疫情中，工人给电影院消毒。图片来源：路透社
乍看之下，这个10天大的小鼠胚胎看起来与其它胚胎没有任何差别。不过，从显微镜观察中，Terry Hrubec发现了不对劲。胚胎的神经管（会发育成小鼠的大脑和脊髓）存在微小的缝隙。它没有完全关闭。
这件事发生在2009年1月。作为美国弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech University）和爱德华·维亚骨科学医学院（Edward Via College of Osteopathic Medicine）的生殖与发育毒理学家，Hrubec正在研究如何预防这种神经管缺陷。她将一组怀孕小鼠暴露于会引起这种缺陷的药物中，希望在它们的胚胎中看到这些缺陷。但是，这个缺陷胚胎却来自她的对照组——健康的、且未暴露于药物的小鼠。最后，Hrubec在10％的对照组胚胎中发现了神经管缺陷。
左图为正常小鼠胚胎，右图为神经管发育缺陷胚胎。图片来源：Birth Defects Res.|C&EN
Hrubec重复了实验，以确保她没有将实验组的孕鼠或胚胎混淆，但是结果依旧。这使她非常困惑，只能去找实验室的动物饲养员。
答案依旧令人失望，这些实验鼠的来源没有更换过，它们的饮食也没有被改变，而且它们的食物和住所没有受到病原体污染。
最后，Hrubec找到了学校动物实验设施的主管，询问最近是否出现过任何变动。
结果还真有：动物房使用了一种新的消毒剂。为了防止实验动物生病，动物护理人员通常会每周对地板、墙壁和架子进行清洁，还会每天擦拭地板——他们一直用的是氯基消毒剂。但是在2008年秋季的某个时候，工作人员改用了含有烷基二甲基苄基氯化铵（ADBAC）和二癸基二甲基氯化铵（DDAC）的混合物。这些化合物属于被称做季铵类化合物或季铵盐，在各类消费品中都很常见。
通过进一步的研究，Hrubec发现了ADBAC和DDAC与小鼠发育/生育问题的联系。与此同时，其他科学家也发现季铵盐会对细胞生命进程产生负面影响。现在，COVID-19席卷全球，为了对抗疫情，医院工作人员、学校门卫、公共交通运营者和业主都开始对建筑物进行消毒。根据美国环境保护署（US Environmental Protection Agency）的建议，在可以有效对抗新冠病毒的消毒剂中，活性成分为季铵盐的占一半。
日常消费品
美国华盛顿大学的生物化学家Libin Xu对此非常担忧。他补充说，公众可能知道季铵盐可以杀菌消毒，但Xu研究后发现季铵盐还会破坏关键的细胞通路。
到目前为止，研究人员尚未报告季铵盐会对人体产生系统性毒性。但是，至少有一个监管机构希望了解更多有关这些化合物的信息。加利福尼亚州公共卫生部于7月17日发布了针对学校的COVID-19指南，其中明确规定应避免使用含有导致哮喘的化学物质（包括季铵盐）的消毒产品。卫生部在给C＆EN的声明中说：“我们尽可能建议使用不含季铵盐或其他有害化学物质的消毒剂。”
当我们使用季铵盐消毒剂来对抗冠状病毒时，它会带来什么风险？
强大的化合物家族
季铵类化合物由数百种化合物组成，这些季铵盐包含至少一个带正电的氮原子，通常与四个烷基或苄基连接。1935年，诺贝尔奖得主德国病理学家Gerhard Domagk发现了它们的杀菌性。Domagk发现，如果阳离子氮所带的基团中只要有一个是长链烷基，那么该化合物就可以杀死微生物。该分子的正电荷有助于其附着在细菌和病毒的带负电荷的表面上。对于细菌来说，长烷基链会插入表面的脂质膜，从而裂解细包膜，使内部的物质泄漏出去。对于病毒，季铵盐则可以破坏它们包裹着遗传物质的蛋白质和脂质结构。
季铵盐的这个特性被发现后不久，医生们意识到具有12个碳原子烷基链的ADBAC可以在手术前对手和器械进行灭菌，该化合物以Zephirol（也叫苯扎氯铵）的名字进入市场。到了1940年，餐馆和奶牛畜牧场也纷纷将季铵盐应用于相关设备的消毒中。
