王曉嵐, 賈磊娜, 柴 茹, 王恒泉, 羅玉珍, 張鵬舉, 彭珍燕, 楊惠芳, 周 健
(1.寧夏醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生與管理學(xué)院職業(yè)衛(wèi)生與環(huán)境衛(wèi)生系,銀川 750004; 2.寧夏環(huán)境因素與慢性病控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,銀川 750004)
2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-dichlorophenoxyacetic acid,2,4-D)既可以作為植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)果蔬具有保鮮作用[1],又廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和林業(yè),用于控制牧場(chǎng)、谷類(lèi)作物、陸生和水生植物的闊葉雜草以及家庭居住環(huán)境和公共道路上雜草的生長(zhǎng)[2]。因其具有成本低、有效性高、選擇性好等特點(diǎn),因此適用范圍廣,職業(yè)和非職業(yè)暴露機(jī)會(huì)逐漸增大。2,4-D 具有神經(jīng)毒性作用,但對(duì)其作用機(jī)制研究尚少。枸杞多糖(lycium barbarum polysaccharide,LBP)是從枸杞中提取的一種生物活性物質(zhì),具有增強(qiáng)免疫、抗氧化以及神經(jīng)保護(hù)等多種生物學(xué)效應(yīng)[3]。本研究通過(guò)2,4-D 體內(nèi)染毒實(shí)驗(yàn),探討2,4-D 對(duì)染毒大鼠的神經(jīng)毒性作用及LBP 的神經(jīng)元保護(hù)作用,為2,4-D 的合理使用提供理論依據(jù)。
2,4-D 標(biāo)準(zhǔn)品(純度為 99%,美國(guó) Sigma 公司),LBP(純度為80%,上海源葉生物科技有限公司)。TUNEL 熒光法檢測(cè)試劑盒(中國(guó)沈陽(yáng)萬(wàn)類(lèi)生物科技有限公司),Bax 抗體(美國(guó)Gene-Tex 公司),Bcl-2 抗體(美國(guó) GeneTex 公司),谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)測(cè)試盒(南京凱基生物科技發(fā)展有限公司),丙二醛(malonaldehyde,MDA)測(cè)定試劑盒(南京建成生物公司),超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)試劑盒(南京建成生物公司),曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)箱和高架十字迷宮(北京碩林苑科技有限公司),倒置相差顯微鏡(日本Olympus 公司)。
SPF 級(jí)初斷乳SD 大鼠48 只,雌雄各半,體質(zhì)量為50~90 g,由寧夏醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供(實(shí)驗(yàn)動(dòng)物質(zhì)量合格證編碼:10752309201900022,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理審查編號(hào):IACUC-NYLAC-2019-008)。適應(yīng)性飼養(yǎng)1 周后,隨機(jī)分為4 組(每組12 只,分籠飼養(yǎng),每籠 3 只),分別為 Control 組(去離子水)、2,4-D 組(75 mg·kg-1)、LBP 組(50 mg·kg-1)、2,4-D(75 mg·kg-1)+LBP(50 mg·kg-1)組,實(shí)驗(yàn)期間大鼠自由攝食、飲水,飼養(yǎng)環(huán)境溫度為18~22 ℃,濕度為40%~70%,自然晝夜節(jié)律光照。
1.3.1 一般行為觀察 觀察各組大鼠的行為,包括形態(tài)變化(精神狀態(tài),皮毛、黏膜及耳廓色澤,休息時(shí)的姿勢(shì)等情況),異常行為表現(xiàn)(如動(dòng)物的反抗觸摸、叫聲、驚跳、逃跑、洗臉、直立、撓抓等情緒性成分行為發(fā)生情況),隔天記錄1 次。
1.3.2 動(dòng)物體質(zhì)量及腦臟器系數(shù)測(cè)定 隔天稱(chēng)量并記錄大鼠體質(zhì)量1 次,直至實(shí)驗(yàn)終止;每天早晚各添加飼料和水1 次。體質(zhì)量增長(zhǎng)量(g)=實(shí)驗(yàn)后體質(zhì)量-實(shí)驗(yàn)前體質(zhì)量。大腦臟器系數(shù)=腦質(zhì)量(g)/體質(zhì)量(100 g)。
