擬除蟲菊酯暴露對子代神經行為發育的影響及其傳代效應

徐立華綜述 孟秀紅,2審校

中國是世界上農藥產量和消費量最大的國家,農藥污染嚴重。擬除蟲菊酯類農藥是當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用于公共衛生和農業、林業以及畜牧業的原因。中國多個省份檢出環境擬除蟲菊酯類農藥殘留,對土壤、大氣和水環境造成嚴重污染。擬除蟲菊酯類農藥暴露對人體神經行為發育具有損害作用。孕期是胎兒神經行為發育的關鍵時期,孕期接觸雙酚A等環境內分泌干擾物可以導致子代神經行為發育障礙。擬除蟲菊酯類農藥作為潛在的環境污染物和內分泌干擾物顯然并不是那么無害[1],動物實驗和出生隊列研究提示,孕期擬除蟲菊酯暴露對子代神經行為發育造成嚴重影響。目前,對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,更沒有聚焦于對后代的傳代效應。因此,應深入探討擬除蟲菊酯暴露對子代及其后代神經行為發育的影響及其機制,關注后代神經行為發育健康。

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藥,是使用模仿除蟲菊酯結構的化學方法仿生合成的,會影響昆蟲神經系統中的鈉離子通道,增加通道打開時間,最終刺激神經細胞,導致昆蟲癱瘓乃至死亡。根據是否含有α-氰基(α-CN)將擬除蟲菊酯類農藥分為Ⅰ型和Ⅱ型,Ⅰ型擬除蟲菊酯(如氯菊酯、聯苯菊酯等)因在光照下不穩定,易氧化分解為無效體而只能用于衛生殺蟲劑如蚊香、寵物噴劑等,其室內檢測濃度遠高于室外濃度;Ⅱ型擬除蟲菊酯(如氰戊菊酯、氯氰菊酯等)在光照下穩定,可以作為一種強效殺蟲劑應用于公共衛生和農業、林業以及畜牧業。

擬除蟲菊酯類農藥廣泛存在于大氣、水和土壤環境中。巴西東南部城市地區大氣中檢測出擬除蟲菊酯意味著擬除蟲菊酯污染已較為普遍[2],當地空氣擬除蟲菊酯濃度遠高于世界其他地區報告濃度。在美國,擬除蟲菊酯類農藥被認為是非農業用途農藥,是造成地表水體中農藥的水相和沉積物基準超標的主要因素。隨著中國農業現代化的發展,農藥的使用量也在逐步增加。中國多個省份溫室及露天土壤中檢測出擬除蟲菊酯農藥殘留。一份研究擬除蟲菊酯類殺蟲劑在農田中分布的實驗數據指出,擬除蟲菊酯類農藥在中國東南部地區農用地表水和土壤中廣泛存在,且污染水平相對全國其他地區較高。收集中國黃海南部和東海的海水樣本并對其進行檢測,其擬除蟲菊酯的總濃度范圍為0.72～1.82 ng/L,生物風險評估后顯示該濃度對甲殼類動物構成高風險[3]。對山東沿海4個城市的海產品抽樣調查[4],檢出氯氰菊酯和溴氰菊酯等擬除蟲菊酯類農藥殘留,但其濃度暫不能對一般人群構成健康風險。上述現況研究表明環境擬除蟲菊酯暴露已成為重大公共衛生問題。

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物,常用于評價人群擬除蟲菊酯暴露程度。西班牙加泰羅尼亞西北部的農場工人因擬除蟲菊酯暴露率較高,在其尿液中檢測出高濃度的3-PBA。亞洲8個國家的尿液樣本中均檢測出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,揭示母親體內濃度越高,兒童體內含量越高的事實[6]。意大利人群隊列的7歲兒童尿液中檢測出高濃度的3-PBA[7]。越來越多的研究表明,擬除蟲菊酯具有神經毒性、生殖毒性、發育毒性和遺傳毒性,其健康危害不容忽視。

