張 崇,程玉潔,潘 潔,張 瑜
(湖北醫(yī)藥學(xué)院附屬襄陽市第一人民醫(yī)院藥學(xué)部,湖北 襄陽441000)
下丘腦-垂體-腎上腺(hypothalamic-pituitaryadrenal,HPA)軸是機(jī)體應(yīng)激反應(yīng)的重要神經(jīng)內(nèi)分泌軸,也是易受損傷的重要靶位。越來越多的證據(jù)表明,諸多成年期疾病與HPA軸的功能異常密切相關(guān),如神經(jīng)精神性疾病和代謝性疾病等[1]。這些成期年疾病的發(fā)生與孕期不良宮內(nèi)環(huán)境密切相關(guān)。如孕期室內(nèi)空氣污染與子代低出生體質(zhì)量、早產(chǎn)和認(rèn)知功能缺陷等相關(guān);孕期過量接觸煙草煙霧與子代肥胖、高血壓和糖尿病相關(guān);孕婦過量使用地塞米松可導(dǎo)致子代先天性腎上腺畸形和肝脂肪沉積等[2-3]。因此,HPA軸功能異??赡茉谝欢ǔ潭壬辖閷?dǎo)了孕期不良宮內(nèi)環(huán)境所致子代成年疾病的發(fā)生。外源化合物(簡(jiǎn)稱外源物)是導(dǎo)致不良宮內(nèi)環(huán)境的明確和重要誘因之一。
HPA軸接受包括海馬、杏仁核和中腦前額葉皮質(zhì)在內(nèi)的高位中樞調(diào)控。不同種屬動(dòng)物HPA 軸的發(fā)育及成熟過程差距較大。在人和靈長(zhǎng)類,分娩時(shí)胎兒各器官發(fā)育已相對(duì)成熟,其腦及神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的快速成熟發(fā)生在宮內(nèi);而在大鼠等嚙齒類動(dòng)物,分娩時(shí)胎兒的器官發(fā)育相對(duì)不太成熟,其神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的快速成熟發(fā)生在出生后早期的應(yīng)激-低反應(yīng)期[4]。下丘腦室旁核(paraventricular nucleus,PVN)是HPA 軸的直接控制部位,其活性和功能狀態(tài)受高位中樞的調(diào)控。在PVN區(qū)域,存在一類神經(jīng)內(nèi)分泌小細(xì)胞,可分泌促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素(corticotropin releasing hormone,CRH)和精氨酸加壓素(arginine vasopressin,AVP)。CRH和AVP可分別與垂體相關(guān)受體結(jié)合,促使促腎上腺皮質(zhì)激素(adrenocorticotrophic hormone,ACTH)的釋放,后者可通過激動(dòng)腎上腺皮質(zhì)的ACTH 受體促進(jìn)糖皮質(zhì)激素(glucocorticoids,GC)的合成和釋放。體內(nèi)存在2 種類型的GC 受體,Ⅰ型受體對(duì)皮質(zhì)醇(酮)的親和力遠(yuǎn)大于Ⅱ型受體,稱為鹽皮質(zhì)激素受體(mineralocorticoids receptor,MR),Ⅱ型受體即為通常所說的糖皮質(zhì)激素受體(glucocorticoids receptor,GR)。血液循環(huán)的GC 可在海馬、下丘腦和垂體,通過與其受體結(jié)合而負(fù)反饋抑制HPA 軸活性。海馬是負(fù)反饋調(diào)控HPA 軸的主要高位調(diào)節(jié)中樞,有大量的GR 和MR 分布。MR 對(duì)GC的親和力是GR對(duì)GC親和力的10倍以上[2]。當(dāng)機(jī)體內(nèi)GC水平較低時(shí),海馬局部GC幾乎全部與MR結(jié)合,維持HPA 軸的基礎(chǔ)活性,GR 處于空載狀態(tài);當(dāng)體內(nèi)GC水平過高,使MR處于飽和狀態(tài)時(shí),過量的GC 則與GR 結(jié)合,從而對(duì)HPA 軸發(fā)出負(fù)反饋抑制信號(hào),抑制GC的過量生成。
