镉（Cd）是典型的持久性环境污染物，可在农田土壤和地表水体中累积，经稻米、蔬菜等食物链途径进入机体，被列为I类人类致癌物。在我国西南喀斯特地区，碳酸盐岩高背景值叠加采矿、冶炼等人类活动，使土壤Cd水平整体偏高，贵州部分地区稻米、玉米和辣椒等作物中的Cd含量已超过限量标准，膳食暴露风险尤为突出。环境中的Cd通过膳食摄入被污染的食物进入肠道，约5%～7%（m/m）的Cd会被胃肠道吸收，而未被吸收部分不仅会对肠道内的微生物群造成影响，还会破坏肠道屏障功能，进而干扰机体的代谢、免疫等系统，诱发多种疾病。Cd通过诱导活性氧（ROS）过量生成、破坏肠上皮紧密连接（TJ）结构并激活炎症相关信号通路等多种途径扰乱黏膜稳态，导致屏障功能减弱并进一步促进Cd吸收。氧化应激与炎症反应往往相互放大，并通过损害线粒体功能进一步加重肠上皮损伤。因此，围绕肠道屏障保护构建Cd毒性干预策略具有一定现实意义。
现有Cd中毒的临床处理主要依赖口服或静脉注射螯合剂以促进Cd排泄，但相关制剂的安全性和长期获益仍存在争议。相比之下，来源于食物或药食同源资源的天然生物活性成分具有来源广泛、生物相容性好和多靶点调控等特点，被认为在缓解Cd相关肠道毒性方面具有一定优势。已有研究表明，多糖类物质可通过促进肠上皮黏液分泌、上调TJ蛋白表达等途径增强肠道屏障功能，并在一定程度上改善肠黏膜微环境。进一步的实验提示，部分植物或真菌多糖还能调节线粒体质量控制，如灵孢多糖可抑制动力蛋白相关蛋白Drp1介导的线粒体过度分裂，并协调线粒体融合蛋白1/2等融合蛋白表达，从而减轻氧化应激相关的线粒体嵴膜损伤。上述结果从不同层面支持了多糖通过稳定线粒体功能保护肠道屏障的可能性。
黑灵芝（Ganoderma atrum）是广泛栽培于中国西南喀斯特地区的典型药食两用真菌，其主要活性成分包括多糖、三萜类和黄酮类等，其中多糖被认为是其发挥抗氧化、抗炎及免疫调节等效应的关键物质基础。课题组前期研究发现，黑灵芝多糖（GAP）由半乳糖、甘露糖、葡萄糖、岩藻糖葡萄糖醛酸组成，是一种含有α-和β-糖苷键的吡喃环多糖，同时还具有一定的抗氧化和肠道屏障保护作用，可在一定程度上改善氧化应激和炎症。然而，GAP能否在Cd暴露条件下缓解肠道屏障损伤仍缺乏直接证据。为此，贵州医科大学公共卫生与健康学院的孙露、苏树敏、张清海*等在Cd暴露的Caco-2细胞模型中引入GAP干预，从肠道屏障完整性、氧化应激水平、炎症反应及线粒体功能等多个层面系统评价其保护作用，旨在初步阐明GAP缓解Cd诱导肠道毒性的潜在机制，为黑灵芝作为膳食干预策略的应用提供实验依据，并为后续GAP相关功能食品或营养干预方式的开发提供参考。
1
GAP对Cd暴露Caco-2细胞活力的影响
为明确GAP的安全剂量，首先考察其单独作用对Caco-2细胞活力的影响。将细胞分别与不同质量浓度GAP（20、40、80、160、320 μg/mL）共培养12 h，各剂量组细胞活力与对照组相比均无显著差异（图1A），提示在质量浓度≤320 μg/mL范围内未见GAP具有明显细胞毒性。为建立Cd损伤细胞模型，将细胞与1～5 μg/mL Cd共培养12 h进行初筛，结果显示，细胞活力随Cd质量浓度提高而逐渐下降，其中Cd质量浓度为1 μg/mL时细胞活力降至84.4%，3 μg/mL时降至41.7%（图1B）。综合考虑细胞损伤程度和模型稳定性，确定3 μg/mL、12 h作为后续实验Cd处理条件，并选取上述安全范围内的上限剂量320 μg/mL作为GAP工作质量浓度。在此条件下，Cd显著降低Caco-2细胞活力，而GAP干预后细胞活力显著提高（P＜0.05）；GAP组与对照组相比无显著差异（图1C），进一步证明GAP在该剂量下对Cd诱导的细胞活力下降具有一定保护作用。
2
GAP对Cd暴露Caco-2细胞肠道屏障完整性的影响
