小研微囊藻毒素毒理学的进展

　　1 引言
　　随着水体富营养化程度日益加剧，蓝藻水华的发生越来越频繁，世界各地由蓝藻毒素引起各种动物甚至人类中毒的事件也随之增多[1-3]。微囊藻毒素(Microcystins，MCs)是由水华蓝藻产生和释放的一类环状七肽的藻毒素，其结构可以表示为: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[4]。
　　由于MCs 溶于水，不挥发，化学稳定性极强，它广泛存在于池塘、湖泊、水库等富营养化水中[5]。MCs 不仅会导致野生动物和家畜的死亡，更为严重的是可能危害到人类健康[1-3]。近年来，国内外学者对MCs 的毒性及其作用机理做了深入的的研究[1, 3]。本文对微囊藻毒素毒理学研究进展进行了分析和总结，并在此基础上指出了下一步研究的重点。
　　2 微囊藻毒素的毒性
　　已有的研究结果表明，MC 不仅对陆生动物具有毒性，还对水生生物具有毒性作用[1-3]。目前已报道的MCs 的毒性有肝毒性、肾毒性、肠毒性、胚胎发育毒性、免疫毒性、遗传毒性和细胞毒性等[6]。
　　2.1 微囊藻毒素的肝毒性
　　目前的研究已经证实微囊藻毒素的肝毒性作用。微囊藻毒素的主要靶器官是肝脏，无论经口或经腹腔注射，均可引起哺乳动物和水生生物肝脏病变。通过对小鼠或鱼进行腹腔注射微囊藻毒素或经口服，均能引起试验动物的急性中毒，解剖发现，肝脏肿大、充血和坏死。
　　组织细胞学研究表明,毒素引起线粒体肿胀,窦状结构丧失，微丝网重组,肝细胞变形[7]。用微囊藻毒素处理原代培养肝细胞时，会使肝细胞培养液中乳酸脱氢酶(LDH)、谷草转氨酶(AST)含量增加，并伴有凋亡或坏死样表现,扫描电镜显示染毒后的肝细胞变得不规则，呈空洞样变化并有特征性的胞膜疱出现[8]。
　　2.2 微囊藻毒素的肾毒性
　　研究发现 MC 不但具有严重的肝毒性，还具有肾毒性。已有学者研究发现微囊藻毒素会在肾脏中蓄积，使得肾脏成为继肝脏后的另一靶器官[9]。Milutinovic 等在给小鼠注射亚致死剂量的微囊藻毒素的研究中发现，微囊藻毒素会破坏肾小球的毛细血管簇，使得远曲小管、肾小球和近曲小管的管腔扩大，并且大量的红细胞会在管腔中出现，近曲和远曲小管的上皮细胞脱落到管腔内或消失，许多管状上皮细胞的细胞质中出现液泡，胞间隙中有淋巴细胞浸润[10]。Nobre 等人用离体肾灌注系统研究微囊藻毒素毒性结果表明，MC 可以改变肾的灌注压(PP)、肾血管阻力(RVR)、肾小球滤过率(GFR)等一些功能指标[11]。
　　2.3 微囊藻毒素的肠毒性
　　近年来随着研究的深入，发现微囊藻毒素也具有肠毒性。MC 引起胃肠道功能紊乱的事件时有发生，如Falconer（2001）报道在巴西爆发流行的一次水源性胃肠炎事故中，有2000例病例，其中就有88 人死亡，此次事件被怀疑与微囊藻毒素污染的水源有直接关系。同时Falconer 在随后的实验研究也再度的证明了微囊藻毒素具有肠毒性等。有实验将离体鸡小肠细胞暴露在微囊藻毒素中，研究发现经过微囊藻毒素暴露后的小肠细胞发生变形，小肠细胞表面长出一个或多个的疱，在随后的研究中，研究人员在用小鼠的结肠细胞进行的相关试验中也发现了类似的结果。Botha 等人将CaCo2 细胞在MC 中染毒，研究发现MC 能降低细胞的活性,引起细胞变形、坏死和凋亡[12]。
　　2.4 微囊藻毒素的胚胎发育毒性
　　Oberemm 在1999 年研究发现微囊藻毒素具有发育毒性。试验用0.5、5 和50μg/L 的MCLR、MCRR 和MCYR 处理斑马鱼胚胎（从囊胚胎直到胚胎发育结束），发现3 种MC对斑马鱼胚胎均无急性毒性。但是斑马鱼胚胎孵化时间提前，幼鱼开口摄食却推辞，同时5和50μg/L 毒素暴露能显著影响斑马鱼胚后发育，而且50μg/L 毒素暴露还能导致畸形胚胎发生[13]。该同年研究组的另一研究证明，斑马鱼胚胎早期能吸收MC，并且胚胎中的抗氧化酶对MC 的毒性也有明显反应。李效宇等人研究MC 对大鳞副泥鳅的胚胎发育毒性及损伤机制时发现，MC 能引起胚胎孵化率下降、胚胎畸形率升高和幼鱼存活率下降等，并且毒素浓度与胚胎的致畸作用和幼鱼的致死作用存在剂量效应关系[14]。同时该研究还发现，MC 对泥鳅的胚胎毒性具有胚胎发育时期不同阶段其敏感性也不同的特点，卵裂期最为敏感[14]。
　　有些研究者用显微注射的方法将MC 直接注入胚胎，观察MC 对胚胎发育的毒害作用。研究发现MC 明显抑制斑马鱼胚胎的发育，MC 能强烈抑制青?胚胎的发育并导致胚胎畸形甚至胚胎死亡[15, 16]。通过MC 对哺乳动物胚胎毒性的研究发现，MC 对大鼠胚胎和SD 孕鼠的胎盘都有毒害和损伤作用[17]。但是MC 对两栖动物非洲爪蟾胚胎影响的研究发现，非洲爪蟾胚胎能阻止MC 进入胚胎，MC 对非洲爪蟾胚胎基本没有影响[18]。
