環(huán)境內(nèi)分泌干擾物暴露致心肌線粒體損傷的研究進(jìn)展

唐蘭，俞捷，許潔

遵義醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，遵義 563000

近年來，心臟疾病(如冠心病、心衰等)在中國的發(fā)病率及死亡率持續(xù)增加并呈年輕化趨勢(shì)，已成為嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題[1]。大量研究已證明，引起心臟疾病的主要危險(xiǎn)因素有高血壓、高血脂、吸煙、肥胖及糖尿病等，除此以外，越來越多的研究結(jié)果表明，心臟疾病的發(fā)生與環(huán)境中化學(xué)污染物有關(guān)。環(huán)境內(nèi)分泌干擾物(environmental endocrine disruptors, EEDs或endocrine disrupting chemicals, EDCs)，指可通過干擾生物體內(nèi)天然激素的合成、分泌、結(jié)合、反應(yīng)和代謝等，而對(duì)生物體的神經(jīng)、內(nèi)分泌、生殖和免疫系統(tǒng)等的功能產(chǎn)生影響的外源性化學(xué)物質(zhì)[2]。目前，大量流行病學(xué)與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果均表明，EEDs暴露與心絞痛、高血壓、冠心病、心力衰竭、心肌梗死及動(dòng)脈粥樣硬化等的發(fā)生有關(guān)[3-5]。

線粒體是細(xì)胞內(nèi)氧化磷酸化和形成三磷酸腺苷(ATP)的主要場(chǎng)所，有細(xì)胞“動(dòng)力工廠(power plant)”之稱。成人心臟中線粒體占心肌細(xì)胞體積的1/3，在供氧充足的條件下，95%以上的ATP產(chǎn)生來自線粒體的氧化代謝。心臟的高能量需求必須緊密伴隨著線粒體能量生成，當(dāng)能量的產(chǎn)生、儲(chǔ)存和利用發(fā)生障礙，心臟各項(xiàng)生命活動(dòng)必將受到損害。研究表明，心肌線粒體結(jié)構(gòu)功能異?？蓪?dǎo)致心肌病、心力衰竭、缺血性心臟病和動(dòng)脈粥樣硬化等心臟疾病的發(fā)生[6-9]。因此，本文綜述了部分EEDs(雙酚A、壬基酚、鄰苯二甲酸二(2-乙基)己酯(DEHP)、馬拉硫磷、磷化鋁、鎘和汞)以及部分主要含EEDs的混合物(SO2與苯并芘復(fù)合物、PM2.5)對(duì)心肌線粒體的毒性及損傷機(jī)制，為今后心臟疾病治療方案的研究提供了新方向。

1 EEDs的心肌線粒體毒性及其機(jī)制(Myocardial mitochondrial toxicity and its mechanism of EEDs)

1.1 雙酚A

雙酚A(bisphenol A, BPA)，用于生產(chǎn)聚碳酸酯和環(huán)氧樹脂塑料，廣泛應(yīng)用于日常產(chǎn)品，如食品與飲料容器、玩具和醫(yī)療設(shè)備等。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明，心臟BPA(100 μmol·L-1)急性暴露(≤15 min)后可導(dǎo)致QRS間期延長和心室搏動(dòng)減少，并最終導(dǎo)致完全心臟阻滯[10]；BPA暴露48周后，可致小鼠心肌肥大[11]；長期接觸雙酚A會(huì)增加心肌梗死后的炎癥反應(yīng)，降低肌成纖維細(xì)胞的修復(fù)功能，從而降低心肌梗死后的重建能力[12]。

1.1.1 與線粒體功能有關(guān)基因表達(dá)的改變

過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α(PGC-1α)是心臟中調(diào)控線粒體能量代謝的重要基因，PGC-1α的甲基化與心肌病合并心肌能量代謝改變有關(guān)[13]。在BPA暴露所致的心臟疾病中，同樣也涉及PGC-1α的改變。如BPA長期暴露能誘發(fā)雄性大鼠心肌肥大，其機(jī)制可能與PGC-1α mRNA表達(dá)水平下降有關(guān)[14]。同時(shí)，BPA暴露也會(huì)導(dǎo)致與大鼠心肌線粒體活性有關(guān)的基因(Tfam、Nrf-1和Nrf-2)的mRNA表達(dá)下降及調(diào)節(jié)線粒體ATP產(chǎn)生和線粒體呼吸酶復(fù)合物(MRC)活性的關(guān)鍵基因(Atp5e、Atp5o、Uqcrc2和Uqcrfs1)的表達(dá)下降。此外，在BPA暴露的大鼠心臟中，參與線粒體能量代謝調(diào)控的基因ERRα、ERRγ和PPARα的表達(dá)均下調(diào)，以及參與線粒體脂肪酸氧化(FAO)的重要基因ACADM、FABP3和LP1表達(dá)顯著性下調(diào)[11]。

