各位讀者好，今天為大家?guī)硪黄褂镁C合運用鐵死亡+GBD+孟德爾隨機(jī)化+NHANES+代謝組+機(jī)器學(xué)習(xí)+網(wǎng)絡(luò)毒理學(xué)等前沿多組學(xué)手段來研究鎘暴露對癲癇小鼠癲癇發(fā)作嚴(yán)重程度和焦慮樣行為的影響的高分文章，是由江南大學(xué)團(tuán)隊2024年9月在Journal of Hazardous Materials發(fā)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(dǎo)的鐵死亡對癲癇發(fā)作嚴(yán)重程度和焦慮樣行為的影響以及潛在機(jī)制和靶點，為緩解鎘對神經(jīng)系統(tǒng)健康的不良影響提供策略。

發(fā)表雜志：

《Journal of Hazardous Materials》（簡稱 JHM）是環(huán)境科學(xué)與工程、材料科學(xué)及安全領(lǐng)域的國際頂級學(xué)術(shù)期刊，聚焦 “危險材料的環(huán)境行為、健康風(fēng)險及防控技術(shù)”，在全球環(huán)境與危險物質(zhì)研究領(lǐng)域具有極高的學(xué)術(shù)影響力和行業(yè)認(rèn)可度。

2025 年影響因子：11.3 

ISSN：0304-3894

中科院分區(qū)：工程技術(shù)類Q1、環(huán)境科學(xué)類Q1；環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)1區(qū)Top

發(fā)文量：每年出版文章數(shù)平均約4374篇

發(fā)表成本：官方 APC 為 4830 美元

審稿周期：平均 2-4 個月

《Journal of Hazardous Materials》是環(huán)境與危險材料領(lǐng)域的標(biāo)桿期刊，不僅是科研人員發(fā)布高質(zhì)量成果、追蹤領(lǐng)域前沿的核心平臺，也為政策制定者、工程技術(shù)人員提供了科學(xué)依據(jù)。其高影響力、嚴(yán)格的審稿標(biāo)準(zhǔn)和跨學(xué)科定位，使其成為該領(lǐng)域內(nèi) “必看、必投” 的頂級期刊之一。

研究背景：

隨著工業(yè)化發(fā)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(jīng)系統(tǒng)構(gòu)成威脅。癲癇是兒童常見神經(jīng)系統(tǒng)疾病，環(huán)境污染被視為其及焦慮等精神健康問題的風(fēng)險因素，但鎘與癲癇發(fā)作的聯(lián)系尚不明確。鐵死亡在癲癇相關(guān)海馬損傷及焦慮中起關(guān)鍵作用，且鎘暴露可誘導(dǎo)鐵死亡。然而，鎘誘導(dǎo)的鐵死亡對癲癇發(fā)作嚴(yán)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(yù)防和緩解策略。         

    本文通過多組學(xué)方法，研究鎘暴露對癲癇小鼠癲癇發(fā)作嚴(yán)重程度和焦慮樣行為的影響。結(jié)合觀察性研究、數(shù)據(jù)庫分析等，探究長期鎘暴露對炎癥細(xì)胞因子、鐵死亡相關(guān)基因表達(dá)及代謝的影響；利用小鼠模型，驗證鎘暴露誘導(dǎo)鐵死亡對癲癇的作用及潛在基因靶點，為緩解鎘對神經(jīng)系統(tǒng)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(dǎo)的鐵死亡如何影響癲癇發(fā)作嚴(yán)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(jié)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(jī)制。

3. 研究方法:

采用全球疾病負(fù)擔(dān)數(shù)據(jù)庫分析職業(yè)鎘暴露風(fēng)險；對長期鎘暴露工人開展觀察性研究；運用孟德爾隨機(jī)化、NHANES數(shù)據(jù)分析；進(jìn)行尿代謝組學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)分析等；利用小鼠開展行為學(xué)實驗、MRI等檢測。

4. 分析數(shù)據(jù)：

Shapiro-Wilk檢驗評估正態(tài)性，依分布類型選擇合適統(tǒng)計方法分析。

5. 研究結(jié)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(jī)制，明確潛在治療靶點及藥物，為緩解鎘對神經(jīng)系統(tǒng)健康的不良影響提供策略。

工作流程示意圖

結(jié)果解析：

1. 2021年全球及亞洲鎘職業(yè)暴露情況

基于全球疾病負(fù)擔(dān)（GBD）數(shù)據(jù)庫，分析全球、區(qū)域和國家層面職業(yè)鎘暴露風(fēng)險。使用傷殘調(diào)整生命年（DALYs）量化疾病負(fù)擔(dān)，通過全球職業(yè)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(fā)現(xiàn)中國職業(yè)鎘暴露負(fù)擔(dān)較高。

2. 鎘暴露對人體鐵死亡相關(guān)指標(biāo)及焦慮行為的影響

設(shè)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(xì)胞因子水平。同時分析關(guān)鍵鐵死亡相關(guān)基因表達(dá)，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(guān)。

3. 鎘暴露對鐵死亡相關(guān)基因表達(dá)及焦慮樣行為的潛在影響

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

4. NHANES數(shù)據(jù)庫及尿代謝組學(xué)分析

利用NHANES數(shù)據(jù)庫進(jìn)行單變量和多變量分析，評估全血細(xì)胞計數(shù)生物標(biāo)志物與癲癇發(fā)作的關(guān)系，比較鎘暴露與非暴露組的單核細(xì)胞百分比和紅細(xì)胞分布寬度（RDW）。同時進(jìn)行尿代謝組學(xué)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(guān)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(jī)器學(xué)習(xí)分析確定關(guān)鍵差異代謝物

