基于胚胎干细胞研究双酚A及替代物在神经发育过程中对轴突导向的影响

The use of Bisphenol A (BPA) has been regulated in many countries because of its potential adverse effects on human health. As an alternative, the structural analogues of BPA such as Bisphenol F (BPF) and Bisphenol S (BPS) have already been used for industrial applications. However, little is known about the toxic effects of BPF and BPS. In recent years, the use of embryonic stem cells (ESCs) in toxicity studies has revolutionized the field, as ESCs represent a powerful system not only for acute toxicity tests, but most importantly for developmental toxicity assays, due to their ability of multiple differentiation and mimicking embryonic development in vitro. The aim of this project is to investigate the basic toxicity of BPA, BPF and BPS with a human ESC system, reflected by cell viability, oxidative stress and apoptosis/necrosis pathways. Furthermore, we will investigate the developmental neurotoxicity of BPA, BPF and BPS using human ESC differentiation models, focusing on the changes in marker gene expression during the developmental process of the nervous system as well as the corresponding toxic effects at the end-stage of neural differentiation. Moreover, to illustrate the molecular mechanism of their toxicity, we will investigate the effect of BPA, BPF and BPS on axon guidance which is the key process in neural development, through detecting the changes of typical signaling pathways (NGF-TRKA and Wnt/β-catenin) in axon guidance. We believe that the findings in this project will help guide the manufacture, management, application, and disposal of Bisphenol A and its substitutes, as well as avoid potential environmental hazards and human health risks due to exposure to those chemical compounds.

由于双酚A（Bisphenol A，BPA）存在人体健康风险，目前许多国家相继对BPA的使用做出限制。结构和功能与BPA类似的一些双酚类化合物，如双酚F（BPF）和双酚S（BPS），作为BPA的替代品开始广泛使用，但是有关BPF和BPS的毒性数据十分有限。胚胎干细胞在体外具有多向分化及模拟胚胎发育的能力，可将其用于发育毒性研究中。本项目基于人胚胎干细胞模型，针对BPA、BPF和BPS，通过研究细胞活力、氧化应激、信号通路变化等，揭示双酚类化合物对人胚胎干细胞的直接毒性作用。通过干细胞的不定向分化及神经定向分化模拟人体胚胎发育过程，探讨双酚A及其替代物导致神经系统发育过程中多种标志物基因水平的改变。进一步重点探索神经发育过程中轴突导向所受到的影响，通过深入探索影响轴突导向的信号通路变化（NGF-TRKA及Wnt/β-catenin），揭示双酚类化合物的神经发育毒性，阐述其毒性效应的内在机制。

由于双酚类化合物的广泛使用，越来越多的研究显示出其潜在的毒性效应和人体健康风险。虽有国家相继限制双酚A在日常生活中的使用，作为替代品的双酚F和双酚S并未受到限制。本项目研究通过使用人胚胎干细胞模型，揭示了双酚类化合物对人胚胎干细胞的直接毒性作用；进一步的神经分化模拟人体胚胎神经系统发育，阐明在孕妇怀孕期间胎儿可能受到双酚类化合物的影响。在本项目的支持下，首先成功建立了人胚胎干细胞多向分化体系和神经发育模型，并以此作为探究双酚类物质的神经毒性效应实验系统。在急性毒性评估中，双酚A和双酚F表现出典型的剂量依赖性细胞毒性，高剂量处理条件下细胞活力受到严重影响；进一步的发育相关毒性研究采用无细胞毒性的给药处理剂量进行长时间孵育，结果发现在典型的神经轴突导向过程中，三种双酚类化合物对经典的信号通路NGF-TRKA及Wnt/β-catenin不产生影响，结果表现为两通路的关键基因和关键蛋白水平变化不显著。为解释该现象发生的原因，即双酚类在胚胎发育过程中表现出神经毒性但对于神经发育的关键步骤轴突导向过程影响不显著，进一步实验关注神经细胞表型的变化。利用高内涵技术对神经发育过程中的神经突长度进行定量，发现双酚类化合物会显著影响神经突的长度，导致神经细胞之间的连接结构缩短或断裂。由此可见，双酚类化合物特别是双酚A的替代物并不安全。至此，在本项目的支持下，揭示出双酚类化合物的神经毒性是由于影响神经发育过程中神经突长度所导致，并且支持现已有观点，即双酚A的替代物不一定比双酚A安全。

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