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研究人员绘制了用于医学的镧系金属的潜在毒性

镧系元素是稀土重金属,具有有用的磁性和发光的诀窍。长期以来,研究人员一直认为镧系元素的毒性风险很低,因此在我们现在认为理所当然的许多高科技突破中实施是安全的:从 OLED(有机发光显示器)到医疗 MRI,甚至混合动力汽车。

然而,近年来,一些科学家质疑镧系元素的安全性。例如,在医疗保健方面,一些 MRI 患者将一连串的副作用(包括长期肾损伤)归因于他们暴露于镧系元素钆(一种常用的 MRI 造影剂)。

在具有里程碑意义的研究表明基于钆的造影剂 (GBCA) 会在患者的肾脏、骨骼和脑组织中存在数月甚至数年之后,科学家们开始寻找将镧系元素暴露与疾病联系起来的更明确证据。

但让科学家们慢下来的是他们不知道从哪里开始——有 15 种镧系元素,而人类基因组由数十亿个核苷酸序列组成。了解镧系元素如何触发与癌症和其他疾病相关的基因突变需要一个尚不存在的庞大比例的数据集。

现在,由能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校领导的一组研究人员汇编了迄今为止最完整的镧系元素及其潜在毒性库——通过将面包酵母(又名酿酒酵母)暴露于镧系元素金属。他们的研究结果最近发表在《美国国家科学院院刊》上。

像我们一样,酵母是真核生物——由膜结合细胞组成的生物体,其染色体整齐地包裹在细胞核中。我们由数十万亿个细胞组成;酵母只是一个细胞。

“酵母是最小的真核生物——但它们的数千个基因非常接近人类的基因变异,”资深作者 Rebecca Abergel 说,她拥有伯克利实验室化学科学部的教职科学家头衔,她领导 BioActinide化学组,加州大学伯克利分校核工程助理教授。

“这项研究很酷的一点是,它是用酵母基因库完成的,我们可以筛选酵母的整个基因组,并比较正常基因菌株与基因缺失菌株实际上如何受到镧系元素暴露的影响。”

在一项跨越近十年的调查中,Abergel 和她的团队依靠面包师酵母基因组的条形码库来筛选镧系元素破坏了哪些细胞功能。

该文库是在 2000 年代初开发的,作为酵母删除项目的一部分,该项目由美国和加拿大的研究人员组成,旨在建立基因与化学暴露之间的关系。共同资深作者、佛罗里达大学生理学教授 Christopher Vulpe 是该库的早期采用者之一,用于对各种毒物进行功能分析。

在针对 15 种镧系金属中的 13 种(该研究排除了铈和钷)测试了 4,000 多个基因后,研究人员发现镧系元素通过劫持钙来中断保持我们身体功能的细胞信号通路——例如我们的骨骼和神经系统过程——两个关键细胞活动中的结合位点:内吞作用,控制营养物质如何输入到细胞内的过程,以及 ESCRT(运输所需的内体分选复合物)机器,它对蛋白质进行分类并帮助细胞在钙等关键营养物质中穿梭。

这项研究可以让我们了解哪些镧系金属比其他金属更具毒性,以及是否有人在遗传上更容易受到镧系元素毒性的影响。”

Reb ecca Abergel ,伯克利实验室化学科学部研究高级作者和教员科学家

Abergel 对面包酵母作为人类疾病基因组模型的研究始于 2012 年,当时她因其题为“暴露于放射性金属的酵母的全球转录组、删除组和蛋白质组分析”的研究而获得伯克利实验室 LDRD(实验室指导研究与开发)奖离子:一种区分辐射引起的损伤和化学毒性的工具。”

她对公共卫生的兴趣随后导致了抗辐射中毒药丸的开发,一种用于 MRI 患者的抗钆毒性药丸,以及癌症治疗和医学成像的进步。

作为当前研究的后续,她和她的研究团队正在研究每种特定金属的毒性机制,从钆开始。他们还希望在动物模型中研究镧系元素暴露引起的细胞异常如何随着时间的推移而持续——甚至可能跨越几代人。

她说:“这是一项大规模研究,显示了受镧系元素金属暴露影响的所有潜在途径——但我们只是触及了庞大数据集的表面”,还有很多工作要做。

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