小鼠体内砷甜菜碱向无机砷的生物降解.pdf

生态毒理学报Asian Journal of Ecotoxicology第 18 卷 第 3 期 2023 年 6 月Vol.18,No.3 Jun.2023 基金项目:广东省基础与应用基础研究基金自然科学基金杰出青年项目(2022B1515020030);广州大学百人计划引进人才科研启动项目(RQ2020057)第一作者:赵芊瑜(1999),女,硕士生,研究方向为生态毒理学,E-mail:qianyu_zhao_ *通信作者(Corresponding author),E-mail:zh_DOI:10.7524/AJE.1673-5897.20221226001赵芊瑜,熊海燕,叶紫君,等.小鼠体内砷甜菜碱向无机砷的生物降解J.生态毒理学报,2023,18(3):326-335Zhao Q Y,Xiong H Y,Ye Z J,et al.Biodegradation of arsenobetaine into inorganic arsenic in mice J.Asian Journal of Ecotoxicology,2023,18(3):326-335(in Chinese)小鼠体内砷甜菜碱向无机砷的生物降解赵芊瑜,熊海燕,叶紫君,黄莉萍,张伟*广州大学环境科学与工程学院,广州 510006收稿日期:2022-12-26 录用日期:2023-02-10摘要:砷在高浓度下对生物体具有极高的毒性,然而,关于低毒性的砷甜菜碱(AsB)在哺乳动物体内生物转化的研究有限。AsB 对人体是否造成潜在健康影响,最近引起了广泛的关注。因此,本研究评估了 AsB 和无机砷形态在小鼠体内的差异吸收、生物转化和生物积累。为此,C57BL/6J 小鼠以1 000 g kg-1剂量口服 AsB 和无机砷(iAs)14 d。随后,收集组织/器官样本以及尿液和粪便样本进行分析。结果表明,AsB 的口服吸收率最高。此外,我们观察到 AsB 经口服后向砷酸盐(As()发生显著生物转化,相较于亚砷酸盐(As()或 As()处理的小鼠,AsB 处理小鼠的肝脏、肺和脾脏中砷积累水平更高。在短期接触 AsB 后,iAs 在肺和脾脏中表现出较高的积累水平。总的来说,这些发现提供了强有力的证据,证明在哺乳动物中,AsB 经历了向 iAs 的生物转化,同时表明哺乳动物长期摄入 AsB 存在潜在的健康风险。关键词:砷甜菜碱;无机砷;老鼠;生物降解文章编号:1673-5897(2023)3-326-10 中图分类号:X171.5 文献标识码:ABiodegradation of Arsenobetaine into Inorganic Arsenic in MiceZhao Qianyu,Xiong Haiyan,Ye Zijun,Huang Liping,Zhang Wei*School of Environmental Science and Engineering,Guangzhou University,Guangzhou 510006,ChinaReceived 26 December 2022 accepted 10 February 2023Abstract:At high concentrations,As is extremely toxic to living organisms,and recently,the biotransformation ofAs species,including arsenobetaine(AsB),has attracted considerable attention owing to their health effects follow-ing their ingestion.However,studies on the biotransformation of AsB in mammals are limited.Therefore,in thisstudy,our objective was to evaluate the differential absorption,biotransformation,and bioaccumulation of As spe-cies in mice.To this end,C57BL/6J mice were orally administered AsB