　　2.5 微囊藻毒素的免疫毒性
　　目前对微囊藻毒素免疫毒性的研究工作主要集中在MC 对免疫细胞和免疫分子的影响方面。Shen 等人发现，低剂量MC 染毒可导致小鼠免疫抑制[19]。Lankoff 等的体外实验研究发现，MCLR 通过诱导细胞凋亡和坏死而降低人和鸡外周血淋巴细胞的功能，同时该实验还发现，MCLR 能调节细胞因子产生[20]。动物体内实验也证明了MC 对细胞因子的表达具有调节作用。同时，体内和体外动物实验显示，MCLR 可降低小鼠NK 细胞对YAC-1 细胞杀伤作用的活性。Yea 等的研究结果表明，MC 可以通过降低IL2mRNA 的稳定性而抑制小鼠淋巴细胞功能[21]。以上的研究结果说明，MC 的免疫毒性涉及多层次、多方面功能，能对机体免疫功能产生明显的抑制作用。
　　2.6 微囊藻毒素的遗传毒性
　　MC 的遗传毒性研究主要集中在MC 对染色体的损伤作用，也有少量关于MC 诱发基因表达改变的研究报道[6]。如Rao 等发现，MC 导致细胞DNA 断裂损伤，而且这种作用效果呈现时间、剂量效应关系[22]。在随后的研究也发现，MC 能引起NDA 损伤，MC 有很强的致突变性[23, 24]。后续的研究主要在MC 遗传毒性的观察，对DNA 损伤和修复等方面[21, 25]，未见更深入的报道[6]。
　　2.7 微囊藻毒素的细胞毒性与导致细胞凋亡
　　2.7.1 微囊藻毒素的细胞毒性
　　MC 的细胞毒性研究多集中在MC 对哺乳动物肝细胞和各种培养细胞的细胞膜、细胞核的损伤，对细胞骨架的影响以及对线粒体及内质网的损伤等[20, 26]。同时，还有一些关于MC对细胞周期调控的影响、对细胞信号转导的作用及肝细胞对MC 的吸收等研究报道[27]。在1990 年，Eriksson 等就发现，MC 对肝细胞结构的破坏是由于该类毒素抑制了肝细胞PP1 和PP2 活性[28]。Runnegar 等用MC 处理游离大鼠肝细胞，发现MC 能够引起肝细胞结构发生改变，如细胞器重排、细胞膜发泡等，证明MC 对细胞具有急性毒性[29]。很多实验研究发现，MC 能引起微管、中间纤丝、肌动蛋白微丝、微丝相关蛋白形态变化和结构重排，导致肌动蛋白纤维崩溃和细胞骨架瓦解等[30]。
　　2.7.2 微囊藻毒素导致细胞凋亡
　　Macias-Silva 等（1994）首先发现了MC 抑制大鼠肝细胞G 蛋白介导的磷酸肌醇转换。导致细胞膜发泡并引发细胞凋亡[31]。McDermott 等报道了MC-LR 能诱导各种类型哺乳动物细胞凋亡[32]。随后，对MC 诱导细胞凋亡肌其机制的研究越来越多[33-35]，同时Ding 等研究发现，线粒体损伤是MC 诱导细胞凋亡的关键步骤，而MC 对Ca2+和Ca2+/钙调蛋白依赖的蛋白激酶II 的激活最为关键[36]。
　　3 展望
　　人们对 MC 的研究已有多年历史，积累了一些资料，取得了许多有价值的研究成果。但是，还有很多方面需要继续进行深入研究。
　　（1）MC 遗传毒性的研究工作还比较少，多停留在现象的观察，对MC 引起的遗传损伤的细胞分子机制研究很少。所以有必要对MC 的遗传毒性做更深入和更系统的研究。
　　（2）已有的关于MCs 的毒性的研究主要集中在针对受试生物个体，这种毒性在世代间的传递特性还未见报道。
　　（3）由于水生生态系统是一个各级食物链相互作用的有机整体。需要加强MC 对整个水生态系统的结构与功能的影响，对消除MC 对水生态系统和人类的危害具有重要的理论意义和实践研究价值。
　　（4）微囊藻水华不仅导致湖泊旅游景观和饮用水价值被破坏，而且湖泊中生物多样性明显减少。因此研究MC 对湖泊生物多样性下降的影响及其原因，从而进一步探索MC 的生态功能。

参考文献
[1]Smith J L, Boyer G L, Zimba P V. A review of cyanobacterial odorous and bioactive metabolites: Impacts and
management alternatives in aquaculture[J]. Aquaculture, 2008. 280:5-20.
[2]Ingrid C, B. J. Toxic Cyanobacteria in Water.[M], New York E&FN Spon,1999.p.^pp 113-125.
[3]Codd G A, Morrison L F, Metcalf J S. Cyanobacterial toxins: risk management for health protection[J].