1.3.3 曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)[4]檢測(cè)2,4-D 染毒大鼠運(yùn)動(dòng)能力和探索能力的變化。末次染毒后24 h 內(nèi)進(jìn)行曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在暗光、無(wú)噪聲的環(huán)境下進(jìn)行,將大鼠置于曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)箱,采用雙盲法觀察5 min。每只動(dòng)物測(cè)試完畢后清理糞便,將實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部用75%的乙醇溶液擦拭干凈后,晾干,進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。
1.3.4 高架十字迷宮[5]末次染毒結(jié)束后將大鼠從中央格面向閉合臂放入迷宮,記錄5 min 內(nèi)的活動(dòng)情況。觀察指標(biāo)包括:開(kāi)放臂進(jìn)入次數(shù)(必須有兩只前爪進(jìn)入臂內(nèi))、開(kāi)放臂停留時(shí)間、閉合臂進(jìn)入次數(shù)、閉合臂停留時(shí)間。計(jì)算開(kāi)放臂停留時(shí)間比例、開(kāi)放臂進(jìn)入次數(shù)比例、高架十字迷宮中總進(jìn)入次數(shù)。實(shí)驗(yàn)完成后將大鼠取出,將兩臂清理干凈,噴灑75%乙醇除去氣味。
1.3.5 大鼠血清中 SOD、GSH-Px 和 MDA 的測(cè)定 用10%水合氯醛(300 mg·kg-1)腹腔注射麻醉,開(kāi)胸暴露心臟,心尖取血6~10 mL,迅速低溫離心分離血清(4 ℃,3000 r·min-1,10 min),儲(chǔ)存于-20 ℃冰箱,根據(jù)試劑盒分別測(cè)定血清中SOD、GSH-Px 和 MDA 的含量。
1.3.6 HE 染色觀察海馬組織病理形態(tài)變化 大鼠取血后,每組隨機(jī)選取6 只大鼠,經(jīng)左心室快速灌注37 ℃生理鹽水150~200 mL,繼而先快后慢灌注4%多聚甲醛溶液(用PBS 配制,pH=7.4)200~300 mL,持續(xù)25~40 min,直至大鼠上肢、頸項(xiàng)和下肢僵硬后,斷頭取腦,置于4%多聚甲醛溶液中繼續(xù)固定48 h 以上。大鼠腦組織固定后,經(jīng)脫水、二甲苯透明、浸蠟和包埋,制成4 μm 厚的石蠟切片;75 ℃烘烤1 h 后HE 染色。光鏡下觀察切片,10×10 倍光鏡下定位海馬,10×40 倍光鏡下觀察海馬CA3 區(qū)錐體細(xì)胞形態(tài)學(xué)變化。每張切片取連續(xù)兩個(gè)視野,并保證錐體細(xì)胞層的弧度弦置于目鏡的直徑上,取兩視野的平均值為該切片錐體細(xì)胞數(shù),3 張切片的平均值為該樣本的錐體細(xì)胞數(shù)。
1.3.7 TUNEL 染色觀察大鼠海馬神經(jīng)元凋亡 取材、包埋切片、脫蠟過(guò)程同HE 染色步驟。先滴加0.1%Triton X–100(0.1%檸檬酸鈉鹽配制)50 μL,室溫放置8 min。接著PBS 漂洗3 次,每次漂洗5 min。滴加 3 % H2O250 μL 進(jìn)行封閉,室溫放置10 min 后繼續(xù) PBS 漂洗 3 次,每次漂洗 5 min。Enzyme Solution 及 Label Solution 按 1∶9 配制(即用即配,冰上操作)。擦干標(biāo)本周?chē)?,滴加TUNEL反應(yīng)液50 μL。隨后保濕、避光、室溫孵育60 min后繼續(xù)PBS 漂洗 3 次,每次漂洗 5 min。進(jìn)行DAPI 復(fù)染核,室溫 5 min。PBS 漂洗 3 次,每次漂洗5 min??篃晒馑p封片劑封片。鏡檢后拍照。
1.3.8 免疫組化法檢測(cè)Bcl-2 和Bax 凋亡蛋白的表達(dá) 免疫組織化學(xué)法檢測(cè)各組大鼠海馬CA3區(qū)凋亡蛋白 Bax 和 Bcl-2 表達(dá)水平:取上述腦組織石蠟切片,梯度乙醇脫蠟,高壓抗原修復(fù),Bax/Bcl-2 一抗孵育、結(jié)合二抗、DAB 顯色,梯度乙醇脫水、封片。400 倍光鏡下觀察陽(yáng)性細(xì)胞并計(jì)算平均吸光度值。結(jié)果判定:細(xì)胞膜或者是胞漿中呈棕黃色染色者為陽(yáng)性細(xì)胞。
