王菲迪,張海軍,耿檸波,任曉倩,3,張保琴,宮玉峰,陳吉平,*
1. 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所,大連 116023 2. 省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地—浙江省植物有害生物防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所,杭州 310021 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049
近年來,環(huán)境污染受到越來越廣泛的關(guān)注,且環(huán)境化學(xué)污染物種類繁多,往往多以低濃度混合物形式存在,因此不可避免地對(duì)人類造成復(fù)雜多樣的健康危害,即潛在聯(lián)合毒性效應(yīng)。因此環(huán)境污染物的低劑量、聯(lián)合毒性效應(yīng)已經(jīng)成為毒理學(xué)研究中的熱點(diǎn)問題。具有相似或者不同作用機(jī)制的化學(xué)污染物能夠互相影響各自的毒性效應(yīng),從而可能在不同的生物反應(yīng)指標(biāo)和多個(gè)作用終點(diǎn)引起一系列的協(xié)同、加和或者拮抗效應(yīng)[1-2]。多環(huán)芳烴(PAHs)和短鏈氯化石蠟(SCCPs)是2種典型的有機(jī)污染物。PAHs是一類由2個(gè)或2個(gè)以上苯環(huán)構(gòu)成的碳?xì)浠衔?,約有200多種,主要來源于有機(jī)質(zhì)的熱解和不完全燃燒[3]。短鏈氯化石蠟(short-chain chlorinated paraffins, SCCPs)是鏈長(zhǎng)為10~13個(gè)碳原子,氯化程度在30%~70%的氯化石蠟,于2017年列入斯德哥爾摩公約POPs行列[4]。
PAHs和SCCPs廣泛存在于各種環(huán)境介質(zhì)中,在人母乳和血液中都以較高的濃度水平存在。SCCPs在中國(guó)人母乳和血液中濃度分別為5.24~644 μg·L-1[5]和14.8~1 400 μg·L-1[6]。PAHs在意大利的人類母乳樣本中濃度為40.97~259.33 μg·L-1[7]。而在印度的人類血液樣本中也檢出了PAHs,其濃度為57.72~1 007.85 μg·L-1[8]。PAHs和SCCPs的主要作用機(jī)制明顯是不同的。大多數(shù)多環(huán)芳烴異構(gòu)體主要作為芳香烴受體(AhR)的激活劑,引起一系列的毒性和生物效應(yīng),包括誘導(dǎo)細(xì)胞色素P4501A1和P4501B1酶,誘發(fā)細(xì)胞轉(zhuǎn)化以及致癌毒性[9-11]。另外,PAHs還可以通過改變卵巢雌激素受體蛋白β的表達(dá)來干擾破壞內(nèi)分泌系統(tǒng)[12]。由于SCCPs具有脂肪族化合物結(jié)構(gòu),因此其可以作為過氧化物酶體增殖物激活受體(PPAR)的激動(dòng)劑從而誘導(dǎo)過氧化物酶體增殖,而過氧化物酶體增殖通常與加速脂肪酸降解、肝損傷以及潛在的致癌性有關(guān)[13-15]。此外,SCCPs能夠通過與雌激素受體蛋白α和腎上腺皮質(zhì)激素受體結(jié)合表現(xiàn)出內(nèi)分泌干擾效應(yīng)[16]。目前為止,還沒有關(guān)于PAHs和SCCPs聯(lián)合毒性的研究。
肝臟是PAHs和SCCPs共同的主要作用靶器官[10,13,17-18]。因此本研究中我們?nèi)赃x用與肝細(xì)胞同源且保留肝臟眾多特殊功能的肝癌細(xì)胞HepG2細(xì)胞作為受試細(xì)胞模型來評(píng)價(jià)PAHs、SCCPs以及它們的聯(lián)合暴露毒性[19]。大部分外源化合物都會(huì)引起細(xì)胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)[20]。因此本文章研究了PAHs和SCCPs單獨(dú)和聯(lián)合暴露對(duì)HepG2細(xì)胞內(nèi)ROS含量、抗氧化防御系統(tǒng)關(guān)鍵酶(過氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT))活性、非酶的谷胱甘肽(GSH)以及脂質(zhì)過氧化指示物丙二醛(MDA)的含量的影響,并探討聯(lián)合暴露對(duì)這些指標(biāo)的聯(lián)合作用類型。
