尹曉宇,董文靜,李嘉偉,齊澈力木格,于永利,楊景峰,董武
內(nèi)蒙古民族大學動物科學技術(shù)學院,內(nèi)蒙古自治區(qū)毒物監(jiān)控及毒理學重點實驗室,通遼 028000
多溴聯(lián)苯醚(polybrominated diphenyl ethers, PBDEs)是溴化阻燃劑(BRF)類的化學物質(zhì),由于其高性能、低成本和獨特的理化性質(zhì),已成為世界上使用最廣泛的阻燃劑之一。它是一類含溴原子的芳香族化合物,根據(jù)溴原子在苯環(huán)上的取代位置和個數(shù)的不同,PBDEs可分為209種同分異構(gòu)體[1]。雖然,PBDEs作為阻燃劑使用成本低廉,但由于它們在環(huán)境中不易降解,且具有較高的生物累積潛力以及潛在毒性,導致它們被歸類為新型持久性環(huán)境有機污染物[2]。研究者發(fā)現(xiàn),PBDEs在家庭灰塵中、魚體內(nèi)和淤泥中大量蓄積,且PBDEs在人體內(nèi)蓄積,可能會導致胎兒畸形和甲狀腺功能失調(diào)。Johnson-Restrepo和Kannan[3]比較了室內(nèi)灰塵和攝入食物中的PBDEs濃度,認為室內(nèi)灰塵是PBDEs暴露的主要途徑。Smielowska和Zabiegala[4]發(fā)現(xiàn),PBDEs沉積在由于重力下落而產(chǎn)生的粉塵(即懸浮顆粒物)上,因此,粉塵是PBDEs的重要儲藏環(huán)境和來源。Bu等[5]研究發(fā)現(xiàn),BDE-209、BDE-47和BDE-99是室內(nèi)沉降塵埃中最主要的化合物。Zhu等[6]也發(fā)現(xiàn),室內(nèi)灰塵被PBDEs污染,并且中國東部地區(qū)的PBDEs濃度高于西部地區(qū),城市地區(qū)的PBDEs濃度高于農(nóng)村地區(qū),這表明,社會經(jīng)濟發(fā)展對PBDEs污染水平具有重大影響。塵土中的PBDEs很難降解,因此,被聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)和聯(lián)合國工業(yè)開發(fā)組織(UNIDO)列為持久性有機污染物(POPs),被叫做POP-PBDEs[7],且塵土中的PBDEs易被生物利用并具有生物活性。塵土中的PBDEs可通過呼吸進入肺部,從而進入血液循環(huán),對健康造成一定的威脅。尤其辦公室環(huán)境中PBDEs的暴露,可能導致上班人群受PBDEs的嚴重危害[8-9]。
有關(guān)多溴聯(lián)苯醚的毒性機理,可能與改變血液中的甲狀腺激素水平及其受體有關(guān),PBDEs對甲狀腺功能的影響,主要表現(xiàn)在影響甲狀腺素在血清中的水平[10]或甲狀腺素調(diào)控相關(guān)的基因表達。Arkoosh等[11]發(fā)現(xiàn),鮭魚中BDE-99的攝入會降低血液循環(huán)中四碘甲狀腺原氨酸(T4)和三碘甲狀腺原氨酸(T3)的濃度。Qian等[12]發(fā)現(xiàn),小鼠在妊娠和哺乳期暴露于BDE-209,其甲狀腺素脫碘酶的mRNA表達和蛋白表達受到影響,后代血清中的甲狀腺激素(THs)水平進而受到破壞,從而可能導致后代小鼠的神經(jīng)功能受損。Han等[13]發(fā)現(xiàn),斑馬魚親本暴露于BDE-209,會對F1代產(chǎn)生發(fā)育毒性,并破壞后代的甲狀腺內(nèi)分泌系統(tǒng)。
斑馬魚作為實驗動物模型,因其具有胚胎透明、發(fā)育迅速、便于觀察和操作、對藥物極其敏感及可利用資源極其豐富等諸多優(yōu)勢,而被廣泛應用。使用斑馬魚胚胎評價PBDEs的毒性及其作用機制,具有獨特優(yōu)勢。在本研究中,針對家庭及辦公室灰塵中的PBDEs含量進行了檢測,特別是針對BDE-99進行了研究,評估其對斑馬魚代謝以及相關(guān)甲狀腺素及甲狀腺激素脫碘酶Ⅲ(Dio3)的影響,探討了BDE-99對甲狀腺功能的影響,為今后對PBDEs的研究提供了參考,BDE-99和BDE-47的化合物結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多溴聯(lián)苯醚(PBDEs)中BDE-99和BDE-47以及甲狀腺激素中三碘甲狀腺原氨酸(T3)和四碘甲狀腺原氨酸(T4)的化學結(jié)構(gòu)式Fig. 1 The chemical structural formulas of BDE-99 and BDE-47 of polybrominated diphenyl ethers and T3 (triiodothyronine) and T4 (tetraiodothyronine) of thyroid hormones
