環境內分泌干擾物暴露致心肌線粒體損傷的研究進展

唐蘭，俞捷，許潔

遵義醫科大學公共衛生學院，遵義 563000

近年來，心臟疾病(如冠心病、心衰等)在中國的發病率及死亡率持續增加并呈年輕化趨勢，已成為嚴重的公共衛生問題[1]。大量研究已證明，引起心臟疾病的主要危險因素有高血壓、高血脂、吸煙、肥胖及糖尿病等，除此以外，越來越多的研究結果表明，心臟疾病的發生與環境中化學污染物有關。環境內分泌干擾物(environmental endocrine disruptors, EEDs或endocrine disrupting chemicals, EDCs)，指可通過干擾生物體內天然激素的合成、分泌、結合、反應和代謝等，而對生物體的神經、內分泌、生殖和免疫系統等的功能產生影響的外源性化學物質[2]。目前，大量流行病學與動物實驗研究結果均表明，EEDs暴露與心絞痛、高血壓、冠心病、心力衰竭、心肌梗死及動脈粥樣硬化等的發生有關[3-5]。

線粒體是細胞內氧化磷酸化和形成三磷酸腺苷(ATP)的主要場所，有細胞“動力工廠(power plant)”之稱。成人心臟中線粒體占心肌細胞體積的1/3，在供氧充足的條件下，95%以上的ATP產生來自線粒體的氧化代謝。心臟的高能量需求必須緊密伴隨著線粒體能量生成，當能量的產生、儲存和利用發生障礙，心臟各項生命活動必將受到損害。研究表明，心肌線粒體結構功能異常可導致心肌病、心力衰竭、缺血性心臟病和動脈粥樣硬化等心臟疾病的發生[6-9]。因此，本文綜述了部分EEDs(雙酚A、壬基酚、鄰苯二甲酸二(2-乙基)己酯(DEHP)、馬拉硫磷、磷化鋁、鎘和汞)以及部分主要含EEDs的混合物(SO2與苯并芘復合物、PM2.5)對心肌線粒體的毒性及損傷機制，為今后心臟疾病治療方案的研究提供了新方向。

1 EEDs的心肌線粒體毒性及其機制(Myocardial mitochondrial toxicity and its mechanism of EEDs)

1.1 雙酚A

雙酚A(bisphenol A, BPA)，用于生產聚碳酸酯和環氧樹脂塑料，廣泛應用于日常產品，如食品與飲料容器、玩具和醫療設備等。動物實驗研究表明，心臟BPA(100 μmol·L-1)急性暴露(≤15 min)后可導致QRS間期延長和心室搏動減少，并最終導致完全心臟阻滯[10]；BPA暴露48周后，可致小鼠心肌肥大[11]；長期接觸雙酚A會增加心肌梗死后的炎癥反應，降低肌成纖維細胞的修復功能，從而降低心肌梗死后的重建能力[12]。

1.1.1 與線粒體功能有關基因表達的改變

過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α(PGC-1α)是心臟中調控線粒體能量代謝的重要基因，PGC-1α的甲基化與心肌病合并心肌能量代謝改變有關[13]。在BPA暴露所致的心臟疾病中，同樣也涉及PGC-1α的改變。如BPA長期暴露能誘發雄性大鼠心肌肥大，其機制可能與PGC-1α mRNA表達水平下降有關[14]。同時，BPA暴露也會導致與大鼠心肌線粒體活性有關的基因(Tfam、Nrf-1和Nrf-2)的mRNA表達下降及調節線粒體ATP產生和線粒體呼吸酶復合物(MRC)活性的關鍵基因(Atp5e、Atp5o、Uqcrc2和Uqcrfs1)的表達下降。此外，在BPA暴露的大鼠心臟中，參與線粒體能量代謝調控的基因ERRα、ERRγ和PPARα的表達均下調，以及參與線粒體脂肪酸氧化(FAO)的重要基因ACADM、FABP3和LP1表達顯著性下調[11]。