Galaxy 48 R型CO2培養(yǎng)箱(美國(guó)New Bruns-wick公司),Tecan多功能酶標(biāo)儀(Tecan Genesis,瑞士),Biofuge?Stratos全能臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)(德國(guó)Heraeus公司),微板振蕩器(LAB-LINE,USA),超聲細(xì)胞破碎儀(SCIENTZ JY 96-IIN,寧波新芝)。
1.3.1 細(xì)胞培養(yǎng)和樣品前處理
HepG2細(xì)胞在37 ℃、含有5% CO2的細(xì)胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng),培養(yǎng)基為含10% FBS和1%青霉素-鏈霉素的DMEM細(xì)胞培養(yǎng)液。取對(duì)數(shù)期生長(zhǎng)的細(xì)胞接種至96孔板用于細(xì)胞增殖活性測(cè)試,接種密度分別為2 × 104細(xì)胞/孔,待細(xì)胞鋪滿96孔板的80%后進(jìn)行PAHs和SCCPs的單獨(dú)以及聯(lián)合暴露試驗(yàn),暴露時(shí)間為24 h。取對(duì)數(shù)期生長(zhǎng)的細(xì)胞接種至6孔板用于胞內(nèi)酶活性測(cè)試,接種密度為3 × 105細(xì)胞/孔,待細(xì)胞鋪滿6孔板的80%后進(jìn)行PAHs和SCCPs的單獨(dú)以及聯(lián)合暴露試驗(yàn),暴露時(shí)間為24 h。PAHs和SCCPs通過溶解在DMSO中引入細(xì)胞培養(yǎng)液,暴露濃度設(shè)置為:SCCP混合標(biāo)樣(總濃度ΣSCCPs為100 μg·L-1),PAH混合標(biāo)樣(每種PAH濃度為10 μg·L-1,總濃度ΣPAHs為160 μg·L-1),PAHs和SCCPs的混合物(混合標(biāo)樣中PAHs和SCCPs的濃度分別為:ΣPAHs 160 μg·L-1和ΣSCCPs 100 μg·L-1)。DMSO在培養(yǎng)液中的最終濃度為0.05%(V/V),對(duì)照組中只含有0.05%的DMSO。
用于酶活性測(cè)定的細(xì)胞暴露24 h后終止培養(yǎng),移除培養(yǎng)基,用PBS清洗3遍后每孔加入0.25%胰酶200 μL消解,加入含有胎牛血清的全培養(yǎng)液200 μL終止消解。每孔加入1 mL PBS,用移液槍輕輕吹打至細(xì)胞完全脫離培養(yǎng)皿壁,制成細(xì)胞懸液并轉(zhuǎn)移至離心管中,在8 ℃低溫下離心,2 000 g5 min,用1 mL注射器吸棄上清液,加入預(yù)冷過的PBS液約1.5 mL并輕柔吹打重懸細(xì)胞,在8 ℃低溫下離心,2 000 g5 min,重復(fù)3次。獲得的細(xì)胞樣品加入0.5 mL PBS重懸,在冰浴條件下用超聲細(xì)胞破碎儀進(jìn)行細(xì)胞破碎,破碎條件為:超聲10 s,間隔10 s,持續(xù)1 min。獲得的細(xì)胞懸液部分直接用于氧化指標(biāo)、總蛋白濃度的測(cè)定。
1.3.2 MTT法檢測(cè)細(xì)胞活度
用于細(xì)胞活度檢測(cè)的細(xì)胞暴露24 h后,96孔板每孔加入MTT液(5 mg·mL-1,溶于PBS)20 μL,繼續(xù)在37 ℃、含有5% CO2的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4 h。吸出孔內(nèi)培養(yǎng)液后,每孔加入150 μL DMSO,溶解活細(xì)胞與MTT結(jié)合形成的紫色晶體。室溫下,將96孔板置于微孔板振蕩器上振蕩10 min,使結(jié)晶物溶解,采用酶標(biāo)儀(Tecan Infinite F50)在492 nm波長(zhǎng)下檢測(cè)各孔吸光度值,細(xì)胞活力通過將對(duì)照組細(xì)胞活力當(dāng)做100%來計(jì)算。
