环境内分泌干扰物暴露致心肌线粒体损伤的研究进展

2020-11-13唐兰俞捷许洁

生态毒理学报 2020年4期

唐兰，俞捷，许洁

遵义医科大学公共卫生学院，遵义 563000

近年来，心脏疾病(如冠心病、心衰等)在中国的发病率及死亡率持续增加并呈年轻化趋势，已成为严重的公共卫生问题[1]。大量研究已证明，引起心脏疾病的主要危险因素有高血压、高血脂、吸烟、肥胖及糖尿病等，除此以外，越来越多的研究结果表明，心脏疾病的发生与环境中化学污染物有关。环境内分泌干扰物(environmental endocrine disruptors, EEDs或endocrine disrupting chemicals, EDCs)，指可通过干扰生物体内天然激素的合成、分泌、结合、反应和代谢等，而对生物体的神经、内分泌、生殖和免疫系统等的功能产生影响的外源性化学物质[2]。目前，大量流行病学与动物实验研究结果均表明，EEDs暴露与心绞痛、高血压、冠心病、心力衰竭、心肌梗死及动脉粥样硬化等的发生有关[3-5]。

线粒体是细胞内氧化磷酸化和形成三磷酸腺苷(ATP)的主要场所，有细胞“动力工厂(power plant)”之称。成人心脏中线粒体占心肌细胞体积的1/3，在供氧充足的条件下，95%以上的ATP产生来自线粒体的氧化代谢。心脏的高能量需求必须紧密伴随着线粒体能量生成，当能量的产生、储存和利用发生障碍，心脏各项生命活动必将受到损害。研究表明，心肌线粒体结构功能异常可导致心肌病、心力衰竭、缺血性心脏病和动脉粥样硬化等心脏疾病的发生[6-9]。因此，本文综述了部分EEDs(双酚A、壬基酚、邻苯二甲酸二(2-乙基)己酯(DEHP)、马拉硫磷、磷化铝、镉和汞)以及部分主要含EEDs的混合物(SO2与苯并芘复合物、PM2.5)对心肌线粒体的毒性及损伤机制，为今后心脏疾病治疗方案的研究提供了新方向。

1 EEDs的心肌线粒体毒性及其机制(Myocardial mitochondrial toxicity and its mechanism of EEDs)

1.1 双酚A

双酚A(bisphenol A, BPA)，用于生产聚碳酸酯和环氧树脂塑料，广泛应用于日常产品，如食品与饮料容器、玩具和医疗设备等。动物实验研究表明，心脏BPA(100 μmol·L-1)急性暴露(≤15 min)后可导致QRS间期延长和心室搏动减少，并最终导致完全心脏阻滞[10]；BPA暴露48周后，可致小鼠心肌肥大[11]；长期接触双酚A会增加心肌梗死后的炎症反应，降低肌成纤维细胞的修复功能，从而降低心肌梗死后的重建能力[12]。

1.1.1 与线粒体功能有关基因表达的改变

过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α(PGC-1α)是心脏中调控线粒体能量代谢的重要基因，PGC-1α的甲基化与心肌病合并心肌能量代谢改变有关[13]。在BPA暴露所致的心脏疾病中，同样也涉及PGC-1α的改变。如BPA长期暴露能诱发雄性大鼠心肌肥大，其机制可能与PGC-1α mRNA表达水平下降有关[14]。同时，BPA暴露也会导致与大鼠心肌线粒体活性有关的基因(Tfam、Nrf-1和Nrf-2)的mRNA表达下降及调节线粒体ATP产生和线粒体呼吸酶复合物(MRC)活性的关键基因(Atp5e、Atp5o、Uqcrc2和Uqcrfs1)的表达下降。此外，在BPA暴露的大鼠心脏中，参与线粒体能量代谢调控的基因ERRα、ERRγ和PPARα的表达均下调，以及参与线粒体脂肪酸氧化(FAO)的重要基因ACADM、FABP3和LP1表达显著性下调[11]。

与线粒体功能有关的其他基因，如长期暴露于BPA的小鼠会导致DNMT3α表达增加、DNA甲基化改变及蛋白表达模式改变，进而导致心脏结构和功能改变[15]；长期BPA暴露的大鼠，与对照组相比，DNMT1和DNMT3B的mRNA和蛋白表达均显著性升高[11]。

1.1.2 氧化应激增加

活性氧(ROS)能影响线粒体基因表达所必需的线粒体转录因子A[16]。BPA暴露可导致大鼠心脏脂质过氧化增加、还原型谷胱甘肽(GSH)水平减少和过氧化氢酶的活性降低，表明BPA暴露能够诱导ROS的产生而损害大鼠心肌线粒体功能[17]。

