魚(yú)類(lèi)神經(jīng)行為毒性研究進(jìn)展

李姝伸 趙芷源 隋長(zhǎng)潤(rùn) 紀(jì)美旭 逄 越 李慶偉 李 軍

(1.遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 七鰓鰻研究中心, 大連 116081; 2.大連工業(yè)大學(xué), 海洋食品精深加工關(guān)鍵技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心, 大連 116034)

神經(jīng)行為毒性是有害因素對(duì)動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)和神經(jīng)行為產(chǎn)生有害作用的能力, 反映外界有害因素對(duì)生物個(gè)體整體水平健康危害程度, 是一種非死亡的有害效應(yīng)。神經(jīng)行為毒性主要研究暴露于有害環(huán)境因素后, 神經(jīng)行為改變的類(lèi)型及神經(jīng)行為改變的生物學(xué)基礎(chǔ), 是神經(jīng)科學(xué)、藥理學(xué)和毒理學(xué)的重要內(nèi)容[1, 2]。近年來(lái), 隨著人類(lèi)活動(dòng)的加劇, 大量有害物質(zhì)通過(guò)陸源和空源等途徑吸附和絡(luò)合在富含有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)鹽的水環(huán)境中。魚(yú)類(lèi)對(duì)水環(huán)境中污染物極為敏感, 即使極低濃度的污染物暴露也能對(duì)魚(yú)類(lèi)的游泳行為產(chǎn)生影響, 致使其神經(jīng)行為異常,誘發(fā)神經(jīng)行為毒性效應(yīng)[3—6]。在神經(jīng)科學(xué)研究和藥物開(kāi)發(fā)中, 魚(yú)類(lèi)是開(kāi)展神經(jīng)科學(xué)、藥理學(xué)和毒理學(xué)等研究的重要物種。魚(yú)類(lèi)組織和器官與哺乳動(dòng)物同源[7], 其中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用機(jī)制與哺乳動(dòng)物相似[8, 9], 能夠?qū)ν饨绱碳ぎa(chǎn)生綜合協(xié)調(diào)的應(yīng)答反應(yīng),其復(fù)雜、典型的行為特征與哺乳動(dòng)物類(lèi)似[10], 包括感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)反射及信息整合等行為表現(xiàn), 為探討神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能及人類(lèi)疾病研究提供參考。本文從魚(yú)類(lèi)生物學(xué)特征、實(shí)驗(yàn)魚(yú)類(lèi)品系和全基因組測(cè)序3個(gè)方面闡明魚(yú)類(lèi)是開(kāi)展神經(jīng)行為毒性研究的重要物種, 并結(jié)合廣泛存在的典型污染物(微塑料、微塑料吸附污染物和有機(jī)污染物)和藥物, 探討外界因素對(duì)魚(yú)類(lèi)產(chǎn)生的神經(jīng)行為毒性, 展望今后魚(yú)類(lèi)神經(jīng)行為毒性的研究方向, 以期為神經(jīng)行為毒性基礎(chǔ)研究和應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 魚(yú)類(lèi)是開(kāi)展神經(jīng)行為毒性研究的重要物種

魚(yú)類(lèi)是開(kāi)展神經(jīng)行為毒性研究的生物模型, 具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì): (1)魚(yú)類(lèi)生物學(xué)特征是開(kāi)展神經(jīng)行為毒性研究的重要基礎(chǔ)。魚(yú)類(lèi)組織和器官與哺乳動(dòng)物同源, 發(fā)育過(guò)程和調(diào)控機(jī)制高度保守[7]。特別重要的是, 魚(yú)類(lèi)神經(jīng)元的形成、分化及神經(jīng)化學(xué)信號(hào)通路等與哺乳動(dòng)物相似性高[11, 12], 能對(duì)外界刺激產(chǎn)生綜合協(xié)調(diào)的應(yīng)答反應(yīng)。如在有害環(huán)境中, 魚(yú)類(lèi)游泳速度、游動(dòng)距離、游動(dòng)時(shí)間和絕對(duì)轉(zhuǎn)角等行為發(fā)生改變, 影響社交、焦慮、學(xué)習(xí)和記憶及防御能力等社會(huì)行為[13—17]。(2)實(shí)驗(yàn)魚(yú)為開(kāi)展神經(jīng)行為毒性研究提供材料。實(shí)驗(yàn)魚(yú)具有遺傳背景均一、實(shí)驗(yàn)重復(fù)性好、可比性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn), 是研究神經(jīng)行為毒性的重要實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。目前研究人員已開(kāi)發(fā)出3000多個(gè)斑馬魚(yú)品系和200多個(gè)轉(zhuǎn)基因品系(野生型品系除外)。實(shí)驗(yàn)魚(yú)品系眾多, 其中實(shí)驗(yàn)魚(yú)類(lèi)有青鳉(Oryzias melastigma)[18]、虹鳉(Poecilia reticulata)[19—21]、金魚(yú)(Carassius auratus)[22, 23]和虹鱒(Salmo gairdneri)[24, 25]等; 魚(yú)類(lèi)近交品系有斑馬魚(yú)近交系(Danio rerio)[26]、劍尾魚(yú)近交系(Xiphophorus helleri[27]、X.maculatus[27]和X.xiphidium[27])和青鳉近交系(O.latipes)[28, 29]等。(3)魚(yú)類(lèi)全基因組測(cè)序?yàn)樯窠?jīng)行為毒性研究提供重要的分子基礎(chǔ)。魚(yú)類(lèi)的全基因組學(xué)研究闡明其生物學(xué)特征和基因組結(jié)構(gòu)之間內(nèi)在聯(lián)系。目前, 國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)展魚(yú)類(lèi)基因組學(xué)研究, 先后完成青鳉[30]、紅鰭東方鲀(Takifugu rubripes)[30]、綠河鲀(Tetraodon nigroviridis)[30]、半滑舌鰨(Cynoglossus semilaevis)[31]和鯉(Cyprinus carpio)[31]等100多種魚(yú)類(lèi)的全基因組測(cè)序并繪制精細(xì)圖譜。

