基于微囊藻毒素毒理學(xué)研究進(jìn)展
【論文關(guān)鍵詞】：微囊藻毒素; 毒理學(xué); 進(jìn)展
【論文摘要】:近年來(lái)，隨著人類生產(chǎn),、生活活動(dòng)的迅速發(fā)展,，工農(nóng)業(yè)排污的增加，各地水體富營(yíng)養(yǎng)化日益加劇,，導(dǎo)致江河,、湖泊中藻類尤其是藍(lán)藻異常繁殖生長(zhǎng)而出現(xiàn)水華現(xiàn)象。當(dāng)藍(lán)藻水華嚴(yán)重時(shí),，水面形成厚厚的綠色湖靛,，散發(fā)出難聞的氣味，不僅破壞了水生生態(tài)系統(tǒng)的平衡,，而且因藻細(xì)胞破裂后釋放出多種藻毒素而對(duì)人和動(dòng)物的飲用水安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅,。文章從微囊藻毒素的理化性質(zhì)、一般毒性,、毒理研究及作用機(jī)理方面來(lái)說(shuō)明當(dāng)前藻毒素研究進(jìn)展,。
1. 微囊藻毒素一般概況
微囊藻毒素(Mycrocystins，MC)是水體中藍(lán)藻爆性繁殖產(chǎn)生的二級(jí)毒性代謝物,，是一種肝毒素,，可在貽貝和扇貝的消化腺內(nèi)積累并沿食物鏈進(jìn)入到高營(yíng)養(yǎng)生物體內(nèi)，包括魚,、鳥,、哺乳動(dòng)物和人類，引起野生動(dòng)物和家畜中毒，其癥狀包括虛弱、皮膚蒼白,、過(guò)冷等，嚴(yán)重的可引起肝大出血及肝壞死,，使動(dòng)物因呼吸阻塞而死亡。微囊藻毒素也可引起人類疾病,，甚至導(dǎo)致人類死亡。
微囊藻毒素是由水體中藍(lán)綠藻如銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa),、魚腥藻 (Anabaena),、顫藻(Oscillatoriaruescens)等產(chǎn)生的具有生物活性的單環(huán) 肽化合物，其結(jié)構(gòu)可表示為環(huán)D-丙氨酸-L-X-赤-β-甲基-D-異天冬氨酸-L-Z-Adda-D-異谷氨酸-N-甲基脫氫丙氨酸。X,、Z為兩個(gè)可變的氨基酸殘基,，這兩個(gè)可變的L-氨基酸的更替及其它氨基酸的去甲基化，衍生出眾多的毒素類型,，至今已發(fā)現(xiàn)MC有60多種異構(gòu)體,。在這眾多異構(gòu)體中存在最普遍、含量較多,、毒性較大,、研究較詳細(xì)的是MC-LR、MC-RR和MC-YR,，L,、R、Y分別代表亮氨酸,、精氨酸和酪氨酸,。Adda(3-氨基-9-甲氧基-2，6,，8-三甲基-l0-苯基-4,，6-二烯酸)是MC生物活性表達(dá)所必需的，研究發(fā)現(xiàn)去除Adda后藻毒素的毒性降低,。
2. MC的理化性質(zhì)
MC性質(zhì)穩(wěn)定,，具有水溶性和耐熱性。MC極易溶于水,，在水中的溶解度>lg／L,，不易沉淀或被吸附于沉淀物和懸浮顆粒物中。在實(shí)驗(yàn)室研究中發(fā)現(xiàn)MC在水體中的穩(wěn)定時(shí)間與水體的特征有關(guān),，水庫(kù)水中低濃度MC-LR(1O／μg／L)不到1個(gè)星期即發(fā)生初級(jí)降解,，在去離子水中超過(guò)27天毒素依舊很穩(wěn)定。毒素在消毒的水庫(kù)中可保持穩(wěn)定l2天,，在自然水庫(kù)水中其不穩(wěn)定性是由于生物降解通過(guò)Adda旁鏈的修飾而滅活這一機(jī)制實(shí)現(xiàn),。在色素存在的情況下，MC卻被迅速降解,，使其活性降低,。此外，純化的MC在陽(yáng)光照射下依然保持其穩(wěn)定性,，但當(dāng)毒素暴露在紫外線時(shí)即可被水解或發(fā)生化學(xué)異構(gòu)和化學(xué)鍵合反應(yīng)而使毒性喪失,，其半衰期是 l0天。當(dāng)紫外線波長(zhǎng)接近其吸收峰周圍 (即 238～254nm),，MC被迅速地降解,。MC耐高溫,，加熱煮沸(水浴100℃，30分鐘)后不失活,，不揮發(fā),，抗pH變化，可溶于甲醇或丙酮,，現(xiàn)行自來(lái)水處理工藝的混凝,、沉淀、過(guò)濾,、加氯均不能有效去除微囊藻,。董傳輝等人的調(diào)查研究亦表明采用飲水消毒處理不能完全消除水體中的藻毒素。