成年AB系斑馬魚(Daniorerio),在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中進行繁育(北京愛生科技發(fā)展公司),雌雄魚分開飼喂,每天14 h∶10 h的光∶暗周期。養(yǎng)殖溫度(28±1) ℃,pH保持在7.0~7.6之間,電導率保持在440~640 μS之間。實驗時挑選出優(yōu)質(zhì)健康的性成熟斑馬魚,按照雌雄斑馬魚1∶2的比例放入交配缸中,待第2天早上開燈,斑馬魚見光后開始產(chǎn)卵,并收集胚胎,放入斑馬魚培養(yǎng)液(ZR液)中,并放置在28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中孵化。
在2018年5—10月收集并處理企業(yè)辦公室(電腦較多)和家庭(沒有電腦)中4個地點(辦公室桌面、辦公室地面、家庭桌面和家庭地面)的室內(nèi)灰塵樣品[14](n=80),并且灰塵收集在纖維素套管中[15]。除取樣地點不同外,其他取樣條件均保持一致。樣品過篩至500 μm以下,并儲存在-20 ℃。用二氯甲烷和己烷(V∶V=50∶50)萃取約100 mg的粉塵,超聲處理后,萃取液使用氮氣吹干濃縮。一半萃取液通過GC/MS鑒定阻燃劑[14];另一半蒸干使用100 μL二甲基亞砜(DMSO)(純度為99.5%,西格瑪)溶解定容用于生物監(jiān)控,DMSO最終濃度<0.1%。
參考Fulton等[16]的方法,使用GC-MS檢測灰塵中BDE-99和BDE-47的含量,選擇辦公室和家庭中2個地點的灰塵進行檢測。將灰塵萃取液重新溶于100 mL異辛烷中,并添加BDE-47和BDE-99作為回收率測定標準品。使用配有HP-5MS色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25 mm)的Agilent 6850 GC和Agilent 5975C MS進行樣品分析。使用氦氣作為載氣,以脈沖不分流模式進樣1 mL樣品。最初將GC柱箱設(shè)置為80 ℃,以20 ℃·min-1的速度升至100 ℃,保持2 min。然后,將烤箱以30 ℃·min-1的速度加熱到220 ℃,再將速率降低到1 ℃·min-1,直到溫度達到225 ℃,并在其中保持5 min。然后以5 ℃·min-1的速度將溫度升至280 ℃,并且以20 ℃·min-1的速率達到300 ℃,此時為最終溫度,保持3 min。入口溫度為260 ℃,離子源和四重離子均設(shè)置為150 ℃。最終通過色譜圖分析所得數(shù)據(jù)。
暴露溶液用魚類養(yǎng)殖系統(tǒng)水對原液進行稀釋獲得。魚類養(yǎng)殖系統(tǒng)水為空白對照組,濃度為100 nmol·L-1的BDE-99作為陽性對照組,4個不同地點的灰塵萃取液為實驗組。暴露試驗在六孔板中進行,每孔放入正常斑馬魚胚胎10粒,并置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱(Heratherm IGS180, Thermo Fisher Scientific)中培養(yǎng),每組進行5次以上的重復試驗。暴露時間為4~36 hpf,觀察斑馬魚胚胎眼部色素強度變化,用ImageJ對眼部色素沉著水平進行量化。
收集經(jīng)100 nmol·L-1BDE-99暴露后的斑馬魚胚胎(幼魚)和經(jīng)暴露后的幼魚長成的成年魚,解剖取出成年魚肝臟,利用GC-MS檢測24 hpf、48 hpf、96 hpf和10 dpf斑馬魚胚胎(幼魚)和成年魚肝臟體內(nèi)的BDE-99和BDE-47的含量。
