典型SSRIs類抗抑郁藥對魚類的毒性效應(yīng)研究進展

楊慧婷，李霞，陳輝輝，毛志剛，谷孝鴻，梁雪芳,*

1. 內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境污染控制與廢物資源化重點實驗室，呼和浩特010021 2. 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，南京210008

藥物活性化合物(pharmaceutically active compounds, PhACs)是一類數(shù)量巨大、種類繁多和生物活性復(fù)雜，且具有潛在生態(tài)毒性的新型有機污染物，包括人用和獸用的抗生素、激素、消炎鎮(zhèn)痛藥、精神類藥物和降壓藥等[1]。由于PhACs的廣泛使用，其產(chǎn)生的環(huán)境污染問題已經(jīng)成為社會關(guān)注的焦點和環(huán)境科學(xué)研究的熱點課題。近年來，選擇性血清素再攝取抑制劑(selective serotonin reuptake inhibitors, SSRIs)是臨床上治療抑郁癥、焦慮癥和強迫障礙等精神疾病的常用藥物。目前國內(nèi)外最常用的SSRIs有6種：氟西汀、帕羅西汀、舍曲林、西酞普蘭、艾司西酞普蘭和氟伏沙明(圖1)。在我國使用的治療類藥品中，抗抑郁藥物的分布僅次于抗生素類藥物(42%)，占10%[2]，其年消費總量可達27 t，而SSRIs的消費量占總消費量的30%[2]。此外，水環(huán)境中的SSRIs主要來源于污水排放，大多數(shù)污水處理廠對SSRIs的去除率較低(<56%)[3-5]，致使處理后仍有大量的SSRIs及其代謝產(chǎn)物進入河流和湖泊等地表水體。SSRIs在污水處理廠出水的濃度為ng·L-1～μg·L-1水平，而在地表水中的濃度為ng·L-1水平。例如，舍曲林在污水處理廠污水和地表水中的最高濃度分別為2.19 μg·L-1[6-8]和0.22 μg·L-1[6,9-11]。因此，由于SSRIs的使用量巨大，在水環(huán)境中被頻繁檢出，其潛在生態(tài)毒性效應(yīng)引起了廣泛關(guān)注。

圖1 選擇性血清素再攝取抑制劑(SSRIs)的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)特性注：CAS No.表示化學(xué)文摘社登記號碼；pKa表示解離常數(shù)；logKow表示正辛醇-水分配系數(shù)。Fig. 1 Structure and physicochemical characteristics of selective serotonin reuptake inhibitors (SSRIs)Note: CAS No. stands for Chemical Abstracts Service Registry Number; pKa stands for dissociation constant; logKow stands for octanol-water partition coefficient.

SSRIs是通過抑制人體突觸前膜血清素轉(zhuǎn)運體對血清素(serotonin, 5-HT)的再攝取，從而促進突觸后膜5-HT能的神經(jīng)傳導(dǎo)，達到抗抑郁的效果(圖2)[12]。先前的研究預(yù)測，當(dāng)魚類暴露在1 μg·L-1以及低于1 μg·L-1的SSRIs時，其血漿中的SSRIs濃度會達到與人類治療劑量(peak concentration,Cmax)相等的水平[13]。作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)遞質(zhì)之一，5-HT在調(diào)節(jié)魚類的生長發(fā)育、生殖和行為等方面同樣具有重要作用[14-17]。外源SSRIs的非正常攝入可能引起5-HT功能異常，從而干擾魚類正常的生理功能，產(chǎn)生潛在的生長發(fā)育、生殖和神經(jīng)行為毒性等毒性效應(yīng)。此外，魚類終身生活在水中，能夠直接接觸并持續(xù)暴露于水體中的SSRIs，更易受到水體中SSRIs的影響。本文在大量查閱近期SSRIs相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，以SSRIs抗抑郁的藥物作用機制入手，分析SSRIs在魚體內(nèi)的代謝特征，并總結(jié)了SSRIs對魚類的生長發(fā)育、生殖和神經(jīng)行為等方面的毒性效應(yīng)，并對存在的問題以及今后的發(fā)展提出了幾點建議和展望。