數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差()表示,多組間比較采用方差齊性檢驗(yàn)和單因素方差分析(One-Way ANOVA)。組間兩兩比較,方差齊時(shí)采用SNK-q法,方差不齊時(shí)采用非參數(shù)檢驗(yàn)。檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。
實(shí)驗(yàn)前所有大鼠精神狀態(tài)良好,皮毛光滑,飲水?dāng)z食正常。隨著染毒時(shí)間延長(zhǎng),2,4-D 組大鼠表現(xiàn)出毛色枯黃、神態(tài)倦怠、皮毛粗糙和易激惹狀態(tài)。
各組大鼠體質(zhì)量增長(zhǎng)平緩,各組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。與 Control 組比較,2,4-D 組大鼠腦重和腦臟器系數(shù)降低(P<0.05);與2,4-D組比較,LBP 組和 2,4-D+LBP 組大鼠腦質(zhì)量和腦臟器系數(shù)升高(P<0.05),見(jiàn)圖1。
圖1 各組大鼠體質(zhì)量、腦重及腦臟器系數(shù)比較(n=12,)
與 Control 組比較,2,4-D 組大鼠中央格停留時(shí)間延長(zhǎng),穿行格數(shù)、直立次數(shù)和修飾時(shí)間均減少(P 均<0.05)。與 2,4-D 組比較,LBP 組和 2,4-D+LBP 組中央格停留時(shí)間縮短,穿行格數(shù)、直立次數(shù)和修飾時(shí)間均增加(P 均<0.05),見(jiàn)圖2。
圖2 各組大鼠曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(n=12,)
與 Control 組比較,2,4-D 組實(shí)驗(yàn)大鼠進(jìn)入開(kāi)放臂次數(shù)減少,開(kāi)放臂停留時(shí)間縮短,開(kāi)放臂停留時(shí)間百分比降低(P 均<0.05),開(kāi)放臂進(jìn)入次數(shù)百分比無(wú)明顯變化(P>0.05);與 2,4-D 組比較,LBP 組和 2,4-D+LBP 組實(shí)驗(yàn)大鼠進(jìn)入開(kāi)放臂次數(shù)增多,開(kāi)放臂停留時(shí)間延長(zhǎng),開(kāi)放臂停留時(shí)間百分比升高(P 均<0.05),開(kāi)放臂進(jìn)入次數(shù)百分比無(wú)明顯變化(P>0.05),見(jiàn)圖3。
圖3 各組大鼠高架十字迷宮結(jié)果(n=12,)
與 Control 組比較,2,4-D 組大鼠海馬 CA3區(qū)錐體細(xì)胞數(shù)減少,LBP 組大鼠海馬CA3 區(qū)錐體細(xì)胞數(shù)增多(P 均<0.05);與 2,4-D 組比較,2,4-D+LBP 組大鼠海馬CA3 區(qū)錐體細(xì)胞數(shù)增多(P均<0.01),見(jiàn)表 1。
表1 各組大鼠海馬CA3 區(qū)錐體細(xì)胞計(jì)數(shù)結(jié)果()
表1 各組大鼠海馬CA3 區(qū)錐體細(xì)胞計(jì)數(shù)結(jié)果()
與對(duì)照組比較**P<0.01;與2,4-D 組比較##P<0.01。
組別 n 海馬CA3 區(qū)錐體細(xì)胞數(shù)/個(gè)Control 6 113.57±7.72 2,4-D 6 102.01±4.99**LBP 6 142.11±6.24**##2,4-D+LBP 6 113.49±5.27##
Control 組在光鏡下觀察錐體細(xì)胞排列整齊,形態(tài)完整,細(xì)胞核均勻藍(lán)染,染色質(zhì)分布均勻,核仁明顯,細(xì)胞質(zhì)均勻、致密,未見(jiàn)異常改變;2,4-D 組大鼠海馬CA3 區(qū)錐體細(xì)胞間隙增寬,排列不整齊,細(xì)胞與周?chē)M織聯(lián)系疏松,錐體細(xì)胞有腫脹,部分胞核固縮呈三角形或不規(guī)則形,胞漿空泡狀。LBP 組光鏡下的細(xì)胞形態(tài)同對(duì)照組,錐體細(xì)胞形態(tài)完整、細(xì)胞與周?chē)M織聯(lián)系緊密、細(xì)胞核均勻藍(lán)染、染色質(zhì)分布均勻、核仁明顯、細(xì)胞質(zhì)均勻致密;2,4-D+LBP 組錐體細(xì)胞形態(tài)明顯優(yōu)于2,4-D 組,偶有染色質(zhì)邊集、胞核固縮呈三角形,見(jiàn)圖4。
圖4 各組大鼠海馬組織病理形態(tài)變化(HE×400)
