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斑馬魚膽堿能受體受神經(jīng)抑制類農(nóng)藥的影響研究

發(fā)布時(shí)間:2014-09-20 20:45

【摘要】 有機(jī)磷類農(nóng)藥、氨基甲酸酯類農(nóng)藥以及擬除蟲菊酯類農(nóng)藥,都因其高效、低毒、低殘留的特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)和衛(wèi)生等行業(yè)。這三類農(nóng)藥都能影響動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)的傳導(dǎo),進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的神經(jīng)毒性作用,因此可以統(tǒng)稱為神經(jīng)抑制類農(nóng)藥。目前許多研究發(fā)現(xiàn),有機(jī)磷農(nóng)藥主要是通過抑制乙酰膽堿酯酶(Acetylcholinesterase, AChE)活性而發(fā)揮毒性作用的,此外有機(jī)磷農(nóng)藥還可能直接抑制毒蕈堿型乙酰膽堿受體(Muscarinic acetylcholinereceptor, mAChR)和煙堿型乙酰膽堿受體(Nicotinic acetylcholine receptor, nAChR)的活性;氨基甲酸酯類農(nóng)藥具有與有機(jī)磷類農(nóng)藥類似的抑制作用,也是主要抑制AChE的活性;擬除蟲菊酯類農(nóng)藥則主要是通過抑制動(dòng)物神經(jīng)細(xì)胞膜上的Na+通道,使神經(jīng)系統(tǒng)的傳導(dǎo)失常,從而產(chǎn)生神經(jīng)毒害作用。斑馬魚(Danio rerio)具有個(gè)體小、繁殖力強(qiáng)、易操作、對(duì)毒物反應(yīng)敏感等特點(diǎn),是研究脊椎動(dòng)物毒性作用的理想生物模型。本文選用了有機(jī)磷類農(nóng)藥馬拉硫磷、氨基甲酸酯類農(nóng)藥滅多威以及擬除蟲菊酯類農(nóng)藥溴氰菊酯作為實(shí)驗(yàn)藥物,以斑馬魚成體為受試生物,根據(jù)三種農(nóng)藥對(duì)斑馬魚的24h半數(shù)死亡濃度(24h-LC50),設(shè)定0.5TU、1TU和2TU三個(gè)濃度組,測(cè)定不同農(nóng)藥不同濃度下,mAChR和nAChR的活性隨時(shí)間的變化趨勢(shì),以分析斑馬魚體內(nèi)這兩種受體活性的變化規(guī)律。為進(jìn)一步探討神經(jīng)抑制類農(nóng)藥對(duì)膽堿能系統(tǒng)的作用機(jī)制和膽堿能受體活性的影響提供數(shù)據(jù)支持。研究結(jié)果表明:1.24h急性毒性實(shí)驗(yàn)表明:馬拉硫磷、滅多威和溴氰菊酯對(duì)斑馬魚的24h-LC50分別9.48μg/L、2299.23μg/L、5.32μg/L,馬拉硫磷和溴氰菊酯對(duì)于斑馬魚屬于劇毒性毒物,而滅多威屬于中等毒性毒物。斑馬魚的死亡率與這三種農(nóng)藥的濃度均呈正相關(guān),具有較高的相關(guān)系數(shù),且具有明顯的劑效關(guān)系。在行為上,斑馬魚在受到不同藥物的刺激時(shí),均會(huì)表現(xiàn)出明顯的行為變化,這是斑馬魚對(duì)毒物環(huán)境的調(diào)整和適應(yīng)。2.馬拉硫磷、滅多威和溴氰菊酯對(duì)斑馬魚的毒蕈堿型乙酰膽堿受體有明顯地抑制效果。其中,滅多威對(duì)mAChR的抑制作用最大;而差異性實(shí)驗(yàn)表明,在低濃度(0.5TU)下,溴氰菊酯的抑制作用最顯著。隨著暴露時(shí)間的增加,各濃度組的mAChR活性均出現(xiàn)降低的現(xiàn)象,且基本上符合隨著暴露濃度的增加,抑制效果越明顯的趨勢(shì)。在暴露過程中,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)活性回升的現(xiàn)象,可能與斑馬魚對(duì)毒物環(huán)境的適應(yīng)有關(guān)。3.馬拉硫磷、滅多威和溴氰菊酯對(duì)斑馬魚的煙堿型乙酰膽堿受體存在一定的抑制作用,但總體來說,抑制效果不如對(duì)mAChR明顯。溴氰菊酯對(duì)nAChR活性的抑制效果最明顯,達(dá)到39.88%。而差異性分析表明,僅馬拉硫磷在0.5TU濃度下存在顯著性地抑制效果。nAChR的活性隨暴露時(shí)間的延長(zhǎng)而降低的現(xiàn)象并不明顯,大部分濃度下,在暴露前期就存在抑制效果,且一直保持在一定的范圍內(nèi),說明農(nóng)藥對(duì)nAChR活性的影響有一定的限制作用。在某些時(shí)間也會(huì)出現(xiàn)nAChR活性恢復(fù)的現(xiàn)象,可能與斑馬魚對(duì)農(nóng)藥代謝的適應(yīng)有關(guān)。4. mAChR和nAChR的活性隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與生物逐級(jí)行為模型(Stepwise stressmodel, SSM)有一定的相似性。多數(shù)暴露組濃度存在暴露前期活性增強(qiáng),之后活性降低的現(xiàn)象;而且出現(xiàn)活性降低過程中活性回復(fù)的階段。綜上所述,三種農(nóng)藥對(duì)mAChR和nAChR均存在一定的抑制作用,其中對(duì)mAChR活性的抑制效果明顯,這可能與農(nóng)藥的制度機(jī)制有關(guān)。在低藥物濃度下,mAChR的活性對(duì)溴氰菊酯較為敏感,而nAChR的活性對(duì)馬拉硫磷較為敏感?傮w而言,膽堿能受體的抑制作用與農(nóng)藥的暴露濃度和暴露時(shí)間均存在正相關(guān)。在一定時(shí)間存在活性恢復(fù)的現(xiàn)象,這應(yīng)該與斑馬魚對(duì)藥物的適應(yīng)有關(guān)。 

