基于微囊藻毒素毒理学研究进展
【论文关键词】：微囊藻毒素; 毒理学; 进展
【论文摘要】:近年来，随着人类生产、生活活动的迅速发展，工农业排污的增加，各地水体富营养化日益加剧，导致江河、湖泊中藻类尤其是蓝藻异常繁殖生长而出现水华现象。当蓝藻水华严重时，水面形成厚厚的绿色湖靛，散发出难闻的气味，不仅破坏了水生生态系统的平衡，而且因藻细胞破裂后释放出多种藻毒素而对人和动物的饮用水安全构成了严重的威胁。文章从微囊藻毒素的理化性质、一般毒性、毒理研究及作用机理方面来说明当前藻毒素研究进展。
1. 微囊藻毒素一般概况
微囊藻毒素(Mycrocystins，MC)是水体中蓝藻爆性繁殖产生的二级毒性代谢物，是一种肝毒素，可在贻贝和扇贝的消化腺内积累并沿食物链进入到高营养生物体内，包括鱼、鸟、哺乳动物和人类，引起野生动物和家畜中毒，其症状包括虚弱、皮肤苍白、过冷等，严重的可引起肝大出血及肝坏死，使动物因呼吸阻塞而死亡。微囊藻毒素也可引起人类疾病，甚至导致人类死亡。
微囊藻毒素是由水体中蓝绿藻如铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)、鱼腥藻 (Anabaena)、颤藻(Oscillatoriaruescens)等产生的具有生物活性的单环 肽化合物，其结构可表示为环D-丙氨酸-L-X-赤-β-甲基-D-异天冬氨酸-L-Z-Adda-D-异谷氨酸-N-甲基脱氢丙氨酸。X、Z为两个可变的氨基酸残基，这两个可变的L-氨基酸的更替及其它氨基酸的去甲基化，衍生出众多的毒素类型，至今已发现MC有60多种异构体。在这众多异构体中存在最普遍、含量较多、毒性较大、研究较详细的是MC-LR、MC-RR和MC-YR，L、R、Y分别代表亮氨酸、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生物活性表达所必需的，研究发现去除Adda后藻毒素的毒性降低。
2. MC的理化性质
MC性质稳定，具有水溶性和耐热性。MC极易溶于水，在水中的溶解度>lg／L，不易沉淀或被吸附于沉淀物和悬浮颗粒物中。在实验室研究中发现MC在水体中的稳定时间与水体的特征有关，水库水中低浓度MC-LR(1O／μg／L)不到1个星期即发生初级降解，在去离子水中超过27天毒素依旧很稳定。毒素在消毒的水库中可保持稳定l2天，在自然水库水中其不稳定性是由于生物降解通过Adda旁链的修饰而灭活这一机制实现。在色素存在的情况下，MC却被迅速降解，使其活性降低。此外，纯化的MC在阳光照射下依然保持其稳定性，但当毒素暴露在紫外线时即可被水解或发生化学异构和化学键合反应而使毒性丧失，其半衰期是 l0天。当紫外线波长接近其吸收峰周围 (即 238～254nm)，MC被迅速地降解。MC耐高温，加热煮沸(水浴100℃，30分钟)后不失活，不挥发，抗pH变化，可溶于甲醇或丙酮，现行自来水处理工艺的混凝、沉淀、过滤、加氯均不能有效去除微囊藻。董传辉等人的调查研究亦表明采用饮水消毒处理不能完全消除水体中的藻毒素。
3. 致毒机理