與線粒體功能有關(guān)的其他基因，如長期暴露于BPA的小鼠會(huì)導(dǎo)致DNMT3α表達(dá)增加、DNA甲基化改變及蛋白表達(dá)模式改變，進(jìn)而導(dǎo)致心臟結(jié)構(gòu)和功能改變[15]；長期BPA暴露的大鼠，與對(duì)照組相比，DNMT1和DNMT3B的mRNA和蛋白表達(dá)均顯著性升高[11]。

1.1.2 氧化應(yīng)激增加

活性氧(ROS)能影響線粒體基因表達(dá)所必需的線粒體轉(zhuǎn)錄因子A[16]。BPA暴露可導(dǎo)致大鼠心臟脂質(zhì)過氧化增加、還原型谷胱甘肽(GSH)水平減少和過氧化氫酶的活性降低，表明BPA暴露能夠誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生而損害大鼠心肌線粒體功能[17]。

1.1.3 Ca2+穩(wěn)態(tài)紊亂

鄰近細(xì)胞器之間的Ca2+通量控制著許多細(xì)胞活動(dòng)過程，如新陳代謝和細(xì)胞存活，鈣離子通量從細(xì)胞內(nèi)存儲(chǔ)到線粒體是細(xì)胞代謝所必需的[18]。線粒體鈣穩(wěn)態(tài)異常(如Ca2+超載)可通過Ca2+刺激NO產(chǎn)生、Ca2+誘導(dǎo)的心磷脂過氧化、Ca2+誘導(dǎo)的線粒體通透性孔打開以及隨后釋放的細(xì)胞色素c和GSH抗氧化酶，而導(dǎo)致氧化應(yīng)激升高[19]。BPA暴露也會(huì)損害細(xì)胞內(nèi)鈣處理，導(dǎo)致鈣瞬態(tài)振幅降低和持續(xù)時(shí)間延長[20]，以及大鼠心律失常[21-22]。

1.1.4 心肌線粒體呼吸酶活性降低

研究表明，BPA暴露第48周時(shí)，暴露組心肌線粒體呼吸酶CΙ、CⅡ、CⅢ和CⅣ活性均顯著性降低[11]。此外，BPA還可致心肌線粒體膜電位降低。

1.1.5 影響線粒體的分裂/融合

正常分裂和融合周期有助于線粒體網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)細(xì)胞不斷變化的代謝需求，并允許代謝物、酶和線粒體DNA在整個(gè)線粒體網(wǎng)絡(luò)中混合和擴(kuò)散。相反，異常分裂和融合周期則會(huì)影響線粒體結(jié)構(gòu)與功能。ERK1/2信號(hào)通路影響著細(xì)胞存活和線粒體動(dòng)力學(xué)，當(dāng)ERK1/2信號(hào)通路被激活時(shí)可促進(jìn)線粒體的分裂/破碎[23]。研究發(fā)現(xiàn)，BPA可通過激活ERK1/2顯著地促進(jìn)心臟成纖維細(xì)胞增殖及膠原產(chǎn)生，增加間質(zhì)纖維化，削弱心功能[24]。

1.2 壬基酚類

壬基酚(nonylphenol, NP)，常作塑化劑而被大量應(yīng)用于食品塑料包裝中，具有疏水性和較長的半衰期，易在包括人類在內(nèi)的生物體內(nèi)積累，并表現(xiàn)出一系列的毒性作用。研究者將離體的豚鼠心臟暴露于NP時(shí)，發(fā)現(xiàn)NP暴露組的心率與冠脈流量明顯降低且乳酸脫氫酶顯著增加[25]。另一研究中，離體大鼠心臟暴露于NP(10-8～10-6mol·L-1)后，鈣通道可被直接阻斷，電流幅值下降，心肌收縮力隨之下降[26]。除心臟外，有研究發(fā)現(xiàn)，NP暴露組大鼠胰島中ROS和細(xì)胞內(nèi)鈣離子水平上升，線粒體膜電位(MMP)水平下調(diào)，進(jìn)而導(dǎo)致大鼠胰腺損傷、糖耐量破壞和胰島素分泌減少[27]。低劑量的NP通過線粒體依賴和Fas-fas-L通路引起大鼠肝臟損傷，誘導(dǎo)肝細(xì)胞凋亡[27]。

壬基酚乙氧基酯(NPEs)，是一種表面活性劑，通常用于清潔產(chǎn)品、工業(yè)過程、農(nóng)業(yè)配方和油漆中。研究發(fā)現(xiàn)，兩棲動(dòng)物的心臟易受NPEs的影響，NPEs暴露會(huì)引起心肌細(xì)胞線粒體和膜組件的超微結(jié)構(gòu)改變，表現(xiàn)為線粒體腫脹和嵴斷裂以及粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)擴(kuò)張，其原因可能是具有親脂性的NPEs直接擾亂細(xì)胞膜的脂質(zhì)環(huán)境[28]。

