陳世懌,夏柱南,柳 鑫,2,楊 慶,*
(1.武漢輕工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢 430023;2.湖北省疾病預(yù)防控制中心應(yīng)用毒理湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430079)
離子液體(ionic liquids,ILs)是一類由有機(jī)或無(wú)機(jī)陽(yáng)離子(如咪唑或吡啶)和陰離子(如硝酸鹽、醋酸鹽和乳酸鹽)組成的在低溫條件下呈液態(tài)的有機(jī)鹽,通常稱為“室溫離子液體”[1]。ILs 具有可燃性低,蒸氣壓低、熱/化學(xué)穩(wěn)定性好、液體溫度范圍廣以及溶劑化能力高等性能特點(diǎn)[2]。ILs 作為傳統(tǒng)有機(jī)溶劑的“綠色”替代,可以避免傳統(tǒng)有機(jī)溶劑揮發(fā)帶來(lái)的環(huán)境污染以及健康危害等問(wèn)題,在化工、制藥以及食品工業(yè)領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[1-4]。
隨著ILs 在化工、食品以及醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域的規(guī)?;瘧?yīng)用,ILs 的安全性也逐漸引起廣泛關(guān)注。對(duì)ILs的深入研究發(fā)現(xiàn)ILs 并非完全“綠色安全”,一些ILs甚至對(duì)各種環(huán)境生物產(chǎn)生毒性[5-7]。因此,對(duì)ILs 的毒性評(píng)價(jià)在評(píng)估其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響與應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)方面起著及其重要的作用。目前,對(duì)ILs 毒性方面的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于其性質(zhì)及應(yīng)用研究。咪唑型ILs 是近年來(lái)應(yīng)用和研究最為廣泛的一類ILs,其毒性也逐漸引起研究者的廣泛關(guān)注?,F(xiàn)有報(bào)道表明,咪唑型ILs 對(duì)生態(tài)環(huán)境、細(xì)胞、哺乳動(dòng)物等均具有一定的毒性作用[8-11]。如咪唑硝酸鹽ILs 對(duì)擬南芥幼苗和小麥的生長(zhǎng)有抑制作用,且隨碳鏈長(zhǎng)度增加毒性增強(qiáng)[12]。1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽([Bmim]Cl) 可擾亂HepG2 糖原合酶2(glycogen synthase 2,GYS2)和糖原磷酸化酶(glycogen phosphorylase,PYGL)的表達(dá),引起細(xì)胞糖代謝的紊亂[13]。四氟硼酸化-1-十四烷基-3-甲基咪唑鹽([C14mim]BF4)急性和慢性暴露,均導(dǎo)致大鼠肝臟損傷[14-15]。
咪唑型ILs 是近年來(lái)應(yīng)用和研究最為廣泛的一類ILs,其毒性也逐漸引起研究者的廣泛關(guān)注,但多為研究急性染毒對(duì)生物體的影響。而咪唑型ILs 亞急性染毒對(duì)生物體,尤其是哺乳動(dòng)物的毒性研究仍較為缺乏。因此,本研究通過(guò)對(duì)小鼠體質(zhì)量變化、臟器系數(shù)、血清生化指標(biāo)以及組織病理學(xué)改變等的分析,探討1-庚基-3-甲基咪唑氯鹽(1-heptyl-3-methylimidazolium chloride,C7[MIM]Cl)亞急性染毒對(duì)小鼠的毒性作用,以期為評(píng)價(jià)咪唑型ILs的毒性作用提供數(shù)據(jù)參考。
AL204 電子天平(精度0.000 1 g,梅特勒-托利多儀器/上海有限公司);電子秤(精度0.01 g,上海力衡公司);Advia 2120i 型全自動(dòng)生化分析儀(西門(mén)子診斷公司,美國(guó));Centrifuge 5420型冷凍離心機(jī)(Eppendorf股份公司,德國(guó));IX53 型顯微鏡(奧林巴斯科學(xué)事業(yè)公司,日本);HistoCore BIOCUTR型切片機(jī)和ASP300S型脫水機(jī)均購(gòu)于德國(guó)徠卡微系統(tǒng)有限公司。
1-庚基-3-甲基咪唑氯鹽(C7[MIM]Cl,純度>98.0%,中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所);血常規(guī)試劑(拜耳,德國(guó));無(wú)水乙醇(分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。