一些研究发现微囊藻毒素是一个相对化学惰性的环七肽，不具有直接的诱癌能力，但有极强的肝毒性，所以即使是低浓度的MC，也可能使人类患上慢性肝病。有研究认为微囊藻毒素同Okadaic acid(OA)的作用类似，但是OA的化学结构与微囊藻毒素差别极大，所以很有可能它们作用于不同的受体，但通过同一GS受体途径调节相同下游信使酶PP2A的活性。所以，目前诸多学者公认，微囊藻毒素是蛋白磷酸酶1和2A的强烈抑制剂，通过抑制蛋白磷酸酶1和2A的活性，从而帮助解除对细胞增值的正常的制动作用。另外，有些研究发现，微囊藻毒素肝毒作用与体内活性氧（ROS）及其诱发的脂质过氧化水平相关。所以，微囊藻毒素的肝毒性机制还不完全清楚，其致毒机理可能有化学、基因、细胞、受体毒性等多种情况。
另外，微囊藻毒素还可导致细胞生化代谢、膜离子通道改变。总之，微囊藻毒素有相当多的生物毒性，尤其对肝脏的作用表现为作用形式的多样性。
4. MC的一般毒性
蓝绿藻毒素引起的人类疾病有3种，即胃肠炎及其相关疾病、变应性和刺激性反应以及肝脏疾病，MC也是肿瘤促进物。1878年在南澳大利亚的Alexandrina湖首次发现因泡末节球藻水华污染饮水导致家畜及禽类死亡。此后有许多关于鸟类、鱼和其它动物蓝绿藻中毒的报道，其中亦包括了MC。近年来，随着人类生产、生活活动的迅速发展，工农业排污的增加，使得水中富营养化元素如硝酸盐和磷酸盐不断增加，导致了蓝藻水华接连不断的发生。至此蓝藻水华引发严重的水污染和公共健康问题已引起人们的关注，由此展开了一系列MC分子结构和毒理学的研究。结果显示MC的致毒机理是通过与蛋白磷酸酶中的丝氨酸/苏氨酸亚基结合，抑制其活性，从而诱发细胞角蛋白高度磷酸化，使哺乳动物肝细胞微丝分解、破裂和出血，导致肝充血，动物失血休克而死亡。随着有关MC毒性的深入研究，发现MC具有多器官毒性、遗传性和致癌性。有研究表明MC具有肾毒性，表现为：肾小球内红细胞减少，周围红细胞增多，管腔直径增大，且存在剂量-反应关系。近端小管上皮坏死，远端小管蛋白质表膜物质出现。MC对脾脏亦有一定的毒性，可导致脾脏肿大，有些亚型的MC也可能有神经毒性或免疫抑制与刺激作用。此外还有报道指出MC是心源性心脏病的潜在的致病因素，它可引起心脏输出量下降、血管扩张、血压降低、心率下降以及多巴胺和异丙肾上腺素分泌等血液动力学改变及其引起的激素分泌。许多研究均表明MC是一种肿瘤促进物。长期饮用有MC污染的水是引起肝癌的最主要危险因素之一；饮用河水、池塘水等浅表水是大肠癌的危险因素之一，其中MC的含量与大肠癌的发病率呈正相关。两者研究均表明饮用水中微量MC的存在与人群中原发性肝癌、大肠癌的发病率有很大的相关性，由此表明MC具有潜在的促癌性。
5. MC的肝毒性
MC具有明显的嗜肝性，经口、腹腔注射后主要作用于肝脏引起肝脏病变，肝灌流染毒和原代肝细胞培养染毒表现出与在体实验相似的结果。参照前人所做急性毒性实验：大、小鼠经腹腔或静脉接触MC，LD50在36～122／μg／kg，经口、呼吸道染毒大鼠时，其分别为 10．9mg／kg、43／μg／kg。急性中毒对肝脏的损伤在组织病理学上主要表现为肝脏大面积出血、坏死、肿胀、瘀血，肝细胞结构破坏。血清酶学表现为乳酸脱氢酶(LHD)渗漏，γ-谷酰基转移酶(γ-GT)和碱性磷酯酸合成酶(AKP)升高，蛋白磷酸酯酶1(PP1)和蛋白磷酸酯酶2A(PP2A)受抑制。光镜下Diss间隙微绒毛消失，肝窦状血管破坏、血窦内皮损伤、细胞间隙增大、PAS染色部位可见大面积糖原缺乏区。