近日，华南师范大学环境学院应光国教授团队2023级硕士曹州、史文俊副研究员等人在《Environmental Science & Technology》上发表了题为“Mechanistic Insights into the Cardiotoxic Effects of Dextromethorphan and Its Metabolite Dextrorphan in Zebrafish Using Network Toxicology and Molecular Dynamics”的论文（DOI：10.1021/acs.est.5c16284）。该研究通过网络毒理学、分子动力学模拟和生物实验结合，探究镇咳药右美沙芬（DXM）及其主要活性代谢产物右啡烷（DXO）暴露斑马鱼幼鱼后在环境相关浓度下对其心脏毒性效应机制。
图文摘要
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呼吸系统疾病的高发推动了镇咳药如右美沙芬（DXM）使用量的大幅增加，导致其主要人体代谢物右啡烷（DXO）在水生环境中被频繁检出。然而，现有研究对DXM及其代谢物DXO对鱼类的毒性效应数据匮乏。本研究利用网络毒理学与分子动力学相结合的策略，筛选DXM和DXO诱导心脏毒性的关键基因靶点，并阐明其潜在机制。结果显示，β2-肾上腺素能受体（由adrb2a编码）是DXM及其活性代谢物DXO诱导心脏毒性的关键靶点。据我们所知，这是首次评估DXM代谢物DXO对斑马鱼心脏毒性的研究。本研究表明，除了hERG，未来的心脏毒性风险评估应将β-肾上腺素能受体作为高度敏感的心脏毒性效应终点纳入考量。
引言
右美沙芬（DXM）是一种中枢性镇咳药，数十年来一直是成人和儿童中使用最广泛的止咳药。2019年，美国儿科患者90%的处方镇咳药（
由于其高消费量及在环境样品中的持续检出，右美沙芬已被多个国家列为高度关注物质。迄今对右美沙芬的生态毒理学研究主要集中在发育和神经毒理学终点。在环境相关浓度下，右美沙芬对斑马鱼幼鱼表现出显著毒性，暴露14天半数致死浓度（LC₅₀）低至93.3 µg/L。右美沙芬可诱导DNA损伤、细胞周期阻滞、细胞凋亡及DNA修复受损，导致发育毒性，包括体长缩短和畸形。在较高浓度下，右美沙芬可干扰斑马鱼的神经受体转录表达，并改变脑功能，导致神经毒性。当前的风险评估仅依赖母体化合物的毒性数据，忽略了活性代谢物右啡烷。尽管地表水中检出的右啡烷浓度更高，但对其生态毒性的研究仍明显不足。
除神经毒性外，接触精神活性物质还可引发心血管毒性。这在新型精神活性物质（NPS）中均有报道。例如，麻醉药物可诱导斑马鱼出现心动过缓和QT间期延长，也可在斑马鱼中引发心脏毒性。关于心脏毒性机制，离子通道蛋白（如钠、钾、钙离子通道蛋白）和β-肾上腺素能受体是人类和鱼类体内诱发心脏毒性的主要靶点。一项研究报告称，接触右美沙芬也会诱导斑马鱼幼鱼出现心动过缓并减少血流，提示其具有潜在心脏毒性。作为水生环境中广泛检出的中枢神经镇咳药，右美沙芬及其代谢物右啡烷在环境相关浓度下对鱼类的心脏毒性机制仍知之甚少。在本研究中，斑马鱼胚胎暴露于100 ng/L至10,000 ng/L的DXM和DXO中至受精后72小时（hpf），评估它们对心脏功能的影响，并利用网络毒理学和分子动力学方法预测其潜在分子机制。
图文导读
1. DXM和DXO诱导的斑马鱼心脏毒性
本研究首先通过斑马鱼胚胎暴露实验评价了DXM和DXO的表观毒性。实验结果显示，在受精后48小时（hpf），暴露于环境相关浓度的胚胎已出现明显的心动过缓现象（图1A）。进一步通过高解析度成像分析发现，到72 hpf时，心脏的功能指标受到了严重干扰。具体表现为：心脏射血分数（EF）和缩短分数（FS）显著下降，心室收缩能力受损（图1B、C）。此外，血流动力学指标显示，斑马鱼胚胎的血流速度随暴露浓度升高而降低（图1D）。这些数据表明DXM及其代谢物DXO具有明显的心脏毒性。
图1.DXM和DXO对斑马鱼胚胎/自由幼鱼的心脏毒性
2.网络毒理学预测心脏毒性核心靶点
为了精准定位毒性靶点，我们引入了网络毒理学分析方法。首先，通过多个公共数据库筛选出与DXM、DXO以及心脏疾病（如心动过缓、心力衰竭）共同相关的基因（图2A）。随后，利用Cytoscape软件构建了蛋白质相互作用（PPI）网络（图2B）。通过CytoHubba插件的多种算法进，最终锁定beta2-肾上腺素受体（adrb2a）为最关键的核心靶点（图2C、D）。KEGG通路富集分析进一步证实，受影响的基因显著富集在“心肌细胞肾上腺素信号传导通路”中（图2E）。这一发现打破了通常以hERG等离子通道为主要心脏毒性靶点的固有认知，揭示了DXM和DXO通过干扰心肌细胞的肾上腺素受体产生心脏毒性的潜在机制。
图2.网络毒理学识别DXM和DXO在斑马鱼中引发心脏毒性的关键靶点和通路
3.分子动力学模拟与分子水平验证