與線粒體功能有關的其他基因，如長期暴露于BPA的小鼠會導致DNMT3α表達增加、DNA甲基化改變及蛋白表達模式改變，進而導致心臟結構和功能改變[15]；長期BPA暴露的大鼠，與對照組相比，DNMT1和DNMT3B的mRNA和蛋白表達均顯著性升高[11]。

1.1.2 氧化應激增加

活性氧(ROS)能影響線粒體基因表達所必需的線粒體轉錄因子A[16]。BPA暴露可導致大鼠心臟脂質過氧化增加、還原型谷胱甘肽(GSH)水平減少和過氧化氫酶的活性降低，表明BPA暴露能夠誘導ROS的產生而損害大鼠心肌線粒體功能[17]。

1.1.3 Ca2+穩態紊亂

鄰近細胞器之間的Ca2+通量控制著許多細胞活動過程，如新陳代謝和細胞存活，鈣離子通量從細胞內存儲到線粒體是細胞代謝所必需的[18]。線粒體鈣穩態異常(如Ca2+超載)可通過Ca2+刺激NO產生、Ca2+誘導的心磷脂過氧化、Ca2+誘導的線粒體通透性孔打開以及隨后釋放的細胞色素c和GSH抗氧化酶，而導致氧化應激升高[19]。BPA暴露也會損害細胞內鈣處理，導致鈣瞬態振幅降低和持續時間延長[20]，以及大鼠心律失常[21-22]。

1.1.4 心肌線粒體呼吸酶活性降低

研究表明，BPA暴露第48周時，暴露組心肌線粒體呼吸酶CΙ、CⅡ、CⅢ和CⅣ活性均顯著性降低[11]。此外，BPA還可致心肌線粒體膜電位降低。

1.1.5 影響線粒體的分裂/融合

正常分裂和融合周期有助于線粒體網絡適應細胞不斷變化的代謝需求，并允許代謝物、酶和線粒體DNA在整個線粒體網絡中混合和擴散。相反，異常分裂和融合周期則會影響線粒體結構與功能。ERK1/2信號通路影響著細胞存活和線粒體動力學，當ERK1/2信號通路被激活時可促進線粒體的分裂/破碎[23]。研究發現，BPA可通過激活ERK1/2顯著地促進心臟成纖維細胞增殖及膠原產生，增加間質纖維化，削弱心功能[24]。

1.2 壬基酚類

壬基酚(nonylphenol, NP)，常作塑化劑而被大量應用于食品塑料包裝中，具有疏水性和較長的半衰期，易在包括人類在內的生物體內積累，并表現出一系列的毒性作用。研究者將離體的豚鼠心臟暴露于NP時，發現NP暴露組的心率與冠脈流量明顯降低且乳酸脫氫酶顯著增加[25]。另一研究中，離體大鼠心臟暴露于NP(10-8～10-6mol·L-1)后，鈣通道可被直接阻斷，電流幅值下降，心肌收縮力隨之下降[26]。除心臟外，有研究發現，NP暴露組大鼠胰島中ROS和細胞內鈣離子水平上升，線粒體膜電位(MMP)水平下調，進而導致大鼠胰腺損傷、糖耐量破壞和胰島素分泌減少[27]。低劑量的NP通過線粒體依賴和Fas-fas-L通路引起大鼠肝臟損傷，誘導肝細胞凋亡[27]。

壬基酚乙氧基酯(NPEs)，是一種表面活性劑，通常用于清潔產品、工業過程、農業配方和油漆中。研究發現，兩棲動物的心臟易受NPEs的影響，NPEs暴露會引起心肌細胞線粒體和膜組件的超微結構改變，表現為線粒體腫脹和嵴斷裂以及粗面內質網擴張，其原因可能是具有親脂性的NPEs直接擾亂細胞膜的脂質環境[28]。

