POPs活化星形膠質(zhì)細(xì)胞的機(jī)制研究進(jìn)展*

丁文潔，趙子軒，趙新元 綜述,吳啟運(yùn) 審校

(南通大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，江蘇南通 226019)

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，大量有毒化學(xué)品作為潛在污染物進(jìn)入環(huán)境。其中持久性有機(jī)污染物(POPs)在人類生活環(huán)境中無處不在，已成為影響人類健康的主要環(huán)境因素之一[1-2]。由于具有生物蓄積特征，環(huán)境中低劑量的POPs如2,3,7,8-四氯代二苯并二噁英(TCDD)、全氟辛烷基磺酸(PFOS)、多氯聯(lián)苯(PCBs)、雙酚A(BPA)等會(huì)不斷積聚在人體內(nèi)，持續(xù)損傷多種組織，目前被報(bào)道具有致畸性、生殖障礙、內(nèi)分泌干擾等有害效應(yīng)[2-5]。近年來，神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病率持續(xù)升高，其發(fā)病與環(huán)境污染密切有關(guān)。以往的研究已經(jīng)明確，POPs具有顯著的神經(jīng)毒性[6]，相關(guān)機(jī)制是神經(jīng)毒理學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)維持著高水平的代謝，導(dǎo)致大量自由基產(chǎn)生，也是對氧化應(yīng)激最敏感的器官之一。星形膠質(zhì)細(xì)胞作為CNS中最豐富的細(xì)胞類型，在維持CNS穩(wěn)態(tài)中起重要作用。病理狀態(tài)下，星形膠質(zhì)細(xì)胞活化，參與幾乎所有形式的神經(jīng)損傷和神經(jīng)性疾病。膠質(zhì)纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein，GFAP)是一種中間產(chǎn)物，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)紊亂時(shí)，能夠調(diào)節(jié)影響星形膠質(zhì)細(xì)胞形態(tài)和功能的絲蛋白，是星形膠質(zhì)細(xì)胞活化的標(biāo)志物。許多研究人員已經(jīng)證明GFAP可以作為神經(jīng)毒性、創(chuàng)傷性腦損傷等過程的標(biāo)記物被調(diào)控[7]。為加強(qiáng)對POPs神經(jīng)毒性效應(yīng)及機(jī)制的認(rèn)識(shí)，本文對POPs活化星形膠質(zhì)細(xì)胞的機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 TCDD

TCDD在環(huán)境中普遍存在，主要來源于工業(yè)副產(chǎn)品，包括醫(yī)療廢物和塑料的焚燒，氯紙漂白，殺蟲劑、除草劑和殺菌劑的制造等，具有較強(qiáng)的神經(jīng)毒性[8]。例如，接觸TCDD的兒童神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育受損，學(xué)習(xí)能力下降[9]。目前研究表明，不同類型的中樞神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞對TCDD暴露均有反應(yīng)，包括神經(jīng)元、小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞[10]。

星形膠質(zhì)細(xì)胞增生是一種由細(xì)胞肥大、增殖和功能障礙組成的復(fù)雜反應(yīng)，已被證實(shí)與TCDD的神經(jīng)毒性密切相關(guān)[11]。TCDD通過激活蛋白激酶B/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子(Akt/STAT3)通路增加細(xì)胞周期蛋白D1(cyclin D1)的表達(dá)，促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖[12]。核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)信號(hào)通路是相關(guān)研究的重點(diǎn)，在TCDD作用下，NF-κB通路可被轉(zhuǎn)化生長因子激酶1(TAK1)激活。具體來說，TAK1在TCDD誘導(dǎo)的反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞過程中迅速磷酸化，用siRNA寡核苷酸阻斷TAK1可顯著抑制TCDD誘導(dǎo)的NF-κB活化及星形膠質(zhì)細(xì)胞活化。研究也發(fā)現(xiàn)Src抑制的蛋白激酶C底物(src-suppressed c kinase substrate,SSeCKS)可以被蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)激活，繼而介導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞活化[13]。進(jìn)一步的研究證實(shí)，SSeCKS通過與泛素連接酶(TNF receptor associated factor 6，TRAF6)相互作用，繼而活化NF-κB信號(hào)通路，激活星形膠質(zhì)細(xì)胞。

