靛藍(lán)在虹鱒魚(yú)體內(nèi)定位分布的放射自顯影研究

高 鍇，何若竹，檀翠玲，羅彥鶴，閆 佩，Maria E. J?nsson，Ingvar Brandt，周啟星

(1. 天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 天津300191；2. 南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 天津300071；3. 瑞典烏普薩拉大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)中心環(huán)境毒理學(xué)系 瑞典SE-75236)

靛藍(lán)在虹鱒魚(yú)體內(nèi)定位分布的放射自顯影研究

高 鍇1,2,3，何若竹2，檀翠玲1*，羅彥鶴1，閆 佩1，Maria E. J?nsson3，Ingvar Brandt3，周啟星2

(1. 天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 天津300191；2. 南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 天津300071；3. 瑞典烏普薩拉大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)中心環(huán)境毒理學(xué)系 瑞典SE-75236)

以虹鱒魚(yú)為實(shí)驗(yàn)魚(yú)類(lèi)，通過(guò)水浴實(shí)驗(yàn)，以CYP1誘導(dǎo)劑(PCB126)為研究對(duì)象，分析了靛藍(lán)在魚(yú)全身代謝的動(dòng)力學(xué)情況。通過(guò)放射自顯影方法并利用放射性14,C標(biāo)記的靛藍(lán)(18,nM)進(jìn)行水浴暴露實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)開(kāi)始20,min后靛藍(lán)消化于膽液中；在隨后的實(shí)驗(yàn)中(暴露 3～24,h)，在膽汁的排泄途徑中發(fā)現(xiàn)高濃度的標(biāo)記物。在魚(yú)鰓中也存在高濃度的標(biāo)記物；換水后，其放射性濃度逐漸降低。同時(shí)觀察到嗅覺(jué)器官中有選擇性的標(biāo)記，腎臟和肝臟中吸收的放射性物質(zhì)濃度低于鰓。比較暴露于二甲基亞砜(DMSO)和CYP1誘導(dǎo)物PCB126的魚(yú)，其14,C-靛藍(lán)總體布局模式相似。CYP1抑制劑玫瑰樹(shù)堿可以阻攔14,C-靛藍(lán)在魚(yú)鰓中的積蓄。

靛藍(lán) 放射自顯影 虹鱒魚(yú)

靛藍(lán)(Indigo)是一類(lèi)吲哚衍生物，其色素廣泛應(yīng)用于印染業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年消耗 50,000,t靛藍(lán)用于牛仔面料的生產(chǎn)。[1]靛藍(lán)存在兩種氧化還原狀態(tài)(見(jiàn)圖1)，一種是中性的且呈深藍(lán)色的氧化態(tài)，由于酮基與 NH結(jié)構(gòu)中的分子間氫鍵作用而形成的平面形狀的高度穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；[2]另一種是無(wú)色的還原狀態(tài)(也稱為“白靛藍(lán)”)，是染色過(guò)程中的一種溶于水的物質(zhì)。浸泡在白靛藍(lán)的面料經(jīng)風(fēng)干后，空氣中的氧會(huì)將白靛藍(lán)氧化成穩(wěn)定的、深藍(lán)色的酮基態(tài)。[3]

由于靛藍(lán)被認(rèn)為是一種極為穩(wěn)定的物質(zhì)，其在紡織業(yè)的廣泛應(yīng)用對(duì)環(huán)境造成的影響引起了研究人員的關(guān)注。[4]Campos等曾做過(guò)調(diào)研，認(rèn)為在牛仔布料的生產(chǎn)加工過(guò)程中，白靛藍(lán)會(huì)隨著廢水被排放到自然界中。[5]另外，日常生活中對(duì)經(jīng)靛藍(lán)染色衣物的清洗會(huì)使面料褪色，而使靛藍(lán)隨污水排放到污水處理廠。由于其溶解性較低，靛藍(lán)通常會(huì)被吸收在底泥中，但截至目前還沒(méi)有相關(guān)報(bào)道證實(shí)這一點(diǎn)。

圖1 靛藍(lán)和白靛藍(lán)分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structures of indigo and white indigo (leuco form)

雖然目前關(guān)于人類(lèi)對(duì)于靛藍(lán)的環(huán)境暴露問(wèn)題以及日常生活中皮膚吸收藍(lán)色牛仔褲面料中的靛藍(lán)狀況等相關(guān)信息并不清楚，但是在中醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，靛藍(lán)早已被用于治療各種皮膚病(如牛皮癬等)及慢性粒細(xì)胞白血病。[6-8]在治療牛皮癬的研究中發(fā)現(xiàn)，青黛(從板藍(lán)的莖和葉中提取)和靛玉紅(靛藍(lán)異構(gòu)體)可以抑制表皮生長(zhǎng)因子受體(EGFR)的活性、表皮生長(zhǎng)因子誘發(fā)CDC25B基因表達(dá)和人類(lèi)表皮角質(zhì)細(xì)胞的增殖。[9]