【關(guān)鍵詞】 斑馬魚; 神經(jīng)毒性; 半致死濃度; 毒蕈堿型乙酰膽堿受體; 煙堿型乙酰膽堿受體; 

1 文獻(xiàn)綜述

1.1 農(nóng)藥及其污染
農(nóng)藥作為一類毒性較高且不易分解的化學(xué)品,在使用后很容易通過地表徑流、雨水沖刷和滲透等方式進(jìn)入水環(huán)境中并造成水體污染[2]。隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和農(nóng)藥的大量使用,農(nóng)藥污染問題已然成為一項(xiàng)突出的環(huán)境污染問題。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的報(bào)告,全世界每年約發(fā)生 100~500 萬起農(nóng)藥中毒事件。在我國,農(nóng)藥每年的使用量達(dá) 50 萬~60 萬 t,而這些農(nóng)藥被植物體或動(dòng)物體截留的不足 20%,有 80%以上的農(nóng)藥在使用后是直接進(jìn)入環(huán)境的[3]。而根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù),2009 年中國農(nóng)藥的產(chǎn)量為 190 萬 t,2010 年則到達(dá) 240 萬 t,產(chǎn)量和增幅均居世界首位。長(zhǎng)期并大量地使用農(nóng)藥,不僅會(huì)直接嚴(yán)重污染環(huán)境,也會(huì)使殘留的部分通過食物鏈達(dá)到生物富集,進(jìn)而對(duì)動(dòng)物和人類產(chǎn)生毒性。

1.2 受試農(nóng)藥
20 世紀(jì) 30 年代,德國人施拉德(G• Schrader)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在化學(xué)合成的一系列化合物中發(fā)現(xiàn)了一些有機(jī)磷酸酯類具有殺蟲作用,此后有機(jī)磷農(nóng)藥(OPPs)開始生產(chǎn)和發(fā)展起來。1943 年生產(chǎn)出了第一個(gè)商品化的有機(jī)磷殺蟲劑特普(TEPP,焦磷酸四乙酯),主要用于害蟲防治;1944 年有機(jī)磷殺蟲劑對(duì)硫磷(Parathion)開始大量生產(chǎn);同時(shí)一些低毒品種,如樂果、馬拉硫磷、敵百蟲和殺螟松等也開始廣泛用于農(nóng)業(yè)害蟲、衛(wèi)生害蟲、家畜害蟲等的防治。到 2000 年有機(jī)磷類殺蟲劑已占總殺蟲劑的 1/3[4]。到目前為止,許多有機(jī)磷農(nóng)藥品種仍在全球的動(dòng)植物保護(hù)中發(fā)揮著重要作用,而且很多有機(jī)磷品種成為農(nóng)藥的骨干品種,如草甘膦,已成為全球銷售額最高的農(nóng)藥品種。
............

