艾 揚 王亞飛 李 劍
(北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,地下水污染控制與修復(fù)教育部工程研究中心,北京 100875)
甲狀腺是脊椎動物體內(nèi)重要的內(nèi)分泌腺,其分泌的甲狀腺激素在人類和動物的生理過程中發(fā)揮著重要的作用,包括調(diào)節(jié)生長、能量代謝、組織分化和發(fā)育以及維護大腦功能等[1]。MORREALE DE ESCOBAR等[2]認為在胎兒和幼兒期,生長發(fā)育高度依賴正常的甲狀腺激素水平,尤其在妊娠期間正常的甲狀腺激素水平對于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育是至關(guān)重要的,甲狀腺激素的缺乏會造成大腦的不正常發(fā)育,導(dǎo)致智力低下和運動失調(diào)[3-4]。因此,維持正常的甲狀腺激素水平對于機體生長發(fā)育是必需的。
甲狀腺激素干擾物(TDCs)已成為繼環(huán)境雌激素之后最重要的一類內(nèi)分泌干擾物。TDCs能伴隨人類生產(chǎn)、生活進入環(huán)境水體,對水生生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成威脅。ZHOU等[5]研究指出,TDCs不僅會干擾甲狀腺激素的合成、甲狀腺激素代謝相關(guān)酶的活性、甲狀腺調(diào)節(jié)基因的表達,還可與甲狀腺轉(zhuǎn)運蛋白競爭性結(jié)合以及通過下丘腦-垂體-甲狀腺軸的反饋調(diào)節(jié)途徑干擾甲狀腺激素的作用。目前,已被證實或已有證據(jù)懷疑為TDCs的環(huán)境化學(xué)物質(zhì)達數(shù)百種之多。
鑒于甲狀腺激素在人類生長發(fā)育中所起的重要作用以及TDCs對人類健康的重要影響,因此對TDCs的研究越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視,這里主要綜述了環(huán)境水體中TDCs的研究進展。
PCBs由于具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和絕緣性,曾作為一種工業(yè)產(chǎn)品大量生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用于電力、化工等領(lǐng)域。但是,PCBs又是環(huán)境持久性污染物,由于其具有高毒性和高持久性,發(fā)達國家已于20世紀70年代禁止生產(chǎn)和使用,但是在人體組織中包括母乳、臍帶和血液中仍然能檢測到PCBs的存在[6]。SCHUUR等[7]的研究顯示,PCBs會通過抑制甲狀腺激素硫化作用而影響外周甲狀腺激素代謝。人體研究實驗同樣顯示,PCBs可引起外周甲狀腺激素水平的降低,或者增加促甲狀腺激素水平[8]。由于PCBs具有和甲狀腺激素類似的結(jié)構(gòu),因而能影響甲狀腺激素水平。BOAS等[9]604的研究顯示,PCBs能與甲狀腺激素競爭結(jié)合甲狀腺轉(zhuǎn)運蛋白,從而減少甲狀腺激素的水平,干擾甲狀腺激素的代謝。
PAEs作為聚氯乙烯的增塑劑,已被廣泛應(yīng)用于玩具、食品包裝材料、醫(yī)用血袋和膠管、塑料瓶和個人護理品等數(shù)百種產(chǎn)品中。研究表明,PAEs能通過多種機制對甲狀腺功能產(chǎn)生干擾作用[10]。吳皖珂[11]63-64的研究表明,PAEs的暴露會改變母體血清甲狀腺激素水平,可能對胎兒發(fā)育造成損傷,如發(fā)生在孕早期,則會對中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生永久性的損傷。BREOUS等[12]研究顯示,鄰苯二甲酸丁基芐基酯(BBP)和鄰苯二甲酸二正辛酯(DNOP)會干擾鈉碘轉(zhuǎn)運體的轉(zhuǎn)錄活性,使甲狀腺的碘攝取增加。另外,PAEs可和甲狀腺激素競爭性結(jié)合轉(zhuǎn)甲狀腺激素蛋白(TTR),同時抑制TR-β基因的表達[13],[14]367。PAEs對甲狀腺系統(tǒng)的作用機制非常復(fù)雜,仍需要更多的離體、活體實驗來探索其具體的作用模式。
