錳、汞、鎘重金屬過量對兒童神經(jīng)系統(tǒng)影響的研究進(jìn)展

雷雪茜，李娜

(1.沈陽醫(yī)學(xué)院，遼寧 沈陽 110034；2.沈陽市兒童醫(yī)院，神經(jīng)康復(fù)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110032)

0 引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，水資源、大氣、土壤及食品中各種重金屬含量超標(biāo)，使人體內(nèi)的重金屬濃度過量，引起神經(jīng)系統(tǒng)損害。由于兒童的手口動作多以及兒童生長發(fā)育的需要，重金屬更容易在兒童體內(nèi)蓄積，并通過血腦屏障蓄積于腦組織，使兒童神經(jīng)系統(tǒng)受到損害，出現(xiàn)發(fā)育遲緩與認(rèn)知障礙，如運(yùn)動不協(xié)調(diào)、記憶力下降、智力低下、注意力缺陷障礙多動癥、孤獨(dú)癥譜系障礙等。

1 錳對神經(jīng)系統(tǒng)的危害

錳是多種酶如水解酶、谷氨酰胺合成酶和含錳丙酮酸羧化酶的輔助因子，在神經(jīng)發(fā)育、免疫功能和抗氧化防御等方面起著重要作用，但過量會中毒。神經(jīng)元比其他細(xì)胞更易受到錳的影響。錳進(jìn)入大腦的途徑有三種：①從鼻黏膜經(jīng)嗅覺神經(jīng)進(jìn)入腦嗅球；②通過血腦屏障毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)入大腦；③從脈絡(luò)叢進(jìn)入脊髓神經(jīng)叢。錳主要蓄積在基底神經(jīng)節(jié)，紋狀體、蒼白球和黑質(zhì)都是其靶點(diǎn)，且蒼白球是錳蓄積和產(chǎn)生毒性效應(yīng)的主要部位。

1.1 錳致神經(jīng)毒性的機(jī)制

錳中毒可有類似帕金森?。≒D）樣的錐體外系運(yùn)動障礙表現(xiàn)，而PD主要損害黑質(zhì)部多巴胺能細(xì)胞[1]，提示錳中毒與多巴胺信號傳導(dǎo)異常有關(guān)。錳中毒使突觸前膜多巴胺能信號異常和多巴胺釋放減少，紋狀體多巴胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白含量顯著下降。過量的錳會抑制基底神經(jīng)節(jié)和中腦表達(dá)的D2樣多巴胺受體、多巴胺轉(zhuǎn)運(yùn)體對多巴胺的重攝取，破壞神經(jīng)突觸間隙多巴胺濃度穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)元信息傳遞異常[2-4]。

興奮性神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)γ-氨基丁酸(γ- aminobutyric acid， GABA)的重要前體物質(zhì)谷氨酰胺在神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的相互作用中有至關(guān)重要的作用。錳通過減少特定的谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)及降低谷氨酰胺的攝取損害星形膠質(zhì)細(xì)胞谷氨酰胺的轉(zhuǎn)運(yùn)，破壞神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸和GABA的平衡[3]。

錳能介導(dǎo)細(xì)胞外多巴胺的氧化，產(chǎn)生多種活性氧，導(dǎo)致氧化應(yīng)激、核酸蛋白質(zhì)和磷脂氧化損傷。二價錳（ Mn2+）在基底神經(jīng)節(jié)區(qū)域氧化成有超強(qiáng)氧化力的三價錳（ Mn3+），Mn3+將多巴胺氧化成神經(jīng)黑色素的前體物質(zhì)，該前體物質(zhì)可能與誘導(dǎo)神經(jīng)元細(xì)胞凋亡相關(guān)[5]。Mn2+競爭性抑制線粒體內(nèi)Ca2+外流，干擾體內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致氧化應(yīng)激，開啟線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔，間接增強(qiáng)線粒體膜對離子及質(zhì)子的溶解性，使線粒體腫脹、超微結(jié)構(gòu)改變； Mn2+通過開啟通透性轉(zhuǎn)換孔釋放細(xì)胞色素C( CytC)、繼發(fā)性激活細(xì)胞凋亡蛋白酶9（caspase9）和細(xì)胞凋亡蛋白酶3（caspase3）改變線粒體跨膜電位，破壞氧化磷酸化過程，抑制 ATP合成，最終誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和神經(jīng)退行性變[5-6]。

