傅榆涵,侯力睿,趙 沖,扈洪波,尹淑濤
(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院,北京 100083)
中國(guó)是獸藥生產(chǎn)和使用大國(guó),在生產(chǎn)上獸藥種類豐富,在《中華人民共和國(guó)獸藥典(2015版)》錄入的獸藥共2 030種[1],且處于不斷研發(fā)狀態(tài)。在應(yīng)用上,中國(guó)人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)水平的提高使肉類消費(fèi)量劇增,推動(dòng)獸藥需求不斷增長(zhǎng),每年抗生素使用量為15~20萬(wàn)t;每生產(chǎn)1 kg肉,中國(guó)使用抗菌藥物的量約是歐盟國(guó)家的10倍[2]。一些使用者濫用、亂用或?yàn)樽非蠼?jīng)濟(jì)利益不遵循休藥期規(guī)定等現(xiàn)象導(dǎo)致獸藥殘留超標(biāo)[3]。獸藥在動(dòng)物體內(nèi)經(jīng)系列代謝轉(zhuǎn)化,部分會(huì)殘留在動(dòng)物體內(nèi)經(jīng)食品加工流入市場(chǎng),大部分以代謝物或原藥的形式進(jìn)入環(huán)境[4],再經(jīng)食物鏈富集流動(dòng)、不斷放大,最終影響處于食物鏈頂端的人類,可能引起急性毒性或過(guò)敏,破壞機(jī)體內(nèi)菌群平衡,誘導(dǎo)有害微生物產(chǎn)生抗性基因,降低藥物治療效果,若長(zhǎng)期積累產(chǎn)生蓄積毒性,將影響機(jī)體的正常生理功能和生長(zhǎng)發(fā)育[5]。
目前,獸藥種類繁多、濫用現(xiàn)象普遍且存在多種獸藥混合使用現(xiàn)象,易造成多獸藥殘留,當(dāng)這些藥物同時(shí)存在時(shí)相互影響將產(chǎn)生聯(lián)合毒性,可能放大對(duì)生物的危害[6-7],如大環(huán)內(nèi)酯類、氟喹諾酮類和磺胺類獸藥兩兩結(jié)合對(duì)小球藻的生長(zhǎng)均表現(xiàn)出協(xié)同抑制[8];頭孢菌素和環(huán)丙沙星協(xié)同抑制羊角月牙藻的生長(zhǎng)[9]?;旌汐F藥殘留帶來(lái)的威脅不容小覷,但中國(guó)現(xiàn)有的獸藥殘留標(biāo)準(zhǔn)多僅針對(duì)單一藥物,對(duì)藥物的聯(lián)合毒性不夠重視,關(guān)于獸藥聯(lián)合的政策或管理也有待完善。喹烯酮、恩諾沙星、硫酸多黏菌素B、土霉素為常見(jiàn)抗菌藥,使用較為普遍且在環(huán)境中的殘留較高,同時(shí)接觸的可能性較高[10-11]。因此,本研究選取這4種藥物,以人肝細(xì)胞L02、小鼠肝細(xì)胞AML12、猴腎細(xì)胞Marc145、人腎細(xì)胞HEK293T、人神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞SK-N-SH和小鼠睪丸間質(zhì)細(xì)胞TM3為模型,評(píng)價(jià)不同暴露濃度下各獸藥單獨(dú)處理和聯(lián)合處理時(shí)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制作用,得到濃度效應(yīng)關(guān)系,并采用濃度加和模型(CA)和獨(dú)立作用模型(IA)法評(píng)價(jià)二元、三元、四元組合的聯(lián)合毒性,以期對(duì)各藥物之間可能發(fā)生的聯(lián)合作用進(jìn)行初步了解。
1.1.1 細(xì)胞 AML12(CRL-2254)、L02(CVCL-6926)、HEK293T(ACS-4500)、Marc145(CRL-12231)和SK-N-SH(HTB-11)細(xì)胞均來(lái)自ATCC 細(xì)胞庫(kù);TM3(3101MOUGNM24)細(xì)胞來(lái)自國(guó)家生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)細(xì)胞資源庫(kù)。