3. 致毒機(jī)理
一些研究發(fā)現(xiàn)微囊藻毒素是一個(gè)相對(duì)化學(xué)惰性的環(huán)七肽,，不具有直接的誘癌能力,，但有極強(qiáng)的肝毒性，所以即使是低濃度的MC,，也可能使人類患上慢性肝病,。有研究認(rèn)為微囊藻毒素同Okadaic acid(OA)的作用類似，但是OA的化學(xué)結(jié)構(gòu)與微囊藻毒素差別極大,，所以很有可能它們作用于不同的受體,，但通過(guò)同一GS受體途徑調(diào)節(jié)相同下游信使酶PP2A的活性。所以,，目前諸多學(xué)者公認(rèn),，微囊藻毒素是蛋白磷酸酶1和2A的強(qiáng)烈抑制劑，通過(guò)抑制蛋白磷酸酶1和2A的活性,，從而幫助解除對(duì)細(xì)胞增值的正常的制動(dòng)作用,。另外，有些研究發(fā)現(xiàn),，微囊藻毒素肝毒作用與體內(nèi)活性氧（ROS）及其誘發(fā)的脂質(zhì)過(guò)氧化水平相關(guān),。所以，微囊藻毒素的肝毒性機(jī)制還不完全清楚,，其致毒機(jī)理可能有化學(xué),、基因、細(xì)胞,、受體毒性等多種情況,。
另外，微囊藻毒素還可導(dǎo)致細(xì)胞生化代謝,、膜離子通道改變,。總之,，微囊藻毒素有相當(dāng)多的生物毒性,，尤其對(duì)肝臟的作用表現(xiàn)為作用形式的多樣性,。
4. MC的一般毒性
藍(lán)綠藻毒素引起的人類疾病有3種，即胃腸炎及其相關(guān)疾病,、變應(yīng)性和刺激性反應(yīng)以及肝臟疾病，MC也是腫瘤促進(jìn)物,。1878年在南澳大利亞的Alexandrina湖首次發(fā)現(xiàn)因泡末節(jié)球藻水華污染飲水導(dǎo)致家畜及禽類死亡,。此后有許多關(guān)于鳥類、魚和其它動(dòng)物藍(lán)綠藻中毒的報(bào)道,，其中亦包括了MC,。近年來(lái)，隨著人類生產(chǎn),、生活活動(dòng)的迅速發(fā)展,，工農(nóng)業(yè)排污的增加，使得水中富營(yíng)養(yǎng)化元素如硝酸鹽和磷酸鹽不斷增加,，導(dǎo)致了藍(lán)藻水華接連不斷的發(fā)生,。至此藍(lán)藻水華引發(fā)嚴(yán)重的水污染和公共健康問(wèn)題已引起人們的關(guān)注，由此展開(kāi)了一系列MC分子結(jié)構(gòu)和毒理學(xué)的研究,。結(jié)果顯示MC的致毒機(jī)理是通過(guò)與蛋白磷酸酶中的絲氨酸/蘇氨酸亞基結(jié)合,，抑制其活性，從而誘發(fā)細(xì)胞角蛋白高度磷酸化,，使哺乳動(dòng)物肝細(xì)胞微絲分解,、破裂和出血，導(dǎo)致肝充血,，動(dòng)物失血休克而死亡,。隨著有關(guān)MC毒性的深入研究，發(fā)現(xiàn)MC具有多器官毒性,、遺傳性和致癌性,。有研究表明MC具有腎毒性，表現(xiàn)為：腎小球內(nèi)紅細(xì)胞減少,，周圍紅細(xì)胞增多,，管腔直徑增大，且存在劑量-反應(yīng)關(guān)系,。近端小管上皮壞死,，遠(yuǎn)端小管蛋白質(zhì)表膜物質(zhì)出現(xiàn)。MC對(duì)脾臟亦有一定的毒性,，可導(dǎo)致脾臟腫大,，有些亞型的MC也可能有神經(jīng)毒性或免疫抑制與刺激作用。