鋁神經(jīng)毒性對(duì)學(xué)習(xí)記憶功能的影響*

趙鑫榮 劉佳琪 洪 帆 劉芳華 李宗高 喬 喬 夏佳蕊 白春玉 張立豐

(沈陽(yáng)醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院兒少衛(wèi)生與婦幼保健學(xué)教研室,沈陽(yáng) 110034)

鋁作為地殼中最多的金屬元素,也是人體非必需金屬,廣泛存在食品和金屬材料中。鋁可能抑制海馬神經(jīng)發(fā)生[1]。鋁主要對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生危害,是認(rèn)知功能障礙性疾病潛在的重要危險(xiǎn)因素。國(guó)內(nèi)外對(duì)鋁的神經(jīng)毒性機(jī)制研究在不同方面得出了很多相關(guān)結(jié)論,但機(jī)制之間有關(guān)聯(lián)的部分并未加以整合。現(xiàn)著重介紹3大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝、與學(xué)習(xí)記憶有關(guān)的主要信號(hào)通路、神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞、突觸受體、酶活性和基因表達(dá)這6方面的變化以及整合其中的關(guān)聯(lián)部分,綜述鋁影響學(xué)習(xí)記憶功能的部分神經(jīng)毒性機(jī)制。

1 人體攝入鋁的兩大主要途徑

1.1 消化道途徑

鋁廣泛存在于自然食物中,不過(guò)人從自然食物中攝入的鋁含量很低,主要的攝入途徑是含鋁的食品添加劑。上海市浦東新區(qū)油條中含鋁添加劑使用情況調(diào)查結(jié)果表明[2],沒(méi)有一家商鋪鋁添加量小于10g/kg,油條中至少添加了鋁標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)量6倍的添加劑。除明礬外,麥芽酚作為非含鋁食品添加劑也廣泛存在于人類(lèi)日常飲食中,如咖啡、牛奶和巧克力等食品。麥芽酚對(duì)鋁具有高親和力,形成的麥芽酚鋁能夠穩(wěn)定存在,從而提高了有效鋁濃度,促使更多鋁作用于神經(jīng)細(xì)胞或腦組織[3]。其次,鋁的主要攝入途徑是含鋁藥物,如胃樂(lè)片,其攝入含量是正常排泄量的10倍左右,并且藥物鋁攝入量與腎功能損害呈正相關(guān)[4],而腎作為主要排泄鋁的器官,它的損害進(jìn)一步加劇了鋁的蓄積。此外,用鋁制炊具、容器烹飪酸性食物時(shí),可增加鋁溶出轉(zhuǎn)移到食物當(dāng)中,但遷移到食品中的量很少。

1.2 呼吸道途徑

鋁可經(jīng)呼吸道吸收,在肺中蓄積,緩慢進(jìn)入血液形成慢性毒作用。職業(yè)性接觸鋁塵和鋁煙霧的人群體內(nèi)的鋁負(fù)荷明顯增高,如鋁焊接、鋁粉加工、鋁鹽生產(chǎn)和電解鋁作業(yè)的工人。

2 與學(xué)習(xí)記憶功能相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)異常變化

2.1 三大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝異常

2.1.1 糖代謝異常 鋁抑制腦組織中Na+-K+-ATP酶和Mg2+-ATP酶的活性、從而影響突觸對(duì)γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid,GABA)等氨基酸及谷氨酸鹽的攝取及干擾腦組織中的葡萄糖代謝,造成腦細(xì)胞缺氧死亡,對(duì)腦的學(xué)習(xí)記憶功能產(chǎn)生消極影響。研究表明[5-6],GABA受體對(duì)谷氨酸的抑制作用隨GABA受體的減少而減弱,因此,兩者之間的“相輔相成”使得腦細(xì)胞受損更嚴(yán)重。

2.1.2 脂質(zhì)代謝異常 鋁降低海馬內(nèi)超氧化物歧化酶活性,增強(qiáng)脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng),過(guò)氧化脂質(zhì)含量升高,細(xì)胞膜脂質(zhì)被破壞,對(duì)腦細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用[7]。

