王佳敏,劉建新,孟慶賀,郝衛(wèi)東*
(北京大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院毒理學(xué)系,食品安全毒理學(xué)研究與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100191)
稀土元素(rare earth elements,REEs)是指元素周期表中ⅢB族中的17種化學(xué)元素。稀土廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、醫(yī)藥業(yè)等行業(yè),是我國(guó)重要的戰(zhàn)略資源。近幾年,稀土元素在茶葉中的暴露情況受到廣泛關(guān)注。稀土微肥通常作為葉面肥使用,農(nóng)用稀土肥料主要采用較易溶解于水的稀土元素硝酸鹽類(lèi)化合物,使得稀土元素進(jìn)入了各種茶葉中,農(nóng)用稀土通過(guò)茶樹(shù)的根莖等進(jìn)入葉片部分進(jìn)行富集并在葉片中殘留,致使普通人群日益頻繁地接觸到稀土元素。研究表明茶葉中稀土元素鈰(Ce)、鑭(La)、釔(Y)的平均含量相對(duì)較高。
釔在地殼中的質(zhì)量豐度約為33 mg/kg,是稀土元素中含量最豐富的元素之一。自然界40%的釔存在于中國(guó),主要分布于中國(guó)東北、湖南、兩廣、滇川和西北。釔是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的稀土金屬元素,可用于制特種玻璃和合金。常見(jiàn)化合物是氧化釔和鹵化釔,與其他元素化合主要呈正二價(jià)或正三價(jià)態(tài),所形成的化合物具有高熔點(diǎn)、熱穩(wěn)定性好以及良好的發(fā)光輻射性能等特點(diǎn)。
以往關(guān)于稀土元素的神經(jīng)毒性研究,關(guān)注鑭元素較多,釔及其化合物相對(duì)較少。已有的一些研究發(fā)現(xiàn),釔及其化合物能夠破壞血腦屏障、促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞過(guò)度凋亡、改變神經(jīng)遞質(zhì)含量、損傷學(xué)習(xí)記憶能力,對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)造成損傷。本研究通過(guò)觀察硝酸釔亞慢性(90 d)暴露對(duì)大鼠學(xué)習(xí)記憶能力的影響,以谷氨酸(glutamate,Glu)及N-甲基-D-冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartic acid receptor,NMDA)蛋白表達(dá)為基礎(chǔ)探究其可能的作用機(jī)制,旨在為稀土元素釔的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。
本研究的主要試劑有:硝酸釔(Ⅲ)四水合物[Yttrium(Ⅲ)nitrate tetrahydrate,Y(NO)·4HO,純 度99.99%,上海西格瑪奧德里奇貿(mào)易有限公司],NMDA R1抗 體 和NMDA R2A抗 體(英 國(guó)Abcam公司),NMDA R2B抗體、大鼠谷氨酸比色法測(cè)試盒(武漢伊萊瑞特生物科技股份有限公司),β-actin抗體、辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記山羊抗兔IgG(美國(guó)Cell Signaling Technology公司),BCA蛋白檢測(cè)試劑盒(中國(guó)賽默飛世爾科技有限公司)。
本研究使用的實(shí)驗(yàn)儀器有:高速冷凍離心機(jī)(Sigma 3-18KS型,德國(guó)Sartorius公司);多功能組織勻漿儀(FastPrep-24型,美國(guó)MP Biomedicals公司);超聲細(xì)胞破碎儀(VIRSONIC 100型,美國(guó)VIRTIS公司);垂直凝膠電泳系統(tǒng)(Mini-PROTEN Tetra cell型,美國(guó)Bio-Rad公司);化學(xué)發(fā)光凝膠成像分析系統(tǒng)(MINI HD9型,英國(guó)UVITEC公司);微量分光光度計(jì)(NanoPhotometer N50 Touch型,德 國(guó)IMPLEN公 司);正置熒光顯微鏡(BX43型,日本Olympus公司)。