2 典型污染物對(duì)魚(yú)類(lèi)的神經(jīng)行為毒性

魚(yú)類(lèi)對(duì)水環(huán)境中污染物的變化最為敏感, 即使極低濃度的污染物暴露也能對(duì)魚(yú)類(lèi)的行為產(chǎn)生影響, 引發(fā)神經(jīng)行為毒性效應(yīng)[3—6, 32—42]。

2.1 微塑料及其吸附污染物

微塑料微塑料(Microplastics, MPs)可在魚(yú)類(lèi)鰓、腸、肝臟、性腺和腸等器官富集, 甚至能通過(guò)血腦屏障, 進(jìn)入腦組織[43—46]。微塑料積累在魚(yú)類(lèi)不同組織和器官中, 抑制生長(zhǎng)發(fā)育、降低免疫力、增加氧化應(yīng)激和紊亂脂質(zhì)代謝[47—49], 產(chǎn)生神經(jīng)行為毒性效應(yīng), 改變魚(yú)類(lèi)的游泳行為, 干擾魚(yú)類(lèi)社交行為[3, 32, 34, 50, 51]。急性神經(jīng)毒性研究表明, MPs對(duì)歐洲鱸(Dicentrachus labrax)幼魚(yú)具有較強(qiáng)的急性神經(jīng)毒性效應(yīng)[33], MPs (1—5 μm; 0.26和0.69 mg/L;96h)減少幼魚(yú)逆水流游泳時(shí)間(5%—28%), 降低幼魚(yú)游泳速度。在慢性神經(jīng)毒性研究中, Yin等[50]通過(guò)MPs暴露許氏平鲉(Sebastes schlegelii)慢性毒性試驗(yàn)證明, MPs暴露不但降低幼體游泳速度、減少探索行為, 而且MPs能強(qiáng)烈干擾幼魚(yú)社交行為(幼體間距離更小)。Santos等[3, 32]系統(tǒng)地開(kāi)展了MPs對(duì)斑馬魚(yú)幼體的神經(jīng)行為毒性研究, 急性暴露試驗(yàn)(2—96 hpf, hour post fertilization)證明MPs(1—5 μm,2 mg/L)對(duì)幼魚(yú)游泳行為和社交行為均沒(méi)有影響;但在長(zhǎng)期慢性毒性研究中(2hpf—14dpf, day post fertilization )[32], MPs對(duì)幼魚(yú)的游泳距離、逃逸行為及社交行為(集群)有顯著影響, 改變幼魚(yú)的游泳行為和社交行為。這些研究表明微塑料可在魚(yú)類(lèi)體內(nèi)蓄積, 產(chǎn)生長(zhǎng)期的神經(jīng)行為毒性效應(yīng)。MPs不但對(duì)魚(yú)類(lèi)早期發(fā)育階段產(chǎn)生神經(jīng)行為毒性效應(yīng), 而且對(duì)成魚(yú)也具有神經(jīng)行為毒性作用。如斑馬魚(yú)成魚(yú)暴露MPs(110和1100 粒/L)96h后, 斑馬魚(yú)出現(xiàn)游泳不穩(wěn)定、癲癇樣行為等癥狀[34]。

與藥浴方式的神經(jīng)毒性效應(yīng)不同, 通過(guò)口服MPs方式的試驗(yàn)表明, MPs (600 μm; 0.01%、0.1% 和1%W/W)在14d對(duì)青鳉幼魚(yú)游泳速度沒(méi)有影響, 而在30d幼魚(yú)則表現(xiàn)出游泳速度顯著增加現(xiàn)象[52], 這可能與MPs在魚(yú)類(lèi)不同組織和器官中富積有關(guān)。魚(yú)類(lèi)攝入MPs的方式不同, 其在魚(yú)類(lèi)不同組織和器官中積累量不同, 產(chǎn)生不同的神經(jīng)行為毒性效應(yīng)。不同的環(huán)境條件, 如光-暗周期改變, 也是MPs影響?hù)~(yú)類(lèi)神經(jīng)行為的重要因素。Limonta等[51]證明MPs暴露增加斑馬魚(yú)夜間活動(dòng), 改變晝夜活動(dòng)節(jié)律, 這與MPs上調(diào)其晝夜節(jié)律基因nr1d4b相關(guān)。Qiang等[53]證明在黑暗條件下的MPs暴露減小斑馬魚(yú)幼魚(yú)(4—120hpf)的游泳距離(3.2%)和速度(3.5%), 而在光刺激下, MPs可致使幼魚(yú)游泳距離減少(2.6%—4.6%),游泳速度降低(2.8%—4.9%), 這可能是幼魚(yú)避暗能力受到抑制的結(jié)果。

