孕期外源化合物暴露影响子代下丘脑-垂体-肾上腺轴功能的研究进展

张 崇，程玉洁，潘 洁，张 瑜

（湖北医药学院附属襄阳市第一人民医院药学部，湖北 襄阳441000）

下丘脑-垂体-肾上腺（hypothalamic-pituitaryadrenal，HPA）轴是机体应激反应的重要神经内分泌轴，也是易受损伤的重要靶位。越来越多的证据表明，诸多成年期疾病与HPA轴的功能异常密切相关，如神经精神性疾病和代谢性疾病等［1］。这些成期年疾病的发生与孕期不良宫内环境密切相关。如孕期室内空气污染与子代低出生体质量、早产和认知功能缺陷等相关；孕期过量接触烟草烟雾与子代肥胖、高血压和糖尿病相关；孕妇过量使用地塞米松可导致子代先天性肾上腺畸形和肝脂肪沉积等［2-3］。因此，HPA轴功能异常可能在一定程度上介导了孕期不良宫内环境所致子代成年疾病的发生。外源化合物（简称外源物）是导致不良宫内环境的明确和重要诱因之一。

1 HPA轴功能发育及疾病易感性

1.1 HPA轴功能发育及调控网络

HPA轴接受包括海马、杏仁核和中脑前额叶皮质在内的高位中枢调控。不同种属动物HPA 轴的发育及成熟过程差距较大。在人和灵长类，分娩时胎儿各器官发育已相对成熟，其脑及神经内分泌系统的快速成熟发生在宫内；而在大鼠等啮齿类动物，分娩时胎儿的器官发育相对不太成熟，其神经内分泌系统的快速成熟发生在出生后早期的应激-低反应期［4］。下丘脑室旁核（paraventricular nucleus，PVN）是HPA 轴的直接控制部位，其活性和功能状态受高位中枢的调控。在PVN区域，存在一类神经内分泌小细胞，可分泌促肾上腺皮质激素释放激素（corticotropin releasing hormone，CRH）和精氨酸加压素（arginine vasopressin，AVP）。CRH和AVP可分别与垂体相关受体结合，促使促肾上腺皮质激素（adrenocorticotrophic hormone，ACTH）的释放，后者可通过激动肾上腺皮质的ACTH 受体促进糖皮质激素（glucocorticoids，GC）的合成和释放。体内存在2 种类型的GC 受体，Ⅰ型受体对皮质醇（酮）的亲和力远大于Ⅱ型受体，称为盐皮质激素受体（mineralocorticoids receptor，MR），Ⅱ型受体即为通常所说的糖皮质激素受体（glucocorticoids receptor，GR）。血液循环的GC 可在海马、下丘脑和垂体，通过与其受体结合而负反馈抑制HPA 轴活性。海马是负反馈调控HPA 轴的主要高位调节中枢，有大量的GR 和MR 分布。MR 对GC的亲和力是GR对GC亲和力的10倍以上［2］。当机体内GC水平较低时，海马局部GC几乎全部与MR结合，维持HPA 轴的基础活性，GR 处于空载状态；当体内GC水平过高，使MR处于饱和状态时，过量的GC 则与GR 结合，从而对HPA 轴发出负反馈抑制信号，抑制GC的过量生成。

1.2 HPA轴功能异常与成年疾病易感性

基于HPA轴在应激反应中的重要作用，多种疾病的发生与HPA 轴的功能及其调节异常有关。最为人们熟知的是抑郁症和焦虑症。Gelman 等［5］认为，围生期抑郁症与HPA 轴功能异常有关；de Rezende 等［6］发现，创伤应激、抑郁症和HPA轴功能异常三者之间存在相互联系；Farrell等［7］认为，儿童和青少年抑郁患者伴随着HPA轴功能异常。除了抑郁症外，Faravelli等［8］认为，生命早期生活事件的刺激会改变HPA轴对应激的反应，进而导致成年期焦虑症的发生；Chen等［9］发现，双酚A暴露所诱导的焦虑症与HPA轴功能异常有关。此外，HPA轴功能异常也与子代糖尿病等代谢性疾病密切相关［10］。

综上，在应激状态下，海马、杏仁核和中脑前额叶皮质等高位中枢发出应激信号后，通过下行神经纤维传递给PVN，从而启动机体的应激反应。HPA轴从下丘脑起始，向下依次通过CRH/AVP，ACTH和GC 形成级联反应，同时GC 又可通过GR 和MR在垂体、下丘脑和海马等不同部位对HPA进行负反馈调节，从而组成一个完整的环路。HPA轴功能的正常发挥是保持机体健康的必要条件，改变其功能可能会导致多种精神性和代谢性疾病的发生。

