孕期外源化合物暴露影響子代下丘腦-垂體-腎上腺軸功能的研究進(jìn)展

張 崇，程玉潔，潘 潔，張 瑜

（湖北醫(yī)藥學(xué)院附屬襄陽(yáng)市第一人民醫(yī)院藥學(xué)部，湖北 襄陽(yáng)441000）

下丘腦-垂體-腎上腺（hypothalamic-pituitaryadrenal，HPA）軸是機(jī)體應(yīng)激反應(yīng)的重要神經(jīng)內(nèi)分泌軸，也是易受損傷的重要靶位。越來(lái)越多的證據(jù)表明，諸多成年期疾病與HPA軸的功能異常密切相關(guān)，如神經(jīng)精神性疾病和代謝性疾病等［1］。這些成期年疾病的發(fā)生與孕期不良宮內(nèi)環(huán)境密切相關(guān)。如孕期室內(nèi)空氣污染與子代低出生體質(zhì)量、早產(chǎn)和認(rèn)知功能缺陷等相關(guān)；孕期過(guò)量接觸煙草煙霧與子代肥胖、高血壓和糖尿病相關(guān)；孕婦過(guò)量使用地塞米松可導(dǎo)致子代先天性腎上腺畸形和肝脂肪沉積等［2-3］。因此，HPA軸功能異?？赡茉谝欢ǔ潭壬辖閷?dǎo)了孕期不良宮內(nèi)環(huán)境所致子代成年疾病的發(fā)生。外源化合物（簡(jiǎn)稱外源物）是導(dǎo)致不良宮內(nèi)環(huán)境的明確和重要誘因之一。

1 HPA軸功能發(fā)育及疾病易感性

1.1 HPA軸功能發(fā)育及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

HPA軸接受包括海馬、杏仁核和中腦前額葉皮質(zhì)在內(nèi)的高位中樞調(diào)控。不同種屬動(dòng)物HPA 軸的發(fā)育及成熟過(guò)程差距較大。在人和靈長(zhǎng)類，分娩時(shí)胎兒各器官發(fā)育已相對(duì)成熟，其腦及神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的快速成熟發(fā)生在宮內(nèi)；而在大鼠等嚙齒類動(dòng)物，分娩時(shí)胎兒的器官發(fā)育相對(duì)不太成熟，其神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的快速成熟發(fā)生在出生后早期的應(yīng)激-低反應(yīng)期［4］。下丘腦室旁核（paraventricular nucleus，PVN）是HPA 軸的直接控制部位，其活性和功能狀態(tài)受高位中樞的調(diào)控。在PVN區(qū)域，存在一類神經(jīng)內(nèi)分泌小細(xì)胞，可分泌促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素（corticotropin releasing hormone，CRH）和精氨酸加壓素（arginine vasopressin，AVP）。CRH和AVP可分別與垂體相關(guān)受體結(jié)合，促使促腎上腺皮質(zhì)激素（adrenocorticotrophic hormone，ACTH）的釋放，后者可通過(guò)激動(dòng)腎上腺皮質(zhì)的ACTH 受體促進(jìn)糖皮質(zhì)激素（glucocorticoids，GC）的合成和釋放。體內(nèi)存在2 種類型的GC 受體，Ⅰ型受體對(duì)皮質(zhì)醇（酮）的親和力遠(yuǎn)大于Ⅱ型受體，稱為鹽皮質(zhì)激素受體（mineralocorticoids receptor，MR），Ⅱ型受體即為通常所說(shuō)的糖皮質(zhì)激素受體（glucocorticoids receptor，GR）。血液循環(huán)的GC 可在海馬、下丘腦和垂體，通過(guò)與其受體結(jié)合而負(fù)反饋抑制HPA 軸活性。海馬是負(fù)反饋調(diào)控HPA 軸的主要高位調(diào)節(jié)中樞，有大量的GR 和MR 分布。MR 對(duì)GC的親和力是GR對(duì)GC親和力的10倍以上［2］。當(dāng)機(jī)體內(nèi)GC水平較低時(shí)，海馬局部GC幾乎全部與MR結(jié)合，維持HPA 軸的基礎(chǔ)活性，GR 處于空載狀態(tài)；當(dāng)體內(nèi)GC水平過(guò)高，使MR處于飽和狀態(tài)時(shí)，過(guò)量的GC 則與GR 結(jié)合，從而對(duì)HPA 軸發(fā)出負(fù)反饋抑制信號(hào)，抑制GC的過(guò)量生成。