Toxicology and Applied Pharmacology, 2005. 203:264-272.
[4]Dawson R M. The toxicology of microcystins[J]. Toxicon, 1998. 36:953-962.
[5]Tsuji K, Watanuki T, Kondo F, et al. Stability of microcystins from cyanobacteria--II. Effect of UV light on
decomposition and isomerization[J]. Toxicon, 1995. 33:1619-1631.
[6]李效宇. 微囊藻毒素及其毒理学研究[M], 北京. 科学出版社,2007.p.^pp.
[7]An J, Carmichael W W. Use of a colorimetric protein phosphatase inhibition assay and enzyme linked
immunosorbent assay for the study of microcystins and nodularins[J]. Toxicon, 1994. 32:1495-1507.
[8]施玮, 朱惠刚, 晏晓蓉. 微囊藻提取物对大鼠原代培养的肝细胞酶学和形态学影响研究[J]. 环境与健康
杂志, 2001. 5.
[9]Ito E, Takai A, Kondo F, et al. Comparison of protein phosphatase inhibitory activity and apparent toxicity of
microcystins and related compounds[J]. Toxicon, 2002. 40:1017-1025.
[10]Milutinovic A, Zivin M, Zorc-Pleskovic R, et al. Nephrotoxic effects of chronic administration of microcystins
-LR and -YR[J]. Toxicon, 2003. 42:281-288.
[11]Nobre A C L, Coutinho M C M, Silva M M M, et al. The role of phospholipase A2 and cyclooxygenase in
renal toxicity induced by microcystin-LR[J]. Toxicon, 2001. 39:721-724.
[12]Botha N, Gehringer M M, Downing T G, et al. The role of microcystin-LR in the induction of apoptosis and
oxidative stress in CaCo2 cells[J]. Toxicon, 2004. 43:85-92.
[13]Oberemm A, Becker J, Codd G A, et al. Effects of cyanobacterial toxins and aqueous crude extracts of
cyanobacteria on the development of fish and amphibians[J]. Environmental Toxicology, 1999. 14:77-88.
[14]李效宇, 刘永定, 宋立荣. 微囊藻毒素对大鳞副泥鳅胚胎和幼鱼的毒性效应[J]. 水生生物学报, 2003. 03.
[15]Huynh-Delerme C, Edery M, Huet H, et al. Microcystin-LR and embryo-larval development of medaka fish,
Oryzias latipes. I. Effects on the digestive tract and associated systems[J]. Toxicon, 2005. 46:16-23.
[16]Jacquet C, Thermes V, Luze A d, et al. Effects of microcystin-LR on development of medaka fish embryos
(Oryzias latipes)[J]. Toxicon, 2004. 43:141-147.