與 Control 組比較,2,4-D 組和 2,4-D+LBP組大鼠血清中SOD 和GSH-Px 含量降低,MDA含量升高(P 均<0.01);與 2,4-D 組比較,LBP 組和2,4-D+LBP 組大鼠血清中 SOD 和 GSH-Px 含量升高,MDA 含量降低(P 均<0.01),見(jiàn)圖 5。
圖5 各組大鼠血清中 SOD、GSH-Px 活力和 MDA 含量比較(n=6,)
TUNEL 染色發(fā)現(xiàn),凋亡細(xì)胞呈現(xiàn)綠色或淡綠色熒光。與Control 組比較,2,4-D 組大鼠海馬神經(jīng)元陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)增多,細(xì)胞凋亡率升高(P 均<0.01);與 2,4-D 組比較,LBP 組和 2,4-D+LBP組大鼠海馬神經(jīng)元陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)減少,細(xì)胞凋亡率降低(P 均<0.05),見(jiàn)圖 6。
圖6 TUNEL 染色法觀察各組大鼠海馬神經(jīng)元凋亡(n=6,)
免疫組織化學(xué)方法檢測(cè)各組大鼠海馬CA3區(qū)Bax 和Bcl-2 表達(dá)。神經(jīng)元染色以胞漿有棕黃色物質(zhì)沉積為主,也有胞膜或核膜染色。與Control 組比較,2,4-D 組大鼠海馬 Bcl-2 表達(dá)降低,Bax 表達(dá)升高,Bcl-2/Bax 比值降低(P 均<0.05)。與 2,4- D 組比較,2,4-D+LBP 組大鼠海馬 CA3區(qū) Bcl-2 表達(dá)升高,Bax 表達(dá)降低,Bcl-2/Bax 比值升高(P 均<0.05),見(jiàn)圖 7。
圖7 各組大鼠海馬組織Bcl-2 和Bax 凋亡蛋白表達(dá)水平比較(n=6,)
2,4-D 屬于激素型除草劑,是一種高效內(nèi)吸性除草劑[6],具有較強(qiáng)的神經(jīng)毒性。Uyanikgil 等[7]發(fā)現(xiàn) 15 mg·L-1劑量 2,4-D 可使虹魚(yú)出現(xiàn)活動(dòng)減少、群居、呼吸不暢、突然旋轉(zhuǎn)和跳起、失去平衡等。Dehnert 等[8]研究結(jié)果顯示,2,4-D 可改變幼魚(yú)視覺(jué)基礎(chǔ)神經(jīng)回路的發(fā)育和功能。腦和脊髓的病理組織切片顯示神經(jīng)元丟失增加、細(xì)胞內(nèi)水腫、空泡,脊髓中神經(jīng)角質(zhì)增多及細(xì)胞固縮。有毒的外源化學(xué)物質(zhì)可能通過(guò)胎盤(pán)和乳汁影響胎兒的發(fā)育,而發(fā)育中的腦由于其血腦屏障尚未發(fā)育成熟更容易受到侵害,因此本研究以初斷乳大鼠建立 2,4-D 染毒模型,觀察 2,4-D 對(duì)初斷乳大鼠的神經(jīng)毒性作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn),2,4-D 染毒組大鼠腦重和腦臟器系數(shù)降低,海馬CA3 區(qū)錐體細(xì)胞數(shù)量明顯減少,錐體細(xì)胞間隙增寬,部分胞核固縮呈三角形或不規(guī)則形,胞漿空泡狀。行為學(xué)以動(dòng)物的自發(fā)行為為基礎(chǔ),能夠反映動(dòng)物整體的生活行為改變。通過(guò)對(duì)新異環(huán)境的適應(yīng)和反應(yīng),動(dòng)物的行為與中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生密切關(guān)系。本研究通過(guò)曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、高架十字迷宮和懸尾試驗(yàn)觀察了2,4-D 染毒后大鼠神經(jīng)行為的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,2,4-D 組大鼠中央格停留時(shí)間與對(duì)照組相比延長(zhǎng),提示2,4-D 染毒后大鼠對(duì)周?chē)h(huán)境的好奇心明顯減弱,探究行為減弱,大鼠緊張程度增加,表明2,4-D 可以對(duì)大鼠神經(jīng)行為產(chǎn)生影響,這可能與2,4-D 的神經(jīng)毒性密切相關(guān)。