and inorganic As(iAs)for 14 d at a doseof 1 000 g kg-1.Thereafter,tissue/organ samples as well as urine and fecal samples were collected for analysis.The results obtained showed that AsB had the highest oral absorption rate.Additionally,we observed a significantbiotransformation of AsB to arsenate(As()following its oral administration,and the liver,lungs,and spleen ofAsB-treated mice showed higher As accumulation levels than those of arsenite(As()-or As()-treated mice.Further,after the short-term exposure to AsB,iAs showed a relatively high accumulation level in the lungs andspleen.Overall,these findings provided strong evidence that in mammals,organic AsB undergoes biotransformation第 3 期赵芊瑜等:小鼠体内砷甜菜碱向无机砷的生物降解327 to iAs,indicating the potential health risk associated with long-term AsB intake in mammals.Keywords:arsenobetaine;inorganic arsenic;mice;biodegradation 砷是环境中最普遍的有毒物质,在美国有毒物质和疾病登记署和美国环境保护局公布的危险物质优先清单中排名第一。值得注意的是,砷的毒性和致癌性在很大程度上取决于砷的化学形态1。一般来说,无机砷(iAs)包括亚砷酸盐(As()和砷酸盐(As(),比起甲基化的五价砷如一甲基砷酸盐(MMA()和二甲基砷酸盐(DMA()的毒性更大,同时 MMA()和 DMA()比砷甜菜碱(AsB)的毒性更大。据报道,AsB 和砷胆碱(AsC)被认为是毒性最小的砷形态2-3。人类可通过空气、饮用水和食物接触到砷,导致生理功能障碍和各种疾病的发生,如心血管疾病、糖尿病和多器官癌症等4。由于 iAs 的高毒性和致癌性,其生物转化也受到了广泛关注5。摄入的 iAs,包括 As()和 As(),可以通过甲基化代谢,形成MMA()和 DMA()作为最终代谢产物,然后通过哺乳动物的尿液排出。然而,在哺乳动物尿液中观察到这些甲基化代谢产物的反应中间体,即一甲基砷酸(MMA()和二甲基砷酸(MMA(),其毒性比iAs 毒性更大6-7。此外,砷甲基化的机制包括随着甲基的参与,As()被还原为 As(),其中 S-腺苷蛋氨酸是主要的甲基供体,谷胱甘肽等硫醇是还原剂。以往研究发现,As3MT 和 Cyt19 在内的甲基转移酶可以参与砷甲基化的过程7。一甲基化砷和二甲基化砷的生物转化也受到了相当多的关注。据报道,在小鼠盲肠匀浆存在时,MMA()可以甲基化为 DMA(),并去甲基化为As()8。除此之外,还观察到摄入的 MMA()在小鼠中比 MMA()更广泛地代谢为二甲基化砷9。人们还提出了二甲基化砷生物转化的几种机制,一些研究表明,DMA()没有去甲基化,并作为主要代谢物在人类和动物的尿液中排出,包括小鼠、大鼠、仓鼠和兔子10-11。相反,另一些研究表明,DMA()可以被还原为二甲基砷酸(DMA(),可被大鼠的红细胞有效吸收12,或去甲基化为 MMA()和 iAs,随后在 DMA()处理后的大鼠的尿液中排出13。此外,先前的一项研究表明,口服 DMA()后的小鼠,4%15%会以三甲基砷氧化物(TMAO)的形式在其尿液中排出11。另一项研究显示,大鼠暴露于含有 DMA()的饮用水 14 d 后排出了含有 TMAO的粪便14。此外,暴露于 DMA()或 DMA()的大鼠和小鼠的尿液、粪便或肝脏中检测到未知的砷代谢物15-16。