2.1.3 蛋白質(zhì)代謝異常 鋁可抑制神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)的蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)及蛋白激酶C的活性,而影響tau蛋白異常磷酸化,磷酸化tau蛋白(p-tau)可促進(jìn)tau蛋白聚集增加。其中,順式p-tau可能是tau蛋白病變的前兆及神經(jīng)退行性變的早期驅(qū)動(dòng)因子[8],與神經(jīng)元重新進(jìn)入細(xì)胞周期之間可能有內(nèi)在聯(lián)系。神經(jīng)元重新進(jìn)入細(xì)胞周期是阿爾茨海默癥(Alzheimer’s disease,AD)主要病理表現(xiàn)特征之一,重新進(jìn)入細(xì)胞周期的神經(jīng)元將導(dǎo)致其自身死亡。該蛋白主要積累于退化神經(jīng)元的營(yíng)養(yǎng)不良性軸突,與認(rèn)知缺陷顯著相關(guān)[9]。存在于受損的神經(jīng)元纖維雙螺旋絲中的p-tau蛋白,鋁與之選擇性結(jié)合并阻礙其分解,從而使其聚集形成神經(jīng)原纖維絲纏結(jié)(neurofibrillary tangles,NFTs)。NFTs是神經(jīng)元退行性變化的最后階段,主要由雙螺旋細(xì)絲組成,雙螺旋細(xì)絲又由tau蛋白組成,tau蛋白的異常磷酸化可抑制其本身促進(jìn)微管組裝的能力,從而引起微管組裝缺陷,影響學(xué)習(xí)記憶[10]。

2.2 信號(hào)通路傳遞異常

2.2.1 Ca2+-CaM-CaMKⅡ信號(hào)通路異常 有報(bào)道稱[11]鋁抑制鈣離子-鈣調(diào)蛋白-鈣離子/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ(Ca2+-CaM-CaMKⅡ)信號(hào)通路。此信號(hào)通路在控制基因轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞生長(zhǎng)和分化、神經(jīng)傳遞等方面起重要作用。一旦通路阻斷即會(huì)造成學(xué)習(xí)、記憶的障礙。

2.2.2 PLC信號(hào)通路異常 海馬內(nèi)含有豐富的毒蕈堿型受體,通過(guò)與G蛋白偶聯(lián),激活磷脂酶(phospholipase C,PLC)系統(tǒng)。PLC信號(hào)通路中的信號(hào)分子受鋁的影響無(wú)法正常表達(dá)或活化時(shí),神經(jīng)元無(wú)法正常生長(zhǎng)、增殖、代謝、分泌而喪失功能[12],最終影響海馬功能,導(dǎo)致學(xué)習(xí)記憶的障礙。

2.2.3 MAPK信號(hào)通路異常 長(zhǎng)期暴露在鋁環(huán)境中生長(zhǎng)的神經(jīng)元細(xì)胞,影響絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信號(hào)通路中的細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)和c-Jun氨基末端激酶(jun N-terminal kinase,JNK)[13]。ERK是將信號(hào)從表面受體傳導(dǎo)至細(xì)胞核的關(guān)鍵,參與細(xì)胞增殖與分化、細(xì)胞形態(tài)維持、細(xì)胞骨架的構(gòu)建、細(xì)胞凋亡和細(xì)胞的癌變等多種生物學(xué)反應(yīng),而JNK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在基因毒性應(yīng)激誘發(fā)的細(xì)胞凋亡過(guò)程中起著一定的作用,兩者通路異常,損害海馬長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(long term potentiaton,LTP)。張立豐課題組[14]研究表明鋁暴露引起的空間記憶損傷,其形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)可能是基礎(chǔ)神經(jīng)元和突觸超微結(jié)構(gòu)的改變,電生理基礎(chǔ)可能是海馬LTP受損,由此導(dǎo)致腦細(xì)胞受損,從而影響學(xué)習(xí)記憶功能下降。

2.2.4 Ras信號(hào)通路異常 鋁通過(guò)阻礙絲氨酸、細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶2、磷酸化轉(zhuǎn)錄因子如環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)在蛋白質(zhì)和mRNA水平的表達(dá),從而損害Ras信號(hào)通路的轉(zhuǎn)導(dǎo),影響大腦信息儲(chǔ)存和記憶[15]。Sakamoto等[16]證明鋁蓄積使Ras異常,導(dǎo)致γ-氨基丁酸介導(dǎo)的信號(hào)抑制功能異常增強(qiáng),可直接損傷突觸可塑性變化,從而引起學(xué)習(xí)功能障礙。