2 擬除蟲菊酯對神經行為發育的影響

隨著對擬除蟲菊酯研究的不斷深入,擬除蟲菊酯暴露造成神經行為發育障礙的證據越發充足。溴氰菊酯暴露可以導致大鼠大腦活性氧含量增加,通過誘導神經遞質的作用和病理改變,使大鼠出現記憶和學習行為的缺陷[8]。將成年小鼠暴露于溴氰菊酯一個月,病理檢查顯示小鼠海馬齒狀回中的神經祖細胞和雙皮質素表達減少,抑制海馬神經元發生并導致小鼠學習和記憶缺陷[9]。成年雌性斑馬魚暴露于環境相關濃度下的氯氰菊酯21 d后,大腦中興奮性神經遞質谷氨酸的含量顯著增加,并促進了谷氨酸能突觸之間的興奮性神經遞質的釋放,最終導致社交行為過度活躍[10]。聯苯菊酯暴露的成年大鼠額葉皮質和紋狀體中脂質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,進而促進焦慮樣行為的產生。將斑馬魚的受精卵暴露于含有氰戊菊酯的環境中,經過一段時間的觀察與培養,結果顯示,斑馬魚幼仔的存活率降低,畸形率和異常行為增加,出現了典型的帕金森樣癥狀[11]。

人群研究也表明擬除蟲菊酯對人體神經行為造成嚴重影響。美國一項關注老年人環境擬除蟲菊酯暴露和認知功能障礙關系的研究結果顯示兩者之間存在正相關。埃及青少年男性的縱向研究中評估了擬除蟲菊酯和注意力缺陷與多動障礙(attention deficit and hyperactivity disorder,ADHD)之間的關聯,結果表明兩者之間存在正相關[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田以及室內蚊香的使用水平有關,接觸擬除蟲菊酯殺蟲劑可能對兒童的工作記憶和語言理解產生重大影響。擬除蟲菊酯暴露對人體神經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行為發育的證據

有研究[13]表明,環境污染物是全球神經發育毒性大流行的重要因素,而孕期是發育的主要敏感窗口階段,孕期少量接觸環境污染物就有可能導致神經行為發育異常。孕期小鼠氰戊菊酯暴露以性別依賴的形式延遲子代生長和神經行為發育,雄性后代焦慮樣行為增加,雌性后代的空間學習和記憶嚴重受損。氯氰菊酯孕期暴露降低了大鼠神經干細胞的增殖、成熟以及神經元的生成,擾亂了神經元和星形膠質細胞的比例,增強了海馬神經退行性改變,導致大鼠認知障礙。孕鼠暴露于溴氰菊酯后,對其胎鼠大腦皮質進行蘇木精和伊紅染色顯示暴露于溴氰菊酯的胎鼠神經元增殖、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。產前而非產后早期溴氰菊酯暴露會損害小鼠運動、學習和記憶能力,并導致雄性后代齒狀回中的神經元丟失,損害雄性小鼠的神經元發育[14]。產前將小鼠暴露于飲用水中可接受的每日氯菊酯攝入量,免疫組織化學分析顯示,氯菊酯暴露組海馬齒狀回雙皮質素陽性細胞增加,影響成熟后神經回路基礎的形成,導致小鼠對新環境的不完全適應行為以及學習和記憶障礙[15]。但這些研究僅限于討論病理和行為表型層面的結果,對于擬除蟲菊酯如何造成神經行為發育損傷的具體機制仍處于探索階段。