1.1.2 主要試劑 恩諾沙星(enrofloxacin,ENR,98%)、土霉素(oxytetracycline dihydrate,OTC,97%)、硫酸多黏菌素B(polymyxin B sulfate,PMB,USP級(jí),≥6 000 USP units/mg)均購(gòu)自Aladdin公司;喹烯酮(quinocetone,QCT,≥98%)購(gòu)自上海源葉生物科技有限公司;DMEM/F12、DMEM高糖培養(yǎng)基購(gòu)自HyClone公司;RPMI-1640培養(yǎng)基、PBS緩沖液均購(gòu)自北京索萊寶科技有限公司;戊二醛、結(jié)晶紫均購(gòu)自Sigma公司;ITS細(xì)胞培養(yǎng)添加物(100×)購(gòu)自塞業(yè)生物科技有限公司;馬血清、胎牛血清均購(gòu)自Biological Industries(BI)公司。
1.1.3 主要儀器設(shè)備 CO2恒溫培養(yǎng)箱(3111型)、液氮罐(8038型)、生物安全柜(Forma CLASSⅡ級(jí)A2型)、高速低溫離心機(jī)(Biofuge Pro R)和96孔酶標(biāo)儀(Multiscan SK3)均購(gòu)自Thermo Scientific公司;電子精密天平(AL104-IC)購(gòu)自梅特勒-托利多(上海)有限公司。
AML12細(xì)胞培養(yǎng)于含有10%胎牛血清和1% ITS細(xì)胞培養(yǎng)添加物的DMEM/F12培養(yǎng)基中;L02細(xì)胞培養(yǎng)于含有10%胎牛血清的RPMI-1640培養(yǎng)基中;HEK293T、Marc145和SK-N-SH細(xì)胞均培養(yǎng)于含有10%胎牛血清的DMEM培養(yǎng)基中;TM3細(xì)胞培養(yǎng)于含有5%馬血清和2.5%胎牛血清的DMEM/F12培養(yǎng)基中,在37 ℃、5% CO2環(huán)境中貼壁生長(zhǎng)。
細(xì)胞傳代時(shí),根據(jù)細(xì)胞狀態(tài)和生長(zhǎng)速度,將一定數(shù)量的細(xì)胞均勻接種到細(xì)胞培養(yǎng)板中,當(dāng)細(xì)胞匯合度達(dá)到40%~50%時(shí),進(jìn)行加藥處理。表1所示濃度為對(duì)應(yīng)的一元藥物在該細(xì)胞中的最大濃度,按相應(yīng)稀釋因子進(jìn)行梯度稀釋。根據(jù)單一藥物對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生50%、33%和25%生長(zhǎng)抑制率時(shí)的濃度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行二元(EC50∶EC50)、三元(EC33∶EC33∶EC33)、四元(EC25∶EC25∶EC25∶EC25)毒性比藥物混合,并以1/2為稀釋因子進(jìn)行梯度稀釋,按所需濃度將藥物加入新培養(yǎng)基中并混勻,用真空泵吸除原培養(yǎng)基,再加入新配好的含藥培養(yǎng)基,聯(lián)合處理細(xì)胞24 h。
表1 單一藥物最大濃度及稀釋因子
加藥處理24 h后移除培養(yǎng)基,用PBS緩沖液潤(rùn)洗,再每孔加入0.5 mL 1%戊二醛溶液,于搖床上固定15 min。棄去戊二醛,每孔用PBS緩沖液潤(rùn)洗2次后,加入1 mL 0.02%結(jié)晶紫染色液,在搖床上染色30 min。棄去染色液,流水小心沖洗每個(gè)孔,至洗液呈無(wú)色透明為止。倒置晾干后每孔加入2 mL 75%乙醇,于搖床上溶解6~8 h,570 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光值(D),以75%酒精為空白對(duì)照。以對(duì)照組細(xì)胞數(shù)量為100%,按公式(1)計(jì)算出加藥處理一段時(shí)間后的細(xì)胞存活率。