選用剛離乳(PND21)的無(wú)特定病原體(specific pathogen free,SPF)級(jí)SD大 鼠,質(zhì) 量45~55 g,雌性,由北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部實(shí)驗(yàn)動(dòng)物科學(xué)部提供,動(dòng)物使用許可證號(hào):SCXK(京)2016-0010。動(dòng)物飼養(yǎng)于屏障環(huán)境中,溫度20~25℃,相對(duì)濕度40%~70%。光照條件為12 h/12 h明暗交替循環(huán),動(dòng)物自由飲水及進(jìn)食。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)符合動(dòng)物福利和北京大學(xué)動(dòng)物倫理委員會(huì)相關(guān)規(guī)定并通過(guò)倫理委員會(huì)審查。
參照經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)GD-424推薦的動(dòng)物神經(jīng)行為毒性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方法。大鼠在5 d適應(yīng)期后,根據(jù)體質(zhì)量隨機(jī)分為4組,分別為對(duì)照組(ddHO),Y(NO)低 劑 量 組(10 mg/kg)、中 劑 量 組(40 mg/kg)和高劑量組(160 mg/kg),每組15只。
1.4.1 曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)
將體積為100 cm(長(zhǎng))×100 cm(寬)×50 cm(高)的曠場(chǎng)裝置放置在隔音的房間內(nèi),嚴(yán)格控制室內(nèi)溫度和通風(fēng),選用弱光照明。實(shí)驗(yàn)者與設(shè)備保持一定距離。將動(dòng)物放置于曠場(chǎng)中央,曠場(chǎng)地面被分成若干網(wǎng)格,記錄5 min內(nèi)動(dòng)物的活動(dòng)參數(shù):水平運(yùn)動(dòng)距離、垂直運(yùn)動(dòng)距離、直立次數(shù)、梳理次數(shù),以及動(dòng)物的典型行為(如舔、咬等)的次數(shù)。分別以曠場(chǎng)中央和周?chē)鷣?lái)計(jì)算以上指標(biāo),動(dòng)物在中央的活動(dòng)次數(shù)反映了焦慮程度,即中央活動(dòng)次數(shù)越多焦慮越少。1.4.2 高架十字迷宮
高架十字迷宮包括兩個(gè)開(kāi)放臂和兩個(gè)封閉臂,四者形成十字的形狀,每個(gè)臂長(zhǎng)47 cm,寬15 cm,兩個(gè)封閉臂有高40 cm的壁。動(dòng)物置于迷宮中央,面向其中一個(gè)開(kāi)放的臂。讓動(dòng)物自由探索四個(gè)臂5 min,記錄動(dòng)物第1次進(jìn)入任何臂的潛伏期,以動(dòng)物四肢都進(jìn)入一個(gè)臂算作進(jìn)入1次。每只動(dòng)物只檢測(cè)1次,如果在試驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)物跌落,則淘汰該數(shù)據(jù)。計(jì)算動(dòng)物進(jìn)入開(kāi)臂次數(shù)和在開(kāi)臂滯留時(shí)間分別占總次數(shù)(進(jìn)入開(kāi)臂和閉臂次數(shù)之和)和總時(shí)間(在開(kāi)臂和閉臂滯留時(shí)間之和)的百分比,以此作為評(píng)價(jià)焦慮的指標(biāo)。1.4.3 轉(zhuǎn)棒實(shí)驗(yàn)
轉(zhuǎn)棒實(shí)驗(yàn)的裝置為無(wú)頂木箱,箱內(nèi)有可轉(zhuǎn)動(dòng)的防滑材質(zhì)的轉(zhuǎn)棒。試驗(yàn)前1 d,將大鼠置于轉(zhuǎn)棒上以4 r/min的速度適應(yīng)60 s,直到大鼠在轉(zhuǎn)棒上60 s不跌落。測(cè)試當(dāng)天,將大鼠置于轉(zhuǎn)棒上,300 s內(nèi)轉(zhuǎn)速?gòu)? r/min加速到40 r/min。記錄大鼠從竿上跌落的旋轉(zhuǎn)速度和潛伏期,并取3次試驗(yàn)的平均值。1.4.4
Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)裝置放置在安靜寬敞的房間內(nèi),在墻壁上懸掛一些圓形、三角形等物體作為動(dòng)物的視覺(jué)線索。在設(shè)備周?chē)虾谏珖熞宰韪魧?shí)驗(yàn)者和受試動(dòng)物。將實(shí)驗(yàn)裝置分為4個(gè)象限,內(nèi)注入自來(lái)水,水高23 cm,水溫保持在(25.0±1.0)℃;于其中西北(NW)象限中心置一圓形平臺(tái),直徑10 cm,位于水面下1.5~2.0 cm。實(shí)驗(yàn)包括:①定位航向?qū)嶒?yàn):平臺(tái)置于水面下1.5~2.0 cm,將大鼠隨機(jī)地頭朝池壁,按東北(NE)、西北(NW)、東南(SE)、西南(SW)4個(gè)入水點(diǎn)輕輕放入水池中。每次試驗(yàn)中每只大鼠最多游泳90 s,讓其找到水中隱藏的平臺(tái),記錄大鼠自入水至找到平臺(tái)四肢爬上平臺(tái)所需的時(shí)間,作為逃避潛伏期。大鼠爬上平臺(tái)后,讓其停留30 s;若入水后給定時(shí)間內(nèi)未能找到平臺(tái)或未能爬上平臺(tái),則將時(shí)間記錄為90 s,并且將其人為放置于平臺(tái)上30 s,然后從平臺(tái)上取下休息30 s,再進(jìn)行下一次訓(xùn)練。按此方法每只動(dòng)物每天訓(xùn)練4次,連續(xù)訓(xùn)練4 d。②空間探索實(shí)驗(yàn):最后一次定位航行實(shí)驗(yàn)后24 h,撤除平臺(tái)。將動(dòng)物從任一隨機(jī)象限放入水中追蹤其運(yùn)動(dòng)軌跡60 s,連續(xù)測(cè)試兩次;記錄動(dòng)物目標(biāo)象限(原先放置平臺(tái)的象限)的游泳時(shí)間、游泳距離、進(jìn)入目標(biāo)象限的次數(shù),以及穿過(guò)原平臺(tái)位置的次數(shù)。行為學(xué)檢測(cè)后,采用股動(dòng)脈放血法處死動(dòng)物,迅速斷頭取腦,冰上快速分離出大腦皮質(zhì)和雙側(cè)海馬,-80℃冰箱凍存待用。使用大鼠谷氨酸比色法測(cè)試盒,按照試劑盒說(shuō)明書(shū)操作,檢測(cè)雌鼠大腦皮質(zhì)和海馬中谷氨酸的含量。
采用Western blot法。取0.05 g海馬組織加入300 μL RIPA(臨用前按1∶100加入PMSF),勻漿儀破碎組織,4℃14 000g離心5 min,取上清,PBS稀釋后,用BCA法測(cè)定總蛋白濃度,-80℃冰箱凍存。經(jīng)8% SDS-PAGE分離后,轉(zhuǎn)膜,5%脫脂奶粉室溫下封閉2 h,TBST緩沖液洗滌后,一抗稀釋液孵育,4℃水平輕搖過(guò)夜。所用抗體滴度:β-actin、NMDA R2A、NMDA R2B均為1∶1 000,NMDA R1為1∶5 000。TBST洗滌后,抗兔二抗稀釋液(滴度1∶2 000)室溫下孵育2 h。ECL發(fā)光,運(yùn)用化學(xué)發(fā)光凝膠成像分析系統(tǒng)采集圖片,ImageJ軟件測(cè)定條帶像素值,以β-actin為內(nèi)參蛋白,計(jì)算得到目的蛋白的相對(duì)表達(dá)量。
各暴露組取5只雌鼠,進(jìn)行原位灌注后斷頭取腦,4%多聚甲醛溶液中浸泡固定腦組織24 h。經(jīng)梯度乙醇脫水,二甲苯透明處理后,對(duì)腦組織標(biāo)本進(jìn)行石蠟包埋,連續(xù)冠狀切片后進(jìn)行蘇木精-伊紅染色,光學(xué)顯微鏡下對(duì)腦組織進(jìn)行組織病理學(xué)檢查。
x
ˉ±s
表示,采用SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用雙因素重復(fù)測(cè)量方差分析(two-way repeated measures ANOVA)比較定位航向?qū)嶒?yàn)的學(xué)習(xí)曲線(劑量組×訓(xùn)練天數(shù))。對(duì)于其他指標(biāo)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,各劑量組間均數(shù)比較采用單因素方差分析(one-way ANOVA),實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組間采用LSD-t
檢驗(yàn)進(jìn)行兩兩比較。統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)水準(zhǔn)為α=0.05,P