1.2 錳過量對兒童認(rèn)知、運(yùn)動、心理行為等功能的損害

認(rèn)知是指人腦加工處理接收的外界信息的過程，或獲得與運(yùn)用知識的過程，包括感知覺、記憶、語言、執(zhí)行和理解判斷等方面。認(rèn)知障礙是指上述認(rèn)知功能中的一項(xiàng)或多項(xiàng)受損，且個體的日常生活或社會生存能力下降。Stephanie等[7]研究了亞學(xué)齡前兒童發(fā)錳水平與認(rèn)知、語言和運(yùn)動的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)發(fā)錳水平越高，兒童的智商分?jǐn)?shù)越低、語言能力越差。Agustin等[8]評估錳暴露對7~11歲兒童語言記憶和學(xué)習(xí)的影響，對生活在莫蘭戈錳礦區(qū)的79名兒童和來自同一州的一個非暴露社區(qū)的95名兒童進(jìn)行橫斷面研究，采用兒童聽覺言語學(xué)習(xí)測驗(yàn)（CAVLT）。發(fā)現(xiàn)發(fā)錳和血錳水平與CAVLT亞量表呈負(fù)相關(guān)，即發(fā)錳和血錳水平與兒童的語言、長期記憶和學(xué)習(xí)能力呈負(fù)相關(guān)。Haynes等[9]研究發(fā)現(xiàn)血液和頭發(fā)中的低錳和高錳濃度都與總智商分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)。Nascimento等[10]研究了6~12歲兒童錳暴露與神經(jīng)心理表現(xiàn)的關(guān)系，觀察到6~12歲兒童血錳含量與視覺感知和語音意識呈負(fù)相關(guān)，發(fā)錳含量與記憶能力呈負(fù)相關(guān)，飲用水中的錳含量與書寫語言和執(zhí)行功能的抑制性控制能力呈負(fù)相關(guān)。

Rodrigues等[11]研 究 發(fā) 現(xiàn) W-Mn<400μg/L時，Mn有利于精細(xì)運(yùn)動的發(fā)育；W-Mn>400μg/L時，Mn對運(yùn)動功能不利。即錳過量會損害兒童的運(yùn)動能力，特別是精細(xì)運(yùn)動。Rugless等[12]研究錳、鉛暴露與兒童神經(jīng)運(yùn)動功能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)所有與維持靜態(tài)體位平衡如前庭平衡、視覺平衡和本體感知平衡相關(guān)的傳入神經(jīng)通路都受到錳和鉛暴露的有害影響，尤其是發(fā)錳含量和空氣中的錳暴露量與兒童的姿勢不穩(wěn)定性呈正相關(guān)。

Rahman等[13]采用韋氏兒童智力量表（WISC-IV）和優(yōu)勢與困難問卷( Strengths and Difficulties Questionnaire, SDQ)對孟加拉國農(nóng)村1265名10歲兒童的認(rèn)知能力和行為進(jìn)行前瞻性隊列研究，并采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定孕婦及5歲、10歲兒童飲用水中錳的含量。發(fā)現(xiàn)孕期和兒童早期接觸Mn可能與10歲兒童行為問題的風(fēng)險增加相關(guān)。Sanders等[14]通過研究早期接觸錳與兒童/青少年行為之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)早期錳過量暴露與兒童的注意力缺陷多動障礙(Attention deficit hyperactivity disorder，ADHD)、孤獨(dú)癥譜系障礙(Autism spectrum disorder,ASD)和其他不良行為結(jié)果之間存在相關(guān)性。

ADHD指以明顯的注意力集中困難、注意持續(xù)時間短暫、活動過度或沖動為主要特征的一組綜合征，患病率一般報道為3%~9%[15]，男女比例為4:1~9:1。經(jīng)Meta分析國內(nèi)兒童ADHD總患病率為5.5% (95%CI=4.8%~6.2%)[16]。ADHD可能與錳過量所致中樞神經(jīng)遞質(zhì)代謝障礙或功能異常有關(guān)，如多巴胺和腎上腺素更新率降低、功能低下等[17-18]。Hong等[18]對890名8~11歲兒童的血錳濃度和多動癥的相關(guān)性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)ADHD狀態(tài)與血錳水平在預(yù)測兒童行為檢查表（CBCL）總問題得分以及焦慮/抑郁、社會問題、攻擊性行為、內(nèi)化問題和外化問題方面存在顯著的交互作用。發(fā)現(xiàn)ADHD患兒血錳水平與CBCL得分存在正相關(guān)，與健康兒童比較差異具有顯著性。多動癥兒童錳暴露機(jī)會較其他學(xué)齡兒童更多，更易受到錳暴露神經(jīng)毒性的影響，且錳暴露會增加并發(fā)精神疾病的風(fēng)險。Gunier等[19]研究了6、12、24個月嬰幼兒乳牙牙本質(zhì)中的產(chǎn)前和產(chǎn)后早期錳暴露水平與行為結(jié)果的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)主要是產(chǎn)后早期的錳暴露與嬰幼兒的精神、心理、運(yùn)動發(fā)育呈負(fù)相關(guān)。