1.2 HPA軸功能異常與成年疾病易感性

基于HPA軸在應(yīng)激反應(yīng)中的重要作用，多種疾病的發(fā)生與HPA 軸的功能及其調(diào)節(jié)異常有關(guān)。最為人們熟知的是抑郁癥和焦慮癥。Gelman 等［5］認(rèn)為，圍生期抑郁癥與HPA 軸功能異常有關(guān)；de Rezende 等［6］發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)傷應(yīng)激、抑郁癥和HPA軸功能異常三者之間存在相互聯(lián)系；Farrell等［7］認(rèn)為，兒童和青少年抑郁患者伴隨著HPA軸功能異常。除了抑郁癥外，F(xiàn)aravelli等［8］認(rèn)為，生命早期生活事件的刺激會(huì)改變HPA軸對(duì)應(yīng)激的反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致成年期焦慮癥的發(fā)生；Chen等［9］發(fā)現(xiàn)，雙酚A暴露所誘導(dǎo)的焦慮癥與HPA軸功能異常有關(guān)。此外，HPA軸功能異常也與子代糖尿病等代謝性疾病密切相關(guān)［10］。

綜上，在應(yīng)激狀態(tài)下，海馬、杏仁核和中腦前額葉皮質(zhì)等高位中樞發(fā)出應(yīng)激信號(hào)后，通過(guò)下行神經(jīng)纖維傳遞給PVN，從而啟動(dòng)機(jī)體的應(yīng)激反應(yīng)。HPA軸從下丘腦起始，向下依次通過(guò)CRH/AVP，ACTH和GC 形成級(jí)聯(lián)反應(yīng)，同時(shí)GC 又可通過(guò)GR 和MR在垂體、下丘腦和海馬等不同部位對(duì)HPA進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)，從而組成一個(gè)完整的環(huán)路。HPA軸功能的正常發(fā)揮是保持機(jī)體健康的必要條件，改變其功能可能會(huì)導(dǎo)致多種精神性和代謝性疾病的發(fā)生。

2 外源物孕期暴露對(duì)子代HPA 軸功能發(fā)育的影響

孕期多種外源物可對(duì)宮內(nèi)環(huán)境造成不利影響。常見(jiàn)的外源物包括：①環(huán)境毒物：如農(nóng)藥、除草劑和各類化工原料［11］，煙草煙霧［12］、氮氧化物［13］、固體懸浮顆粒［14］等；②藥物類：如抗腫瘤藥物［15］、抗感染藥物［16］和抗癲癇藥［17］等；③食品類：如乙醇［18］和咖啡因［19］等。這些物質(zhì)均在一定程度上影響了胎兒發(fā)育，甚至可引起宮內(nèi)發(fā)育遲緩（intra uterine growth restriction，IUGR）。

2.1 通過(guò)損傷母體生理狀況影響胎兒HPA 軸功能發(fā)育

母體是胎兒獲取營(yíng)養(yǎng)的唯一來(lái)源，也是胎兒排泄的唯一途徑。因此，母體的狀況對(duì)胎兒發(fā)育有著重要的影響。有研究表明，孕期母體應(yīng)激可影響子代HPA 軸功能發(fā)育，而多種外源物作為應(yīng)激因子，也可刺激母體的應(yīng)激反應(yīng)［20］；孕期母體炎癥等因素可過(guò)度活化母體免疫系統(tǒng)，影響胎兒神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和HPA軸功能［21］；孕期母體對(duì)胰島素的敏感性變化可影響子代糖代謝而導(dǎo)致IUGR［22］；產(chǎn)前低劑量乙醇暴露可能與成年大鼠的HPA軸功能異常有關(guān)，并可導(dǎo)致其焦慮樣改變及對(duì)乙醇的攝取行為改變［23］。本課題組的研究也表明，孕期咖啡因［24］、乙醇［25］及尼古?。?6］暴露均可導(dǎo)致母鼠HPA軸過(guò)度活化，子代在成年期表現(xiàn)為HPA軸對(duì)應(yīng)激的高敏感性。