微塑料在生物體內(nèi)的富集與分布規(guī)律主要取決于粒徑, 如粒徑為5—20 μm微塑料可在魚(yú)類(lèi)鰓和腸道中富集, 而粒徑為≤10 μm微塑料可進(jìn)入肝臟、性腺和腸道, 甚至可以通過(guò)血腦屏障, 進(jìn)入腦部組織, 影響其腦部發(fā)育和功能, 引發(fā)神經(jīng)行為毒性[43—46]。Chen 等[54]研究mMPs (Micron-sized microplastics, 微米級(jí)微塑料)和nMPs (Nano-sized microplastics, 納米級(jí)微塑料)對(duì)斑馬魚(yú)幼魚(yú)游泳能力影響, 證明在黑暗環(huán)境中mMPs (45 μm)不會(huì)影響幼魚(yú)游泳距離, 而nMPs(50 nm)顯著抑制幼魚(yú)游泳能力, 其神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)基因gfap和α1-tubulin轉(zhuǎn)錄水平上調(diào), 乙酰膽堿酯酶(AchE)活性降低, 谷胱甘肽(GSH)含量減少, 證明nMPs潛在神經(jīng)行為毒性更大。Yang等[55]研究也表明, mMPs不影響幼魚(yú)游泳行為, 而nMPs(100和1000 μg/L; 7 d)則顯著降低幼魚(yú)游泳速度, 這與nMPs進(jìn)入組織和器官, 破壞肌肉和神經(jīng)纖維, 抑制AchE活性有關(guān)。與Chen等[54]和Yang等[55]研究結(jié)果不同, Yin等[50]試驗(yàn)結(jié)果表明,mMPs對(duì)魚(yú)類(lèi)神經(jīng)行為毒性比nMPs更大, 如與500 nm nMPs暴露組許氏平鲉幼魚(yú)相比, 15 μm MPs暴露對(duì)幼魚(yú)的社交行為具有更強(qiáng)烈的干擾, 表現(xiàn)為群體中個(gè)體間的距離小, 同時(shí)還觀察到幼體游泳速度降低,探索行為減少。研究者認(rèn)為這與幼體腦百分比和腦的含水量增加有關(guān)。

微塑料及吸附重金屬M(fèi)Ps具有體積小、比表面積大、疏水性強(qiáng)和表面電荷多等特性, 能夠吸附和累積其他污染物[56—58]。重金屬作為一類(lèi)重要的污染物質(zhì), 其毒性包括內(nèi)分泌干擾、神經(jīng)毒性、肝毒性、免疫毒性、遺傳毒性和腎毒性等[59]。MPs與重金屬之間存在協(xié)同作用, 對(duì)魚(yú)類(lèi)產(chǎn)生聯(lián)合神經(jīng)行為毒性, 增強(qiáng)神經(jīng)行為毒性效應(yīng), 這與MPs和重金屬下調(diào)sod1表達(dá), 抑制AchE活性, 增加活性氧(ROS)、過(guò)氧化氫酶(CAT)和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GPX)活性相關(guān)[3, 32]。Barboza等[33]研究表明, MPs及其吸附的汞對(duì)許氏平鲉游泳行為存在顯著的相互作用, MPs和汞聯(lián)合暴露降低幼魚(yú)的游泳速度(80%—87%), 減少幼魚(yú)逆流游泳時(shí)間(52%—64%)。Santos等[3, 32]開(kāi)展了MPs和銅(Cu)對(duì)斑馬魚(yú)幼魚(yú)的急性和慢性神經(jīng)行為毒性研究。在短期急性毒性研究(2—96hpf)[3]中發(fā)現(xiàn), Cu (15和60 μg/L)與Cu+MPs(Cu15+MPs, 15 μg Cu/L+2 mg MP/L; Cu60+MPs, 60 μg Cu/L+2 mg MP/L; Cu125+MPs, 125 μg Cu/L+2 mg MP/L)均對(duì)幼魚(yú)游泳行為沒(méi)有影響; 高濃度Cu(125 μg/L)僅增加幼魚(yú)總游泳距離, 而在Cu125+MPs暴露組中幼魚(yú)的社交行為發(fā)生改變(最近鄰距離和個(gè)體間距離減小), 同時(shí)光暗刺激增加幼魚(yú)在黑暗期游動(dòng)距離, 表明光暗刺激增強(qiáng)MPs和銅聯(lián)合毒性反應(yīng)。研究證明MPs與其吸附Cu存在協(xié)同作用, 其產(chǎn)生聯(lián)合神經(jīng)行為毒性大于Cu。長(zhǎng)期慢性毒性研究(2hpf—14dpf)[32]表明, Cu+MPs暴露降低幼魚(yú)的游泳速度和絕對(duì)轉(zhuǎn)角, 減小游泳距離, 減少其在下層水域中活動(dòng);在光暗周期刺激試驗(yàn)中, Cu+MPs聯(lián)合暴露增加幼魚(yú)在暗環(huán)境中的游動(dòng)。這些研究結(jié)果證明Cu+MPs聯(lián)合暴露對(duì)斑馬魚(yú)神經(jīng)行為毒性具有長(zhǎng)期和協(xié)同效應(yīng)。