1.3.3 總蛋白濃度及抗氧化指標(biāo)測(cè)定
細(xì)胞內(nèi)總蛋白(TP)濃度,谷胱甘肽(GSH)濃度,丙二醛(MDA)濃度,過氧化物歧化酶(SOD)活性,過氧化氫酶(CAT)活性和活性氧自由基(ROS)濃度均采用南京建成試劑盒(中國(guó)南京建成生物工程研究所)來進(jìn)行測(cè)定。操作過程參照我們以前發(fā)表的文獻(xiàn)中報(bào)道的方法[22],采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定蛋白含量,采用二硫代二硝基苯甲酸法測(cè)定GSH濃度,采用硫代巴比妥酸法測(cè)定MDA濃度,采用水溶性四唑鹽法測(cè)定SOD活性,采用鉬酸銨法測(cè)定CAT活性,采用DCFH-DA探針法測(cè)定ROS含量,具體測(cè)定操作和計(jì)算按南京建成生物工程研究所的試劑盒說明書進(jìn)行。
為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為6次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。用SPSS PASW(SPSS Inc.,Chicago, IL)軟件進(jìn)行組間差異顯著性檢驗(yàn),P< 0.05被認(rèn)為有顯著差異。另外為了能夠定量區(qū)分PAHs和SCCPs聯(lián)合暴露的類型,我們選擇了判定聯(lián)合作用類型常用的IA(independent action)模型[23]來判定PAHs和SCCPs的聯(lián)合作用類型,計(jì)算公式如下所示:
E= 1-(1-EPAHs)×(1-ESCCPs)
基于E值來判別聯(lián)合暴露的作用類型,EPAH、ESCCP和E聯(lián)合分別代表SCCPs、PAHs以及它們的聯(lián)合暴露相對(duì)于對(duì)照組所引起的變化。當(dāng)計(jì)算的E值接近E聯(lián)合值時(shí),聯(lián)合作用類型被認(rèn)為是“加和效應(yīng)”;當(dāng)計(jì)算的E值小于E聯(lián)合值時(shí),聯(lián)合作用類型被認(rèn)為是“協(xié)同效應(yīng)”;當(dāng)計(jì)算的E值大于E聯(lián)合值時(shí),聯(lián)合作用類型被認(rèn)為是“拮抗效應(yīng)”。
與對(duì)照組相比,PAHs和SCCPs以及它們的混合物暴露HepG2細(xì)胞24 h后,都能導(dǎo)致細(xì)胞活度的顯著降低。如圖1所示,在PAHs和SCCPs暴露組中,細(xì)胞活度的平均值分別降低了5%和2.5%。而在PAHs和SCCPs的聯(lián)合暴露組中,細(xì)胞活度的平均值降低了6.2%。另外根據(jù)PAHs和SCCPs對(duì)細(xì)胞活度的影響計(jì)算的E值(7.4%)大于實(shí)際測(cè)得的E聯(lián)合值(平均值6.2%),因此聯(lián)合暴露對(duì)細(xì)胞活度的影響表現(xiàn)為拮抗效應(yīng)。
圖1 PAHs、SCCPs以及它們的聯(lián)合暴露對(duì)HepG2細(xì)胞增殖活性的影響注:PAHs為多環(huán)芳烴,SCCPs為短鏈氯化石蠟。顯著性變化為暴露組與對(duì)照組相比的T統(tǒng)計(jì)結(jié)果,* P < 0.05;** P < 0.01。Fig. 1 Viability of HepG2 cells exposed to PAHs, SCCPs and their combination for 24 hNote: PAHs stands for polycyclic aromatic hydrocarbons, and SCCPs stands for short-chain chlorinated paraffins. Significant differences were indicated in comparison of the control by T-test. *, P < 0.05; **, P < 0.01.
