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2018, 35(1):14-18.doi:10.13213/j.cnki.jeom.2018.17724

三氯乙烯的心脏发育毒性


a. 苏州大学公共卫生学院, 江苏 苏州 215123 ;
b. 苏州大学江苏省老年病预防与转化医学重点实验室, 江苏 苏州 215123 ;
c. 苏州大学基础医学与生命科学学院, 江苏 苏州 215123

收稿日期: 2017-12-11;  发布日期: 2018-05-14

基金项目: 国家自然科学基金面上项目(编号:81572804)

通信作者: 姜岩, Email: yjiang@suda.edu.cn  

作者简介: 金红梅(1993-), 女, 硕士生; 研究方向:环境化学物毒理; E-mail:

我国先天性心脏病位居出生缺陷疾病的首位。除遗传因素外,环境因素也是先天性心脏病的重要诱因。三氯乙烯是分布广泛的环境有机污染物,流行病学研究显示其与先天性心脏病存在相关性。动物实验和体外实验也发现,三氯乙烯可引起心脏畸形,并干扰人胚胎干细胞向心肌细胞的分化。目前三氯乙烯心脏发育毒性的分子机制尚不明确。本综述从流行病学研究、动物实验、体外实验以及分子机制等方面探讨三氯乙烯心脏发育毒性的研究进展。

关键词: 三氯乙烯;  心脏发育毒性;  分子机制 

心脏是胚胎发育过程中最早形成的器官之一,心脏发育对外界环境变化极其敏感。我国每年有近120万出生缺陷的新生儿,其中心脏发育障碍位居出生缺陷疾病首位。心脏发育障碍病因复杂,越来越多的证据表明除遗传因素外,环境因素所导致的表观遗传改变起重要作用[1]。三氯乙烯作为清洗剂在电子、电镀等行业长期广泛应用,也常用作萃取溶剂和高分子化合物的生产原料等。我国是三氯乙烯生产和消耗大国,近年来其在化工原料中间体方面的用量呈增长趋势。由于三氯乙烯的广泛应用及其所具有的挥发性和微量溶水性,使之已成为全球最重要的有机污染物之一,广泛存在于大气、土壤和地下水中[2]。流行病学研究显示,孕妇三氯乙烯暴露与新生儿先天性心脏病(congenital heart disease,CHD)之间存在相关性,动物实验也表明三氯乙烯会引起心脏畸形[3-5]。此外,全胚胎培养实验和干细胞研究也支持三氯乙烯对心脏的致畸作用[6-7]。本综述将从流行病学研究、动物实验、体外实验及作用机制等方面探讨三氯乙烯胚胎心脏发育毒性的研究进展。

1   流行病学研究

多项研究发现,三氯乙烯暴露可增加室间隔缺损、主动脉瓣狭窄和右心室流出道梗阻等多种心脏缺陷风险[8-10]。FORAND等[11]在美国纽约州三氯乙烯污染的地区调查了1 440例活胎,发现母亲三氯乙烯暴露与子代心脏发育缺陷之间存在高度相关性,污染地区先天性心脏病的发病率是非污染地区的两倍。BOVE等[12]评估了美国新泽西州北部居民饮用水污染对出生结局的影响,也观察到母亲三氯乙烯暴露与胎儿心脏出生缺陷之间的关联。GOLDBERG等[9]的报道进一步显示,在三氯乙烯污染水域生活的母亲所产婴儿的先天性心脏病风险要比平均值高3倍。

母亲的年龄可能会增加三氯乙烯引发胎儿先天性心脏病的风险。YAUCK等[10]发现三氯乙烯暴露的母亲如果年龄在38岁及以上,其婴儿患先天性心脏病的风险是同龄非暴露母亲的婴儿的3倍以上;如果母亲年龄小于38岁,三氯乙烯暴露与婴儿先天性心脏病之间则没有相关性。BRENDER等[13]也发现母亲年龄为35岁及以上时,三氯乙烯暴露与婴儿心脏缺陷之间的关联性较强。

尽管已有的三氯乙烯与心脏发育缺陷的流行病学调查普遍样本量偏低,但总体来看,这些研究大多发现三氯乙烯与先天性心脏病高度相关,可增加发生风险2~3倍。因此,流行病学研究支持三氯乙烯具有心脏发育毒性。