此外還有報(bào)道指出MC是心源性心臟病的潛在的致病因素,，它可引起心臟輸出量下降,、血管擴(kuò)張,、血壓降低、心率下降以及多巴胺和異丙腎上腺素分泌等血液動(dòng)力學(xué)改變及其引起的激素分泌,。許多研究均表明MC是一種腫瘤促進(jìn)物,。長(zhǎng)期飲用有MC污染的水是引起肝癌的最主要危險(xiǎn)因素之一；飲用河水,、池塘水等淺表水是大腸癌的危險(xiǎn)因素之一,，其中MC的含量與大腸癌的發(fā)病率呈正相關(guān)。兩者研究均表明飲用水中微量MC的存在與人群中原發(fā)性肝癌,、大腸癌的發(fā)病率有很大的相關(guān)性,，由此表明MC具有潛在的促癌性。
5. MC的肝毒性
MC具有明顯的嗜肝性,，經(jīng)口,、腹腔注射后主要作用于肝臟引起肝臟病變，肝灌流染毒和原代肝細(xì)胞培養(yǎng)染毒表現(xiàn)出與在體實(shí)驗(yàn)相似的結(jié)果,。參照前人所做急性毒性實(shí)驗(yàn)：大,、小鼠經(jīng)腹腔或靜脈接觸MC，LD50在36～122／μg／kg,，經(jīng)口,、呼吸道染毒大鼠時(shí)，其分別為 10．9mg／kg,、43／μg／kg,。急性中毒對(duì)肝臟的損傷在組織病理學(xué)上主要表現(xiàn)為肝臟大面積出血、壞死,、腫脹,、瘀血，肝細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞,。血清酶學(xué)表現(xiàn)為乳酸脫氫酶(LHD)滲漏,，γ-谷酰基轉(zhuǎn)移酶(γ-GT)和堿性磷酯酸合成酶(AKP)升高,，蛋白磷酸酯酶1(PP1)和蛋白磷酸酯酶2A(PP2A)受抑制,。光鏡下Diss間隙微絨毛消失，肝竇狀血管破壞,、血竇內(nèi)皮損傷,、細(xì)胞間隙增大、PAS染色部位可見(jiàn)大面積糖原缺乏區(qū),。電鏡下肝細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,，粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)發(fā)生折疊、線粒體脊膜擴(kuò)張,、胞質(zhì)空泡樣變,、漿膜反折,、細(xì)胞內(nèi)器重新分布，有時(shí)可見(jiàn)核崩解,，有些肝細(xì)胞索微管壓縮,，細(xì)胞骨架破壞，肝細(xì)胞壞死融合成帶,，出現(xiàn)橋接樣壞死,。MC亞急性染毒動(dòng)物可使其血清LHD升高，細(xì)胞膜通透性增加,。對(duì)肝臟的損傷類似于急性中毒，且呈現(xiàn)時(shí)間一劑量反應(yīng)關(guān)系,。而在慢性毒性實(shí)驗(yàn)中,，F(xiàn)alconer等用含MC的水喂養(yǎng)小鼠1年后，小鼠肝細(xì)胞呈現(xiàn)漸進(jìn)性的損傷壞死,，肝纖維化樣變,，淋巴細(xì)胞、中性粒細(xì)胞浸潤(rùn),，肝組織淀粉樣變,，表明MC可引起受試小鼠肝臟慢性炎癥。體外細(xì)胞試驗(yàn)表明,，當(dāng)MC濃度為pg級(jí)時(shí),，細(xì)胞動(dòng)力增加，細(xì)胞凋亡率下降,；當(dāng)毒素濃度為ng級(jí)時(shí),，細(xì)胞被抑制，其結(jié)構(gòu),、形態(tài)學(xué)均發(fā)生改變,，維管系統(tǒng)破壞，肝細(xì)胞壞死,、崩解,，肝臟中磷酯酸合成酶抑制，細(xì)胞骨架破壞,。