如圖2所示,與對(duì)照組相比,ROS含量在PAHs、SCCPs和聯(lián)合暴露組中都升高,但是只有在SCCPs和聯(lián)合暴露組中顯著升高(P<0.01)。ROS含量的平均值在PAHs和SCCPs暴露組中分別升高了5.5%和17.4%,用這2個(gè)變化值計(jì)算得到聯(lián)合暴露組E值為22%,小于實(shí)際聯(lián)合暴露引起的ROS含量相對(duì)升高量(平均值27.7%),因此聯(lián)合暴露對(duì)ROS含量的影響表現(xiàn)為協(xié)同效應(yīng)。
圖3 PAHs、SCCPs及聯(lián)合暴露24 h對(duì)HepG2細(xì)胞內(nèi)SOD活性和CAT活性的影響注:顯著性變化為暴露組與對(duì)照組相比的T統(tǒng)計(jì)結(jié)果,* P < 0.05;** P < 0.01。Fig. 3 Changes of SOD and CAT activities in HepG2 cells exposed to PAHs, SCCPs and their combination for 24 hNote: Significant differences were indicated in comparison of the control by T-test. *, P < 0.05; **, P < 0.01.
圖4 PAHs、SCCPs及聯(lián)合暴露24 h對(duì)HepG2細(xì)胞內(nèi)GSH和MDA含量的影響注:顯著性變化為暴露組與對(duì)照組相比的T統(tǒng)計(jì)結(jié)果,* P < 0.05;** P < 0.01。Fig. 4 Changes of GSH and MDA concentrations in HepG2 cells exposed to PAHs, SCCPs and their combination for 24 hNote: Significant differences were indicated in comparison of the control by T-test. *, P < 0.05; **, P < 0.01.
如圖3a所示,與對(duì)照組相比,SOD的活性在3個(gè)暴露組中都呈現(xiàn)降低趨勢(shì),但是只有在聯(lián)合暴露組中才顯著降低。SOD活性平均值在PAHs和SCCPs暴露組中分別降低了2%和7%,用這2個(gè)值計(jì)算的聯(lián)合暴露組E值為8.9%,小于聯(lián)合暴露實(shí)際引起的SOD活性相對(duì)降低值(平均值12%),因此聯(lián)合暴露對(duì)SOD活性的影響表現(xiàn)為協(xié)同效應(yīng)。與對(duì)照組相比,細(xì)胞內(nèi)CAT的活性在SCCPs暴露組中顯著下降,而在PAHs和聯(lián)合暴露組中分別呈現(xiàn)輕微的升高和降低趨勢(shì),但是都不具有顯著性差異(圖3b)。在PAHs和SCCPs暴露組中,CAT活性相對(duì)改變平均值分別為4%和47.4%,用這2個(gè)值計(jì)算的聯(lián)合暴露組E值為49.5%,遠(yuǎn)大于聯(lián)合暴露實(shí)際引起的CAT活性相對(duì)變化值(平均值8.4%),因此聯(lián)合暴露對(duì)CAT活性的影響表現(xiàn)為拮抗效應(yīng)。