海产品,特别是海洋鱼类和贝类含有高浓度的AsB17-18,使其成为人类摄入 AsB 的有效途径17。一项研究表明,在兔、大鼠和小鼠中注射 AsB 后,98.5%的 AsB 在 2 d 内被排泄,此后未检测到其他形态的砷19,表明由于 AsB 具有高极性和亲水特性,因此,AsB 在啮齿类动物中的排出速率远大于其转化效率20。然而,最近的证据表明,AsB 可以在人类胃肠道(GI)中被微生物转化,DMA 和 TMAO 是主要的降解产物21。同时,在喂食含 AsB 饲料的大鼠的尿液中检测到其他形式的砷,包括 TMAO、MMA、DMA、四甲基砷和 iAs22。目前,据估计,许多国家海产品中总砷(AsB90%)的浓度可能比食品中 iAs(50 ngg-1)限值高出 200 倍23。此外,关于AsB 向 iAs 降解的研究有助于增进对与 AsB 相关的潜在食品毒性和健康风险的了解。因此,有必要进一步研究 AsB 在哺乳动物体内的生物转化。因此,本研究旨在以安全剂量(ADI)反复灌胃C57BL/6J 小鼠 14 d 后,研究包括 AsB、As()和As()在内的几种砷形态的生物转化。可以得到,与不同的 iAs 形态相比,AsB 的吸收、生物转化和生物积累模式存在显著差异。此外,通过对不同形态砷的单次暴露实验,可以准确分析每种砷形态的生物转化;这对评价不同形态砷的健康危害具有重要意义。1 材料与方法(Materials and methods)1.1 化学药品和试剂(Chemicals and reagents)标准品、萃取液和流动相溶液使用 Milli-Q 水(18.2 M cm,IQ 7000,Millipore SAS,法国)制备。此外,总砷的标准溶液由 10 mgL-1原液(多元素校准标准 2A,安捷伦,美国)连续稀释制备,AsB、As()和 As()的溶液分别由砷甜菜碱(C5H11AsO2,Sigma-Aldrich,St Louis,MO,USA)、亚 砷 酸 钠(NaAsO2,Sigma-Aldrich)和 砷 酸 二 氢 七 水 钠(Na2HAsO47H2O,Sigma-Aldrich)制备。实验小鼠用戊巴比妥钠(生物试剂 C11H17O3N2Na,中国上海源业生物科技有限公司)麻醉,实验动物采集的样品用 65%硝酸消化(德国默克公司)。此外,用于高效液相色谱(HPLC)的流动相化学品(柠檬酸(C6H8O7,328 生态毒理学报第 18 卷分析试剂(AR)级),1-己烷磺酸 钠(C6H13O3SNa,98%)和氢氧化钠(NaOH,(AR 级)购自中国上海化学工业园区。不同砷溶液和提取物存放在高密度聚丙烯离心管中,4 冷藏待用。1.2 动物与砷暴露(Animals and arsenic exposures)雄性 C57BL/6J 小鼠(23.2 27.6 g,7 周)购自中国医学科学院实验动物研究所(CAMS)和中国北京协和医学院(PUMC)。该研究的设计和报告遵循了ARRIVE 指南(https:/arriveguidelines.org)。所有动物实验均按照国家卫生研究院实验动物护理与使用指南(第 8 版)的指导原则进行,并经广州大学动物伦理委员会批准。小鼠最初被安置在标准聚丙烯笼中(每笼 5 只),以 SPF 级窝料为垫料,温度为(221),光照/黑暗周期为 12 h/12 h,相对湿度为 50%60%,不断提供食物和水。在暴露实验开始之前,小鼠需用 7 d 适应这些测试条件。垫料和饲料购自广州赛博诺生物科技有限公司。驯化 7 d 后,将 40 只小鼠随机分为对照、AsB、As()和 As()4 个处理组,2 个重复笼,每笼5 只。配制 AsB、As()、As()(Sigma-Aldrich)原液 100mg L-1,研究砷在小鼠体内的生物转化。此外,AsB、As()和 As()处理组小鼠在暴露期(14 d)内每天灌胃 10 mLkg-1相应的砷形态(计算剂量为1 000 g kg-1),对照组小鼠不进行任何砷形态的处理。在整个实验期间,提供 SPF 级维持小鼠的饲料和消毒纯净水(总砷浓度低于 710-6mg L-1的检测限度)。为避免灌注过程中小鼠应激,暴露时间限制在 14 d。小鼠饲料中总砷浓度为(0.290.02)gg-1,其中 As()(0.050.01)gg-1、As()(0.180.02)gg-1、MMA(0.020.003)gg-1、DMA(0.020.01)g g-1和 AsB(0.020.008)g g-1。