2 PFOS

PFOS是一種含氟飽和的八碳化合物，是許多全氟化合物的降解產(chǎn)物，由于其特殊的化學(xué)和物理性質(zhì)，在商業(yè)和工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用，如潤滑劑、阻燃劑、皮革和地毯的防污處理，食品包裝袋、化妝品、藥品和殺蟲劑成分[14]。PFOS被認(rèn)為是一種具有持久性和生物積累性的有機(jī)污染物，可通過胃腸道、呼吸道和受傷皮膚被人體吸收。

很多研究表明，PFOS具有明顯的神經(jīng)毒性效應(yīng)，尤其是損傷神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞。PFOS可誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞、小腦顆粒細(xì)胞和神經(jīng)元損傷。PFOS對神經(jīng)元的損傷作用可能歸因于PFOS對星形膠質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞毒性[15]。以C6細(xì)胞作為體外研究模型，低劑量的PFOS可增加星形膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量和GFAP的表達(dá)，說明星形膠質(zhì)細(xì)胞活化。酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)(ELISA)和逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)(RT-PCR)分析表明，PFOS能促進(jìn)白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)的表達(dá)和分泌，且呈劑量和時(shí)間依賴性。此外，在C6膠質(zhì)瘤細(xì)胞系中，PFOS可誘導(dǎo)NF-κB抑制蛋白α(IκBα)的磷酸化和降解，以及NF-κB從細(xì)胞質(zhì)向細(xì)胞核的移位。因此，PFOS暴露后，NF-κB信號(hào)通路被激活。PFOS通過磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/Akt和NF-κB途徑促進(jìn)C6星形膠質(zhì)細(xì)胞的炎癥活化。PFOS可上調(diào)促炎因子IL-1β mRNA的表達(dá)和蛋白分泌，并增加NF-κB p65亞基的磷酸化和IκBα中磷的降解，提示PFOS可誘導(dǎo)C6星形膠質(zhì)細(xì)胞NF-κB活化，Akt信號(hào)通路對PFOS介導(dǎo)的NF-κB活化和炎性因子IL-1β的分泌起關(guān)鍵作用[12]。IL-1β是反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞增生最有效的誘導(dǎo)劑之一，它由活化的小膠質(zhì)細(xì)胞和活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生[16]。PFOS暴露導(dǎo)致IL-1β表達(dá)增強(qiáng)，這涉及誘導(dǎo)炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)的機(jī)制，并表明了潛在的促炎癥作用[17]。此外，研究者還發(fā)現(xiàn)PFOS處理激活了PI3K/Akt信號(hào)通路的磷酸化，在PFOS誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞活化中起著不可或缺的作用。

3 PCBs

PCBs是20世紀(jì)30年代開始在世界范圍內(nèi)大量生產(chǎn)的合成有機(jī)化合物，用于各種工業(yè)應(yīng)用和商業(yè)產(chǎn)品[18]。PCBs水平與神經(jīng)發(fā)育障礙(neuro developmental disorders，NDD)風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)，包括自閉癥譜系障礙(autism spectrum disorder，ASD)[19]和注意缺陷多動(dòng)障礙(attention deficit hyperactivity disorder，ADHD)[20]。尸體解剖時(shí)對多種多氯聯(lián)苯和多溴聯(lián)苯醚的分析表明，與對照組相比，患有自閉癥綜合征的兒童大腦中PCBs水平較高，但其他分析物水平不高[21]，PCBs可能破壞細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)通路，這種作用可能與發(fā)育神經(jīng)毒性有關(guān)[22]。