而且，这类化合物的作用不止是消毒。ADBAC的杀菌性使其成为木材处理和眼药水中的有效防腐剂。另一种季铵盐1-16烷基氯化吡啶鎓（CPC）则在漱口水、鼻喷雾剂和喉咙含片中被当做是杀菌的有效成分。还有一部分季铵盐被用作农药，例如百草枯和敌草快。其他季铵盐则成为了清洁剂和洗发剂中的表面活性剂性，还在石油和天然气开采领域大放异彩。烘干纸和织物柔软剂中也少不了它们——所携带的正电荷有助于防止衣物上的静电积聚。根据两个消费品相关的公共数据库，世界上成千上万的家用产品中都可以找到季铵类化合物。据一项估计，2019年季铵盐的市场价值达到了9.637亿美元。
无处不在的季铵盐。图片来源：C&EN
在EPA根据1976年颁布的《有毒物质控制法》开始管制潜在有害化学物质的生产和销售之前，季铵盐类化合物就进入了市场。这让季铵盐被看作是市场上已经出现的化学物质，可以继续销售而无需进行安全性评估。而且，该类化合物已通过了广泛的安全性测试。来自一家提供毒理学咨询服务公司的专家Keith Hostetler称，EPA目前正在重新制定对于季铵类化合物的风险评估方案，并将于2021年发布以征询公众意见。
累积证据
在得知自己大学的动物设施改用季铵盐消毒剂后，Hrubec开始寻找有关该化合物毒性的数据。遗憾的是，她没有找到任何有关季铵盐的生殖毒性或发育毒性的研究，但《自然》（Nature）刊登的一篇Q&A让她发现，自己并不是唯一被这种化学物质干扰到研究工作的人（Nature 2008，DOI：10.1038/453964a）。
该文章详细介绍了Patricia Hunt的经历。2005年，Hunt从不用季铵盐给动物房消毒的凯斯西储大学（Case Western Reserve University）医学院转到了使用季铵盐的华盛顿州立大学（Washington State University）。她注意到，华盛顿州立大学的小鼠生育能力明显下降，在一次寄生虫爆发后，该设施使用季铵盐消毒剂进行雾化喷洒和清洁，这让小鼠的生育力进一步下降。
与Hunt取得联系后，Hrubec检查了自己的小鼠繁殖记录，并意识到自从学校更换消毒剂以来，小鼠的生育能力也发生了下降。虽然Hunt当时已经停止了对季铵盐毒性的研究，Hrubec决定进一步调查以了解这些常用化学物质可能造成的风险。她说：“如果季铵盐对小鼠有毒，那它很有可能在人类中也会引起问题。”
Hrubec收集了用特定剂量的ADBAC和DDAC喂养的小鼠和大鼠的繁殖数据。并且在2014年与Hunt一起发表了最终结果：暴露于季铵盐的动物生殖率比未暴露的动物更低。
接下来，Hrubec将小鼠转移到了不使用季铵盐消毒剂的设施中，子代动物的神经管发育缺陷随之消失。她跟踪研究了这些缺陷，发现即使母亲没有暴露在季铵盐下而只有父亲暴露时，胚胎依然会出现神经管缺陷。
在关于生殖能力的第二项研究中，Hrubec比较了生活在季铵盐消毒设施和生活在没有季铵盐环境中的雄性小鼠的精子质量。Hrubec说，这个实验模仿了人们在季铵盐消毒环境下的日常暴露。她发现，居住在使用季铵盐消毒环境中的雄性小鼠的精子数量降低了约25％，精子运动性降低了10％。
但是Hrubec的研究受到了Hostetler的质疑。后者认为该研究给小鼠喂食的季铵盐剂量远远超过了人类日常所接触的剂量，并且在后续的实验中使用了无法量化的环境暴露形式。他还指出，EPA曾根据1989-1992年进行的六项对大鼠和兔子的研究，评估了ADBAC和DDAC的生殖和发育安全性。在这些研究中，未发现对实验动物的胎儿或母体有毒。
