通過鐵下垂途徑研究鎘暴露對癲癇小鼠癲癇發作嚴重程度和焦慮樣行為

各位讀者好，今天為大家帶來一篇使用綜合運用鐵死亡+GBD+孟德爾隨機化+NHANES+代謝組+機器學習+網絡毒理學等前沿多組學手段來研究鎘暴露對癲癇小鼠癲癇發作嚴重程度和焦慮樣行為的影響的高分文章，是由江南大學團隊2024年9月在Journal of Hazardous Materials發表的，題為“Investigating the potential risk of cadmium exposure on seizure severity and anxiety-like behaviors through the ferroptosis pathway in epileptic mice: An integrated multi-omics approach”。深入探究了鎘誘導的鐵死亡對癲癇發作嚴重程度和焦慮樣行為的影響以及潛在機制和靶點，為緩解鎘對神經系統健康的不良影響提供策略。

發表雜志：

《Journal of Hazardous Materials》（簡稱 JHM）是環境科學與工程、材料科學及安全領域的國際頂級學術期刊，聚焦 “危險材料的環境行為、健康風險及防控技術”，在全球環境與危險物質研究領域具有ji高的學術影響力和行業認可度。

2025 年影響因子：11.3 

ISSN：0304-3894

中科院分區：工程技術類Q1、環境科學類Q1；環境科學與生態學1區Top

發文量：每年出版文章數平均約4374篇

發表成本：APC 為 4830 美元

審稿周期：平均 2-4 個月

《Journal of Hazardous Materials》是環境與危險材料領域的biao桿期刊，不僅是科研人員發布高質量成果、追蹤領域前沿的核心平臺，也為政策制定者、工程技術人員提供了科學依據。其高影響力、嚴格的審稿標準和跨學科定位，使其成為該領域內 “必看、必投” 的頂級期刊之一。

研究背景：

隨著工業化發展，鎘污染問題加劇，其作為有毒重金屬，對人類健康尤其是神經系統構成威脅。癲癇是兒童常見神經系統疾病，環境污染被視為其及焦慮等精神健康問題的風險因素，但鎘與癲癇發作的聯系尚不明確。鐵死亡在癲癇相關海馬損傷及焦慮中起關鍵作用，且鎘暴露可誘導鐵死亡。然而，鎘誘導的鐵死亡對癲癇發作嚴重程度和焦慮樣行為的影響未得到充分研究，因此需深入探究以制定有效預防和緩解策略。         

    本文通過多組學方法，研究鎘暴露對癲癇小鼠癲癇發作嚴重程度和焦慮樣行為的影響。結合觀察性研究、數據庫分析等，探究長期鎘暴露對炎癥細胞因子、鐵死亡相關基因表達及代謝的影響；利用小鼠模型，驗證鎘暴露誘導鐵死亡對癲癇的作用及潛在基因靶點，為緩解鎘對神經系統健康的不良影響提供策略。

研究框架：

1.提出問題：

探究鎘誘導的鐵死亡如何影響癲癇發作嚴重程度和焦慮樣行為，以及鐵死亡通路在其中的作用。

2. 研究框架：

結合觀察性研究、多種分析方法及小鼠實驗，從人體和動物層面探索鎘暴露影響癲癇及焦慮行為的機制。

3. 研究方法:

采用全球疾病負擔數據庫分析職業鎘暴露風險；對長期鎘暴露工人開展觀察性研究；運用孟德爾隨機化、NHANES數據分析；進行尿代謝組學、機器學習分析等；利用小鼠開展行為學實驗、MRI等檢測。

4. 分析數據：

Shapiro-Wilk檢驗評估正態性，依分布類型選擇合適統計方法分析。

5. 研究結論：

通過上述研究，闡明鎘暴露致鐵死亡影響癲癇及焦慮行為的機制，明確潛在治療靶點及藥物，為緩解鎘對神經系統健康的不良影響提供策略。

工作流程示意圖

結果解析：

1. 2021年全球及亞洲鎘職業暴露情況

基于全球疾病負擔（GBD）數據庫，分析全球、區域和國家層面職業鎘暴露風險。使用傷殘調整生命年（DALYs）量化疾病負擔，通過全球職業鎘暴露的DALYs分布、各國DALY率、1990-2021年DALY率趨勢，比較亞洲主要國家的DALY率，發現中國職業鎘暴露負擔較高。

2. 鎘暴露對人體鐵死亡相關指標及焦慮行為的影響

設計長期鎘暴露工人的觀察性隊列研究。對比暴露組與非暴露組工人尿鎘水平、外周血中IL-1β、TNF-α和IL-6等促炎細胞因子水平。同時分析關鍵鐵死亡相關基因表達，用GAD-7問卷評估焦慮行為，表明鎘暴露與鐵死亡及焦慮行為改變有關。

3. 鎘暴露對鐵死亡相關基因表達及焦慮樣行為的潛在影響

進一步分析鎘暴露對血樣中關鍵鐵死亡相關基因（如DMT1、FPN1等）表達的影響，通過GAD-7問卷評估焦慮樣行為。熱圖展示基因表達差異，通過Spearman分析突出Nrf2在抗氧化系統和鐵代謝中的調節作用。此外，通過孟德爾隨機化分析和共定位分析，探討鐵死亡相關基因與局灶性癲癇的關聯。

4. NHANES數據庫及尿代謝組學分析

利用NHANES數據庫進行單變量和多變量分析，評估全血細胞計數生物標志物與癲癇發作的關系，比較鎘暴露與非暴露組的單核細胞百分比和紅細胞分布寬度（RDW）。同時進行尿代謝組學分析，通過OPLS-DA、火山圖等分析鎘暴露與對照組代謝差異，KEGG和Reactome富集分析確定相關代謝途徑，GSEA分析表明鎘暴露可能升高甘油磷脂代謝活動。