2   动物实验

三氯乙烯最早发现可对禽类心脏产生致畸作用。LOEBER等[14]发现,三氯乙烯染毒鸡胚可引起包括室间隔缺损、房间隔缺损、永存动脉干、房室管畸形等各种心脏缺陷。DRAKE等[15]发现在心脏瓣膜间隔形成期,8 μg/L三氯乙烯可引起鸡胚肌部室间隔缺损,RUFER等[16]证实了这个发现。MISHIMA等[6]则发现,三氯乙烯抑制鸡胚房室管内膜间充质转化有明确的窗口期。

三氯乙烯也能引起大鼠和斑马鱼心脏发育畸形。研究者用三氯乙烯染毒怀孕的SD大鼠,发现三氯乙烯和胎儿心脏缺陷之间存在剂量依赖关系,而且三氯乙烯很少引起其他类型的畸形,因而是心脏特异的致畸物[4, 17]。JOHNSON等[18]进一步检测了饮水中三氯乙烯剂量对SD怀孕大鼠心脏发育的影响,发现三氯乙烯在250 μg/L以上时,胎儿心脏畸形率明显增加。三氯乙烯染毒斑马鱼胚胎也可引起血管生成、F-肌动蛋白和线粒体功能的下降[19]

三氯乙烯的代谢产物三氯乙酸和二氯乙酸也能够引起心脏畸形。JOHNSON等[20]和SMITH等[21]都观察到三氯乙酸暴露引起大鼠胎儿心脏畸形。DRAKE等[15]也发现三氯乙酸与三氯乙烯类似,能引起鸡胚心脏发育缺陷。此外,还发现三氯乙酸在致死率和引起瓣膜纤维化细胞增多方面比三氯乙烯的作用更强[16]。SMITH等[22]和EPSTEIN等[23]发现,妊娠期间母体暴露二氯乙酸后的胎鼠心脏缺陷发生率也有明显增加。

3   体外实验

BOYER等[4]建立了体外鸡胚房室管培养模型,用于检测三氯乙烯的心脏发育毒性,发现三氯乙烯阻碍了瓣膜和隔膜结构的发育。MISHIMA等[6]利用小鸡全胚胎培养系统也发现,三氯乙烯引起心脏瓣膜和间隔畸形。HUNTER等[24]的小鼠全胚胎培养研究发现,三氯乙酸和二氯乙酸能引起3~6体节的小鼠胚胎心脏发育异常,并存在剂量效应。本课题组利用胚胎干细胞技术,发现三氯乙烯明显影响人胚胎干细胞向心肌细胞分化;利用人胚胎干细胞心肌细胞分化模型,发现非细胞毒性浓度的三氯乙烯降低跳动的细胞比例以及跳动率,抑制人胚胎干细胞向心肌细胞的分化[7]

4   毒作用机制

4.1   上皮细胞间充质转化(epithelial mesenchymal transtion,EMT)

EMT是形成心内膜垫、心脏隔膜和瓣膜的重要机制。Notch和BMP信号通路对于产生特化的心肌和心内膜非常重要,而TGF-β和其他因子可以抑制上皮状态,上调间充质因子的表达,从而促进细胞外基质侵入和细胞迁移[25]。Wnt/β-链蛋白信号可以促进EMT[26]

BOYER等[4]利用体外鸡胚房室管培养模型进行研究,发现三氯乙烯抑制内皮分离和早期阶段间充质细胞形成。他们进一步检测了三种特异性EMT分子标志物的表达水平,发现三氯乙烯抑制转录因子Mox-1和细胞外基质蛋白原纤维蛋白2的蛋白质水平,但对α-平滑肌肌动蛋白的表达没有影响,这表明只有特定的EMT时期对三氯乙烯敏感[4]。MISHIMA等[6]使用小鸡全胚胎培养系统评估了EMT对三氯乙烯暴露的易感性,发现三氯乙烯可减少早期鸡胚心脏的房室管间充质细胞数量。

DRAKE等[5]发现在心脏瓣膜间隔形成期,三氯乙烯可引起鸡胚心脏内膜垫细胞增殖,这可能减小心脏口径,从而减少血流量并导致死亡。他们进一步发现,在后期心脏分化过程中三氯乙烯暴露对小鸡心脏胚胎发育的影响很小[5]。然而,本课题组的人胚胎干细胞实验结果提示,成熟心肌细胞是三氯乙烯影响心肌细胞分化的敏感靶点[7]。因此,三氯乙烯心脏发育毒性可能具有物种特异性,提示动物实验结果不能直接外推到人。