目前,關(guān)于2,4-D 的神經(jīng)毒性作用機(jī)制尚未明確,可能與細(xì)胞凋亡、氧化應(yīng)激、抑制神經(jīng)軸生長(zhǎng)等有關(guān),其中氧化應(yīng)激學(xué)說(shuō)在神經(jīng)毒性機(jī)制的研究中占有重要地位。2,4-D 表現(xiàn)出很強(qiáng)的神經(jīng)毒性,原因可能為氧化應(yīng)激發(fā)生伴隨了過(guò)多氧自由基的產(chǎn)生[9]。而機(jī)體清除氧自由基能力越強(qiáng),SOD 與GSH-Px 活性越高。MDA 含量反映了細(xì)胞受自由基攻擊的嚴(yán)重程度,MDA 含量越高細(xì)胞受自由基攻擊越嚴(yán)重,越容易產(chǎn)生細(xì)胞毒性。研究[10]顯示,孕期和哺乳期暴露2,4-D 引起仔鼠神經(jīng)行為發(fā)育的改變,其機(jī)制可能通過(guò)干擾抗氧化平衡系統(tǒng)而導(dǎo)致發(fā)育期腦組織的損傷所致。長(zhǎng)時(shí)間暴露于2,4-D 則可能會(huì)使生物體受到壓力,從而抑制其生長(zhǎng)發(fā)育并增加其腦部畸形的發(fā)生率[11]。本研究與上述研究結(jié)果一致,顯示2,4-D 染毒大鼠血清中SOD、GSH-Px 活性降低,MDA含量升高,提示2,4-D 引起大鼠體內(nèi)抗氧化酶活性下降,氧化應(yīng)激水平升高。
Mahmoudinia 等[12]研究發(fā)現(xiàn),2,4-D 可以誘導(dǎo)人牙髓干細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激和凋亡。本課題組前期實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),2,4-D 可以引起PC12 細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激,引起PC12 細(xì)胞內(nèi)MDA 含量升高SOD 和 GSH-Px 活力降低[13]。后期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 2,4-D 引起了PC12 細(xì)胞線(xiàn)粒體膜電位下降,發(fā)生細(xì)胞凋亡。線(xiàn)粒體凋亡是細(xì)胞凋亡的主要途徑,對(duì)于維持細(xì)胞增殖與凋亡的平衡具有重要影響,凋亡過(guò)度或過(guò)低都會(huì)誘發(fā)相應(yīng)的疾病。Bcl-2 家族蛋白是調(diào)節(jié)線(xiàn)粒體凋亡因子釋放的主要蛋白,根據(jù)其功能可分為促凋亡蛋白和抑凋亡蛋白。正常情況下Bcl-2 等抗凋亡蛋白一般作為細(xì)胞器膜的整合膜蛋白被隔離起來(lái),而B(niǎo)ax 等促凋亡蛋白則以非活性狀態(tài)分布于胞質(zhì)和細(xì)胞骨架上[14]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),2,4-D 染毒組大鼠海馬神經(jīng)元陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)明顯增多,細(xì)胞凋亡率升高,大鼠海馬組織Bcl-2 表達(dá)降低,Bax 表達(dá)升高,Bcl-2/Bax 比值降低,表明2,4-D 可以引起海馬神經(jīng)元凋亡。
LBP 可以保護(hù)肝功能[15]、提高免疫力[16]、抑制腫瘤細(xì)胞[17],并能抗衰老和抗氧化[18]。Lam 等[19]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),LBP 具有促進(jìn)神經(jīng)元發(fā)生,調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激和炎癥激活的凋亡信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng),具有神經(jīng)保護(hù)作用。LBP 可有效改善嚴(yán)重應(yīng)激所致的創(chuàng)傷性認(rèn)知功能障礙[20]。本研究結(jié)果顯示,LBP 干預(yù)后,大鼠海馬組織錐體細(xì)胞數(shù)量增多,形態(tài)規(guī)則,血清 MDA 含量降低,SOD、GSH-Px 活力升高、細(xì)胞凋亡率下降,抗凋亡蛋白Bcl-2 表達(dá)升高,促凋亡蛋白Bax 表達(dá)升高,Bcl-2/Bax 比值降低,說(shuō)明LBP 對(duì)2,4-D 染毒大鼠的神經(jīng)元具有保護(hù)作用。
綜上所述,2,4-D 可以引起實(shí)驗(yàn)大鼠血清抗氧化酶活性降低,造成海馬神經(jīng)元損傷和細(xì)胞凋亡,影響大鼠的神經(jīng)行為,表現(xiàn)出抑郁和焦慮狀態(tài)。LBP 具有抗氧化和抑制海馬神經(jīng)元細(xì)胞凋亡的作用,可為2,4-D 引起的神經(jīng)損傷提供治療和預(yù)防。