2.2.5 Wnt信號(hào)通路異常 Wnt信號(hào)通路在神經(jīng)細(xì)胞的發(fā)生、增殖和分化中都發(fā)揮重要作用,且與神經(jīng)節(jié)的形成有關(guān)。有研究表明[17],長(zhǎng)期暴露在鋁環(huán)境中,抑制該信號(hào)通路的轉(zhuǎn)導(dǎo),增加tau蛋白激酶Ⅰ的活性,從而促進(jìn)tau蛋白的異常磷酸化。高度磷酸化的tau蛋白可從微管上解離移位或引起聚集,促進(jìn)NFTs的形成,即AD患者的特征性病變之一。

2.2.6 cAMP-PKA-CREB信號(hào)通路異常 張立豐課題組[18]實(shí)驗(yàn)表明鋁可能會(huì)損害大鼠的長(zhǎng)期記憶，海馬中環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)、PKA、CREB、腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)在鋁染后明顯下降,神經(jīng)元和突觸的超微結(jié)構(gòu)均發(fā)生病理變化,這說(shuō)明鋁可能通過(guò)抑制cAMP-PKA-CREB信號(hào)而改變海馬神經(jīng)元突觸超微結(jié)構(gòu)和誘導(dǎo)大鼠長(zhǎng)期記憶損害。

2.3 神經(jīng)遞質(zhì)傳遞異常

氨基酸類(lèi)神經(jīng)遞質(zhì)的含量與結(jié)構(gòu)的改變與神經(jīng)退行性病變、腦損傷、學(xué)習(xí)記憶的形成密切相關(guān)。而鋁對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)的影響主要表現(xiàn)為對(duì)興奮性氨基酸遞質(zhì)毒性的誘導(dǎo)作用,如去甲腎上腺素、5-羥色胺。受高鋁作用,腦內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿(acetylcholine,Ach)含量降低[19],Ach釋放含量的變化是影響動(dòng)物學(xué)習(xí)記憶的主要原因。但乙酰膽堿酯酶活力的降低或升高,目前還不能準(zhǔn)確判定。這可能與疾病的早期和晚期不同有關(guān),因?yàn)榻M織受損是逐步進(jìn)行的,從功能性到器質(zhì)性,從可逆性到不可逆性,在不同的條件下機(jī)體具有適應(yīng)性代償調(diào)節(jié)功能,在受到損害的早晚不同時(shí)期可能會(huì)出現(xiàn)不同酶活性變化。

2.4 突觸受體表達(dá)異常

鋁可能通過(guò)RAS信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路導(dǎo)致α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸(A-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid,AMPA)受體磷酸化障礙,最終表現(xiàn)出LTP的誘導(dǎo)受到抑制。LTP是N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate,NMDA)受體依賴性突觸傳遞效能的持續(xù)性增強(qiáng),是公認(rèn)的腦學(xué)習(xí)記憶功能在突觸水平的研究模型和細(xì)胞基礎(chǔ),0.68μg/ml的鋁對(duì)LTP有弱化作用,而2.7μg/ml的鋁則可以完全阻斷LTP[20]。鋁還可通過(guò)直接干擾NMDA受體的表達(dá),阻礙谷氨酸-一氧化氮-鳥(niǎo)嘌呤核糖苷(Glu-NO-cGMP)信號(hào)通路的轉(zhuǎn)導(dǎo),影響神經(jīng)細(xì)胞正常功能,表現(xiàn)為人的正常的記憶功能喪失。

此外,GABA是AMPA受體介導(dǎo)的抑制性神經(jīng)元所釋放的遞質(zhì),當(dāng)AMPA受體被阻斷時(shí),GABA釋放減少,通過(guò)受體抑制NO神經(jīng)元,進(jìn)而影響cGMP水平。

2.5 酶活性異常

研究表明[21],鋁對(duì)己糖激酶活性的影響是因鋁與ATP可以形成復(fù)合體,Al-ATP絡(luò)合后可干擾Mg-ATP的作用,成為己糖激酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑,競(jìng)爭(zhēng)性地結(jié)合該酶結(jié)合ATP的部位,酶的活性改變后,腦內(nèi)代謝異常,進(jìn)而出現(xiàn)神經(jīng)退行性病變。另外鋁可能對(duì)腦組織中磷酸果糖激酶、乳酸脫氫酶也有抑制作用。

2.6 基因表達(dá)異常

bcl-2作為最重要的細(xì)胞凋亡的抑制基因,它與中樞學(xué)習(xí)記憶功能衰退的關(guān)系已得到證實(shí)。中樞學(xué)習(xí)記憶的相關(guān)研究表明,鋁中毒時(shí),bcl-2基因作為凋亡抑制基因立刻代償性地表達(dá)增強(qiáng),可能通過(guò)抑制脂質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放Ca2+或者消除氧自由基等,保護(hù)神經(jīng)元免受損傷,延長(zhǎng)壽命。當(dāng)鋁累積劑量超過(guò)bcl-2的代償能力時(shí),大量神經(jīng)元發(fā)生凋亡,導(dǎo)致大腦功能上表現(xiàn)為學(xué)習(xí)記憶能力明顯下降[22]。

