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雙酚A對納米二氧化鈦理化特性及其DNA損傷效應(yīng)的影響

2015-06-05 09:51劉燕婕張艷紅呂斌
生態(tài)毒理學(xué)報 2015年2期
關(guān)鍵詞:鏈斷裂染毒納米材料

劉燕婕,張艷紅,呂斌,*

1. 長江航運總醫(yī)院/武漢腦科醫(yī)院檢驗科,武漢430015 2. 華中科技大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院,武漢 430030

雙酚A對納米二氧化鈦理化特性及其DNA損傷效應(yīng)的影響

劉燕婕1,2,張艷紅2,呂斌2,*

1. 長江航運總醫(yī)院/武漢腦科醫(yī)院檢驗科,武漢430015 2. 華中科技大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院,武漢 430030

納米二氧化鈦(nano-TiO2)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,由于其對有機物或生物分子有吸附作用,二者相互反應(yīng),對各種細(xì)胞可能產(chǎn)生與nano-TiO2單獨作用時不同的毒性作用。為探討雙酚A(BPA)對nano-TiO2理化性質(zhì)的影響,以及BPA和nano-TiO2聯(lián)合暴露對人胚肝L-02細(xì)胞的DNA損傷效應(yīng)。用不同緩沖液,測定不同濃度的BPA(0、0.1、1、10 mol·L-1)對不同濃度nano-TiO2(0、0.1、1、10 mg·L-1)的粒徑、表面電位和吸附能力的影響;然后測定不同濃度BPA和nano-TiO2聯(lián)合暴露對人胚肝L-02細(xì)胞DNA雙鏈斷裂、DNA損傷關(guān)鍵修復(fù)酶hMsh2基因(hMsh2)、O6-甲基鳥嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶(MGMT)和DNA依賴蛋白激酶復(fù)合物催化亞基(DNA-PKcs)的mRNA表達(dá)水平表達(dá)的影響。結(jié)果表明在不同緩沖液中,隨著BPA濃度的增加,nano-TiO2粒徑增加,表面電位上升,在細(xì)胞培養(yǎng)液DMEM中這一變化趨勢最為明顯;但在不同緩沖液中nano-TiO2對BPA的吸附能力無明顯差異。單獨nano-TiO2暴露不引起DNA雙鏈斷裂,對DNA損傷修復(fù)關(guān)鍵酶的表達(dá)也無明顯影響,但nano-TiO2可加重BPA的DNA雙鏈斷裂效應(yīng)。與相應(yīng)劑量的BPA單獨染毒組比較,nano-TiO2與BPA混合染毒組的細(xì)胞DNA雙鏈斷裂損傷加重(P<0.05),hMsh2、MGMT和DNA-PKcs的基因表達(dá)水平明顯上升(P<0.05)。上述研究結(jié)果顯示BPA可促進(jìn)nano-TiO2團聚,但團聚的nano-TiO2仍可吸附BPA。單獨nano-TiO2暴露無DNA損傷作用,但nano-TiO2可加重BPA的DNA雙鏈斷裂效應(yīng)。其中hMSH2、MGMT和DNA-PKcs都參與2種污染物聯(lián)合暴露所致的DNA損傷修復(fù)。

納米二氧化鈦;雙酚A;理化性質(zhì);聯(lián)合暴露;DNA損傷

納米二氧化鈦(nano-TiO2)是最常使用的納米材料之一,廣泛應(yīng)用于牙膏、防曬霜、化妝品、食品、藥物中[1]。nano-TiO2由于具有粒徑小、比表面積大、表面原子暴露等特點,可穿透細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),產(chǎn)生大量活性氧(ROS),對細(xì)胞造成不同程度的氧化應(yīng)激損傷,包括DNA損傷和染色體斷裂等[2-4]。近年來隨著納nano-TiO2的應(yīng)用日漸增多,大量進(jìn)入環(huán)境中的nano-TiO2很容易吸附環(huán)境中的不同污染物,可能產(chǎn)生與nano-TiO2單獨作用時不同的毒性作用[5]。

雙酚A(BPA)廣泛用于塑料瓶、食品和飲料容器制備及罐頭內(nèi)側(cè)涂層等[6]。BPA具有雌激素效應(yīng),屬于環(huán)境雌激素,不但會干擾體內(nèi)雌激素平衡,還可通過氧化應(yīng)激導(dǎo)致機體損傷[7]。由于BPA在環(huán)境中廣泛存在,極易與nano-TiO2產(chǎn)生聯(lián)合作用,影響兩者的理化特性,并進(jìn)一步影響其聯(lián)合毒性效應(yīng)。

