《PET Clinics》：Stereoselective disruption of copper homeostasis by prothioconazole induces cardiotoxicity via mitochondria-mediated apoptosis in zebrafish embryos
编辑推荐：
本研究通过斑马鱼胚胎模型，揭示S-(+)-PTCZ因破坏铜稳态引发线粒体功能障碍和细胞凋亡，导致心脏发育毒性，而R-(?)-PTCZ影响较小。为精准农药风险评估提供机制依据。
Jinhao Bian|Hanshuang Zhao|Wenping Xu|Zhong Li|Yang Zhang
中国华东科技大学药学院化学生物学重点实验室，上海200237
摘要
手性农药在生物活性、环境归趋和毒性方面可能表现出对映选择性。本研究利用斑马鱼胚胎在分子水平上详细探讨了手性杀菌剂丙硫康唑（PTCZ）的对映选择性心脏毒性及其潜在机制。结果表明，S-(+)-PTCZ具有显著的对映选择性，可引起严重的心脏发育毒性，而R-(?)-PTCZ的毒性效应与对照组相当。机制研究表明，S-(+)-PTCZ会破坏铜的稳态，表现为铜离子减少以及铜转运蛋白CTR1的表达下调。这种铜缺乏导致关键铜依赖性酶的活性受到抑制，进而引发线粒体呼吸链功能障碍。结果导致线粒体膜电位崩溃、线粒体数量减少、ATP生成急剧下降以及三羧酸（TCA）循环中间体减少。这一系列反应最终导致线粒体损伤、细胞色素c释放、Bax/Bcl-2比值升高、caspase-3激活以及心肌细胞凋亡。相比之下，R-(?)-PTCZ对这些途径的干扰较小。本研究证明了S-(+)-PTCZ在鱼类中的对映选择性心脏毒性，并确定了铜稳态破坏是导致能量危机和细胞凋亡的关键因素。这些发现对于准确评估手性农药的对映体特异性风险以及开发更安全、高效的手性纯农业化学品具有重要意义。
引言
全球人口的持续增长使得粮食危机成为全球性的重大挑战（Raposo和Saraiva，2025；Stehl等，2025）。农药是农业生产中不可避免的一部分，能够提高作物产量（Priyanka等，2024；Washuck等，2022）。然而，大量使用农药会产生不良影响（Guerrero-Pineda等，2024）。三唑类杀菌剂是全球使用最广泛的农药之一，其中大多数具有内分泌干扰风险，对生态安全构成严重威胁（Dong等，2023；Marciano等，2024）。大多数三唑类杀菌剂含有手性中心，因此它们通常会对非靶标生物表现出显著的对映选择性差异（Vashistha等，2024；Zhang等，2019a）。因此，关于手性三唑类杀菌剂毒性的研究引起了广泛的社会关注。
丙硫康唑（PTCZ）是一种具有系统性、保护性、治疗性和根除性的手性三唑类杀菌剂（Li和Liu，2022）。由于禾谷镰刀菌的全球普遍存在，PTCZ的使用量显著增加（Jeong等，2023；Laraba等，2023；Laurent等，2021；Machado Wood Ana等，2020）。PTCZ在水环境中的残留风险不容忽视。例如，PTCZ会导致斑马鱼幼体的发育毒性（Tian等，2019）。暴露于0.85 mg/L的PTCZ会导致斑马鱼幼体出现心血管发育毒性，表现为心脏形态缺陷（Sun等，2020）。此外，PTCZ还会在斑马鱼体内诱导活性氧（ROS）的积累，造成氧化损伤（Shen等，2021）。PTCZ还威胁到如大型溞（Daphnia magna）、球形绿藻（Chlorella pyrenoidosa）和微小浮萍（Lemna minor）等水生生物（Zhai等，2019）。尽管已有报道指出PTCZ对多种水生生物具有健康风险，但专门研究其对映体依赖性毒性的研究仍较少。