2.2 有機(jī)污染物

阻燃劑多溴聯(lián)苯醚及其同系物: 多溴聯(lián)苯醚能干擾魚(yú)類(lèi)下丘腦-垂體-甲狀腺軸(Hypothalamus-pituitary-thyroid axis, HPT )、下丘腦-垂體-性腺軸(Hypothalamo-pituitary-gonadal axis, HPG)和下丘腦-垂體-腎上腺軸(Hypothalamic-pituitary-adrenal axis, HPA)相關(guān)基因表達(dá), 影響內(nèi)分泌信號(hào)通路,致使內(nèi)分泌功能改變[35, 36, 60], 導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)甲狀腺激素分泌擾亂, 造成內(nèi)分泌紊亂, 神經(jīng)元損傷, 影響生物個(gè)體發(fā)育(大腦和骨骼發(fā)育等), 產(chǎn)生神經(jīng)行為毒性效應(yīng), 改變個(gè)體的游動(dòng)行為和社交行為。Glazer等[4]通過(guò)急性毒性試驗(yàn)證明, BDE-47(0.1—4 μmol/L)處理組中斑馬魚(yú)幼魚(yú)(144hpf)游動(dòng)能力降低。顧杰等[61]研究BDE-47對(duì)斑馬魚(yú)幼魚(yú)的急性神經(jīng)毒性作用,證明BDE-47(5—10 μmol/L)暴露幼魚(yú)(6dpf)游泳速度顯著下降; 隨BDE-47濃度增加, 幼魚(yú)游動(dòng)軌跡呈劑量依賴(lài)性降低, 幼魚(yú)的行為變化與其中樞神經(jīng)發(fā)育相關(guān)。在慢性毒性試驗(yàn)中, BDE-47不但影響?hù)~(yú)類(lèi)游動(dòng)行為, 而且還改變魚(yú)類(lèi)的社交行為。Zhang等[62]發(fā)現(xiàn)BDE-47(5—500 μg/L)暴露斑馬魚(yú)幼魚(yú)游動(dòng)路徑角有明顯的向右偏好, 同時(shí)幼魚(yú)社交活動(dòng)接觸和每次接觸時(shí)間均顯著增加(光照期的社交接觸次數(shù)均少于黑暗期)。6-OH-BDE-47(6-羥基-四溴聯(lián)苯醚)和6-MeO-BDE-47(6-甲氧基-四溴聯(lián)苯醚)是生物體內(nèi)最重要的BDE-47衍生物, 它們除了具有較高的生物富集能力和較強(qiáng)的母子傳遞能力, 還具有神經(jīng)行為毒性。Zhang等[63]研究6-OH-BDE-47和6-MeO-BDE-47對(duì)斑馬魚(yú)幼魚(yú)的神經(jīng)行為影響, 結(jié)果表明, 幼魚(yú)在黑暗環(huán)境比在光環(huán)境游泳活躍, 喜歡向黑暗處游動(dòng); 同時(shí)發(fā)現(xiàn)這兩種衍生物對(duì)不同行為指標(biāo)的影響不同, 對(duì)路徑角產(chǎn)生不同的影響, 如6-OH-BDE-47降低了轉(zhuǎn)彎次數(shù), 而6-MeO-BDE-47促進(jìn)幼體快速轉(zhuǎn)彎, 但抑制社交活動(dòng)。

在理論上PBDEs共有209 種不同的同系物, PBDEs同系物對(duì)斑馬魚(yú)的神經(jīng)行為毒性并不完全相同。如BDE-99毒性試驗(yàn)表明, 低劑量BDE-99(0.3 μmol/L)引發(fā)斑馬魚(yú)幼魚(yú)多動(dòng)癥, 高濃度BDE-99(≥1 μmol/L)暴露幼魚(yú)則表現(xiàn)出活性降低[4], 這與同系物BDE-47[4, 61, 62]暴露的神經(jīng)行為毒性效應(yīng)并不相同。

四溴雙酚A及其衍生物: 四溴雙酚A(TBBPA)分子機(jī)制研究表明, TBBPA上調(diào)魚(yú)類(lèi)HPT軸相關(guān)基因表達(dá)(dio1、ttr、pax8和ugt1ab), 下調(diào)dio3b的轉(zhuǎn)錄水平[36], 改變甲狀腺受體和脫碘酶表達(dá)。在早期發(fā)育階段TBBPA誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡、延遲顱運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元發(fā)育、抑制原代運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元發(fā)育和肌纖維疏松[37],其在腦區(qū)積累能夠?qū)е聞?dòng)物神經(jīng)行為改變。Chen等[37]研究斑馬魚(yú)早期階段TBBPA暴露對(duì)幼魚(yú)的神經(jīng)行為毒性(8—48hph), 證明TBBPA(5 μmol/L)暴露組幼魚(yú)活動(dòng)減少, 游泳速度明顯降低, 與其神經(jīng)發(fā)育、肌絲滑動(dòng)和收縮、細(xì)胞外基質(zhì)分解和裝配的生物學(xué)過(guò)程有關(guān)。與Chen等[37]研究結(jié)果相似,李佳妮等[64]研究發(fā)現(xiàn)TBBPA(2 μmol)對(duì)斑馬魚(yú)有較強(qiáng)的神經(jīng)行為毒性作用, 表現(xiàn)為胚胎(20—26hpf)自主運(yùn)動(dòng)次數(shù)升高, 仔魚(yú)(48hpf)接觸反應(yīng)距離減小,游泳速度均下調(diào)。四溴雙酚A雙(2-羥基乙基)醚(TBBPA-DHEE)是TBBPA典型的衍生物之一, 其通過(guò)增強(qiáng)內(nèi)源抗氧化酶活性, 誘導(dǎo)Ca2+信號(hào)通路相關(guān)mRNA表達(dá)[65], 其神經(jīng)行為毒性主要表現(xiàn)為顯著降低斑馬魚(yú)胚胎自主運(yùn)動(dòng)次數(shù), 減少黑暗條件下幼魚(yú)(120hpf)游泳距離及累計(jì)持續(xù)游動(dòng)時(shí)間[65]。