納米顆粒物與有機物的相互作用可影響納米顆粒的物理化學(xué)特性和吸附性能,并進(jìn)一步影響聯(lián)合暴露的毒性效應(yīng)[8]。BPA和nano-TiO2均可導(dǎo)致DNA損傷,DNA損傷也是腫瘤等多種慢性毒性效應(yīng)的主要早期生理和病理改變之一。為此,本研究以人胚肝L-02細(xì)胞的DNA損傷作為毒性評價指標(biāo),首先研究了BPA對nano-TiO2理化性質(zhì)的影響,然后分析BPA和nano-TiO2聯(lián)合暴露對人胚肝L-02細(xì)胞DNA斷裂和修復(fù)的影響,為深入了解納米材料的生態(tài)效應(yīng)提供實驗依據(jù)。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 主要試劑和細(xì)胞株

納米粒度分析儀Delsa NanoC,購自美國Beckman公司;Waters Micromass-quattro Micro三重四級桿串聯(lián)質(zhì)譜儀(HPLC-MS/MS),購自美國Waters公司;Nano-TiO2(Degussa P25型,銳鈦礦型/金紅石型=8/2),購自德國Degussa公司;BPA為化學(xué)純,購自美國Sigma公司;細(xì)胞培養(yǎng)液DMEM,購自美國Sigma-aldrich公司;人胚肝細(xì)胞L-02,購于武漢大學(xué)典型培養(yǎng)物收藏中心,本實驗室保存。胎牛血清,購自美國Gibco公司;Trizol試劑,購自美國invitroge公司;M-MLV逆轉(zhuǎn)錄試劑,購自Promega公司;PCR引物由上海博亞生物技術(shù)公司合成。

1.2 實驗方法

1.2.1 粒徑和Zeta電位檢測

在純水、CaCl2和DEME培養(yǎng)基中,分別配制nano-TiO2(1、5、10 mg·L-1)和BPA (0、0.1、1、10 μmol·L-1)的混合溶液,然后用納米粒度分析儀在不同時間內(nèi)(0~60 min內(nèi))測定粒徑和Zeta電位。

1.2.2 nano-TiO2對BPA的吸附實驗

在純水、CaCl2和DEME培養(yǎng)基中,分別配制含10 mg·L-1nano-TiO2和10 μmol·L-1BPA的混合溶液,混合后不同時間段內(nèi)分別取1 mL混合溶液,12 000 r·min-1離心5 min后取上清液,0.22 μm濾膜過濾后用HPLC-MS/MS檢測。以未加入nano-TiO2(10 mg·L-1)的不同濃度BPA作對照組檢測。為防止BPA光降解nano-TiO2,整個實驗需避光檢測。

1.2.3 細(xì)胞培養(yǎng)及處理

L-02細(xì)胞于含10%胎牛血清的DMEM培養(yǎng)液中,5%CO2、37 ℃常規(guī)培養(yǎng),取對數(shù)生長期細(xì)胞進(jìn)行染毒,分組見表1,陰性對照組只加培養(yǎng)基,以300 μmol·L-1H2O2為陽性對照組。各組在無血清的培養(yǎng)液中繼續(xù)培養(yǎng)24 h。

1.2.4 中性彗星實驗

首先將1%正常熔點瓊脂糖100 μL鋪于磨砂載玻片上,室溫下固化1.5 h后,加上混有1.0×105個細(xì)胞的0.50%低熔點瓊脂糖100 μL,蓋上蓋玻片4 ℃條件下放置10 min,去掉蓋玻片后在避光的條件下,在裂解液(2.5 mol·L-1NaCl、100 mmol·L-1Na2EDTA、10 mmol·L-1Tris base、1% Triton-X 100 and 10% DMSO)裂解1 h后,置于新鮮冰冷電泳緩沖液(0.3 mol·L-1CH3COONa,pH=8.5)中電泳40 min(電壓25 V,電流300 mA)。停止電泳后,10 μg·mL-1的溴化乙啶染色拍照。用CASP軟件分析細(xì)胞,以O(shè)liver尾矩(Olive Tail Moment,OTM,即尾部DNA百分含量×(尾光密度中心-頭光密度中心)為評價指標(biāo),每個樣本隨機分析100個細(xì)胞)。

1.2.5 RT-PCR實驗

Trizol提取細(xì)胞總RNA,采用M-MLV逆轉(zhuǎn)錄試劑擴增目的基因。擴增產(chǎn)物于2%瓊脂糖凝膠中電泳(含0.5 μg·mL-1的溴化乙錠),并分析光密度,PCR產(chǎn)物量以積分光密度×面積表示。以GAPDH為對照,目的條帶與對照組的灰度值的比值表示mRNA的表達(dá)水平。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