4.2   Ca2+信号通道

在心肌细胞中,Ca2+对于收缩和舒张的调节至关重要。细胞内Ca2+失调是心律失常和心源性猝死的常见致病机制。HOFFMANN等[27]报道,三氯乙烯会破坏新生大鼠心肌细胞的肌浆Ca2+内流。也有报道发现三氯乙烯能够干扰细胞内Ca2+调节相关基因的表达[7]

肌质/内质网膜Ca2+-ATP酶2a(Sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase,Serca2a)在心肌舒张过程中可将Ca2+从细胞质转移到肌质网腔中。有研究发现,Serca2a的mRNA表达水平在大鼠胚胎心脏组织中明显降低[28]。SELMIN等[29]将P19小鼠畸胎瘤细胞分别暴露于三氯乙烯和三氯乙酸,并进行基因芯片分析,发现三氯乙烯和三氯乙酸均可干扰正常节律性心脏活动中重要的Ca2+释放通道——Ryanodine受体2 (Ryanodine receptor 2,Ryr2)的表达水平。CALDWELL等[30]证实了在大鼠H9c2心肌细胞中,三氯乙烯引起Serca2a和Ryr2的表达下调。此外,他们还观察到三氯乙烯降低细胞中Ca2+对加压素的反应。

利用人胚胎干细胞模型,本课题组也证实了Ca2+在三氯乙烯心脏发育毒性中的重要性:在人胚胎干细胞分化的心肌细胞中,三氯乙烯引起Serca2表达下调和磷酸苯丙胺的表达上调,后者能降低Serca2对Ca2+的亲和力并抑制Ca2+转运;三氯乙烯还抑制另一个钙离子通道基因Cav1.2的mRNA表达[7]

4.3   表观遗传修饰

已经有大量的数据证实,表观遗传修饰对心脏发育有重要作用[31]。PALBYKIN等[32]发现,三氯乙烯会引起大鼠H9c2心肌细胞和大鼠胚胎心脏组织中的Serca2启动子区DNA高甲基化,三氯乙烯所引起的DNA高甲基化可能会抑制SP1的结合并降低Serca2的mRNA表达;另外,他们还发现三氯乙烯降低了H9c2细胞和大鼠胚胎心脏中DNA甲基供体S-腺苷甲硫氨酸的浓度。然而,CALDWELL等[33]发现孕期饮食中补充叶酸(可参与一碳代谢途径并作为甲基供体)对三氯乙烯引起的DNA甲基化异常并无影响;不仅如此,叶酸可加剧三氯乙烯所引起的小鼠胚胎心脏中mRNA表达异常。因此,三氯乙烯可能通过包括DNA甲基化和miRNA在内的多种表观遗传修饰调控基因表达,进而影响心脏发育。

5   结论

目前三氯乙烯对心脏发育毒性的研究较少,但已有的流行病学研究、动物实验和体外实验都表明三氯乙烯能引起心脏畸形。考虑到三氯乙烯在环境中的普遍分布,以及我国先天性心脏病的高发病率和严重健康危害,应进一步重视三氯乙烯的心脏发育毒性。目前三氯乙烯影响心脏发育的毒作用机制尚不清楚,这限制了对其危险性的评估。部分研究表明,三氯乙酸可能是导致心脏发育毒性的体内活性代谢中间产物,但还需要更充分的实验证据。EMT和Ca2+信号通道的干扰可能是三氯乙烯影响心脏发育的主要分子机制,而这二者又都与表观遗传相关,期待今后有更多表观遗传方面的研究。利用人胚胎干细胞心肌分化模型和斑马鱼胚胎发育模型等新型研究模型,能有效地解析毒作用的分子机制,符合21世纪毒理学重视毒作用路径以及替代毒理学方法的发展趋势,是未来研究三氯乙烯心脏发育毒性的发展方向。

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[基金项目] 国家自然科学基金面上项目(编号:81572804)

[作者简介] 金红梅(1993-), 女, 硕士生; 研究方向:环境化学物毒理; E-mail: 20164247024@stu.suda.edu.cn

[收稿日期] 2017-12-11 00:00:00.0

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