運用支持向量機(jī)（SVM）和隨機(jī)森林（RF）兩種機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析尿代謝組學(xué)數(shù)據(jù)，確定關(guān)鍵差異代謝物。SVM模型通過交叉驗證準(zhǔn)確率和錯誤率確定10種最佳差異代謝物，RF模型根據(jù)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(guān)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(guān)鍵差異代謝物。

6. 鎘暴露對癲癇發(fā)作毒性作用相關(guān)潛在靶點的獲取

通過網(wǎng)絡(luò)毒理學(xué)分析確定鎘暴露對癲癇發(fā)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(zhì)代謝和鐵死亡途徑的參與。PPI網(wǎng)絡(luò)和樞紐基因分析強調(diào)IL-6和NF-κB的關(guān)鍵作用，利用FerrDB數(shù)據(jù)庫確定鐵死亡相關(guān)基因，PPI網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步突出相關(guān)基因在鎘誘導(dǎo)鐵死亡中的作用，最后通過Enrichr和CMAP數(shù)據(jù)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(dǎo)的癲癇小鼠為模型。比較對照組和長期鎘暴露組小鼠，發(fā)現(xiàn)鎘暴露使小鼠體重下降。同時觀察癲癇發(fā)作情況，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)鎘暴露加劇癲癇小鼠認(rèn)知功能障礙，F(xiàn)er-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(dǎo)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(biāo)象限停留時間和平臺穿越次數(shù)，F(xiàn)er-1或褪黑素均可逆轉(zhuǎn)。EPM測試評估焦慮樣行為，發(fā)現(xiàn)鎘暴露增加癲癇小鼠焦慮，F(xiàn)er-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(quán)MRI觀察鎘暴露對癲癇小鼠腦鐵積累的影響，發(fā)現(xiàn)鎘暴露加劇鐵積累，F(xiàn)er-1或褪黑素可減輕。通過MRS分析脂質(zhì)代謝，顯示鎘暴露小鼠腦脂質(zhì)水平升高。尼氏染色評估Fer-1和褪黑素對鎘誘導(dǎo)毒性的神經(jīng)保護(hù)作用，發(fā)現(xiàn)鎘暴露加劇海馬神經(jīng)元丟失，尤其是CA3區(qū)域，F(xiàn)er-1或褪黑素可改善。

10. 探索褪黑素對鎘誘導(dǎo)海馬神經(jīng)元鐵死亡的神經(jīng)保護(hù)機(jī)制

TEM分析顯示，鎘暴露使海馬神經(jīng)元線粒體縮小、膜密度增加，F(xiàn)er-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(zhì)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(biāo)，發(fā)現(xiàn)鎘暴露增加Fe2+、PTGS2和MDA水平，降低GSH水平，F(xiàn)er-1或褪黑素可逆轉(zhuǎn)。Wb分析驗證褪黑素對鎘誘導(dǎo)鐵死亡的潛在基因靶點和作用機(jī)制，表明褪黑素通過調(diào)節(jié)相關(guān)基因表達(dá)減輕鎘毒性。分子對接和分子動力學(xué)模擬展示褪黑素與DMT1的相互作用。

11. 鎘暴露誘導(dǎo)海馬神經(jīng)元鐵死亡的信號通路

鎘暴露誘導(dǎo)海馬神經(jīng)元鐵死亡的潛在信號通路，包括鎘暴露通過誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥、改變Nrf2表達(dá)、影響脂質(zhì)和鐵代謝相關(guān)基因，從而導(dǎo)致鐵死亡，加重癲癇發(fā)作和焦慮樣行為，而褪黑素可通過調(diào)節(jié)該信號通路減輕鎘的毒性作用。

研究結(jié)論：

本研究首次全面分析鎘誘導(dǎo)的鐵死亡對癲癇發(fā)作嚴(yán)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(jī)制，凸顯褪黑素通過與炎癥、抗氧化、脂質(zhì)及鐵代謝相互作用調(diào)節(jié)這些影響的潛力，為減輕鎘對神經(jīng)健康的不良影響提供方向。

研究的創(chuàng)新性：

綜合多組學(xué)技術(shù)，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(guān)系；發(fā)現(xiàn)鎘暴露影響癲癇和焦慮行為與鐵死亡通路相關(guān)，并提出褪黑素的潛在治療作用，為相關(guān)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(jié)論；僅關(guān)注鐵死亡通路；未充分探索鎘暴露與相關(guān)分子的復(fù)雜機(jī)制；需更多證據(jù)明確鎘暴露劑量與癲癇發(fā)病率關(guān)系；缺乏臨床試驗驗證褪黑素對鎘致認(rèn)知障礙人群的治療效果。

研究展望：

擴(kuò)大樣本量進(jìn)一步驗證結(jié)論；深入探索鎘暴露與相關(guān)分子的相互作用機(jī)制；開展臨床研究驗證褪黑素治療效果，為鎘污染相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的防治提供更有力依據(jù)。

研究意義：

 揭示鎘暴露、癲癇發(fā)作和焦慮樣行為間復(fù)雜聯(lián)系，為理解鎘的神經(jīng)毒性機(jī)制提供理論基礎(chǔ)；確定潛在治療靶點和藥物，為開發(fā)針對性治療策略提供方向；為衛(wèi)生系統(tǒng)和政府制定公共政策、規(guī)劃醫(yī)療資源提供參考，以減輕鎘污染對公眾健康的危害。