圖2 血清素(5-HT)的合成、釋放、攝取、儲存、代謝及SSRIs作用靶點示意圖(參考文獻[12])Fig. 2 Schematic diagram of serotonin (5-HT) synthesis, release, uptake, storage, metabolism and SSRIs targets (reference from literature [12])

1 SSRIs在魚類體內(nèi)的代謝及生物積累(Metabolism and biological accumulation of SSRIs in fish)

1.1 SSRIs在魚類體內(nèi)的代謝途徑

細(xì)胞色素P450酶(cytochrome P450, CYP450)是哺乳動物和魚類體內(nèi)藥物代謝的關(guān)鍵酶。其中，SSRIs在人體內(nèi)主要由CYP2D6或CYP2C19代謝[18]，而魚類體內(nèi)缺乏CYP2D和CYP2C的同源物，因此SSRIs在魚類體內(nèi)可能由其他的CYP450代謝[19]。SSRIs在人體內(nèi)的主要代謝途徑為N-去甲基化，如氟西汀在人體內(nèi)的N-去甲基代謝產(chǎn)物為去甲氟西汀[18]。然而，氟西汀在魚體內(nèi)的主要代謝產(chǎn)物并非去甲氟西汀[19]。在斑馬魚胚胎中，僅有約1%的氟西汀轉(zhuǎn)化為去甲氟西汀，其余可代謝為10種其他的代謝產(chǎn)物[20-21]。此外，與哺乳動物相比，魚類對SSRIs的吸收和代謝速率較慢。例如，氟西汀在人體內(nèi)的半衰期為1～4 d[22]，而在青鳉(Oryziaslatipes)體內(nèi)的半衰期為9.4 d[23]?？梢?，SSRIs在魚類和哺乳動物體內(nèi)的代謝途徑可能存在差異，然而目前關(guān)于SSRIs在魚體中的主要代謝酶、主要代謝產(chǎn)物以及代謝途徑還不明確，仍需進一步的探索。

1.2 SSRIs在魚類體內(nèi)的生物積累

生物富集(bioconcentration)是指水生生物通過非吞食方式從水中吸收化學(xué)物質(zhì)，導(dǎo)致化學(xué)物質(zhì)在水生生物體內(nèi)的濃度超過水環(huán)境中濃度的現(xiàn)象，而生物積累(bioaccumulation)是指水生生物通過所有途徑(吞食和非吞食方式)從水中吸收化學(xué)物質(zhì)，導(dǎo)致化學(xué)物質(zhì)在水生生物體內(nèi)的濃度超過水環(huán)境中濃度的現(xiàn)象。生物富集是生物積累的一種情況。正辛醇/水分配系數(shù)(octanol-water partition coefficient,Kow)能夠反映化學(xué)物質(zhì)在油水兩相中的分配情況。當(dāng)化學(xué)物質(zhì)的logKow>4時，一般認(rèn)為該化學(xué)物質(zhì)相對親脂。SSRIs的logKow在3.74～5.29之間，具有一定的親脂性，能夠在魚類體內(nèi)積累。生物富集因子(bioconcentration factor, BCF)和生物積累因子(bioaccumulation factor, BAF)能夠反映化學(xué)物質(zhì)在魚類體內(nèi)的積累能力，其值越大，該化合物在魚類體內(nèi)的積累能力越大，反之，積累能力越小。目前，已有研究報道了SSRIs能夠在多種魚體內(nèi)積累，如青鳉、鯽(Carassiusauratus)和虹鱒(Oncorhynchusmykiss)等[9,11,23-29]。

SSRIs能夠在魚類的不同組織(肝臟、腦、腎臟、肌肉、腮和性腺)中積累，由于暴露時間[28-29]、暴露濃度[11,28-29]和魚的種類[9,29]的不同，積累能力相差較大，但主要在魚類的肝臟、腎臟和腦中積累(表1)。

