《International Journal of Molecular Sciences》：Impact of Erbium and Gadolinium on Xenopus laevis Embryo Development: A Study of Rare Earth Element Toxicity
Chiara Fogliano,
Simona Di Marino,
Giulia Rusciano,
Francesca Vignola,
Adriana Petito,
Paola Venditti,
Patrizia Cretì,
Chiara Maria Motta,
Bice Avallone and
Rosa Carotenuto
+ 1 author
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针对稀土元素（REE）在水生生态系统的污染隐患，本研究聚焦医疗造影剂关键成分钆（Gd）与工业常用铒（Er），采用非洲爪蟾胚胎FETAX模型，揭示二者在低浓度暴露下引发轴向畸形、生长抑制及心率异常（Gd致心动过速、Er致心动过缓）的亚致死效应。分子层面证实氧化应激（ROS升高）与fgf8、bmp4等发育基因失调及tnfα、il1β炎症因子激活相关，拉曼光谱进一步验证蛋白、脂质生化损伤。结果为REE生态毒理评估提供了跨形态-分子维度的关键证据，强调需加强水体REE排放管控。
稀土元素（Rare Earth Elements, REE）——包括15种镧系元素及钪、钇——凭借独特的磁学、光学与电化学特性，早已渗透进现代生活的方方面面：从智能手机的振动马达到风力发电机的永磁体，从LED屏幕的荧光粉到医疗影像中的钆基造影剂，这些“工业维生素”的需求量正随高科技产业爆发式增长。然而，当我们在享受技术便利时，却鲜少意识到这些元素正悄然成为水生态系统的“隐形入侵者”：钆作为磁共振成像（MRI）的核心造影剂成分，随医疗废水排入水体后，传统污水处理厂仅能去除约10%，导致部分水域钆浓度飙升至80 μg/L；铒则因在光纤通信、激光材料中的广泛应用，同样在水体中检出显著污染。尽管已知REE会引发细胞氧化损伤、干扰有丝分裂，但关于其对脊椎动物早期胚胎发育的长期低剂量影响，尤其是分子机制的探索，始终是环境毒理学领域的空白。两栖动物作为水陆两栖的“生态哨兵”，其胚胎裸露于水体中，对环境污染物极度敏感，非洲爪蟾（Xenopus laevis）更因胚胎透明、发育过程清晰，成为全球公认的胚胎发育与生态毒理研究模式生物。正是基于这一背景，来自意大利那不勒斯费德里科二世大学的研究团队开展了一项系统研究，旨在揭示Gd与Er在环境相关浓度下对非洲爪蟾胚胎的发育毒性及分子机制，相关成果发表于《International Journal of Molecular Sciences》。
研究采用的关键技术方法包括：以非洲爪蟾胚胎为模型（样本源自Nasco公司的成体经激素诱导受精获得，按Nieuwkoop和Faber分期），通过FETAX试验评估生存率、畸形率、体长及心率；Real-Time PCR检测早期发育基因（fgf8、bmp4、sox9、egr2、rax1、pax6）与炎症因子（tnfα、il1β、p65）、多药耐药基因（abcb1）的表达；DCFH-DA荧光法测定活性氧（ROS）水平；拉曼光谱结合主成分分析（PCA）解析蛋白、脂质、核酸等生化组分变化；One-Way ANOVA与Two-Way ANOVA统计差异显著性。
2.1. Effects of Er and Gd on Embryo Survival and Growth
Gd与Er暴露均未显著增加胚胎死亡率（Gd组峰值约20%，Er组各浓度均约13%，对照组最大13%），符合FETAX试验中12%的生理死亡率阈值。但二者对心率与生长的影响呈相反趋势：Gd诱发剂量依赖性心动过速（心率加快），Er导致剂量依赖性心动过缓（心率减慢）；Gd处理组胚胎体长显著长于对照，而Er在高浓度（10、20 μg/L）下抑制生长，胚胎体长缩短。
2.2. Effects of Gd and Er on Embryo Phenotype
Gd暴露使畸形率轻微升高至8.4%（无剂量依赖性），Er则呈剂量依赖性增加（10、20 μg/L时分别为7.9%、11.5%）。畸形类型包括头部水肿、躯干弯曲、眼大小/形状异常、色素分布紊乱及腹部水肿，与对照组相比差异显著。
2.3. Effects of Gadolinium and Erbium on Gene Expression
Gd暴露显著干扰早期发育基因表达：egr2、rax1强烈上调，fgf8、sox9、pax6下调，bmp4在40、60 μg/L时上调、80 μg/L时下调；同时广泛上调炎症相关基因（tnfα、il1β、p65），abcb1呈剂量依赖性上调。Er处理后，egr2、rax1在1、10 μg/L时上调，pax6仅在高浓度上调，bmp4在10 μg/L上调、20 μg/L显著下调；炎症基因与abcb1亦普遍上调。
2.4. ROS Content Determination
Gd与Er暴露均显著提升总ROS水平，但模式不同：Gd组ROS升高无剂量依赖性，Er组则随浓度增加 progressive升高（高浓度达峰值）。
2.5. Raman Spectroscopy
拉曼光谱（500–1700 cm?1）显示对照组特征峰对应蛋白质（酰胺I~1640 cm?1、酰胺II~1550 cm?1）、氨基酸（苯丙氨酸~1001/1031 cm?1）、脂质（~930、1087、1400 cm?1）及核酸（~780、1050 cm?1）。PCA分析表明，Gd处理组脂类/蛋白相关峰（~930、1400 cm?1）强度降低，提示脂质降解；Er处理组则出现脂类过氧化特征（~930、1400 cm?1正信号），并伴有蛋白质变性（~1650 cm?1宽峰）及核酸/磷脂损伤（~1080 cm?1负贡献）。
研究结论与讨论部分强调，尽管Gd与Er在测试浓度下未显著增加死亡率，但均通过干扰早期发育基因表达（如bmp4调控心脏管环化、fgf8影响体轴形成）、诱发氧化应激（ROS升高）及炎症反应（tnfα、il1β上调），导致非洲爪蟾胚胎出现亚致死性发育异常。值得注意的是，Er虽致更高畸形率，但Gd因更强的促氧化作用与发育基因干扰，潜在长期风险不容忽视。拉曼光谱提供的生化损伤证据，首次将REE暴露的表型效应与分子水平的脂质过氧化、蛋白质变性直接关联，为环境毒理学生物标志物开发提供了新视角。该研究不仅证实REE作为新兴污染物的生态风险，更凸显了加强对水体REE排放管控的紧迫性——尤其是在医疗造影剂与电子产业密集区域，亟需建立针对低浓度长期暴露的生态安全评估体系。