5. 機器學習分析確定關鍵差異代謝物

運用支持向量機（SVM）和隨機森林（RF）兩種機器學習算法分析尿代謝組學數據，確定關鍵差異代謝物。SVM模型通過交叉驗證準確率和錯誤率確定10種最佳差異代謝物，RF模型根據錯誤率和重要性得分確定12種。通過維恩圖展示兩種模型確定的關鍵差異代謝物重疊部分，得出PI(22:1(11Z)/0:0)和PC(22:4(7Z,10Z,13Z,16Z)/14:0)是鎘暴露毒性作用的關鍵差異代謝物。

6. 鎘暴露對癲癇發作毒性作用相關潛在靶點的獲取

通過網絡毒理學分析確定鎘暴露對癲癇發作毒性作用潛在靶點。通過維恩圖確定192個潛在基因靶點，GO和KEGG富集分析突出炎癥、脂質代謝和鐵死亡途徑的參與。PPI網絡和樞紐基因分析強調IL-6和NF-κB的關鍵作用，利用FerrDB數據庫確定鐵死亡相關基因，PPI網絡進一步突出相關基因在鎘誘導鐵死亡中的作用，最后通過Enrichr和CMAP數據庫確定潛在治療分子，如褪黑素。

7. 鎘暴露對癲癇小鼠的影響

以紅藻氨酸誘導的癲癇小鼠為模型。比較對照組和長期鎘暴露組小鼠，發現鎘暴露使小鼠體重下降。同時觀察癲癇發作情況，發現鎘暴露加重癲癇癥狀，而鐵死亡抑制劑Fer-1或褪黑素可減輕。通過新物體識別（NOR）測試，發現鎘暴露加劇癲癇小鼠認知功能障礙，Fer-1或褪黑素可改善。

8. Morris水迷宮（MWM）和高架十字迷宮（EPM）

MWM測試評估小鼠空間記憶。導航試驗中，鎘暴露增加癲癇小鼠逃避潛伏期，探針試驗中，鎘暴露減少小鼠在目標象限停留時間和平臺穿越次數，Fer-1或褪黑素均可逆轉。EPM測試評估焦慮樣行為，發現鎘暴露增加癲癇小鼠焦慮，Fer-1或褪黑素同樣可緩解。

9. MRI實驗及尼氏染色分析

采用T2加權MRI觀察鎘暴露對癲癇小鼠腦鐵積累的影響，發現鎘暴露加劇鐵積累，Fer-1或褪黑素可減輕。通過MRS分析脂質代謝，顯示鎘暴露小鼠腦脂質水平升高。尼氏染色評估Fer-1和褪黑素對鎘誘導毒性的神經保護作用，發現鎘暴露加劇海馬神經元丟失，尤其是CA3區域，Fer-1或褪黑素可改善。

10. 探索褪黑素對鎘誘導海馬神經元鐵死亡的神經保護機制

TEM分析顯示，鎘暴露使海馬神經元線粒體縮小、膜密度增加，Fer-1或褪黑素可緩解。RNA測序分析表明，鎘暴露影響癲癇小鼠海馬脂質代謝、NF-κB途徑和鐵死亡途徑，褪黑素可抑制鐵死亡途徑。測量血清IL-6、海馬Fe2+等生化指標，發現鎘暴露增加Fe2+、PTGS2和MDA水平，降低GSH水平，Fer-1或褪黑素可逆轉。Wb分析驗證褪黑素對鎘誘導鐵死亡的潛在基因靶點和作用機制，表明褪黑素通過調節相關基因表達減輕鎘毒性。分子對接和分子動力學模擬展示褪黑素與DMT1的相互作用。

11. 鎘暴露誘導海馬神經元鐵死亡的信號通路

鎘暴露誘導海馬神經元鐵死亡的潛在信號通路，包括鎘暴露通過誘導神經炎癥、改變Nrf2表達、影響脂質和鐵代謝相關基因，從而導致鐵死亡，加重癲癇發作和焦慮樣行為，而褪黑素可通過調節該信號通路減輕鎘的毒性作用。

研究結論：

本研究shou次全面分析鎘誘導的鐵死亡對癲癇發作嚴重程度和焦慮樣行為的影響，闡明鎘影響癲癇中鐵死亡通路的潛在機制，凸顯褪黑素通過與炎癥、抗氧化、脂質及鐵代謝相互作用調節這些影響的潛力，為減輕鎘對神經健康的不良影響提供方向。

研究的創新性：

綜合多組學技術，從人群和動物模型多角度研究鎘暴露與癲癇及焦慮行為的關系；發現鎘暴露影響癲癇和焦慮行為與鐵死亡通路相關，并提出褪黑素的潛在治療作用，為相關研究提供新思路。

研究的不足之處：

試點隊列樣本量小，可能存在偏差影響結論；僅關注鐵死亡通路；未充分探索鎘暴露與相關分子的復雜機制；需更多證據明確鎘暴露劑量與癲癇發病率關系；缺乏臨床試驗驗證褪黑素對鎘致認知障礙人群的治療效果。

研究展望：

擴大樣本量進一步驗證結論；深入探索鎘暴露與相關分子的相互作用機制；開展臨床研究驗證褪黑素治療效果，為鎘污染相關神經系統疾病的防治提供更有力依據。

研究意義：

 揭示鎘暴露、癲癇發作和焦慮樣行為間復雜聯系，為理解鎘的神經毒性機制提供理論基礎；確定潛在治療靶點和藥物，為開發針對性治療策略提供方向；為衛生系統和政府制定公共政策、規劃醫療資源提供參考，以減輕鎘污染對公眾健康的危害。