东卡罗莱纳大学（East Carolina University）的毒理学家Jamie DeWitt同意Hostetler的观点。DeWitt认为，真实评估特定化学物质对人类健康的危害很有必要，并且应该在研究中使用与人类实际接触的剂量相似的剂量范围，同时选择人类可能会经历的暴露模式。她补充说，但这并不代表Hrubec的研究无效：“这是一个很好的尝试。”她指出，Hrubec和Hunt关于季铵盐的研究经验反映了人们首次发现一种破坏内分泌的化学物质的过程。“我认为这些论文在开始识别与季铵盐化合物相关的危害方面做得非常好。”
获得盟友
在Hrubec于2014年第一次发表关于季铵盐毒性的研究后，有两名研究人员与她取得了联系并开始合作。他们在这之前也有自己关于季铵盐（毒性）的研究。
加利福尼亚大学戴维斯分校（University of California, Davis）的毒理学家Gino Cortopassi一直在研究涉及细胞的能量工厂——线粒体的疾病。线粒体功能障碍会导致过度疲劳，并且会造成衰老和大多数慢性疾病。从2010年左右开始，Cortopassi和他的团队进行了一项大规模的高通量筛选活动，以寻找可以增强线粒体功能并作为此类疾病的新治疗手段的化合物。他们对MicroSource发现系统（MicroSource Discovery Systems）的Pharmakon库中的1600种化合物进行了五项细胞测试，以观察这些化合物对线粒体健康的各种指标有什么影响，例如耗氧量和三磷酸腺苷（该分子可用于存储能量）的合成。
研究人员发现有11种化合物可以减缓这两个过程。其中6个是季铵盐，包括ADBAC和CPC）。到2015年，该小组完成了数据收集工作后，认为季铵盐化合物是该库中抑制线粒体功能效果最强的化合物。
与同时，华盛顿大学的Xu偶然发现了一种不同的季铵盐毒性模式。自从开始博士后生涯以来，Xu就一直在研究一种名为Smith-Lemli-Opitz综合征的疾病。这种罕见的疾病与严重的神经功能障碍有关，是由编码DHCR7酶的基因突变引起的，该酶介导了胆固醇生物合成的最终反应。胆固醇是神经元膜和髓鞘的关键成分，后者是产生电活动的神经细胞周围的绝缘性包裹物。
Xu想找出诸如环境化学物质之类的非遗传因素是否也可以在Smith-Lemli-Opitz综合症中起作用。他对可能抑制DHCR7并可能导致类似上述疾病的化学候选物进行了计算搜索。
Xu发现ADBAC与DHCR7的抑制剂AY9944在结构上相似度为72.9％。接下来，Xu观察了胆固醇的前体——7-脱氢胆固醇在细胞内的累积情况，来以此确认ADBAC抑制DHCR7的能力。由于大脑会自行产生所需的胆固醇，因此Xu后来检查了食物中的ADBAC是否可以扩散到大脑并抑制胆固醇的生物合成。他将带有氘（一种氢的同位素）标记的ADBAC添加到怀孕小鼠的食物中，随后在新生小鼠的脑组织中发现了该化合物，并且这些小鼠的总胆固醇水平也降低了。
Cortopassi和Xu的发现都可以帮助解释Hrubec在其小鼠生育力研究中观察到的现象。Cortopassi的博士后Sandipan Datta解释说，“精子高度依赖线粒体”来产生游动所需的能量。他和Cortopassi认为，季铵盐可能会破坏线粒体功能，从而导致Hrubec实验中的雄性小鼠的生育力下降。由于所有类固醇激素（例如睾酮和雌激素）均来源于胆固醇，因此，四舍五入季铵盐也可能破坏动物体内的激素信号传导。
这些研究表明，季铵盐有可能在细胞水平上扰乱正常的生理过程。她说，科学家现在需要探究这些作用是否会改变器官的功能。
人体暴露
到目前为止，Hrubec、Xu和Cortopassi尚未将他们在细胞和动物中的发现与人体中处于这些现象下游的健康效应联系起来。