表1 SSRIs在魚體內(nèi)的生物積累Table 1 Bioaccumulation of SSRIs in fish

可以看出，除肝臟和腎臟外，腦很可能是SSRIs對魚類作用的主要靶組織。魚類的行為由中樞神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼肌共同控制[30-31]，腦內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)的改變能夠影響魚類的發(fā)育和行為[14,32-33]。另外，神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)通過下丘腦-垂體-性腺軸調(diào)節(jié)脊椎動物的生殖。下丘腦是脊椎動物產(chǎn)生神經(jīng)肽、促性腺激素釋放激素(gonadotropin-releasing hormone, GnRH)的主要部位，在控制脊椎動物的生殖方面發(fā)揮著重要作用[15]。因此，SSRIs在魚類體內(nèi)中的積累可能對魚類產(chǎn)生潛在的生長發(fā)育、生殖和神經(jīng)行為毒性效應(yīng)。

2 SSRIs對魚類的毒性作用(Toxic effects of SSRIs on fish)

2.1 SSRIs對魚類的急性毒性

SSRIs對魚類的急性毒性相對較低，半數(shù)致死濃度(median lethal concentration, LC50)通常在μg·L-1～mg·L-1水平(表2)，環(huán)境濃度劑量的SSRIs污染(ng·L-1)一般不會對魚類造成急性致死效應(yīng)。目前關(guān)于SSRIs對魚類的急性毒性效應(yīng)研究主要集中在氟西汀、舍曲林和西酞普蘭。根據(jù)不同SSRIs對青鳉仔魚的72 h-LC50值，氟西汀和舍曲林的毒性相當(dāng)(LC50=0.84 mg·L-1)，高于西酞普蘭(LC50=9.14 mg·L-1)(表2)。另外，不同的氫離子濃度指數(shù)(hydrogen ion concentration, pH)條件下，SSRIs對魚類的急性毒性有很大差異，越接近藥物解離常數(shù)(dissociation constant, pKa)的pH條件下藥物的毒性越強[34-35]。