电镜下肝细胞超微结构发生改变，粗面内质网发生折叠、线粒体脊膜扩张、胞质空泡样变、浆膜反折、细胞内器重新分布，有时可见核崩解，有些肝细胞索微管压缩，细胞骨架破坏，肝细胞坏死融合成带，出现桥接样坏死。MC亚急性染毒动物可使其血清LHD升高，细胞膜通透性增加。对肝脏的损伤类似于急性中毒，且呈现时间一剂量反应关系。而在慢性毒性实验中，Falconer等用含MC的水喂养小鼠1年后，小鼠肝细胞呈现渐进性的损伤坏死，肝纤维化样变，淋巴细胞、中性粒细胞浸润，肝组织淀粉样变，表明MC可引起受试小鼠肝脏慢性炎症。体外细胞试验表明，当MC浓度为pg级时，细胞动力增加，细胞凋亡率下降；当毒素浓度为ng级时，细胞被抑制，其结构、形态学均发生改变，维管系统破坏，肝细胞坏死、崩解，肝脏中磷酯酸合成酶抑制，细胞骨架破坏。
毒理学研究发现MC引发肝脏损伤的机理可能是MCs是一种具有肝毒性的环状七肽化合物，可作用的主要靶器官是肝脏，作用于肝脏的两种细胞，即肝细胞和肝巨噬细胞。MCs主要经饮用水摄入机体后通过胆汁酸的携带转运至肝细胞，在肝细胞中通过抑制丝氨酸和苏氨酸的蛋白磷酸酯酶1(PP1)和蛋白磷酸酯酶2A(PP2A)的活性，激活蛋白激酶和环加氧酶，导致细胞内多种蛋白质的过度磷酸化，使细胞内的蛋白磷酸化和去磷酸化作用调节失衡，抑制磷酸脱磷酰作用，使蛋白激酶补充的酰基积聚，并通过细胞信号系统进一步放大这种生化效应，改变了多种酶的活性，造成细胞内一系列的生理生化反应紊乱，导致两种主要的结果：1.细胞骨架(中间丝和微丝)损坏，直接引起细胞毒性效应；2.细胞增生失控，引发肿瘤增生活性。在巨噬细胞中MC可诱导肿瘤坏死因子 (TNF-α)和白细胞介素 1(IL-1)，这些细胞因子能诱导产生血小板激活因子(PAF)，并激活环加氧酶，环加氧酶可诱导产生血栓素和前列腺素，引起肝细胞炎症，肝损坏甚至肝坏死 。
6. 国内MC-LR毒理学研究近况
徐元红等在《水生生物学报》文章“微囊藻毒素分子致毒机理研究近况”中报道了国外MC-LR分子致毒机理研究近况，当时国内这方面的研究尚属空白。吴静等发表的藻毒素的毒性及其所引起的健康效应和发生的可能机制文章中提到了国内最早针对MC肝毒性的研究工作，但只有l篇。施玮等发表的MC毒理学综述文章只是针对国外就MC的理化性质、暴露剂量毒作及机理、预防等方面的研究作了综述，未提国内的研究进展。赵金明等综述的MC致癌性的研究进展文章中已提到国内针对MC的毒理学研究文章达5 篇。闰海、罗皓等等相继发表了MC相关的毒理学研究进展报道，虽然介绍了一些国内的有关MC毒理学研究工作，但侧重点介绍的还是国外研究进展。
综上所述，国内近十几年来对MC的毒理学研究取得了很多有价值的研究成果，但在MC的毒作用机制等方面仍未十分清楚，有待进一步的研究。此外，MC对人体健康危害甚为严重且无有效的治疗方法，今后应对MC引起的污染状况给予足够的重视，加强环境水体的监测，加强MC解毒剂的研究。为此，我相信随着进一步的深人研究，MC毒理学研究一定会有突破性的进展，从而能有效预防和治疗MC对人体的危害，保障人民的生命安全。
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