重金屬中毒影響腦內(nèi)神經(jīng)發(fā)生的研究進展*

熊欣欣，田 杰，束會娟，黃青蕓，郭忠信，，3，4，譚國鶴，，3，4△，楊伯寧，，4△

1廣西醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院基礎醫(yī)學系，南寧5300212廣西生物醫(yī)藥協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西再生醫(yī)學重點實驗室，南寧5300213廣西醫(yī)科大學轉(zhuǎn)化醫(yī)學研究中心，長壽與老年相關疾病教育部重點實驗室，南寧5300214廣西特色新型智庫——中國-東盟腦科學創(chuàng)新發(fā)展研究中心，南寧530021

神經(jīng)發(fā)生是由神經(jīng)干細胞產(chǎn)生成熟的高度分化功能性神經(jīng)細胞的過程，是哺乳動物大腦中一個重要的生物學現(xiàn)象，對神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、成熟以及功能的產(chǎn)生和維持都十分關鍵[1]。神經(jīng)發(fā)生在胚胎期和出生后早期最為活躍，能夠產(chǎn)生機體中所有類型的神經(jīng)細胞，如神經(jīng)前體細胞、神經(jīng)干細胞、神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞等[2]，此階段稱為胚胎神經(jīng)發(fā)生(embryonic neurogenesis)；而到了成年時期，這種現(xiàn)象也會在局部腦區(qū)持續(xù)存在，此階段稱為成年神經(jīng)發(fā)生(adult neurogenesis)[3]。具體來說，在胚胎期，位于腦室和腦室下區(qū)的神經(jīng)上皮細胞轉(zhuǎn)化為放射狀膠質(zhì)細胞，這種細胞隨后產(chǎn)生早期神經(jīng)元或中間神經(jīng)前體細胞，后者通過有絲分裂進一步分化為功能性神經(jīng)元；到了后期，放射狀膠質(zhì)細胞也參與星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞的產(chǎn)生[4]。而在成年期，腦內(nèi)存留的少量靜息干細胞依然保持干性，這些細胞主要分布于海馬齒狀回的顆粒下區(qū)(subgranular zone，SGZ)和側(cè)腦室的室管膜下區(qū)(subventricular zone，SVZ)，分別產(chǎn)生瞬時擴增細胞進而分化為未成熟神經(jīng)元并經(jīng)過短程遷移到達顆粒細胞層，或增殖為瞬時擴增細胞進而分化后沿著吻側(cè)遷移流遷移至嗅球[5]。在上述神經(jīng)發(fā)生的過程中，任何影響神經(jīng)發(fā)生的因素，如：重金屬中毒、轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控異常等，都可能導致腦發(fā)育和結(jié)構功能的紊亂。隨著社會的發(fā)展，人類活動如采礦、廢氣排放和污水灌溉等引起環(huán)境中的重金屬含量逐漸增加，重金屬中毒會影響神經(jīng)干細胞增殖、分化和遷移，甚至導致智力發(fā)育和認知行為障礙。近年研究發(fā)現(xiàn)錳、鉛、汞和砷等重金屬中毒會影響腦內(nèi)神經(jīng)發(fā)生，這一現(xiàn)象引起了學者們的廣泛關注?，F(xiàn)就生活中常見的幾種重金屬中毒對神經(jīng)發(fā)生的影響進行簡要論述。

1 錳中毒對腦內(nèi)神經(jīng)發(fā)生的影響

錳作為一種機體必需的微量元素，在骨礦化和細胞保護中起重要作用，是許多代謝酶的組成成分，也是一種酶激動劑，可參與體內(nèi)多種重要的生物化學反應。然而，過多的錳離子進入體內(nèi)會對神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生毒性。研究發(fā)現(xiàn)，在采礦社區(qū)和鋼鐵制造業(yè)地區(qū)，由于長期生活在高濃度錳污染的環(huán)境中[6]，一些兒童出現(xiàn)智力下降的情況[7]。新生兒由于血腦屏障不成熟，吸收錳的速度相對成年個體更快，研究人員在哺乳期母代大鼠的飲食中加入過量的錳，發(fā)現(xiàn)子代幼鼠通過母乳吸收錳離子后會導致錳在海馬、皮層、小腦、中腦和紋狀體等部位的蓄積[8]。與此相一致，用相同濃度的錳注入不同年齡段的大鼠體內(nèi)，幼年期大鼠腦內(nèi)各個部位的錳積累顯著高于成年期大鼠，以海馬、皮層等部位最為明顯[9]。Wang等[10]通過在妊娠第10天到出生后第21天期間對小鼠進行800 ppm劑量的染毒干預，進一步研究發(fā)現(xiàn)，小鼠在出生后第21天SGZ區(qū)神經(jīng)母細胞凋亡增加，未成熟顆粒細胞減少；而在出生后第21天到第77天之間，未成熟神經(jīng)元和Reelin陽性細胞增多；這些結(jié)果提示，發(fā)育期的錳中毒會以未成熟顆粒細胞為靶標，誘導細胞凋亡與神經(jīng)發(fā)生持續(xù)畸變和錯誤遷移，導致未成熟神經(jīng)元的分化障礙。Ohishi等[11]在大鼠身上也進行了同樣的試驗，驗證了錳中毒大鼠的海馬齒狀回晚期分化和神經(jīng)發(fā)生都受到損害。以上研究表明，發(fā)育期錳中毒后腦內(nèi)錳沉積增多，導致神經(jīng)細胞功能障礙和異常凋亡，從而嚴重影響了胚胎神經(jīng)發(fā)生。

