当前位置：首页 > 详细信息 同济大学尹大强/徐挺组发现多溴二苯醚暴露致斑马鱼仔鱼抑郁样效应的新机制
作者：CZRC 发布时间：2023/7/19 10:00:00
抑郁是全球最大的健康挑战之一。虽然单胺类神经递质理论仍然是抑郁病理学的主导假说，但其有效性和可靠性备受质疑。近些年来新的抑郁致病因素，如昼夜节律紊乱引起了广泛关注。时间疗法，尤其是以非成像视觉通路（non-image-forming visual pathway，NIF）为主要靶点的光疗法，进而成为流行的抑郁临床治疗手段。NIF通路从黑视蛋白出发，将光信号投射至中枢节律器-视交叉上核SCN，并直接或间接影响昼夜节律系统和多个情绪相关脑区，对抑郁有重要调控作用。多溴二苯醚（PBDEs）是一种重要的溴代阻燃剂，虽然PBDEs已经逐渐被斯德哥尔摩公约限制，但由于其持久性和生物蓄积性仍在环境中有较高浓度的分布。抑郁等神经系统疾病的发生与PBDEs暴露的关联性也于近期被相关流行病学研究广泛报道，毒性机制有待深入挖掘。视觉毒性是PBDEs的特征毒性，但现有研究主要聚焦于成像系统，尚未涉及NIF通路。因此，非成像视觉系统很可能成为理解PBDEs造成神经毒性效应的关键毒性作用通路。
2023年6月24日，同济大学尹大强、徐挺团队在环境科学领域权威期刊Environmental Science & Technology在线发表题为“BDE-47 Causes Depression-like Effects in Zebrafish Larvae via a Non-Image-Forming Visual Mechanism”的研究论文，该研究发现溴代阻燃剂多溴二苯醚PBDEs可能通过干扰非成像视觉系统引起斑马鱼仔鱼的抑郁样效应。
本研究将斑马鱼胚胎分别暴露于2.5 μg/L和25 μg/L环境浓度的代表性PBDEs-2,2',4,4'-四溴联苯醚（BDE-47）中，根据实验要求对5-7 dpf斑马鱼仔鱼进行收集采样。鉴于NIF通路与昼夜节律系统紧密相关，本研究在白天和夜晚分设时间点进行采样研究。结果表明，BDE-47暴露对关键非成像视蛋白-黑视蛋白（OPN4）的影响存在显著的昼夜差异性，具体表现为暴露组的哺乳动物同源基因opn4.1表达量与对照组相比白天升至140%-160%，夜晚跌落至70%。
图1 BDE-47暴露造成具有昼夜节律差异性的黑视蛋白紊乱
图1 BDE-47暴露造成具有昼夜节律差异性的黑视蛋白紊乱
进一步研究发现，这样的双向变化很可能沿着NIF通路传递至SCN中的神经肽和钟基因。SCN中产生神经肽的神经元中有两个主族AVP（arginine vasopressin, 精氨酸加压素）神经元和VIP（vasoactive intestinal peptide, 血管活性肠肽）神经元，分别位于SCN的“外壳”和“内核”区域。免疫荧光结果显示，至少有一种环境浓度的BDE-47引起了AVP和VIP含量的明显变化。对于钟基因而言，BDE-47在清晨导致per2和cry1a表达量的显著增加，而在夜间过渡到黑暗后不久，clocka表达量明显减少。其中，per2在污染物暴露下的异常振荡与opn4.1的振荡高度相似。因此，BDE-47暴露下SCN中的神经肽和钟基因与黑视蛋白的变化趋势相似，这也表明黑视蛋白对SCN的调控作用。
图2 BDE-47暴露带来具有昼夜差异性的SCN神经肽和钟基因紊乱
图2 BDE-47暴露带来具有昼夜差异性的SCN神经肽和钟基因紊乱
