环境浓度抗生素引起斑马鱼焦虑_抑郁样行为与“肠-脑”途径关联的研究进展.pdf
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1、生态毒理学报Asian Journal of Ecotoxicology第 18 卷 第 5 期 2023 年 10 月Vol.18,No.5 Oct.2023 基金项目:学科交叉创新团队建设项目(董武2023 年度);科研创新平台能力建设支持计划(薛江东2023 年度);内蒙古自治区直属高校基本科研业务费项目(GXKY22093,GXKY22001);内蒙古民族大学博士科研启动基金(BS562);内蒙古民族大学创新创业项目(202208035)第一作者:马阳光(1999),男,硕士研究生,研究方向为基础兽医学,E-mail: *通信作者(Corresponding author),E-mai
2、l:DOI:10.7524/AJE.1673-5897.20221219002马阳光,康威,赵可欣,等.环境浓度抗生素引起斑马鱼焦虑/抑郁样行为与“肠-脑”途径关联的研究进展J.生态毒理学报,2023,18(5):36-55Ma Y G,Kang W,Zhao K X,et al.Research progress on association between anxiety/depression-like behavior and“gut-brain”axis in zebrafish inducedby environmental concentrations of antibiotics
3、 J.Asian Journal of Ecotoxicology,2023,18(5):36-55(in Chinese)环境浓度抗生素引起斑马鱼焦虑/抑郁样行为与“肠-脑”途径关联的研究进展马阳光1,2,康威1,2,赵可欣1,2,马璐瑶1,2,董武1,2,于建华1,2,*1.内蒙古民族大学动物科技学院,通辽 0280002.内蒙古自治区毒物监控及毒理学重点实验室,通辽 028000收稿日期:2022-12-19 录用日期:2023-01-29摘要:抗生素在环境中广泛被检出,对动物和人类造成潜在不良影响。抗生素能够改变斑马鱼肠道菌群组成和丰度,进而引起斑马鱼焦虑/抑郁样行为。本文对有关抗生素
4、残留的报道进行了总结,概括分析了抗生素对斑马鱼焦虑/抑郁样行为与斑马鱼肠道菌群的关联。主要从高级神经系统途径、神经内分泌途径、免疫途径、肠道菌群代谢途径和氧化应激途径探讨了抗生素引起斑马鱼焦虑/抑郁样行为变化与“肠-脑”途径作用的关联机制。本文为抗生素和斑马鱼神经行为变化机制研究提供一定的参考。关键词:抗生素;斑马鱼;焦虑/抑郁样行为;“肠-脑”途径文章编号:1673-5897(2023)5-036-20 中图分类号:X171.5 文献标识码:AResearch Progress on Association between Anxiety/Depression-like Behav-ior
5、and“Gut-Brain”Axis in Zebrafish Induced by Environmental Con-centrations of AntibioticsMa Yangguang1,2,Kang Wei1,2,Zhao Kexin1,2,Ma Luyao1,2,Dong Wu1,2,Yu Jianhua1,2,*1.School of Animal Science and Technology,Inner Mongolia MinZu University,Tongliao 028000,China2.Key Laboratory of Toxics Monitoring
6、and Toxicology of Inner Mongolia Autonomous Region,Tongliao 028000,ChinaReceived 19 December 2022 accepted 29 January 2023Abstract:Antibiotics are widely detected in the environment,causing potential adverse effects on animals and hu-mans.Antibiotics can change the composition and abundance of intes
7、tinal microflora in zebrafish,thereby causinganxiety/depression-like behavior.In this paper,reports on antibiotic residues were summarized,and the associationbetween antibiotics on anxiety/depression-like behavior and intestinal microflora in zebrafish was summarized andanalyzed.This paper mainly di
8、scusses the correlation mechanism between anxiety/depression-like behavior changesand the“gut-brain”axis of zebrafish induced by antibiotics from the aspects of higher nervous system pathway,第 5 期马阳光等:环境浓度抗生素引起斑马鱼焦虑/抑郁样行为与“肠-脑”途径关联的研究进展37 neuroendocrine pathway,immune pathway,intestinal flora metabo