SPF 級(jí)昆明小鼠(雌性,6~8 周,25~27 g) 24 只,購(gòu)自湖北省疾病預(yù)防控制中心,生產(chǎn)許可證號(hào)SCXK(鄂)2020-0018。小鼠飼養(yǎng)于標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)物房?jī)?nèi),動(dòng)物房溫度(20±3)℃,相對(duì)濕度55%,自然光照,飲食和進(jìn)水自由。所有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展均獲得武漢輕工大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理審查委員會(huì)批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號(hào)202211001)。
依據(jù)本課題組前期研究,C7[MIM]Cl經(jīng)口暴露對(duì)昆明小鼠的半致死劑量(median lethal dose,LD50)為119 mg/kg[16]。本研究中,小鼠C7[MIM]Cl 亞急性暴露設(shè)置為低(1/50 LD50,2.38 mg/kg)、中(1/20 LD50,5.95 mg/kg)和高(1/10 LD50,11.9 mg/kg)共3個(gè)劑量組。小鼠適應(yīng)性喂養(yǎng)7 d 后隨機(jī)分為對(duì)照組,C7[MIM]Cl 低、中、高劑量組,每組6 只,每天灌胃1 次,連續(xù)28 d,對(duì)照組灌胃給予等體積的生理鹽水。進(jìn)行為期28 d的小鼠亞急性C7[MIM]Cl暴露實(shí)驗(yàn)。
記錄小鼠的初始體質(zhì)量,每4 d 稱量小鼠體質(zhì)量,至第28天。
第28 天采集小鼠眼眶血樣0.2 mL,在4 ℃以4 000 r/min離心10 min,取血清,全自動(dòng)生化分析儀測(cè)定小鼠血清10 個(gè)指標(biāo),分別為丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(alanine aminotransferase,ALT)、天冬氨酸轉(zhuǎn)移酶(aspartate aminotransferase, AST)、 堿 性 磷 酸 酶(alkaline phosphatase,ALP)、總膽紅素(total bilirubin,TBIL)、血 尿 素(blood urea,BUN)、肌 酐(creatinine,CREA)、尿酸(uric acid,UA)、甘油三酯(triglyceride,TG)、總膽固醇(total cholesterol,TC)和血糖(glucose,GLU),這些指標(biāo)與小鼠肝臟、腎臟和心血管功能及小鼠的營(yíng)養(yǎng)狀況密切相關(guān)。
實(shí)驗(yàn)期末將小鼠頸椎脫臼處死,取心、肝、脾、肺、腎和卵巢,稱取臟器質(zhì)量,計(jì)算臟器系數(shù)。小鼠臟器系數(shù)是臟器的質(zhì)量與體質(zhì)量的比值,能夠初步反映小鼠整體的健康狀態(tài)。隨后,臟器組織用4%的多聚甲醛固定,乙醇脫水后進(jìn)行石蠟包埋,切片。HE染色后,光學(xué)顯微鏡下觀察并記錄。
應(yīng)用SPSS 22.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)均采用±s表示,組間比較采用單因素方差分析,P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
經(jīng)C7[MIM]Cl 亞急性暴露28 d 后,對(duì)照組小鼠狀態(tài)無(wú)異常,不同劑量C7[MIM]Cl 暴露組灌胃當(dāng)日部分小鼠活動(dòng)減少。在持續(xù)灌胃28 d 過(guò)程中,高劑量組(11.9 mg/kg)有2 只小鼠在第8 天給藥后出現(xiàn)呼吸急促,持續(xù)2 h 后死亡。剩余小鼠直至觀察期結(jié)束,均存活。小鼠初始體質(zhì)量為25~27 g,記錄小鼠4、8、12、16、20、24 和26 d 的飼料平均消耗量(因?qū)嶒?yàn)結(jié)束前12 h 對(duì)小鼠禁食,故飼料消耗量?jī)H統(tǒng)計(jì)到第26天)和體質(zhì)量。與對(duì)照組相比,2.38 mg/kg組1~26 d飼料的平均消耗量顯著高于對(duì)照組(P<0.05),5.95 mg/kg組飼料的平均消耗低于對(duì)照組,差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見(jiàn)表1,各組小鼠體質(zhì)量在0~28 d 增加,C7[MIM]Cl 處理的3 個(gè)劑量組體質(zhì)量增量均低于對(duì)照組,但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),見(jiàn)表2。