每天测定小鼠体质量。每天灌胃给药前采集粪便样本,解剖前禁食 24 h,确保胃空。但是,依然提供饮用水。在结束暴露后第 2 天,用 0.5%戊巴比妥钠50 mg kg-1麻醉小鼠,并进行全身灌注,以清除循环系统和小鼠器官的血液24。在灌注过程开始时采集血液样本(约1 mL)进行砷形态分析。分别采集膀胱和小肠的尿液和食糜样本进行砷形态分析(砷形态分析见 1.4 节),同时采集内脏器官/组织,包括心脏、肝脏、脾脏、肺、肾脏、肠(冲洗去除食物残渣)、胃(冲洗去除食物残渣)、肌肉和粪便样本,均质化进行总砷和砷形态分析。1.3 总砷含量测定(Total arsenic content determination)小鼠的总砷含量按以下程序测定25。简单地说,将组织、食糜和粪便粉末样品各取约 0.1 g,用 1mL HNO3(65%,AR 级,默克公司)在室温(22 C)下混合消化 2 h,然后在 80 C 下消化 24 h,直到混合物变得清晰。然后,通过电感耦合等离子体质谱(ICP-MS,Agilent 7900,东京,日本)分析样品的总砷含量。通过分析金枪鱼标准参考物质(SRM)(BCR-627,比利时吉尔标准物质与测量研究所)来评估消解方法的准确性。SRM 的总砷回收率为 97.8%(4.70.3)gg-1,参考值为(4.80.2)gg-1,n=?6)。此外,组织、食糜和粪便样品中的砷浓度均以g g-1(干质量)表示。1.4 砷形态分析(Arsenic speciation analysis)砷的形态分析如前所述,仅略作修改26。简单地说,将大约 0.2 0.3 g 的组织、食糜和粪便粉末样品加入 8 mL 1%HNO3的 Xpress 反应罐(55 mL)中,然后在微波炉(CEM Mars 6,USA)中 100 C 消化 1.5 h26。接下来,将混合物转移到 15 mL 离心管中,在 90 C 下加热浓缩。随后加入 15 mL MilliQ水 2 次,浓缩至 4 mL。待冷却后,浓缩液通过 0.22m 酸化硝化纤维素过滤器(广州初林生物科技有限公司,中国)过滤至 2 mL 棕色样品瓶(安捷伦)。采用 高 效 液 相 色 谱 法(Agilent 1260 Infinity,Bblingen,德国),结合 Agilent Zobarx SB-Aq 柱(含20 mmol L-1柠檬酸(C6H8O7)和 5 mmol L-11-己磺酸钠(C6H13O3S Na)的混合物为流动相(pH 为 4.3)和 ICP-MS 检测系统,测定提 取 溶 液 中 砷 形 态的含量。比较了 2 种从龙胆石斑鱼饲料中提取砷的方法(添加 AsB)。第 1 种方法是用 50%的甲醇溶液均质提取砷25,第 2 种方法是上述提取方法。2 种提取方法得到的结果均未显示 AsB 降解。此外,小鼠暴露于不同处理后,获得了心脏、肝脏、脾脏、肺、肾、肠、胃和肌肉组织中 As()、As()、MMA、DMA 和AsB 的图谱。AsB 暴露处理如图 1 所示。BCR-627检测 AsB 含量为(3.71 0.17)gg-1(回收率为95.1%,参考值为(3.900.22)g g-1,n=6),DMA 含?量为(1.280.19)gg-1(回收率为 85.3%,参考值为(1.500.02)gg-1,n=6)。另外 3 种 As()、?As()和 MMA()的回收率分别为 82%90%、89%94%和 87%93%。此外,柱回收率计算为不同砷形态的含量之和与使用提取溶液测定的总砷含量的比值27。回收率在 67.7%300.0%范围内变化。第 3 期赵芊瑜等:小鼠体内砷甜菜碱向无机砷的生物降解329 图 1 AsB 暴露组小鼠心脏、肝脏、脾脏、肺、肾、肠、胃和肌肉中 As()、As()、MMA、DMA 和 AsB 对应的色谱图注:AsB 表示砷甜菜碱,MMA 表示一甲基砷,DMA 表示二甲基砷。Fig.1 Chromatograms corresponding to As(),As(),MMA,DMA,and AsB in the heart,liver,spleen,lungs,kidneys,intestine,stomach,and muscle of mice in the AsB treatment groupNote:AsB means arsenobetaine,MMA means monomethylarsonate,and DMA means dimethylarsinate.1.5 统计分析(Statistical analysis)GraphPad Prism version 5(GraphPad Software,San Diego,CA,USA)用于图形展示。