擬除蟲菊酯暴露對(duì)子代神經(jīng)行為發(fā)育的影響及其傳代效應(yīng)

徐立華綜述 孟秀紅,2審校

中國是世界上農(nóng)藥產(chǎn)量和消費(fèi)量最大的國家,農(nóng)藥污染嚴(yán)重。擬除蟲菊酯類農(nóng)藥是當(dāng)前使用最廣泛的殺蟲劑之一,它的廣譜性、高效性以及低毒性是其普遍應(yīng)用于公共衛(wèi)生和農(nóng)業(yè)、林業(yè)以及畜牧業(yè)的原因。中國多個(gè)省份檢出環(huán)境擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留,對(duì)土壤、大氣和水環(huán)境造成嚴(yán)重污染。擬除蟲菊酯類農(nóng)藥暴露對(duì)人體神經(jīng)行為發(fā)育具有損害作用。孕期是胎兒神經(jīng)行為發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期,孕期接觸雙酚A等環(huán)境內(nèi)分泌干擾物可以導(dǎo)致子代神經(jīng)行為發(fā)育障礙。擬除蟲菊酯類農(nóng)藥作為潛在的環(huán)境污染物和內(nèi)分泌干擾物顯然并不是那么無害[1],動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和出生隊(duì)列研究提示,孕期擬除蟲菊酯暴露對(duì)子代神經(jīng)行為發(fā)育造成嚴(yán)重影響。目前,對(duì)擬除蟲菊酯暴露的研究多集中于青春期與孕期暴露,父代暴露的影響知之甚少,更沒有聚焦于對(duì)后代的傳代效應(yīng)。因此,應(yīng)深入探討擬除蟲菊酯暴露對(duì)子代及其后代神經(jīng)行為發(fā)育的影響及其機(jī)制,關(guān)注后代神經(jīng)行為發(fā)育健康。

1 擬除蟲菊酯暴露的廣泛性

擬除蟲菊酯是一類高效、廣譜、低毒、可生物降解的合成農(nóng)藥,是使用模仿除蟲菊酯結(jié)構(gòu)的化學(xué)方法仿生合成的,會(huì)影響昆蟲神經(jīng)系統(tǒng)中的鈉離子通道,增加通道打開時(shí)間,最終刺激神經(jīng)細(xì)胞,導(dǎo)致昆蟲癱瘓乃至死亡。根據(jù)是否含有α-氰基(α-CN)將擬除蟲菊酯類農(nóng)藥分為Ⅰ型和Ⅱ型,Ⅰ型擬除蟲菊酯(如氯菊酯、聯(lián)苯菊酯等)因在光照下不穩(wěn)定,易氧化分解為無效體而只能用于衛(wèi)生殺蟲劑如蚊香、寵物噴劑等,其室內(nèi)檢測(cè)濃度遠(yuǎn)高于室外濃度;Ⅱ型擬除蟲菊酯(如氰戊菊酯、氯氰菊酯等)在光照下穩(wěn)定,可以作為一種強(qiáng)效殺蟲劑應(yīng)用于公共衛(wèi)生和農(nóng)業(yè)、林業(yè)以及畜牧業(yè)。

