环境雌激素双酚A对脑和行为发育的影响

中国科学C辑:生命科学2009年第39卷第12期:1111~1119对脑和行为发育的影响陈蕾①③†,徐晓虹①②③†*,田栋①①浙江师范大学化学与生命科学学院,金华321004;②浙江师范大学心理研究所,金华321004;③浙江师范大学生态研究所,金华321004†同等贡献*联系人,E-mail:[e-mail]收稿日期:2009-07-27;接受日期:2009-11-16国家自然科学基金(批准号:30771783和30872087)和浙江省自然科学基金(批准号:Z2090955)重点资助项目摘要双酚A是一种具有代表性的环境内分泌干扰物,其广泛使用引起的对人类和野生动物的危害不容忽视.双酚A具有类雌激素和抗雌激素活性,可与雌激素受体结合,模拟或干扰体内雌激素的合成、代谢和活动,从而影响机体的生理功能.在脑发育过程中,双酚A不仅影响脑内雌激素合成关键酶芳香化酶的表达和活性,还可改变不同脑区雌激素受体(ERα和ERβ)的表达,并因此放大或干扰雌激素对脑发育的调节作用.经典的雌激素核受体机制和非基因组细胞信号系统均参与双酚A对脑发育的影响.许多脑区特别是与行为相关的如下丘脑、脑干蓝斑、皮层和海马等脑区的结构、递质系统等发育受双酚A影响,干扰其发育的性别分化,并因此影响生殖行为、探究、焦虑和学习记忆等多种神经行为的性别分化.双酚A影响脑发育的细胞、脑区和时间特异性,以及对脑发育过程影响的动态变化,使双酚A对脑发育的影响非常复杂.发育中的脑对双酚A特别敏感,低于环境排放安全标准剂量的双酚A已可影响脑和行为的发育.因此,双酚A环境排放安全标准的重新制定非常必要,而对双酚A毒理学的进一步实验研究和流行病学研究将有助于其环境排放安全新标准的确定.关键词环境雌激素双酚A脑行为发育双酚A(bisphenol-A)是一种具有弱雌激素活性的环境内分泌干扰物,它作为食品和饮料的碳酸聚酯包装材料、金属罐头的树脂内膜、牙齿固封剂,以及其他产品的添加剂而被大量使用.据报道,2003年全球双酚A的需求量达到220万吨,并以每年6%~10%的速度增长[1].双酚A单体通过酯键聚合,酸、碱或高温环境都可加速酯键的水解而释放出双酚A单体.通常双酚A通过食品和饮料进入人体内;此外,大量的双酚A可从垃圾渗析到周围的生态系统,从而导致人类和野生动物环境暴露的潜在危险[2,3].美国疾病防控中心的人体尿液测试报告显示93%的被测人群尿液中可检测到双酚A[4],此外,在高比例人群的体液和组织中也可检测到,其中人体卵泡液、羊水以及脐带血、母乳中双酚A的存在使科学家对人类的生殖和发育健康产生忧虑[5].近年的流行病学研究认为,发育早期暴露于双酚A等环境雌激素可能是过去50年欧美国家人群不孕不育、生殖道畸形、乳腺癌和前列腺癌发病率上升的根本原因[2].有报道血清中含较高双酚A水平的女性其肥胖、子宫内膜增生、习惯性流产、异常染色体核型和多囊卵巢综合征的发生率升高,其血清雄激素水平也上升[5,6].Lang等人[7]通过分析2003~2004年美国国立营养与健康调查报告的数据,1111引用格式:陈蕾,徐晓虹,田栋.环境雌激素双酚A对脑和行为发育的影响.中国科学C辑:生命科学,2009,39:1111—1119陈蕾等:环境雌激素双酚A对脑和行为发育的影响发现尿液中双酚A水平与心血管疾病、型糖尿病以及肝功能失常等疾病密切相关.可见双酚A已经对人类公共健康产生了严重影响.双酚A的雌激素活性大约为17β-雌二醇的1⁄15000,它与雌激素受体具有一定的亲和力[1].双酚A通过模拟或干扰体内雌激素的合成、分泌、转运、结合、排泄而影响机体的生理活动.有关双酚A的生殖、发育和免疫毒性已有大量的研究报道.根据这些研究结果,1997年的双酚A环境排放风险评估值定为50mg/kg/天,目前欧美和日本等仍采用该剂量作为最小无危害效应剂量(no-observed-adverse-effectlevel),并据此制定双酚A的每日容许摄入量(tolerabledailyintake)或参考剂量(referencedose)为50μg/kg/天[1].