9、lic pathway and oxidative stress pathway.This re-view provides some references for the study of antibiotics and the mechanism of neurobehavioral changes in ze-brafish.Keywords:antibiotics;zebrafish;anxiety/depression-like behavior;“gut-brain”axis 抗生素的发现给医疗带来划时代的飞跃,在临床上被广泛使用。世界上,每年抗生素的使用量已经超过了 10 万 t
10、1。然而抗生素的大量生产及滥用,导致地表水和土壤抗生素的大量残留(表 1)。在韩国仁川农田土壤表层检测到四环素高达17.74 mg kg-1 2,我国珠江三角洲和珠江口流域的 8 个监测点均检测到大环内酯类、氟喹诺酮类和磺酰胺类抗生素,残留浓度为 0.7 127 ngL-1 3。在我国江苏某畜禽养殖场周围地表水中共检测出了 9 种抗生素,其中最多的是磺胺二甲嘧啶,检测的最大浓度为211 g L-1 4。另外,Sim 等5在牲畜废水处理厂进水口则检测到了浓度高达 3 005 gL-1的林可霉素,在制药污水处理厂的出水口残留的林可霉素浓度甚至达到了 43 909 g L-1。正常情况下,废水处理厂
11、的能力有限,大多数具有一定浓度的抗生素被持续和大量的输入水体中,并且有些抗生素的半衰期较长,水体的流动性较差,导致抗生素残留浓度极高。同时也导致了环境中残留的抗生素浓度跨度极大5-6。环境中残留的抗生素可通过食物链进入人体,造成潜在的危害,尤其是对孕妇和婴幼儿造成不利影响。斑马鱼(Danio rerio)的行为变化与环境联系密?切,环境抗生素可引起斑马鱼的焦虑/抑郁样行为。斑马鱼产生焦虑/抑郁样行为时,其行为表现与啮齿类动物相似,如斑马鱼对刺激较为敏感,在水中会更趋向于水底和黑暗环境、游泳速度不稳定,有突然转弯或者静止不动的行为7-10。由于斑马鱼具有产卵数量多、孵化快、价格低廉、对药物和污染
12、物敏感等诸多的优点11。并且斑马鱼的基因和人类具有87%的同源性,所以实验结果对人类疾病研究有一定的参考意义12-14。此外,斑马鱼神经系统具有神经递质,例如多巴胺、五羟色胺、乙酰胆碱等,是进行神经系统研究的良好模型15。斑马鱼肠道结构也与人类较为相似,分为上皮层、黏膜层、肌肉层和浆膜层,具有生物屏障、黏液屏障和上皮屏障。研究表明,斑 马 鱼 焦 虑/抑 郁 行 为 与 肠-脑 途 径 密 切 相关16-17。抗生素可通过影响斑马鱼肠道微生物及其代谢产物组成,后经由多种途径联系大脑,传递信息,最终诱发焦虑/抑郁,引起斑马鱼行为的改变。本文对抗生素引起不同年龄阶段斑马鱼焦虑/抑郁样行为进行了总结
13、,并从”肠-脑”途径机制方面进行分析。以期为抗生素和斑马鱼神经行为机制方面研究提供一定的参考。1抗生素对斑马鱼焦虑/抑郁样行为的影 响(Effect of antibiotics on anxiety/depression behav-ior of zebrafish)1.1 抗生素对幼鱼/青年斑马鱼(0 5 月龄)焦虑/抑郁样行为影响(Effects of antibiotics on anxiety/de-pression-like behavior in juvenile/young zebrafish(0 5 months of age)高浓度抗生素可造成斑马鱼焦虑/抑郁样行为(表 2
14、)。研究表明,抗生素单一和联合暴露均会降低幼龄斑马鱼的平均游泳速度,增加移动距离。Gonalves 等18将斑马鱼暴露于浓度为 100 mgL-1的阿莫西林溶液中 7 d 后,通过分析新型水槽试验结果发现阿莫西林暴露显著抑制斑马鱼平均游泳速度,延长其静止不动的时间。Cheng 等19将 6 hpf(hour post fertilization,hpf)的斑马鱼卵暴露在不同浓度林可霉素溶液(15、30、60 gmL-1)中,暴露至 6dpf(day post fertilization,dpf),发现随着林可霉素浓度的增加,斑马鱼的移动距离和平均速度减小。Han 等20将 5 dpf 的斑马鱼
15、暴露于新霉素 125 mol L-11 h 后,新霉素组在黑暗中游泳的总距离显著下降,平均速度降低。Zhang 等21将氟喹诺酮类和四环素类抗生素联合暴露于新生斑马鱼胚胎至 96hpf 后,最终 18.75 mg L-1联合暴露组平均速度显著低于对照组,而 4.69 mgL-1和 9.38 mgL-1处理组平均速度高于对照组。在低浓度的红霉素(1 gL-1和 10 g L-1)染毒中也发现斑马鱼幼鱼的移动距离较多的现象22。低浓度抗生素造成斑马鱼(3 5 月龄)焦虑样行为(表 2)。在 3 个月的持续暴露实验中,Wang 等23将 6 hpf 的斑马鱼卵暴露在-二酮抗生素(氧氟沙星、环丙沙星、
16、恩诺沙星、强力霉素、金霉素和土霉素等浓度等体积和等质量混合物)中,发现低浓度的-二酮抗生素(6.25 mg L-1)会导致斑马鱼在上部停留38 生态毒理学报第 18 卷表 1 抗生素在环境中残留的浓度同斑马鱼实验浓度联系Table 1 The concentration of antibiotic residues in the environment is related to the experimental concentration of zebrafish抗生素种类Types ofantibiotics残留最大浓度Maximum residualconcentration残留载体Re
17、sidual carrier地点Place参考文献References斑马鱼实验所暴露的浓度范围The concentration range exposedin the zebrafish experiment斑马鱼的症状The symptomsof zebrafish斑马鱼参考文献Zebrafishreferences恩诺沙星Enrofloxacin678.4 ng L-1桂林水产养殖区地表水Surface water in Guilinaquiculture area中国China1300.10 0.40 mg L-1恩诺沙星拮抗多菌灵诱发的 48 hpf孵化率的降低和 96 hpf 畸