数值数据以平均值标准差表示(n=10,除非另有说明)。所有实?验至少重复 2 次,得到相似的结果。2 结果与讨论(Results and discussion)2.1 砷的吸收(Arsenic absorption)通过测定粪便中排泄的砷含量来估计砷形态的口服吸收率,这主要是因为哺乳动物吸收的砷主要通过尿液排出28。一般而言,不同砷形态处理组的粪便中总砷含量在 2 d 后呈上升趋势,随后趋于平稳(图2(a)。在暴露14 d 期间,As()处理组小鼠粪便中砷含量最高(11.5 gg-1),其次是 As()处理组(7.8 g g-1)和 AsB 处理组(2.2 g g-1)(图2(a)。AsB、As()和 As()处理的小鼠通过粪便排出的砷含量分别为 3.8%、14.2%和 18.9%(图 2(b),表明 AsB 在小鼠体内的口服吸收效率最高,超过96.2%的总砷被胃肠道吸收。这与之前的研究结果一致,即口服73As 标记的 AsB 几乎完全被小鼠的胃肠道吸收19。2.2 有机砷和 iAs 的生物转化(Biotransformation oforganic and inorganic arsenic)尽管 iAs 在哺乳动物中的生物分布、生物转化和毒性已经被广泛研究,但 AsB 在这方面的生物转化研究仍然少之又少6,29。因此,本研究对 AsB 和iAs 暴露小鼠的血液、食糜、排泄物和内脏中砷的生物转化进行了探讨。汇总了不同砷形态的绝对含量、相对含量及百分比。此外,实验动物主要内脏器官中砷形态的净累积浓度和百分比(暴露处理水平减去对照处理水平)如图 3 所示。经 AsB 暴露后,食糜中 AsB 的累积量相对较高(49.3%),其次是 As()(24.6%)、As()(12.4%)、MMA()(7.29%)和 DMA()(6.46%)。这些结果有力地证明,部分 AsB 在吸收前被降解为 iAs 和甲基砷,这与之前的研究一致,这表明小肠好氧微生物有助于 AsB 降解为 DMA 和 iAs21-22。值得注意的是,AsB 处理小鼠的器官、粪便和尿液中砷积累水平较330 生态毒理学报第 18 卷图 2 各种砷形态在小鼠体内的粪便排泄注:(a)暴露 14 d 期间小鼠粪便样品中砷含量变化情况,(b)通过粪便排出砷的百分比,按公式计算(粪便中砷总量/暴露总量(灌胃+饲料暴露)100%;数据以平均值标准差(SD)表示(n=10)。Fig.2 Fecal excretion of various As species in miceNote:(a)Variation of the As contents of mice fecal samples during the 14 d exposure period,(b)Percentage of As excreted via fecesas calculated according to the expression(total amount of As in feces/total As exposed(oral gavage+feed exposure)100%;data are presented as the meanstandard deviation(SD)(n=10).图 3 不同处理(暴露处理水平减去对照处理水平)后食糜、血液、主要脏器和粪便中砷形态的分布(%)Fig.3 Distribution of As species(%)in chyme,blood,major internal organs,and feces after the different treatments(exposure treatment level minus control treatment level)第 3 期赵芊瑜等:小鼠体内砷甜菜碱向无机砷的生物降解331 高(70.8%98.2%),而 AsB 处理后小鼠的脾脏、心脏、胃、肌肉、肺和肾脏中的 As()含量分别为14.9%、13.1%、12.9%、6.85%、4.38%和 2.66%。