尼古丁對每一個細胞都有害，可導致胎兒基因表達嚴重紊亂

知識 03-09

圖片：Atlantic

母親在孕期吸煙會對自身和胎兒造成嚴重損傷，包括早產、流產、發育缺陷等癥狀。新生兒在出生後可能會伴有異常的神經性行為，心血管疾病，呼吸道疾病，這些狀況可能可以延續到成年階段。這都是因為尼古丁對胎兒發育造成了極大的影響，近期發表在Stem Cell Reports上的研究表明，這種損傷程度可以達到單細胞的水平。

撰文丨楊心舟

興奮與致病的分子

尼古丁，是一種具有興奮劑作用的生物鹼，絕大多數情況下，其是一種乙醯膽鹼的受體激動劑。尼古丁同時也是煙草中的主要化學物質，大約佔煙草乾重的0.6-3.0%，通常濃度為2-7μg/ kg。而製造成香煙後，平均每吸一隻煙就會吸收6mg的尼古丁。奧地利卡爾?弗朗岑斯大學藥理與毒理學院的Bernd Mayer教授曾就撰文指出，人體安全的尼古丁攝入值為60mg，甚至更少，介於30mg至60mg之間，也就是單次持續吸5支煙的攝入量。

尼古丁在進入人體後會造成多種有害影響，從表面來看會減少深度睡眠時間，引起焦慮；影響肺部支氣管功能；提升胰島素敏感度。如果長期持續攝入將極大地提升心血管疾病以及細胞癌變的風險。此外，尼古丁的攝入不僅僅只是對自身有影響，在孕期的女性如果主動或被動地攝入尼古丁將對胎兒發育造成不可逆的損傷。

圖片來源：pixabay

國際兒童護理研究曾對全球17個國家開展過一項研究調查，最後結果非常驚人，平均22%的母親和45%的父親都在孩子出生的過程中有吸煙行為。從上世紀80年代至今已經有數十項研究指出，抽煙將直接增加胎兒出生前後的死亡率、致病率、並且造成認知發育障礙，以及童年和青少年的行為失常。

這些研究也給煙草公司帶來不小壓力，它們都在嘗試推出全新的吸煙概念來模糊吸煙有害健康的事實，比如無煙香煙、電子煙。事實上，無煙香煙確實會減少燃燒帶來的一氧化碳和氰化物的吸入，但是由於為了維持尼古丁帶給人的興奮度，尼古丁的濃度其實會上升很多，從根本上來說隔絕不了尼古丁的吸入。

從2014年至今，已經有多項實驗開始在動物體內研究尼古丁對胎兒的作用。結果顯示，小鼠在孕期持續暴露在尼古丁下，將直接對胎兒發育造成影響，包括細胞損傷、炎症增加、氧化壓力增加，並且會損壞細胞複製能力。小鼠的實驗確實顯示了尼古丁對胎兒的惡性損傷，但是物種間的生理差異會帶來很多問題，因此科學家也嘗試研究其對人類胎兒的影響。

尼古丁對胎兒發育有害

如果想要直接在人類身上進行尼古丁實驗將面臨極大的倫理道德挑戰，而只是單純地展開調查類的探究，只能看到尼古丁與胎兒受損之間的相關性，而不是因果性。為此，來自美國加州大學的Harold S.Bernsteinaef，想出了一個折中的替代方式——利用人類的胚胎幹細胞。

胚胎幹細胞（Embryonic stem cell,ESC），是早期胚胎（受精後4-5天，50-150細胞期）或原始性腺中分離出來的一類細胞，它具有體外培養無限增殖、自我更新和多向分化的特性。無論在體外還是體內環境，胚胎幹細胞都能被誘導分化成機體幾乎所有的細胞類型。

因此早在2002年，PNAS上的一篇文章就指出胚胎幹細胞的強大分化能力，將讓其成為移植和組織工程的重要工具。如今近20年過去，這一預測也得到了證實，目前利用胚胎幹細胞已經幫助完成了各類基礎和臨床的研究，包括藥物篩查、細胞替代治療、DNA損傷恢復等。

也正因為這種遠強於其他幹細胞的多能性，許多實驗室可以在體外模擬胚胎早期的形成過程。在體外培養的ES細胞可以形成一種三維的細胞團聚集體，又被稱作類胚體（Embryoid body,EB）在2012年Harold就利用人類的胚胎幹細胞在體外，對尼古丁的負面作用進行了研究。