擬除蟲菊酯類農(nóng)藥廣泛存在于大氣、水和土壤環(huán)境中。巴西東南部城市地區(qū)大氣中檢測(cè)出擬除蟲菊酯意味著擬除蟲菊酯污染已較為普遍[2],當(dāng)?shù)乜諝鈹M除蟲菊酯濃度遠(yuǎn)高于世界其他地區(qū)報(bào)告濃度。在美國,擬除蟲菊酯類農(nóng)藥被認(rèn)為是非農(nóng)業(yè)用途農(nóng)藥,是造成地表水體中農(nóng)藥的水相和沉積物基準(zhǔn)超標(biāo)的主要因素。隨著中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展,農(nóng)藥的使用量也在逐步增加。中國多個(gè)省份溫室及露天土壤中檢測(cè)出擬除蟲菊酯農(nóng)藥殘留。一份研究擬除蟲菊酯類殺蟲劑在農(nóng)田中分布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)指出,擬除蟲菊酯類農(nóng)藥在中國東南部地區(qū)農(nóng)用地表水和土壤中廣泛存在,且污染水平相對(duì)全國其他地區(qū)較高。收集中國黃海南部和東海的海水樣本并對(duì)其進(jìn)行檢測(cè),其擬除蟲菊酯的總濃度范圍為0.72～1.82 ng/L,生物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估后顯示該濃度對(duì)甲殼類動(dòng)物構(gòu)成高風(fēng)險(xiǎn)[3]。對(duì)山東沿海4個(gè)城市的海產(chǎn)品抽樣調(diào)查[4],檢出氯氰菊酯和溴氰菊酯等擬除蟲菊酯類農(nóng)藥殘留,但其濃度暫不能對(duì)一般人群構(gòu)成健康風(fēng)險(xiǎn)。上述現(xiàn)況研究表明環(huán)境擬除蟲菊酯暴露已成為重大公共衛(wèi)生問題。

3-苯氧基苯甲酸(3-phenoxybenzoic acid,3-PBA)是擬除蟲菊酯在人體中的主要代謝產(chǎn)物,常用于評(píng)價(jià)人群擬除蟲菊酯暴露程度。西班牙加泰羅尼亞西北部的農(nóng)場(chǎng)工人因擬除蟲菊酯暴露率較高,在其尿液中檢測(cè)出高濃度的3-PBA。亞洲8個(gè)國家的尿液樣本中均檢測(cè)出3-PBA,其中中國樣本3-PBA濃度位于第三。中國山東孕婦尿液樣本中3-PBA檢出率高達(dá)90.4%[5]。西班牙的母親及其孩子的尿液中3-PBA的濃度呈正相關(guān),揭示母親體內(nèi)濃度越高,兒童體內(nèi)含量越高的事實(shí)[6]。意大利人群隊(duì)列的7歲兒童尿液中檢測(cè)出高濃度的3-PBA[7]。越來越多的研究表明,擬除蟲菊酯具有神經(jīng)毒性、生殖毒性、發(fā)育毒性和遺傳毒性,其健康危害不容忽視。

2 擬除蟲菊酯對(duì)神經(jīng)行為發(fā)育的影響

隨著對(duì)擬除蟲菊酯研究的不斷深入,擬除蟲菊酯暴露造成神經(jīng)行為發(fā)育障礙的證據(jù)越發(fā)充足。溴氰菊酯暴露可以導(dǎo)致大鼠大腦活性氧含量增加,通過誘導(dǎo)神經(jīng)遞質(zhì)的作用和病理改變,使大鼠出現(xiàn)記憶和學(xué)習(xí)行為的缺陷[8]。將成年小鼠暴露于溴氰菊酯一個(gè)月,病理檢查顯示小鼠海馬齒狀回中的神經(jīng)祖細(xì)胞和雙皮質(zhì)素表達(dá)減少,抑制海馬神經(jīng)元發(fā)生并導(dǎo)致小鼠學(xué)習(xí)和記憶缺陷[9]。成年雌性斑馬魚暴露于環(huán)境相關(guān)濃度下的氯氰菊酯21 d后,大腦中興奮性神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸的含量顯著增加,并促進(jìn)了谷氨酸能突觸之間的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)的釋放,最終導(dǎo)致社交行為過度活躍[10]。聯(lián)苯菊酯暴露的成年大鼠額葉皮質(zhì)和紋狀體中脂質(zhì)和羰基化蛋白氧化增加,谷胱甘肽水平和抗氧化酶活性降低并刺激活性氧的生成,進(jìn)而促進(jìn)焦慮樣行為的產(chǎn)生。將斑馬魚的受精卵暴露于含有氰戊菊酯的環(huán)境中,經(jīng)過一段時(shí)間的觀察與培養(yǎng),結(jié)果顯示,斑馬魚幼仔的存活率降低,畸形率和異常行為增加,出現(xiàn)了典型的帕金森樣癥狀[11]。