關(guān)于靛藍(lán)對(duì)人類(lèi)的影響，Adachi等[10]最先在人體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了靛藍(lán)，通過(guò)對(duì)非患病人類(lèi)尿液水解等方法提取了靛藍(lán)與其異構(gòu)體青黛，從而證明人體能通過(guò)正常的代謝途徑形成靛藍(lán)類(lèi)物質(zhì)；此外，還通過(guò)基于酵母系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，證明在人類(lèi)芳烴受體(AhR)和芳香烴受體核轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ARNT)基因協(xié)同表達(dá)中，靛藍(lán)和靛紅均是芳烴受體(AhR)強(qiáng)力的誘導(dǎo)劑。[10-11]另外，還有研究表明，嚙齒動(dòng)物通過(guò)腹腔內(nèi)注射或者口腔暴露靛藍(lán)后，在肝臟中沒(méi)有產(chǎn)生明顯CYP1A1的誘導(dǎo)效果，有可能是由于靛藍(lán)的快速代謝造成的。[11-12]

當(dāng)前，國(guó)外開(kāi)展了靛藍(lán)作為內(nèi)源性 CYP1誘導(dǎo)劑的相關(guān)研究，但是靛藍(lán)在魚(yú)中的吸收、代謝及動(dòng)力學(xué)研究還鮮有報(bào)道。鑒于此，本研究選取虹鱒魚(yú)為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，嘗試應(yīng)用核素顯像手段分析放射性14,C標(biāo)記的靛藍(lán)(14,C-靛藍(lán))在虹鱒魚(yú)體內(nèi)的吸收、組織定位和排出路徑，評(píng)價(jià)利用14,C-靛藍(lán)在檢測(cè)CYP1內(nèi)源性激動(dòng)劑應(yīng)用的可行性，為此類(lèi)化學(xué)物的毒理學(xué)分析提供依據(jù)。

1 原料與方法

1.1 動(dòng)物與化學(xué)物質(zhì)

虹鱒魚(yú)[(68±7),g；(18±1),cm；Mean±SD]購(gòu)于 N?s fiskod-ling公司(瑞典)，養(yǎng)于烏普薩拉大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)中心(EBC)水生動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室，水溫保持在 11,°C。3，3’，4，4’，5-五氯聯(lián)苯(PCB 126；化學(xué)文摘號(hào)：57465-28-8)購(gòu)于Larodan(Malm?，Sweden)；靛藍(lán)(CAS：482-89-3)購(gòu)于 Sigma公司(St Louis，MO，USA)。14,C-靛藍(lán)(比活性：55,mCi/mmol；放射化學(xué)物純度：98 %,)由 OncoTargeting 公司(Uppsala，Sweden)提供。二甲基亞砜(DMSO)用作PCB126與Indigo的載體溶劑。

1.2 暴露實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在透明的聚乙烯袋子(45×90,cm；Gibbon公司，瑞典)中進(jìn)行。將袋子放在箱子(35×20×19,cm)里后，注入20,L水并持續(xù)曝氣。實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)動(dòng)物取樣方案如表1所示。在第 1組(實(shí)驗(yàn)對(duì)照組)中，7條魚(yú)用二甲基亞砜(DMSO，2.5,μg/mL)預(yù)處理24,h后，在含14,C-靛藍(lán)(18,nM)水體中暴露24,h，在處理 20,min、2,h、6,h、12,h、24,h、24,h＋1,d(換水后)及24,h＋2,d后取樣。第2組的7條魚(yú)經(jīng)PCB126(10,nM)預(yù)處理后暴露 24,h后，在含14,C-靛藍(lán)(18,nM)水體中暴露 24,h。第3組用于檢驗(yàn)14,C-靛藍(lán)在魚(yú)體內(nèi)吸收是否受到CYP1抑制劑玫瑰樹(shù)堿的影響。和第2組相似，3條經(jīng)過(guò)PCB126預(yù)處理的魚(yú)在暴露于14,C-靛藍(lán)之前，在玫瑰樹(shù)堿里暴露30,min。分別在暴露于14,C-靛藍(lán)12,h、24,h及24,h＋2,d后取樣。使用乙酸作為溶劑配置玫瑰樹(shù)堿溶液母液，加入玫瑰樹(shù)堿溶液于水后，形成1,μmol的玫瑰樹(shù)堿和10,μg/mL的乙酸溶液，使暴露環(huán)境pH值從8.0降至7.8。按Ullberg[13]放線自顯影方法，將所有的魚(yú)進(jìn)行冷凍切片處理；處理前取魚(yú)部分(右側(cè))鰓絲、嗅覺(jué)器官、腎臟及小腸組織，固定在 10%,的甲醛中，以備進(jìn)行光學(xué)顯微鏡放射自顯影檢測(cè)。