胚胎幹細胞在24小時就能形成類胚體。圖片：Wikipedia

Harold的實驗採取了兩種方式檢測尼古丁對人類胚胎幹細胞（hES）的影響，利用一種抽吸器模擬吸煙過程，並將煙霧通過顆粒過濾後導入培養皿；以及直接加入等量的尼古丁。但是無論是哪種方式，人類胚胎幹細胞的生長，分化都會直接受到抑制。並且與分化相關的基因在早期都大幅度下調，尤其是血液和肌骨骼相關的基因受影響最大。此外，具有基因調節功能的微小RNA也受到影響，多個基礎信號通路也出現紊亂。這些結果第一次直觀地展示了從吸煙進入體液的尼古丁，是能夠直接對人類胚胎髮育過程產生極大影響的。

傷害體現在每一個細胞

局限於當年的技術限制，Harold可以通過類胚體模擬胚胎生長，但是檢測的基因變化都是來自於1000-1500個細胞組成的類胚體。而現在科學家已經逐漸發現，在體內即使是來源於同一組織的細胞，每一個細胞的基因表達量本身就是不同的，組合測得的基因可能會混淆細胞原始的表達水平。

去年，來自美國斯坦福大學Joseph C. Wu研究團隊就利用最新的微液滴基礎的單細胞測序技術分析了人類多能幹細胞的特性。而在其發表於Stem Cell Reports的論文中，他將這種成熟技術應用在了胚胎幹細胞和類胚體上。其在論文中就指出「像胚胎髮育這種事件，在早期細胞數量少，基本都是單細胞層面的作用，」因此在孕期攝入尼古丁很可能直接對單個細胞的特性都產生了影響。

Joseph根據胎兒血清的尼古丁濃度（10μM）對人類胚胎幹細胞進行了尼古丁暴露處理，並且他在暴露條件下讓hESC分化成了表皮、胃、肌肉前體細胞。在細胞持續生長21天後，他將類胚體取出，並分散進行了單個細胞基因表達測定。結果非常不容樂觀，從直觀上來說，暴露在尼古丁下的胚胎幹細胞聚集生長能力下降，形成的類胚體明顯小於對照組，並且會伴有異常結構的出現。

暴露在尼古丁超過6天的類胚體中的每一個細胞，它們與細胞存活相關的基因都顯著下調，原本這些基因的表達可以保護細胞避免金屬毒性和超氧應激，失去這些能力，細胞的生存能力將顯著下調，這意味著胚胎在早期的生長發育能力就受到了尼古丁的負面影響；此外與細胞周期相關的基因也明顯表達異常，本應該完成分化的胚胎幹細胞並沒有正常產生前體細胞，這可能導致胎兒的組織發育被推遲。

胚胎幹細胞暴露在尼古丁條件下生長周期後延

正常的細胞交流對於心血管、神經系統和呼吸系統發育過程中非常關鍵，但在尼古丁暴露下單個細胞之間的交流也出現紊亂，主要原因是細胞表面識別受體的表達基因出現了上調，並且所有類型細胞，每一個都整齊劃一地上調。比如肌肉組織中受體與配體的組合數從51上升至85，神經類型的則從41上升至71。這些異常的細胞交流則會給胎兒帶來血管功能紊亂疾病。

胚胎幹細胞分化後所有類型的細胞，都出現了單細胞交流紊亂

「目前我們已經擁有全新的技術，用以研究藥物和環境毒性物質對胎兒發育的影響，」Joseph表示，「我也希望這種新發現對胚胎早期疾病診斷作出貢獻。」目前，可以確定的是尼古丁對胚胎早期的每一個細胞只有壞處沒有益處，它們無論分化成何種類型，基因表達譜都受到了影響。每當你或者你的下一代感受到尼古丁時，它們都在無聲地表達抗議。每個細胞極小的基因表達紊亂最後也將匯聚成一個極大的問題，當疾病來臨之時，沒有一個細胞是無辜的，它們既是問題製造者也都曾是受害者。

參考鏈接：

https://www.eurekalert.org/emb_releases/2019-02/cp-nmh022019.php

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2656811/

https://en.wikipedia.org/wiki/Nicotine#Sleep

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3880486/

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/bdrc.21128

https://www.ahajournals.org/doi/10.1161/CIRCRESAHA.118.312913

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/02/190228141415.htm