如图2A所示，在Cd暴露0～12 h过程中，Caco-2细胞单层TEER呈下降趋势，12 h时Cd组TEER明显低于CON组，提示肠上皮屏障结构受损。与Cd组相比，加入320 μg/mL GAP后，TEER下降趋势明显减缓，暴露10 h和12 h时，Cd-GAP组TEER分别较Cd组提高30.9%和77.9%。如图2B所示，Cd处理使细胞AKP活力较CON组显著下降28.1%，而Cd-GAP组AKP活力较Cd组显著提高26.8%（P＜0.05），提示刷状缘分化状态及屏障稳态有所改善。如图2C～E所示，在基因水平上，Cd暴露显著下调ZO-1、Occludin和Claudin-1的mRNA表达，而GAP干预可部分逆转上述变化，其中Cd-GAP组的ZO-1与Occludin mRNA相对表达量较Cd组分别显著回升112.3%和52.6%（P＜0.05）。综合来看，GAP在Cd暴露背景下有助于维持TJ相关基因表达，减轻屏障结构破坏，并部分恢复上皮屏障功能。
3
GAP对Cd致Caco-2细胞氧化损伤的影响
如图3所示，与CON组相比，Cd组的SOD和CAT活力分别显著下降59.4%和51.6%，MDA含量显著提高462.2%（P＜0.05），提示抗氧化防御系统受到明显抑制并发生显著脂质过氧化。与Cd组相比，Cd-GAP组SOD和CAT活力分别显著提高120.7%和81.7%，MDA含量显著降低44.9%（P＜0.05）。ROS荧光成像及定量结果显示，Cd组绿色荧光显著增强，而Cd-GAP组荧光强度明显减弱；定量分析表明，Cd组ROS相对荧光强度较CON组显著提高261.1%，Cd-GAP组较Cd组显著降低57.3% （P＜0.05）。上述结果表明，在Cd暴露时，GAP能够显著提升细胞内抗氧化酶活性，减少自由基及脂质过氧化产物的积累，从而整体缓解Caco-2细胞的氧化应激。
4
GAP对Cd致Caco-2细胞炎症损伤的影响
如图4A、B所示，与CON组相比，Cd组的TNF-α与IL-6含量分别显著提高189.4%和671.1%（P＜0.05），提示炎症反应被显著激活。与Cd组相比，Cd-GAP组的TNF-α与IL-6含量分别显著下降50.4%和55.0%（P＜0.05）。在分子层面，Cd组MyD88与NF-κB p65 mRNA相对表达量明显上调，而Cd-GAP组较Cd组显著下调（P＜0.05，图4C、D）。上述结果说明，在Cd暴露时，GAP一方面减少促炎因子释放，另一方面抑制髓样分化因子88（MyD88）/核因子κB（nuclear factor κB，NF-κB）通路的转录激活，从而整体减轻细胞炎症负担。
5
GAP对Cd致Caco-2细胞线粒体损伤的影响
如图5所示，与CON组相比，Cd组JC-1红/绿荧光比值显著降低（P＜0.05），提示ΔΨm下降；Cd-GAP组红/绿荧光比值较Cd组显著提高（P＜0.05），表明GAP有助于缓解Cd诱导的线粒体损伤。
如图6所示，Cd处理后胞质Ca2＋荧光强度明显增强，而Cd-GAP组荧光信号较Cd组显著减弱（P＜0.05），提示GAP可缓解Cd诱导的胞质Ca2＋稳态紊乱。
ATP检测结果进一步印证了这一趋势：如图7所示，Cd组ATP含量为0.167 μg/106 cells，而Cd-GAP组显著提高至0.467 μg/106 cells（P＜0.05），说明GAP有利于恢复Cd暴露细胞的能量供应。
在形态学层面，PK Mito Red染色显示Cd组线粒体碎片化加剧、长度缩短，而Cd-GAP组线粒体碎片化程度减轻并伴随平均长度增加（图8），表明GAP有助于维持线粒体结构完整性。
在基因水平上，如图9所示，Cd组AMPKα1、SIRT1与PGC-1α mRNA表达较CON组显著上调，而Cd-GAP组上述基因表达较Cd组显著下调（P＜0.05），且与ΔΨm、ATP含量及Ca2＋荧光强度等功能指标的变化趋势基本一致。综上，GAP在Cd暴露背景下可提高ΔΨm和ATP生成能力，减轻胞质Ca2＋失衡和线粒体碎片化，并通过调节腺苷单磷酸活化蛋白激酶α1（AMPKα1）、沉默信息调节因子1 （sirtuin 1，SIRT1）、过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α（PGC-1α）的转录水平支持线粒体稳态维持，从而在一定程度上缓解Caco-2细胞的线粒体功能障碍。
6