雙酚A及其衍生物: 雙酚A(BPA) 具有內(nèi)分泌干擾效應(yīng), 可干擾甲狀腺激素、雌激素和雄激素受體等, 影響?hù)~(yú)類(lèi)的神經(jīng)發(fā)育, 特別是早期神經(jīng)發(fā)育及相關(guān)功能[66, 67], 對(duì)胚胎/幼魚(yú)產(chǎn)生明顯神經(jīng)行為毒性, 如游泳運(yùn)動(dòng)距離、時(shí)間和速度的顯著下降[66—68]。在低濃度BPA(1—30 μg/L)暴露下, 斑馬魚(yú)幼魚(yú)神經(jīng)行為毒性效應(yīng)表現(xiàn)為游動(dòng)速率變化[67], 如幼魚(yú)(2—120hpf)游泳速率顯著下降, 連續(xù)光照下BPA(3 μg/L)減小幼魚(yú)運(yùn)動(dòng)速率; 而在光暗交替刺激下,BPA處理組幼魚(yú)的游泳速率變化并不一致, 其中在光照期BPA(3、10和 30 μg/L)暴露幼魚(yú)游動(dòng)速率下降, 而在黑暗環(huán)境下, 僅有10和30 μg/L BPA處理的幼魚(yú)游動(dòng)速率下降。在高濃度BPA暴露下, 幼魚(yú)的神經(jīng)行為毒性則表現(xiàn)出顯著的行為學(xué)變化。Wang等[68]研究BPA暴露對(duì)斑馬魚(yú)胚胎/幼魚(yú)的軸突生長(zhǎng)、肌肉組織和運(yùn)動(dòng)行為的影響, 證明高濃度 BPA(約3400 μg/L)暴露斑馬魚(yú)胚胎/幼魚(yú)表現(xiàn)出顯著的行為學(xué)變化, 如胚胎(27—29hpf)自發(fā)運(yùn)動(dòng)頻率下降、觸碰反應(yīng)降低, 幼魚(yú)(120hpf)游動(dòng)距離、時(shí)間和速度的顯著下降。潘睿等[66]研究表明, 暴露于BPA(2500 μg/L)中斑馬魚(yú)胚胎(24hpf)自主運(yùn)動(dòng)和心率(48hpf)降低, 幼魚(yú)(144hpf)運(yùn)動(dòng)距離和游泳速度減小; 在強(qiáng)光刺激下, BPA(250和 2500 μg/L)減少幼魚(yú)運(yùn)動(dòng)距離。而夏涼等[69]在BPA污染對(duì)斑馬魚(yú)胚胎形態(tài)、行為和基因表達(dá)的生態(tài)毒理效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn),即便在最高濃度500 μg/LBPA暴露條件下, 也沒(méi)有觀察到BPA對(duì)胚胎/幼魚(yú)(96hpf)產(chǎn)生神經(jīng)行為毒性。

有機(jī)氯類(lèi)污染物有機(jī)氯類(lèi)污染物對(duì)魚(yú)類(lèi)具有潛在神經(jīng)行為毒性, 誘發(fā)神經(jīng)功能性疾病, 導(dǎo)致游泳行為改變。趙晨曦等[70]研究三氯卡班(Triclocarban, TCC)環(huán)境暴露對(duì)斑馬魚(yú)神經(jīng)行為的影響,結(jié)果表明, TCC暴露造成胚胎和幼魚(yú)自主運(yùn)動(dòng)活力減少, 對(duì)聲、光外界刺激的敏感度降低; 長(zhǎng)期暴露在TCC環(huán)境中成魚(yú)出現(xiàn)過(guò)度焦慮及恐慌, 其避險(xiǎn)和警惕能力下降, 并表現(xiàn)出自閉, 不愿社交, 影響斑馬魚(yú)的記憶力、學(xué)習(xí)能力和辨別認(rèn)知功能, 這可能與其側(cè)線(xiàn)神經(jīng)丘形態(tài)畸形, 發(fā)育受到抑制, 毛細(xì)胞團(tuán)數(shù)量減少且排列紊亂相關(guān)。Schultz等[38]研究三氯生(Triclosan, TCS)和TCC對(duì)胖頭鱥(Pimephales promelas)組織、生理和行為特征影響, 結(jié)果表明TCC(1.6 μg/L)或混合物(560 ng/L TCS+179 ng/L TCC和1.6 μg/L TCS+450 ng/L TCC)降低胖頭鱥攻擊性。同時(shí)檢測(cè)胖頭鱥的血漿卵黃蛋白原濃度, 證明其行為變化與血漿卵黃蛋白原濃度有關(guān)。而對(duì)于虹鱒(Oncorhynchus mykiss)仔魚(yú), TCS(71.3 mg/L)延遲仔魚(yú)初次上浮時(shí)間, 這可能與其離子吸收有關(guān)[71]。有機(jī)氯殺蟲(chóng)劑二氯二苯三氯乙烷(Dichlorodiphenyl trichloroethane, 俗稱(chēng)DDT)是廣譜有機(jī)氯類(lèi)殺蟲(chóng)劑。Hawkey等[5]研究DDT(10—30 nmol/L)暴露環(huán)境中斑馬魚(yú)長(zhǎng)期的行為和神經(jīng)化學(xué)改變, 結(jié)果表明,在DDT暴露1周后斑馬魚(yú)焦慮性潛水反應(yīng)和逃逸行為增加, 2周后對(duì)其運(yùn)動(dòng)活動(dòng)影響較小, 5周后會(huì)導(dǎo)致其活動(dòng)性下降, 14月后斑馬魚(yú)表現(xiàn)出活動(dòng)性降低和驚嚇?lè)磻?yīng)增加, 表明DDT對(duì)魚(yú)類(lèi)具有長(zhǎng)期潛在的神經(jīng)行為毒性。