1.3 放線自顯影法

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物按表 1所述方案取樣，殺死魚(yú)后將其固定在羧甲基纖維素(1%,)水凝膠中，凍結(jié)在用干冰(-72,℃)冷卻的己烷中。用超薄切片機(jī)進(jìn)行全身水平切片(20,μm)并放在膠帶表面上(3M 公司，美國(guó))。[13-14]將切片在-20,℃冷凍干燥后，置于X射線膠片上(Agfa Structurix膠片)并保存于-20,℃下，所有切片暴露30,d。

表1 暴露實(shí)驗(yàn)方案與取樣時(shí)間Tab.1 Exposure protocols and sampling times

1.4 顯微放線自顯影法

虹鱒魚(yú)經(jīng)14,C-靛藍(lán)暴露 12,h后，用含有 1.5%,(v/v)戊二醛和1.5%,(v/v)甲醛的磷酸緩沖液(0.1,M，pH 7.4)固定保存魚(yú)的組織(鰓、嗅覺(jué)器官、腎臟和小腸)24,h。用 70%,(v/v)乙醇沖洗固定后的組織，于室溫下脫水晾干。用乙醇(96%,)將樣品進(jìn)一步脫水后，用超薄切片機(jī)(2,μm)切片并置于載玻片上(Thermo Scientific公司，德國(guó))。用蒸餾水洗滌后，使用Kodak NTB-2(Kodak公司)乳化顯影后置于2,℃冷藏3個(gè)月，用甲苯胺藍(lán)進(jìn)行背景染色。最后用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行切片分析(放大100～400倍)。

2 結(jié) 果

為了檢驗(yàn)14,C-靛藍(lán)的生理處置是否受 CYP1代謝影響，實(shí)驗(yàn)比較了對(duì)照組(第1組)與PCB126處理組(第2組)放射自顯影像圖。結(jié)果顯示，在放射性物質(zhì)的分布上，兩組之間不存在明顯的區(qū)別。然而，從整體看來(lái)，PCB實(shí)驗(yàn)組比對(duì)照組的魚(yú)鰓中有更明顯的由14,C-靛藍(lán)衍生的放射性物質(zhì)積累。

由放射自顯影像觀察，14,C-靛藍(lán)在水中很快由魚(yú)鰓快速吸收后立即從肝臟代謝分泌到膽汁中(20,min，見(jiàn)圖2a)。隨后(2～24,h暴露于14,C-靛藍(lán)及換水后1～2,d)，在膽汁和小腸中(見(jiàn)圖2b～2g)出現(xiàn)較高濃度的放射性物質(zhì)。在整個(gè)暴露14,C-靛藍(lán)期間，鰓絲中觀察到較高濃度放射性物質(zhì)積蓄(見(jiàn)圖2a～2e)，但將魚(yú)放在淡水中凈化后，標(biāo)記物濃度逐漸下降(見(jiàn)圖2f～2g)。在 6～12,h時(shí)，觀察到在嗅覺(jué)器官(見(jiàn)圖2d)與腎臟(可能出現(xiàn)在腎小管，待檢)里有14,C-靛藍(lán)衍生的放射性物質(zhì)吸收和保留。在暴露的前期(20,min)，肝臟與腎臟中的標(biāo)記物濃度相近；但在隨后的暴露中(24,h，24,h＋1,d，24,h＋2,d)，腎臟中存在的放射性物質(zhì)比肝臟中明顯。

圖2 暴露于14C-靛藍(lán)中虹鱒魚(yú)的射線自顯影圖Fig.2 Autoradiograms of rainbow trout exposed to14C-indigo via water

實(shí)驗(yàn)用PCB 126處理組暴露CYP1抑制劑玫瑰樹(shù)堿，使14,C-靛藍(lán)在鰓中的累積幾乎被完全限制(見(jiàn)圖3)；暴露于玫瑰樹(shù)堿的魚(yú)中嗅覺(jué)器官表皮細(xì)胞標(biāo)記物也減少了?；诎攵康膶?duì)放線自顯影像圖半定量評(píng)估，在膽和腸中的放射性物質(zhì)似乎沒(méi)有受到排泄的影響。

