胞损伤。这些发现不仅揭示了叶绿素衍生物在重金属解毒中的应用潜力，也为开发针对高镉暴露风险人群的膳食干预策略提供了科学依据。

第一作者：

张志敏 硕士研究生

西南大学食品科学学院

西南大学食品科学学院陈科伟教授课题组硕士生。2018—2022年就读于齐鲁工业大学食品科学与工程专业，获学士学位；2023年至今于西南大学攻读食品科学与工程硕士学位。研究方向为食品功能成分检测识别、有益作用及高值化开发利用，重点围绕农副产品活性成分分离纯化与功能评价。参与国家重点研发计划项目2 项、重庆市自然科学基金项目1 项。曾获西南大学二等学业奖学金（2023—2026连续三年）。

引文格式：

张志敏, 王元楷, 黄起阳, 等. 多组学方法探究叶绿素对镉诱导小鼠肝肾损伤的缓解作用[J]. 食品科学, 2026, 47(10): 167-179. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251111-074.

http://www.spkx.net.cn ZHANG Zhimin, WANG Yuankai, HUANG Qiyang, et al. Multi-omic investigation of the alleviation of cadmium-induced liver and kidney injury in mice by chlorophyll[J]. Food Science, 2026, 47(10): 167-179. (in Chinese with English abstract) DOI: 10.7506/spkx1002-6630-20251111-074.

实习编辑：刘芯；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

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