有機(jī)磷類(lèi)污染物有機(jī)磷類(lèi)污染物(OPs)通過(guò)干擾中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)AchE對(duì)非靶標(biāo)水生動(dòng)物機(jī)體產(chǎn)生神經(jīng)毒性并導(dǎo)致其行為異常外[72], 還可作為內(nèi)分泌干擾物 (EEDs) 對(duì)動(dòng)物的生殖、發(fā)育和內(nèi)分泌產(chǎn)生干擾作用, 誘發(fā)機(jī)體的氧化應(yīng)激過(guò)程、造成 DNA 損傷、導(dǎo)致神經(jīng)行為毒性等多種毒性效應(yīng)[73]。毒死蜱(CPF)是最普遍的有機(jī)磷農(nóng)藥之一,能顯著影響幼魚(yú)游泳和光-暗刺激反應(yīng)行為, 如CPF暴露降低幼魚(yú)運(yùn)動(dòng)行為(游泳距離和速度)和光周期刺激幼魚(yú)的活動(dòng)(游泳距離)。Glazer等[4]研究表明, 0.3 μmol/L CPF暴露斑馬魚(yú)幼魚(yú)(144hpf)的游動(dòng)能力降低, 而成魚(yú)(180dpf)則表現(xiàn)出焦慮相關(guān)行為減少。Yen等[74]研究3種不同OPs[CPF、二嗪農(nóng)(DZN)和對(duì)硫磷(PA)]對(duì)斑馬魚(yú)幼體神經(jīng)毒性作用,證明在非致死濃度下, CPF、DZN和PA有效地抑制AchE活性, CPF (300 nmol/L)和DZN (10 μmol/L)暴露降低幼魚(yú)游動(dòng)(35%—50%), 而PA (10 μmol/L)暴露導(dǎo)致幼魚(yú)無(wú)法游動(dòng), 畸形發(fā)育; 在斑馬魚(yú)早期發(fā)育過(guò)程中, 幼魚(yú)對(duì)CPF暴露敏感, 干擾幼魚(yú)游泳行為。長(zhǎng)期毒性試驗(yàn)證明, OPs存在長(zhǎng)期潛在神經(jīng)行為毒性。Hawkey等[5]證明CPF (0.3—3 μmol/L)暴露1周后斑馬魚(yú)集群效應(yīng)增加, 2周后焦慮性集群效應(yīng)減小, 14月后斑馬魚(yú)表現(xiàn)出游動(dòng)過(guò)度活躍和捕食者逃逸障礙。此外, 研究中還發(fā)現(xiàn)CPF暴露幼魚(yú)出現(xiàn)選擇性缺陷, 在成體期出現(xiàn)空間辨別力減少和響應(yīng)延遲, 成魚(yú)可能出現(xiàn)持續(xù)性多動(dòng)癥和認(rèn)知障礙[75]。

有機(jī)磷殺蟲(chóng)劑的暴露時(shí)間、濃度和類(lèi)型對(duì)魚(yú)類(lèi)產(chǎn)生的神經(jīng)毒性并不同, 其行為表現(xiàn)也不完全相同。CPF暴露(1—5dpf)斑馬魚(yú)幼魚(yú)游泳速度降低,靜息時(shí)間增加, 在水體邊緣和側(cè)面游動(dòng)偏好降低,其AchE水平顯著降低; 而有機(jī)磷類(lèi)殺蟲(chóng)劑馬拉硫磷處理的幼魚(yú)則表現(xiàn)出完全不同行為(游泳速度增加,休息時(shí)間減少等), 其偏好性未發(fā)生改變,AchE活性無(wú)顯著變化[72]。研究者認(rèn)為, 這與馬拉硫磷影響前腦的發(fā)育有關(guān), 而有機(jī)磷殺蟲(chóng)劑(極低濃度)可在不影響AchE活性的情況下, 通過(guò)其他途徑影響斑馬魚(yú)的行為, 產(chǎn)生神經(jīng)行為毒性。