人群研究也表明擬除蟲菊酯對(duì)人體神經(jīng)行為造成嚴(yán)重影響。美國一項(xiàng)關(guān)注老年人環(huán)境擬除蟲菊酯暴露和認(rèn)知功能障礙關(guān)系的研究結(jié)果顯示兩者之間存在正相關(guān)。埃及青少年男性的縱向研究中評(píng)估了擬除蟲菊酯和注意力缺陷與多動(dòng)障礙(attention deficit and hyperactivity disorder,ADHD)之間的關(guān)聯(lián),結(jié)果表明兩者之間存在正相關(guān)[12]。分析南京的406例3～6歲兒童的晨尿樣本顯示擬除蟲菊酯代謝水平與是否接近農(nóng)田以及室內(nèi)蚊香的使用水平有關(guān),接觸擬除蟲菊酯殺蟲劑可能對(duì)兒童的工作記憶和語言理解產(chǎn)生重大影響。擬除蟲菊酯暴露對(duì)人體神經(jīng)行為的影響不容忽視。

3 孕期擬除蟲菊酯暴露損害子代神經(jīng)行為發(fā)育的證據(jù)

有研究[13]表明,環(huán)境污染物是全球神經(jīng)發(fā)育毒性大流行的重要因素,而孕期是發(fā)育的主要敏感窗口階段,孕期少量接觸環(huán)境污染物就有可能導(dǎo)致神經(jīng)行為發(fā)育異常。孕期小鼠氰戊菊酯暴露以性別依賴的形式延遲子代生長(zhǎng)和神經(jīng)行為發(fā)育,雄性后代焦慮樣行為增加,雌性后代的空間學(xué)習(xí)和記憶嚴(yán)重受損。氯氰菊酯孕期暴露降低了大鼠神經(jīng)干細(xì)胞的增殖、成熟以及神經(jīng)元的生成,擾亂了神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞的比例,增強(qiáng)了海馬神經(jīng)退行性改變,導(dǎo)致大鼠認(rèn)知障礙。孕鼠暴露于溴氰菊酯后,對(duì)其胎鼠大腦皮質(zhì)進(jìn)行蘇木精和伊紅染色顯示暴露于溴氰菊酯的胎鼠神經(jīng)元增殖、成熟和分化減少,說明孕期接觸擬除蟲菊酯損傷胎兒大腦皮質(zhì)。產(chǎn)前而非產(chǎn)后早期溴氰菊酯暴露會(huì)損害小鼠運(yùn)動(dòng)、學(xué)習(xí)和記憶能力,并導(dǎo)致雄性后代齒狀回中的神經(jīng)元丟失,損害雄性小鼠的神經(jīng)元發(fā)育[14]。產(chǎn)前將小鼠暴露于飲用水中可接受的每日氯菊酯攝入量,免疫組織化學(xué)分析顯示,氯菊酯暴露組海馬齒狀回雙皮質(zhì)素陽性細(xì)胞增加,影響成熟后神經(jīng)回路基礎(chǔ)的形成,導(dǎo)致小鼠對(duì)新環(huán)境的不完全適應(yīng)行為以及學(xué)習(xí)和記憶障礙[15]。但這些研究?jī)H限于討論病理和行為表型層面的結(jié)果,對(duì)于擬除蟲菊酯如何造成神經(jīng)行為發(fā)育損傷的具體機(jī)制仍處于探索階段。