當斑馬魚胚胎達到實驗所需要的發(fā)育階段,將其固定在含4%(w/V)多聚甲醛(分析純,純度為98.5%,福晨化學)的磷酸鹽緩沖溶液(PBS)中(pH 7.4)過夜,之后用PBS清洗后浸泡于100%甲醇中,可放置于-20 ℃冰箱中儲存。整體原位雜交(WISH)是按照Dong等[17]方法進行的。基本原理是斑馬魚胚胎與809個堿基對的斑馬魚Dio3的反義雜交鏈結(jié)合。然后使用以下引物進行克隆并且做Dio3探針(正向引物5’-TAGACGTGCAGCACCGCGGA-3’;反向引物5’-CGCTCCAGCCAGTCTCTGAG-3’),在64 ℃雜交過夜后,胚胎用2×SSC(300 mmol·L-1NaCl,30 mmol·L-1檸檬酸鈉,pH 7.0)洗3次,然后用0.2×SSC洗3次,每次30 min。接下來的胚胎是用2%的封閉劑封閉(Roche公司,德國)。然后在4 ℃用3 000×稀釋的DIG抗體與堿性磷酸酶偶聯(lián)(Roche公司,德國);最后,與BM-Purple底物(Roche公司,德國)發(fā)色。
使用TRIzol試劑處理完整的胚胎,從整體斑馬魚胚胎中提取總RNA,使用Nano Drop2000測定提取的總RNA濃度。純化的總RNA立即用于cDNA合成。cDNA的產(chǎn)生用高容量cDNA反轉(zhuǎn)錄試劑盒(Applied Biosystems Inc.)完成,反應方法按照廠家說明書進行,cDNA樣本使用前將其保持在-20 ℃冷凍。使用TaqMan進行基因表達測定和基因表達分析(Applied Biosystems Inc.;4331182)。反轉(zhuǎn)錄加入0.2 ng cDNA后進行反應,與TaqMan Universal PCR Master Mix混合,并使用實時熒光定量PCR儀(7900HT, Applied Biosystems,美國)進行PCR檢測,用Sequence Detection System 2.0軟件分析,實驗方法與步驟基本與Dong等[17]描述的相同。樣品的Dio3基因(正向引物5’-AGATGTTCACGCTGGAGTCG-3’,反向引物5’-CGAAGTTGAGGATCAGCGGT-3’)表達數(shù)據(jù)使用18s RNA作為內(nèi)參基因(正向引物5’-TCGCTAGTTGGCATCGTTTATG-3’,反向引物5’-CGGAGGTTCGAAGACGATCA-3’),來補償在胚胎之間RNA量的內(nèi)在變異性。
挑選出4 hpf的斑馬魚胚胎,經(jīng)不同濃度的BDE-99暴露至72 hpf,收集0 (對照)、1、10、50和100 nmol·L-1濃度組胚胎各10粒,每個濃度組設(shè)立3個重復。用去離子水清洗,棄掉清洗液后,稱重,按照每組魚的質(zhì)量與PBS(pH=7.2)體積比為1∶20的比例,加入PBS,在0 ℃下進行勻漿,勻漿后在10 000 r·min-1、4 ℃離心5 min,取上清液,用Elisa試劑盒(上海圻明生物技術(shù)有限公司)檢測斑馬魚體內(nèi)總T3(total T3, TT3)和總T4(total T4, TT4)的含量[18]。
所有表達數(shù)據(jù)均表示為平均值±SEM,使用GraphPad Prism software進行統(tǒng)計分析。差異顯著性使用單因素方差分析。P<0.05的情況下被認為是統(tǒng)計學上的差異顯著。
BDE-99和BDE-47的檢出率都是100%,但檢出濃度范圍較大。BDE-99在辦公室和家庭中的檢出濃度分別為0.01~159.32 ng·g-1和0.06~49.32 ng·g-1,中間值濃度分別為6.275 ng·g-1和1.835 ng·g-1,BDE-47在辦公室和家庭中的檢出濃度分別為0.01~148.32 ng·g-1和0.04~49.21 ng·g-1,中間值濃度分別是2.090 ng·g-1和1.860 ng·g-1。結(jié)果表明,BDE-99比BDE-47有更高的濃度殘留,辦公室比家庭有更高的殘存(圖2)。考慮到可能是辦公室的電腦產(chǎn)品比家庭的多,造成了更多的阻燃劑殘留。

圖2 BDE-99和BDE-47在辦公室和家庭的灰塵中的濃度Fig. 2 BDE-99 and BDE-47 concentrations in offices and homes dust
筆者先前的研究結(jié)果表明[19],選擇眼部作為評價的標準時,BDE-99能夠引起36 hpf斑馬魚胚胎整體色素的降低。同樣地,使用灰塵提取物經(jīng)過100×稀釋后,斑馬魚胚胎暴露于灰塵提取物組與BDE-99陽性對照組相似,在斑馬魚胚胎發(fā)育到36 hpf時,斑馬魚胚胎眼部色素的沉著顯著降低(圖3(f)和3(g))。這說明,使用生物學方法可以進行PBDEs的初期高通量篩選。