1.3 鄰苯二甲酸二(2-乙基)己酯

鄰苯二甲酸二(2-乙基)己酯(di (2-ethylhexyl) phthalate, DEHP)，是一種廣泛應用于聚氯乙烯醫藥產品的增塑劑，具有高度疏水性，會從與血液、血清和其他親脂性液體接觸的塑料中滲出。新生大鼠心肌細胞暴露于DEHP (50～100 μg·mL-1, 72 h)時，DEHP可使心肌細胞脂肪酸產能增加而導致心肌細胞代謝重構[29]。其機制可能包括脂肪酸代謝相關基因(PPARα、PGC-1α和PGC-1β)上調；編碼脂肪酸代謝酶的基因(ACSL1、ACAA2、ACADL、ACADVL和HADHA)上調；以及與脂肪酸氧化通路有關的線粒體導入基因(CPT1A、CPT1B和SLC25A20)上調。這些基因上調將導致脂肪酸底物利用率、耗氧量及線粒體數量增加。另有研究發現，DEHP可引起血管周圍的淋巴樣浸潤、心肌細胞核周空泡化，纖維間出血和心肌束紊亂[3]。其機制包括：DEHP使心臟組織中活性氧的生成增加；DEHP使心臟脂質過氧化增加，蛋白質羰基水平和DNA碎片增加。此外，DEHP可使過氧化氫酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性增加，以及使蛋白結合的巰基濃度降低，從而使心臟組織抗氧化能力降低。在Posnack等[30]研究發現，用DEHP處理新生大鼠的心肌細胞后，細胞電活動、鈣處理、黏附和微管運輸相關的基因修飾表達改變，進而導致細胞心律失常。

1.4 磷化鋁

磷化鋁(aluminum phosphide, AlP)，是世界上最常用的農藥之一，在許多亞洲國家已成為導致自體中毒死亡的主要原因，心臟是AlP發病的主要器官。研究發現，AlP中毒后觀察到心電圖異常和線粒體功能障礙，包括氧化應激增加、ATP耗竭和凋亡[31]。此外，當磷化鋁與水分接觸時，釋放出磷酸鹽，后者引起氧化應激標志物活性氧與谷胱甘肽水平升高及髓過氧化物酶(MPO)活性升高，而超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和6-磷酸葡萄糖脫氫酶(G6PD)活性降低，同時SOD1與過氧化氫酶表達降低，從而導致心肌線粒體損害[32]。

1.5 馬拉硫磷

馬拉硫磷(malathion)，一種有機磷殺蟲劑，廣泛應用于農業、住宅園林綠化、公共娛樂場所和滅蚊等領域。研究發現，馬拉硫磷可引起心臟氧化損傷，增加丙二醛(MDA)水平，消耗GSH，降低超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)等抗氧化酶的活性[33-34]。此外，馬拉硫磷可通過抑制線粒體呼吸鏈中復合物Ι至Ⅳ的活性，降低線粒體跨膜電位，消耗細胞內ATP含量，提高二磷酸腺苷/三磷酸腺苷(ADP/ATP)比值，增加乳酸脫氫酶的釋放，破壞細胞膜完整性，誘導細胞死亡[35]。

1.6 鎘

在離體大鼠心臟中，鎘通過阻斷鈣通道來降低心肌收縮力，在等滲和低滲介質中會導致線粒體腫脹及無能量生成[36]。Oyinloye等[37]發現，每日給予Cd (200 mg·L-1CdCl2)連續21 d，可引起明顯的氧化應激和心肌組織損傷，表現為心肌纖維變性、過度水腫和炎性細胞浸潤。在淡水蟹類研究中發現，隨著鎘暴露時間延長，依次出現心肌水腫、空泡、玻璃體變性、炎性細胞浸潤，以及線粒體膜腫脹、溶解、變形及嵴分化不良、崩潰甚至大量線粒體完全空泡化[38]。其機制可能與鎘影響防御酶包括SOD、CAT和谷胱甘肽過氧化物酶的活性及增加心臟中MDA的濃度有關。此外，鎘也可損害扇貝的心肌線粒體[39]。