越來越多的研究通過出生隊(duì)列來關(guān)注孕期環(huán)境擬除蟲菊酯暴露對(duì)子代神經(jīng)行為發(fā)育的影響。例如,南非VHEMBE隊(duì)列研究表明,孕期母親尿液擬除蟲菊酯代謝水平高低與嬰幼兒情緒發(fā)展的受損程度顯著相關(guān),并且男孩損傷更為嚴(yán)重,同一個(gè)隊(duì)列的另一項(xiàng)研究[16]顯示產(chǎn)前接觸擬除蟲菊酯殺蟲劑可能與2歲兒童報(bào)告的行為問題有關(guān)。在歐登塞兒童隊(duì)列的1 207例婦女妊娠第28周收集的母體尿液中測(cè)量了擬除蟲菊酯代謝物3-PBA,并完成兒童行為檢查表,經(jīng)過分析顯示在2～4歲時(shí),產(chǎn)前接觸擬除蟲菊酯和ADHD特征相關(guān)[17]。韓國研究人員在檢測(cè)了524對(duì)母子尿液中3-PBA的濃度并填寫ADHD評(píng)分量表后顯示,產(chǎn)前和兒童早期暴露于擬除蟲菊酯均被發(fā)現(xiàn)與ADHD癥狀相關(guān),6歲和8歲是擬除蟲菊酯神經(jīng)毒性的易感期[18]。中國出生隊(duì)列研究[19]檢測(cè)孕期每3個(gè)月的3-PBA濃度,并利用貝利嬰幼兒發(fā)育量表第三版評(píng)估兒童1歲時(shí)的神經(jīng)發(fā)育后,得出的結(jié)論是妊娠早期和中期的擬除蟲菊酯暴露與1歲時(shí)較差的嬰兒神經(jīng)發(fā)育結(jié)局有關(guān),這些影響在高水平的擬除蟲菊酯暴露中尤為明顯。重編程關(guān)鍵期擬除蟲菊酯暴露對(duì)神經(jīng)行為發(fā)育的損害應(yīng)充分重視。

4 父代擬除蟲菊酯暴露損害子代神經(jīng)行為發(fā)育的證據(jù)

以往對(duì)環(huán)境污染物的研究多集中在孕期暴露,近年來,越來越多的人關(guān)注父親對(duì)后代健康影響。研究[20]表明,子代可以通過精子的甲基化繼承父代所經(jīng)歷的暴露而產(chǎn)生的有害效應(yīng)。以相當(dāng)于普通人的擬除蟲菊酯暴露量對(duì)大鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)暴露,分析顯示處理組精子的表觀遺傳調(diào)節(jié)蛋白與對(duì)照組存在差異,且這種差異在后3代中保持不變[21]。相同地,另一項(xiàng)大鼠擬除蟲菊酯暴露實(shí)驗(yàn)表明,擬除蟲菊酯暴露會(huì)導(dǎo)致精子遺傳重編程障礙,降低精子數(shù)量和活性[22]。成年雄性小鼠持續(xù)暴露氰戊菊酯30 d,其精子核受體亞家族3C組成員2(nuclear receptor subfamily 3, group C, member 2, NR3C2)等基因甲基化水平改變,并對(duì)后代體內(nèi)激素水平造成不良影響。擬除蟲菊酯誘導(dǎo)精子形成跨代差異甲基化區(qū)域(differentially methylated region, DMR)。DNA甲基化是表觀遺傳的主要機(jī)制之一,DMR的形成可能與后代神經(jīng)行為發(fā)育障礙有關(guān)[23]。

美國的一項(xiàng)男性擬除蟲菊酯暴露與精子關(guān)系的研究表明,擬除蟲菊酯暴露造成精子DNA損傷率為33.8%。對(duì)計(jì)劃懷孕的346例準(zhǔn)備進(jìn)行孕前檢查的男性精液及尿液進(jìn)行分析,體內(nèi)3-PBA檢出率高達(dá)99.7%,其相對(duì)含量與精液質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)[24]。捷克CELSPAC-SPECIMEn 隊(duì)列研究[25]在收集了110對(duì)父子的尿液后,測(cè)定尿液中DNA甲基化生物標(biāo)志物5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine, 5-mC)和羥甲基化標(biāo)志物(5-hydroxymethylcytosine, 5-hmC)含量顯示,擬除蟲菊酯暴露后尿液中5-mC和5-hmC含量增加。將自閉癥患者父親的精子與未患自閉癥研究對(duì)象父親的精子進(jìn)行比較分析,提示DMR可以作為父系后代自閉癥易感性的生物標(biāo)志物[26]。擬除蟲菊酯暴露可能通過表觀遺傳途徑對(duì)子代和后代產(chǎn)生影響。

