综合流行病学和多组学揭示了与衰弱相关的 ACKR1 氧化还原轴，该轴将镉暴露与动脉粥样硬化联系起来。

1. 领域背景与文献

文献英文标题：Integrative epidemiology and multi-omics reveal a frailty-associated ACKR1 redox axis linking cadmium exposure to atherosclerosis

发表期刊：未明确；影响因子：未公开；研究领域：环境毒理学，心血管流行病学，动脉粥样硬化发病机制。

领域共识：心血管疾病是全球范围内导致死亡的首要原因，近年来环境污染物暴露对心血管疾病发病的贡献越来越受到关注。镉是一种广泛存在于环境中的有毒重金属，可通过工业排放、污染饮水、烟草等途径进入人体，既往流行病学研究已经证实镉暴露与高血压、冠心病等心血管疾病发病和死亡风险升高相关，但镉暴露导致心血管损伤的具体分子机制尚未明确。

近年来，虚弱作为一种以生理储备下降、多系统易损性增加为特征的临床综合征，被认为是心血管疾病结局的重要调节因素。虚弱人群常存在氧化应激升高、慢性低度炎症、组织修复能力下降等特征，会放大环境毒素对血管的损伤效应。人群水平研究已经证实，不良环境暴露下，虚弱会增加心血管疾病风险，但镉暴露和虚弱如何在细胞和分子层面协同促进血管损伤，这一核心问题尚未得到解答。

动脉粥样硬化是大多数心血管事件的病理基础，其特征为脂质沉积、内皮功能障碍和免疫细胞浸润。近年来单细胞和空间转录组技术的发展，为解析动脉粥样硬化斑块的细胞生态提供了重要基础，已经发现了不同的内皮和巨噬细胞亚型协同调控炎症信号，但环境刺激、内皮激活和巨噬细胞驱动炎症之间的分子通讯机制仍不明确。非典型趋化因子受体1（ACKR1）是内皮细胞表达的一种非经典趋化因子受体，既往研究发现其可以调控白细胞粘附和趋化因子转胞吞作用，在血管疾病中调节炎症细胞招募，但它是否介导环境毒素诱导的血管炎症尚未见报道。

因此，本研究针对“镉暴露如何通过分子机制增加心血管疾病风险，虚弱是否协同放大该效应”这一未解决的核心问题，整合流行病学、孟德尔随机化和多组学技术开展了系统研究，阐明了镉暴露-虚弱-ACKR1氧化还原炎症轴在动脉粥样硬化进展中的作用，为环境相关心血管疾病提供了新的机制见解和潜在治疗靶点。

2. 文献综述解析

现有研究可以从三个层面梳理，第一是流行病学层面，既往人群研究已经确认镉暴露和心血管疾病死亡率升高相关，也证实虚弱会改变心血管疾病的临床结局，但现有研究仅观察到相关性，缺乏对因果关系的验证，也未阐明二者协同作用的分子机制。第二是动脉粥样硬化的细胞组学研究层面，单细胞和空间转录组技术的应用已经揭示了动脉粥样硬化斑块内的细胞异质性，发现了不同功能的内皮和巨噬细胞亚群协同调控炎症反应，但现有研究大多未关注环境刺激对细胞间通讯的影响，没有明确环境毒素如何通过细胞互作促进动脉粥样硬化进展。第三是ACKR1的功能研究层面，既往研究已经确认ACKR1在炎症条件下调控趋化因子呈递和白细胞迁移，这些过程和局部活性氧产生、内皮损伤密切相关，但既往研究并未探索ACKR1是否参与环境毒素诱导的血管炎症，也未明确其和虚弱之间的关联。

本研究的创新价值体现在三个方面，一是首次通过大样本人群研究结合孟德尔随机化，明确了镉暴露对心血管疾病的因果效应，阐明了虚弱在该过程中的中介作用；二是通过整合多组学分析，首次发现MP1巨噬细胞和应激内皮细胞通过CXCL2/3/8-ACKR1信号轴互作，是镉暴露和虚弱协同促进炎症的分子基础；三是通过体内功能实验验证了内皮ACKR1的致病作用，证实敲低ACKR1可以有效缓解动脉粥样硬化进展，为环境相关心血管疾病提供了新的治疗靶点。

3. 研究思路总结与详细解析

本研究的整体研究目标是明确镉暴露与心血管疾病的因果关联，阐明镉暴露和虚弱协同促进动脉粥样硬化的分子机制，技术路线遵循“人群关联分析→因果验证→多组学筛选分子通路→体内功能验证”的逻辑闭环，依次开展了人群流行病学研究、多组学整合分析和动物功能验证三个核心环节。