細(xì)胞存活率(%)=
(1)
根據(jù)抗菌藥對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制作用(Y)與濃度(X)和EC50預(yù)估值,使用非線性回歸模型,遵循方程(2)、(3)。
Y=Bottom+(Top-Bottom)/(1+10^((logEC50-X)×HillSlope))
(2)
logECF=logEC50+(1/HillSlope)×log(F/(100-F))
(3)
式中,Y,藥物對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制率(%);X,抗菌藥濃度(mg/L);ECF,抑制率為F%(F=10、20、25、33、50)時(shí)抗菌藥的濃度(mg/L);Bottom,曲線的基線響應(yīng)(mg/L);Top,最大響應(yīng)(mg/L);Hillslope,指曲線的坡度。
采用CA[12]和IA[13]判斷聯(lián)合效應(yīng)。
CA 模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
(4)
式中,n,混合物中組分?jǐn)?shù)目;ECx,i,第i個(gè)組分單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生x%效應(yīng)對(duì)應(yīng)的單一毒性效應(yīng)濃度;ci,混合物產(chǎn)生x%效應(yīng)時(shí)對(duì)應(yīng)的組分i在混合物體系中的濃度。
IA模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
(5)
式中,E(cmix),預(yù)測(cè)的效應(yīng);cmix,混合物的總濃度;ci,混合物產(chǎn)生x%效應(yīng)時(shí)對(duì)應(yīng)的組分i在混合體系中的濃度;E(ci),i組分單獨(dú)作用產(chǎn)生x%效應(yīng)時(shí)的單一濃度。
根據(jù)公式擬合CA和IA線,當(dāng)實(shí)際曲線在CA、IA線之上時(shí),表示實(shí)際毒性大于預(yù)測(cè)毒性。存在協(xié)同效應(yīng);與CA、IA線相交時(shí),表示相加效應(yīng);當(dāng)實(shí)際曲線在CA、IA線下時(shí),表示實(shí)際毒性小于預(yù)測(cè)毒性,存在頡頏效應(yīng)。
運(yùn)用GraphPad Prism 8.0分析數(shù)據(jù)及曲線擬合。試驗(yàn)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。
探究ENR、OTC、QCT、PMB單獨(dú)作用24 h對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制作用,結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知,4種抗菌藥對(duì)6種細(xì)胞均存在劑量效應(yīng)關(guān)系,隨著作用劑量的增加,細(xì)胞生長(zhǎng)抑制率增加,利用軟件進(jìn)行曲線方程擬合,具體結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)擬合得到的曲線計(jì)算的4種藥物對(duì)不同細(xì)胞的EC50、EC20、EC10值,具體結(jié)果見(jiàn)表3。
A~F,分別為4種獸藥單獨(dú)作用于L02、AML12、HEK293T、Marc145、SK-N-SH和TM3細(xì)胞的劑量-效應(yīng)曲線
表2 抗菌藥作用于不同細(xì)胞后的生長(zhǎng)抑制曲線
表3 抗菌藥作用不同細(xì)胞的EC50、EC20、EC10值
