基于人胚胎干细胞的环境内分泌干扰物低剂量暴露胚胎毒性评价模型的研究

Environmental endocrine disruptors (EEDs) and its adverse effects have been focused worldwide. The non-monotonic dose effect existed in EEDs, together with biological effect and gender-specific effect, result in great difference between the result of traditional toxicological evaluation and its real effect. Thus, locking a target organ and exploring the biomarker based on the mechanism of action (MOA) are crucial for EEDs assessment. According to previous study by using mouse embryonic stem cell (ES), we will establish a model of human ES by choosing cardiomyocyte as target organ, to clarify the MOA and gender-specific effect under low-dose EEDs exposure in this study. By tracing the change in key signaling pathway during cardiogenesis and development of mitochondria, we endeavor to find proper biomarker and sensitive exposure period, to set up a human ES-based model for EEDs assessment, and to provide a new tool for EEDs evaluation by mimicking human embryo development alternatively.

环境内分泌干扰物（（Environmental Endocrine Disruptors, EEDs）的健康效应已引起广泛关注。EEDs通过胎盘屏障，使胎儿处于宫内低剂量复合暴露中，故EEDs胚胎毒性研究是EEDs健康风险评价最关键的内容之一。因EEDs多呈现非单一剂量—效应，并在低剂量暴露时产生有害生物学效应，导致基于传统毒理学的评价与实际毒性作用相差甚远，故探求基于毒性机制的效应标志物是EEDs毒性评价的关键。本项目以不同性别人胚胎干细胞（embryonic stem cell，ES)诱导分化心肌细胞为靶器官发育模型进行EEDs低剂量暴露，从心肌细胞发育的信号通路和线粒体发育入手研究毒性效应和性别差异及其分子机制，探求毒性效应相关生物标志物及表达窗口期，并通过分析比较单一和复合暴露下毒性效应生物标志物的表达，揭示多种EEDs的相互作用模式，最终构建基于人ES的EEDs毒性效应评价模型。

胚胎时期接触环境内分泌干扰物可导致多种不良出生结局，且可能与成年慢性疾病也相关；EEDs的孕期暴露与子代发育的有害效应存在显著的性别差异。由于存在种属间的差异，因此在健康风险评价中基于人源细胞获得毒性信息是当前研究EEDs的重要发展方向。本项目利用XX/XY核型的人ES分化为心肌细胞的靶器官发育模型，开展几种典型环境内分泌干扰物低剂量单一和复合暴露实验，通过分子机制研究和生物标志物探索，建立提示EEDs的发育毒性和性别差异性效应的评价模型，为EEDs的健康风险评价提供可靠的效应评估工具。在单一暴露研究中，利用ES来源的心肌细胞，选择了作用于核雌激素受体ER的化合物BPA和膜雌激素受体GPER的化合物BPAF开展了低剂量效应的机制研究。BPA和BPAF可干扰心肌细胞的线粒体动力学平衡，使线粒体长度缩短，线粒体碎片化程度升高，ATP含量降低，从而干扰了细胞的正常功能，提示了线粒体动力学改变可灵敏地体现出低剂量BPA/BPAF作用下干扰效应。目前已确证，BPA对线粒体动力学平衡的影响存在性别特异性。通过追踪Calcineurin-DRP1信号通路，观察到了钙离子稳态的改变与CnAβ的异向性表达导致了毒性效应存在性别差异性。在XX核型的细胞中，这一改变显著强于XY核型的细胞，并凸显了MYL4的特殊效应。在复合暴露研究中，通过CA和双因素方差分析法，从PFOS、PFNA和PFOS的二元或三元等剂量混合物对ES的细胞增殖均呈现相加作用；利用全因子设计设计联合暴露实验，发现PFOS和BPA对心肌细胞分化表现为协同作用，识别出了PFOS和BPA 联合作用时的不同毒性效应模式。BPA和PFOS的联合暴露可能通过上调PI3K/Akt通路和Jak/Stat通路促进细胞增殖，同时通过促进胶原蛋白合成诱导心肌细胞肥大和室间隔增厚，与BPA和PFOS单一作用时存在显著不同，提示了针对联合暴露进行评估时，需要充分考虑效应加成以外的健康风险。基于前述研究中的发现，本项目首次利用两种核型ES建立发育毒性及性别特异性效应的评价模型，亦建立了可提供人源信息的发育毒性评价模型，填补了国际上的空白。