持久性有機(jī)污染物多溴聯(lián)苯醚的生殖毒性研究進(jìn)展

楊俊花,孫詩謠*,孫玲偉,凌阿茹,饒欽雄,趙志輝**

(1上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所,上海201403;2上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所,上海201106)

多溴聯(lián)苯醚(Polybrominated diphenyl ethers,PBDEs)是一類含溴芳香族化合物,共209種同系物,包括四溴聯(lián)苯醚(BDE-47)、五溴聯(lián)苯醚(BDE-99)、六溴聯(lián)苯醚(BDE-153)、八溴聯(lián)苯醚(BDE-183)和十溴聯(lián)苯醚(BDE-209)等[1-2]。PBDEs具有阻燃、熱穩(wěn)定、持久蓄積和難降解等特性,因價(jià)格低廉,在工業(yè)生產(chǎn)中常被用作阻燃劑或絕熱材料添加到塑料制品、紡織品、電子設(shè)備和密封黏膠等產(chǎn)品中,以優(yōu)化產(chǎn)品性能[3-4]。

自20世紀(jì)80年代以來,隨著電子產(chǎn)品的使用頻率急劇上升,PBDEs在帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也引起了嚴(yán)重的環(huán)境污染和生物安全等問題。資料顯示,在香港附近海域、珠江入海口等區(qū)域均檢出PBDEs污染,而流經(jīng)中國最大規(guī)模電子垃圾拆卸地的廣東東江段PBDEs含量更高,為珠江入?？诘?倍[5-6]。在內(nèi)陸水域,中國淮河流域中PBDEs水平急劇上升,電子垃圾拆解地汕頭紅樹林濕地也檢測出PBDEs深度污染,其中BDE-99和BDE-209可能已對汕頭紅樹林沉積物的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響[7]。PBDEs極難降解,其殘積顆粒懸浮、沉積于空氣、土壤及河流海洋中,經(jīng)過遷移作用易富集于生物體內(nèi),最終通過食物鏈進(jìn)入動(dòng)物或人體[8-9]。可見,PBDEs的污染已經(jīng)對生態(tài)環(huán)境安全構(gòu)成了巨大的威脅,其不同的暴露途徑對人類健康也產(chǎn)生很大影響。

近年來,PBDEs除在空氣、土壤和水資源等環(huán)境介質(zhì)中被檢出外,在人體的血液、頭發(fā)、母乳和臍帶血中也被檢出[10-12]。電子垃圾拆解區(qū)為重點(diǎn)暴露區(qū)域,調(diào)查發(fā)現(xiàn),PBDEs宮內(nèi)暴露會(huì)對胎兒生長發(fā)育帶來不利影響,其中BDE-47、BDE-99及BDE-153檢出率達(dá)100%,BDE-28、BDE-100、BDE-154、BDE-183和BDE-209在各試驗(yàn)組中的檢出率均高于對照組[13]。對孕婦進(jìn)行是否了解日常生活化學(xué)用品信息問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn),多數(shù)人認(rèn)為普及PBDEs等環(huán)境污染物危害知識(shí)是醫(yī)生或政府的職責(zé),對其潛在生殖危害和預(yù)防意識(shí)非常薄弱[14-15]。因此,明確PBDEs的生殖毒性效應(yīng)對于提升民眾對此環(huán)境污染物的關(guān)注度和保護(hù)自身及后代健康生長發(fā)育具有重要意義。目前,關(guān)于PBDEs毒性效應(yīng)研究,主要集中在神經(jīng)發(fā)育毒性、內(nèi)分泌干擾毒性、免疫毒性和致癌效應(yīng)等,但有關(guān)生殖毒性特別是詳細(xì)的毒性機(jī)制研究報(bào)道有限。鑒此,基于已有材料對PBDEs的生殖毒性研究予以概述,重點(diǎn)關(guān)注PBDEs對睪丸、精子、子宮、卵巢、胚胎、內(nèi)分泌等生殖發(fā)育毒性及誘導(dǎo)生殖細(xì)胞凋亡等毒性機(jī)制方面。

