科學發現：消毒劑會影響生育和胎兒發育嗎？

疫情中，工人給電影院消毒。圖片來源：路透社
乍看之下，這個10天大的小鼠胚胎看起來與其它胚胎沒有任何差別。不過，從顯微鏡觀察中，Terry Hrubec發現了不對勁。胚胎的神經管（會發育成小鼠的大腦和脊髓）存在微小的縫隙。它沒有完全關閉。
這件事發生在2009年1月。作為美國弗吉尼亞理工大學（Virginia Tech University）和愛德華·維亞骨科學醫學院（Edward Via College of Osteopathic Medicine）的生殖與發育毒理學家，Hrubec正在研究如何預防這種神經管缺陷。她將一組懷孕小鼠暴露於會引起這種缺陷的藥物中，希望在它們的胚胎中看到這些缺陷。但是，這個缺陷胚胎卻來自她的對照組——健康的、且未暴露於藥物的小鼠。最後，Hrubec在10％的對照組胚胎中發現了神經管缺陷。


左圖為正常小鼠胚胎，右圖為神經管發育缺陷胚胎。圖片來源：Birth Defects Res.|C&EN
Hrubec重複了實驗，以確保她沒有將實驗組的孕鼠或胚胎混淆，但是結果依舊。這使她非常困惑，隻能去找實驗室的動物飼養員。
答案依舊令人失望，這些實驗鼠的來源沒有更換過，它們的飲食也沒有被改變，而且它們的食物和住所沒有受到病原體汙染。
最後，Hrubec找到了學校動物實驗設施的主管，詢問最近是否出現過任何變動。
結果還真有：動物房使用了一種新的消毒劑。為了防止實驗動物生病，動物護理人員通常會每周對地板、牆壁和架子進行清潔，還會每天擦拭地板——他們一直用的是氯基消毒劑。但是在2008年秋季的某個時候，工作人員改用了含有烷基二甲基苄基氯化銨（ADBAC）和二癸基二甲基氯化銨（DDAC）的混合物。這些化合物屬於被稱做季銨類化合物或季銨鹽，在各類消費品中都很常見。
通過進一步的研究，Hrubec發現了ADBAC和DDAC與小鼠發育/生育問題的聯係。與此同時，其他科學家也發現季銨鹽會對細胞生命進程產生負麵影響。現在，COVID-19席卷全球，為了對抗疫情，醫院工作人員、學校門衛、公共交通運營者和業主都開始對建築物進行消毒。根據美國環境保護署（US Environmental Protection Agency）的建議，在可以有效對抗新冠病毒的消毒劑中，活性成分為季銨鹽的占一半。
日常消費品
美國華盛頓大學的生物化學家Libin Xu對此非常擔憂。他補充說，公眾可能知道季銨鹽可以殺菌消毒，但Xu研究後發現季銨鹽還會破壞關鍵的細胞通路。
到目前為止，研究人員尚未報告季銨鹽會對人體產生係統性毒性。但是，至少有一個監管機構希望了解更多有關這些化合物的信息。加利福尼亞州公共衛生部於7月17日發布了針對學校的COVID-19指南，其中明確規定應避免使用含有導致哮喘的化學物質（包括季銨鹽）的消毒產品。衛生部在給C＆EN的聲明中說：“我們盡可能建議使用不含季銨鹽或其他有害化學物質的消毒劑。”
當我們使用季銨鹽消毒劑來對抗冠狀病毒時，它會帶來什麽風險？
強大的化合物家族
季銨類化合物由數百種化合物組成，這些季銨鹽包含至少一個帶正電的氮原子，通常與四個烷基或苄基連接。1935年，諾貝爾獎得主德國病理學家Gerhard Domagk發現了它們的殺菌性。Domagk發現，如果陽離子氮所帶的基團中隻要有一個是長鏈烷基，那麽該化合物就可以殺死微生物。該分子的正電荷有助於其附著在細菌和病毒的帶負電荷的表麵上。對於細菌來說，長烷基鏈會插入表麵的脂質膜，從而裂解細包膜，使內部的物質泄漏出去。對於病毒，季銨鹽則可以破壞它們包裹著遺傳物質的蛋白質和脂質結構。
季銨鹽的這個特性被發現後不久，醫生們意識到具有12個碳原子烷基鏈的ADBAC可以在手術前對手和器械進行滅菌，該化合物以Zephirol（也叫苯紮氯銨）的名字進入市場。到了1940年，餐館和奶牛畜牧場也紛紛將季銨鹽應用於相關設備的消毒中。
