苯并芘对新生幼鼠ATP酶的影响

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中南大学学报(医学版)
J Cent South Univ (Med Sci)
2015, 40(4) htt p://
356
苯并[α]芘对新生幼鼠的海马组织ATP 酶及钙离子的影响
董婷,尼佳乐,魏科,梁潇,秦启忠,涂白杰
(重庆医科大学公共卫生与管理学院,医学与社会研究中心,健康领域社会风险预测治理协同创新中心,重庆 400016)
[摘要] 目的:探讨苯并[α]芘染毒是否对新生幼鼠海马组织ATP 酶及钙离子产生影响。

方法:将120只(雌雄各半)新生4日(postnatal day 4,PND4)龄SD 幼鼠随机分为5组:空白对照组、溶剂对照组(给予花生油)、低剂量苯并[α]芘(0.02 mg/kg)组、中剂量苯并[α]芘(0.2 mg/kg)组、高剂量苯并[α]芘(2 mg/kg)组。

将苯并[α]芘溶于花生油后,灌胃染毒,染毒时间自PND4持续到PND20。

染毒期间,检测各组幼鼠的神经反射、神经肌肉发育情况及运动功能。

染毒结束后,分光光度法检测Ca 2+-ATP 酶和Ca 2+-Mg 2+-ATP 酶活性;荧光标记法测定海马突触内Ca 2+浓度。

结果:行为学结果显示:在PND12龄,中剂量苯并[α]芘组幼鼠平面翻正用时长于对照组(P <0.05);PND14,PND16龄时,高剂量苯并[α]芘组平面翻正用时明显长于对照组(P <0.05)。

高剂量苯并[α]芘组的Ca 2+-Mg 2+-ATP 酶和Ca 2+-ATP 酶活性明显低于对照组;随染苯并[α]芘染毒剂量的增加Ca 2+-ATP 酶活性降低(P <0.05)。

中、高剂量苯并[α]芘组突触内Ca 2+浓度明显高于对照组;突触内Ca 2+浓度随着染毒剂量的增加有增加趋势(P <0.05)。

结论:苯并[α]芘染毒导致海马组织ATP 酶活性降低,突触内Ca 2+超载,造成新生幼鼠神经神经发育损伤。

[关键词] 苯并[α]芘;新生大鼠;ATP 酶;Ca 2+浓度
Effects of benzo(a)pyrene exposure on the ATPase activity
and content of Ca 2+ in the hippocampus of neonatal SD rats
DONG Ting, NI Jiale, WEI Ke, LIANG Xiao, QIN Qizhong, TU Baijie
(School of Public Health and Health Management; Medicine and Social Development Research Center; Innovation Center for Social Risk
Governance in Health, Chongqing Medical University, Chongqing 400016, China)
ABSTRACT Objective: To investigate the eff
ect of benzo(α)pyrene on the ATPase activity and content of Ca 2+ in the hippocampus of neonatal SD rats.
Metho d s: Sixty male and 60 female 4-days-old neonatal SD rats were randomly divided into 5
groups (n =24): a blank control group, a vehicle control group (peanut oil), 3 benzo(α)pyrene groups (0.02, 0.2 and 2 mg/kg, respectively). SD rats were given benzo(α)pyrene (dissolved in peanut oil) by gavage daily from postnatal day 4 (PND4) to PND20. Th e nerve refl ex, the condition
收稿日期(Date of reception):2014-11-14
第一作者(First author):董婷,Email: dongting881225@ 通信作者(Corresponding author):涂白杰,Email: tubaijie@
基金项目(Foundation item):国家自然科学基金(81372957)。