1.7 汞

汞對心血管的影響包括動脈高血壓、冠心病、心肌梗死、心律失常、心率變異性降低、動脈粥樣硬化和血管平滑肌功能障礙[5,40]。其機制包括：有毒汞暴露會增加自由基、活性氧和超氧陰離子的產生，降低ATP合成，消耗谷胱甘肽，還會增加磷脂、蛋白質和DNA過氧化；汞還會降低硒的利用率，降低谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)的活性，在此過程中產生超活性氧，從而促進脂質過氧化和氧化應激，誘導細胞凋亡和細胞自燃[5,41]。此外，研究發現，HgCl2暴露會使心肌組織損傷明顯，出血、炎性細胞浸潤明顯，其機制包括使心肌組織中MDA濃度明顯升高，還原性/氧化性谷胱甘肽(GSH/GSSG)比值明顯降低；心肌組織細胞核中的Nrf2積累明顯減少[42]。其中，Nrf2的激活可協調抗氧化劑和抗炎反應[19]。

2 EEDs混合物對心肌線粒體的毒性及其機制(Myocardial mitochondrial toxicity and its mechanism of EEDs mixtures)

SO2和苯并芘復合物暴露后，小鼠心肌線粒體氧化磷酸化復合體亞基CO4和ATP6的mRNA表達水平顯著降低，調控基因PGC1-α、NRF1和mtTFA的mRNA和蛋白水平也顯著降低[43]。這提示小鼠暴露于SO2和苯并芘復合物后，可能通過降低心肌中NRF1表達，影響其對mtTFA的調控，進一步抑制相關基因組的轉錄和翻譯，最終導致小鼠心肌線粒體的氧化磷酸化功能受損，進而引發心血管疾病。

PM2.5主要來源于燃料燃燒、機動車尾氣和道路揚塵等，其成分基本上包括有機物(如多環芳烴、苯并芘等)和無機成分(如金屬元素、硝酸鹽和硫酸鹽等)[44]。動物實驗研究發現，隨著PM2.5濃度不斷加大，心肌線粒體的超微結構逐步出現損傷效應，如線粒體腫脹、嵴紊亂、分解和消失[45]。此外，PM2.5上調了大鼠線粒體蛋白融合基因OPA1、Mfn1的mRNA和蛋白表達，進而促進了線粒體融合，PM2.5上調了大鼠心臟線粒體蛋白分裂基因Drp1和Fis1 mRNA和蛋白表達，進而促進了線粒體分裂。

3 小結與展望(Summary and prospect)

綜上所述，引起線粒體損傷的EEDs及EEDs混合物包括：雙酚A、壬基酚、DEHP、馬拉硫磷、磷化鋁、鎘、汞、SO2和苯并芘復合物以及PM2.5。這些物質對心肌線粒體毒性作用機制包括：(1)使呼吸鏈受損、呼吸酶活性降低、膜電位降低、線粒體膜損害、Ca2+穩態紊亂、氧化應激增加及抗氧化能力降低；(2)線粒體能量代謝調控基因表達改變，如PGC-1α、ERRα、ERRγ和PGC-1β；(3)影響線粒體融合與分裂等。通過這些機制引起心肌線粒體損傷后所導致的心臟疾病包括心肌炎、冠心病、心律失常和心肌梗死等(圖1)。

圖1 環境內分泌干擾物暴露致心肌線粒體損傷的機制Fig. 1 The mechanism of myocardial mitochondrial damage caused by environmental endocrine disruptors

綜上，線粒體可能是一個被低估的環境污染物檢測目標，未來關于心臟疾病的病因可從環境毒理學的角度出發，關注線粒體損傷在心臟疾病中的作用，為心臟疾病靶標治療提供一定的依據。

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