基于HPA軸在應(yīng)激反應(yīng)中的重要作用,多種疾病的發(fā)生與HPA 軸的功能及其調(diào)節(jié)異常有關(guān)。最為人們熟知的是抑郁癥和焦慮癥。Gelman 等[5]認(rèn)為,圍生期抑郁癥與HPA 軸功能異常有關(guān);de Rezende 等[6]發(fā)現(xiàn),創(chuàng)傷應(yīng)激、抑郁癥和HPA軸功能異常三者之間存在相互聯(lián)系;Farrell等[7]認(rèn)為,兒童和青少年抑郁患者伴隨著HPA軸功能異常。除了抑郁癥外,F(xiàn)aravelli等[8]認(rèn)為,生命早期生活事件的刺激會(huì)改變HPA軸對(duì)應(yīng)激的反應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致成年期焦慮癥的發(fā)生;Chen等[9]發(fā)現(xiàn),雙酚A暴露所誘導(dǎo)的焦慮癥與HPA軸功能異常有關(guān)。此外,HPA軸功能異常也與子代糖尿病等代謝性疾病密切相關(guān)[10]。
綜上,在應(yīng)激狀態(tài)下,海馬、杏仁核和中腦前額葉皮質(zhì)等高位中樞發(fā)出應(yīng)激信號(hào)后,通過下行神經(jīng)纖維傳遞給PVN,從而啟動(dòng)機(jī)體的應(yīng)激反應(yīng)。HPA軸從下丘腦起始,向下依次通過CRH/AVP,ACTH和GC 形成級(jí)聯(lián)反應(yīng),同時(shí)GC 又可通過GR 和MR在垂體、下丘腦和海馬等不同部位對(duì)HPA進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié),從而組成一個(gè)完整的環(huán)路。HPA軸功能的正常發(fā)揮是保持機(jī)體健康的必要條件,改變其功能可能會(huì)導(dǎo)致多種精神性和代謝性疾病的發(fā)生。
孕期多種外源物可對(duì)宮內(nèi)環(huán)境造成不利影響。常見的外源物包括:①環(huán)境毒物:如農(nóng)藥、除草劑和各類化工原料[11],煙草煙霧[12]、氮氧化物[13]、固體懸浮顆粒[14]等;②藥物類:如抗腫瘤藥物[15]、抗感染藥物[16]和抗癲癇藥[17]等;③食品類:如乙醇[18]和咖啡因[19]等。這些物質(zhì)均在一定程度上影響了胎兒發(fā)育,甚至可引起宮內(nèi)發(fā)育遲緩(intra uterine growth restriction,IUGR)。
母體是胎兒獲取營(yíng)養(yǎng)的唯一來源,也是胎兒排泄的唯一途徑。因此,母體的狀況對(duì)胎兒發(fā)育有著重要的影響。有研究表明,孕期母體應(yīng)激可影響子代HPA 軸功能發(fā)育,而多種外源物作為應(yīng)激因子,也可刺激母體的應(yīng)激反應(yīng)[20];孕期母體炎癥等因素可過度活化母體免疫系統(tǒng),影響胎兒神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和HPA軸功能[21];孕期母體對(duì)胰島素的敏感性變化可影響子代糖代謝而導(dǎo)致IUGR[22];產(chǎn)前低劑量乙醇暴露可能與成年大鼠的HPA軸功能異常有關(guān),并可導(dǎo)致其焦慮樣改變及對(duì)乙醇的攝取行為改變[23]。本課題組的研究也表明,孕期咖啡因[24]、乙醇[25]及尼古?。?6]暴露均可導(dǎo)致母鼠HPA軸過度活化,子代在成年期表現(xiàn)為HPA軸對(duì)應(yīng)激的高敏感性。