1.1.3 Ca2+稳态紊乱

邻近细胞器之间的Ca2+通量控制着许多细胞活动过程，如新陈代谢和细胞存活，钙离子通量从细胞内存储到线粒体是细胞代谢所必需的[18]。线粒体钙稳态异常(如Ca2+超载)可通过Ca2+刺激NO产生、Ca2+诱导的心磷脂过氧化、Ca2+诱导的线粒体通透性孔打开以及随后释放的细胞色素c和GSH抗氧化酶，而导致氧化应激升高[19]。BPA暴露也会损害细胞内钙处理，导致钙瞬态振幅降低和持续时间延长[20]，以及大鼠心律失常[21-22]。

1.1.4 心肌线粒体呼吸酶活性降低

研究表明，BPA暴露第48周时，暴露组心肌线粒体呼吸酶CΙ、CⅡ、CⅢ和CⅣ活性均显著性降低[11]。此外，BPA还可致心肌线粒体膜电位降低。

1.1.5 影响线粒体的分裂/融合

正常分裂和融合周期有助于线粒体网络适应细胞不断变化的代谢需求，并允许代谢物、酶和线粒体DNA在整个线粒体网络中混合和扩散。相反，异常分裂和融合周期则会影响线粒体结构与功能。ERK1/2信号通路影响着细胞存活和线粒体动力学，当ERK1/2信号通路被激活时可促进线粒体的分裂/破碎[23]。研究发现，BPA可通过激活ERK1/2显著地促进心脏成纤维细胞增殖及胶原产生，增加间质纤维化，削弱心功能[24]。

1.2 壬基酚类

壬基酚(nonylphenol, NP)，常作塑化剂而被大量应用于食品塑料包装中，具有疏水性和较长的半衰期，易在包括人类在内的生物体内积累，并表现出一系列的毒性作用。研究者将离体的豚鼠心脏暴露于NP时，发现NP暴露组的心率与冠脉流量明显降低且乳酸脱氢酶显著增加[25]。另一研究中，离体大鼠心脏暴露于NP(10-8～10-6mol·L-1)后，钙通道可被直接阻断，电流幅值下降，心肌收缩力随之下降[26]。除心脏外，有研究发现，NP暴露组大鼠胰岛中ROS和细胞内钙离子水平上升，线粒体膜电位(MMP)水平下调，进而导致大鼠胰腺损伤、糖耐量破坏和胰岛素分泌减少[27]。低剂量的NP通过线粒体依赖和Fas-fas-L通路引起大鼠肝脏损伤，诱导肝细胞凋亡[27]。

壬基酚乙氧基酯(NPEs)，是一种表面活性剂，通常用于清洁产品、工业过程、农业配方和油漆中。研究发现，两栖动物的心脏易受NPEs的影响，NPEs暴露会引起心肌细胞线粒体和膜组件的超微结构改变，表现为线粒体肿胀和嵴断裂以及粗面内质网扩张，其原因可能是具有亲脂性的NPEs直接扰乱细胞膜的脂质环境[28]。

1.3 邻苯二甲酸二(2-乙基)己酯

邻苯二甲酸二(2-乙基)己酯(di (2-ethylhexyl) phthalate, DEHP)，是一种广泛应用于聚氯乙烯医药产品的增塑剂，具有高度疏水性，会从与血液、血清和其他亲脂性液体接触的塑料中渗出。新生大鼠心肌细胞暴露于DEHP (50～100 μg·mL-1, 72 h)时，DEHP可使心肌细胞脂肪酸产能增加而导致心肌细胞代谢重构[29]。其机制可能包括脂肪酸代谢相关基因(PPARα、PGC-1α和PGC-1β)上调；编码脂肪酸代谢酶的基因(ACSL1、ACAA2、ACADL、ACADVL和HADHA)上调；以及与脂肪酸氧化通路有关的线粒体导入基因(CPT1A、CPT1B和SLC25A20)上调。这些基因上调将导致脂肪酸底物利用率、耗氧量及线粒体数量增加。另有研究发现，DEHP可引起血管周围的淋巴样浸润、心肌细胞核周空泡化，纤维间出血和心肌束紊乱[3]。其机制包括：DEHP使心脏组织中活性氧的生成增加；DEHP使心脏脂质过氧化增加，蛋白质羰基水平和DNA碎片增加。此外，DEHP可使过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性增加，以及使蛋白结合的巯基浓度降低，从而使心脏组织抗氧化能力降低。在Posnack等[30]研究发现，用DEHP处理新生大鼠的心肌细胞后，细胞电活动、钙处理、黏附和微管运输相关的基因修饰表达改变，进而导致细胞心律失常。

1.4 磷化铝

磷化铝(aluminum phosphide, AlP)，是世界上最常用的农药之一，在许多亚洲国家已成为导致自体中毒死亡的主要原因，心脏是AlP发病的主要器官。研究发现，AlP中毒后观察到心电图异常和线粒体功能障碍，包括氧化应激增加、ATP耗竭和凋亡[31]。此外，当磷化铝与水分接触时，释放出磷酸盐，后者引起氧化应激标志物活性氧与谷胱甘肽水平升高及髓过氧化物酶(MPO)活性升高，而超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和6-磷酸葡萄糖脱氢酶(G6PD)活性降低，同时SOD1与过氧化氢酶表达降低，从而导致心肌线粒体损害[32]。