毒理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)MC引發(fā)肝臟損傷的機(jī)理可能是MCs是一種具有肝毒性的環(huán)狀七肽化合物,，可作用的主要靶器官是肝臟，作用于肝臟的兩種細(xì)胞,，即肝細(xì)胞和肝巨噬細(xì)胞,。MCs主要經(jīng)飲用水?dāng)z入機(jī)體后通過(guò)膽汁酸的攜帶轉(zhuǎn)運(yùn)至肝細(xì)胞，在肝細(xì)胞中通過(guò)抑制絲氨酸和蘇氨酸的蛋白磷酸酯酶1(PP1)和蛋白磷酸酯酶2A(PP2A)的活性,，激活蛋白激酶和環(huán)加氧酶,，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)多種蛋白質(zhì)的過(guò)度磷酸化,，使細(xì)胞內(nèi)的蛋白磷酸化和去磷酸化作用調(diào)節(jié)失衡，抑制磷酸脫磷酰作用,，使蛋白激酶補(bǔ)充的?；e聚，并通過(guò)細(xì)胞信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)一步放大這種生化效應(yīng),，改變了多種酶的活性,，造成細(xì)胞內(nèi)一系列的生理生化反應(yīng)紊亂，導(dǎo)致兩種主要的結(jié)果：1.細(xì)胞骨架(中間絲和微絲)損壞,，直接引起細(xì)胞毒性效應(yīng),；2.細(xì)胞增生失控，引發(fā)腫瘤增生活性,。在巨噬細(xì)胞中MC可誘導(dǎo)腫瘤壞死因子 (TNF-α)和白細(xì)胞介素 1(IL-1),，這些細(xì)胞因子能誘導(dǎo)產(chǎn)生血小板激活因子(PAF)，并激活環(huán)加氧酶,，環(huán)加氧酶可誘導(dǎo)產(chǎn)生血栓素和前列腺素,，引起肝細(xì)胞炎癥，肝損壞甚至肝壞死 ,。
6. 國(guó)內(nèi)MC-LR毒理學(xué)研究近況
徐元紅等在《水生生物學(xué)報(bào)》文章“微囊藻毒素分子致毒機(jī)理研究近況”中報(bào)道了國(guó)外MC-LR分子致毒機(jī)理研究近況,，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)這方面的研究尚屬空白。吳靜等發(fā)表的藻毒素的毒性及其所引起的健康效應(yīng)和發(fā)生的可能機(jī)制文章中提到了國(guó)內(nèi)最早針對(duì)MC肝毒性的研究工作,，但只有l(wèi)篇,。施瑋等發(fā)表的MC毒理學(xué)綜述文章只是針對(duì)國(guó)外就MC的理化性質(zhì)、暴露劑量毒作及機(jī)理,、預(yù)防等方面的研究作了綜述,，未提國(guó)內(nèi)的研究進(jìn)展。趙金明等綜述的MC致癌性的研究進(jìn)展文章中已提到國(guó)內(nèi)針對(duì)MC的毒理學(xué)研究文章達(dá)5 篇,。閏海,、羅皓等等相繼發(fā)表了MC相關(guān)的毒理學(xué)研究進(jìn)展報(bào)道，雖然介紹了一些國(guó)內(nèi)的有關(guān)MC毒理學(xué)研究工作,，但側(cè)重點(diǎn)介紹的還是國(guó)外研究進(jìn)展,。
綜上所述，國(guó)內(nèi)近十幾年來(lái)對(duì)MC的毒理學(xué)研究取得了很多有價(jià)值的研究成果,，但在MC的毒作用機(jī)制等方面仍未十分清楚,，有待進(jìn)一步的研究。此外,，MC對(duì)人體健康危害甚為嚴(yán)重且無(wú)有效的治療方法,，今后應(yīng)對(duì)MC引起的污染狀況給予足夠的重視，加強(qiáng)環(huán)境水體的監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)MC解毒劑的研究,。為此,，我相信隨著進(jìn)一步的深人研究，MC毒理學(xué)研究一定會(huì)有突破性的進(jìn)展,，從而能有效預(yù)防和治療MC對(duì)人體的危害,，保障人民的生命安全。
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