通過(guò)比較EC50可知,不同藥物對(duì)同一細(xì)胞的毒性大小不同。無(wú)論對(duì)哪種細(xì)胞,QCT的毒性都是最強(qiáng)的,PMB毒性最小,其中在HEK293T細(xì)胞中,QCT和PMB相差約763倍(EC50,PMB,HEK293T=557.10 mg/L,EC50,QCT,HEK293T=0.73 mg/L)。ENR和OTC的毒性介于QCT和PMB之間,但對(duì)不同細(xì)胞,毒性大小存在差別,對(duì)L02、Marc145細(xì)胞,兩者毒性類似,對(duì)AML12細(xì)胞,ENR的毒性更強(qiáng),而對(duì)HEK293T、SK-N-SH和TM3細(xì)胞,OTC的毒性更強(qiáng)。
同種藥物對(duì)不同細(xì)胞的毒性也存在差異。 ENR對(duì)AML12細(xì)胞的毒性最大(EC50,ENR,AML12=25.40 mg/L),而對(duì)TM3的毒性最小(EC50,ENR,TM3=208.04 mg/L),相差約8.2倍。 OTC對(duì)6種細(xì)胞的EC50在60~200 mg/L范圍內(nèi),對(duì)每種細(xì)胞的毒性差別不明顯,影響最小的是Marc145細(xì)胞(EC50,OTC,Marc145=178.50 mg/L)。PMB對(duì)SK-N-SH細(xì)胞的EC50為182.0 mg/L,對(duì)比PMB對(duì)其他類型細(xì)胞的毒性,PMB對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的影響最大,具有較強(qiáng)的神經(jīng)毒性。QCT對(duì)腎細(xì)胞的毒性最強(qiáng),僅0.73 mg/L就可對(duì)HEK293T細(xì)胞造成半數(shù)抑制。
ENR+OTC、ENR+PMB、ENR+QCT、OTC+PMB、OTC+QCT、PMB+QCT二元組合聯(lián)合毒性結(jié)果見(jiàn)圖2~4。大部分藥物二元組合后產(chǎn)生協(xié)同毒性效應(yīng)。ENR與其他3種抗菌藥的組合在大部分細(xì)胞中主要表現(xiàn)出相加效應(yīng),而ENR+OTC組合在肝細(xì)胞(L02和AML12細(xì)胞),ENR+PMB在腎細(xì)胞(Marc145和HEK293T細(xì)胞)中表現(xiàn)出了協(xié)同效應(yīng),ENR+PMB和ENR+QCT在AML12細(xì)胞中出現(xiàn)明顯的頡頏,在低濃度時(shí)有促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)的作用。與OTC組合的藥物大部分出現(xiàn)了協(xié)同效應(yīng),尤其是OTC+QCT在6種細(xì)胞中均出現(xiàn)協(xié)同毒性。與PMB組合的藥物易出現(xiàn)低濃度呈相加或頡頏作用,而隨濃度的增加對(duì)細(xì)胞的毒性增強(qiáng),出現(xiàn)協(xié)同作用。
A~F、G~L,分別為ENR+OTC、ENR+PMB、ENR+QCT、OTC+PMB、OTC+QCT、PMB+QCT二元組合對(duì)L02和AML12細(xì)胞的混合毒性評(píng)價(jià)
從細(xì)胞的角度來(lái)看,在TM3細(xì)胞中抗菌藥聯(lián)合易出現(xiàn)相加效果,在肝細(xì)胞(L02和AML12細(xì)胞)和腎細(xì)胞(Marc145和HEK293T細(xì)胞)中出現(xiàn)協(xié)同的概率較高。不同細(xì)胞模型由于代謝途徑的差異對(duì)同樣藥物聯(lián)合表現(xiàn)出來(lái)的效應(yīng)可能不同,如ENR+QCT在AML12細(xì)胞中主要是頡頏作用,而在HEK293T中主要是協(xié)同作用,聯(lián)合毒性效應(yīng)存在模型差異。