3.1 人群流行病学研究与因果推断

本环节的实验目的是明确人群中镉暴露、虚弱与心血管疾病的关联，验证镉暴露对心血管疾病的因果效应。方法上，本研究纳入美国国家健康与营养调查（NHANES）2021-2023数据库共11933名受试者，排除数据缺失样本后，最终纳入5467名受试者，收集人口学、生活方式、临床检测数据，采用包含49个健康缺陷项的虚弱指数评估受试者虚弱程度，通过多因素logistic回归分析校正混杂因素后，分析镉暴露与心血管疾病风险的关联，采用中介分析评估虚弱在镉暴露与心血管疾病关联中的中介作用。为进一步验证因果关系，本研究从比较毒理基因组学数据库筛选出镉互作基因，以表达数量性状基因座作为工具变量，开展两样本孟德尔随机化分析。
结果显示，纳入研究的人群中，7.7%的受试者患有心血管疾病，心血管疾病组受试者血镉水平中位数为0.40μg/L，显著高于非心血管疾病组的0.26μg/L（n=5467，P<0.001）。最高三分位镉暴露组受试者的心血管疾病风险是最低三分位组的3.40倍（95%可信区间：2.58-4.53，P<0.001），限制性立方样条分析显示镉暴露与心血管疾病风险呈线性剂量反应关系（总体P<0.001）。校正混杂因素后，血镉浓度与虚弱指数呈显著正相关（β=0.047，95%可信区间：0.039-0.055，P<0.001），最高四分位虚弱指数受试者的心血管疾病风险是最低四分位的9.94倍（OR=9.94，95%可信区间：5.84-18.46，P<0.001）。中介分析显示，虚弱部分介导了镉暴露与心血管疾病的关联，中介效应占总效应的15.97%（P=0.012）。孟德尔随机化分析显示，6个镉强互作基因中有3个对心血管疾病存在显著因果效应，支持镉暴露增加心血管疾病风险的结论。

文献未提及具体实验产品，领域常规使用流行病学统计分析软件与孟德尔随机化分析工具。

3.2 动脉粥样硬化组织多组学整合分析

本环节的实验目的是在组织和细胞层面明确镉暴露相关和虚弱相关转录特征在动脉粥样硬化中的分布，筛选关键细胞亚群和分子通路。方法上，本研究首先整合四个公开的人动脉粥样硬化组织bulk RNA测序数据集，基于镉互作基因和已报道的虚弱相关基因，采用基因集变异分析算法分别计算镉评分和虚弱评分，比较动脉粥样硬化组织与正常动脉组织的评分差异，分析两个评分的相关性。进一步整合四个动脉粥样硬化单细胞RNA测序数据集，校正批次效应后进行细胞类型注释，分析不同细胞类型的镉评分和虚弱评分分布，采用非负矩阵分解算法鉴定巨噬细胞功能亚群，通过CellChat算法分析细胞间配受体互作，最后结合空间转录组数据验证关键细胞亚群的共定位。
结果显示，四个独立数据集一致显示，动脉粥样硬化组织中镉评分和虚弱评分均显著高于正常动脉组织，且两个评分呈强正相关（最大相关系数R=0.91，P<0.001）。空间转录组结果显示镉评分和虚弱评分在动脉粥样硬化斑块核心显著共定位。单细胞整合分析共注释出9种主要细胞类型，巨噬细胞的镉评分和虚弱评分均显著高于其他细胞类型。对巨噬细胞进行功能亚群分析，共鉴定出8个功能模块（MP1-MP8），其中MP1亚群的镉评分和虚弱评分最高，且该亚群表现为促炎M1型巨噬表型。细胞互作分析显示MP1巨噬细胞主要和内皮细胞互作，进一步将内皮细胞分为6个亚型，发现MP1和应激内皮细胞的互作信号最强。配受体分析显示，MP1巨噬细胞高表达配体CXCL2、CXCL3、CXCL8，应激内皮细胞特异性高表达受体ACKR1，动脉粥样硬化组织中该配受体对的互作评分显著高于正常组织（P<0.05）。空间转录组证实MP1评分和应激内皮评分在粥样斑块区域显著共定位。