圖1 多溴聯(lián)苯醚的分子結(jié)構(gòu)式Fig.1 Molecular structure of polybrominated diphenyl ethers(PBDEs)

1 PBDEs簡介

PBDEs化學(xué)通式為C12H(0—9)Br(10—1)O,分子結(jié)構(gòu)如圖1所示,沸點(diǎn)310—425℃,熔點(diǎn)290—306℃,是一類含溴芳香族化合物,常被添加到電子、紡織、塑料和建筑材料等產(chǎn)品中作為阻燃劑。目前,已知共有209種同系物,工業(yè)上常見的有四溴聯(lián)苯醚(BDE-47)、五溴聯(lián)苯醚(BDE-99)、六溴聯(lián)苯醚(BDE-153)、八溴聯(lián)苯醚(BDE-183)和十溴聯(lián)苯醚(BDE-209)。其中BDE-47的毒性最強(qiáng),BDE-209的毒性最弱[16]。BDE-47、BDE-99、BDE-153、BDE-209等9種PBDEs已被《斯德哥爾摩公約》列為持久性有機(jī)污染物,BDE-209被我國原環(huán)境保護(hù)部、工業(yè)和信息化部、衛(wèi)生計(jì)生委公布的《優(yōu)先控制化學(xué)品名錄(第一批)》列為優(yōu)先控制化學(xué)品[17-18],目前僅有BDE-209被批準(zhǔn)使用。PBDEs具有親脂性高、疏水性強(qiáng)的特質(zhì),可以蒸發(fā)于空氣,沉積于土壤和水體中,極易通過食物鏈在高等生物體內(nèi)富集,產(chǎn)生不同的毒性效應(yīng)[19-20]。同時(shí),PBDEs在人和動(dòng)物的肝臟、腸道等器官內(nèi)可通過脫溴或羥基化進(jìn)行降解。有研究表明,PBDEs在生物體內(nèi)能代謝生成羥基化(HO-PBDEs)和甲氧基化(MeO-PBDEs)產(chǎn)物,而經(jīng)脫溴或羥基化后,可產(chǎn)生更強(qiáng)的毒性作用[21]。

2 PBDEs的生殖毒性

近年來,中國的不孕不育率有逐漸上升趨勢,每年的不孕癥發(fā)生率已達(dá)到15%—20%,而環(huán)境因素可能是威脅生殖健康的元兇[22]。調(diào)查發(fā)現(xiàn),PBDEs的暴露水平可以影響被暴露群體的睪丸功能、精子活率、受孕率和母系及子代健康水平等[7]。探討PBDEs的生殖毒性對預(yù)防生殖水平下降具有重要意義。

2.1 PBDEs的雄性生殖毒性

2.1.1 PBDEs對睪丸的毒性效應(yīng)

睪丸是雄性生殖器的重要組成部分,在合成精子和分泌雄性激素過程中起重要作用,同時(shí)也是PBDEs生殖毒性的主要靶器官。有研究指出,BDE-47可使雄性小鼠睪丸組織產(chǎn)生細(xì)胞碎片和附睪間質(zhì)炎性細(xì)胞浸潤[23]。成年大鼠暴露不同劑量的BDE-209持續(xù)4周后會(huì)導(dǎo)致附睪質(zhì)量下降,最高可下降22.5%,精囊腺質(zhì)量顯著增加[24]。PBDEs還可誘導(dǎo)子代生殖功能障礙,Sarkar等[25]觀察到哺乳期母鼠分別暴露500 mg∕kg bw和700 mg∕kg bw BDE-209后,其子代小鼠睪丸和精囊腺相對質(zhì)量顯著下降,生精細(xì)胞變薄,生精管直徑減小,小鼠附睪精子數(shù)量顯著減少。深入研究發(fā)現(xiàn),一方面BDE-209可以破壞睪丸組織的血睪屏障,通過上調(diào)睪丸雄激素受體α(androgen receptor,ARα)和下調(diào)血睪屏障相關(guān)蛋白claudin-11、occludin等的表達(dá)水平對小鼠產(chǎn)生生殖毒性[26]。另一方面,BDE-209干擾MAPKs通路相關(guān)蛋白p38、JNK的表達(dá),即p-p38∕p38和p-JNK∕JNK比值上升,破壞血睪屏障緊密連接蛋白claudin-11的表達(dá)[27]。由此可見,PBDEs能影響睪丸形態(tài)、誘導(dǎo)炎癥發(fā)生,其作用機(jī)制可能是PBDEs抑制睪丸組織相關(guān)連接蛋白的表達(dá)從而損傷血睪屏障。