3 藥物

行為分析揭示大腦的功能變化, 不同的行為參數(shù)的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制不同。魚(yú)類(lèi)組織和器官與哺乳動(dòng)物同源[7], 藥物對(duì)魚(yú)類(lèi)和哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用機(jī)制相似[8, 9, 76], 表現(xiàn)出類(lèi)似的神經(jīng)行為特征[10]。魚(yú)類(lèi)行為研究將助于了解藥物誘導(dǎo)脊椎動(dòng)物大腦變化的機(jī)制和藥理作用, 闡明藥物作用機(jī)制[77, 78]、相互作用[40, 41]和毒副作用[40, 41], 為改善藥物質(zhì)量、提高藥物療效、防治不良反應(yīng)提供理論依據(jù)。魚(yú)類(lèi)是研究神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)制和藥物研發(fā)的重要生物模型[1, 79—82]。

酒精酒精是世界上最常被濫用的物質(zhì)之一。盡管已知酒精通過(guò)參與許多復(fù)雜的信號(hào)通路對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響, 但其確切的作用機(jī)制仍知之甚少[83, 84]。酒精對(duì)人類(lèi)和魚(yú)類(lèi)作用機(jī)制相似,表現(xiàn)出類(lèi)似的行為特征[10], 研究酒精對(duì)魚(yú)類(lèi)神經(jīng)行為毒性將有助于闡明其神經(jīng)作用機(jī)制。Tran等[77]以藥物劑量和時(shí)間依賴(lài)的斑馬魚(yú)的游泳行為效應(yīng)(平均游泳距離、離底距離和轉(zhuǎn)角速度), 建立酒精誘導(dǎo)斑馬魚(yú)行為變化的時(shí)間軌跡, 發(fā)現(xiàn)最高急毒劑量組(1.00%,V/V)斑馬魚(yú)游動(dòng)距離時(shí)間軌跡呈倒“U”形, 而這種行為在酒精長(zhǎng)期慢性暴露后明顯減弱; 在急性酒精戒斷期間, 斑馬魚(yú)游泳轉(zhuǎn)角速度增加。酒精誘導(dǎo)斑馬魚(yú)行為變化的時(shí)間軌跡證明, 斑馬魚(yú)行為時(shí)間分析可用于研究酒精誘導(dǎo)的脊椎動(dòng)物大腦功能變化, 為闡明酒精作用于人類(lèi)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的機(jī)制提供重要方法。

咖啡因咖啡因(3,7-trimethylpurine-2,6-dione)作為腺苷受體阻滯劑和輕度中樞神經(jīng)系統(tǒng)興奮劑, 是世界上消費(fèi)最廣泛的精神活性藥物?？Х纫虮┞队绊?hù)~(yú)類(lèi)探索行為和避光行為等活動(dòng), 導(dǎo)致其產(chǎn)生焦慮效應(yīng)[40, 41, 85]?？Х纫?、牛磺酸暴露斑馬魚(yú)焦慮樣行為及皮質(zhì)醇水平研究表明, 咖啡因(100 mg/L)減少斑馬魚(yú)在新環(huán)境探索活動(dòng)量, 增加其避光行為, 產(chǎn)生焦慮樣效應(yīng); 當(dāng)斑馬魚(yú)暴露于咖啡因+?；撬?100 mg/L+ 400 mg/L)中, 牛磺酸不會(huì)改變焦慮樣行為反應(yīng)的基本水平, 也不會(huì)改善咖啡因產(chǎn)生的焦慮行為效應(yīng)[40]。給藥途徑不同, 藥物對(duì)斑馬魚(yú)的神經(jīng)行為毒性不同, 如經(jīng)腹腔注射的咖啡因可增加斑馬魚(yú)的運(yùn)動(dòng)活性[85], 而采用藥浴方式,其對(duì)斑馬魚(yú)運(yùn)動(dòng)活性表現(xiàn)出抑制作用[41]。

抗焦慮藥物苯二氮卓類(lèi)藥物(Benzodiazepines, BZDs)和選擇性血清素再吸收抑制劑(Selective serotonin reuptake inhibitors, SSRIs)等抗焦慮藥物能改變魚(yú)類(lèi)游泳行為和社會(huì)活動(dòng), 對(duì)魚(yú)類(lèi)具有鎮(zhèn)靜、緩解焦慮樣反應(yīng)作用[6, 41, 42, 86—88]。

苯二氮卓類(lèi)藥物: 在魚(yú)類(lèi)神經(jīng)行為毒性研究中, BZDs暴露抑制魚(yú)類(lèi)游泳行為, 改變其焦慮樣行為和社會(huì)行為[41, 86]。Tran等[41]研究表明, 地西泮(Diazepam)對(duì)斑馬魚(yú)游泳行為具有抑制作用, 呈時(shí)間依賴(lài)性效應(yīng); 酒精可以增強(qiáng)地西泮對(duì)斑馬魚(yú)的鎮(zhèn)靜作用, 存在時(shí)間依賴(lài)性相互作用, 斑馬魚(yú)的特定行為參數(shù)顯示了藥物相互作用的主要影響。在評(píng)價(jià)土霉素(Oxytetracycline , OTC)誘導(dǎo)的焦慮樣反應(yīng)機(jī)制中, 研究者測(cè)試氯硝西泮(Clonazepam, CZP,0.006 mg/L)對(duì)斑馬魚(yú)行為影響, 結(jié)果表明, OTC聯(lián)合CZP組斑馬魚(yú)在水體上層停留時(shí)間增加, 表明CZP逆轉(zhuǎn)了OTC誘導(dǎo)的焦慮樣行為。在社交行為研究中發(fā)現(xiàn), CZP減少OTC(10 mg/L)組斑馬魚(yú)在刺激區(qū)停留的時(shí)間, 降低進(jìn)入刺激區(qū)頻率。由此證明,OTC誘導(dǎo)斑馬魚(yú)的焦慮樣行為和社會(huì)交往的變化,CZP可恢復(fù)由OTC誘導(dǎo)斑馬魚(yú)的行為變化[86]。