如圖4a所示,與對(duì)照組相比,GSH的含量在PAHs和SCCPs單獨(dú)暴露組中都有輕微下降趨勢(shì),而在聯(lián)合暴露組中呈現(xiàn)出輕微上升趨勢(shì)。GSH含量平均值在PAHs和SCCPs暴露組中分別降低了9.4%和6.6%,用這2個(gè)值計(jì)算的聯(lián)合暴露組E值為15.4%,遠(yuǎn)大于聯(lián)合暴露實(shí)際引起的GSH含量相對(duì)變化值(平均值3.3%),,因此聯(lián)合暴露對(duì)GSH含量的影響表現(xiàn)為拮抗效應(yīng)。與對(duì)照組相比,細(xì)胞內(nèi)MDA的含量?jī)H在SCCPs暴露組中顯著升高(圖4b)。在PAHs和SCCPs暴露組中,MDA含量平均值分別改變了0.8%和7.3%,用這2個(gè)值計(jì)算的聯(lián)合暴露組E值為8%,大于聯(lián)合暴露實(shí)際引起的MDA含量相對(duì)變化值(平均值5.8%),,因此聯(lián)合暴露對(duì)MDA含量的影響表現(xiàn)為拮抗效應(yīng)。
在以前的研究中,PAHs和SCCPs都被證明能夠引起機(jī)體的氧化損傷,而氧化損傷則會(huì)引起一系列損傷,包括降低異檸檬酸脫氫酶活性、DNA損傷、細(xì)胞凋亡等等[8,15,24-27]。但是PAHs和SCCPs的聯(lián)合暴露對(duì)細(xì)胞氧化損傷還沒有得到研究。由于環(huán)境化學(xué)污染物通常以低濃度混合物形式存在,且PAHs和SCCPs是2種典型且環(huán)境介質(zhì)中普遍存在的有機(jī)污染物,因此研究它們的聯(lián)合暴露具有重要的意義。本實(shí)驗(yàn)以HepG2細(xì)胞為研究對(duì)象,探討了環(huán)境濃度的PAHs和SCCPs單獨(dú)暴露以及聯(lián)合暴露對(duì)細(xì)胞增殖活性和抗氧化系統(tǒng)的干擾作用。結(jié)果表明PAHs、SCCPs以及它們的聯(lián)合暴露都引起了細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生,進(jìn)一步導(dǎo)致抗氧化系統(tǒng)失調(diào),最終導(dǎo)致細(xì)胞損傷,甚至凋亡。
正常情況下,ROS作為新陳代謝過程中產(chǎn)物在機(jī)體中會(huì)不斷產(chǎn)生,同時(shí)體內(nèi)的抗氧化酶以及非酶抗氧化劑能夠清除細(xì)胞內(nèi)多余的活性氧,抗氧化體系各成員之間通過相互協(xié)調(diào)維持機(jī)體氧化/抗氧化系統(tǒng)平衡。在以前多個(gè)研究中,PAHs被證明能夠引起ROS的產(chǎn)生[26-28]。而在本研究中,PAHs、SCCPs以及聯(lián)合暴露后,HepG2細(xì)胞內(nèi)都產(chǎn)生大量的ROS,尤其是聯(lián)合暴露組中ROS產(chǎn)生量最大,聯(lián)合暴露在引發(fā)ROS產(chǎn)生的效應(yīng)上表現(xiàn)為協(xié)同效應(yīng)。ROS在與細(xì)胞生長(zhǎng)相關(guān)的信號(hào)傳導(dǎo)途徑中扮演著極其重要的角色,例如PI3K/Akt信號(hào)通路等[29]。ROS對(duì)促進(jìn)細(xì)胞有絲分裂,誘導(dǎo)細(xì)胞增殖是至關(guān)重要的,在一定濃度范圍內(nèi),這種促細(xì)胞增殖的能力與的ROS水平呈正相關(guān)[30]。然而由于腫瘤細(xì)胞長(zhǎng)期處于ROS高水平的狀態(tài),腫瘤細(xì)胞的氧化還原體系相對(duì)正常細(xì)胞更為脆弱,對(duì)ROS的調(diào)控能力更低,當(dāng)ROS大量產(chǎn)生時(shí)腫瘤細(xì)胞受到ROS攻擊,比正常細(xì)胞更易于死亡[31]。在以往的研究中,都觀察到了PAHs和SCCPs對(duì)HepG2細(xì)胞活度顯著的抑制效應(yīng)[15,32-33]。在本研究中,PAHs和SCCPs以及它們的混合物暴露HepG2細(xì)胞24 h后,都能導(dǎo)致細(xì)胞活度的顯著降低,且聯(lián)合暴露也引起細(xì)胞活度的顯著降低。