壬基酚(NP)是各種洗滌劑、塑料和殺蟲劑的添加劑,具有持久性和生物蓄積性。蛋白質(zhì)提取物的體外實驗顯示,NP能抑制甲狀腺過氧化物酶(TPO)的活性[15]99。奚悅等[16]發(fā)現(xiàn),NP可損傷甲狀腺濾泡上皮細胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體,同時可造成甲狀腺功能降低。
五氯酚(PCP)主要來自生物殺蟲劑、木材行業(yè)的防腐劑和皮革行業(yè)的抗真菌劑。此外,PCP也是殺蟲劑六氯苯的主要代謝產(chǎn)物。PCP能降低母羊的四碘甲狀腺原氨酸(T4)濃度[17]。在剛出生的幼兒體內(nèi),發(fā)現(xiàn)臍帶血漿里的PCP與三碘甲狀腺原氨酸(T3)、血清游離甲狀腺激素(FT4)和T4結(jié)合球蛋白(TBG)呈明顯的負相關(guān)關(guān)系,表明PCP能改變新生兒的甲狀腺激素水平[9]602。
雙酚A(BPA)主要用于生產(chǎn)光盤、黏合劑、粉漆、牙齒密封劑和聚碳酸酯等,已有多個國家明令禁止在嬰兒奶瓶中添加BPA。目前關(guān)于BPA對于甲狀腺功能影響的研究較少,且已有研究結(jié)果不統(tǒng)一。NIEMINEN等[18]未觀察到暴露于BPA的大鼠甲狀腺發(fā)生病理改變,卻發(fā)現(xiàn)質(zhì)量增加;但是,暴露于BPA污染場地的田鼠和臭鼬的甲狀腺激素水平并未發(fā)生顯著變化。ZOELLER等[19]發(fā)現(xiàn):暴露于BPA的孕鼠所產(chǎn)的幼鼠的T4濃度會顯著增加;BPA的暴露劑量與尿苷二磷酸葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶(UDPGT)的活性呈明顯的正相關(guān)關(guān)系,而UDPGT的活性增加會加快甲狀腺激素的代謝。
PCDD/Fs是多氯二苯并-對-二噁英和多氯二苯并呋喃的合稱,共有210種化合物。它們是工業(yè)燃燒和除草劑生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的持久性、劇毒性的環(huán)境污染物。研究表明,PCDD/Fs會干擾甲狀腺激素的代謝,導(dǎo)致細胞異常[20]。在動物實驗中,AHMED[21]發(fā)現(xiàn),PCDD/Fs會降低血清甲狀腺激素水平,特別是對T4的作用最明顯;NISHIMURA等[22]73研究顯示,PCDD/Fs會誘導(dǎo)成年鼠及其子代的UDPGT活性增加,同時降低肝臟脫碘酶的活性。人體實驗發(fā)現(xiàn),大量暴露于四氯二苯并-對-二噁英(TCDD)的越南戰(zhàn)爭退伍軍人體內(nèi)的促甲狀腺激素水平明顯高于人群平均水平[23]。目前的實驗數(shù)據(jù)表明,PCDD/Fs主要通過干擾甲狀腺激素的轉(zhuǎn)運和代謝過程對甲狀腺產(chǎn)生不利影響。
BFRs是一種重要的化學(xué)阻燃劑,具有良好的耐熱性,主要應(yīng)用于塑膠及紡織品的防火。BFRs包括多種不同種類的化合物,如四溴雙酚A(TBBPA)、多溴聯(lián)苯醚(PBDEs)和多溴聯(lián)苯(PBBs)等。TBBPA、PBDEs與PCBs相比,結(jié)構(gòu)更加類似于T4。TBBPA是BPA的鹵代衍生物,作為阻燃劑廣泛用于諸如電視機、計算機、復(fù)印機和激光打印機等電氣設(shè)備中。一般認為TBBPA是安全的阻燃劑,因為它不會在環(huán)境中積累,也不具有高毒性,但KITAMURA等[24]發(fā)現(xiàn),TBBPA在一定濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出擬甲狀腺激素活性。幼鼠在5 mg/kg的TBBPA中暴露16 d后,血清中促甲狀腺激素明顯上升,但甲狀腺激素沒有顯著變化[25]。PBDEs是廣泛用于塑料、涂料、電器部件和合成紡織品里的阻燃劑。居穎[26]發(fā)現(xiàn),暴露于PBDEs中可引起血清中FT4濃度降低,促甲狀腺激素水平升高,而且PBDEs還可能影響人體甲狀腺激素受體(TR)的表達。由于BFRs種類繁多并在世界范圍內(nèi)廣泛使用,因此其對人體特別是胎兒和嬰幼兒的甲狀腺功能影響還需要進一步研究。