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

4 父代擬除蟲菊酯暴露損害子代神經行為發育的證據

以往對環境污染物的研究多集中在孕期暴露,近年來,越來越多的人關注父親對后代健康影響。研究[20]表明,子代可以通過精子的甲基化繼承父代所經歷的暴露而產生的有害效應。以相當于普通人的擬除蟲菊酯暴露量對大鼠進行實驗暴露,分析顯示處理組精子的表觀遺傳調節蛋白與對照組存在差異,且這種差異在后3代中保持不變[21]。相同地,另一項大鼠擬除蟲菊酯暴露實驗表明,擬除蟲菊酯暴露會導致精子遺傳重編程障礙,降低精子數量和活性[22]。成年雄性小鼠持續暴露氰戊菊酯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,并對后代體內激素水平造成不良影響。擬除蟲菊酯誘導精子形成跨代差異甲基化區域(differentially methylated region, DMR)。DNA甲基化是表觀遺傳的主要機制之一,DMR的形成可能與后代神經行為發育障礙有關[23]。

美國的一項男性擬除蟲菊酯暴露與精子關系的研究表明,擬除蟲菊酯暴露造成精子DNA損傷率為33.8%。對計劃懷孕的346例準備進行孕前檢查的男性精液及尿液進行分析,體內3-PBA檢出率高達99.7%,其相對含量與精液質量呈負相關[24]。捷克CELSPAC-SPECIMEn 隊列研究[25]在收集了110對父子的尿液后,測定尿液中DNA甲基化生物標志物5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine, 5-mC)和羥甲基化標志物(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象父親的精子進行比較分析,提示DMR可以作為父系后代自閉癥易感性的生物標志物[26]。擬除蟲菊酯暴露可能通過表觀遺傳途徑對子代和后代產生影響。

上述動物實驗與人群研究提示,父代擬除蟲菊酯暴露可能與子代神經行為發育障礙有關,但缺少直接證據,表觀遺傳可能是其主要機制。

5 擬除蟲菊酯暴露的傳代效應

環境有害因素對子代神經行為發育的損害具有傳代效應的報道逐漸增加。懷孕大鼠每天暴露于氯氰菊酯后,影響子代及其后代體內激素水平表達,學習和記憶障礙,并在第三代時出現發育缺陷。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,行為學顯示氯菊酯暴露對子代及其后代斑馬魚幼體的行為均有顯著影響[27],轉錄組學研究顯示子代和后代DNA甲基化水平發生變化,谷氨酸能突觸活性失調,子代和后代也出現相同的結果[28]。生命早期暴露于氯菊酯的雌性大鼠及其后代中測量到全基因組DNA甲基化的減少,而未經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元密度并下調了腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)的表達,導致雌鼠空間學習和記憶能力下降[29]。環境暴露的多代和跨代遺傳可能是由表觀遺傳改變介導,DNA甲基化可能存在于整個基因組的DMRs,這反過來可能影響多個基因的表達。

暴露于環境毒物通過改變雄性和雌性配子的產生、成熟和質量、生殖周期以及分娩和妊娠結局,誘發生殖毒性效應,并可能傳遞給后代。哈佛大學的一項研究表明,孕婦使用己烯雌酚會增加子代及其后代的兒童罹患ADHD的風險,從人群層面證實孕期有害因素對神經行為發育的損害具有傳代效應。但同為環境內分泌干擾物的擬除蟲菊酯是否具有傳代效應的人群證據尚未見報道。

6 總結與展望

當前研究表明,擬除蟲菊酯類農藥在人群中的暴露率較高,其主要代謝產物3-PBA在人群中有很高的檢出率。擬除蟲菊酯類農藥污染已成為重大公共衛生事件。孕期少量接觸環境有害因素就會導致神經行為發育異常,強有力的出生隊列證據表明孕期擬除蟲菊酯類農藥暴露對子代的神經行為發育有重大影響。父代環境有害因素暴露可能通過表觀遺傳機制繼承給后代,擬除蟲菊酯暴露致父代精子DNA低甲基化可能是子代神經行為障礙的原因之一,但尚無人探討。因此,擬除蟲菊酯類農藥父代與孕期暴露對子代神經行為發育的影響及其傳代效應應深入研究。