表2 SSRIs對魚類的急性毒性Table 2 Acute toxity of SSRIs on fish

2.2 SSRIs對魚類生長發(fā)育的影響

迄今為止，已有多篇文獻報道了SSRIs對魚類生長發(fā)育的影響。例如，SSRIs可以導(dǎo)致魚類的畸形率增加、心率異常和孵化率異常等。其中，氟西汀的暴露不僅能夠引起斑馬魚胚胎的累積畸形率增加(0.52～276.63 μg·L-1)[43]，還會導(dǎo)致斑馬魚胚胎/仔魚的孵化時間提前、存活率降低、心率降低和體長減少(0.009～99 μg·L-1)[44]。不僅如此，氟西汀的暴露(0.03～0.50 μg·L-1，35 d)還會導(dǎo)致孔雀魚(Poeciliareticulata)幼魚的脊索長度、腹部寬度和濕體質(zhì)量顯著減少[45]。帕羅西汀(10 μg·L-1)的暴露能夠顯著加速斑馬魚的孵化[46]。舍曲林暴露不但能夠顯著抑制斑馬魚胚胎的孵化(10 μg·L-1)[46]，還能夠引起斑馬魚胚胎的畸形率顯著增加(100 μg·L-1)[47]。此外，SSRIs還能夠干擾調(diào)控魚類發(fā)育相關(guān)基因的表達。Sehonova等[48]將斑馬魚胚胎暴露在0.1 μg·L-1和10 μg·L-1的舍曲林下約144 h后，利用實時熒光定量多聚核苷酸鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(real-time quantitative polymerase chain reaction, qPCR)技術(shù)對其心臟發(fā)育相關(guān)基因(nkx2.5)、眼睛和腦發(fā)育相關(guān)基因(otx2和pax6)、骨發(fā)育相關(guān)基因(bmp4)的mRNA水平進行測定，結(jié)果顯示，otx2在0.1 μg·L-1舍曲林暴露后顯著上調(diào)，pax6和bmp4在0.1 μg·L-1舍曲林暴露后顯著下調(diào)，而所有基因在10 μg·L-1舍曲林暴露后均顯著下調(diào)。Wu等[49]將斑馬魚胚胎暴露在0.1～10 μg·L-1氟西汀中120 h后，利用qPCR技術(shù)分析了斑馬魚胚胎的基因表達水平，發(fā)現(xiàn)氟西汀暴露能夠顯著下調(diào)調(diào)節(jié)細(xì)胞生長和分化的早期生長反應(yīng)因子基因(egr1和egr4)，其中egr1在0.1 μg·L-1和10 μg·L-1的氟西汀暴露組中顯著下調(diào)，而egr4在所有暴露組中顯著下調(diào)。Park等[50]將斑馬魚仔魚分別暴露于25 μg·L-1和250 μg·L-1的氟西汀和舍曲林中96 h后，利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)進行斑馬魚的全基因表達分析，結(jié)果顯示，調(diào)控細(xì)胞生長相關(guān)基因(insulin-like growth factor binding protein 1b)和肌肉發(fā)育的相關(guān)基因(myogenin)在25 μg·L-1和250 μg·L-1的氟西汀暴露后顯著上調(diào)，調(diào)控視網(wǎng)膜發(fā)育的相關(guān)基因(MCM2 minichromosome maintenance deficient 2, mitotin (S.cerevisiae))和眼睛感光細(xì)胞發(fā)育的相關(guān)基因(ornithine decarboxylase 1)在25 μg·L-1和250 μg·L-1的氟西汀暴露后顯著下調(diào)，同時，在25 μg·L-1和250 μg·L-1舍曲林暴露后，myogenin基因顯著上調(diào)。可以看出，環(huán)境濃度下的SSRIs即可引起魚類的生長發(fā)育異常。一方面，5-HT能系統(tǒng)在脊椎動物的胚胎發(fā)育中發(fā)揮著重要的作用[51-52]。另一方面，魚類和哺乳動物的5-HT能系統(tǒng)具有很大的相似性[14,53]，而藥物對魚類的毒性效應(yīng)可能與其作為人類藥物的作用模式有關(guān)。因此，SSRIs可能通過作用于魚類的5-HT能系統(tǒng)影響魚類的生長發(fā)育。此外，除5-HT能系統(tǒng)外，SSRIs也能通過干擾其他的調(diào)控系統(tǒng)[36,54-55]，如多巴胺能系統(tǒng)、膽堿能系統(tǒng)等，影響魚類的發(fā)育，因此，關(guān)于SSRIs影響魚類發(fā)育的相關(guān)機制仍需進一步的探索。

2.3 SSRIs對魚類的生殖毒性

神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)通過下丘腦-垂體-性腺軸(hypothalamic-pituitary-gonadal axis, HPG軸)調(diào)節(jié)脊椎動物的生殖，同時HPG軸受多種因素的調(diào)節(jié)，如性腺類固醇、神經(jīng)遞質(zhì)等[15]。下丘腦分泌的GnRH在控制脊椎動物的生殖和性功能方面發(fā)揮著重要作用[56-57]。多數(shù)硬骨魚至少有2～3種類型的GnRH(GnRH1、GnRH2和GnRH3)[58-59]。GnRH與位于垂體的受體結(jié)合，調(diào)節(jié)促黃體生成素(luteinizing hormone, LH)和促卵泡激素(follicle-stimulating hormone, FSH)2種促性腺激素(gonadotropin, GTH)的合成和釋放[57,60]。GTH能夠控制性腺的發(fā)育和成熟，刺激雄性睪丸的類固醇生成和精子生成，以及雌性卵巢的卵泡生成和卵子生成[57,61-62]。一方面，5-HT能夠通過影響HPG軸調(diào)節(jié)硬骨魚的多種生殖功能，如性腺成熟和生殖行為(圖3)[15,63]。另一方面，硬骨魚的5-HT能系統(tǒng)也受性腺類固醇的調(diào)節(jié)[15,63]。因此，硬骨魚的5-HT能系統(tǒng)與生殖內(nèi)分泌的信號通路密切相關(guān)。

圖3 5-HT對硬骨魚的功能示意圖(參考文獻[15]和[63])Fig. 3 Schematic diagram of 5-HT function on teleost (reference from literature [15] and [63])