張立豐等[23-24]研究表明,隨染毒劑量增加,c-fos mRNA和蛋白表達(dá)水平降低并具有一定的相關(guān)性,亞慢性鋁暴露損害大鼠學(xué)習(xí)記憶能力,其機(jī)制可能與鋁造成皮質(zhì)神經(jīng)細(xì)胞功能減弱(即刻早基因c-fos mRNA和蛋白表達(dá)水平下降)有關(guān)。

3 鋁中毒的治療

任何中毒的解救都是通過(guò)阻斷引起其毒性作用的機(jī)制過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn),雖然鋁中毒的全部機(jī)制目前尚不明確,但可通過(guò)阻斷部分機(jī)制以緩解病情。通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外有關(guān)鋁中毒治療的相關(guān)文獻(xiàn),現(xiàn)列出5種治療鋁中毒引起學(xué)習(xí)記憶功能障礙的方法：(1) 尼莫地平給予能升高鋁負(fù)荷大鼠腦組織的超氧化物歧化酶活性,降低單胺氧化酶活性和丙二醛含量[25],因此鈣通道阻滯劑尼莫地平可能成為鋁過(guò)負(fù)荷致腦損傷、神經(jīng)元退行性疾病的有效防治藥物;(2) 多奈哌齊通過(guò)選擇性抑制中樞神經(jīng)系統(tǒng)中乙酰膽堿的降解,能顯著提高記憶腦區(qū)的神經(jīng)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能,具有良好的耐受性和臨床安全性[26];(3) 綠茶多酚可減少β-淀粉樣蛋白的生成、清除自由基、提高抗氧化酶活性,有效改善記憶功能障礙[27];(4) 順式p-tau蛋白抗體治療,可防止NFTs及其他tau蛋白病理化的發(fā)展[28];(5) 雙嘧達(dá)莫對(duì)AD大鼠的學(xué)習(xí)記憶有顯著改善作用,作用機(jī)制可能與激活cAMP-PKA-CREB信號(hào)通路有關(guān)[29]。

綜上所述,在鋁的毒性作用下,Ca2+-CaM-CaMKⅡ信號(hào)通路、cAMP-PKA-CREB信號(hào)通路、LTP、GABA均影響突觸的正常結(jié)構(gòu)功能,突觸囊泡大量聚集在突觸前膜,使神經(jīng)遞質(zhì)(如去甲腎上腺素、Ach)釋放受阻,同時(shí)突觸受體如NMDA的表達(dá)也會(huì)相應(yīng)降低。突觸作為神經(jīng)元功能和信息傳遞的關(guān)鍵部位,其變化導(dǎo)致神經(jīng)元正常功能和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,能夠引起神經(jīng)元受損的還包括tau蛋白異常磷酸化、bcl-2基因表達(dá)異常、RAS和PLC和Wnt信號(hào)通路受到抑制。突觸受損也會(huì)直接改變腦內(nèi)細(xì)胞結(jié)構(gòu)、代謝和功能,能夠引起腦細(xì)胞損傷的還包括細(xì)胞膜脂質(zhì)過(guò)氧化，刻早基因c-fos表達(dá)異常,MAPK、RAS和Wnt信號(hào)通路受到抑制。這些機(jī)制彼此之間有相同的作用靶點(diǎn),一旦腦內(nèi)鋁過(guò)量,就會(huì)發(fā)生進(jìn)行性神經(jīng)元受損和腦細(xì)胞受損,逐漸損害學(xué)習(xí)記憶功能。

臨床上有可以緩解鋁中毒進(jìn)程以及排鋁藥,但由于鋁對(duì)人神經(jīng)毒性的作用機(jī)制目前尚未完全明確,因此不能根治,且動(dòng)物與人的腦部結(jié)構(gòu)功能相差甚遠(yuǎn),要徹底明確鋁對(duì)人腦的毒性機(jī)制絕非易事。若能對(duì)毒物進(jìn)行更精準(zhǔn)的生物學(xué)標(biāo)記,就能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到其在人體的活動(dòng)過(guò)程,攻克鋁引起學(xué)習(xí)記憶功能障礙的毒性機(jī)制指日可待。