而且，這類化合物的作用不止是消毒。ADBAC的殺菌性使其成為木材處理和眼藥水中的有效防腐劑。另一種季銨鹽1-16烷基氯化吡啶鎓（CPC）則在漱口水、鼻噴霧劑和喉嚨含片中被當做是殺菌的有效成分。還有一部分季銨鹽被用作農藥，例如百草枯和敵草快。其他季銨鹽則成為了清潔劑和洗發劑中的表麵活性劑性，還在石油和天然氣開采領域大放異彩。烘幹紙和織物柔軟劑中也少不了它們——所攜帶的正電荷有助於防止衣物上的靜電積聚。根據兩個消費品相關的公共數據庫，世界上成千上萬的家用產品中都可以找到季銨類化合物。據一項估計，2019年季銨鹽的市場價值達到了9.637億美元。


無處不在的季銨鹽。圖片來源：C&EN
在EPA根據1976年頒布的《有毒物質控製法》開始管製潛在有害化學物質的生產和銷售之前，季銨鹽類化合物就進入了市場。這讓季銨鹽被看作是市場上已經出現的化學物質，可以繼續銷售而無需進行安全性評估。而且，該類化合物已通過了廣泛的安全性測試。來自一家提供毒理學谘詢服務公司的專家Keith Hostetler稱，EPA目前正在重新製定對於季銨類化合物的風險評估方案，並將於2021年發布以征詢公眾意見。
累積證據
在得知自己大學的動物設施改用季銨鹽消毒劑後，Hrubec開始尋找有關該化合物毒性的數據。遺憾的是，她沒有找到任何有關季銨鹽的生殖毒性或發育毒性的研究，但《自然》（Nature）刊登的一篇Q&A讓她發現，自己並不是唯一被這種化學物質幹擾到研究工作的人（Nature 2008，DOI：10.1038/453964a）。
該文章詳細介紹了Patricia Hunt的經曆。2005年，Hunt從不用季銨鹽給動物房消毒的凱斯西儲大學（Case Western Reserve University）醫學院轉到了使用季銨鹽的華盛頓州立大學（Washington State University）。她注意到，華盛頓州立大學的小鼠生育能力明顯下降，在一次寄生蟲爆發後，該設施使用季銨鹽消毒劑進行霧化噴灑和清潔，這讓小鼠的生育力進一步下降。
與Hunt取得聯係後，Hrubec檢查了自己的小鼠繁殖記錄，並意識到自從學校更換消毒劑以來，小鼠的生育能力也發生了下降。雖然Hunt當時已經停止了對季銨鹽毒性的研究，Hrubec決定進一步調查以了解這些常用化學物質可能造成的風險。她說：“如果季銨鹽對小鼠有毒，那它很有可能在人類中也會引起問題。”
Hrubec收集了用特定劑量的ADBAC和DDAC喂養的小鼠和大鼠的繁殖數據。並且在2014年與Hunt一起發表了最終結果：暴露於季銨鹽的動物生殖率比未暴露的動物更低。
接下來，Hrubec將小鼠轉移到了不使用季銨鹽消毒劑的設施中，子代動物的神經管發育缺陷隨之消失。她跟蹤研究了這些缺陷，發現即使母親沒有暴露在季銨鹽下而隻有父親暴露時，胚胎依然會出現神經管缺陷。
在關於生殖能力的第二項研究中，Hrubec比較了生活在季銨鹽消毒設施和生活在沒有季銨鹽環境中的雄性小鼠的精子質量。Hrubec說，這個實驗模仿了人們在季銨鹽消毒環境下的日常暴露。她發現，居住在使用季銨鹽消毒環境中的雄性小鼠的精子數量降低了約25％，精子運動性降低了10％。
但是Hrubec的研究受到了Hostetler的質疑。後者認為該研究給小鼠喂食的季銨鹽劑量遠遠超過了人類日常所接觸的劑量，並且在後續的實驗中使用了無法量化的環境暴露形式。他還指出，EPA曾根據1989-1992年進行的六項對大鼠和兔子的研究，評估了ADBAC和DDAC的生殖和發育安全性。在這些研究中，未發現對實驗動物的胎兒或母體有毒。