胎兒和母體之間的物質(zhì)交換必須經(jīng)過胎盤。胎盤損傷將導(dǎo)致母源性有害物質(zhì)過量進(jìn)入胎兒體內(nèi),從而影響胎兒的發(fā)育。研究表明,甘草甜素、棉籽酚、鄰苯二甲酸、有機(jī)錫化合物、烷基酚、雙酚A和氟甲睪酮等多種外源物可抑制胎盤2型11β-羥類固醇 脫 氫 酶(11β-hydroxysteroid dehydrogenase type 2,11β-HSD2)的表達(dá)[27]。由于11β-HSD2 的主要功能為滅活GC,抑制其表達(dá)將導(dǎo)致胎兒過暴露于母源性GC。孕期尼古丁暴露不僅可通過誘導(dǎo)胎盤細(xì)胞色素(cytochrome P,CYP)2E1 和CYP1A1 的表達(dá)而氧化損傷胎盤,而且通過抑制胎盤P-糖蛋白的表達(dá)而增加胎兒對(duì)環(huán)境毒物的敏感性[28];孕期咖啡因攝入可影響胎盤腎素-血管緊張素系統(tǒng)(reninangiotensin system,RAS),使胎盤出現(xiàn)P53 依賴性絨毛膜上皮細(xì)胞凋亡,對(duì)胎兒發(fā)育產(chǎn)生不利影響[29]。孕期咖啡因和地塞米松暴露皆可抑制胎盤11β-HSD2 的 表 達(dá),引 起 胎 兒 母 源 性GC 過 暴露[30]。孕期三氧化二砷暴露可影響胎盤多種基因的表達(dá)[15],其機(jī)制可能與組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)改變有關(guān)。
許多外源物因分子量小、脂溶性高,易透過胎盤進(jìn)入胎兒體內(nèi)。子宮是一個(gè)相對(duì)封閉的腔隙,胚胎(胎兒)正處于發(fā)育階段,多種防御功能尚未建立,極易受到損傷。因此,這些外源物還可能對(duì)胎兒發(fā)育產(chǎn)生直接毒性[31]。如,咖啡因脂溶性高,可通過胎盤進(jìn)入胎兒體內(nèi),也可通過胎兒吞飲羊水進(jìn)一步經(jīng)胃腸吸收,主要分布于胎兒的肝、腦和心等重要器官;胎肝的藥物代謝酶(如CYP1A2)活性較低,同時(shí)可通過“逆行生物轉(zhuǎn)化”將代謝產(chǎn)物茶堿還甲基化為咖啡因(占5%~10%),致使咖啡因代謝減慢;胎腎小球?yàn)V過功能不全及“羊水腸道循環(huán)”可減慢咖啡因及其代謝產(chǎn)物排泄。因此,咖啡因更易在胎兒蓄積而產(chǎn)生直接毒性作用[2]。
綜上,孕期外源物暴露可通過影響母體的的生理和(或)病理生理狀態(tài),對(duì)胎兒的發(fā)育產(chǎn)生影響;也可通過影響胎盤11β-HSD2 等基因的表達(dá),破壞胎盤的屏障作用,導(dǎo)致胎兒過暴露于母源性GC 等物質(zhì),從而影響其發(fā)育;同時(shí),部分分子量小、脂溶性高的外源物也可直接通過胎盤進(jìn)入胎兒體內(nèi),對(duì)其發(fā)育產(chǎn)生潛在的不良影響。
研究認(rèn)為,不良的宮內(nèi)環(huán)境(如應(yīng)激、低氧血癥和營(yíng)養(yǎng)不良)會(huì)引起胎兒HPA 軸發(fā)育改變,這種改變可減慢胎兒的生長(zhǎng)速度和增加外周組織對(duì)代謝激素的敏感性,以確保胎兒出生后在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏的情況下能生存[32];出生后HPA軸對(duì)應(yīng)激敏感性的增強(qiáng)會(huì)加快發(fā)展為代謝紊亂的進(jìn)程。外源物對(duì)胎兒HPA軸功能發(fā)育影響的報(bào)道甚少,但少量的研究提示,IUGR 的胎兒通常存在HPA 軸功能異常[33]。我們的系列研究也發(fā)現(xiàn),孕期外源物暴露在導(dǎo)致胎鼠IUGR 的同時(shí),伴隨著胎兒HPA 軸功能抑制[34],其機(jī)制可能與通過損傷胎盤間接影響胎兒和直接改變胎兒基因的表觀遺傳修飾有關(guān)[35]。
研究表明,孕期持續(xù)暴露于有機(jī)污染物可通過異常甲基化的方式改變包括胰島素樣生長(zhǎng)因子2在內(nèi)的胎盤多個(gè)基因的表達(dá)[36],孕期乙醇暴露可降低胎盤血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子受體2 和膜聯(lián)蛋白A4 的表達(dá),同時(shí)誘導(dǎo)腫瘤壞死因子α和白細(xì)胞介素13的表達(dá)[18],這些均可能通過對(duì)胎盤的影響間接對(duì)胎兒的發(fā)育產(chǎn)生明顯的不良反應(yīng)。