圖3 灰塵提取物降低斑馬魚眼睛色素沉著強度注:胚胎暴露于灰塵提取物和BDE-99 (4~36 hpf);用ImageJ對眼部色素沉著水平進行量化;(a)對照組,(d) BDE-99陽性暴露組,(b)、(c)、(e)和(f)灰塵提取物暴露組,其中,(b)和(c)分別為家庭中地面和桌面的灰塵提取物暴露組,(e)和(f)分別為辦公室地面和桌面(電腦附近)的灰塵提取物暴露組,(g)胚胎的色素強度柱狀圖(每組20個胚胎),*表示與對照組有顯著差異(P<0.05),比例尺為100 μm,×100為稀釋100倍。Fig. 3 Dust extract reduces eye pigmentation intensity of zebrafishNote: The embryo was exposed to dust extract and BDE-99 (4~36 hpf); ImageJ was used to quantify the level of eye pigmentation; (a) control group; (d) BDE-99 positive exposure group; (b), (c), (e) and (f) dust extract exposure group, where (b) and (c) are the ground and desktop dust extract exposure group in the family, (e) and (f) are respectively exposure group of dust extracts on office floor and desktop (near computer); (g) is the histogram of the pigment intensity of embryos (20 embryos per group); *indicates a significant difference from the control group (P<0.05); the scale bar is 100 μm; ×100 means 100 times dilution.
PBDEs在動物體內(nèi)會被代謝,BDE-99在灰塵中的檢出率達100%,而BDE-99在動物體內(nèi)經(jīng)過脫溴作用主要降解為BDE-47[20]。使用GC-MS檢測了BDE-99在不同發(fā)育階段斑馬魚體內(nèi)的分解代謝情況。試驗分別檢測了24 hpf、48 hpf、96 hpf和10 dpf斑馬魚胚胎(幼魚)和成年魚肝臟中BDE-99的降解情況,結(jié)果表明,24 hpf和48 hpf時,無明顯降解,BDE-47也沒有被明顯檢測到(圖4),這說明,斑馬魚胚胎在此時期對BDE-99幾乎無降解作用。進而推測灰塵萃取液對36 hpf斑馬魚胚胎色素的降低作用可能主要由BDE-99引起,而非BDE-47。

圖4 斑馬魚胚胎(幼魚)和成年魚肝臟中BDE-99的降解注:將不同發(fā)育時期(24 hpf、48 hpf、96 hpf和10 dpf)斑馬魚(或者成年魚肝臟)制成勻漿,提取溶酶體后作用于BDE-99,然后使用GC-MS檢測BDE-99和BDE-47的含量;不同字母表示差異顯著(P<0.05)。Fig. 4 Zebrafish embryo (juvenile fish) and adult fish liver degrading BDE-99Note: Zebrafish at different developmental stages (24 hpf, 48 hpf, 96 hpf and 10 dpf) or adult fish liver are made into a homogenate, and lysosomes are extracted and then applied to BDE-99; the content of BDE-47 and BDE-99 are detected by GC-MS; the different letters indicate significant difference (P<0.05).