<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。P
>0.05);高架十字迷宮實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,與對(duì)照組相比,各硝酸釔暴露組大鼠的進(jìn)入開(kāi)臂次數(shù)[進(jìn)入開(kāi)臂次數(shù)/(進(jìn)入開(kāi)臂次數(shù)+進(jìn)入閉臂次數(shù))]、進(jìn)入開(kāi)臂時(shí)間(進(jìn)入開(kāi)臂時(shí)間/總時(shí)間)、開(kāi)臂中運(yùn)動(dòng)距離(開(kāi)臂中運(yùn)動(dòng)距離/總運(yùn)動(dòng)距離)的百分比差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P
>0.05);轉(zhuǎn)棒實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,與對(duì)照組相比,160 mg/(kg·d)硝酸釔暴露組大鼠的在棒時(shí)間、在棒圈數(shù)、掉落速度均明顯升高(P
<0.05)。表1 硝酸釔90 d暴露對(duì)雌鼠行為學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響(n=10)
P
<0.05)。與對(duì)照組相比,訓(xùn)練第4天時(shí),40、160 mg/(kg·d)硝酸釔暴露組大鼠逃避潛伏期明顯縮短(P
<0.05)。圖1 硝酸釔90 d暴露對(duì)雌鼠定位航向?qū)嶒?yàn)結(jié)果的影響(n=10)
硝酸釔90 d暴露對(duì)雌鼠空間探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響如表2所示,與對(duì)照組相比,40 mg/(kg·d)硝酸釔暴露組大鼠穿越平臺(tái)次數(shù)、目標(biāo)象限游泳時(shí)間、目標(biāo)象限游泳時(shí)間百分比(目標(biāo)象限游泳時(shí)間/總時(shí)間)時(shí)間明顯升高(P
<0.05);160 mg/(kg·d)硝酸釔暴露組大鼠穿越平臺(tái)次數(shù)、進(jìn)入目標(biāo)象限次數(shù)、目標(biāo)象限游泳時(shí)間明顯升高(P
<0.05);各硝酸釔暴露組大鼠的目標(biāo)象限游泳時(shí)間、目標(biāo)象限游泳距離、目標(biāo)象限游泳距離百分比(目標(biāo)象限游泳距離/總游泳距離)、總游泳距離、游泳平均速度差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>
0.05)。表2 硝酸釔90 d暴露對(duì)雌鼠空間探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響(n=10)
硝酸釔90 d暴露對(duì)雌鼠空間探索實(shí)驗(yàn)各個(gè)象限結(jié)果的影響如圖2所示,與目標(biāo)象限NW象限的逃避潛伏期相比,對(duì)照組大鼠NE、SE象限的逃避潛伏期明顯高于NW象限的逃避潛伏期(P
<0.05);40 mg/(kg·d)硝酸釔暴露組大鼠SW象限的逃避潛伏期明顯低于NW象限的逃避潛伏期(P
<0.05);160 mg/(kg·d)硝酸釔暴露組大鼠NE、SW、SE象限的逃避潛伏期明顯低于NW象限的逃避潛伏期(P
<0.05)。圖2 硝酸釔90 d暴露對(duì)雌鼠空間探索實(shí)驗(yàn)各個(gè)象限中結(jié)果的影響(n=10)
P>
0.05);而160 mg/(kg·d)硝酸釔暴露組大鼠海馬中Glu含量顯著降低(P
<0.05)。圖3 硝酸釔90 d暴露對(duì)雌鼠大腦皮質(zhì)及海馬中Glu含量的影響(n=10)
P
<0.05)。圖4 硝酸釔90 d暴露對(duì)雌鼠海馬中NMDA受體蛋白表達(dá)的影響(n=10)