Th is work was supported by the National Natural Science Foundation of China (81372957).
DOI:10.11817//xbwk/fi
leup/PDF/201504356.pdf
苯并[α]芘对新生幼鼠的海马组织ATP酶及钙离子的影响董婷,等357 of neuro-muscle development and motion function were examined in the period of treatment. The
colorimetric technique was used to detect the activity of Ca2+-ATPase and Ca2+-Mg2+-ATPase in
hippocampus after the treatment. The concentration of Ca2+ of synapse in the hippocampus of rats
was detected by fluorescent labeling.
Results: The results from the behavior tests showed that duration of surface reflex latency in rats with medium dose of benzo(α)pyrene was longer compared with that in the control group in PND12. The
duration of surface reflex latency in rats with high dose of benzo(α)pyrene is longer in PND 14 and
PND 16 compared with that in the control group (P<0.05). Compared with the rats in the control
group, the activities of Ca2+-Mg2+-ATPase and Ca2+-ATPase in hippocampus in rats with high dose
benzo(α)pyrene were significantly decreased, and the degree in the decrease of Ca2+-ATPase activity
was dose-dependent (P<0.05). The contents of Ca2+ in the hippocampus in rats with medium or high
dose of benzo(α)pyrene were significantly increased compared with that in the control group (P<0.05),
which showed a dose-dependent manner (P<0.05).
Conclusion: Benzo(α)pyrene exposure led to the decrease in ATPase activity as well as Ca2+ overload of the synapse in the hippocampal tissue, which in turn results in the nerve damage of
newborn SD rats.
KEY WORDS benzo(α)pyrene; neonatal rat; ATPase activity; content of Ca2+
苯并[α]芘(Benzo(α)pyrene)是生产和生活环境中极为常见易作用于人群的神经毒物。

苯并[α]芘及其代谢物可透过血脑屏障进入脑组织[1]。

研究[2]发现苯并[α]芘可以干扰幼年Sprague Dawley(SD)大鼠认知发育,造成神经损伤。

人群流行病学研究[3]发现,儿童较成年人由于其神经系统尚未发育成熟,因此对神经类毒物的更为敏感。

孕妇苯并[α]芘暴露会影响学龄前儿童的神经发育,认知能力下降。

苯并[α]芘暴露可以通过氧化损伤作用造成海马空间和认知障碍[4]。

有证据[5]表明:苯并[α]芘引发的大鼠神经行为损伤,也与ATP酶活性及钙离子(Ca2+)浓度有关,即苯并[α]芘引起神经组织损伤的主要机制之一是抑制ATP酶活性,使细胞内Ca2+浓度升高。

ATP酶活性增高,能够增强Ca2+转运能力,抑制脑细胞Ca2+超载现象的发生。

苯并[α]芘所诱导的幼鼠神经毒性是否与ATP酶活性及Ca2+ 介质有关,并没有相关研究阐述。

因此,本研究用新生幼鼠建立暴露模型,探讨早期的苯并[α]芘染毒是否对神经发育产生影响及神经发育损伤时传导介质的改变。

1 材料与方法
1.1 动物分组及处理
SPF级SD大鼠幼鼠120只,雌雄各半,由重庆医科大学动物实验中心提供,新生4日(PND4)龄,体质量(9±0.9) g。

将幼鼠随机分入空白对照组和溶剂对照组及3个苯并[α]芘实验组,染毒剂量分别为0.02,0.2,2 mg/kg。

溶剂对照组幼鼠给予花生油。

每日13:00至16:00灌胃1次,染毒时间自PND4龄持续到PND20龄为止。

每日称重幼鼠,计算苯并[α]芘溶液灌入量。

1.2 主要试剂与仪器
苯并[α]芘购于美国Sigma公司,将其溶于花生油中,在40 ℃微热震荡充分溶解30m i n,配成10%溶液;ATP酶试剂盒购于南京建成生物工程研究所;Fura-2/AM钙离子荧光探针购于美国Sigma-Aldrich公司。

352型酶标仪为芬兰Labsystems Multiskan MS公司产品;2-16PK型高速离心机购于德国Sigma公司;日立-850型荧光光度仪为日本日立公司产品。

1.3 行为学检测
行为学检测主要检测幼鼠的运动功能、神经反射和神经肌肉的发育情况,包括平面翻正反射实验、悬崖回避反射实验和前肢握力实验。

检测时间分别为PND12,14,16,18,20。

行为学检测选在7:00至11:00 PM动物最为活跃的夜间进行。

1.3.1 平面翻正反射实验
将幼鼠四肢朝上平置于33 ℃的平板上,记录幼鼠从平躺到翻正四肢着地所用的时间。

该反射
中南大学学报(医学版), 2015, 40(4)
358表1 苯并[α]芘对幼鼠平面翻正反射时间的影响(n =20,x ±s ,s)
Table 1 Effect of benzo (α)pyrene on the surface reflex latency of neonatal rats (n =20, x ±s , s)
组别
PND12PND14PND16PND18空白对照组 1.81±0.19 1.44±0.15 1.19±0.130.73±0.08溶剂对照组
1.86±0.19 1.45±0.15 1.21±0.130.75±0.08低剂量苯并[α]芘组
2.11±0.24 1.57±0.16 1.12±0.140.85±0.10中剂量苯并[α]芘组 2.49±0.25* 1.48±0.15 1.17±0.130.89±0.09高剂量苯并[α]芘组
2.02±0.21
1.74±0.19**
1.54±0.17**
0.96±0.11
与对照组比较,*P <0.05,**P <0.01。