此外,心脏、胃和肺组织的 DMA()含量分别为8.33%、7.56%和 2.23%(图 3(b)。这些结果进一步证实,AsB 可 能 在 肠 内 被 降 解 为 DMA()和As(),随后在不同器官/组织中吸收和积累。同时,AsB 在小鼠的尿液(96.2%)和粪便(78.4%)中积累水平较高,说明摄入的 AsB 有很大一部分通过尿液和粪便排出。经灌胃和饲料饲喂的 AsB 总剂量为 1 gg-1(体质量、湿质量)24.5 g(体质量)14 d+24.5 g(体质量)4.8 g(饲料)/30 g(体质量)14 d0.02 g g-1(饲料)=344.1 g。因此,假设 14 d 暴露结束后的同化效率为 100%,AsB 累积浓度为 344.1 g。相反,在所有组织、粪便和食糜样品中检测到的 AsB 浓度(均以干质量表示)为4.5 g g-11.28 g+1.44 g g-16.63 g+0.35 g g-10.19 g=15.4 g。AsB 处理组小鼠所有干组织中 DMA()和 As()的净浓度分别为(0.091 g g-11.28 g)-(0.026 g g-11.26 g)=0.0837 g 和(0.242 g g-11.28 g)-(0.076 g g-11.26 g)=0.214 g,而 DMA()和 As()的比例分别为 0.0837 g/344.1 g100%=0.024%和 0.214 g/344.1 100%=0.062%。这 些 结 果 表 明,至 少有0.086%的 AsB 在肠道中降解为 DMA()和 As(),然后在小鼠组织中积累。此外,当 AsB 在肠内降解形成 As()和 DMA 时,小鼠组织中仅积累了约0.2%的As()(图2(a),根据 As()处理组相应数据计算)和约0.05%的 DMA(未发表数据),而超过 85%的 As()(图2(b)和约 70%的 DMA(未发表数据)通过尿液排出。因此,AsB 在小鼠体内的降解率0.086%。小鼠口服 As()和 As()在不同的内脏器官中表现出相似的形态分布,As()是大多数样品中积累最多的砷形态,而 DMA()是大多数样品中器官中积累最多的形态(图 3(c)和(d)。此外,As()、MMA()和 DMA()在 As()和 As()处理的小鼠食糜中表现出相对较高的积累水平,在 As()处理的小鼠食糜中仅观察到 1.43%的 AsB。这些结果表明,MMA()和 DMA()的生物合成可能在胃肠道吸收之前就开始了。因此,其代谢途径为 As()还原为 As(),As()氧化为 As(),然后加入甲基形成 MMA()和 DMA()30。据报道,砷在哺乳动物中的经典代谢途径是通过重复还原和氧化甲基化进行的31。不仅如此还观察到,肠道微生物组可能有助于小鼠 iAs 的生物转化28,32。因此,我们可以推测,在 AsB 和 iAs 联合暴露下,肠道微生物组可能有助于吸附前 AsB 降解和 iAs 甲基化。在先前的研究中,通过检测 AsB 暴露个体尿液中砷形态的分布来评估 AsB 在人类和啮齿类动物中的生物转化。然而,在这些研究中,并没有研究砷在内脏器官中的形态形成22,33。目前,AsB 在哺乳动物中的转化仍存在争议。例如,以往研究表明,AsB 在含有微生物的有氧环境中培养 7 d 后降解为DMA、二甲基乙酸(DMAA)和 TMAO21,这表明在哺乳动物中,AsB 可由四甲基胂或 TMAO 形成22。此外,口服 AsB 在小鼠、大鼠、兔子和仓鼠中几乎完全从胃肠道吸收,并通过尿液排出20,34。不仅如此,AsB 或 TMAO 可能在微生物的参与下被降解为iAs。例如,在大鼠中观察到尿中消除了 AsB、TMAO、DMA、MMA、四甲基砷(TeMA)、As()和As(),而 MMA、DMA 和 iAs 在尿中消除较晚,且程度有限22。MMA、DMA 和 iAs 消除的这种可变性可能归因于微生物在大鼠体内对氧化三甲胺的去甲基化8。本研究结果表明,As()在小鼠体内积累的原因可能是 AsB 在吸附前倾向于被微生物降解为 DMA 和 As();但 AsB 代谢的机制尚不清楚。此外,小鼠胃肠道的微生物组成与人类胃肠道的微生物组成有很大差异,这可能对人体 AsB 的药代动力学有影响。因此,微生物在生物转化中的作用有待进一步研究。