東卡羅萊納大學（East Carolina University）的毒理學家Jamie DeWitt同意Hostetler的觀點。DeWitt認為，真實評估特定化學物質對人類健康的危害很有必要，並且應該在研究中使用與人類實際接觸的劑量相似的劑量範圍，同時選擇人類可能會經曆的暴露模式。她補充說，但這並不代表Hrubec的研究無效：“這是一個很好的嚐試。”她指出，Hrubec和Hunt關於季銨鹽的研究經驗反映了人們首次發現一種破壞內分泌的化學物質的過程。“我認為這些論文在開始識別與季銨鹽化合物相關的危害方麵做得非常好。”
獲得盟友
在Hrubec於2014年第一次發表關於季銨鹽毒性的研究後，有兩名研究人員與她取得了聯係並開始合作。他們在這之前也有自己關於季銨鹽（毒性）的研究。
加利福尼亞大學戴維斯分校（University of California, Davis）的毒理學家Gino Cortopassi一直在研究涉及細胞的能量工廠——線粒體的疾病。線粒體功能障礙會導致過度疲勞，並且會造成衰老和大多數慢性疾病。從2010年左右開始，Cortopassi和他的團隊進行了一項大規模的高通量篩選活動，以尋找可以增強線粒體功能並作為此類疾病的新治療手段的化合物。他們對MicroSource發現係統（MicroSource Discovery Systems）的Pharmakon庫中的1600種化合物進行了五項細胞測試，以觀察這些化合物對線粒體健康的各種指標有什麽影響，例如耗氧量和三磷酸腺苷（該分子可用於存儲能量）的合成。
研究人員發現有11種化合物可以減緩這兩個過程。其中6個是季銨鹽，包括ADBAC和CPC）。到2015年，該小組完成了數據收集工作後，認為季銨鹽化合物是該庫中抑製線粒體功能效果最強的化合物。
與同時，華盛頓大學的Xu偶然發現了一種不同的季銨鹽毒性模式。自從開始博士後生涯以來，Xu就一直在研究一種名為Smith-Lemli-Opitz綜合征的疾病。這種罕見的疾病與嚴重的神經功能障礙有關，是由編碼DHCR7酶的基因突變引起的，該酶介導了膽固醇生物合成的最終反應。膽固醇是神經元膜和髓鞘的關鍵成分，後者是產生電活動的神經細胞周圍的絕緣性包裹物。
Xu想找出諸如環境化學物質之類的非遺傳因素是否也可以在Smith-Lemli-Opitz綜合症中起作用。他對可能抑製DHCR7並可能導致類似上述疾病的化學候選物進行了計算搜索。
Xu發現ADBAC與DHCR7的抑製劑AY9944在結構上相似度為72.9％。接下來，Xu觀察了膽固醇的前體——7-脫氫膽固醇在細胞內的累積情況，來以此確認ADBAC抑製DHCR7的能力。由於大腦會自行產生所需的膽固醇，因此Xu後來檢查了食物中的ADBAC是否可以擴散到大腦並抑製膽固醇的生物合成。他將帶有氘（一種氫的同位素）標記的ADBAC添加到懷孕小鼠的食物中，隨後在新生小鼠的腦組織中發現了該化合物，並且這些小鼠的總膽固醇水平也降低了。
Cortopassi和Xu的發現都可以幫助解釋Hrubec在其小鼠生育力研究中觀察到的現象。Cortopassi的博士後Sandipan Datta解釋說，“精子高度依賴線粒體”來產生遊動所需的能量。他和Cortopassi認為，季銨鹽可能會破壞線粒體功能，從而導致Hrubec實驗中的雄性小鼠的生育力下降。由於所有類固醇激素（例如睾酮和雌激素）均來源於膽固醇，因此，四舍五入季銨鹽也可能破壞動物體內的激素信號傳導。
這些研究表明，季銨鹽有可能在細胞水平上擾亂正常的生理過程。她說，科學家現在需要探究這些作用是否會改變器官的功能。
人體暴露
到目前為止，Hrubec、Xu和Cortopassi尚未將他們在細胞和動物中的發現與人體中處於這些現象下遊的健康效應聯係起來。
與對Hrubec的研究所持的態度一樣，Hostetler認為Cortopassi和Xu的發現與人類健康無關，因為他們測試了人類通常接觸不到的高劑量季銨鹽。由於季銨鹽對微生物非常有效，因此（日常生活中）通常以低濃度配製，約占溶液質量的0.1％，Hostetler說。他認為，細胞中的季銨鹽化合物濃度不會達到Cortopassi在線粒體研究中使用的水平。工業界進行的動物研究並未觀察到膽固醇生物合成受抑製所造成的對健康的後續影響。