在高Cd地质背景或采矿、冶炼活动密集的地区，Cd污染通过以粮食为主的膳食暴露对人群健康产生风险。肠道作为经口Cd的首要接触部位和重要靶器官，其屏障功能一旦受损，不仅影响营养吸收，还可能促进有毒金属及炎症介质的易位，从而加重全身损伤。多糖类活性物质兼具抗氧化、抗炎和相对较高的安全性，被认为是缓解重金属相关肠屏障损伤的潜在膳食干预因子。本研究基于Caco-2细胞模型，从上皮屏障功能、氧化应激、炎症反应和线粒体稳态等多个层面评价了GAP在Cd暴露背景下的作用。结果显示，GAP在一定程度上逆转了Cd诱导的屏障损伤和线粒体功能异常，为黑灵芝的多糖成分用于食源性Cd暴露防控提供了细胞水平的实验依据。
肠上皮屏障的完整性依赖于致密的TJ结构和功能良好的刷状缘。已有研究表明，Cd暴露可通过削弱TJ蛋白表达、增加旁细胞通透性损害肠屏障。与这些报道一致的是，本研究观察到，在3 μg/mL Cd暴露条件下，Caco-2单层TEER持续下降，AKP活力降低，ZO-1、Occludin和Claudin-1 mRNA表达均明显下调，提示肠上皮结构和功能均受到破坏。在相同Cd暴露条件下，加入320 μg/mL GAP后，TEER下降速率减缓，AKP活力部分恢复，TJ相关基因表达的下调程度也有所减轻，表明GAP有助于维持Cd暴露时的肠上皮屏障稳态。这一结果与高良姜根茎多糖和黄水多糖等可上调TJ蛋白表达、减轻肠屏障损伤的研究结论基本一致。
氧化应激被认为是Cd介导肠毒性的关键环节之一。Cd虽不属于典型芬顿反应金属，但可通过干扰抗氧化防御系统、促进线粒体和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶产生ROS等途径诱导脂质过氧化和细胞损伤。本研究中，Cd暴露显著降低Caco-2细胞中SOD和CAT活力，同时显著提高MDA和ROS水平，说明细胞处于明显的氧化应激状态。值得注意的是，GAP单独处理对Caco-2细胞基础水平的SOD、CAT活力及MDA含量、ROS水平影响不大，而在Cd暴露背景下则明显提高SOD和CAT活力、降低MDA含量和ROS水平。结合既往关于植物和真菌多糖通过清除自由基、增强内源性抗氧化酶活性以减轻重金属或其他应激源所致细胞损伤的研究结果，本研究提示GAP的抗氧化作用更倾向于在氧化负荷升高的情境下发挥缓冲效应，而不是简单地提高基础抗氧化水平。
炎症反应同样参与Cd诱导的肠屏障功能损害。NF-κB信号通路是连接氧化应激与炎症应答的重要枢纽，其激活通常依赖于MyD88介导的上游模式识别受体信号。本研究发现，Cd暴露显著提高TNF-α和IL-6水平，并上调MyD88和NF-κB p65 mRNA表达，提示MyD88/NF-κB相关炎症轴被激活。GAP干预后，TNF-α和IL-6含量明显下降，同时MyD88和NF-κB p65 mRNA表达水平也有所下调。从基因水平的结果推测，GAP可能通过抑制MyD88/NF-κB轴的过度激活一定程度上缓解Cd诱导的促炎反应，但其是否直接作用于该通路仍需进一步验证。
线粒体是肠上皮细胞能量代谢和ROS产生的重要枢纽，其功能异常与多种肠道疾病的发生发展密切相关。ΔΨm的维持是氧化磷酸化和ATP合成的基础，而胞质Ca2＋稳态紊乱和线粒体碎片化则常伴随线粒体应激和细胞死亡程序的启动。本研究中，Cd暴露导致Caco-2细胞ΔΨm下降、ATP含量降低，胞质Ca2＋荧光信号增强，PK Mito Red染色可见线粒体明显碎片化，提示线粒体能量代谢受损并发生形态学重构。GAP干预后，ΔΨm和ATP水平均有所回升，胞质Ca2＋负荷下降，线粒体碎片化程度减轻，与氧化应激和炎症指标改善的趋势基本一致，提示维持线粒体能量代谢和结构稳态可能是GAP缓解Cd相关肠屏障损伤的重要一环。