2.3不同内脏器官的差异生物积累(Differentialbioaccumulation in various internal organs)吸收砷主要通过生物转化途径在体内多个器官/组织内积累或代谢,并通过尿液和粪便排出体外。本研究的结果显示,摄入的砷在几个内脏器官中以特定形式存在(图 4(a)(h)。具体而言,iAs 的服用,尤其是 As(),导致几乎所有主要内脏器官,包括胃、肠、肾、肝、肺、脾、心脏和肌肉,都有较高的总砷积累水平(图 4(a)(h)。这可能是由于急性As()中毒时,As()与体内 SH-基团之间的结合35。组织中 iAs 的积累增加表明无机形式不容易排泄36。有趣的是,暴露于 AsB 的小鼠比暴露于iAs 的小鼠表现出更高的总砷积累水平。此外,AsB和 iAs 这 2 个处理组表现出不同的器官分布、积累(图 4(f)和组织分布;因此,有必要进一步研究 AsB在小鼠体内的特异靶器官。332 生态毒理学报第 18 卷图 4 砷暴露后在主要内脏/组织中的差异生物积累(a)(h)注:胃(a)、肠(b)、肾(c)、肝(d)、肺(e)、脾(f)、心脏(g)和肌肉(h)的总砷含量;数据以平均值SD 表示(n=10)。Fig.4 Differential bioaccumulation of As in major internal organs/tissues after exposureNote:Total As content of the stomach(a),intestine(b),kidneys(c),liver(d),lungs(e),spleen(f),heart(g),and muscles(h);data are presented as meanSD(n=10).2.4 不同形态砷的潜在毒理风险(Potential toxico-logical risks of different arsenic forms)摄入砷的毒性很大程度上取决于不同器官中累积的砷量。因此,我们进一步分析了各种内部器官/组织的 iAs 含量(图 5)。一般来说,As()处理的小鼠在胃、肠、心、肝、脾和肺的 iAs 积累水平最高,其次是 As()处理的小鼠。值得注意的是,AsB 处理小鼠的脾脏、肺和肌肉中的总砷水平比对照组小鼠高得多(图 5)。然而,我们观察到,毒性最强的As()在 14 d 暴露期间会导致小鼠的体质量变化(图 6(a)。此外,不同处理后的小鼠主要内脏器官(包括肝、肾、肺、脾和心脏)的系数(用小鼠特定器官/体质量的质量百分比计算)之间没有显著差异(图 6(b)(f),表明短期暴露砷对小鼠的药代动力学活性影响有限,这可以从整个暴露期间体质量的不显著变化中得到证明。国际癌症研究机构(IARC)根据几种砷对人类的毒性和致癌性将其分为不同的类别。特别是,iAs包括 As()和 As(),被归类为对人类有剧毒和致癌性(组 1),而 AsB 被归类为低毒性(组 3),不考虑其对人类的致癌性1。根据砷形态的急性毒性也可以得出类似的毒性分类。例如,无机 As()的 LD50约为 AsB 的 200 倍37;此外,急性口服暴露时,AsB 的LD50值高于 iAs。在本研究中,AsB 在吸附前主要被生物降解为 iAs,推测可能是通过肠道微生物。此外,摄入砷的急性毒性并不是其潜在健康风险的适当指标,因为在现实世界中,个人更有可能以很低的水平接触砷,但持续时间相对较长。AsB 是海产品中最常见的砷形式,长期以来一直被认为是低毒性,其在哺乳动物中的排出速率远大于转化速率,其慢性毒性很少被评估38。然而,本研究的结果表明,AsB(以 1 000 g kg-1口服 14 d)在被某些组织吸收之前,很容易被降解为其他形式的砷,特别是As()。此外,我们观察到 AsB 处理的小鼠与 iAs处理的小鼠相比,其肝脏、肺和脾脏中累积的总砷水平更高。不仅如此,与短期接触 AsB 的对照组小鼠相比,AsB 处理小鼠的内脏/组织中 iAs 水平更高,这表明长期从海鲜中摄入 AsB 对健康有一定的风险。第 3 期赵芊瑜等:小鼠体内砷甜菜碱向无机砷的生物降解333 图 5 不同处理后小鼠主要内脏/组织的砷含量注:砷含量以单位质量冻干小鼠组织(g)中 iAs 的含量(g)表示;数据以平均值标准差表示(n=10)。