2.1.2 PBDEs對精子的毒性效應(yīng)

精子是由睪丸組織產(chǎn)生的生殖細(xì)胞,在動(dòng)物有性生殖過程中發(fā)揮重要作用,精子畸形和活力低會(huì)直接影響雄性動(dòng)物的生殖能力和生產(chǎn)價(jià)值。在過去的半個(gè)世紀(jì)里,男性精液中精子質(zhì)量和數(shù)目顯著下降,環(huán)境中PBDEs污染已經(jīng)被認(rèn)為是男性不育的主要原因,且已有研究報(bào)道,人類血清中PBDEs水平與精子數(shù)量和活力呈負(fù)相關(guān)[28]。周義軍[29]分別用2 mg∕kg、10 mg∕kg及50 mg∕kg的BDE-209染毒大鼠,發(fā)現(xiàn)其生精細(xì)胞脫落,管腔堵塞,精子畸形率增加,出現(xiàn)香蕉型和無鉤型等病理現(xiàn)象。Sarkar等[30]發(fā)現(xiàn),與對照組相比,BDE-209處理的小鼠,精子數(shù)量和存活率顯著降低,而BDE-47處理也可以使大鼠附睪精子數(shù)減少[31]。除此之外,Chen等[32]發(fā)現(xiàn)BDE-209可使水生生物斑馬魚的精子密度和雄∕雌性別比例下降,并且F1代斑馬魚也出現(xiàn)受精率降低和孵化延遲現(xiàn)象?？梢?PBDEs可以誘發(fā)雄性動(dòng)物的精子畸形,抑制精子活力,影響雄性動(dòng)物的生殖功能。

2.2 PBDEs的雌性生殖毒性

2.2.1 PBDEs對子宮的毒性效應(yīng)

子宮是雌性動(dòng)物生育的主要生殖器官,其結(jié)構(gòu)和功能的完整性是評(píng)估PBDEs對雌性生殖毒性的重要指標(biāo)。有數(shù)據(jù)顯示,在長達(dá)2年的隔天800 mg∕kg bw BDE-209給藥暴露下,C57BL∕6小鼠子宮內(nèi)檢測出PBDEs殘留,并且子宮絕對質(zhì)量增加,表明暴露PBDEs可能會(huì)影響雌性動(dòng)物子宮的結(jié)構(gòu)和功能[33]。Dang等[34]發(fā)現(xiàn)200 mg∕kg bw的BDE-47給藥24 h后能夠使大鼠子宮濕重增加,而持續(xù)28 d給藥450μg∕kg bw BDE-47后小鼠子宮內(nèi)膜面積和肌層面積比值增加[35]。因此推斷PBDEs對子宮存在毒性效應(yīng)。但目前有關(guān)PBDEs對雌性子宮的毒性影響研究極少,缺乏相應(yīng)的靶向機(jī)制研究,有待進(jìn)一步深入研究與論證。