表1 小鼠C7[MIM]Cl亞急性暴露28 d的飼料消耗量 g,n=6
表2 小鼠C7[MIM]Cl亞急性暴露28 d不同時(shí)間點(diǎn)體質(zhì)量的變化g,±s,n=6
表2 小鼠C7[MIM]Cl亞急性暴露28 d不同時(shí)間點(diǎn)體質(zhì)量的變化g,±s,n=6
時(shí)間/d 0 4 8 12 16 20 24 28體質(zhì)量增量對(duì)照組25.00±1.27 27.14±0.97 27.15±1.05 27.7±1.53 28.29±1.87 28.50±1.90 28.53±2.04 29.12±2.01 4.12±0.98 2.38 mg/kg組26.07±0.59 26.77±0.47 27.03±0.41 27.86±0.78 28.83±0.84 29.22±0.77 30.08±1.24 29.74±0.92 3.04±0.65 5.95 mg/kg組25.03±0.99 25.60±0.47 26.26±0.75 26.63±0.85 27.14±0.85 28.12±0.89 28.06±0.62 28.69±0.64 3.65 ±0.51 11.9 mg/kg組25.02±0.96 26.40±1.01 26.95±0.9 26.52±1.21 27.23±0.82 28.05±1.46 28.47±1.28 28.67±1.46 3.22 ±0.66
小鼠血清生化指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。與對(duì)照組相比,C7[MIM]Cl 2.38 mg/kg 組小鼠ALT 水平顯著升高,而B(niǎo)UN、TBIL 和UA 水平顯著降低,差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均為P<0.05);5.95 mg/kg 組小鼠血清TBIL、UA、TG和TC水平顯著降低,差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均為P<0.05);11.9 mg/kg 組TG、TC 和Glu 水平均顯著降低,差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均為P<0.05)。這些結(jié)果表明,C7[MIM]Cl的亞急性暴露對(duì)小鼠的肝臟和腎臟功能產(chǎn)生了顯著影響,且不同暴露劑量對(duì)小鼠血清生化指標(biāo)的影響具有明顯的差異。
表3 C7[MIM]Cl亞急性暴露28 d后對(duì)小鼠血清生化指標(biāo)的影響 ±s,n=6
表3 C7[MIM]Cl亞急性暴露28 d后對(duì)小鼠血清生化指標(biāo)的影響 ±s,n=6
ALT:丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(alanine aminotransferase);AST:天冬氨酸轉(zhuǎn)移酶(aspartate aminotransferase);ALP:堿性磷酸酶(alkaline phosphatase);TBIL:總膽紅素(total bilirubin);BUN:血尿素(blood urea);CREA:肌酐(creatinine);UA:尿酸(uric acid);TG:甘油三酯(triglyceride);TC:總膽固醇(total cholesterol)和GLU血糖(glucose).與對(duì)照組比較,*P<0.05; **P<0.01.
指標(biāo)ALT/(U/L)AST/(U/L)ALP/(U/L)TBIL/(mmol/L)BUN/(mmol/L)CREA/(mmol/L)UA/(mmol/L)TG/(mmol/L)TC/(mmol/L)GLU/(mmol/L)對(duì)照組42.51±6.57 157.05±34.78 116.33±37.21 12.96±3.53 6.06±0.78 23.67±4.93 158.71±38.01 1.21±0.25 3.39±0.50 7.19±0.36 2.38 mg/kg組61.23±19.64*170.16±52.35 106.39±13.75 7.99±1.68*5.06±1.00*23.18±4.56 115.75±26.43*1.01±0.12 3.21±0.28 7.30±1.07 5.95 mg/kg組40.39±7.62 155.23±43.07 141.44±45.67 8.23±1.24*4.98±0.72 20.98±2.99 96.69±33.18*0.93±0.12*2.82±0.32*7.41±0.96 11.9 mg/kg組42.63±3.92 202.01±95.07 113.21±21.59 10.84±2.85 5.15±0.58 20.26±7.93 100.69±62.56 0.91±0.03*2.46±0.47*6.17±0.57**