環(huán)境中的TDCs除上述5類外,還包括其他一些有機化合物,如有機氯農(nóng)藥(OCPs)、丙硫氧嘧啶、鹽酸胺碘酮(AH)、某些烷烴及鹵代烷烴等。此外,一些無機離子也會抑制T3和TR的結(jié)合,如Zn2+、Cu2+、Cd2+等[27]。FREAKE等[28]報道,Zn2+對于調(diào)節(jié)TR介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)錄具有至關(guān)重要的作用。由于環(huán)境中污染物種類繁多,目前已發(fā)現(xiàn)的TDCs非常有限,特別是對于無機化合物的TDCs活性研究較少,仍需要進一步深入研究。
甲狀腺通過下丘腦和垂體的微調(diào)負反饋機制來維持血清中相對穩(wěn)定的甲狀腺激素水平[11]71。環(huán)境中的TDCs可引起下丘腦-垂體-甲狀腺軸功能異常,而下丘腦-垂體-甲狀腺軸是維持甲狀腺激素動態(tài)平衡的關(guān)鍵控制系統(tǒng),從而導(dǎo)致甲狀腺激素的合成、分泌和代謝過程失調(diào)[29]824。根據(jù)現(xiàn)有研究進展,將TDCs干擾機制歸納為以下幾種主要方式。
TTR是唯一一種在大腦中合成的甲狀腺激素結(jié)合蛋白,在機體內(nèi)的主要作用是作為轉(zhuǎn)運蛋白參與甲狀腺激素的轉(zhuǎn)運,維持甲狀腺激素的正常水平[35]。由于BFRs、PCBs、酚類和PAEs等TDCs與甲狀腺激素結(jié)構(gòu)類似,因而能與TTR發(fā)生競爭性結(jié)合,阻止T4與TTR結(jié)合,使血液中的FT4濃度增大,從而導(dǎo)致T4吸收代謝增強,降低血液中的T4濃度,最終干擾甲狀腺激素的運載過程[36]。MEERTS等[37]的體外實驗證實,部分BFRs與TTR有很強的結(jié)合能力,其在體內(nèi)可能通過與血清TTR競爭性結(jié)合而引起甲狀腺激素水平的變化,其中,TBBPA與TTR的結(jié)合能力是BFRs中最強的。王艷萍等[38]的研究證實,PCBs也可與血漿TTR結(jié)合,導(dǎo)致胎兒發(fā)生甲狀腺激素缺乏引起的發(fā)育障礙,羥基化的PCBs則可與TTR完全結(jié)合,導(dǎo)致血液內(nèi)游離甲狀腺激素大大增多,引起甲狀腺激素的循環(huán)水平降低[39]35-36。
在大腦中,甲狀腺激素參與少突膠質(zhì)細胞的生長、髓鞘形成以及浦肯野細胞樹突的延長,甲狀腺激素必須與細胞內(nèi)的TR結(jié)合才能實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)[40],但是TDCs的存在對機體內(nèi)TR的表達有明顯的干擾作用。SEIWA等[41]的研究顯示,用BPA處理48 h后,少突膠質(zhì)前體細胞和少突細胞中的TR-β1水平顯著下降,表明BPA抑制了T3誘導(dǎo)少突膠質(zhì)前體細胞的分化。另外,二環(huán)己基、BBP和PCP都能抑制TR-β基因的表達[14]370,從而干擾中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育。
JANOSEK等[42]發(fā)現(xiàn),TDCs可影響T3與TR的結(jié)合和信號傳遞過程,主要的作用方式包括與TR結(jié)合、與TR共調(diào)節(jié)蛋白相互作用、改變TR磷酸化3種。例如,PBDEs能與TR發(fā)生競爭性結(jié)合;PCBs能干擾TR/維甲酸X受體(RXR)復(fù)合物與甲狀腺激素反應(yīng)元件(TRE)結(jié)合,從而抑制TR介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄過程[29]827;AH會干擾甲狀腺激素與TR結(jié)合,抑制甲狀腺激素功能的發(fā)揮,從而引起甲狀腺功能的紊亂[43]671。