经检验,溶剂对照组与空白对照组无差异,将两组数据合并作为对照组。

检测分别在 PND12,PND14,PND16和PND18各进行1次。

1.3.2 悬崖回避反射实验
将幼鼠放在实验平台的边缘,记录幼鼠转身或者退后、远离平台悬崖边缘所花的时间。

该反射检测只在PND12时进行,检测3次取平均值。

1.3.3 前肢握力实验
将幼鼠放置于铁制网格状平面上,使其固定前肢抓握网格,记录幼鼠自抓握网格开始至前肢完全从网格平面脱离的时间。

该反射检测在 PND12时进行,检测3次取平均值。

1.4 海马组织ATP 酶活性
行为学实验结束处死大鼠,迅速剥离脑组织分离出海马组织,制作组织匀浆。

样本采用无机磷定量法,对海马组织进行ATP 酶活力检测。

用考马斯亮兰法检测组织蛋白含量。

测定方法严格按照试剂盒说明进行。

1.5 海马区突触内Ca 2+浓度的检测
测定方法参见文献[4]。

随机从各组取雌雄各4只幼鼠,处死后迅速取脑,分离出双侧海马组织。

按照1:10加入预冷的0.32 mol/L 蔗糖液,在0~4 ℃匀浆;1 500 r/min 离心10 min ,取上清加入2 mL 1.2mol/L 的蔗糖液中,40 000 r/min 离心20 min ;用0.32 mol/L 蔗糖液1:3稀释中间带后,缓慢加入2 mL 0.8 mol/L 蔗糖液,40 000 r/min 离心20 m i n ,沉淀物即为突触体。

突触体用预冷Hepes 液制成悬液,调整蛋白质浓度至2 mg/mL 。

取1.5 mL 悬液37 ℃预温5 min ,然后加入7.5 μL 的Fura-2/AM 和牛血清白蛋白,震荡后37 ℃恒温孵育35 min ,期间通以95%O 2+5%CO 2。

用5 mL 预冷的Hepes 液终止负载,15 000 r/min 离心5 min ,用5 mL Hanks 液清洗。

突触体悬液测定前于37 ℃复温3 min ,采用荧光光度仪测定荧光强度,激发波长为350 nm ,荧光发射波长为340 nm 。

按下式公式计算突触体Ca 2+浓度:
[Ca 2+]i=K d ×(F -F min )/(F max -F)
K d 为荧光剂与Ca 2+形成配合物的解常数,F 为340 nm 激发波长测得的荧光强度值,F ma x 为加入Triton-100后的最大荧光强度,F min 为在F max 基础上再加入EGTA 所测得的荧光强度。

1.6 统计学处理
应用软件SPSS 17.0进行数据处理,采用两因素、三因素方差分析和重复测量的方差分析,数据结果用均数±标准差(x ±s )表示,在方差分析结果显著的情况下,两两比较采用LSD-t 检验。

方差不齐时,则采用Kruskal-Wallis 非参数检验。

检验水准为α=0.05,P <0.05为差异有统计学意义。

2 结 果
2.1 幼鼠神经行为学结果2.1.1 平面翻正反射
分析结果显示:苯并[α]芘暴露可以影响幼鼠平面翻正反射(处理,P <0.01),不同龄幼鼠之间,平面翻正用时存在差异性(处理×年龄,P <0.01),但是苯并[α]芘染毒对雌雄幼鼠之间影响无明显差别(处理×性别,P >0.05)。

因此合并雌雄幼鼠数据进行分析,结果发现:在PND12龄,中剂量苯并[α]芘组幼鼠平面翻正用时长于对照组(P <0.05);PND14龄和PND16龄时,高剂量苯并[α]芘组平面翻正用时明显长于对照组(P <0.01,表1)。