C7[MIM]Cl經(jīng)灌胃暴露28 d,各劑量組小鼠的臟器系數(shù)如圖1所示。與對(duì)照組相比,各劑量暴露組小鼠的心臟、肝、脾和肺的臟器系數(shù)差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05);而2.38 mg/kg C7[MIM]Cl暴露組小鼠的腎臟系數(shù)顯著升高,卵巢系數(shù)顯著降低(P<0.05)。該結(jié)果表明,C7[MIM]Cl亞急性暴露對(duì)小鼠腎臟和卵巢有較大影響。
圖1 C7[MIM]Cl亞急性暴露小鼠的臟器系數(shù)
取各組小鼠的肝、脾、肺、腎及卵巢進(jìn)行組織切片染色,觀察C7[MIM]Cl 亞急性暴露對(duì)小鼠組織形態(tài)的影響。結(jié)果如圖2 所示,對(duì)照組小鼠肝臟組織結(jié)構(gòu)正常,肝小葉結(jié)構(gòu)清晰、完整,肝細(xì)胞排列整齊,未見(jiàn)細(xì)胞腫脹、炎性細(xì)胞浸潤(rùn),組織充血以及組織壞死等病理現(xiàn)象。C7[MIM]Cl暴露組小鼠的肝組織出現(xiàn)了不同程度的炎性細(xì)胞浸潤(rùn),充血的病理現(xiàn)象。其中,2.38 mg/kg 組有少量炎性細(xì)胞浸潤(rùn),5.95 mg/kg 組出現(xiàn)少量充血,而11.9 mg/kg 組出現(xiàn)嚴(yán)重的充血。脾臟組織切片結(jié)果顯示,對(duì)照組小鼠脾臟白髓形狀規(guī)則,細(xì)胞排列規(guī)則。C7[MIM]Cl暴露后,脾臟結(jié)構(gòu)模糊,細(xì)胞排列松散,且隨著劑量的升高,病理現(xiàn)象更為明顯。肺組織切片結(jié)果表明對(duì)照組小鼠肺組織的肺泡結(jié)構(gòu)清晰、完整,肺泡隔和肺支氣管結(jié)構(gòu)正常。C7[MIM]Cl暴露小鼠肺組織出現(xiàn)充血,部分肺泡融合以及炎性細(xì)胞浸潤(rùn)等病理現(xiàn)象。并且隨著暴露劑量的增加,肺組織病理性損傷更加嚴(yán)重。腎臟HE 染色結(jié)果表明對(duì)照組小鼠腎臟結(jié)構(gòu)完整,腎小球形態(tài)結(jié)構(gòu)正常,腎小管細(xì)胞排列整齊,形態(tài)結(jié)構(gòu)正常。C7[MIM]Cl暴露組小鼠腎臟組織間出現(xiàn)明顯淤血性腫脹,炎性細(xì)胞浸潤(rùn),腎小囊間隙狹窄等病理?yè)p傷,隨著暴露劑量的增加,腎臟病理特征愈發(fā)嚴(yán)重。對(duì)照組小鼠卵巢組織中卵泡及卵泡內(nèi)卵母細(xì)胞清晰可見(jiàn),顆粒細(xì)胞排列規(guī)律。C7[MIM]Cl暴露后,小鼠卵巢組織腫脹,卵泡呈囊性擴(kuò)張,卵泡內(nèi)卵母細(xì)胞形態(tài)模糊或消失。
圖2 C7[MIM]Cl亞急性經(jīng)口暴露對(duì)小鼠臟器組織的影響
越來(lái)越多研究報(bào)道表明ILs 對(duì)生態(tài)環(huán)境、細(xì)胞和哺乳動(dòng)物均存在一定的毒性,且隨著側(cè)鏈長(zhǎng)度和濃度的增加,毒性增大[17-18]。ILs具有較好的抗菌活性,通過(guò)抑制細(xì)菌的增殖破壞生態(tài)環(huán)境中微生物系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的維持。并且,生態(tài)環(huán)境中ILs 的暴露,對(duì)藻類、高等植物、無(wú)脊椎和水生脊椎動(dòng)物的生長(zhǎng)也有顯著影響。如離子液體可破壞藻細(xì)胞結(jié)構(gòu),影響細(xì)胞各種功能,從而抑制斜生柵藻、小球藻和羊角月牙藻等藻類的繁殖[5];水稻和小麥在種植過(guò)程中,遭受離子液體污染后,其幼苗的生長(zhǎng)也會(huì)被抑制,并且遭受氧化應(yīng)激損傷[19];在哺乳動(dòng)物中也發(fā)現(xiàn)離子液體暴露可能對(duì)小鼠具有腎、肝以及生殖毒性。此外,ILs的大量使用帶來(lái)的環(huán)境污染,增加了ILs 通過(guò)飲用水或食物鏈暴露于人群的風(fēng)險(xiǎn),給人類健康帶來(lái)威脅[6]。因此,ILs毒性的研究可為其科學(xué)管理及更好地應(yīng)用提供重要的毒理學(xué)數(shù)據(jù)參考與理論支持。本研究發(fā)現(xiàn),不同劑量的C7[MIM]Cl 亞急性經(jīng)口暴露28 d 后可引起小鼠的肝、脾、肺、腎和卵巢一定程度的損傷,且不同暴露劑量的毒性表現(xiàn)有所不同。其中血清生化指標(biāo)和組織病理切片染色結(jié)果表明C7[MIM]Cl 的亞急性暴露對(duì)小鼠肝功能和腎功能的影響更為顯著。