18、形和致死率的增加Enrofloxacin antagonizes carbendazim inducedreduction of 48hpf hatchability and increase of 96 hpfmalformation and mortality131磺胺甲恶唑Sulfamethoxazole308.98 ng L-1桂林水产养殖区地表水Surface water in Guilinaquiculture area中国China1300.1 100?g L-1磺胺甲恶唑延缓了胚胎的孵化,缩短了体长,上调了几种关键促炎细胞因子及其相应蛋白的基因表达Sulfamethoxazol
19、e delayed embryo incubation,shortened body length,and upregulated geneexpression of several key pro-inflammatorycytokines and their corresponding proteins132磺胺甲恶唑Sulfamethoxazole56 ng L-1天津水产养殖池水Tianjin aquaculture pool water中国China133磺胺甲恶唑Sulfamethoxazole0.94?g L-1白洋淀地表水Surface water of Baiyangdian
20、 Lake中国China134头孢拉定Cefradine1 328 mg L-1大型制药厂生产废水Large pharmaceutical factoriesproduce waste water中国China135磺胺嘧啶Sulfadiazine18?g kg-1大棚土壤植物Greenhouse soil plants中国China136土霉素Oxytetracycline1 692.50 g L-1天津市静海区海河流域下游养猪场污水Sewage from pig farms in thelower reaches of Haihe RiverBasin,Jinghai District,T
21、ianjin中国China13710 100 mg L-1斑马鱼行为改变,产生类似焦虑样的行为Zebrafish behavior changes,producing anxiety-like behaviors25金霉素Chlortetracycline222 g kg-1河北施用动物粪便菜场的土壤Soil from vegetable farms usinganimal manure in Hebei Province中国China138第 5 期马阳光等:环境浓度抗生素引起斑马鱼焦虑/抑郁样行为与“肠-脑”途径关联的研究进展39 续表1抗生素种类Types ofantibiotics残留
22、最大浓度Maximum residualconcentration残留载体Residual carrier地点Place参考文献References斑马鱼实验所暴露的浓度范围The concentration range exposedin the zebrafish experiment斑马鱼的症状The symptomsof zebrafish斑马鱼参考文献Zebrafishreferences金霉素Chlortetracycline27 718.06 ng g-1宁波市张溪流域猪粪Pig manure in ZhangxiValley of Ningbo City中国China139金霉
23、素Chlortetracycline57.95 mg kg-1浙江省饲养场猪粪Pig manure from a farm inZhejiang Province中国China140阿奇霉素Azithromycin984 ng L-1广州秋季污水处理厂Guangzhou Autumn SewageTreatment Plant中国China141甲氧苄胺嘧啶Trimethoprim12 440 ng L-1莱州湾小清河Laizhou Bay Xiaoqing River中国China142环丙沙星Ciprofloxacin25.68 g kg-1北部湾沉积物Beibu Gulf sedimen
24、t中国China1430.7 100 g kg-11 100 3 000 g kg-1谷胱甘肽 S-转移酶活性增加Glutathione S-transferase activity increased鱼的谷胱甘肽还原酶活性显著降低;谷胱甘肽过氧化物酶活性也显著降低The glutathione reductase activity of fish wassignificantly decreased;glutathione peroxidaseactivity was also significantly decreased144环丙沙星Ciprofloxacin104.4?g kg-1山东
25、省蔬菜种植区土壤Soil of vegetable growingarea in Shandong Province中国China145环丙沙星Ciprofloxacin6 310?g kg-1白洋淀植物Plants of Baiyangdian Lake中国China134环丙沙星Ciprofloxacin195.11 ng L-1华东地区饮用水水源地East China drinking water source中国China146差向四环素Epi-tetracycline9.615?g kg-1北京郊区养猪场废水Wastewater from pig farms onthe outski
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