2 結(jié)果(Results)

2.1 BPA對nano-TiO2理化特性的影響

2.1.1 BPA對nano-TiO2粒徑和Zeta電位的影響

在pH=7.7時,nano-TiO2表面帶負(fù)電荷,加入BPA后,nano-TiO2粒徑增加,表面Zeta電位升高,其中nano-TiO2在含Ca2+(0.2 g·L-1CaCl2)的DMEM培養(yǎng)基中的粒徑最大(表1)。此外,在任意介質(zhì)中,隨著時間和BPA濃度的增加,nano-TiO2的粒徑增大,Zeta電位上升(圖1)。顯示BPA能促進(jìn)nano-TiO2團聚,具劑量-效應(yīng)關(guān)系。

表1 在不同緩沖液中BPA對nano-TiO2粒徑和Zeta電位的影響(n=3)Table 1 Average particle size and zeta potential of nano-TiO2 and BPA mixture in different solutions (n=3)

注: *與純水組比較,P<0.05;a所用數(shù)據(jù)為動態(tài)光散射3次平均值。

Note: * compared with pure water, P<0.05;a, Data were the average value of three measurements by the dynamic light scattering.

圖1 不同介質(zhì)中nano-TiO2對BPA的吸附動力學(xué)曲線Fig. 1 Adsorption kinetics of BPA by nano-TiO2 in different media

2.1.2 BPA對nano-TiO2吸附特性的影響

在任意pH=7.7的介質(zhì)中,10 mg·L-1nano-TiO2與10 μmol·L-1BPA混合時,nano-TiO2可有效吸附BPA,在300 min左右達(dá)到吸附平衡,平衡時BPA吸附率為22%左右。nano-TiO2吸附BPA的量在各個

介質(zhì)中無顯著差異(圖1)。

2.2 nano-TiO2和BPA聯(lián)合暴露對DNA的損傷效應(yīng)

中性彗星試驗顯示的是DNA雙鏈斷裂效應(yīng),結(jié)果顯示本實驗nano-TiO2劑量下單獨作用不引起明顯L-02細(xì)胞DNA斷裂損傷(P>0.05);而10 μmol·L-1BPA單獨作用可顯著性增加L-02細(xì)胞DNA雙鏈斷裂(P<0.001);BPA與nano-TiO2聯(lián)合染毒可顯著增加L-02細(xì)胞DNA斷裂損傷,并且隨著BPA濃度的升高,Olive尾矩增加,呈現(xiàn)劑量-效應(yīng)關(guān)系。二因子析因分析,二者混合染毒有顯著效應(yīng),存在協(xié)同作用(F=213.93,P<0.001)(表2)。

2.3 nano-TiO2和BPA聯(lián)合暴露對DNA損傷修復(fù)關(guān)鍵酶mRNA表達(dá)的影響

RT-PCR實驗表明DNA損傷修復(fù)關(guān)鍵酶mRNA的表達(dá)水平。結(jié)果表明高濃度(10 μmol·L-1)的BPA與nano-TiO2共同作用于L-02細(xì)胞時,均可明顯升高M(jìn)GMT、hMsh2和DNA-PKcs的RNA表達(dá)量,低濃度BPA與nano-TiO2的相互作用對各個酶活性無明顯的影響(P<0.05)。見表3。

表2 BPA與nano-TiO2聯(lián)合暴露對DNA斷裂損傷效應(yīng)Table 2 Combined effect of BPA and nano-TiO2 exposure on DNA damage (Oliver tail ±s))

注:*與陰性對照組(0.31±0.47)比較,P<0.05。

Note: *compared with negative control group (0.31±0.47), P<0.05.

表3 BPA與nano-TiO2聯(lián)合暴露對DNA損傷修復(fù)關(guān)鍵酶mRNA表達(dá)的影響Table 3 Combined effect of BPA and nano-TiO2 exposure on the expression level of DNA damage repair enzymes

注:*與hMSH2陰性對照組(1.63±0.13)比較,P<0.05;#與DNA-PKcs陰性對照組(1.69±0.53)比較,P<0.05;※與MGMT陰性對照組(1.82±0.42)比較,P<0.05。

Note: * compared with hMSH2 negative control group (1.63±0.13), P<0.05;#compared with DNA-PKcs negative control group (1.69±0.53), P<0.05;※compared with MGMT negative control group (1.82±0.42), P<0.05.