人們在體外錳中毒模型的研究中發(fā)現(xiàn)，用不同劑量的錳干預體外培養(yǎng)的成年神經(jīng)干細胞，低濃度(100～300 μmol/L)錳會導致細胞骨架結(jié)構失調(diào)和形態(tài)異常；高劑量(800 μmol/L)錳導致細胞骨架呈片狀結(jié)構和突起形成過短；與對照組相比，錳干預后組中表達雙皮質(zhì)素(doublecortin，DCX)和膠質(zhì)纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein，GFAP)的神經(jīng)干細胞減少，成年神經(jīng)干細胞的分化功能受到影響[12]。在成年大鼠錳中毒模型中，F(xiàn)u等[13]用6 mg/kg濃度的錳干預4周后，追蹤神經(jīng)干細胞從SVZ通過吻側(cè)遷移流以及最終在嗅球處的存活和分化后發(fā)現(xiàn)，錳中毒組在嗅球處最終成功分化并存活下來的神經(jīng)元數(shù)量減少了約31%，因此，錳中毒會減少在嗅球處存活的成年新生神經(jīng)干細胞，抑制它分化為成熟神經(jīng)元，最終導致成年神經(jīng)發(fā)生下降。研究人員進一步發(fā)現(xiàn)，錳中毒大鼠腦內(nèi)SGZ區(qū)新生的細胞相比對照組減少了約37%，細胞的存活率顯著下降，海馬齒狀回處的未成熟神經(jīng)元的分化受到顯著抑制，該處的神經(jīng)發(fā)生嚴重受阻[14]。以上表明，錳中毒會影響細胞骨架和結(jié)構，抑制神經(jīng)干細胞的存活和分化，進而抑制了成年鼠腦內(nèi)的神經(jīng)發(fā)生。

2 鉛中毒對腦內(nèi)神經(jīng)發(fā)生的影響

鉛中毒是公認的重大健康問題，在個體發(fā)育期表現(xiàn)為劑量依賴性，主要導致神經(jīng)損害和智力低下等，受到研究者的廣泛關注。臨床監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，當兒童血鉛水平達到10 mg/dL時，IQ值下降7～8分；當血鉛濃度大于70 mg/dL時，會引起腦部疾病甚至威脅到生命[15]。Dou等[16]對胚胎期的斑馬魚進行不同濃度的鉛干預后發(fā)現(xiàn)，當鉛濃度達到0.2 mmol/L時，神經(jīng)發(fā)生受損，斑馬魚的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞凋亡增加，表現(xiàn)出行為遲緩，出現(xiàn)遲緩行為的斑馬魚數(shù)量比對照組高出約40%。還有研究發(fā)現(xiàn)，從小鼠懷孕第1天開始喂養(yǎng)含0.5 g/L的硝酸鉛飲用水，持續(xù)28 d發(fā)現(xiàn)其子代出生后SVZ區(qū)增殖細胞核抗原(PCNA)標記的增殖細胞顯著減少，神經(jīng)元的數(shù)量顯著下降，并出現(xiàn)神經(jīng)膠質(zhì)細胞過多癥，說明鉛中毒可能會對發(fā)育期神經(jīng)發(fā)生和對皮層神經(jīng)元產(chǎn)生毒性作用，這也可能與鉛中毒兒童出現(xiàn)的認知障礙有關[17]。在對出生第1天的大鼠進行21 d的鉛干預，當?shù)降?0天時，其海馬齒狀回5-溴脫氧尿核苷(BrdU)標記的陽性細胞顯著減少，未成熟神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞數(shù)量顯著增多；行為學實驗表明，鉛中毒組的大鼠成年后焦慮水平持續(xù)上升[18]。因此，鉛中毒可持續(xù)抑制發(fā)育期大鼠神經(jīng)發(fā)生，改變海馬齒狀回新生細胞的分化模式，在一定程度上可能導致個體的行為和認知障礙。