2.1.2 悬崖回避反射实验
苯并[α]芘染毒对雌雄幼鼠悬崖回避时间无显著差异(处理×性别,P >0.05),因此合并研究数据进行分析,结果发现:各组悬崖回避反射的用时无明显差异(P >0.05,表2)。

2.1.3 前肢握力实验
苯并[α]芘暴露对雌雄幼鼠前肢握力时间无影响(处理×性别,P >0.05),因此将研究数据合并进行分析,结果发现:各组前肢握力的时间比较无明显差异(P >0.05,表2)。

苯并[α]芘对新生幼鼠的海马组织ATP 酶及钙离子的影响 董婷,等359
3 讨 论
苯并[α]芘作为亲脂性有机化合物,容易聚集在含脂质成分较多的神经组织中,易透过血脑屏障进入中枢神经组织[4]。

苯并[α]芘的暴露可以影响动物的神经行为功能,容易造成大鼠大脑海马组织的损伤[6]。

出生后新生期是大脑发育的关键期,神经细胞和海马颗粒细胞的增殖、突触的形成以及髓鞘形成在出生后20 d 达到增殖高峰期,因此新生大鼠在出生后脑组织处于对毒物作用的敏感时期[7-8]。

本研究选取SD 新生幼鼠在PND4~20进行苯并[α]芘急性暴露,观察苯并[α]芘对幼鼠神经发育的影响。

环境有害因素对神经系统的功能损伤比器质性损伤发生更早,表现为行为功能的改变。

行为学检测方法是早期检测环境中有害因素对机体损伤的灵敏指征。

断崖回避反射实验用于检测躯体感觉运动的状况,前肢握力实验用于评价神经肌肉的成熟和耐力程度,平面翻正实验则是用于检测神经反射及感觉功能。

本次研究结果显示,在幼鼠PND12龄时进行的前肢握力实验和悬崖回避实验中未发现苯并[α]芘的毒作用效应。

虽然如此,但是这些实验方法只是神经毒性判定的参考指标,不能作为判定毒物是否具有神经毒作用标准。

而平面翻正实验结果发现:中剂量苯并[α]芘组的幼鼠在PND12龄时,翻正所需的时间比对照组长;在PND14龄和PND16龄时,高剂量苯并[α]芘染毒组幼鼠明显出现了毒作用引起的翻正时间延长;而在PND18龄时该毒效应便消失了,与Bouayed 等[9]研究结果相似,提示苯并[α]芘对新生期幼鼠的神经发育未产生严重的毒性影响,神经毒作用仅限于部分中、高剂量水平。

ATP 酶存在于组织细胞及细胞器膜上,是生物膜上的一种蛋白酶,在物质转运、能量转换及信号转到等方面起重要作用[10-11]。

研究[5]显示:苯并[α]芘暴露,会造成大鼠海马神经元损伤,继而出现学习和记忆障碍,而这些行为损伤与ATP 酶活性的降低密切相关。

Ca 2+-Mg 2+-ATP 酶的作用是维持细胞内Ca 2+的稳定环境,每一分子的ATP 水解可以伴随2个Ca 2+和1个Mg 2+的转运[12]。

Mg 2+是细
表2 苯并[α]芘对幼鼠悬崖回避反射和前肢握力时间的影响(n =20,x ±s ,s)
Table 2 Effect of benzo(α)pyreneon on the latency to retract the body from the edge and grasping time of neonatal rats (n =20,
x ±别(处理×性别,P >0.05),合并雌雄幼鼠数据进行分析,结果发现:高剂量苯并[α]芘组的Ca 2+-Mg 2+-ATP 酶活性和Ca 2+-ATP 酶活性明显低于对照组;随染苯并[α]芘染毒毒剂量的增加Ca 2+-ATP 酶活性降低(P <0.05,表3)。

2.3 海马区突触内Ca 2+ 浓度
苯并[α]芘染毒对雌雄幼鼠之间影响差异无统计学意义(处理×性别,P >0.05),因此合并雌雄新生幼鼠数据进行分析,结果发现:中、高剂量苯并[α]芘组突触内Ca 2+浓度明显高于对照组;突触内Ca 2+浓度随着染毒剂量的增加有增加趋势(P <0.05,表3)。