鉴于SCN位于下丘脑当中，本研究继续探索了BDE-47是否会影响下丘脑中的5-HT系统。相关研究发现5-HT在调节情绪、食欲和睡眠方面扮演重要角色。结果表明，BDE-47对下丘脑5-HT含量和5-HT合成基因tph2表达量的影响一致，均呈现具有昼夜差异性的双向紊乱。然而，BDE-47对5-HT1A受体htr1aa和5-HT转运体serta的影响却在白天和黑夜都表现出相似的单向紊乱趋势，这暗示了黑视蛋白的直接调控作用。同时，研究考察了BDE-47暴露后斑马鱼仔鱼在不同光照条件下趋触性行为的变化，发现在光照对比度转换较小的夜晚，仔鱼趋触性显著升高。这也表明，抑郁样行为受到照明条件的影响，且更有可能在夜间发生，这与预期的暴露后5-HT1A受体和转运体的变化相一致。与此同时，睡眠问题与昼夜节律系统密切相关，睡眠异常也是抑郁的特征之一。因此，本研究继续考察了BDE-47对斑马鱼仔鱼褪黑素系统和睡眠-觉醒行为的影响。BDE-47暴露下褪黑素受体（mtnr1aa、mtnr1al和mtnr1bb）和合成代谢酶（aanat1）的表达模式与黑视蛋白所受影响类似，呈现双向紊乱。然而，起主导作用的褪黑素合成酶aanat2基因、AANAT酶的含量和褪黑素的含量在BDE-47暴露后昼夜均单调上调。同时，睡眠-觉醒行为测试中，BDE-47暴露下斑马鱼仔鱼在白天和黑夜的游动距离均显著减少，该结果与褪黑素水平的改变一致，呈现仔鱼“嗜睡样”状态。
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图3 BDE-47暴露干扰仔鱼5-HT系统和趋触性行为
图3 BDE-47暴露干扰仔鱼5-HT系统和趋触性行为
本研究继续向斑马鱼胚胎注射了黑视蛋白拮抗剂AA92593以进一步揭示黑视蛋白在BDE-47诱导斑马鱼仔鱼抑郁样效应中的作用。实验结果表明，黑视蛋白拮抗剂对aanat2表达量和睡眠觉醒行为的影响，与BDE-47诱导的仔鱼“嗜睡样”活动衰退高度相似。鉴于褪黑素主要在夜间产生，我们进一步推测黑视蛋白基因夜间表达量的减少应该是导致BDE-47暴露下aanat2相关睡眠异常的主要原因。相反，考虑到aanat2在白天的表达量较小，黑视蛋白在白天对褪黑素的调控作用可能是较为有限的，因而BDE-47暴露下褪黑素前体物5-HT的增加可能是导致仔鱼白天活动水平下降的主要原因。另一方面，拮抗剂暴露时htr1aa转录水平的下降表明黑视蛋白具有抗抑郁作用。同时，考虑到已有研究表明“错误的”节律时间（如夜间）光照可诱导独立于SCN的抑郁样行为，我们推测5-HT1A受体的单调变化可能是由于BDE-47暴露下夜间黑视蛋白水平下降，进而直接减轻了对5-HT1A受体的抑制。AA92593的拮抗作用进一步证实了黑视蛋白在直接调控htr1aa表达中的重要作用，并未干扰昼夜节律系统。总之，拮抗剂实验初步证实，在BDE-47暴露造成的斑马鱼仔鱼抑郁样效应中同时存在黑视蛋白的直接光调控作用和涉及昼夜节律的间接调控作用。
图4 显微注射黑视蛋白拮抗剂AA92593对斑马鱼仔鱼的影响
图4 显微注射黑视蛋白拮抗剂AA92593对斑马鱼仔鱼的影响
综上所述，本研究首次报道了多溴二苯醚暴露下非成像视觉介导的神经毒性机制。受BDE-47暴露影响的黑视蛋白通过ipRGC投射改变了节律和抑郁相关脑区的钟基因、5-HT神经递质、褪黑素和相关合成代谢酶，并导致斑马鱼仔鱼出现抑郁样行为。本研究不仅是对经典成像视觉相关研究的延伸，更直接表明多溴二苯醚对视觉的损害可能具有深远而复杂的健康影响，包括高级认知和情感功能。与此同时，本项研究为抑郁与多溴二苯醚暴露之间的流行病学相关性提供了机制线索，相关机制探究也成功解释了某些抑郁症指标中普遍存在的昼夜差异。
同济大学环境科学与工程学院的徐挺副研究员为该论文的通讯作者，同济大学环境科学与工程学院的博士生曹淼为该论文的第一作者。