為考察BDE-99對斑馬魚胚胎Dio3的影響,將4 hpf斑馬魚胚胎暴露于BDE-99溶液中直至胚胎發(fā)育到22 hpf和72 hpf。采用WISH和RT-PCR方法檢測了Dio3 mRNA的表達。WISH方法的檢測結(jié)果證明了暴露于1、10、50和100 nmol·L-1BDE-99的斑馬魚胚胎,其Dio3 mRNA表達有增加趨勢,表達位置主要位于原腎管部位(圖5(a)~5(e))。RT-PCR定量檢測結(jié)果表明,Dio3 mRNA表達隨BDE-99暴露濃度的增加而升高(1、10、50和100 nmol·L-1)。22 hpf時,BDE-99表現(xiàn)為誘導Dio3 mRNA表達的提高(圖6(a)),暴露于10、50和100 nmol·L-1BDE-99后的斑馬魚胚胎,Dio3 mRNA表達均升高了2.47倍以上(P<0.05)。72 hpf時,暴露于BDE-99的斑馬魚胚胎,Dio3 mRNA表達隨著濃度增加(1、10、50和100 nmol·L-1)均升高了1.64倍以上(圖6(b)),但在統(tǒng)計學上差異不顯著(P>0.05)。

圖5 Dio3基因表達在斑馬魚胚胎原腎管部位注:胚胎在4~22 hpf暴露于BDE-99;藍色部位是Dio3表達部位;比例尺為100 μm。Fig. 5 Dio3 gene is expressed in the protorenal duct of the zebrafish embryoNote: Embryos were exposed to BDE-99 from 4 to 22 hpf; the blue part is the Dio3 gene expression part; bar=100 μm.

圖6 BDE-99上調(diào)了斑馬魚胚胎 Dio3 mRNA表達注:斑馬魚胚胎暴露于0(對照)、1、10、50和100 nmol·L-1的BDE-99,當胚胎發(fā)育到22 hpf和72 hpf時,使用RT-PCR檢測Dio3 mRNA表達;每組包含10個胚胎,每組3個重復;不同的字母表示顯著差異(平均值±SEM,P<0.05)。Fig. 6 BDE-99 up-regulated the expression of Dio3 mRNA in zebrafish embryosNote: Zebrafish embryos were exposed to BDE-99 at 0 (control), 1, 10, 50 and 100 nmol·L-1; when the embryos reached 22 hpf and 72 hpf, RT-PCR was used to detect Dio3 mRNA expression; each group contains 10 embryos, with 3 replicates in each group; different letters indicate significant differences (mean±SEM, P<0.05).
斑馬魚胚胎在經(jīng)過1、10、50和100 nmol·L-1濃度的BDE-99處理后,在72 hpf進行甲狀腺素TT3和TT4的檢測。與對照組相比,TT3含量在10、50和100 nmol·L-1濃度組都有顯著降低,分別降低至對照組的81%、79%和73% (P<0.05) (圖7(a)),TT4含量在50 nmol·L-1和100 nmol·L-1濃度組都顯著降低,分別降低至對照的84%和85%(圖7(b))。

圖7 BDE-99降低斑馬魚體內(nèi)總?cè)饧谞钕僭彼?TT3)和總四碘甲狀腺原氨酸(TT4)含量注:斑馬魚胚胎暴露于0(對照)、1、10、50和100 nmol·L-1的BDE-99;使用Elisa法檢測72 hpf斑馬魚胚胎的甲狀腺素含量;每組包含10個胚胎,每組3個重復;不同的字母表示顯著差異(平均值±SEM;P<0.05)。Fig. 7 BDE-99 reduces the content of total triiodothyronine (TT3) and total tetraiodothyronine (TT4) in zebrafishNote: Zebrafish embryos were exposed to BDE-99 at 0 (control), 1, 10, 50, and 100 nmol·L-1; the thyroxine content of 72 hpf zebrafish embryos was measured using the Elisa method; each group contains 10 embryos, with 3 replicates in each group; different letters indicate significant differences (mean±SEM; P<0.05).