事實上，鉛中毒對神經(jīng)發(fā)生的抑制作用是從發(fā)育期一直持續(xù)到成年的。例如，人們對成年大鼠進行為期7 d的鉛(50 mg/kg)注射，鉛中毒組動物SVZ與SGZ區(qū)的BrdU和DCX陽性細胞數(shù)量都顯著減少，表明成年神經(jīng)發(fā)生的能力顯著下降[19]。另有研究發(fā)現(xiàn)，鉛中毒大鼠海馬齒狀回的新生細胞總數(shù)相對正常大鼠減少了約13%，新生的未成熟顆粒細胞形成異常樹突形態(tài)[20]，這說明早期慢性鉛中毒可改變大鼠海馬成年神經(jīng)發(fā)生和顆粒細胞的形態(tài)。還有研究證實，長期暴露于低水平的鉛濃度下會導致成年大鼠海馬新生細胞數(shù)量減少，成年大鼠神經(jīng)發(fā)生能力下降[21]。因此，鉛中毒會抑制腦內(nèi)神經(jīng)干細胞的增殖和分化能力，使分化后細胞的形態(tài)發(fā)生改變，最終影響個體神經(jīng)發(fā)生的進程。

3 汞中毒對胚胎神經(jīng)發(fā)生的影響

甲基汞是一種眾所周知的強效神經(jīng)毒物，特別是對發(fā)育期的神經(jīng)系統(tǒng)會產(chǎn)生明顯影響，在發(fā)育過程中高劑量的汞中毒會導致智力遲鈍、腦癱和癲癇等疾病。在實驗研究中，使用氯化汞干預體外培養(yǎng)的人神經(jīng)干細胞球后，神經(jīng)干細胞分化為神經(jīng)元的數(shù)量減少，且神經(jīng)元的遷移距離縮短[22]。將體外培養(yǎng)的大鼠神經(jīng)干細胞暴露于2.5 nmol/L或5 nmol/L的甲基汞中，傳代后細胞的總數(shù)都顯著減少，說明汞中毒可損傷神經(jīng)干細胞的增殖能力；同時體內(nèi)實驗表明，圍產(chǎn)期汞中毒的大鼠成年后SGZ區(qū)的神經(jīng)元總數(shù)比對照組減少約30%；因此，發(fā)育階段低水平的甲基汞中毒會引起神經(jīng)干細胞增殖能力下降，細胞周期阻滯，最終可能會導致神經(jīng)發(fā)育障礙和神經(jīng)變性[23]。也有研究表明，汞中毒(5 mg/g)后海馬的體積變小，顆粒細胞層和門區(qū)的細胞數(shù)量顯著減少，神經(jīng)前體細胞的增殖能力下降；圍產(chǎn)期急性汞中毒導致子代神經(jīng)細胞凋亡，造成后續(xù)海馬結(jié)構功能受損[24]。另有研究者對出生7 d的大鼠進行甲基汞皮下注射，誘導急性汞中毒模型，發(fā)現(xiàn)低劑量(0.6 mg/g)的汞中毒會導致海馬顆粒層和門區(qū)的新生細胞數(shù)減少約27%和32%，且這種影響會一直持續(xù)到出生后21 d；通過使用含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase，Caspase-3)標記凋亡細胞，再與巢蛋白(Nestin)和Sox2分別共標，發(fā)現(xiàn)汞中毒后Nestin與Caspase-3共標的細胞比例增加，說明甲基汞可引發(fā)神經(jīng)干細胞的凋亡；對出生后35 d的大鼠進行水迷宮實驗發(fā)現(xiàn)，汞中毒組大鼠出現(xiàn)空間記憶障礙[25]。

以上表明，汞中毒會導致發(fā)育期神經(jīng)干細胞的增殖能力下降，導致相關腦區(qū)的體積變小，海馬門區(qū)和齒狀回的新生細胞顯著減少，神經(jīng)發(fā)生受損，最終可導致學習記憶功能的障礙。目前關于汞中毒對成年期腦內(nèi)神經(jīng)發(fā)生影響的研究還不多，有待進一步深入探討。