2.2.2 PBDEs對卵巢的毒性效應(yīng)

卵巢位于盆腔內(nèi),是產(chǎn)生卵母細(xì)胞和雌性激素的重要器官,研究PBDEs對其結(jié)構(gòu)與功能的影響,對揭示PBDEs的雌性生殖毒性具有非常重要的意義。近年來,在中國體外受精婦女卵泡液中發(fā)現(xiàn)有PBDEs生物蓄積的現(xiàn)象,其中BDE-99為主要成分[36]。西班牙一項(xiàng)有關(guān)婦女血清中PBDEs濃度與生殖能力關(guān)系的調(diào)查研究顯示,PBDEs濃度與婦女懷孕期延長有關(guān),可顯著降低婦女生育能力[37]。在水生動(dòng)物試驗(yàn)中,14 mg∕L的BDE-47可使褶皺臂尾輪蟲休眠卵的產(chǎn)量顯著增加,30 mg∕L的BDE-209也呈現(xiàn)類似的結(jié)果,表明BDE-47和BDE-209會(huì)干擾褶皺臂尾輪蟲的有性生殖[38]。此外,BDE-47可使雌性大鼠卵巢芳香烴受體(aryl hydrocarbon receptor,AhR)mRNA和細(xì)胞色素P450家族蛋白(cytochrome P450 1A1,CYP1A1)的表達(dá)量較對照組顯著升高[39],提示BDE-47可通過上調(diào)AhR和CYP1A1的表達(dá)增強(qiáng)對大鼠卵巢的毒性效應(yīng)?？梢?PBDEs對雌性動(dòng)物卵巢組織的毒性作用主要源于其在組織中的蓄積,通過影響卵泡發(fā)育、干擾卵巢激素分泌及激素受體表達(dá)等因素產(chǎn)生相應(yīng)的毒性效應(yīng)。

2.2.3 PBDEs對胚胎的毒性效應(yīng)

PBDEs具有很強(qiáng)的生物蓄積性,通過生物鏈的傳遞,其毒性效應(yīng)極有可能擴(kuò)大和遷移,近年來國內(nèi)外也有報(bào)道PBDEs通過母體遷移,進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的胚胎毒性。母雞-雞蛋-育雛雞過程中,PBDEs濃度遞級(jí)升高[40]。斑馬魚染毒BDE-47后,其胚胎活性氧(reactive oxygen species,ROS)顯著增高,并且產(chǎn)生不同程度氧化應(yīng)激毒性[41]。同時(shí)BDE-47可抑制斑馬魚胚胎血管形成與生長[42],而斑馬魚染毒BDE-209后胚胎畸形率增加[43],BDE-99使大鼠胚胎活性氧表達(dá)水平上調(diào),且胎兒骨骼發(fā)育遲緩且不良[44]。另外,向體外培養(yǎng)的小鼠卵母細(xì)胞中分別加入10 pg∕mL、20 pg∕mL、40 pg∕mL的BDE-209,卵母細(xì)胞的體外受精率降低,受精卵的早期發(fā)育延緩,并呈現(xiàn)顯著的劑量效應(yīng)[45]。李秋華等[46]分別采用100 mg∕kg、300 mg∕kg、500 mg∕kg的BDE-209染毒昆明小鼠,其體外受精的獲卵率減少、受精率降低,嚴(yán)重干擾了小鼠的胚胎發(fā)育。可見,PBDEs具有較強(qiáng)的體內(nèi)蓄積和母體遷移轉(zhuǎn)化能力,不僅對母體存在威脅,同時(shí)會(huì)影響受精率及受精卵的生長發(fā)育,導(dǎo)致胎兒畸形及子代生殖系統(tǒng)發(fā)育異常等。