[17]卫国荣, 张占英, 连民. 微囊藻毒素LR 对SD 孕鼠胎盘的损伤作用研究[J]. 中国公共卫生, 2002. 08.
[18]Fischer W J, Dietrich D R. Toxicity of the cyanobacterial cyclic heptapeptide toxins microcystin-LR and -RR
in early life-stages of the African clawed frog (Xenopus laevis)[J]. Aquatic Toxicology, 2000. 49:189-198.
[19]Shen P P, Zhao S W, Zheng W J, et al. Effects of cyanobacteria bloom extract on some parameters of immune
function in mice[J]. Toxicology Letters, 2003. 143:27-36.
[20]Lankoff A, Carmichael W W, Grasman K A, et al. The uptake kinetics and immunotoxic effects of
microcystin-LR in human and chicken peripheral blood lymphocytes in vitro[J]. Toxicology, 2004. 204:23-40.
[21]Yea S S, Kim H M, Oh H-M, et al. Microcystin-induced down-regulation of lymphocyte functions through
reduced IL-2 mRNA stability[J]. Toxicology Letters, 2001. 122:21-31.
[22]Rao P V L, Bhattacharya R. The cyanobacterial toxin microcystin-LR induced DNA damage in mouse liver in
vivo[J]. Toxicology, 1996. 114:29-36.
[23]宋瑞霞, 刘征涛, 沈萍萍. 太湖中微囊藻毒素的遗传毒性研究[J]. 环境科学研究, 2002. 16.
[24]Mankiewicz J, Walter Z, Tarczynska M, et al. Genotoxicity of cyanobacterial extracts containing microcystins
from Polish water reservoirs as determined by SOS chromotest and comet assay[J]. Environmental Toxicology,
2002. 17:341-350.
[25]Lankoff A, Krzowski L, Glab J, et al. DNA damage and repair in human peripheral blood lymphocytes
following treatment with microcystin-LR[J]. Mutation Research/Genetic Toxicology and Environmental
Mutagenesis, 2004. 559:131-142.
[26]Kujbida P, Hatanaka E, Campa A, et al. Effects of microcystins on human polymorphonuclear leukocytes[J].
Biochemical and Biophysical Research Communications, 2006. 341:273-277.
[27]Lankoff A, Banasik A, Obe G, et al. Effect of microcystin-LR and cyanobacterial extract from polish reservoir
of drinking water on cell cycle progression, mitotic spindle, and apoptosis in CHO-K1 cells[J]. Toxicology and
Applied Pharmacology, 2003. 189:204-213.
[28]Meriluoto J A O, Nygud S E, Dahlem A M, et al. Synthesis, organotropism and hepatocellular uptake of two
tritium-labeled epimers of dihydromicrocystin-LR, a cyanobacterial peptide toxin analog[J]. Toxicon, 1990.
28:1439-1446.
[29]Runnegar M T C, Falconer I R. Effect of toxin from the cyanobacterium Microcystis aeruginosa on
ultrastructural morphology and actin polymerization in isolated hepatocytes[J]. Toxicon, 1986. 24:109-115.
[30]梁艳, 卢彦, 沈萍萍. 微囊藻毒素-LR 对小鼠巨噬细胞吞噬功能及活性氧水平的影响[J]. 中国药理学与
毒理学杂志,, 2007. 21.
[31]Macbs-Silva M, Garcu-Sunz J A. Inhibition of hormone-stimulated inositol phosphate production and
disruption of cytoskeletal structure. Effects of okadaic acid, microcystin, chlorpromazine, W7 and nystatin[J].
Toxicon, 1994. 32:105-112.
[32]McDermott C M, Nho C W, Howard W, et al. The cyanobacterial toxin, microcystin-LR, can induce apoptosis
in a variety of cell types[J]. Toxicon, 1998. 36:1981-1996.
[33]微囊藻毒素LR 诱导L-02 细胞发生凋亡. 微囊藻毒素-LR 对小鼠巨噬细胞吞噬功能及活性氧水平的影响
[J].
[34]雷腊梅, 宋立荣, 韩博平. 微囊藻毒素LR 诱导L-02 细胞发生凋亡[J]. 04, 2006.
[35]Botha N, Venter M v d, Downing T G, et al. The effect of intraperitoneally administered microcystin-LR on
the gastrointestinal tract of Balb/c mice[J]. Toxicon, 2004. 43:251-254.
[36]Ding W-X, Nam Ong C. Role of oxidative stress and mitochondrial changes in cyanobacteria-induced
apoptosis and hepatotoxicity[J]. FEMS Microbiology Letters, 2003. 220:1-7.