ENR+OTC+PMB、ENR+OTC+QCT、OTC+PMB+QCT、ENR+QCT+PMB三元及OTC+ENR+PMB+QCT四元組合聯(lián)合毒性結(jié)果見(jiàn)圖5、6。多元組合中相加效應(yīng)出現(xiàn)的概率上升。在AML12細(xì)胞中,ENR+PMB+QCT組合出現(xiàn)明顯的頡頏作用,在低濃度混合時(shí)甚至有促生長(zhǎng)作用,在ENR+PMB和ENR+QCT二元組合也有類似情況,而在AML12細(xì)胞中4種藥物單獨(dú)作用均不存在促生長(zhǎng)作用,當(dāng)多元組合中出現(xiàn)OTC時(shí)多為協(xié)同作用。部分組合出現(xiàn)3段毒性,即低濃度時(shí)為相加或頡頏作用,中間濃度時(shí)為協(xié)同作用,當(dāng)濃度繼續(xù)上升,協(xié)同作用減弱,變?yōu)轭R頏作用,如HEK293T細(xì)胞中的ENR+OTC+PMB組合、Marc145和TM3細(xì)胞中OTC+PMB+QCT組合,隨著組分的增加,藥物之間的聯(lián)合作用變化更為復(fù)雜。
QCT為化學(xué)合成喹噁啉-1,4-二氧化合物[14],其在代謝過(guò)程中脫氫產(chǎn)生自由基引起氧化應(yīng)激,使細(xì)胞DNA損傷斷裂,細(xì)胞膜通透性增加,從而引起細(xì)胞死亡[15]。QCT的毒性較強(qiáng),且可能由于肝臟和腎臟為QCT的主要代謝器官,其肝臟和腎臟毒性較為顯著,在本研究中,僅0.73 mg/L就可對(duì)HEK293T細(xì)胞造成半數(shù)抑制,Chen等[16]以非洲綠猴腎細(xì)胞Vero為材料,發(fā)現(xiàn)短時(shí)間處理下40 μg/mL QCT對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制率達(dá)50%,且抑制強(qiáng)度遠(yuǎn)高于同為喹噁啉類抗菌藥的卡巴氧和喹乙醇。PMB屬多肽類抗生素[17],對(duì)革蘭氏陰性菌有強(qiáng)烈的殺傷作用[18]。本研究結(jié)果顯示,在4種藥物中PMB 對(duì)6種細(xì)胞的EC50均最大,可見(jiàn)其毒性較小,但從細(xì)胞上比較,對(duì)SK-N-SH細(xì)胞的EC50最小,神經(jīng)毒性較為突出。有文獻(xiàn)報(bào)道,PMB可造成神經(jīng)肌肉阻滯,具有一定神經(jīng)毒性[19]。ENR屬喹諾酮類抗菌藥物[20],在食品中ENR的脫乙基產(chǎn)物環(huán)丙沙星(ciprofloxacin,CIP)檢出最為常見(jiàn),其次是ENR[21]。OTC屬四環(huán)素類抗生素,是農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)中應(yīng)用最多的抗菌藥之一,在河流中的檢出率可達(dá)287 ng/L[22],是最常見(jiàn)的環(huán)境污染物之一[23],這些藥物極易發(fā)生混合殘留,當(dāng)不同的藥物混合使用可能同時(shí)對(duì)多種器官造成損傷。
A~F、G~L,分別為ENR+OTC、ENR+PMB、ENR+QCT、OTC+PMB、OTC+QCT、PMB+QCT二元組合對(duì)HEK293T和Marc145細(xì)胞的混合毒性評(píng)價(jià)
A~D、E~H、I~L、M~P、Q~T、U~X,分別為ENR+OTC+PMB、ENR+OTC+QCT、OTC+PMB+QCT和ENR+QCT+PMB三元組合對(duì)L02、AML12、HEK293T、Marc145、SK-N-SH和TM3細(xì)胞的混合毒性評(píng)價(jià)
A~F,分別為OTC+ENR+PMB+QCT四元組合對(duì)L02、AML12、HEK293T、Marc145、SK-N-SH和TM3細(xì)胞的混合毒性評(píng)價(jià)