圖3 使用CYP1抑制劑玫瑰樹(shù)堿處理后對(duì)照?qǐng)DFig.3 Autoradiograms showing the head region of PCB 126-treated rainbow trout after 12,h of exposure to14C-indigo in water

3 討 論

細(xì)胞色素 P450是一種混合功能氧化酶，這種單氧加氧酶體系(CYP)可以將進(jìn)入組織的有機(jī)或無(wú)機(jī)物質(zhì)氧化代謝，因此它在對(duì)外源性生物質(zhì)(exogenous chemicals)的代謝、毒物降解和維持魚(yú)類(lèi)生態(tài)平衡上發(fā)揮著重要的作用，而且還催化內(nèi)源性物質(zhì)(endogenous chemicals)的生物合成、降解。以往大多數(shù)研究都集中在CYP1A亞科，是由于CYP1A可以作為一種生物標(biāo)志物指示外源化合物如多環(huán)芳烴(PAHs)、多氯聯(lián)苯(PCBs)、多氯代二惡英(PCDDs)和多氯代苯并呋喃(PCDFs)等環(huán)境污染物的暴露。[15]此外，相關(guān)研究認(rèn)為 CYP450 一些同工酶的變化與腫瘤、腎上腺增生性疾病、巴金森氏疾病等的發(fā)展有關(guān)。但是，對(duì)于內(nèi)源性CYP1誘導(dǎo)劑的相關(guān)報(bào)道并不多見(jiàn)。靛藍(lán)作為天然的植物成分，是兼?zhèn)鋬?nèi)、外源性 CYP1誘導(dǎo)劑的性質(zhì)，深入分析靛藍(lán)的體內(nèi)代謝動(dòng)力學(xué)不僅有利于了解其毒理學(xué)機(jī)理，而且對(duì)探索由其引發(fā)的相關(guān)疾病的保護(hù)策略等有著非常重要的意義。結(jié)果顯示，魚(yú)鰓可從水環(huán)境中快速攝取靛藍(lán)，并能以水溶性代謝物形式很快從膽和腸道中代謝消除。魚(yú)鰓絲積蓄了高濃度靛藍(lán)衍生物，這與研究早期發(fā)現(xiàn)的結(jié)果一致，即魚(yú)鰓作為直接暴露于水環(huán)境的組織，與水中存在的14C-靛藍(lán)直接接觸，誘導(dǎo)鰓絲中存在的 CYP1酶產(chǎn)生作用；由于首過(guò)效應(yīng)，肝臟對(duì)靛藍(lán)衍生物的吸收程度亞于鰓，這也解釋了在同一暴露條件下肝臟EROD活性低于鰓。[16]

研究人員利用酶法(β-葡萄糖醛酸酶)或化學(xué)方法(硫酸，pH＝2)水解從人類(lèi)尿液中提取出了靛藍(lán)。通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，靛藍(lán)可以誘導(dǎo)在酵母細(xì)胞系統(tǒng)中AhR與ARNT的表達(dá)，從而表明靛藍(lán)是以共軛形式從人類(lèi)尿液中排出的?；诒狙芯康姆派渥燥@影結(jié)果，表明靛藍(lán)在魚(yú)類(lèi)中的代謝途徑與人類(lèi)相似。本文開(kāi)頭所述，靛藍(lán)存在兩種氧化還原形態(tài)，天然的酮基形式以及無(wú)色還原形式；雖然共面的酮基結(jié)構(gòu)是 AhR激動(dòng)劑，但酚基結(jié)構(gòu)卻很有可能無(wú)法激活A(yù)hR。目前雖然我們還未能證實(shí)靛藍(lán)向白色靛藍(lán)的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程，但 Sugihara[12]此前也提出相似的理論，根據(jù) EROD在人類(lèi)肝細(xì)胞產(chǎn)生短暫的激活反應(yīng)，提出了靛藍(lán)(以及靛紅)在細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中會(huì)以還原狀態(tài)(無(wú)色形式)出現(xiàn)。經(jīng)14,C-靛藍(lán)暴露 20,min后，在虹鱒魚(yú)膽汁及尿液中觀察到高劑量放射性排泄物很可能是還原型的白靛藍(lán)，隨后形成羥基共軛物。作為平面分子和 CYP1A的誘導(dǎo)物，靛藍(lán)能夠被 CYP1A羥基化；但是經(jīng) CYP1A抑制劑玫瑰樹(shù)堿預(yù)處理的魚(yú)的14,C-靛藍(lán)的代謝消除率沒(méi)有受到影響。由此可見(jiàn)，盡管14,C-靛藍(lán)(18,nmol)可以誘導(dǎo)CYP1A的表達(dá)，但由 CYP1A介導(dǎo)的新陳代謝對(duì)虹鱒魚(yú)靛藍(lán)的排泄消除并不起主要作用。

