利用多能干细胞研究环境污染物的健康效应及风险评估

The field of toxicology has been challenged in the last few decades, because of the exponential discovery of novel pollutants and the relative lack of knowledge of their hazardousness to human health. One disturbing example is the replacement of the known toxicant Bisphenol A (BPA), with its derivatives BPS, BPF, and tetrabromobisphenol A (TBBPA), in many industrial productions. In fact, these chemicals are nowadays employed without restrictions, although their potential toxicity has not been investigated thoroughly. In recent years, among all the in vitro assays as alternatives to animal tests, the use of embryonic stem cells (ESCs) in toxicity studies has revolutionized the field. Indeed ESCs represent a powerful system not only for acute toxicity tests, but most importantly for developmental toxicity assays, due to their ability to differentiate and mimic embryonic development. In this research proposal, we aim at investigating the potential embryonic, developmental, and reproductive toxicities of traditional and novel environmental pollutants by using ESCs. We will show that pluripotent stem cells are a powerful system with the potential to bring us a step closer towards an animal test-free toxicology.

随着环境化学的发展，新发现的环境污染物数量逐年递增，但与此同时这些污染物对人体健康影响的相关研究却十分匮乏。其中的典型代表双酚A类化合物（BPA及其衍生物BPS、BPF和TBBPA等）在健康效应不明的情况下就已大规模应用于日常生活生产中。随着生命科学的发展，相比于其他替代动物试验的体外毒理学研究模型，胚胎干细胞在毒理学研究中的应用为该领域带来了全新的理念。胚胎干细胞不仅仅局限于急性毒性研究中，更重要的是因其在体外细胞水平具有多向分化及模拟胚胎发育的能力，还可将其用于研究发育毒性这一动态发展变化的过程。本项目拟通过使用胚胎干细胞，建立体外模拟胚胎发育及定向分化的模型，旨在深入探讨传统及新型环境污染物对生物体的潜在毒性效应及致毒机制；同时多能干细胞的使用可减少动物实验，将改变传统毒理学研究的面貌。本项目研究成果有望为环境污染物的检测、处置与管理提供有效的科学参考。

在本项目中，我们利用干细胞分化成多种体细胞的能力来评估环境污染物的潜在发育毒性。事实上，胚胎/胎儿的所有组织都是从囊胚内细胞团的原始胚胎干细胞（ESCs）中衍生出来的，经过三胚层以及原始生殖细胞分化，进一步成为各脏器组织的前体细胞，最后形成终末分化细胞。在成人体内，组织中的细胞是从分化的组织干/祖细胞中再生出来的。因此，通过研究污染物对干细胞分化的影响，我们可以评估其在发育和/或组织再生过程中的潜在毒性。我们发现，一些环境污染物如双酚类、PFASs、PBDEs等，可显著干扰干细胞分化，这些环境污染物在分化过程的不同阶段产生毒性作用，特别是在发育分化早期即可对胚胎干细胞产生影响。例如，双酚类物质包括BPA及其替代物，强烈干扰小鼠ESC拟胚体（EB）的多向分化，改变参与信号转导和细胞外基质相互作用等基础生理过程的基因表达、参与包括癌症、心血管和代谢疾病在内的多种疾病的发生。在神经系统发育过程中，这些双酚类物质影响神经干细胞分化的神经元样细胞的轴突长度。在进一步的研究中，我们利用小鼠EB多向分化系统为模型，发现溴代阻燃剂TBBPA会破坏胚胎发育的早期阶段。有趣的是，TBBPA及其类似物通过干扰NOTCH、WNT和T3通路改变了神经发育的早期阶段，并且不同化合物的作用各不相同。在项目的支持下，我们还证实POPs类化合物在胚胎发育早期严重干扰神经系统、心脏和胰腺的形成。本项目研究成果，证实了体外干细胞毒理学可以替代活体动物研究，并可获得更加贴近真实人体生理状态的研究数据，节约成本并节省实验时间。特别是在现今工业化学高速发展的情况下，数百万种化学物质在未获得充足的毒理学研究数据前即进入人们的日常生活，这些化学物质对人类的潜在不良影响需要高效且准确的评价体系加以评估，干细胞毒理学的出现将为传统毒理学评估提供补充和帮助。