2 外源物孕期暴露对子代HPA 轴功能发育的影响

孕期多种外源物可对宫内环境造成不利影响。常见的外源物包括：①环境毒物：如农药、除草剂和各类化工原料［11］，烟草烟雾［12］、氮氧化物［13］、固体悬浮颗粒［14］等；②药物类：如抗肿瘤药物［15］、抗感染药物［16］和抗癫痫药［17］等；③食品类：如乙醇［18］和咖啡因［19］等。这些物质均在一定程度上影响了胎儿发育，甚至可引起宫内发育迟缓（intra uterine growth restriction，IUGR）。

2.1 通过损伤母体生理状况影响胎儿HPA 轴功能发育

母体是胎儿获取营养的唯一来源，也是胎儿排泄的唯一途径。因此，母体的状况对胎儿发育有着重要的影响。有研究表明，孕期母体应激可影响子代HPA 轴功能发育，而多种外源物作为应激因子，也可刺激母体的应激反应［20］；孕期母体炎症等因素可过度活化母体免疫系统，影响胎儿神经系统发育和HPA轴功能［21］；孕期母体对胰岛素的敏感性变化可影响子代糖代谢而导致IUGR［22］；产前低剂量乙醇暴露可能与成年大鼠的HPA轴功能异常有关，并可导致其焦虑样改变及对乙醇的摄取行为改变［23］。本课题组的研究也表明，孕期咖啡因［24］、乙醇［25］及尼古丁［26］暴露均可导致母鼠HPA轴过度活化，子代在成年期表现为HPA轴对应激的高敏感性。

2.2 通过损伤胎盘影响胎儿

胎儿和母体之间的物质交换必须经过胎盘。胎盘损伤将导致母源性有害物质过量进入胎儿体内，从而影响胎儿的发育。研究表明，甘草甜素、棉籽酚、邻苯二甲酸、有机锡化合物、烷基酚、双酚A和氟甲睾酮等多种外源物可抑制胎盘2型11β-羟类固醇 脱 氢 酶（11β-hydroxysteroid dehydrogenase type 2，11β-HSD2）的表达［27］。由于11β-HSD2 的主要功能为灭活GC，抑制其表达将导致胎儿过暴露于母源性GC。孕期尼古丁暴露不仅可通过诱导胎盘细胞色素（cytochrome P，CYP）2E1 和CYP1A1 的表达而氧化损伤胎盘，而且通过抑制胎盘P-糖蛋白的表达而增加胎儿对环境毒物的敏感性［28］；孕期咖啡因摄入可影响胎盘肾素-血管紧张素系统（reninangiotensin system，RAS），使胎盘出现P53 依赖性绒毛膜上皮细胞凋亡，对胎儿发育产生不利影响［29］。孕期咖啡因和地塞米松暴露皆可抑制胎盘11β-HSD2 的 表 达，引 起 胎 儿 母 源 性GC 过 暴露［30］。孕期三氧化二砷暴露可影响胎盘多种基因的表达［15］，其机制可能与组蛋白甲基转移酶的表达改变有关。

2.3 透过胎盘直接影响胎儿

许多外源物因分子量小、脂溶性高，易透过胎盘进入胎儿体内。子宫是一个相对封闭的腔隙，胚胎（胎儿）正处于发育阶段，多种防御功能尚未建立，极易受到损伤。因此，这些外源物还可能对胎儿发育产生直接毒性［31］。如，咖啡因脂溶性高，可通过胎盘进入胎儿体内，也可通过胎儿吞饮羊水进一步经胃肠吸收，主要分布于胎儿的肝、脑和心等重要器官；胎肝的药物代谢酶（如CYP1A2）活性较低，同时可通过“逆行生物转化”将代谢产物茶碱还甲基化为咖啡因（占5%～10%），致使咖啡因代谢减慢；胎肾小球滤过功能不全及“羊水肠道循环”可减慢咖啡因及其代谢产物排泄。因此，咖啡因更易在胎儿蓄积而产生直接毒性作用［2］。

综上，孕期外源物暴露可通过影响母体的的生理和（或）病理生理状态，对胎儿的发育产生影响；也可通过影响胎盘11β-HSD2 等基因的表达，破坏胎盘的屏障作用，导致胎儿过暴露于母源性GC 等物质，从而影响其发育；同时，部分分子量小、脂溶性高的外源物也可直接通过胎盘进入胎儿体内，对其发育产生潜在的不良影响。