SSRIs已被發(fā)現(xiàn)能夠?qū)︳~類的生殖產(chǎn)生影響，如改變性腺形態(tài)，干擾雌激素的內(nèi)分泌和生殖相關(guān)基因的表達等。其中，環(huán)境濃度的氟西汀暴露能夠增加雄性黑頭軟口鰷[64]的睪丸間質(zhì)細(xì)胞突起(28 ng·L-1，21 d)，誘導(dǎo)雄性黑頭軟口鰷[64](28 ng·L-1，21 d)和雄性金魚[65](Carassiusauratus) (0.54 μg·L-1，14 d)血漿卵黃蛋白原的生成，增加雌性青鳉[66](0.1 μg·L-1，4周)血漿和雄性金魚[67](0.54 μg·L-1，14 d)血清中的雌二醇的含量，改變雄性孔雀魚[68](350 ng·L-1，28 d)的交配策略，增加雄性東部食蚊魚(Gambusiaholbrooki)的交配行為(479 ng·L-1，30 d)和精子數(shù)量(30 μg·L-1和380 ng·L-1，30 d)[69]。另外，高于環(huán)境濃度的氟西汀暴露還能夠改變黑頭軟口鰷的交配行為(1 μg·L-1和100 μg·L-1，4周)[70]，降低斑馬魚卵巢內(nèi)芳香酶基因(Arom-A) (3.2 μg·L-1和32 μg·L-1，7 d)、LH受體基因(LHr) (32 μg·L-1，7 d)和FSH受體基因(FSHr) (32 μg·L-1，7 d)的mRNA水平以及卵巢內(nèi)雌二醇的水平(32 μg·L-1，7 d)[71]。環(huán)境濃度的舍曲林暴露(1.6 ng·L-1，21 d)能夠顯著減少雄性黑頭軟口鰷的睪丸間質(zhì)細(xì)胞突起[64]。此外，雄性斑馬魚在4、40和100 μg·L-1西酞普蘭中暴露2周或1個月，其腦中GnRH基因(gnrh2和gnrh3)和垂體中GTH基因(lhβ和fshβ)的mRNA水平顯著改變，其中，gnrh3、lhβ和fshβ在4 μg·L-1和40 μg·L-1西酞普蘭中暴露2周和在40 μg·L-1和100 μg·L-1西酞普蘭中暴露1個月后均顯著下調(diào)，而在100 μg·L-1西酞普蘭中暴露2周后，gnrh2、gnrh3和lhβ均顯著上調(diào)，fshβ顯著下調(diào)，同時，雄魚睪丸內(nèi)的精原細(xì)胞、次級精母細(xì)胞和精子的細(xì)胞密度在40 μg·L-1和100 μg·L-1西酞普蘭中暴露1個月后均顯著減少[57]。綜上所述，環(huán)境濃度的SSRIs即可對魚類產(chǎn)生生殖毒性。由于5-HT能系統(tǒng)在魚類的生殖調(diào)控中發(fā)揮著重要作用，SSRIs可能通過影響魚類的5-HT能系統(tǒng)，干擾魚類的生殖功能。然而目前關(guān)于SSRIs對魚類生殖毒性相關(guān)機制的研究較為缺乏，今后的研究應(yīng)加強這方面的工作，以進一步闡明該類化合物對魚類生殖系統(tǒng)和生殖行為的影響及其作用規(guī)律。