當(dāng)2種或2種以上物質(zhì)同時(shí)或順序進(jìn)入機(jī)體會(huì)發(fā)生復(fù)雜的交互作用,影響彼此的吸收、代謝或轉(zhuǎn)化等過(guò)程,產(chǎn)生與單一作用時(shí)不一樣的綜合效應(yīng),即聯(lián)合毒性[24]。由于獸藥使用不當(dāng)和多種獸藥聯(lián)合使用易導(dǎo)致獸藥混合殘留,而混合獸藥對(duì)生物的聯(lián)合毒性往往不是簡(jiǎn)單的相加。 本研究結(jié)果顯示,QCT+OTC在等毒性比混合時(shí)對(duì)6種細(xì)胞均造成了協(xié)同抑制,以O(shè)TC∶QCT=4∶1的濃度比混合時(shí)也具有顯著協(xié)同效應(yīng),可通過(guò)增加活性氧(ROS)、抑制超氧化物歧化酶2(SOD2)和過(guò)氧化氫酶(CAT)激發(fā)氧化應(yīng)激,并上調(diào)促凋亡蛋白Bim使細(xì)胞發(fā)生凋亡[25]。本研究結(jié)果顯示,在HEK293T細(xì)胞中與ENR組合的藥物均出現(xiàn)顯著協(xié)同作用,有文獻(xiàn)報(bào)道ENR和其代謝產(chǎn)物環(huán)丙沙星(CIP)也可產(chǎn)生協(xié)同肝毒性,引起肝細(xì)胞氧化應(yīng)激[26],因此抗菌藥的使用在避免濫用、亂用外還要注意配伍禁忌,避免聯(lián)合使用后對(duì)人體產(chǎn)生更大的危害;除此之外,可采用降解、吸附等抗菌藥去除策略,結(jié)合快速、靈敏的檢測(cè)方法提高對(duì)食品中抗菌藥的檢測(cè)效率,以減少抗菌藥進(jìn)入人體[27]。
藥物的聯(lián)合毒性不是固定的,影響聯(lián)合毒性的因素包括組分、劑量、作用時(shí)間、模型及評(píng)價(jià)方法等。不同的化學(xué)物之間無(wú)論是理化性質(zhì)、針對(duì)的靶器官或細(xì)胞還是在生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)化、代謝等過(guò)程都存在差異,各物質(zhì)的毒性作用機(jī)制不同導(dǎo)致聯(lián)合作用不相同[28]。組分越多,化學(xué)物之間產(chǎn)生的相互影響也越復(fù)雜。本研究結(jié)果顯示,當(dāng)藥物三元、四元組合時(shí)出現(xiàn)相加效應(yīng)的概率上升,這與Funnel假說(shuō)一致,即混合物組分越多,聯(lián)合效應(yīng)越接近于相加作用[29]。同時(shí)聯(lián)合效應(yīng)是隨濃度的變化而變化的,如OTC+PMB組合在L02細(xì)胞中低濃度為相加作用,隨著濃度的升高出現(xiàn)了協(xié)同作用。連勇等[30]發(fā)現(xiàn)敵敵畏與樂(lè)果低劑量聯(lián)合對(duì)HepG2細(xì)胞DNA的損傷效應(yīng)為簡(jiǎn)單相加,敵敵畏與馬拉硫磷、樂(lè)果與馬拉硫磷具有協(xié)同效應(yīng),而在高劑量下,3種有機(jī)磷農(nóng)藥之間聯(lián)合模式為頡頏。產(chǎn)生這種區(qū)別的可能原因是不同劑量對(duì)于代謝酶的影響不同,有機(jī)磷農(nóng)藥低劑量下可能對(duì)P450酶系產(chǎn)生誘導(dǎo),而高劑量下產(chǎn)生抑制。在模型上,同一組藥物可能因靶點(diǎn)、作用方式、代謝途徑差異對(duì)不同細(xì)胞聯(lián)合毒性存在較大區(qū)別。聯(lián)合毒性也存在時(shí)間依賴性[31],造成時(shí)間依賴的原因可能是靶蛋白不同、細(xì)胞膜的通透性變化、藥物與靶蛋白結(jié)合的有效濃度變化等[32-34]。本研究固定染毒時(shí)間為24 h,并未涉及這4種抗菌藥對(duì)細(xì)胞不同作用時(shí)間下的聯(lián)合毒性的影響,時(shí)間依賴作用有待進(jìn)一步探討。
在6種細(xì)胞模型中,QCT的毒性最強(qiáng),PMB的毒性最小,ENR、QCT主要造成肝臟和腎臟毒性,OTC對(duì)每一種組織的毒性大小相似,但生殖毒性較突出,而PMB主要對(duì)神經(jīng)細(xì)胞造成影響,不同的藥物混合使用可能同時(shí)對(duì)多種器官造成損傷。二元抗菌藥組合出現(xiàn)協(xié)同作用的可能性較高,尤其是與OTC組合。在多元組合中,隨著組分的增加,組分間的相互作用更加復(fù)雜,聯(lián)合毒性出現(xiàn)相加的概率上升。