上述動(dòng)物實(shí)驗(yàn)與人群研究提示,父代擬除蟲菊酯暴露可能與子代神經(jīng)行為發(fā)育障礙有關(guān),但缺少直接證據(jù),表觀遺傳可能是其主要機(jī)制。

5 擬除蟲菊酯暴露的傳代效應(yīng)

環(huán)境有害因素對(duì)子代神經(jīng)行為發(fā)育的損害具有傳代效應(yīng)的報(bào)道逐漸增加。懷孕大鼠每天暴露于氯氰菊酯后,影響子代及其后代體內(nèi)激素水平表達(dá),學(xué)習(xí)和記憶障礙,并在第三代時(shí)出現(xiàn)發(fā)育缺陷。將斑馬魚暴露于高濃度氯菊酯至受精后28 d,子代與后代不接觸暴露,行為學(xué)顯示氯菊酯暴露對(duì)子代及其后代斑馬魚幼體的行為均有顯著影響[27],轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究顯示子代和后代DNA甲基化水平發(fā)生變化,谷氨酸能突觸活性失調(diào),子代和后代也出現(xiàn)相同的結(jié)果[28]。生命早期暴露于氯菊酯的雌性大鼠及其后代中測(cè)量到全基因組DNA甲基化的減少,而未經(jīng)暴露的大鼠具有高甲基化的基因組DNA。成年雄鼠氰戊菊酯暴露降低了子代及其后代雌鼠海馬神經(jīng)元密度并下調(diào)了腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)的表達(dá),導(dǎo)致雌鼠空間學(xué)習(xí)和記憶能力下降[29]。環(huán)境暴露的多代和跨代遺傳可能是由表觀遺傳改變介導(dǎo),DNA甲基化可能存在于整個(gè)基因組的DMRs,這反過來可能影響多個(gè)基因的表達(dá)。

暴露于環(huán)境毒物通過改變雄性和雌性配子的產(chǎn)生、成熟和質(zhì)量、生殖周期以及分娩和妊娠結(jié)局,誘發(fā)生殖毒性效應(yīng),并可能傳遞給后代。哈佛大學(xué)的一項(xiàng)研究表明,孕婦使用己烯雌酚會(huì)增加子代及其后代的兒童罹患ADHD的風(fēng)險(xiǎn),從人群層面證實(shí)孕期有害因素對(duì)神經(jīng)行為發(fā)育的損害具有傳代效應(yīng)。但同為環(huán)境內(nèi)分泌干擾物的擬除蟲菊酯是否具有傳代效應(yīng)的人群證據(jù)尚未見報(bào)道。

6 總結(jié)與展望

當(dāng)前研究表明,擬除蟲菊酯類農(nóng)藥在人群中的暴露率較高,其主要代謝產(chǎn)物3-PBA在人群中有很高的檢出率。擬除蟲菊酯類農(nóng)藥污染已成為重大公共衛(wèi)生事件。孕期少量接觸環(huán)境有害因素就會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)行為發(fā)育異常,強(qiáng)有力的出生隊(duì)列證據(jù)表明孕期擬除蟲菊酯類農(nóng)藥暴露對(duì)子代的神經(jīng)行為發(fā)育有重大影響。父代環(huán)境有害因素暴露可能通過表觀遺傳機(jī)制繼承給后代,擬除蟲菊酯暴露致父代精子DNA低甲基化可能是子代神經(jīng)行為障礙的原因之一,但尚無人探討。因此,擬除蟲菊酯類農(nóng)藥父代與孕期暴露對(duì)子代神經(jīng)行為發(fā)育的影響及其傳代效應(yīng)應(yīng)深入研究。