為了抵抗污染物帶來的氧化壓力,細(xì)胞內(nèi)氧化/抗氧化系統(tǒng)發(fā)生了一系列變化。生物體內(nèi)的抗氧化劑主要指SOD、CAT和過氧化物酶以及非酶抗氧化劑GSH。在以往的研究中,PAHs暴露后SOD和CAT的活性基本呈現(xiàn)升高的趨勢(shì),且GSH也被消耗,從而消除產(chǎn)生的ROS[34]。而在本研究中PAHs引起了CAT活性的升高和GSH含量的降低,但均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,另外SOD的活性還呈現(xiàn)輕微的降低趨勢(shì),這可能與所用的受試模型以及濃度有關(guān),在以前的一篇文獻(xiàn)中PAHs在低劑量時(shí)也引起SOD活性的降低[35]。在本研究中,SCCPs暴露以及聯(lián)合暴露后,SOD活性和CAT活性都大大降低,這也就導(dǎo)致了細(xì)胞內(nèi)ROS不能得到及時(shí)清除,在細(xì)胞內(nèi)大量積累。另外PAHs和SCCPs暴露后GSH含量有降低趨勢(shì),而聯(lián)合暴露后GSH含量反而有輕微的升高趨勢(shì),推測(cè)聯(lián)合暴露也抑制了GSH消除ROS的過程,導(dǎo)致聯(lián)合暴露組中ROS的積累量最高。細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的ROS會(huì)攻擊生物膜中的多不飽和脂肪酸,引發(fā)脂質(zhì)過氧化形成MDA。而研究結(jié)果表明SCCPs暴露引起了MDA含量顯著升高,這可能與SCCPs能夠誘導(dǎo)過氧化物酶體增殖有關(guān),因?yàn)檫^氧化物酶體增殖通常能夠加速脂肪酸β-氧化。然而PAHs和聯(lián)合暴露并沒能引起MDA含量的顯著變化。與先前文獻(xiàn)報(bào)道中PAHs也沒能引起砂海螂體內(nèi)MDA含量顯著變化的結(jié)果相一致[36]。
總體來說,PAHs、SCCPs和它們的聯(lián)合暴露都能夠干擾HepG2細(xì)胞內(nèi)部的抗氧化系統(tǒng),破壞抗氧化系統(tǒng)和自由基之間的平衡,使細(xì)胞氧化性損傷。PAHs和SCCPs暴露都能引發(fā)ROS的產(chǎn)生,兩者混合時(shí)更加劇了ROS的產(chǎn)生,表現(xiàn)為協(xié)同效應(yīng)。另外,PAHs和SCCPs暴露都能引起SOD酶活性的降低,因此兩者混合時(shí)共同抑制SOD酶活性,表現(xiàn)為協(xié)同效應(yīng)。而PAHs引起CAT活性升高,SCCPs則顯著抑制CAT酶活性,兩者聯(lián)合暴露時(shí)CAT酶活性仍然降低,但表現(xiàn)為拮抗效應(yīng)。另外,PAHs和SCCPs聯(lián)合暴露對(duì)GSH含量和MDA含量的影響也表現(xiàn)為拮抗效應(yīng)。綜上,PAHs和SCCPs聯(lián)合暴露后,降低了SOD和CAT的活性,GSH也沒有被大量消耗,從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)ROS不能得到及時(shí)清除,造成細(xì)胞一系列的損傷變化甚至細(xì)胞凋亡。本研究選擇了單一濃度的PAHs和SCCPs進(jìn)行單獨(dú)和聯(lián)合暴露,而聯(lián)合毒性與污染物的濃度范圍和混合配比密切相關(guān),因此不同的濃度和配比的PAHs和SCCPs對(duì)氧化系統(tǒng)的聯(lián)合作用需要進(jìn)一步的研究和確認(rèn)。