2 馬拉硫磷、滅多威和溴氰菊酯對(duì)斑馬魚的急性毒性作用

本部分實(shí)驗(yàn)分別測(cè)定了在馬拉硫磷、滅多威和溴氰菊酯暴露下斑馬魚的 24 h 半致死濃度(50% Lethal Concentration in 24h,24 h-LC50),以便在后續(xù)研究中實(shí)現(xiàn)各種農(nóng)藥毒性濃度的統(tǒng)一。

2.1 材料與方法
斑馬魚(Danio rerio),由山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院繁育,斑馬魚成體長(zhǎng)(3.0±0.2) cm,體重( 0.3±0.05) g,培養(yǎng)方式為流水培養(yǎng),水溫: 26±2 ℃,光照周期為 16 h(明):8 h(暗),早晚定時(shí)投喂干飼料 2 次,并清除排泄物。本實(shí)驗(yàn)采用體長(zhǎng) 3.0±0.2 cm 的健康斑馬魚,采用隨機(jī)取樣法取樣。分別選用了有機(jī)磷類農(nóng)藥馬拉硫磷(純度 99%)、氨基甲酸酯類農(nóng)藥滅多威(純度 99%)和擬除蟲菊酯類農(nóng)藥溴氰菊酯(純度 98.2%)作為試驗(yàn)藥物,藥品標(biāo)準(zhǔn)樣均購于中國標(biāo)準(zhǔn)樣品中心。馬拉硫磷直接溶于 pH 5.0 的去離子水中,滅多威溶于 pH 7.0 的去離子水中,溴氰菊酯溶于≤0.5%總水體積的二甲基亞砜(DMSO)中,pH 7.0。

2.2 結(jié)果與分析
從 3 種農(nóng)藥對(duì)斑馬魚的急性毒性來看,斑馬魚對(duì)不同農(nóng)藥有不同的耐受性。其中,馬拉硫磷和溴氰菊酯對(duì)于斑馬魚屬于劇毒性毒物,而滅多威對(duì)于斑馬魚屬于中等毒性毒物。不同農(nóng)藥對(duì)斑馬魚毒性大小的不同,可能是因?yàn)椴煌r(nóng)藥的毒性機(jī)理不同。有機(jī)磷類農(nóng)藥馬拉硫磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥滅多威的主要致毒機(jī)理都是通過與生物體內(nèi)的膽堿酯酶結(jié)合形成磷酸化的膽堿酯酶,從而抑制膽堿酯酶催化膽堿的水解過程,導(dǎo)致乙酰膽堿等信號(hào)分子的代謝紊亂,并使得 mAChR 和 nAChR 發(fā)生自適應(yīng)改變,從而產(chǎn)生神經(jīng)中毒;區(qū)別在于馬拉硫磷與膽堿酯酶結(jié)合形成的磷酸化復(fù)合物非常穩(wěn)定且不可逆,馬拉硫磷還可以直接抑制 mAChR 和 nAChR 的活性,而滅多威與膽堿酯酶的結(jié)合反應(yīng)是可逆的[68]。擬除蟲菊酯類農(nóng)藥溴氰菊酯作為一種高毒性的殺蟲劑[69],主要通過干擾突觸膜上的 Na+通道,使神經(jīng)系統(tǒng)的傳導(dǎo)失常,從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的毒害作用[70]。在急性毒性實(shí)驗(yàn)期間,對(duì)照組的斑馬魚運(yùn)動(dòng)正常,實(shí)驗(yàn)組的斑馬魚由于受藥物的毒性作用而出現(xiàn)游動(dòng)幅度變大、呼吸加快、腮部變紅、排泄物變多等神經(jīng)興奮行為,這可能是斑馬魚產(chǎn)生的一種回避行為反應(yīng)[71]。

3 馬拉硫磷、滅多威、溴氰菊酯對(duì)斑馬魚毒蕈堿型乙酰膽堿受體的影響...........................19
3.1 實(shí)驗(yàn)................19
3.2 材料與方法......................................19
3.2.1 藥品器材................................19
4 馬拉硫磷、滅多威、溴氰菊酯對(duì)斑馬魚煙堿型乙酰膽堿受體活性的影響.......................28
4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?....................................28
4.2 材料與方法........................28 
5 結(jié)論................................................35