3 PBDEs引起生殖毒性的作用機(jī)制

3.1 PBDEs對生殖內(nèi)分泌的影響

已有研究表明,PBDEs會(huì)干擾生殖細(xì)胞相關(guān)激素的分泌,與PBDEs的類雌激素結(jié)構(gòu)密切相關(guān),可作為拮抗劑或促進(jìn)劑與雄激素、孕酮和雌激素受體結(jié)合,從而造成機(jī)體內(nèi)分泌紊亂[47]。王漢永等[48]用BDE-209染毒青春期小鼠發(fā)現(xiàn),隨著BDE-209濃度的增加,小鼠血清中環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)和睪酮濃度呈下將趨勢,睪丸連接蛋白(connexin-34,CX-34)表達(dá)下降,揭示BDE-209是通過干擾cAMP途徑,抑制睪酮合成而產(chǎn)生生殖毒性效應(yīng)。也有研究指出,PBDEs可競爭性地參與雌激素分泌,破壞雌性生殖系統(tǒng)平衡。如BDE-47、BDE-99、BDE-100和BDE-209等PBDEs混合物可促進(jìn)豬卵巢顆粒細(xì)胞睪酮分泌[49]。BDE-47不僅可以提高蛤蜊睪酮∕雌二醇的比值,干擾生殖系統(tǒng)內(nèi)分泌穩(wěn)態(tài)[50],而且可以促進(jìn)卵巢顆粒細(xì)胞與肥胖相關(guān)的脂聯(lián)素分泌[51]。Karpeta等[52]也發(fā)現(xiàn),BDE-47的代謝產(chǎn)物5-OH-BDE-47和6-OH-BDE-47可以通過激活芳香化酶(cytochrome P450 19,CYP19)的表達(dá)來刺激卵巢中雌二醇分泌。由此可見,PBDEs及其代謝產(chǎn)物會(huì)通過介導(dǎo)生殖激素的分泌而影響生殖系統(tǒng),這可能是PBDEs產(chǎn)生毒性效應(yīng)的途徑之一。

3.2 PBDEs引起氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是機(jī)體抵御外來侵?jǐn)_的關(guān)鍵防御體系,國內(nèi)外多項(xiàng)研究表明,PBDEs的暴露會(huì)直接影響機(jī)體氧化應(yīng)激系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。SPF級(jí)雄性SD大鼠分別染毒250 mg∕kg、500 mg∕kg和1 000 mg∕kg的BDE-209,大鼠睪丸組織一氧化氮(nitric oxide,NO)和一氧化氮合酶(nitric oxide synthase,NOS)水平升高,γ-谷氨酰轉(zhuǎn)移酶(γ-Glutamyltransferase,γ-GT)活性降低,表明BDE-209能激發(fā)睪丸組織的氧化應(yīng)激從而導(dǎo)致精子質(zhì)量和數(shù)量降低[53]。Sarkar等[54]用不同濃度的BDE-209作用于哺乳期母鼠后,在其子代的睪丸和附睪組織中也取得了相似的結(jié)果,即氧化應(yīng)激標(biāo)志物血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1,HO-1)水平升高,暗示PBDEs具有傳代毒性效應(yīng)。同時(shí),雄性小鼠暴露BDE-209后,精子線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential,MMP)下降,超氧陰離子(O2-)生成,H2O2濃度上升[55],血清睪酮水平下降,精子頭部畸形率增加[56]。因此,氧化應(yīng)激可能是激發(fā)PBDEs生殖毒性機(jī)制的關(guān)鍵步驟,但其具體機(jī)制仍有待進(jìn)一步深入分析。