表3 苯并[α]芘对大鼠海马ATP 酶和Ca 2+浓度的影响(n =8,x ±s )
Table 3 Effects of benzo(α)pyreneon the ATPase and Ca 2+ in the hippocampus of neonatal rats (n =8, x ±s )
组别
Ca 2+-Mg 2+-ATP 酶/[μmol Pi/(mgprot .h)]
Ca 2+-ATP 酶/[μmol Pi/(mgprot .h)]
Ca 2+/(nmol/L)空白对照组 1.052±0.141 1.345±0.200 126.46±12.86溶剂对照组
1.051±0.136 1.348±0.179 126.23±1
2.63低剂量苯并[α]芘组 1.019±0.110† 1.288±0.164*†‡ 130.34±1
3.21†中剂量苯并[α]芘组0.970±0.127 1.051±0.135*† 140.27±1
4.90*†高剂量苯并[α]芘组
0.842±0.096*
0.872±0.114*
153.02±15.66*
与对照组比较,*P <0.05 ;与高剂量苯并[α]芘组比较,†P <0.05;与中剂量苯并[α]芘组比较,‡P <0.05。

经检验,溶剂对照组与空白对照组海马无差异,将两组数据合并作为对照组。

2.2 海马组织ATP 酶活性
苯并[α]芘染毒对雌雄幼鼠之间影响无明显差
中南大学学报(医学版), 2015, 40(4) 360
胞内Ca2+的拮抗剂,Ca2+-Mg2+-ATP酶可以通过调控细胞内外Ca2+和细胞内Mg2+浓度,干预维持细胞内外电位平衡和细胞内DNA合成,从而影响细胞的物质交换和能量代谢[13]。

ATP酶活性降低,能够使细胞内Ca2+的排出发生障碍,并出现细胞外的Ca2+内流,形成细胞内外Ca2+浓度梯度差,继发钙稳态失调,形成细胞Ca2+超载;细胞内Ca2+浓度超载时,又反过来会抑制ATP酶的活性,使细胞排钙能力降低[4,14]。

Ca2+是重要的神经冲动传导介质,在海马突触传递的长时程增强(LTP)的诱导和维持中起着重要作用。

Ca2+浓度的多少会影响到神经冲动的传导成功与否。

当细胞内Ca2+超载时,就会引起由Ca2+激活的生物酶活性异常增高,导致ATP耗竭、膜磷脂被降解、花生四烯酸衍生为白三烯等活性物质,从而破坏海马细胞功能[14-16];细胞内Ca2+的异常增高,还会使得线粒体氧化磷酸化失偶联,能量生成减少,从而形成海马神经元的代谢紊乱[17]。

也就是说,Ca2+超载时,与Ca2+和ATP酶相关的信息传递以及能量转换功能出现了紊乱,导致神经冲动无法正常传导,即表现出一定的行为功能障碍。

既往研究[18]表明:苯并[α]芘染毒时,小鼠表现出了明显的反应迟缓等神经行为损伤,ATP酶活性降低及Ca2+的增多是损伤发生的原因。

本研究发现高剂量苯并[α]芘组新生幼鼠海马组织Ca2+-Mg2+-ATP酶和Ca2+-ATP酶活性明显降低,并且随着染毒剂量的增加Ca2+-ATP酶活性呈现下降趋势;中、高剂量苯并[α]芘组突触内Ca2+浓度明显增高。

结果提示,苯并[α]芘染毒后,幼鼠海马组织ATP酶活性降低,细胞内Ca2+超载是导致神经系统损伤的重要机制。

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University. Medical Science, 2014, 34(2): 134-138.
(本文编辑彭敏宁)
本文引用:董婷, 尼佳乐, 魏科, 梁潇, 秦启忠, 涂白杰. 苯并[α]芘对新生幼鼠的海马组织ATP酶及钙离子的影响[J]. 中南大学学报: 医学版, 2015, 40(4): 356-361. DOI:10.11817/j.issn.1672-7347.2015.04.003 Cite this article as: DONG Ting, NI Jiale, WEI Ke, LIANG Xiao, QIN Qizhong, TU Baijie. Effects of benzo(a)pyrene exposure on the ATPase activity and content of Ca2+ in the hippocampus of neonatal SD rats[J]. Journal of Central South University. Medical Science, 2015, 40(4): 356-361. DOI:10.11817/j.issn.1672-7347.2015.04.003。

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