相反，Hostetler說，人們應該更加關注季銨鹽的刺激性。在日常使用濃縮消毒液的門衛或護士等職業人群中，與使用季銨鹽有關的健康風險已得到充分證實，其中包括皮膚刺激、皮膚過敏和職業性哮喘。
Hostetler說，最小化這些負麵影響的關鍵是按照指導意見使用季銨鹽消毒劑。他指出，這些化合物在皮膚表麵造成的危害是最大的，但隻有約10％被人體吸收。他說，如果它們進入血液，就會被“迅速清除”。“由於它們吸收得不是特別好，所以不會造成全身的毒性風險。”他還補充說，由於它們的分子量較大，因此也不易揮發，很難被人體吸入。他認為：“我們應該更加關注控製致病生物的生長。”
但是一些科學家已經開始質疑這些有關季銨鹽的假設，其中就包括了究竟會有多大量的季銨鹽可以進入人體。加利福尼亞大學戴維斯分校的代謝組學研究人員Oliver Fiehn及其實驗室每年會處理來自人類和動物研究的30,000份血液、組織和尿液樣本。他們對樣品中所含化學物質進行了全譜分析，為希望鑒定重要代謝產物或環境化學物質的其他實驗室提供了支持。他們在10-20％的樣本中發現5-10種不同的季銨鹽。但是，這些樣本全部來自其他實驗室，因此Fiehn無法排除實驗室汙染的可能性。
季銨鹽的廣泛使用，再加上它們在人體樣品中出現的觀察結果以及對動物和細胞潛在毒性的發現，促使一些研究人員進一步審查這些化學物質。3月4日，在聽取了Hrubec和Xu的陳述以及Hostetler的反對之後，由9名科學家組成的小組一致投票通過，將季銨鹽納入加州生物監測計劃。加利福尼亞州於2006年製定了該計劃，以減少加利福尼亞人接觸有害化學物質的機會。通過該計劃，加利福尼亞公共衛生部可以收集進入名單的環境化學物質的有關數據，包括測量居民體內化學物質的水平，跟蹤接觸源以及調查不同人群之間接觸的變化情況。該計劃中的化學物質包括鉛、砷、鄰苯二甲酸酯以及全氟和多氟烷基物質（PFAS）。
Hrubec、Cortopassi和Xu也一起開始了一項小型的生物監測試點研究，以評估人們體內的季銨鹽水平並尋找任何相關影響。Xu說，“我認為現在迫切需要填補這些星空体育官网入口网站方麵的空白。”
Hrubec從弗吉尼亞理工大學校園所在的弗吉尼亞州布萊克斯堡募了一批誌願者，並從每個人的身上收集了三份血液樣本。她將其中一份郵寄給了Cortopassi，另一份郵寄給了Xu。Xu分析了血液中的季銨鹽水平和膽固醇生物標誌物，Cortopassi評估了線粒體功能，Hrubec自己尋找炎症反應的生物標記。他們發現，80％的參與者血液中都含有季銨鹽。血液中季銨鹽含量較高的的人，線粒體功能較低、炎症生物標誌物較高。該預印本目前正在同行評審中。
同時，一個重大的研究問題仍然存在：季銨鹽是如何進入人體的？Cortopassi和Datta認為，噴灑消毒劑時吸入了小液滴可能是最重要的吸收途徑。
對於Hrubec、Xu和Cortopassi而言，COVID-19提供了一個獨特的機會來研究疫情對布萊克斯堡人群中的季銨鹽水平的影響，並尋找任何有關跡象。但是目前，這些科學家所在的大學已經暫停了所有與人類有關的研究。Hrubec說：“目前，我們無法監測所有事情。但是我們確定一旦禁令解除，就會馬上開始下一步研究。”
撰文：XiaoZhi Lim
翻譯：賈楠
編輯：魏瀟
引進來源：C&EN（Chemical & Engineering News）
引進鏈接：https://cen.acs.org/safety/consumer-safety/know-enough-safety-quat-disinfectants/98/i30
本文來自：環球科學



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