國(guó)內(nèi)科學(xué)家在多年研究中系統(tǒng)、全面地檢測(cè)了人胎腎上腺組織中與外源物代謝相關(guān)酶系統(tǒng)的表達(dá)、活性及特征發(fā)現(xiàn),人胎腎上腺組織具有完善的外源物代謝酶系統(tǒng),包括Ⅰ相酶-P450 單加氧酶系(如CYP1A1,2A6,2A13,2B,2E1 和3A7 等)、Ⅱ相酶-葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶及谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶系和抗氧化酶系(如谷胱甘肽過氧化酶、谷胱甘肽S 轉(zhuǎn)移酶、超氧化物歧化酶)等等[37-38]。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),這些酶系統(tǒng)在胎腎上腺發(fā)育過程中既參與了甾體激素的生物合成和代謝過程,又參與了外源物的生物轉(zhuǎn)化過程,且這些代謝酶活性具有明顯的外源物誘導(dǎo)作用,其代謝能力相似和(或)顯著高于胎肝[2]。這些改變一方面可能對(duì)胎盤造成原位氧化代謝損傷,另一方面可能直接進(jìn)入胎兒體內(nèi),造成胎兒HPA軸損傷或改變其發(fā)育編程。
表觀遺傳學(xué)是研究發(fā)生在基因組及其周圍環(huán)境的分子過程,這些過程在不改變基本DNA序列的情況下調(diào)節(jié)基因活動(dòng)。因此,表觀遺傳學(xué)的變化在不改變個(gè)體基因組序列的情況下改變特定基因的表達(dá)。表觀遺傳學(xué)描述了DNA 及其相關(guān)蛋白的微觀結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)可被修飾以誘導(dǎo)特定基因的上調(diào)或下調(diào)。表觀遺傳機(jī)制包括DNA甲基化、染色質(zhì)重塑和組蛋白修飾。通過這些過程,當(dāng)前和既往的壓力暴露,包括父母在懷孕前的暴露和兒童時(shí)期的環(huán)境影響,被“傳達(dá)”給發(fā)育中的胎兒。盡管表觀遺傳變化可能是由于個(gè)體自身的發(fā)育經(jīng)歷而發(fā)生的,但環(huán)境信號(hào)的跨代傳遞可通過胚系表觀遺傳標(biāo)記的傳遞而發(fā)生(如饑餓或創(chuàng)傷,影響發(fā)育中的胎兒)。已證實(shí),表觀遺傳學(xué)修飾參與了胚胎的發(fā)育過程,如GR 基因DNA 甲基化異常與生命早期HPA 軸的功能異常有關(guān)[7]。外源物可通過多種途徑改變胎兒發(fā)育過程的表觀遺傳學(xué)修飾,從而影響胎兒的正常發(fā)育。如,己烯雌酚和甲氧氯暴露可導(dǎo)致胎兒對(duì)雌二醇的反應(yīng)異常,同時(shí)伴有DNA 甲基化改變[39];宮內(nèi)暴露于GC 可導(dǎo)致成年期高血壓,其發(fā)生機(jī)制與表觀遺傳修飾有關(guān)[40]??傊?,盡管目前的研究還很不充分,但可肯定的是,相關(guān)基因的表觀遺傳學(xué)修飾參與了胎兒HPA 軸的發(fā)育編程,并與其成年期HPA軸的功能異常有關(guān)。
綜上所述,外源物孕期暴露可對(duì)子代產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,既可通過母體和胎盤影響胎兒發(fā)育,也可直接對(duì)胎兒產(chǎn)生毒性。其發(fā)生機(jī)制與外源物原位代謝損傷、破壞胎盤屏障,以及相關(guān)基因的表觀遺傳修飾異常造成的胎兒HPA 軸發(fā)育編程和成年期功能異常有關(guān)。成年期HPA 軸功能變化可進(jìn)一步造成神經(jīng)內(nèi)分泌代謝紊亂,增加對(duì)抑郁癥、焦慮癥等精神性疾病以及糖尿病、高血壓和高脂血癥等多種慢性疾病的易感性。因此,對(duì)這一領(lǐng)域的深入研究,尤其是對(duì)相關(guān)機(jī)制的深入探討,將有助于人們進(jìn)一步了解成年疾病的發(fā)育起源,從而為臨床早期防治奠定理論基礎(chǔ)。