3 討論(Discussion)

納米材料在自然環(huán)境下易于聚集,從而影響納米顆粒的分布和毒性。P25 nano-TiO2的初始平均粒徑為25~50 nm,表面帶負(fù)電荷。由于同種電荷之間互相排斥,nano-TiO2的表面電荷可在一定程度上使其保持分散性。當(dāng)nano-TiO2溶解在水溶液中,-OH等溶解在水中的離子或分子會結(jié)合于nano-TiO2表面,改變nano-TiO2的表面電荷從而使顆粒有一定的團聚。BPA的解離常數(shù)為9.7,因此在pH =7.7時,未解離的BPA可與覆蓋于nano-TiO2表面的-OH產(chǎn)生競爭,減少nano-TiO2表面的-OH,Zeta電位上升,nano-TiO2團聚程度增加,并呈現(xiàn)一定的時間和劑量關(guān)系。溶液中的離子濃度明顯影響nano-TiO2的Zeta電位和團聚程度。nano-TiO2和BPA在CaCl2和含大量離子的DMEM溶液中的Zeta電位和團聚程度明顯高于純水,說明溶液中的離子是影響團聚的主要因素。

雖然nano-TiO2在不同介質(zhì)中的Zeta電位和團聚程度不同,但并不影響其對BPA的吸附能力,說明團聚狀態(tài)并非影響納米材料吸附性能的主要因素。團聚狀態(tài)的nano-TiO2仍可以有效吸附BPA,因此納米材料在環(huán)境中的潛在毒性效應(yīng)值得高度重視。

單細(xì)胞凝膠電泳(single cell gel electrophoresis, SCGE),又稱彗星實驗(comet assay),能夠靈敏地檢測DNA斷裂。其中中性彗星試驗?zāi)軠y定DNA雙鏈斷裂等。本實驗結(jié)果顯示,高濃度BPA(10 μmol·L-1)單獨染毒可導(dǎo)致DNA雙鏈斷裂。 nano-TiO2單獨染毒在本實驗劑量下沒有明顯的DNA雙鏈損傷效應(yīng),但聯(lián)合染毒時可促進(jìn)BPA的雙鏈斷裂損傷效應(yīng)(P<0.001),兩者具有協(xié)同效應(yīng)。協(xié)同作用使混合暴露組在低濃度即發(fā)生了明顯的DNA斷裂損傷(表2),顯示低濃度BPA和nano-TiO2聯(lián)合暴露時潛在的生態(tài)和健康風(fēng)險增加。以往有研究表明納米顆??纱┩讣?xì)胞膜,進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)線粒體膜,干擾線粒體功能產(chǎn)生ROS[9]。ROS作為第二信使參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo),啟動多種細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)。但當(dāng)各種外源或內(nèi)源性因素引起的ROS超過體內(nèi)的清除能力時,則會導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的一些生物大分子(脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、DNA等)受到損傷。現(xiàn)認(rèn)為在氧化應(yīng)激條件下,細(xì)胞ROS水平升高,超過機體清除能力,可以攻擊DNA分子中的單個堿基和核糖部分,造成DNA鏈斷裂增加[10]。Matsuoka等[11]發(fā)現(xiàn)20 mg·mL-1的nano-TiO2與支氣管上皮細(xì)胞作用,引起的氧化應(yīng)激反應(yīng),ROS的產(chǎn)生超過細(xì)胞抗氧化系統(tǒng)的清除能力。近期研究還表明nano-TiO2和一氧化碳聯(lián)合暴露能加速ROS生成,最終導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化反應(yīng)和DNA損傷[12]。綜合以上文獻(xiàn),本實驗nano-TiO2與BPA聯(lián)合染毒時,對DNA損傷的協(xié)同效應(yīng),很可能與ROS水平升高有關(guān),但具體機制有待進(jìn)一步闡釋。

DNA損傷修復(fù)酶在修復(fù)DNA斷裂與維護細(xì)胞穩(wěn)定方面具有重要作用。MGMT是參與烷基化損傷的關(guān)鍵酶[7];hMsh2是一種重要的DNA錯配修復(fù)基因,其產(chǎn)物參與錯配修復(fù)途徑中識別DNA錯配并啟動修復(fù)反應(yīng)的作用[13];DNA-PKcs與ku蛋白結(jié)合形成DNA依賴的蛋白激酶全酶(DNA-PK),在雙鏈DNA斷裂的非同源末端結(jié)合修復(fù)途徑中發(fā)揮重要作用,同時DNA-PKcs還可以通過磷酸化Sp1、fos、P53等一系列蛋白質(zhì)底物廣泛參與轉(zhuǎn)錄、信號傳導(dǎo)及凋亡等細(xì)胞過程[14]。本研究顯示,nano-TiO2單獨作用,并不引起DNA斷裂,也不影響DNA斷裂相關(guān)酶的RNA表達(dá)水平,但nano-TiO2與不同濃度的BPA聯(lián)合染毒,與相應(yīng)劑量的BPA單獨染毒比較,各種DNA修復(fù)酶表達(dá)水平均升高,說明nano-TiO2可增加BPA的DNA損傷及隨后發(fā)生的DNA損傷修復(fù)水平。烷基化修復(fù)、錯配修復(fù)和DNA斷鏈修復(fù)等修復(fù)途徑均可能參與nano-TiO2與BPA聯(lián)合暴露所致DNA損傷的修復(fù)。