文献未提及具体实验产品，领域常规使用生物信息学分析工具开展此类研究。

3.3 体内动物功能验证

本环节的实验目的是在体内验证内皮ACKR1介导镉暴露和虚弱诱导的动脉粥样硬化进展。方法上，本研究构建了自然衰老虚弱小鼠模型，以3-4月龄年轻小鼠作为对照，分为对照组、虚弱组、对照+镉组、虚弱+镉组共四组，所有小鼠给予高脂饮食喂养12周，镉组给予含50mg/L氯化镉的饮水，模拟环境相关镉暴露水平。为验证内皮ACKR1的功能，构建了内皮特异性启动子ICAM2驱动的ACKR1短发夹RNA腺相关病毒9型载体（AAV9-ICAM2-shACKR1），尾静脉注射三周龄雄性小鼠，以注射空载病毒的小鼠作为对照，病毒转染三周后开始造模，造模结束后检测主动脉斑块面积、血脂水平、炎症因子水平和斑块内活性氧水平。
结果显示，组织学染色证实，虚弱+镉组小鼠主动脉斑块面积和脂质沉积最显著，明确了虚弱会协同镉暴露加重动脉粥样硬化。免疫印迹和定量PCR证实，AAV9-ICAM2-shACKR1有效降低了小鼠动脉组织中ACKR1的表达。敲低内皮ACKR1后，主动脉斑块中巨噬细胞浸润显著减少，M1/M2巨噬细胞比例显著降低（n=5，P<0.05），主动脉根部和主动脉干的斑块面积与脂质沉积均显著减少，斑块内活性氧水平显著降低（n=5，P<0.01），同时小鼠收缩压显著降低（n=5，P<0.05）。血脂检测显示，敲低ACKR1后血清总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平显著降低，高密度脂蛋白胆固醇水平显著升高（均P<0.05，n=5）。炎症因子检测显示，循环中脂多糖、肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-6水平显著降低，抗炎因子白细胞介素-10水平显著升高（均P<0.05，n=5）。这些结果证实，抑制内皮ACKR1可以有效缓解镉和虚弱诱导的动脉粥样硬化进展。

实验所用关键产品：Proteintech的ACKR1抗体（货号55185-1-AP）、诱导型一氧化氮合酶抗体（货号22226-1-AP）、CD206抗体（货号18704-1-AP），Santa Cruz的β-肌动蛋白抗体（货号sc-47778），南京建成生物工程研究所的标准化酶法血脂检测试剂盒，上海恒源生物技术有限公司的酶联免疫吸附试验炎症因子检测试剂盒。

4. Biomarker研究及发现成果

本研究从人群水平到分子水平，鉴定了一系列与环境镉暴露相关动脉粥样硬化相关的生物标志物，包括人群层面的血镉、虚弱指数，以及分子层面的内皮细胞ACKR1，形成了完整的筛选-验证逻辑链条，明确了这些标志物在动脉粥样硬化进展中的作用。

具体来说，血镉和虚弱指数作为人群层面的风险标志物，来源于临床外周血样本和人口学临床信息整合，在5467例大样本人群中验证了其与心血管疾病风险的关联，结果显示最高三分位血镉暴露者心血管疾病风险是最低三分位的3.40倍（95%可信区间2.58-4.53，n=5467，P<0.001），虚弱指数升高伴随心血管疾病风险剂量依赖性升高，最高四分位虚弱指数者风险是最低四分位的9.94倍（95%可信区间5.84-18.46，n=5467，P<0.001），中介分析证实虚弱指数介导了15.97%的镉暴露效应（P=0.012），提示血镉和虚弱指数可作为环境相关心血管疾病的风险预测标志物。

分子层面，本研究首次鉴定了内皮细胞表面的ACKR1作为镉-虚弱氧化还原轴的关键介质，通过单细胞转录组和空间转录组筛选，在人动脉粥样硬化组织中发现ACKR1特异性高表达于应激内皮细胞，与MP1巨噬细胞分泌的CXCL2/3/8形成功能性配受体轴，之后通过体内内皮特异性敲低实验验证了其功能，证实抑制ACKR1可显著减少斑块内活性氧蓄积（n=5，P<0.01），降低系统性炎症水平，减少斑块形成。

核心成果总结：本研究首次明确了镉暴露对心血管疾病的因果效应，阐明了虚弱作为生物学修饰因子放大镉心血管毒性的效应，鉴定了ACKR1作为关键分子介导了镉暴露-虚弱协同诱导的动脉粥样硬化，ACKR1不仅是动脉粥样硬化进展的关键生物标志物，也可作为环境相关心血管疾病的潜在治疗靶点，为环境毒理学、氧化还原生物学和血管老化领域的交叉研究提供了新的机制框架。