SIRT1/AMPKα1/PGC-1α信号轴在能量代谢和线粒体质量控制中发挥关键调节作用。在能量缺乏或氧化应激状态下，AMPK和SIRT1可通过调控PGC-1α介导线粒体生物合成及相关自噬过程，以维持线粒体稳态。另一方面，持续或过度的信号轴激活也可能反映细胞处于较高应激负荷，有研究提示，AMPK/SIRT1激活在特定条件下还可能参与NF-κB p65表达调控，从而影响炎症水平。本研究结果显示，Cd暴露显著上调SIRT1、AMPKα1和PGC-1α mRNA表达，而在Cd暴露时加入GAP干预，上述基因的转录水平均有所下调，与ΔΨm、ATP含量及Ca2＋荧光强度等功能指标的改善趋势基本一致。基于此推测，GAP的线粒体保护作用可能部分涉及对SIRT1/AMPKα1/PGC-1α相关通路的转录调节，并可能间接影响炎症状态。
结论
本研究采用GAP干预Cd暴露的Caco-2细胞损伤模型，评价GAP对Cd暴露所致肠道细胞损伤的保护作用。结果表明，在所选剂量范围内，GAP对Caco-2细胞本身无明显毒性，可在Cd暴露背景下提高细胞活力，减缓TEER下降并提高AKP活力，部分逆转ZO-1、Occludin和Claudin-1等TJ相关基因表达下调，从而有助于维持肠上皮屏障完整性。同时，GAP能够提高SOD和CAT活力，降低ROS和MDA水平，并下调TNF-α、IL-6水平及MyD88、NF-κB p65 mRNA表达，减轻Cd诱导的氧化应激与炎症反应；在线粒体层面，GAP改善ΔΨm下降、ATP含量降低、胞质Ca2＋负荷升高及线粒体碎片化等异常，并调节SIRT1、AMPKα1、PGC-1α等基因的转录水平，提示其线粒体保护作用可能部分涉及对SIRT1/AMPKα1/PGC-1α 相关通路的调控。综上所述，GAP可协同调节肠屏障功能、氧化应激、炎症反应和线粒体稳态，对Cd诱导的Caco-2细胞肠上皮屏障损伤具有一定缓解作用。
作者简介
通信作者：
张清海，三级教授，贵州医科大学公共卫生与健康学院副院长，工学博士，博士生导师。入选贵州省高层次人才计划百层次人才、贵州省优秀青年科技人才。兼任贵州省食品科学技术学会副理事长、贵州省食品安全地方标准审评委员会委员、贵州省大健康学会食品营养专业委员会主任委员等。研究方向为食源性健康风险与干预，主持国家自然科学基金、贵州省科技支撑计划、贵州省科技重大专项子课题、贵州省国际科技合作项目等20余项，发表论文150余篇，其中SCI 40 篇。获贵州省科技进步二等奖1 项、三等奖2 项，贵州省科技成果转化二等奖1 项。
第一作者：
孙露，贵州医科大学公共卫生硕士研究生，研究方向为食用菌。
引文格式：
孙露, 苏树敏, 周子皓, 等. 黑灵芝多糖对镉致Caco-2细胞肠上皮屏障损伤的保护作用[J]. 食品科学, 2026, 47(13): 198-207. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251215-119.
SUN Lu, SU Shumin, ZHOU Zihao, et al. Protective effects of Ganoderma atrum polysaccharides against cadmium-induced intestinal epithelial barrier injury in Caco-2 cells[J]. Food Science, 2026, 47(13): 198-207. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251215-119.
PDF下载：
实习编辑：南伊；编辑：阎一鸣；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
为进一步促进动物源食品科学理论的完善与创新，加速科研成果向实际生产力的转化，助力产业实现高质量、可持续发展，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、中国食品杂志社与海南大学、海南热带海洋学院、江西农业大学共同举办的“2026年动物源食品科学与人类健康研讨会”，将于2026年11月14-15日（11月13日报到）在中国 海南 海口召开。
长按或微信扫码进行注册
会议招商招展
联系人：杨红；电话：010-83152138；手机：13522179918（微信同号）
热门跟贴