選擇性血清素再吸收抑制劑: SSRIs通過(guò)調(diào)節(jié)魚(yú)類(lèi)血清素(Serotonin, 5-HT), 改變其游泳時(shí)間和距離等游泳行為, 干擾游泳能力, 影響焦慮性等社會(huì)活動(dòng), 產(chǎn)生神經(jīng)行為毒性[6, 42, 87, 88]。De Farias等[42]證明氟西汀(Fluoxetine , FLX)暴露(≥15.8 μg/L)120—168h減小斑馬幼魚(yú)的游泳距離; 低濃度FLX(8.8—15.8 μg/L, 120h)減少幼魚(yú)游泳時(shí)間, 高濃度FLX (500 μg/L, 120—168h)暴露幼魚(yú)的游泳時(shí)間呈現(xiàn)先增加而隨后減少的變化。Atzei等[6]研究卡馬西平(Carbamazepine)、FLX、文拉法辛(Venlafaxine)及其代謝物10,11-環(huán)氧化卡馬西平(Carbamazepine 10,11-epoxide, CBZ 10,11E)、去甲氟西汀(Norfluoxetine)、去甲文拉法辛(Desvenlafaxine)暴露(受精后2.5h—5d)對(duì)斑馬魚(yú)的神經(jīng)行為毒性, 結(jié)果表明除CBZ 10,11E外, 其余化合物均能抑制斑馬魚(yú)的游動(dòng)能力, 呈劑量依賴(lài)性效應(yīng)。FLX暴露不僅干擾魚(yú)類(lèi)游動(dòng)能力, 還影響其社交行為。如FLX降低青鳉(100 μg/L, 10d)社交焦慮性行為, 減少社交互動(dòng)[87]。對(duì)于不同性別, 其濃度不同, 魚(yú)類(lèi)所表現(xiàn)出的行為也不同。如61 ng/L FLX降低雌性食蚊魚(yú)(Gambusia holbrooki)的焦慮性, 而對(duì)于雄性食蚊魚(yú), 352 ng/L FLX增加其焦慮性[88]。

4 展望

魚(yú)類(lèi)是神經(jīng)行為毒性研究的重要物種, 魚(yú)類(lèi)神經(jīng)行為毒性研究為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)、漁業(yè)生產(chǎn)、神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)制探究及藥物開(kāi)發(fā)提供理論參考。目前魚(yú)類(lèi)神經(jīng)行為毒性研究處于魚(yú)類(lèi)游泳行為和社會(huì)行為探索階段, 對(duì)于魚(yú)類(lèi)神經(jīng)行為毒性研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下方面:

(1)結(jié)合計(jì)算行為學(xué), 開(kāi)展魚(yú)類(lèi)神經(jīng)行為毒性研究。隨計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展, 行為學(xué)研究已從自然狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)范式中的行為觀察發(fā)展到計(jì)算行為學(xué)。基于動(dòng)物行為學(xué)研究基礎(chǔ), 魚(yú)類(lèi)神經(jīng)行為毒性研究應(yīng)結(jié)合計(jì)算行為學(xué), 監(jiān)測(cè)和計(jì)算魚(yú)類(lèi)游動(dòng)軌跡, 定量測(cè)量、系統(tǒng)描述和科學(xué)分析有害因素對(duì)魚(yú)類(lèi)產(chǎn)生的神經(jīng)行為效應(yīng)。

(2)運(yùn)用現(xiàn)代組學(xué)技術(shù), 解析魚(yú)類(lèi)神經(jīng)行為毒性分子機(jī)制。目前已有近百種魚(yú)類(lèi)完成了全基因組測(cè)序工作, 在不久的將來(lái), 會(huì)有近萬(wàn)種的魚(yú)類(lèi)完成全基因組測(cè)序和精細(xì)圖譜繪制, 高質(zhì)量的魚(yú)類(lèi)基因組數(shù)據(jù)庫(kù)建立、基因組資源發(fā)掘和開(kāi)發(fā)無(wú)疑為實(shí)現(xiàn)從基因水平解讀魚(yú)類(lèi)的神經(jīng)行為提供分子基礎(chǔ)。魚(yú)類(lèi)神經(jīng)行為毒性研究要在目前研究基礎(chǔ)上,結(jié)合魚(yú)類(lèi)基因組學(xué)數(shù)據(jù), 運(yùn)用現(xiàn)代組學(xué)技術(shù), 揭示魚(yú)類(lèi)神經(jīng)行為毒性的致毒機(jī)制。

(3)結(jié)合環(huán)境因子, 開(kāi)展有害因素對(duì)魚(yú)類(lèi)神經(jīng)行為的復(fù)合、長(zhǎng)期毒理研究。生態(tài)系統(tǒng)各單元之間存在大量非線(xiàn)性聯(lián)系, 是極其復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。未來(lái), 基于神經(jīng)行為毒性研究成果, 應(yīng)結(jié)合有害因素分布區(qū)域的環(huán)境因子, 進(jìn)一步探明其對(duì)魚(yú)類(lèi)神經(jīng)行為的復(fù)合、長(zhǎng)期生態(tài)毒理效應(yīng)。