2.2 通過(guò)損傷胎盤影響胎兒

胎兒和母體之間的物質(zhì)交換必須經(jīng)過(guò)胎盤。胎盤損傷將導(dǎo)致母源性有害物質(zhì)過(guò)量進(jìn)入胎兒體內(nèi)，從而影響胎兒的發(fā)育。研究表明，甘草甜素、棉籽酚、鄰苯二甲酸、有機(jī)錫化合物、烷基酚、雙酚A和氟甲睪酮等多種外源物可抑制胎盤2型11β-羥類固醇 脫 氫 酶（11β-hydroxysteroid dehydrogenase type 2，11β-HSD2）的表達(dá)［27］。由于11β-HSD2 的主要功能為滅活GC，抑制其表達(dá)將導(dǎo)致胎兒過(guò)暴露于母源性GC。孕期尼古丁暴露不僅可通過(guò)誘導(dǎo)胎盤細(xì)胞色素（cytochrome P，CYP）2E1 和CYP1A1 的表達(dá)而氧化損傷胎盤，而且通過(guò)抑制胎盤P-糖蛋白的表達(dá)而增加胎兒對(duì)環(huán)境毒物的敏感性［28］；孕期咖啡因攝入可影響胎盤腎素-血管緊張素系統(tǒng)（reninangiotensin system，RAS），使胎盤出現(xiàn)P53 依賴性絨毛膜上皮細(xì)胞凋亡，對(duì)胎兒發(fā)育產(chǎn)生不利影響［29］。孕期咖啡因和地塞米松暴露皆可抑制胎盤11β-HSD2 的 表 達(dá)，引 起 胎 兒 母 源 性GC 過(guò) 暴露［30］。孕期三氧化二砷暴露可影響胎盤多種基因的表達(dá)［15］，其機(jī)制可能與組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)改變有關(guān)。

2.3 透過(guò)胎盤直接影響胎兒

許多外源物因分子量小、脂溶性高，易透過(guò)胎盤進(jìn)入胎兒體內(nèi)。子宮是一個(gè)相對(duì)封閉的腔隙，胚胎（胎兒）正處于發(fā)育階段，多種防御功能尚未建立，極易受到損傷。因此，這些外源物還可能對(duì)胎兒發(fā)育產(chǎn)生直接毒性［31］。如，咖啡因脂溶性高，可通過(guò)胎盤進(jìn)入胎兒體內(nèi)，也可通過(guò)胎兒吞飲羊水進(jìn)一步經(jīng)胃腸吸收，主要分布于胎兒的肝、腦和心等重要器官；胎肝的藥物代謝酶（如CYP1A2）活性較低，同時(shí)可通過(guò)“逆行生物轉(zhuǎn)化”將代謝產(chǎn)物茶堿還甲基化為咖啡因（占5%～10%），致使咖啡因代謝減慢；胎腎小球?yàn)V過(guò)功能不全及“羊水腸道循環(huán)”可減慢咖啡因及其代謝產(chǎn)物排泄。因此，咖啡因更易在胎兒蓄積而產(chǎn)生直接毒性作用［2］。

綜上，孕期外源物暴露可通過(guò)影響母體的的生理和（或）病理生理狀態(tài)，對(duì)胎兒的發(fā)育產(chǎn)生影響；也可通過(guò)影響胎盤11β-HSD2 等基因的表達(dá)，破壞胎盤的屏障作用，導(dǎo)致胎兒過(guò)暴露于母源性GC 等物質(zhì)，從而影響其發(fā)育；同時(shí)，部分分子量小、脂溶性高的外源物也可直接通過(guò)胎盤進(jìn)入胎兒體內(nèi)，對(duì)其發(fā)育產(chǎn)生潛在的不良影響。

3 外源物引起胎兒HPA 軸發(fā)育改變的毒性機(jī)制

研究認(rèn)為，不良的宮內(nèi)環(huán)境（如應(yīng)激、低氧血癥和營(yíng)養(yǎng)不良）會(huì)引起胎兒HPA 軸發(fā)育改變，這種改變可減慢胎兒的生長(zhǎng)速度和增加外周組織對(duì)代謝激素的敏感性，以確保胎兒出生后在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏的情況下能生存［32］；出生后HPA軸對(duì)應(yīng)激敏感性的增強(qiáng)會(huì)加快發(fā)展為代謝紊亂的進(jìn)程。外源物對(duì)胎兒HPA軸功能發(fā)育影響的報(bào)道甚少，但少量的研究提示，IUGR 的胎兒通常存在HPA 軸功能異常［33］。我們的系列研究也發(fā)現(xiàn)，孕期外源物暴露在導(dǎo)致胎鼠IUGR 的同時(shí)，伴隨著胎兒HPA 軸功能抑制［34］，其機(jī)制可能與通過(guò)損傷胎盤間接影響胎兒和直接改變胎兒基因的表觀遺傳修飾有關(guān)［35］。