4 馬拉硫磷、滅多威、溴氰菊酯對(duì)斑馬魚煙堿型乙酰膽堿受體活性的影響

4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>
分別設(shè)定 0.5 TU、1 TU、2 TU 和對(duì)照組,研究不同污染物對(duì)斑馬魚 N 型受體的影響,以分子水平研究不同農(nóng)藥對(duì)斑馬魚膽堿能系統(tǒng)的影響。

4.2 材料與方法
馬拉硫磷、滅多威、溴氰菊酯,購于國家標(biāo)準(zhǔn)樣品中心;牛血清蛋白(BSA)、考馬斯亮藍(lán),SBH-Bio 公司;二甲基亞砜(DMSO),Biosharp 公司;NaCl、Na2HPO4、NaH2PO4、乙醇,分析純,國藥集團(tuán);斑馬魚煙堿型乙酰膽堿受體酶聯(lián)免疫分析(Elisa)試劑盒。超聲波破碎儀,BILON-650Y,上海比朗儀器有限公司;酶標(biāo)儀、高速離心機(jī)、分光光度計(jì)、恒溫干燥機(jī)、電子天平、恒溫水浴鍋等。將斑馬魚暴露于 0 TU、0.5 TU、1 TU 和 2 TU 的不同農(nóng)藥中,每 1 h 取樣 1 次,連續(xù)取樣 12 h 或至斑馬魚全部死亡。如果實(shí)驗(yàn)組中每 1 h 內(nèi)有斑馬魚死亡,則另外取樣。樣品分別裝入 EP 管,于-80 ℃冰箱中保存
將-80 ℃冰箱中的樣品,加入 9 倍體積的預(yù)冷的 PBS(0.1 M,pH 7.2),迅速用超聲波破碎儀破碎,破碎完成后裝入離心管,在 4 ℃、2,500 rpm/min 下離心 25 min,取上清液作為粗蛋白液。以 BSA 為參照,通過 Bradford 法[72-74]測(cè)定蛋白含量,將蛋白液濃度確定為 0.5mg/ml。具體測(cè)量方法見表 3-1。
用雙抗體夾心法測(cè)定斑馬魚體內(nèi)nAChR 的活性。用純化的 nAChR 抗體包被微孔板,制成固相抗體,往包被單抗的微孔中依次加入 nAChR 標(biāo)準(zhǔn)品和樣品蛋白。辣根過氧化物酶(HRP)標(biāo)記的 nAChR 抗體結(jié)合,并形成抗體-抗原-酶標(biāo)抗體復(fù)合物,經(jīng)過徹底洗滌后加HPR 底物四甲基聯(lián)苯胺(TMB)顯色。TMB 在 HRP 的催化下轉(zhuǎn)化成藍(lán)色,并在酸性作用下轉(zhuǎn)化成黃色,顏色的深淺與樣品中 nAChR 的濃度呈正相關(guān)。

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5 結(jié)論

本論文選用廣泛應(yīng)用于工農(nóng)林生產(chǎn)中的有機(jī)磷類農(nóng)藥馬拉硫磷、氨基甲酸酯類農(nóng)藥滅多威和擬除蟲菊酯類農(nóng)藥溴氰菊酯,這三種神經(jīng)抑制類農(nóng)藥作為受試藥物,以斑馬魚(Danio rerio)作為模式生物進(jìn)行毒性效應(yīng)研究。研究不同時(shí)間不同農(nóng)藥暴露下斑馬魚的mAChR 和 nAChR 活性變化規(guī)律,得出以下結(jié)論:1. 24 h 急性毒性實(shí)驗(yàn)表明:3 種農(nóng)藥對(duì)斑馬魚的毒性存在差異,毒性大小依次是,溴氰菊酯>馬拉硫磷>滅多威。馬拉硫磷、滅多威和溴氰菊酯對(duì)斑馬魚的 24 h-LC50 分別 9.48μg/L、2299.23 μg/L、5.32 μg/L。對(duì)于斑馬魚來說,馬拉硫磷和溴氰菊酯屬于劇毒性毒物,而滅多威屬于中等毒性毒物。斑馬魚的死亡率與這三種農(nóng)藥的濃度均呈正相關(guān),具有較高的相關(guān)系數(shù),且具有明顯的劑量—效應(yīng)關(guān)系(Dose-effect relationship)。斑馬魚在受到不同毒物的刺激時(shí),均會(huì)表現(xiàn)出明顯的行為變化,這與斑馬魚在毒物條件下的適應(yīng)相關(guān)。
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參考文獻(xiàn):



本文編號(hào):9103

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