非靶标生物的毒性通常取决于手性农药的对映体，不同对映体之间存在显著的毒理学差异（Li等，2024a；Liao等，2024）。先前的研究表明，R-(?)-PTCZ对靶标生物的杀菌活性显著高于S-(+)-PTCZ（Zhang等，2019b），而S-(+)-PTCZ在人类HepG2细胞中表现出更明显的氧化损伤（Sun等，2023）。因此，杀菌活性最强的对映体（R-(?)-PTCZ的非靶标毒性较低，而活性较低的对映体（S-(+)-PTCZ则通过氧化应激机制对生态系统造成危害。这种对比突显了在农药风险评估中区分对映体的必要性。
心脏是胚胎发育过程中最早形成的器官之一，此时细胞增殖、迁移和分化非常活跃（Poelmann，2024；Sedmera和Thompson，2011）。这使得心脏的发育对外部干扰特别敏感，轻微的干扰就可能导致不可逆的结构或功能异常（Münzel等，2017；Münzel等，2025）。此外，心脏在组织中具有最高的能量需求密度，因此需要持续稳定的能量供应（Wancewicz等，2024）。斑马鱼胚胎透明、发育迅速且繁殖力强（Alaniz Emig和Williams，2021）。这些特点使斑马鱼成为研究环境诱导的心脏发育毒性和能量代谢紊乱的理想脊椎动物模型。
因此，本研究利用斑马鱼胚胎模型来探讨丙硫康唑对映体对胚胎心脏发育毒性的对映选择性诱导。我们首先观察了心脏形态异常，然后进行了呼吸链分析、线粒体形态检查以及凋亡水平的量化。这种综合方法阐明了斑马鱼心脏毒性的机制，为手性农药的风险评估以及识别生物毒性较低的高效单一对映体提供了更全面的基础。
化学品和试剂
丙硫康唑（PTCZ；纯度>98.0%；CAS 178928-70-6）和三甲苯磺酸三氯乙胺（MS-222；纯度>99.0%；CAS 886-86-2）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。S-(+)-PTCZ和R-(?)-PTCZ对映体通过半制备高效液相色谱（HPLC）制备，其纯度均超过99.0%。对映体粉末溶解在二甲基亚砜（DMSO）中制成储备溶液，并储存在避光容器中，温度为4°C。
丙硫康唑在斑马鱼胚胎中的对映选择性心脏毒性
与对照组相比，S-(+)-PTCZ暴露会导致心脏腔室几何形状的明显线性化（图1A）。定量分析显示，S-对映体处理后心率显著降低（图1B），其值明显低于R-对映体组。S-对映体暴露还会显著降低红细胞速度（图1C），反映出心血管血液动力学的受损。
讨论
先前的研究表明，丙硫康唑（PTCZ）通过诱导凋亡导致斑马鱼胚胎心脏毒性，但未区分其对映体（Shen等，2021）。在本研究中，我们通过暴露于手性单体来确定毒性的来源。凋亡是一种程序性细胞死亡，其特征是明显的形态变化和能量依赖性机制。
结论
总之，本研究评估了丙硫康唑（PTCZ）对映体在斑马鱼胚胎中引起的对映选择性心脏毒性。结果表明，斑马鱼的心脏毒性主要来源于S-(+)-PTCZ。一个关键的机制发现是，S-(+)-PTCZ似乎通过干扰铜稳态并随后导致线粒体能量代谢崩溃来触发凋亡。特别值得注意的是，暴露于S-(+)-PTCZ后……
作者贡献声明
Jinhao Bian：撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验实施、数据管理、概念构思。Hanshuang Zhao：数据可视化、软件操作。Wenping Xu：数据验证、实验监督。Zhong Li：实验监督、项目管理、正式数据分析。Yang Zhang：撰写修订稿、资源协调、资金争取。
致谢
本工作得到了教育部绿色农药与农业生物工程重点实验室（贵州省贵阳市550025）的财政支持（SKL-GPL-KF-202404）。