3.1 通過(guò)損傷外源物代謝相關(guān)酶系統(tǒng)影響胎兒HPA軸發(fā)育

研究表明，孕期持續(xù)暴露于有機(jī)污染物可通過(guò)異常甲基化的方式改變包括胰島素樣生長(zhǎng)因子2在內(nèi)的胎盤多個(gè)基因的表達(dá)［36］，孕期乙醇暴露可降低胎盤血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子受體2 和膜聯(lián)蛋白A4 的表達(dá)，同時(shí)誘導(dǎo)腫瘤壞死因子α和白細(xì)胞介素13的表達(dá)［18］，這些均可能通過(guò)對(duì)胎盤的影響間接對(duì)胎兒的發(fā)育產(chǎn)生明顯的不良反應(yīng)。國(guó)內(nèi)科學(xué)家在多年研究中系統(tǒng)、全面地檢測(cè)了人胎腎上腺組織中與外源物代謝相關(guān)酶系統(tǒng)的表達(dá)、活性及特征發(fā)現(xiàn)，人胎腎上腺組織具有完善的外源物代謝酶系統(tǒng)，包括Ⅰ相酶-P450 單加氧酶系（如CYP1A1，2A6，2A13，2B，2E1 和3A7 等）、Ⅱ相酶-葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶及谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶系和抗氧化酶系（如谷胱甘肽過(guò)氧化酶、谷胱甘肽S 轉(zhuǎn)移酶、超氧化物歧化酶）等等［37-38］。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，這些酶系統(tǒng)在胎腎上腺發(fā)育過(guò)程中既參與了甾體激素的生物合成和代謝過(guò)程，又參與了外源物的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程，且這些代謝酶活性具有明顯的外源物誘導(dǎo)作用，其代謝能力相似和（或）顯著高于胎肝［2］。這些改變一方面可能對(duì)胎盤造成原位氧化代謝損傷，另一方面可能直接進(jìn)入胎兒體內(nèi)，造成胎兒HPA軸損傷或改變其發(fā)育編程。

3.2 通過(guò)改變胎兒基因的表觀遺傳學(xué)修飾

表觀遺傳學(xué)是研究發(fā)生在基因組及其周圍環(huán)境的分子過(guò)程，這些過(guò)程在不改變基本DNA序列的情況下調(diào)節(jié)基因活動(dòng)。因此，表觀遺傳學(xué)的變化在不改變個(gè)體基因組序列的情況下改變特定基因的表達(dá)。表觀遺傳學(xué)描述了DNA 及其相關(guān)蛋白的微觀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可被修飾以誘導(dǎo)特定基因的上調(diào)或下調(diào)。表觀遺傳機(jī)制包括DNA甲基化、染色質(zhì)重塑和組蛋白修飾。通過(guò)這些過(guò)程，當(dāng)前和既往的壓力暴露，包括父母在懷孕前的暴露和兒童時(shí)期的環(huán)境影響，被“傳達(dá)”給發(fā)育中的胎兒。盡管表觀遺傳變化可能是由于個(gè)體自身的發(fā)育經(jīng)歷而發(fā)生的，但環(huán)境信號(hào)的跨代傳遞可通過(guò)胚系表觀遺傳標(biāo)記的傳遞而發(fā)生（如饑餓或創(chuàng)傷，影響發(fā)育中的胎兒）。已證實(shí)，表觀遺傳學(xué)修飾參與了胚胎的發(fā)育過(guò)程，如GR 基因DNA 甲基化異常與生命早期HPA 軸的功能異常有關(guān)［7］。外源物可通過(guò)多種途徑改變胎兒發(fā)育過(guò)程的表觀遺傳學(xué)修飾，從而影響胎兒的正常發(fā)育。如，己烯雌酚和甲氧氯暴露可導(dǎo)致胎兒對(duì)雌二醇的反應(yīng)異常，同時(shí)伴有DNA 甲基化改變［39］；宮內(nèi)暴露于GC 可導(dǎo)致成年期高血壓，其發(fā)生機(jī)制與表觀遺傳修飾有關(guān)［40］?？傊M管目前的研究還很不充分，但可肯定的是，相關(guān)基因的表觀遺傳學(xué)修飾參與了胎兒HPA 軸的發(fā)育編程，并與其成年期HPA軸的功能異常有關(guān)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，外源物孕期暴露可對(duì)子代產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，既可通過(guò)母體和胎盤影響胎兒發(fā)育，也可直接對(duì)胎兒產(chǎn)生毒性。其發(fā)生機(jī)制與外源物原位代謝損傷、破壞胎盤屏障，以及相關(guān)基因的表觀遺傳修飾異常造成的胎兒HPA 軸發(fā)育編程和成年期功能異常有關(guān)。成年期HPA 軸功能變化可進(jìn)一步造成神經(jīng)內(nèi)分泌代謝紊亂，增加對(duì)抑郁癥、焦慮癥等精神性疾病以及糖尿病、高血壓和高脂血癥等多種慢性疾病的易感性。因此，對(duì)這一領(lǐng)域的深入研究，尤其是對(duì)相關(guān)機(jī)制的深入探討，將有助于人們進(jìn)一步了解成年疾病的發(fā)育起源，從而為臨床早期防治奠定理論基礎(chǔ)。