1.3 鄰苯二甲酸二(2-乙基)己酯

鄰苯二甲酸二(2-乙基)己酯(di (2-ethylhexyl) phthalate, DEHP)，是一種廣泛應(yīng)用于聚氯乙烯醫(yī)藥產(chǎn)品的增塑劑，具有高度疏水性，會(huì)從與血液、血清和其他親脂性液體接觸的塑料中滲出。新生大鼠心肌細(xì)胞暴露于DEHP (50～100 μg·mL-1, 72 h)時(shí)，DEHP可使心肌細(xì)胞脂肪酸產(chǎn)能增加而導(dǎo)致心肌細(xì)胞代謝重構(gòu)[29]。其機(jī)制可能包括脂肪酸代謝相關(guān)基因(PPARα、PGC-1α和PGC-1β)上調(diào)；編碼脂肪酸代謝酶的基因(ACSL1、ACAA2、ACADL、ACADVL和HADHA)上調(diào)；以及與脂肪酸氧化通路有關(guān)的線粒體導(dǎo)入基因(CPT1A、CPT1B和SLC25A20)上調(diào)。這些基因上調(diào)將導(dǎo)致脂肪酸底物利用率、耗氧量及線粒體數(shù)量增加。另有研究發(fā)現(xiàn)，DEHP可引起血管周圍的淋巴樣浸潤、心肌細(xì)胞核周空泡化，纖維間出血和心肌束紊亂[3]。其機(jī)制包括：DEHP使心臟組織中活性氧的生成增加；DEHP使心臟脂質(zhì)過氧化增加，蛋白質(zhì)羰基水平和DNA碎片增加。此外，DEHP可使過氧化氫酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性增加，以及使蛋白結(jié)合的巰基濃度降低，從而使心臟組織抗氧化能力降低。在Posnack等[30]研究發(fā)現(xiàn)，用DEHP處理新生大鼠的心肌細(xì)胞后，細(xì)胞電活動(dòng)、鈣處理、黏附和微管運(yùn)輸相關(guān)的基因修飾表達(dá)改變，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞心律失常。

1.4 磷化鋁

磷化鋁(aluminum phosphide, AlP)，是世界上最常用的農(nóng)藥之一，在許多亞洲國家已成為導(dǎo)致自體中毒死亡的主要原因，心臟是AlP發(fā)病的主要器官。研究發(fā)現(xiàn)，AlP中毒后觀察到心電圖異常和線粒體功能障礙，包括氧化應(yīng)激增加、ATP耗竭和凋亡[31]。此外，當(dāng)磷化鋁與水分接觸時(shí)，釋放出磷酸鹽，后者引起氧化應(yīng)激標(biāo)志物活性氧與谷胱甘肽水平升高及髓過氧化物酶(MPO)活性升高，而超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和6-磷酸葡萄糖脫氫酶(G6PD)活性降低，同時(shí)SOD1與過氧化氫酶表達(dá)降低，從而導(dǎo)致心肌線粒體損害[32]。

1.5 馬拉硫磷

馬拉硫磷(malathion)，一種有機(jī)磷殺蟲劑，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、住宅園林綠化、公共娛樂場(chǎng)所和滅蚊等領(lǐng)域。研究發(fā)現(xiàn)，馬拉硫磷可引起心臟氧化損傷，增加丙二醛(MDA)水平，消耗GSH，降低超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)等抗氧化酶的活性[33-34]。此外，馬拉硫磷可通過抑制線粒體呼吸鏈中復(fù)合物Ι至Ⅳ的活性，降低線粒體跨膜電位，消耗細(xì)胞內(nèi)ATP含量，提高二磷酸腺苷/三磷酸腺苷(ADP/ATP)比值，增加乳酸脫氫酶的釋放，破壞細(xì)胞膜完整性，誘導(dǎo)細(xì)胞死亡[35]。

1.6 鎘

在離體大鼠心臟中，鎘通過阻斷鈣通道來降低心肌收縮力，在等滲和低滲介質(zhì)中會(huì)導(dǎo)致線粒體腫脹及無能量生成[36]。Oyinloye等[37]發(fā)現(xiàn)，每日給予Cd (200 mg·L-1CdCl2)連續(xù)21 d，可引起明顯的氧化應(yīng)激和心肌組織損傷，表現(xiàn)為心肌纖維變性、過度水腫和炎性細(xì)胞浸潤。在淡水蟹類研究中發(fā)現(xiàn)，隨著鎘暴露時(shí)間延長，依次出現(xiàn)心肌水腫、空泡、玻璃體變性、炎性細(xì)胞浸潤，以及線粒體膜腫脹、溶解、變形及嵴分化不良、崩潰甚至大量線粒體完全空泡化[38]。其機(jī)制可能與鎘影響防御酶包括SOD、CAT和谷胱甘肽過氧化物酶的活性及增加心臟中MDA的濃度有關(guān)。此外，鎘也可損害扇貝的心肌線粒體[39]。