在鰓絲中由能觀察到對(duì)放射性快速積累和持久保留，但原因尚不清楚。當(dāng)考慮靛藍(lán)誘導(dǎo) EROD及 CYP1A表達(dá)時(shí)間非常短暫，[16-17]靛藍(lán)在鰓絲中滯留時(shí)間不應(yīng)該很長(zhǎng)。然而，高濃度標(biāo)記物的積蓄表明是靛藍(lán)自身(或者其代謝產(chǎn)物)被束縛在鰓絲上。在顯微放射自顯影實(shí)驗(yàn)中，使用溶劑處理后，結(jié)果清晰表明，鰓絲上積蓄的放射性物質(zhì)不是由活性中間代謝物(共價(jià))與組織不可逆結(jié)合后形成的。在這點(diǎn)上，靛藍(lán)的性質(zhì)與另一種 CYP1激動(dòng)劑苯并[a]芘完全不同，后者經(jīng)暴露處理后不可逆轉(zhuǎn)地綁定在二級(jí)鰓絲上。[18]經(jīng) CYP1強(qiáng)效抑制劑玫瑰樹(shù)堿處理后，魚(yú)鰓中對(duì)靛藍(lán)的攝取完全被阻攔，[18]可見(jiàn)鰓對(duì)靛藍(lán)的攝取是 CYP1誘導(dǎo)依賴性的，表明與 CYP1的結(jié)合親和力強(qiáng)但過(guò)程可逆。

我們?cè)谛嵊X(jué)器官上皮細(xì)胞也發(fā)現(xiàn)了標(biāo)記物的吸收。雖然有報(bào)道稱嗅覺(jué)器官上皮細(xì)胞(經(jīng) PCB126預(yù)處理)可以與苯并[a]芘產(chǎn)生不可逆的結(jié)合，但在未經(jīng) PCB126誘導(dǎo)的魚(yú)中卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象。[18]

4 結(jié) 語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)采用放射自顯影技術(shù)首次對(duì) CYP1誘導(dǎo)劑靛藍(lán)在虹鱒魚(yú)體內(nèi)的吸收、分布、排泄等情況提供了初步的形態(tài)學(xué)依據(jù)。對(duì)進(jìn)一步研究分析 CYP1類(lèi)誘導(dǎo)劑可能對(duì)有機(jī)體產(chǎn)生的影響及作用機(jī)制提供了科學(xué)依據(jù)。■

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Autoradiographic Disposition of Indigo in Rainbow Trout

GAO Kai1,2,3，HE Ruozhu2，TAN Cuiling1*，LUO Yanhe1，YAN Pei1，J?NSSON E．Maria3，BRANDT Ingvar3，ZHOU Qixing2
(1．Tianjin Academy of Environmental Sciences，Tianjin 300191，China；2．College of Environmental Science and Engineering，Nankai University，Tianjin 300071，China；3．Environmental Toxicology of Evolutionary Biology Center，Uppsala University，Uppsala SE-752 36，Sweden)

In the study，the whole-body kinetics of indigo in rainbow trout was examined through exposure via ambient water．Determined by autoradiography，there was an uptake of14,C-indigo(18,nM)from the water and a subsequent elimination into the bile within 20,mins．At later time-points(3-24,h of exposure；24,h of exposure plus 1-2days in clean water)，high concentration14C labelled substances were present in the biliary excretory pathways．A high concentration of radioactivity appeared in the gill filaments throughout the exposure period(24,h)，and the concentration gradually decreased when fish were put in clean water for depuration．A selective labelling of the olfactory organ was also observed．The uptake of radioactivity in the kidney and liver was pronounced but lower than in the gills．The overall distribution pattern of14,C-indigo was similar in fish exposed to the vehicle(DMSO)and in fish exposed to the CYP1 inducer，PCB126．The accumulation of14,C-indigo in the gills was，however completely blocked in PCB 126-exposed fish exposed to the CYP1 inhibitor ellipticine.

indigo；autoradiography；rainbow trout

X171.5

A

1006-8945(2015)09-0083-04

*通訊作者

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃(合同編號(hào)：14JCYBJC43800)。

2015-08-02