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，膠質(zhì)細(xì)胞分化的改變會(huì)影響大腦功能。以大鼠C6細(xì)胞系為體外模型，24 h PCBs的亞毒濃度(3或9 μmol/L)處理后，可降低GFAP水平和阻斷細(xì)胞形態(tài)向嗜酸細(xì)胞表型的改變，雙丁酰環(huán)磷酸腺苷(dibutyryl-cAMP)誘導(dǎo)的細(xì)胞分化受損。添加蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)抑制劑雙吲哚馬來酰亞胺可有效恢復(fù)甲醇中多氯聯(lián)苯(aroclor1254，A1254)的抑制作用，表明PCBs通過PCK途徑干擾了Dibutyryl-cAMP誘導(dǎo)的C6細(xì)胞星形細(xì)胞分化。STAT3的磷酸化對于Dibutyryl-cAMP誘導(dǎo)的C6細(xì)胞中GFAP啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄至關(guān)重要。結(jié)果表明，A1254(3或9 μmol/L)暴露24 h抑制cAMP誘導(dǎo)的STAT3磷酸化；此外，A1254降低Dibutyryl-cAMP依賴性的STAT3磷酸化需要抑制PKC活性。上述結(jié)果證實(shí)PCBs在膠質(zhì)細(xì)胞星形膠質(zhì)細(xì)胞分化過程中誘導(dǎo)cAMP/PKA和PKC信號(hào)通路的擾動(dòng)。

4 BPA

BPA是一種眾所周知的外源性雌激素，廣泛應(yīng)用于聚碳酸酯塑料的生產(chǎn)，是食品和飲料容器保護(hù)涂層中廣泛使用的成分。由于BPA被用于制造各種消費(fèi)品，因此與公眾有許多接觸。例如：(1)由于BPA在生產(chǎn)、使用和處置過程中的釋放而直接和間接暴露于環(huán)境中；(2)通過食物攝??；(3)接觸或吸入非食源性消費(fèi)品[23]。幾項(xiàng)研究報(bào)道顯示，人類每天攝入的BPA為1 μg/kg，并在各個(gè)器官中累積[24]。許多文獻(xiàn)報(bào)道，BPA具有神經(jīng)毒性并可引起某些行為缺陷[25-26]。

體內(nèi)BPA暴露通過自由基介導(dǎo)的機(jī)制破壞蛋白質(zhì)和脂質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致神經(jīng)損傷[27]。例如BPA通過氧化應(yīng)激和絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號(hào)通路誘導(dǎo)海馬神經(jīng)元凋亡。有實(shí)驗(yàn)檢測BPA暴露后星狀形態(tài)和膠質(zhì)纖維酸性蛋白水平的改變，發(fā)現(xiàn)用BPA處理后，GFAP陽性星形膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)生形態(tài)學(xué)改變，GFAP表達(dá)增加。用BPA處理小鼠純化的星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元膠質(zhì)細(xì)胞共培養(yǎng)物可激活星形膠質(zhì)細(xì)胞。需要注意的是，這種激活作用和處理劑量關(guān)系密切。用1 pmol/L或1 μmol/L的BPA處理可引起星形膠質(zhì)細(xì)胞的強(qiáng)烈活化，而用1 nmol/L BPA處理對星形膠質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)無明顯影響[28]。半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3(caspase-3)是神經(jīng)元細(xì)胞凋亡的標(biāo)志,高濃度BPA顯著誘導(dǎo)caspase-3活化。BPA誘導(dǎo)的多巴胺對鈣離子(Ca2+)反應(yīng)的增強(qiáng)可導(dǎo)致神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞中樞多巴胺能神經(jīng)傳遞的興奮性增加，表明BPA誘導(dǎo)的神經(jīng)元和星形細(xì)胞多巴胺能傳遞的增強(qiáng)，可能導(dǎo)致對嗎啡心理依賴的發(fā)展[29]。