Fig.5 iAs contents of major internal organs/tissues of mice following the different treatmentsNote:The iAs contents are presented as g of iAs per gram of freeze-dried mouse tissue;data are shown as meansSD(n=10).图 6 砷暴露在实验小鼠体内显示出有限的药代动力学活性注:(a)不同砷形态暴露 14 d 后小鼠体质量变化;(b)(f)小鼠经各种处理后的主要内脏器官肝(b)、肾(c)、肺(d)、脾(e)、心脏(f)的系数,计算公式为(器官质量/体质量)100%;数据以平均值标准差表示(n=10)。Fig.6 Arsenic exposure showing limited pharmacokinetic activity in the experimental miceNote:(a)Body mass changes of mice during the 14 d administration of different As species;(b)(f)Coefficient of major internal organs,including the liver(b),kidneys(c),lungs(d),spleen(e),and heart(f),of mice after various treatments calculated as(organ mass/body mass)100%;data are presented as meansSD(n=10).综上所述:砷的潜在健康风险不仅取决于砷的形态,还取决于其在体内的生物转化。除了职业性接触或通过受污染的饮用水接触外,食用海产品是摄入砷,特别是 AsB 的另一个主要来源。对摄入AsB 的生物转化的研究可以大大提高对砷潜在健康风险的认识。因此,本研究比较了 AsB 和 iAs 在小鼠体内的吸收、生物转化和生物积累,发现 AsB 在小鼠体内吸收前就容易降解为毒性强的 As(),为334 生态毒理学报第 18 卷AsB 在哺乳动物体内的生物降解提供了证据。值得注意的是,AsB 处理的小鼠在短期暴露后比对照组小鼠表现出更高的组织/器官 iAs 积累水平。这一研究结果引出了长期接触 AsB 是否有相关的潜在健康风险。鉴于此,我们呼吁未来更多关注 AsB 的长期风险评估。通信作者简介:张伟(1982),女,博士,副教授,主要研究方向为环境污染物的生态毒理学、环境过程-暴露机制-生态健康、去除技术原理与应用。参考文献(References):1 International Agency for Research on Cancer(IARC).Listof Classifications-Agents classified by the IARC Mono-graphs M.Lyon:IARC,2020:1-127 2 Moe B,Peng H Y,Lu X F,et al.Comparative cytotoxicityof fourteen trivalent and pentavalent arsenic species deter-mined using real-time cell sensing J.Journal of Environ-mental Sciences,2016,49:113-1243 Donahue J M,Abernathy C O.Exposure to inorganic ar-senic from fish and shellfish C/Chappell W R,Abem-athy C O,Calderon R L(Eds.).Arsenic exposure andhealth effects.Proceedings of the third InternationalConference on Arsenic Exposure and Health Effects.Elsevier Science Ltd,1999:89-984 Zhang L,Gao Y,Wu S,et al.Global impact of atmos-pheric arsenic on health risk:2005 to 2015 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