3.3 PBDEs誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡是指為維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定,由基因調(diào)控的細(xì)胞自主性有序死亡,其在保證個(gè)體正常生長發(fā)育和維持生理穩(wěn)態(tài)過程中發(fā)揮著不可或缺的作用[57]。有報(bào)道指出,PBDEs可以誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的發(fā)生,如PBDEs暴露對睪丸支持細(xì)胞具有明顯的毒性,可激發(fā)支持細(xì)胞的氧化應(yīng)激進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡發(fā)生[29],BDE-47可誘導(dǎo)秀麗隱桿線蟲發(fā)生氧化應(yīng)激而導(dǎo)致生殖細(xì)胞凋亡[58],表明PBDEs誘導(dǎo)生殖細(xì)胞氧化應(yīng)激進(jìn)而引起細(xì)胞凋亡可能是其產(chǎn)生生殖毒性的重要機(jī)制之一。另外,PBDEs還可能通過線粒體途徑誘導(dǎo)生殖細(xì)胞凋亡,如BDE-47可通過降低線粒體融合蛋白(mitofusin1,MFN1)的基因表達(dá)而抑制人胎盤絨膜癌細(xì)胞(BeWo)增殖[59]。也可通過抑制線粒體蛋白(Atp synthase subunitβ,Atp5b,ubiquinol-cytochrome-c reductase complex coreprotein1,Uqcrc1)以及抗凋亡B淋巴細(xì)胞瘤-2蛋白(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)表達(dá),促使小鼠精原細(xì)胞線粒體腫脹及空泡化,進(jìn)而誘導(dǎo)線粒體膜電位和ATP水平降低,線粒體功能受損,最終導(dǎo)致精原細(xì)胞凋亡[60-61]。此外,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激也是PBDEs誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的重要途徑之一,Zhou等[62]以虹鱒魚性腺細(xì)胞(RTG-2)為模型染毒BDE-47,發(fā)現(xiàn)處理組細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激凋亡通路主要因子葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(glucose regulated protein78,GRP78)的表達(dá)上調(diào),凋亡蛋白caspase-12等表達(dá)也上調(diào)。在體內(nèi)試驗(yàn)過程中,低濃度BDE-47暴露時(shí),SD大鼠卵巢內(nèi)質(zhì)網(wǎng)自噬被激活,通過清除錯(cuò)誤蛋白進(jìn)行自我保護(hù),而高濃度BDE-47侵染時(shí),內(nèi)質(zhì)網(wǎng)過度自噬并激發(fā)凋亡蛋白caspase-3,導(dǎo)致卵巢功能損傷及細(xì)胞凋亡[63]。綜上所述,PBDEs可通過氧化應(yīng)激、線粒體或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等途徑誘導(dǎo)生殖相關(guān)細(xì)胞凋亡的發(fā)生,這可能是PBDEs產(chǎn)生生殖毒性效應(yīng)的主要作用機(jī)制。

4 結(jié)論與展望

隨著對PBDEs生殖毒性研究的深入,人們認(rèn)識(shí)到被用作阻燃劑添加于建筑材料及商業(yè)產(chǎn)品中的PBDEs,其毒性、難以降解和持久生物蓄積等特性,以及通過空氣、水和物種跨區(qū)域的遷移和沉積特征,與不孕不育癥密切相關(guān),可對人類和動(dòng)物的生殖健康和子代健康形成潛在的風(fēng)險(xiǎn)[64-65]。有限的資料表明,PBDEs不僅可以造成雄性動(dòng)物的生殖毒性,還會(huì)導(dǎo)致子宮、卵巢和胚胎毒性作用,其作用機(jī)制可能與PBDEs干擾生殖內(nèi)分泌、引發(fā)氧化應(yīng)激和誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡等有關(guān)。除此之外,還存在一些新的問題有待解決:(1)PBDEs生殖毒性的關(guān)鍵靶標(biāo)器官、靶組織、生物標(biāo)志物、作用信號(hào)通路及調(diào)控機(jī)制等。(2)已有的生殖毒性研究主要集中于生殖細(xì)胞和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物,食物源性動(dòng)物豬、家禽等作為PBDEs的傳遞載體,是否也存在相應(yīng)的毒性效應(yīng)。(3)PBDEs種類繁多,目前的生殖毒性效應(yīng)研究多見于單一毒性,聯(lián)合毒性研究缺乏,特別是PBDEs在生物體內(nèi)還存在脫溴和羥基化代謝,多種PBDEs原型聯(lián)合或與其代謝物聯(lián)合的互作效應(yīng)、分子機(jī)制等。(4)對于抵御PBDEs的毒性作用仍無可靠的解決方案,有待開發(fā)有效的防御機(jī)制。這些研究不僅能為全面解析PBDEs生殖毒性作用提供參考,也可為準(zhǔn)確評(píng)估PBDEs的生殖風(fēng)險(xiǎn),提出關(guān)鍵有效的防控措施提供理論支持。