甲狀腺激素在體內(nèi)代謝的主要方式是脫碘,而脫碘酶在這一過程中發(fā)揮著重要的作用。脫碘酶能控制甲狀腺激素在不同器官的轉(zhuǎn)換,并能催化體內(nèi)甲狀腺激素的代謝過程[11]72,同時脫碘酶能有效地控制甲狀腺組織內(nèi)T3和T4的濃度以及T3/T4。近年來的研究發(fā)現(xiàn),環(huán)境中的TDCs會干擾脫碘酶的活性從而干擾甲狀腺激素的代謝過程。WADE等[44]通過體外實驗證實,OCPs、Pb和Cd的混合物能抑制5’-脫碘酶的活性。吳源等[45]的研究發(fā)現(xiàn),Hg能抑制脫碘酶的活性使體內(nèi)T4濃度明顯增加。TBBPA可抑制紅鯽(Carassiusauratus)血清中甲狀腺激素與TTR的結(jié)合,從而引起甲狀腺激素代謝加快,導(dǎo)致肝臟DI2和DI3活性的升高[39]42。NISHIMURA等[22]78-81的研究表明,TCDD能增強成年大鼠和子代幼鼠體內(nèi)UDPGT的活性,降低肝臟和腎臟中5’-脫碘酶的活性,并具有劑量依賴性。劉園園[46]發(fā)現(xiàn),六溴環(huán)十二烷(HBCD)和PBDEs的復(fù)合物能通過改變脫碘酶的活性來影響甲狀腺激素的代謝過程從而影響機體內(nèi)甲狀腺激素水平的穩(wěn)態(tài)。
環(huán)境水體中TDCs的檢測方法通常包括化學(xué)分析法和生物檢測法。化學(xué)分析法主要適用于已知TDCs的檢測,如LUKS BETLEJ等[47]利用固相微萃取、氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用(GC/MS)法來檢測水體中的PAEs?;瘜W(xué)分析法測試精準,但儀器昂貴,操作復(fù)雜,而且不能直接給出環(huán)境水體甲狀腺激素干擾活性。生物檢測法具有簡捷、經(jīng)濟、快速、高效的優(yōu)點,并且能直接表征環(huán)境水體甲狀腺激素干擾活性,評價潛在的生態(tài)和健康毒性效應(yīng)。因此,重點論述生物檢測法在環(huán)境水體中的應(yīng)用。根據(jù)測試對象不同,生物檢測法又可分為活體檢測法和離體檢測法兩種。
活體檢測法主要通過測定暴露生物體內(nèi)甲狀腺激素水平、觀察甲狀腺組織改變等來表征甲狀腺激素干擾活性。目前的研究對象主要集中在魚類,通過觀察其形態(tài)學(xué)、組織病理學(xué)、生殖和特定生化指標的變化對TDCs進行檢測和評價。
除魚類實驗外,有研究報道采用兩棲動物的變態(tài)實驗來檢測水體中的TDCs。MITSUI等[50]于2006年建立了熱帶爪蟾(X.tropicalis)變態(tài)實驗檢測TDCs的方法;OKA等[51]利用日本粗皮蛙(Ranarugosa)的變態(tài)實驗來檢測TDCs。兩棲動物的變態(tài)過程依賴于甲狀腺激素的調(diào)控,因此對TDCs非常敏感,可以用來檢測環(huán)境水體中的TDCs水平。然而目前關(guān)于兩棲動物的活體實驗開展還較少,有待進一步的發(fā)展。
目前對環(huán)境水體中TDCs的離體檢測法主要有基于細胞的檢測方法和基于雙雜交酵母系統(tǒng)的檢測方法兩種。相比于活體檢測法,離體檢測法具有更快速、高效的特點。
3.2.1 基于細胞的檢測方法
細胞增殖實驗中所用的細胞系富含TR,具有甲狀腺激素依賴性增殖的特點,可應(yīng)用于環(huán)境水體中TDCs的檢測。目前主要采用大鼠垂體瘤細胞GH3的增殖實驗來檢測TDCs。研究顯示,PAEs、NP、BFRs等化合物可以通過與T3的作用干擾GH3的細胞增殖[52]。除了GH3細胞株,大鼠甲狀腺瘤細胞系中的FRTL-5、WRT、PCC13也被用于檢測水中的TDCs。潘紅梅[53]研究發(fā)現(xiàn),F(xiàn)RTL-5細胞的甲狀腺激素合成相關(guān)基因、蛋白和細胞攝碘能力等均有可用于甄別環(huán)境中的TDCs干擾活性。