2.4 SSRIs對魚類的神經(jīng)行為毒性

在生態(tài)系統(tǒng)中，動物行為對其個體生存和種族繁衍具有重要作用[72]。SSRIs作為一類精神類藥物，旨在改變?nèi)祟惖男袨?，即使在低濃度下也能顯示出生物活性。SSRIs的分子靶標(biāo)存在于魚類，且5-HT對于調(diào)控魚類運動、攻擊和焦慮在內(nèi)的行為至關(guān)重要[14]。因此，神經(jīng)行為毒性被認(rèn)為是SSRIs對魚類產(chǎn)生的主要毒性作用[73-74]。近年來，有不少研究報道了SSRIs對魚類行為的影響。例如，SSRIs能夠影響魚類的運動、攻擊行為、焦慮行為和社交行為等。環(huán)境濃度的氟西汀暴露能夠抑制斑馬魚仔魚[36](0.88 μg·L-1，120 h)和孔雀魚[75](16 ng·L-1，28 d)的活動，降低斗魚[76](Bettasplendens)(0.54 μg·L-1，6 d)的攻擊性和雌性食蚊魚[77]的焦慮性(61 ng·L-1，28 d)，增加雄性食蚊魚[77]的焦慮性(352 ng·L-1，28 d)。另外，高于環(huán)境濃度的氟西汀暴露不僅能夠引起青鳉社交焦慮的降低和社交互動的減少(100 μg·L-1，10 d)[78]，還能夠?qū)е潞陬^軟口鰷的攝食速率的降低(10 μg·L-1，4周)和躲避捕食者行為的減少(1 μg·L-1，4周)[70]。舍曲林的暴露能夠抑制青鳉仔魚[41]的活動(10 μg·L-1，72 h)，降低黑頭軟口鰷[79]的焦慮性(3～30 μg·L-1，28 d)。不僅如此，舍曲林的暴露(4.36～116 μg·L-1，7 d)還能夠?qū)е脉a的活動增加，集群傾向和攝食速率降低，攝食量減少[28]。艾司西酞普蘭的暴露不但能夠抑制雄性斑馬魚的攝食行為(0.1 μg·L-1，3周)[80]，還能夠增加雌性斑馬魚的勇敢性(1.5 μg·L-1，3周)[81]?？梢?，環(huán)境濃度的SSRIs即可顯著改變魚類的行為，產(chǎn)生神經(jīng)行為毒性。然而，盡管SSRIs的作用通路存在于魚類，但是SSRIs是否能夠通過類似通路對魚類造成神經(jīng)行為毒性尚不明確，今后的研究有必要針對魚類的神經(jīng)行為毒性效應(yīng)和作用機制進行深入研究。

3 總結(jié)與展望(Summary and prospect)

近些年，隨著地表水中SSRIs的不斷被檢出，SSRIs對水生生物尤其是魚類的影響引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。已有不少學(xué)者開展了SSRIs對魚類的毒性研究，筆者對上述報道中SSRIs對魚類的生態(tài)毒性效應(yīng)研究進展做了簡單的歸納，主要分為以下4點：(1) SSRIs在魚類和哺乳動物體內(nèi)的代謝酶、代謝產(chǎn)物和代謝速率存在差異，且其在魚類和哺乳動物體內(nèi)的代謝途徑可能存在差異；(2) SSRIs能夠在不同種類的魚體內(nèi)積累，且肝臟、腎臟和腦是SSRIs積累的主要靶器官；(3) SSRIs對魚類的急性毒性在μg·L-1～mg·L-1水平，而水環(huán)境中的SSRIs一般不會對魚類造成急性致死效應(yīng)；(4) SSRIs不僅能夠引起魚類生長發(fā)育異常，還能夠干擾魚類的生殖系統(tǒng)，改變魚類的行為。然而，目前SSRIs對魚類的毒性效應(yīng)與作用機制的研究仍不系統(tǒng)，大多數(shù)的研究局限于表型研究，且關(guān)于其毒性作用機制及其生態(tài)風(fēng)險仍不明確。因此，針對目前的研究現(xiàn)狀不足，提出以下幾點展望和建議。

(1)近些年，SSRIs持久痕量地存在于水環(huán)境中，具有“偽持久性”現(xiàn)象，而環(huán)境濃度下SSRIs長期暴露對魚類的毒性效應(yīng)在很大程度上是未知的，有待繼續(xù)深入研究。

(2) 目前，關(guān)于SSRIs在魚類體內(nèi)的降解轉(zhuǎn)化過程仍不清晰，未來的研究應(yīng)加強探明魚類對SSRIs的代謝機制，以進一步闡明SSRIs對魚類的毒性效應(yīng)及其作用機制。

(3)建立SSRIs對魚類神經(jīng)系統(tǒng)的作用靶及其行為間的調(diào)控關(guān)系，明確該類物質(zhì)對魚類的神經(jīng)毒性機制，以進一步闡明SSRIs對水生態(tài)系統(tǒng)的影響。