3 外源物引起胎儿HPA 轴发育改变的毒性机制

研究认为，不良的宫内环境（如应激、低氧血症和营养不良）会引起胎儿HPA 轴发育改变，这种改变可减慢胎儿的生长速度和增加外周组织对代谢激素的敏感性，以确保胎儿出生后在营养物质缺乏的情况下能生存［32］；出生后HPA轴对应激敏感性的增强会加快发展为代谢紊乱的进程。外源物对胎儿HPA轴功能发育影响的报道甚少，但少量的研究提示，IUGR 的胎儿通常存在HPA 轴功能异常［33］。我们的系列研究也发现，孕期外源物暴露在导致胎鼠IUGR 的同时，伴随着胎儿HPA 轴功能抑制［34］，其机制可能与通过损伤胎盘间接影响胎儿和直接改变胎儿基因的表观遗传修饰有关［35］。

3.1 通过损伤外源物代谢相关酶系统影响胎儿HPA轴发育

研究表明，孕期持续暴露于有机污染物可通过异常甲基化的方式改变包括胰岛素样生长因子2在内的胎盘多个基因的表达［36］，孕期乙醇暴露可降低胎盘血管内皮生长因子受体2 和膜联蛋白A4 的表达，同时诱导肿瘤坏死因子α和白细胞介素13的表达［18］，这些均可能通过对胎盘的影响间接对胎儿的发育产生明显的不良反应。国内科学家在多年研究中系统、全面地检测了人胎肾上腺组织中与外源物代谢相关酶系统的表达、活性及特征发现，人胎肾上腺组织具有完善的外源物代谢酶系统，包括Ⅰ相酶-P450 单加氧酶系（如CYP1A1，2A6，2A13，2B，2E1 和3A7 等）、Ⅱ相酶-葡萄糖醛酸转移酶及谷胱甘肽S-转移酶系和抗氧化酶系（如谷胱甘肽过氧化酶、谷胱甘肽S 转移酶、超氧化物歧化酶）等等［37-38］。进一步发现，这些酶系统在胎肾上腺发育过程中既参与了甾体激素的生物合成和代谢过程，又参与了外源物的生物转化过程，且这些代谢酶活性具有明显的外源物诱导作用，其代谢能力相似和（或）显著高于胎肝［2］。这些改变一方面可能对胎盘造成原位氧化代谢损伤，另一方面可能直接进入胎儿体内，造成胎儿HPA轴损伤或改变其发育编程。

3.2 通过改变胎儿基因的表观遗传学修饰

表观遗传学是研究发生在基因组及其周围环境的分子过程，这些过程在不改变基本DNA序列的情况下调节基因活动。因此，表观遗传学的变化在不改变个体基因组序列的情况下改变特定基因的表达。表观遗传学描述了DNA 及其相关蛋白的微观结构，这些结构可被修饰以诱导特定基因的上调或下调。表观遗传机制包括DNA甲基化、染色质重塑和组蛋白修饰。通过这些过程，当前和既往的压力暴露，包括父母在怀孕前的暴露和儿童时期的环境影响，被“传达”给发育中的胎儿。尽管表观遗传变化可能是由于个体自身的发育经历而发生的，但环境信号的跨代传递可通过胚系表观遗传标记的传递而发生（如饥饿或创伤，影响发育中的胎儿）。已证实，表观遗传学修饰参与了胚胎的发育过程，如GR 基因DNA 甲基化异常与生命早期HPA 轴的功能异常有关［7］。外源物可通过多种途径改变胎儿发育过程的表观遗传学修饰，从而影响胎儿的正常发育。如，己烯雌酚和甲氧氯暴露可导致胎儿对雌二醇的反应异常，同时伴有DNA 甲基化改变［39］；宫内暴露于GC 可导致成年期高血压，其发生机制与表观遗传修饰有关［40］。总之，尽管目前的研究还很不充分，但可肯定的是，相关基因的表观遗传学修饰参与了胎儿HPA 轴的发育编程，并与其成年期HPA轴的功能异常有关。

4 结语

综上所述，外源物孕期暴露可对子代产生深远的影响，既可通过母体和胎盘影响胎儿发育，也可直接对胎儿产生毒性。其发生机制与外源物原位代谢损伤、破坏胎盘屏障，以及相关基因的表观遗传修饰异常造成的胎儿HPA 轴发育编程和成年期功能异常有关。成年期HPA 轴功能变化可进一步造成神经内分泌代谢紊乱，增加对抑郁症、焦虑症等精神性疾病以及糖尿病、高血压和高脂血症等多种慢性疾病的易感性。因此，对这一领域的深入研究，尤其是对相关机制的深入探讨，将有助于人们进一步了解成年疾病的发育起源，从而为临床早期防治奠定理论基础。