确定了核心靶点后，我们结合分子动力学（MD）模拟和体内生物化学实验对机制进行了验证。体内验证实验发现，DXM和DXO暴露显著抑制了斑马鱼胚胎中adrb2a的转录表达（图3A），并导致beta2-肾上腺素受体及下游关键信号蛋白——蛋白激酶A（PKA）的蛋白质水平下降（图3B、C）。这表明：DXM及其代谢物DXO通过与beta2-肾上腺素受体结合并抑制其表达，阻断了下游的PKA通路，进而减弱了心肌细胞的收缩信号，最终引发心动过缓和血流速度减慢。MD模拟结果显示，DXM和DXO均能稳定进入beta2-肾上腺素受体的活性口袋（图3F、G）。然而，DXO表现出更强的结合亲和力，其分子结构中的羟基能与受体关键残基Trp104形成稳定的氢键，而DXM主要依靠疏水作用力（图3D、E）。这种结合强度的差异帮助解释了DXO具有更强的心脏毒性。
图3. DXM 和 DXO 和核心靶点的分子动力学分析
4.毒性靶点激动剂挽救实验结果
为了进一步验证beta2-肾上腺素受体（beta2-AR）是否是DXM和DXO的作用靶点，我们进一步开展了激动剂挽救实验。通过将斑马鱼胚胎共同暴露于目标物质（DXM/DXO）与beta2-AR激动剂肾上腺素（Epi）中（图4A）。结果显示，激动剂的加入显著缓解了由DXM或DXO诱发的心律失常和血流速度下降（图4B、C、D）。从分子水平来看，Epi的共暴露不仅上调了被抑制的beta2-AR蛋白表达，也成功上调了下游效应蛋白PKA的蛋白浓度（图4E、F）。这种“毒性诱导-激动剂拯救”的拮抗效应，证明了：beta2-AR是DXM和DXO导致斑马鱼心脏功能障碍的核心毒性靶点。
图4.β2-肾上腺素受体激动剂挽救实验
5.DXM及代谢物DXO的心脏毒性比较
本研究发现代谢产物DXO的心脏毒性显著强于其母体DXM，通过主成分分析（PCA）和欧氏距离（Euclidean distance）对两者的心脏毒性进行了比较。数据显示，在相同暴露水平下，相比较于溶剂对照组，DXO处理组对心脏毒性的偏离距离大于DXM组（图5A、B）。这种毒性差异源可能来源于肝脏CYP2D6介导的O-去甲基化过程：DXM分子结构中的甲氧基（-OCH3）被转化为酚羟基（-OH），导致DXO能够与beta2-AR受体关键氨基酸残基（如Trp104）形成更稳定的氢键，而DXM仅能产生疏水相互作用（图5C）。
图5.DXM和DXO的心脏毒性比较
结论与意义
本研究估了新兴药物污染物DXM及其代谢产物DXO对水生生物心脏毒性。研究发现，环境水平的暴露即可导致斑马鱼胚胎出现显著的心脏功能障碍。通过网络毒理学预测与分子动力学模拟鉴定了beta2-肾上腺素受体是其诱发心脏毒性的核心靶点，分子生物学和挽救性实验证实了“受体结合-信号通路抑制”的分子机制。尤为重要的是，DXM代谢物DXO对水生生物的毒性不容忽视。在过去的环境评估中，往往仅关注母体化合物对水生生物的毒性，但本研究证明，镇咳药的代谢产物产生比母体更强的心脏毒性。
尽管针对人类及其他哺乳动物已有众多公共数据库可用，但生态相关物种的数据集仍然有限，这使得直接预测水生生物中污染物诱导的毒性效应（如内分泌干扰）颇具挑战。分子对接和分子动力学被广泛应用于分析小分子与其潜在蛋白质靶标之间的相互作用及结合亲和力。利用AlphaFold预测水生生物的高质量蛋白质结构，为评估这些生物体内新兴污染物的毒性提供了一种新方法。结合本研究，一种较为可行策略是：先利用人类或哺乳动物数据库通过网络毒理学进行初步靶点筛选，随后评估新兴污染物与水生生物靶蛋白的结合能力。
全文链接
Cao, Z.; Liang, Z.; Zhang, J.-G.; Ma, D.-D.; Meng, Y.-Z.; Lu, Z.-J.; Shi, W.-J. *; Ying, G.-G. Mechanistic Insights into the Cardiotoxic Effects of Dextromethorphan and Its Metabolite Dextrorphan in Zebrafish Using Network Toxicology and Molecular Dynamics. Environmental Science & Technology 2026, 60, 5, 3922–3934.
Ma, D. D., Shi, W. J. *, Lu, Z. J., Zhang, J. G., Hu, L. X., Huang, Z., Li, S. Y., Long, X. B., Liu, X., Huang, C. S., Ying, G. G. * Antitussive drug dextromethorphan induces developmental impairment in zebrafish. Journal of hazardous materials 2024, 486, 137042.