硝酸釔90 d暴露對(duì)雌鼠海馬組織結(jié)構(gòu)的影響如圖5所示。在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行病理組織學(xué)檢查,與對(duì)照組相比,各硝酸釔暴露組海馬組織均未見(jiàn)形態(tài)學(xué)異?,F(xiàn)象,海馬各區(qū)神經(jīng)元呈圓形、橢圓形或錐形,細(xì)胞核為原型或橢圓形,著色均勻?yàn)闇\藍(lán)紫色,核仁明顯,神經(jīng)元數(shù)量正常;其中錐體細(xì)胞、齒狀回顆粒細(xì)胞排列整齊,細(xì)胞輪廓于周?chē)M織分界清晰。海馬神經(jīng)元形態(tài)基本完整,分布規(guī)則,數(shù)量無(wú)明顯變化,細(xì)胞核未見(jiàn)明顯異常。此結(jié)果提示硝酸釔90 d暴露不會(huì)對(duì)雌鼠海馬組織造成病理學(xué)改變。
圖5 硝酸釔90 d暴露對(duì)雌鼠海馬組織結(jié)構(gòu)的影響(×400)
P
<0.05)??臻g探索實(shí)驗(yàn)中,與對(duì)照組相比,40、160 mg/(kg·d)劑量組雌鼠的穿越原平臺(tái)所在位置次數(shù)、目標(biāo)象限中游泳時(shí)間均顯著升高(P
<0.05),說(shuō)明中、高劑量組雌鼠對(duì)原平臺(tái)所在位置的記憶更加深刻。對(duì)于空間探索實(shí)驗(yàn)的逃避潛伏期,各劑量組雌鼠在不同象限中的停留時(shí)間有所差異。對(duì)照組雌鼠在目標(biāo)象限中停留時(shí)間顯著低于另外兩個(gè)象限,而160 mg/(kg·d)劑量組雌鼠在目標(biāo)象限中停留時(shí)間顯著高于剩余3個(gè)象限,由此可見(jiàn)對(duì)照組雌鼠對(duì)原平臺(tái)位置的記憶能力低于160 mg/(kg·d)劑量組雌鼠。本研究結(jié)果提示40、160 mg/(kg·d)劑量的硝酸釔亞慢性暴露可引起雌性大鼠空間學(xué)習(xí)記憶能力的增強(qiáng),且隨著暴露劑量的增高,大鼠的學(xué)習(xí)記憶能力也隨之增高。學(xué)習(xí)和記憶是機(jī)體大腦的復(fù)雜神經(jīng)生理活動(dòng),而海馬對(duì)于空間記憶的產(chǎn)生與維持具有重要意義。海馬中谷氨酸(Glu)是重要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì),可以激活突觸后膜上NMDA受體(NMDARs),此過(guò)程與神經(jīng)元突觸可塑性、學(xué)習(xí)記憶功能密切相關(guān)。一般認(rèn)為,NMDA受體表達(dá)減少可能導(dǎo)致大鼠空間學(xué)習(xí)記憶能力的減弱,但本研究結(jié)果顯示,硝酸釔的亞慢性(90 d)暴露促進(jìn)了雌性大鼠的空間學(xué)習(xí)記憶能力,與對(duì)照組相比,160 mg/(kg·d)劑量組海馬中Glu含量顯著降低,40 mg/(kg·d)劑量組海馬中R2A含量顯著降低(P
<0.05);160 mg/(kg·d)劑量組海馬中R1、R2A含量顯著降低(P
<0.05),因此關(guān)于硝酸釔影響雌性大鼠學(xué)習(xí)記憶功能的機(jī)制仍需要進(jìn)一步深入研究。另外,近年來(lái)由于NMDA受體過(guò)度活化與多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病存在密切關(guān)系,對(duì)開(kāi)發(fā)靶向NMDA受體的藥物一直備受重視。多項(xiàng)研究表明,NMDAR拮抗劑在動(dòng)物已經(jīng)獲得學(xué)習(xí)記憶后給藥,在大鼠進(jìn)行Morris水迷宮訓(xùn)練后,將NMDAR拮抗劑注入大鼠海馬,可以提高大鼠在Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)中的空間記憶能力。因此,抑制NMDA受體表達(dá)也有可能保護(hù)大鼠對(duì)空間學(xué)習(xí)記憶能力的維持,但是這與硝酸釔影響雌性大鼠神經(jīng)行為功能的機(jī)制是否有關(guān),仍需要進(jìn)一步的探索。本研究根據(jù)OECD424準(zhǔn)則,評(píng)價(jià)硝酸釔對(duì)雌性大鼠學(xué)習(xí)記憶能力的影響,發(fā)現(xiàn)40、160 mg/(kg·d)劑量組雌鼠的空間學(xué)習(xí)記憶能力提高,160 mg/(kg·d)劑量組雌鼠海馬組織中Glu含量與NMDA R1受體蛋白表達(dá)均顯著降低;40、160 mg/(kg·d)劑量組雌鼠海馬組織中NMDA R2A受體蛋白表達(dá)顯著降低,提示硝酸釔亞慢性暴露引起雌性大鼠空間學(xué)習(xí)記憶能力增強(qiáng)的機(jī)制,可能與海馬組織中Glu含量降低、NMDA受體表達(dá)減少有關(guān)。