5 其 他

壬基酚(nonylpheno，NP)作為穩(wěn)定的裝飾產(chǎn)物，在環(huán)境中廣泛存在，但是由于NP水溶性差，疏水性高，降解率低，因此NP在地表水、污泥固體和活生物體中積累并持續(xù)存在，并進(jìn)入食物鏈[30]。人類暴露于來自受污染飲用水、食品、母乳、食品容器和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品中的NP[31]。

有研究表明，通過免疫熒光染色來評(píng)估GFAP的表達(dá)，暴露于NP會(huì)導(dǎo)致小腦功能障礙[32]。結(jié)果表明，母體暴露于NP的后代小腦星形膠質(zhì)細(xì)胞增多。圍生期暴露于NP通過破壞少突膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞之間的分化平衡而阻止少突膠質(zhì)細(xì)胞的形成[33]。圍生期暴露于NP導(dǎo)致子代小腦髓鞘形成延遲，而這種小腦髓鞘形成的缺陷在成年后恢復(fù)正常[34]。此外，NP暴露使成熟少突膠質(zhì)細(xì)胞減少，星形膠質(zhì)細(xì)胞增多，這可能是NP引起髓鞘形成延遲的原因。最后，暴露于NP的后代細(xì)胞中BMP信號(hào)被激活。骨形態(tài)發(fā)生蛋白信號(hào)的激活可能是暴露于NP的子代小腦少突膠質(zhì)細(xì)胞生成減少和星形膠質(zhì)細(xì)胞生成增加，以及隨后髓鞘形成延遲的基礎(chǔ)[35]。

多溴聯(lián)苯醚(PBDEs)是一類重要的溴化阻燃劑，用于紡織品、電子設(shè)備、個(gè)人電腦和電視機(jī)的柜子及各種其他塑料制品。PBDEs可以在塑料的使用壽命內(nèi)緩慢釋放，隨泡沫和其他產(chǎn)品進(jìn)入食物鏈和人群[36]。PBDEs已在沉積物、污水污泥、鳥類和鳥卵、海洋哺乳動(dòng)物和淡水魚中檢測到，此外，在母乳中也發(fā)現(xiàn)了PBDEs[37]。

這些發(fā)現(xiàn)使人們關(guān)注PBDEs對嬰兒可能產(chǎn)生的影響，部分原因是在動(dòng)物和人體研究中獲得PCBs，其結(jié)構(gòu)與PBDEs相似，有大量的證據(jù)表明其發(fā)育效應(yīng)特別是對神經(jīng)系統(tǒng)的影響。有證據(jù)表明PBDEs可能是發(fā)育性神經(jīng)毒性物質(zhì)，因?yàn)樵趪诒┞逗蟀l(fā)現(xiàn)了行為、神經(jīng)化學(xué)和激素缺陷[38-39]。

6 小 結(jié)

POPs的神經(jīng)毒性越來越受到學(xué)者的重視，且研究正不斷深入。POPs容易穿越血腦屏障，激活星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元的先天免疫反應(yīng)，繼而產(chǎn)生神經(jīng)毒性。研究表明POPs干擾內(nèi)源性抗氧化防御系統(tǒng)、炎癥通路及神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)節(jié)。

為了更好地研究POPs暴露和星形膠質(zhì)細(xì)胞活化之間的關(guān)系，還應(yīng)使用轉(zhuǎn)基因小鼠，并結(jié)合更多的人群數(shù)據(jù)及生物學(xué)樣本進(jìn)行驗(yàn)證。更進(jìn)一步，除了POPs對星形膠質(zhì)細(xì)胞本身的毒性，還需要研究不同細(xì)胞之間的互作反應(yīng)。從目前的報(bào)道可知，研究POPs對星形膠質(zhì)細(xì)胞活化的影響時(shí)多以各種體外細(xì)胞及體內(nèi)動(dòng)物為模型，人群證據(jù)尚且不足，因此還存在一定的局限性。研究POPs影響星形膠質(zhì)細(xì)胞的活化機(jī)制對干預(yù)POPs的神經(jīng)毒性具有重要意義。