但是,最近一些以啮齿类动物为实验对象的研究报道低于或等于该剂量的双酚A在不影响其生殖系统的情况下,使子代的性行为和其他神经行为的性别分化发生异常[8~11],相关脑区的发育也受到影响[10,12],这说明发育中的脑对双酚A更为敏感.同时,人在发育期的双酚A暴露机会很多,如:双酚A很容易通过胎盘经母体传递给胎儿,双酚A还可从母体乳汁进入婴儿体内(已有报道,母乳的双酚A平均水平为1.1ng/mL)[2];另外,碳酸聚酯奶瓶上的双酚A可溶入奶中而被婴儿摄入.学龄前儿童的双酚A暴露也不容忽视,其血中双酚A的平均水平可达60ng/kg/天[2].因此,双酚A对脑发育的影响已引起研究者们的高度重视.而低剂量双酚A对脑发育影响的快速作用——非基因核外信号途径的发现,使人们认识到双酚A影响脑发育的复杂性.阐明双酚A对脑和行为发育的作用机制,对双酚A的毒性防治以及今后双酚A环境排放标准的重新制定具有重要的理论和现实意义.1双酚A对脑内雌激素合成和雌激素受体表达的影响神经系统发育过程中,大部分脑区的神经元都时间特异性地表达雌激素合成的关键酶——芳香化酶(aromatase),其中以下丘脑的视前区、皮质、海马、中脑以及杏仁核最为集中[13].这些神经元内的芳香化酶可以催化雌激素的合成.同时,发育中的神经系统广泛表达两种亚型的雌激素受体(estrogenreceptorαandβ,ERα和ERβ),各种细胞内外雌激素信号均可通过这些受体影响神经细胞的活动[14].动物出生前后几天,脑内芳香化酶活性、雌激素、以及雌激素受体均达最高水平,然后逐渐降低至成年水平[13].雌激素在脑发育中的作用存在脑区差异,如在某些脑区雌激素促进神经细胞凋亡和突触形成,而在另一些区域则起相反作用.这些证据表明雌激素对脑发育产生重要影响,包括参与神经回路的形成,影响细胞分化的关键步骤(如树突的延伸和分支、突触形成、神经递质和神经肽的表达),以及细胞凋亡和存活[13].因此,在脑发育的关键时期暴露在外源性雌激素干扰物下,就会影响脑的发育[15].双酚A影响发育过程中脑内的雌激素合成和雌激素受体表达.围产期(妊娠期和哺乳期)暴露于双酚A的母鼠,其雄性子代的皮层和海马神经元芳香化酶P450arom表达量及其活性均有增强,从而促进雌激素合成[16,17].在鱼类也发现类似作用,胎儿时期暴露于双酚A可上调雌雄同体鱼Rivulusmarmoratus和斑马鱼脑内P450arom表达[18,19].这表明双酚A可通过调节芳香化酶的表达和酶活性而改变脑内雌激素合成.而脑内雌激素可调节雌激素受体的水平,因为有人发现P450arom基因敲除小鼠的前脑雌激素受体表达上调[20].双酚A也被发现可以改变脑内雌激素受体表达,围产期暴露于双酚A的小鼠出生后5和13周的背缝核ERα和ERβ蛋白表达上调,但出生9周小鼠的背缝核ERα和ERβ蛋白表达没有受到影响[16];出生前暴露于双酚A的雄性子鼠其垂体前叶ERα和ERβ蛋白表达增强,下丘脑ER的表达不变,但双酚A对雌性仔鼠没有影响[21].还有人发现,无论在妊娠期、哺乳期或发情期,双酚A都能减少弓状核ERα阳性细胞数,却使视前区ERα阳性细胞数增加[22].而Xu等人[17]发现母体围产期暴露于双酚A下调雄性子代大鼠皮层和海马ERβ的表达,该作用在生后二周内特别显著.此外,双酚A显著增强卵巢摘除的成年雌性大鼠额叶皮层孕酮受体(progesteronereceptor,PR)mRNA的表达,降低颞叶皮层的PRmRNA表达;但顶叶皮层和枕叶皮层的PRmRNA表达不受影响[23].