綜上所述,nano-TiO2在環(huán)境和生物介質(zhì)中易于團聚,但團聚的nano-TiO2仍可有效吸附痕量BPA,并增加BPA的DNA損傷效應(yīng)。兩者的DNA損傷作用具有協(xié)同效應(yīng),同時增加DNA修復(fù)酶的表。因此在考慮納米材料的毒性效應(yīng)時,需要進(jìn)一步評價團聚的納米材料的潛在毒性效應(yīng)。

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Impacts of Bisphenol A on Physicochemical Properties and DNA Damage Effects of Titanium Dioxide Nanoparticles on Human Embryo Liver Cell

Liu Yanjie1,2, Zhang Yanhong2, Lu Bin2,*

1. Laboratory Department, General Hospital of Yangtze River Shipping/Wuhan Brain Hospital, Wuhan 430015, China 2. School of Public Health, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430030, China

2 November 2014 accepted 4 February 2015

Titanium dioxide nanoparticles (nano-TiO2) have been used widely and may react with a wide range of organic and biological molecules and then exhibit toxic effects in various cell lines, with or without photo activation. The effects of the interaction of TiO2nanoparticles (nano-TiO2) with bisphenol A (BPA) on their physicochemical properties and DNA damage effects in human embryo L-02 hepatocytes were evaluated. Different concentrations of BPA (0, 0.1, 1, 10 μmol·L-1) and nano-TiO2(0, 0.1, 1, 10 mg·L-1) were mixed to analyze the size distribution, zeta potential and adsorption capacity of nano-TiO2in different media. Then L-02 cells were exposed to different concentration of BPA (0, 0.1, 1, 10 μmol·L-1) and nano-TiO2(0, 0.1, 1, 10 mg·L-1) for 24 hours, respectively. DNA damage and the expression of DNA repair enzymes O6-methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT), DNA-dependent protein kinase catalytic subunit (DNA-PKcs) and hMSH2 in L-02 cells were analyzed. Results indicated that addition of BPA to nano-TiO2dispersions increased the aggregation level and zeta potential of nano-TiO2in all media. Nano-TiO2had a similar adsorption capacity in different media, although a higher aggregation level was observed in cell culture medium. Obviously, Interactions of nano-TiO2with BPA increased agglomeration and zeta potential, but did not influence the adsorption capacity of nano-TiO2. The aggregated nano-TiO2can enrich BPA effectively. Toxicity analysis showed that nano-TiO2did not induce significant DNA damage, but the mixture of nano-TiO2and BPA increased DNA double strand breaks and the expression of three DNA repair enzymes. It is clear that BPA and nano-TiO2mixture induce synergistic DNA damage effects. And hMSH2, MGMT and DNA-PKcs all participated in the DNA damage repair pathway induced by the mixture of BPA and nano-TiO2.

titanium dioxide nanoparticles; bisphenol A; physicochemical characters; combined exposure; DNA damage

國家863項目(No. 2012AA06A304);國家自然科學(xué)基金項目(No. 21277054);交通運輸部長江航務(wù)管理局科技項目(No. 201410015)

劉燕婕(1967-),女,博士,研究方向為環(huán)境毒理學(xué),E-mail: liuyanjie0411@aliyun.com;

*通訊作者(Corresponding author), E-mail: lubin@mails.tjmu.edu.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20141102003

2014-11-02 錄用日期:2015-02-04

1673-5897(2015)2-224-06

X171.5

A

呂斌(1967-),女,博士,教授,主要研究方向為環(huán)境毒理學(xué),發(fā)表論文80余篇。

劉燕婕, 張艷紅, 呂斌. 雙酚A對納米二氧化鈦理化特性及其DNA損傷效應(yīng)的影響[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報, 2015, 10(2): 224-229

Liu Y J, Zhang Y H, Lu B. Impacts of bisphenol A on physicochemical properties and DNA damage effects of titanium dioxide nanoparticles on human embryo liver cell [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2015, 10(2): 224-229(in Chinese)

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