4 砷中毒對腦內(nèi)神經(jīng)發(fā)生的影響

砷是環(huán)境中的一種污染物性有毒物質(zhì)，能通過飲用水而被接觸。流行病學研究表明，即使接觸低劑量的砷也會對身體產(chǎn)生負面影響，包括罹患精神障礙和認知功能障礙的概率增加[26]。不僅如此，砷還能通過胎盤屏障影響胎兒的發(fā)育，甚至引起胚胎的死亡和流產(chǎn)。大量研究表明，砷可在大腦內(nèi)蓄積，可導致神經(jīng)功能損傷，造成智力障礙[27]，產(chǎn)生學習記憶障礙和情緒障礙，尤其對兒童的損害較大[28]。目前，砷中毒對腦內(nèi)神經(jīng)發(fā)生的影響受到關注：體外培養(yǎng)具有多能性的P19細胞發(fā)現(xiàn)，砷中毒會通過抑制WNT/β-catenin信號通路導致P19細胞分化為神經(jīng)元的能力顯著下降[27]；體外培養(yǎng)的人神經(jīng)干細胞在砷中毒后凋亡增加，分化為神經(jīng)元的能力受到抑制[29]；對新生大鼠進行砷干預后發(fā)現(xiàn)，砷中毒可造成大鼠顆粒細胞外層和錐體細胞外層的未成熟神經(jīng)元出現(xiàn)分化障礙，引起神經(jīng)發(fā)生異常，進而增加大鼠的焦慮樣行為，并造成學習和社交能力的下降，且下降程度與砷的濃度成正相關[30]。由此看來，砷中毒后會造成發(fā)育期腦內(nèi)神經(jīng)發(fā)生的障礙。與其它重金屬相類似，發(fā)育期砷中毒對個體產(chǎn)生長遠的不良影響，一直持續(xù)到成年期。研究已證實，圍產(chǎn)期中等劑量的砷干預會造成小鼠成年后學習記憶能力的低下甚至缺失；進一步對小鼠從胚胎開始形成到產(chǎn)后23 d期間進行砷干預，結(jié)果表明砷中毒組小鼠神經(jīng)祖細胞的分化數(shù)量比對照組減少了約41%[31]。另有研究發(fā)現(xiàn)，砷中毒后小鼠SGZ區(qū)的新生細胞和新生成熟神經(jīng)元比對照組顯著減少；小鼠成年后接觸砷會導致海馬神經(jīng)細胞增殖和成年神經(jīng)發(fā)生受到抑制[32]。以上表明，砷中毒會嚴重影響成年神經(jīng)干細胞的分化功能，使神經(jīng)發(fā)生能力受損，最終導致學習和記憶能力低下或者缺失。

5 小結(jié)

綜上所述，我們可以看出，重金屬中毒對腦內(nèi)的損傷會存在以下一些共同點：①母代圍產(chǎn)期重金屬中毒均可能導致子代腦內(nèi)的重金屬沉積；②發(fā)育期腦內(nèi)重金屬中毒后會影響胚胎神經(jīng)發(fā)生，并導致成年后出現(xiàn)認知和行為的障礙，在體內(nèi)發(fā)揮著持續(xù)、長遠的影響；③發(fā)育期和成年后重金屬中毒在腦內(nèi)均可能影響神經(jīng)干細胞的存活，抑制神經(jīng)干細胞的增殖分化能力，甚至誘導神經(jīng)干細胞的凋亡，對神經(jīng)發(fā)生的全過程產(chǎn)生全面的損傷。通過近年來的研究，重金屬中毒對腦內(nèi)神經(jīng)發(fā)生的具體損害逐步明確，而且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)重金屬中毒可能與二價金屬轉(zhuǎn)運體、WNT/β-catenin和CREB等相關，但是相關的分子生物學機制研究目前還不夠深入。在此過程中，重金屬中毒影響神經(jīng)發(fā)生的具體細胞環(huán)路、胞內(nèi)介導關鍵因子、相關的分子信號通路，以及如何尋找有效的新靶點解決重金屬對神經(jīng)發(fā)生的抑制作用等這些科學問題，今后還需要進一步深入探究和解決。這將是我們未來的研究重點，以期更好地從分子、細胞、信號通路、動物模型等層面系統(tǒng)地解析重金屬對神經(jīng)發(fā)生影響的發(fā)病機制，更科學地評估環(huán)境因素對人類大腦發(fā)育的影響，最終為人們有效地防治重金屬中毒性腦病做出貢獻。