这些证据充分说明双酚A对脑内的芳香化酶和性激素受体表达的影响存在脑区和发育阶段差异,并因此改变性激素对脑发育和脑功能的影响.1112中国科学C辑:生命科学2009年第39卷第12期2双酚A对脑形态结构发育的影响发育中的脑与成年个体相比对环境刺激更加敏感,因为胚胎外胚层的一个小条带都将发育成含有上万个细胞并具精确组织形式的复杂器官[24].而且,发育期的血脑屏障并未完善,胎儿或新生儿可能因暴露于来自母体的环境雌激素双酚A而影响脑的发育[25].2.1双酚A对AVPV和SDN的影响下丘脑视前区是鼠类大脑结构中具有明显性别差异的区域,成年雄鼠下丘脑视前区性别两性神经元(thesexuallydimorphicnucleusofthepreopticarea,SDN-POA)的体积数倍于成年雌鼠,对鼠类的雄性行为有明显的影响;另一个具有两性区别的神经元是下丘脑的前腹侧室旁核(theanteroventralperiven-tri-cularnucleus,AVPV),成年雌鼠的AVPV体积明显大于成年雄鼠,且表达酪氨酸羟化酶(tyrosinehy-droxylase,TH)神经元的数量也较雄鼠多[26],雌鼠AVPV的体积与其雌性行为有关.妊娠后期和出生初期是大脑性别分化的关键时期,这时脑内雄性激素在芳香化酶的作用下形成雌激素,促使SDN-POA和AVPV性别分化的发生.有研究发现,出生两天内暴露于双酚A的啮齿类动物虽然SDN-POA和AVPA体积没有变化,但雌性SDN-POA中钙结合蛋白表达阳性神经元的细胞数和雄性AVPA中TH阳性以及TH与ERα共表达的神经元数目显著增加[26,27].而妊娠期到出生后16天双酚A暴露可降低成年雌性小鼠AVPV的TH表达[12].这表明脑发育的关键时期暴露于双酚A影响脑内性别二性核的发育,这可能是双酚A影响行为性别分化的一个原因.2.2双酚A对脑干蓝斑的影响位于脑干的蓝斑(Locuscoeruleus)是脑内合成去甲肾上腺素的主要部位,蓝斑性别分化的发育受脑内性激素调节,雌激素受体和雄激素受体的活动共同参与调节作用[28].抑郁症和焦虑症的发生与蓝斑的功能异常有关,动物旷场行为的性别差异也与蓝斑的性别分化密切相关.蓝斑对双酚A非常敏感,正常雌性大鼠的蓝斑体积比雄性大,围产期双酚A暴露逆转蓝斑的性别差异,使雄性的蓝斑增大,雌性的蓝斑减小[28];同时,双酚A逆转雌雄性蓝斑内神经元数目,即增加雄性而减少雌性蓝斑的神经细胞数[29].双酚A诱导雌鼠蓝斑体积的减小可能与双酚A的雌激素活性有关,因为ERα和ERβ在蓝斑内均有表达;雄激素受体的活性对雄性蓝斑的雄性化作用至关重要,而双酚A的抗雄激素活性可能是增大雄性蓝斑体积的原因[28].2.3双酚A对大脑皮层和海马的影响大脑皮层和海马是性激素调节的重要靶目标,雌激素、孕酮和睾酮都能通过血脑屏障到达大脑,同时脑内也有合成雌激素的酶系统[30].尽管皮层是大脑中分化最早的结构之一,但却最晚成熟,延长的发育阶段使皮层对环境刺激物特别敏感[31].海马齿状回是成体哺乳动物仍具有神经发生功能的区域之一,雌激素可通过诱导齿状回神经前体细胞产生新生神经细胞而影响海马发育,进而影响成体海马的神经发生与功能.此外,调节突触可塑性是雌激素影响脑发育的一个重要方式.双酚A作为一种具有弱雌激素活性的内分泌干扰物,对脑的突触可塑性有较大影响.双酚A可以上调海马脑片CA3区NMDA受体的表达以及顶树突的棘密度,增加神经元苔状纤维的萌发;双酚A还可抑制卵巢摘除的雌性大鼠因雌激素诱导的前皮层、海马、边缘脑区的棘突触形成[32,33].由于棘突触的可塑性在认知和情绪等脑的高级活动中有着重要作用,因此,双酚A对多种神经行为的影响很可能与其干扰棘突触的形成有关.双酚A的这一作用不能被雌激素受体拮抗剂tamoxifen和ICI182,780阻断,表明雌激素受体以外的其他机制参与其中[34].与雌激素相似,双酚A也能增强海马CA1和CA3区的长时程抑制(long-termdepression,LTD)反应[35];尽管双酚A单独不影响长时程增强(long