肝臟是機(jī)體的主要解毒器官,可將親脂性有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)化為水溶性代謝產(chǎn)物,隨尿液從體內(nèi)排出,從而有效避免有毒物質(zhì)的體內(nèi)蓄積對(duì)機(jī)體產(chǎn)生損害[20-21]。正常生理?xiàng)l件下,動(dòng)物血清的轉(zhuǎn)氨酶、ALP、TG 和TC在一定的范圍內(nèi),這些指標(biāo)的異常波動(dòng)與肝臟的代謝、功能及機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)密切相關(guān)[20,22]。血清中轉(zhuǎn)氨酶活性升高,表明肝細(xì)胞損傷,轉(zhuǎn)氨酶從肝組織釋放到血液[23]。ILs 慢性和急性暴露,均被報(bào)道能引起肝、腎等臟器的損傷,導(dǎo)致血清中氨基轉(zhuǎn)移酶、ALP以及TBIL 等生化指標(biāo)的上升[14,24-25]。本實(shí)驗(yàn)中,2.38 mg/kg C7[MIM]Cl 暴露28 d 后,小鼠血清ALT 水平顯著高于對(duì)照組;5.95 mg/kg 組血清ALT、AST 水平無(wú)顯著變化;11.9 mg/kg 組AST 水平上升,但由于組內(nèi)差異較大,所以與對(duì)照組相比,差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。組織病理結(jié)果顯示C7[MIM]Cl 暴露的小鼠肝組織出現(xiàn)了不同程度充血性腫脹、組織細(xì)胞壞死和炎癥性病變等,且暴露劑量越大,損傷程度越明顯。后續(xù)試驗(yàn)中,需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)暴露濃度,以探明C7[MIM]Cl 亞急性暴露引起肝臟損傷的劑量-毒性規(guī)律。此外,TG,TC 和TBIL 作為肝臟脂質(zhì)代謝的重要指標(biāo),其升高與心血管疾病、甲狀腺功能低下以及糖尿病等密切相關(guān)[26];其降低則與營(yíng)養(yǎng)不良、甲狀腺功能亢進(jìn)和腫瘤等的發(fā)生與發(fā)展密切相關(guān)[27]。本實(shí)驗(yàn)中,5.95 mg/kg和11.9 mg/kg C7[MIM]Cl染毒組小鼠血清的TG、TC和TBIL 水平均顯著低于對(duì)照組。11.9 mg/kg 染毒組小鼠的GLU水平也顯著低于對(duì)照組。而在飼料消耗上,染毒組小鼠平均消耗量低于對(duì)照組。這些結(jié)果揭示C7[MIM]Cl亞急性暴露可通過(guò)抑制小鼠的進(jìn)食,影響小鼠的食物攝入,進(jìn)而影響小鼠的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。
腎臟是毒性物質(zhì)代謝和排泄的重要器官,極易受到毒性物質(zhì)的攻擊,因此成為毒性物質(zhì)毒理學(xué)評(píng)價(jià)中備受關(guān)注的器官[28-29]。BUN、CREA 和UA 的水平與腎臟功能密切相關(guān),這些指標(biāo)的升高與腎臟損傷性病變密相關(guān)[30]。本實(shí)驗(yàn)中,表征腎臟功能的血清生化指標(biāo)結(jié)果顯示,C7[MIM]Cl 亞急性暴露導(dǎo)致小鼠UA 和BUN水平低于對(duì)照組。該結(jié)果表明腎臟是C7[MIM]Cl 亞急性暴露重要的靶器官。
隨著離子液體的廣泛使用,不可避免地造成了其環(huán)境排放和在食物鏈及食品中的遷移,因此離子液體安全性成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。而烷基咪唑型ILs亞急性染毒對(duì)生物體,尤其是哺乳動(dòng)物的毒性研究仍較為缺乏。本研究通過(guò)C7[MIM]Cl 灌胃染毒昆明小鼠28 d,觀察到各劑量組小鼠肝、脾、肺、腎、卵巢均出現(xiàn)一定程度的損傷,其中肝臟和腎臟的損傷最為明顯。血清生化指標(biāo)以及病理觀察僅表明C7[MIM]Cl 具有亞急性毒性,但其劑量-毒性規(guī)律以及毒性機(jī)制尚不明確。因此,在后續(xù)研究中,需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步解析C7[MIM]Cl 的毒性量效關(guān)系,并結(jié)合分子實(shí)驗(yàn)闡明毒性機(jī)制。