与对Hrubec的研究所持的态度一样，Hostetler认为Cortopassi和Xu的发现与人类健康无关，因为他们测试了人类通常接触不到的高剂量季铵盐。由于季铵盐对微生物非常有效，因此（日常生活中）通常以低浓度配制，约占溶液质量的0.1％，Hostetler说。他认为，细胞中的季铵盐化合物浓度不会达到Cortopassi在线粒体研究中使用的水平。工业界进行的动物研究并未观察到胆固醇生物合成受抑制所造成的对健康的后续影响。
相反，Hostetler说，人们应该更加关注季铵盐的刺激性。在日常使用浓缩消毒液的门卫或护士等职业人群中，与使用季铵盐有关的健康风险已得到充分证实，其中包括皮肤刺激、皮肤过敏和职业性哮喘。
Hostetler说，最小化这些负面影响的关键是按照指导意见使用季铵盐消毒剂。他指出，这些化合物在皮肤表面造成的危害是最大的，但只有约10％被人体吸收。他说，如果它们进入血液，就会被“迅速清除”。“由于它们吸收得不是特别好，所以不会造成全身的毒性风险。”他还补充说，由于它们的分子量较大，因此也不易挥发，很难被人体吸入。他认为：“我们应该更加关注控制致病生物的生长。”
但是一些科学家已经开始质疑这些有关季铵盐的假设，其中就包括了究竟会有多大量的季铵盐可以进入人体。加利福尼亚大学戴维斯分校的代谢组学研究人员Oliver Fiehn及其实验室每年会处理来自人类和动物研究的30,000份血液、组织和尿液样本。他们对样品中所含化学物质进行了全谱分析，为希望鉴定重要代谢产物或环境化学物质的其他实验室提供了支持。他们在10-20％的样本中发现5-10种不同的季铵盐。但是，这些样本全部来自其他实验室，因此Fiehn无法排除实验室污染的可能性。
季铵盐的广泛使用，再加上它们在人体样品中出现的观察结果以及对动物和细胞潜在毒性的发现，促使一些研究人员进一步审查这些化学物质。3月4日，在听取了Hrubec和Xu的陈述以及Hostetler的反对之后，由9名科学家组成的小组一致投票通过，将季铵盐纳入加州生物监测计划。加利福尼亚州于2006年制定了该计划，以减少加利福尼亚人接触有害化学物质的机会。通过该计划，加利福尼亚公共卫生部可以收集进入名单的环境化学物质的有关数据，包括测量居民体内化学物质的水平，跟踪接触源以及调查不同人群之间接触的变化情况。该计划中的化学物质包括铅、砷、邻苯二甲酸酯以及全氟和多氟烷基物质（PFAS）。
Hrubec、Cortopassi和Xu也一起开始了一项小型的生物监测试点研究，以评估人们体内的季铵盐水平并寻找任何相关影响。Xu说，“我认为现在迫切需要填补这些知识方面的空白。”
Hrubec从弗吉尼亚理工大学校园所在的弗吉尼亚州布莱克斯堡募了一批志愿者，并从每个人的身上收集了三份血液样本。她将其中一份邮寄给了Cortopassi，另一份邮寄给了Xu。Xu分析了血液中的季铵盐水平和胆固醇生物标志物，Cortopassi评估了线粒体功能，Hrubec自己寻找炎症反应的生物标记。他们发现，80％的参与者血液中都含有季铵盐。血液中季铵盐含量较高的的人，线粒体功能较低、炎症生物标志物较高。该预印本目前正在同行评审中。
同时，一个重大的研究问题仍然存在：季铵盐是如何进入人体的？Cortopassi和Datta认为，喷洒消毒剂时吸入了小液滴可能是最重要的吸收途径。
对于Hrubec、Xu和Cortopassi而言，COVID-19提供了一个独特的机会来研究疫情对布莱克斯堡人群中的季铵盐水平的影响，并寻找任何有关迹象。但是目前，这些科学家所在的大学已经暂停了所有与人类有关的研究。Hrubec说：“目前，我们无法监测所有事情。但是我们确定一旦禁令解除，就会马上开始下一步研究。”
撰文：XiaoZhi Lim
翻译：贾楠
编辑：魏潇
引进来源：C&EN（Chemical & Engineering News）
本文来自：中国数字科技馆
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