1.5 马拉硫磷

马拉硫磷(malathion)，一种有机磷杀虫剂，广泛应用于农业、住宅园林绿化、公共娱乐场所和灭蚊等领域。研究发现，马拉硫磷可引起心脏氧化损伤，增加丙二醛(MDA)水平，消耗GSH，降低超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)等抗氧化酶的活性[33-34]。此外，马拉硫磷可通过抑制线粒体呼吸链中复合物Ι至Ⅳ的活性，降低线粒体跨膜电位，消耗细胞内ATP含量，提高二磷酸腺苷/三磷酸腺苷(ADP/ATP)比值，增加乳酸脱氢酶的释放，破坏细胞膜完整性，诱导细胞死亡[35]。

1.6 镉

在离体大鼠心脏中，镉通过阻断钙通道来降低心肌收缩力，在等渗和低渗介质中会导致线粒体肿胀及无能量生成[36]。Oyinloye等[37]发现，每日给予Cd (200 mg·L-1CdCl2)连续21 d，可引起明显的氧化应激和心肌组织损伤，表现为心肌纤维变性、过度水肿和炎性细胞浸润。在淡水蟹类研究中发现，随着镉暴露时间延长，依次出现心肌水肿、空泡、玻璃体变性、炎性细胞浸润，以及线粒体膜肿胀、溶解、变形及嵴分化不良、崩溃甚至大量线粒体完全空泡化[38]。其机制可能与镉影响防御酶包括SOD、CAT和谷胱甘肽过氧化物酶的活性及增加心脏中MDA的浓度有关。此外，镉也可损害扇贝的心肌线粒体[39]。

1.7 汞

汞对心血管的影响包括动脉高血压、冠心病、心肌梗死、心律失常、心率变异性降低、动脉粥样硬化和血管平滑肌功能障碍[5,40]。其机制包括：有毒汞暴露会增加自由基、活性氧和超氧阴离子的产生，降低ATP合成，消耗谷胱甘肽，还会增加磷脂、蛋白质和DNA过氧化；汞还会降低硒的利用率，降低谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)的活性，在此过程中产生超活性氧，从而促进脂质过氧化和氧化应激，诱导细胞凋亡和细胞自燃[5,41]。此外，研究发现，HgCl2暴露会使心肌组织损伤明显，出血、炎性细胞浸润明显，其机制包括使心肌组织中MDA浓度明显升高，还原性/氧化性谷胱甘肽(GSH/GSSG)比值明显降低；心肌组织细胞核中的Nrf2积累明显减少[42]。其中，Nrf2的激活可协调抗氧化剂和抗炎反应[19]。

2 EEDs混合物对心肌线粒体的毒性及其机制(Myocardial mitochondrial toxicity and its mechanism of EEDs mixtures)

SO2和苯并芘复合物暴露后，小鼠心肌线粒体氧化磷酸化复合体亚基CO4和ATP6的mRNA表达水平显著降低，调控基因PGC1-α、NRF1和mtTFA的mRNA和蛋白水平也显著降低[43]。这提示小鼠暴露于SO2和苯并芘复合物后，可能通过降低心肌中NRF1表达，影响其对mtTFA的调控，进一步抑制相关基因组的转录和翻译，最终导致小鼠心肌线粒体的氧化磷酸化功能受损，进而引发心血管疾病。

PM2.5主要来源于燃料燃烧、机动车尾气和道路扬尘等，其成分基本上包括有机物(如多环芳烃、苯并芘等)和无机成分(如金属元素、硝酸盐和硫酸盐等)[44]。动物实验研究发现，随着PM2.5浓度不断加大，心肌线粒体的超微结构逐步出现损伤效应，如线粒体肿胀、嵴紊乱、分解和消失[45]。此外，PM2.5上调了大鼠线粒体蛋白融合基因OPA1、Mfn1的mRNA和蛋白表达，进而促进了线粒体融合，PM2.5上调了大鼠心脏线粒体蛋白分裂基因Drp1和Fis1 mRNA和蛋白表达，进而促进了线粒体分裂。

3 小结与展望(Summary and prospect)

综上所述，引起线粒体损伤的EEDs及EEDs混合物包括：双酚A、壬基酚、DEHP、马拉硫磷、磷化铝、镉、汞、SO2和苯并芘复合物以及PM2.5。这些物质对心肌线粒体毒性作用机制包括：(1)使呼吸链受损、呼吸酶活性降低、膜电位降低、线粒体膜损害、Ca2+稳态紊乱、氧化应激增加及抗氧化能力降低；(2)线粒体能量代谢调控基因表达改变，如PGC-1α、ERRα、ERRγ和PGC-1β；(3)影响线粒体融合与分裂等。通过这些机制引起心肌线粒体损伤后所导致的心脏疾病包括心肌炎、冠心病、心律失常和心肌梗死等(图1)。