ACS ES&T Water | 浙江师范大学孙洪杰副教授课题组: 3-溴咔唑诱导的斑马鱼发育神经毒性及其作用机制

近日，浙江师范大学孙洪杰副教授课题组利用斑马鱼胚胎调查了典型的多卤代咔唑类化合物3-溴咔唑（3-BCZ）对其早期生命阶段的不良影响，发现在其1/50半数致死浓度的暴露下斑马鱼仔鱼即会引起发育性神经毒性，并且尾部盘绕和游泳距离可作为评估其健康风险的指标。

多卤代咔唑（Polyhalogenated carbazoles, PHCZs）是一类新兴的有机污染物，由于其结构与二噁英相似而被认为具有较高的健康风险。3-溴咔唑 (3-bromocarbazole, 3-BCZ) 作为PHCZs中的一种，其来源及健康风险正逐渐引起人们的关注。有研究指出，3-BCZ可由多种PHCZs转化生成，也可由咔唑 (carbazole, CZ) 通过卤化反应生成，目前其已在多种水环境中被频繁检出，然而关于3-BCZ健康风险的相关报道却非常有限，限制了人们对PHCZs健康风险的准确评估。

浙江师范大学孙洪杰副教授和匹兹堡大学高鹏助理教授通过利用模式动物斑马鱼探究3-BCZ潜在的健康风险。通过本实验发现：CZ的120 h-LC ₅₀ 为3.89 mg/L, 而3-BCZ的120 h-LC ₅₀ 为2.88 mg/L。这结果表明：与CZ（2B类致癌物）相比，3-BCZ具有更高的致死毒性，对鱼类的早期发育阶段存在更大的威胁。与此同时，3-BCZ还表现出较强的发育毒性，≥ 0.58 mg/L (1/5 LC ₅₀ ) 3-BCZ显著诱导AhR效应并抑制了斑马鱼仔鱼的生长。此外，3-BCZ也表现出较强的运动抑制毒性，≥ 0.14 mg/L (1/20 LC ₅₀ ) 3-BCZ明显抑制了斑马鱼胚胎的卷尾活动（图1）。

为了进一步验证3-BCZ的神经毒性，我们对120hpf的斑马鱼仔鱼进行运动行为分析，发现3-BCZ在0.06 mg/L (1/5 LC ₅₀ )的时候开始显著抑制斑马鱼仔鱼的运动，且随着浓度的增加其运动距离逐渐降低（图2A）。众所周知，运动行为是由神经系统所支配，因此我们选用Tg ( HuC -GFP) 转基因斑马鱼进一步验证。实验发现：≥ 0.06 mg/L 3-BCZ显著抑制了神经元轴突的生长发育（图2B）。随后我们通过qPCR对其干扰机制进一步探究（图2C-2F），发现：3-BCZ可能是通过干扰 al-tublin, gap43, syn2a 和 shha 基因的转录进而影响轴突的发育和再生、突触的传递功能和轴突的传导，最终影响运动神经元轴突的生长发育，导致行为障碍。

考虑到中枢神经系统负责着鱼类行为活动的发生，基于此，我们选用Tg ( HuC -GFP) 转基因斑马鱼及其神经发育关键基因 ( elavl3, nrd, mbp 和 gfap ) 进一步探究3-BCZ对中枢神经系统的影响。发现：≥ 0.14 mg/L的3-BCZ暴露显著抑制了HuC-GFP斑马鱼大脑和脊髓中GFP的表达及神经发育关键基因( elavl3, nrd, mbp 和 gfap )的转录（图3），表明3-BCZ在斑马鱼的生命早期阶段通过下调 elavl3, nrd, mbp 和 gfap 的转录水平减少了斑马鱼中枢神经系统的神经发生。

这些结果表明，3-BCZ具有较强的神经发育毒性，卷尾和总游泳距离可以用作评估3-BCZ暴露风险的敏感指标。