1.7 汞

汞對(duì)心血管的影響包括動(dòng)脈高血壓、冠心病、心肌梗死、心律失常、心率變異性降低、動(dòng)脈粥樣硬化和血管平滑肌功能障礙[5,40]。其機(jī)制包括：有毒汞暴露會(huì)增加自由基、活性氧和超氧陰離子的產(chǎn)生，降低ATP合成，消耗谷胱甘肽，還會(huì)增加磷脂、蛋白質(zhì)和DNA過氧化；汞還會(huì)降低硒的利用率，降低谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)的活性，在此過程中產(chǎn)生超活性氧，從而促進(jìn)脂質(zhì)過氧化和氧化應(yīng)激，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和細(xì)胞自燃[5,41]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，HgCl2暴露會(huì)使心肌組織損傷明顯，出血、炎性細(xì)胞浸潤明顯，其機(jī)制包括使心肌組織中MDA濃度明顯升高，還原性/氧化性谷胱甘肽(GSH/GSSG)比值明顯降低；心肌組織細(xì)胞核中的Nrf2積累明顯減少[42]。其中，Nrf2的激活可協(xié)調(diào)抗氧化劑和抗炎反應(yīng)[19]。

2 EEDs混合物對(duì)心肌線粒體的毒性及其機(jī)制(Myocardial mitochondrial toxicity and its mechanism of EEDs mixtures)

SO2和苯并芘復(fù)合物暴露后，小鼠心肌線粒體氧化磷酸化復(fù)合體亞基CO4和ATP6的mRNA表達(dá)水平顯著降低，調(diào)控基因PGC1-α、NRF1和mtTFA的mRNA和蛋白水平也顯著降低[43]。這提示小鼠暴露于SO2和苯并芘復(fù)合物后，可能通過降低心肌中NRF1表達(dá)，影響其對(duì)mtTFA的調(diào)控，進(jìn)一步抑制相關(guān)基因組的轉(zhuǎn)錄和翻譯，最終導(dǎo)致小鼠心肌線粒體的氧化磷酸化功能受損，進(jìn)而引發(fā)心血管疾病。

PM2.5主要來源于燃料燃燒、機(jī)動(dòng)車尾氣和道路揚(yáng)塵等，其成分基本上包括有機(jī)物(如多環(huán)芳烴、苯并芘等)和無機(jī)成分(如金屬元素、硝酸鹽和硫酸鹽等)[44]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著PM2.5濃度不斷加大，心肌線粒體的超微結(jié)構(gòu)逐步出現(xiàn)損傷效應(yīng)，如線粒體腫脹、嵴紊亂、分解和消失[45]。此外，PM2.5上調(diào)了大鼠線粒體蛋白融合基因OPA1、Mfn1的mRNA和蛋白表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)了線粒體融合，PM2.5上調(diào)了大鼠心臟線粒體蛋白分裂基因Drp1和Fis1 mRNA和蛋白表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)了線粒體分裂。

3 小結(jié)與展望(Summary and prospect)

綜上所述，引起線粒體損傷的EEDs及EEDs混合物包括：雙酚A、壬基酚、DEHP、馬拉硫磷、磷化鋁、鎘、汞、SO2和苯并芘復(fù)合物以及PM2.5。這些物質(zhì)對(duì)心肌線粒體毒性作用機(jī)制包括：(1)使呼吸鏈?zhǔn)軗p、呼吸酶活性降低、膜電位降低、線粒體膜損害、Ca2+穩(wěn)態(tài)紊亂、氧化應(yīng)激增加及抗氧化能力降低；(2)線粒體能量代謝調(diào)控基因表達(dá)改變，如PGC-1α、ERRα、ERRγ和PGC-1β；(3)影響線粒體融合與分裂等。通過這些機(jī)制引起心肌線粒體損傷后所導(dǎo)致的心臟疾病包括心肌炎、冠心病、心律失常和心肌梗死等(圖1)。

圖1 環(huán)境內(nèi)分泌干擾物暴露致心肌線粒體損傷的機(jī)制Fig. 1 The mechanism of myocardial mitochondrial damage caused by environmental endocrine disruptors

綜上，線粒體可能是一個(gè)被低估的環(huán)境污染物檢測(cè)目標(biāo)，未來關(guān)于心臟疾病的病因可從環(huán)境毒理學(xué)的角度出發(fā)，關(guān)注線粒體損傷在心臟疾病中的作用，為心臟疾病靶標(biāo)治療提供一定的依據(jù)。

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