將細胞進行改造后應(yīng)用于TDCs的檢測被稱為受體報告基因?qū)嶒灐UN等[54]的研究表明,受體報告基因?qū)嶒灢粌H能檢測TDCs與受體的結(jié)合能力,還可以反映結(jié)合后引起的生物學(xué)效應(yīng),而且能區(qū)分誘導(dǎo)劑和抑制劑,因此現(xiàn)在已經(jīng)成為環(huán)境水體TDCs篩選的有力工具。王曉祎等[55]將水源水與5 nmol/L T3共同作用于非洲綠猴腎CV-1細胞受體報告基因,在25~100的濃縮倍數(shù)下,檢測到了顯著的擬甲狀腺激素活性。SHI等[56]通過CV-1細胞受體報告基因?qū)嶒灠l(fā)現(xiàn),在長江三角洲地區(qū)所采集的14個地下水樣中,有12個地下水樣顯示出明顯的TR抑制活性,鄰苯二甲酸二正丁酯(DNBP)、鄰苯二甲酸二異丁酯(DIBP)和DNOP為主要的致毒化合物。
3.2.2 基于雙雜交酵母系統(tǒng)的檢測方法
雙雜交酵母系統(tǒng)主要包括TR-TIF2雙雜交酵母測評系統(tǒng)和TR-GRIP1雙雜交酵母測評系統(tǒng)兩種[57]528。雙雜交酵母系統(tǒng)的構(gòu)建是將TR基因和受體共激活因子基因共轉(zhuǎn)導(dǎo)進入酵母細胞中,形成重組TR基因雙雜交酵母。以TR-GRIP1雙雜交酵母為例,其共激活因子蛋白為GRIP1,該蛋白能參與TR介導(dǎo)的基因表達,而且能更真實地模擬生物體內(nèi)的效應(yīng)[58]。
雙雜交酵母系統(tǒng)檢測環(huán)境水體中TDCs干擾活性的原理如下:TDCs與TR結(jié)合形成復(fù)合物,該復(fù)合物結(jié)合受體共激活因子蛋白,從而啟動報告基因表達,通過測定報告基因LacZ表達產(chǎn)物β-半乳糖苷酶活性表征TDCs的干擾活性[59]。李劍等[57]528發(fā)現(xiàn),T3對TR-GRIP1雙雜交酵母酶活性誘導(dǎo)的半數(shù)致死濃度(EC50)為1.1×10-7mol/L,最大效應(yīng)摩爾濃度為5.0×10-6mol/L。CHEN等[60]利用雙雜交酵母系統(tǒng)對54個地表水樣進行監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)只有1個水樣顯示出TR誘導(dǎo)活性,而13個水樣顯示出強烈的TR抑制活性。通過對北京地區(qū)污水處理廠TDCs的活性研究發(fā)現(xiàn),污水處理的整個過程中都有TR抑制活性,其中高碑店污水處理廠AH當(dāng)量摩爾濃度為2.35×10-8~6.19×10-7mol/L,盧溝橋污水處理廠AH當(dāng)量摩爾濃度為3.76×10-8~8.75×10-8mol/L,但是沒有發(fā)現(xiàn)TR誘導(dǎo)活性[43]673-674。同樣,在北京官廳水庫水樣中也未發(fā)現(xiàn)TR誘導(dǎo)活性,但是官廳水庫的水樣均有TR抑制活性,AH當(dāng)量質(zhì)量濃度為21.2~313.9 μg/L[61]。
由于基于雙雜交酵母系統(tǒng)的檢測方法操作簡單、經(jīng)濟、高效,目前已廣泛應(yīng)用于環(huán)境水體中TDCs的篩選和TDCs干擾效應(yīng)檢測。
甲狀腺激素在人和動物的生長發(fā)育過程中起著重要的作用,但釋放到環(huán)境中的TDCs會干擾甲狀腺系統(tǒng)的正常生理功能,對人和動物的生存和健康及物種的繁衍構(gòu)成巨大的威脅。雖然目前國內(nèi)外已經(jīng)對TDCs的致毒機制開展了一些工作,但是尚不深入,而且環(huán)境中有越來越多的TDCs被發(fā)現(xiàn)。今后應(yīng)該從以下幾個方面開展更深入的研究工作:
(1) 由于TDCs的種類多樣性和作用機制的復(fù)雜性,TDCs對甲狀腺激素的干擾機制仍不明確,因此其作用機制的研究將是未來一段時間內(nèi)研究的重點和難點。
(2) 對于環(huán)境中的TDCs的檢測現(xiàn)在仍以復(fù)雜、昂貴的儀器分析方法為主,缺乏快速、靈敏、經(jīng)濟、高效的生物檢測法。
(3) 由于環(huán)境中的TDCs呈現(xiàn)低劑量長期暴露的特征,導(dǎo)致TDCs的表征和評價十分困難,因此在低劑量條件下進行風(fēng)險評價將是另一個重點研究方向。
(4) 進行大范圍的流行病學(xué)調(diào)查,以進一步確定TDCs的暴露與有關(guān)疾病的相關(guān)程度。
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