本研究結(jié)果表明,在灰塵中含有BDE-99和BDE-47,且BDE-99的含量大于BDE-47,且辦公室灰塵中的BDE-99和BDE-47含量比家庭中的多,可能是由于辦公室的電腦產(chǎn)品比家庭應用得更多,電腦附近會釋放更多的BDE-99和BDE-47。將斑馬魚胚胎暴露于辦公室和家庭灰塵的萃取液中,會導致斑馬魚眼部色素沉著減少,與BDE-99有著相似的現(xiàn)象。已知BDE-99在動物體內(nèi)能夠降解為BDE-47,GC-MS檢測結(jié)果表明,斑馬魚胚胎內(nèi)的BDE-99在24 hpf和48 hpf基本無降解,也沒有明顯檢測到BDE-47,進一步說明灰塵萃取液對36 hpf斑馬魚胚胎色素的降低作用主要是BDE-99引起的。將斑馬魚胚胎暴露于BDE-99,結(jié)果顯示,Dio3表達量升高,TT3和TT4含量降低,這表明,BDE-99會增強Dio3活性,Dio3會介導甲狀腺激素的調(diào)節(jié),Dio3 mRNA表達量升高導致甲狀腺激素分泌減少,對機體代謝造成影響。
Wang等[21]在90%的房屋粉塵中,檢測到BDE-47、BDE-99、BDE-153、BDE-18和BDE-209,其中,BDE-209居多。本研究也在灰塵中檢測到了BDE-47和BDE-99。Li等[22]在研究中提到,舊計算機相較于新計算機會釋放更多的PBDEs。Zheng等[23]在手機和個人計算機表面檢測到BDE-209。Lee等[24]的定量物質(zhì)流分析結(jié)果顯示,電視和電腦顯示器中含有大量的PBDEs。這表明,電子產(chǎn)品會釋放更多的PBDEs,本研究也有證實了這一點。
色素沉積的降低與甲狀腺激素脫碘酶有一定關(guān)聯(lián),本研究結(jié)果也證實了BDE-99會造成Dio3 mRNA表達量的升高,這可能是眼部色素沉著降低的原因之一。當非洲爪蟾暴露于C-BDE-99(特定放射性49 Ci,即1 813 GBq·(mol·L-1)-1與BDE-99),1.5 d后在視網(wǎng)膜黑色素層中發(fā)現(xiàn)了放射性物質(zhì),表明眼部區(qū)域已經(jīng)有BDE-99累積,導致色素沉著的降低[25]。Yoo等[26]的研究結(jié)果表明,甲狀腺激素通過分泌黑素細胞刺激素(MSH)參與黑色素的合成和色素細胞活力的調(diào)節(jié),在控制正常色素的形成中起著重要作用。色素沉著的機理很大程度上取決于甲狀腺激素。Dong等[27]使用6-羥基-四溴聯(lián)苯醚(6-OH-BDE-47)對斑馬魚進行染毒,發(fā)現(xiàn)6-OH-BDE-47會誘導Dio3 mRNA表達升高。Wang等[28]的研究結(jié)果表明,BDE-47顯著增加了Dio1和Dio3的表達,并導致T4和T3的水平降低,表明Dio1和Dio3在BDE-47誘導的甲狀腺激素代謝中具有重要作用。在本研究中,BDE-99造成斑馬魚胚胎體內(nèi)Dio3表達量升高,TT3和TT4含量降低,進而導致BDE-99對機體代謝產(chǎn)生影響,也進一步證實了Dio3與機體代謝之間的聯(lián)系。
綜上所述,室內(nèi)灰塵中含有BDE-99和BDE-47,而電子產(chǎn)品會產(chǎn)生更多的BDE-99和BDE-47,暴露于BDE-99會造成斑馬魚胚胎中Dio3 mRNA表達量升高,進而使TT3和TT4含量降低,這可能是由于BDE-99對Dio3有誘導作用,影響Dio3活性,從而造成甲狀腺功能的調(diào)節(jié)紊亂,影響機體代謝。
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