ASD是以孤獨(dú)癥為代表的一組異質(zhì)性疾病的總稱，是發(fā)生于嬰幼兒或兒童時期的心理發(fā)育障礙性疾病，基本特征為社會交往障礙、興趣局限及刻板行為，可伴不同程度的智力發(fā)育落后。Roberts等[20]研究了圍生期空氣污染物的暴露與兒童患孤獨(dú)癥譜系障礙的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)圍產(chǎn)期接觸柴油、鉛、錳等與ASD顯著相關(guān)，且在性別上有顯著差異，即男孩比女孩更易受到暴露導(dǎo)致的不良影響。Rossignol等[21]也支持環(huán)境毒物暴露與ASD有著關(guān)聯(lián)性，他們特別強(qiáng)調(diào)了關(guān)于錳的一項(xiàng)研究，該研究報告指出，圍產(chǎn)期接觸的空氣污染物中的20%~80%種污染物與ASD的風(fēng)險增加密切相關(guān)，包括集合金屬 (OR=1.5；95%CI，1.3~1.7)、汞 (OR=2.0；95%CI，1.2~3.3)、鉛 (OR=1.6；95%CI，1.1~2.3)、鎳 (OR=1.7)；95%CI，1.1~2.5)，錳 (OR=1.5；95%CI，1.1~2.2），柴 油 微 粒 (OR=2.0；95%CI，1.0~4.0)和亞甲基氯化物 (OR=1.8；95%CI，1.2~2.7)，提示圍產(chǎn)期接觸空氣污染物可能增加ASD的風(fēng)險。

2 汞對神經(jīng)系統(tǒng)的危害

2.1 汞致神經(jīng)毒性機(jī)制

中樞神經(jīng)系統(tǒng)是甲基汞的主要靶器官，甲基汞在血腦屏障間的轉(zhuǎn)運(yùn)及神經(jīng)細(xì)胞對它的攝取，都是通過L型中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體與甲基汞結(jié)合形成的甲基汞-L-半胱氨酸復(fù)合物完成的。甲基汞脫烷基化后可在大腦中持續(xù)存在，使神經(jīng)系統(tǒng)汞中毒癥狀長期存在。甲基汞通過抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞的谷氨酸攝取、刺激突觸前終末釋放谷氨酸，導(dǎo)致細(xì)胞外谷氨酸增多、過度激活N-甲基D-天冬氨酸型谷氨酸受體，使神經(jīng)元內(nèi)鈣離子增多、線粒體崩潰，同時激活神經(jīng)元型一氧化氮合酶，增加一氧化氮（NO）的產(chǎn)生；破壞線粒體電子轉(zhuǎn)移鏈(主要在復(fù)合物Ⅱ-Ⅲ水平)，導(dǎo)致活性氧（ROS：超氧陰離子OH-和過氧化氫(H2O2)的形成增多。H2O2能抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，OH-與NO反應(yīng)生成過氧亞硝酸根,均能導(dǎo)致興奮性神經(jīng)毒性[6]。

汞的神經(jīng)精神毒性也涉及到水銀汞(Hg21)，Hg21由甲基汞通過血腦屏障后去甲基化形成，在大腦皮層、小腦、基底神經(jīng)節(jié)和邊緣區(qū)域聚集。Hg21與巰基具有很高的親和力，形成巰基基團(tuán)，影響含巰基的酶和受體，導(dǎo)致細(xì)胞骨架損傷、細(xì)胞凋亡；使鈣離子和氧自由基超載；選擇性地抑制突觸對谷氨酸的再攝取，引起離子通道、膜、軸突和髓鞘變性，破壞神經(jīng)元信息傳導(dǎo)、遷移和細(xì)胞分裂[22]。

2.2 汞致認(rèn)知、運(yùn)動、行為障礙

Newland等[23]研究甲基汞對神經(jīng)發(fā)育的損害，發(fā)現(xiàn)甲基汞會破壞強(qiáng)化神經(jīng)敏感性的過程，增強(qiáng)對多巴胺激動劑的敏感性，損害行為抑制能力。Gandhi等[24]研究了孕鼠接觸甲基汞后對其子代的影響，發(fā)現(xiàn)甲基汞暴露后死產(chǎn)率及難產(chǎn)率明顯升高、幼鼠的發(fā)育受到顯著不良影響、運(yùn)動能力明顯受損或表現(xiàn)為過度活動及重復(fù)刻板行為。Pino等[25]研究6-11歲兒童頭發(fā)甲基汞水平與兒童行為、情緒問題及執(zhí)行功能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)發(fā)汞含量與兒童的社會行為、焦慮和抑郁、注意力缺陷多動障礙等呈正相關(guān)。Huamei Li等[26]研究發(fā)現(xiàn)ASD患兒血汞、砷、鎘和鉛含量與年齡和性別匹配的對照組有顯著性差異，兒童ASD組血清汞、砷含量顯著高于對照組(P<0.001)。Junior等[27]研究了亞馬遜河畔居民接觸汞暴露后的情緒和運(yùn)動等方面的癥狀，發(fā)現(xiàn)汞暴露會導(dǎo)致失眠、抑郁與焦慮，肢體疼痛、感覺減退和肌肉無力等，即汞暴露與神經(jīng)系統(tǒng)異常成正相關(guān)。

3 鎘對神經(jīng)系統(tǒng)的危害

3.1 鎘致神經(jīng)毒性機(jī)制

Sadek等[28]研究了亞慢性鎘暴露的神經(jīng)毒性，發(fā)現(xiàn)鎘引發(fā)神經(jīng)毒性的機(jī)制一是產(chǎn)生自由基，自由基與細(xì)胞膜反應(yīng)導(dǎo)致細(xì)胞損傷、細(xì)胞內(nèi)成分泄漏。神經(jīng)細(xì)胞中易氧化底物含量高，特別是膜脂多不飽和脂肪酸含量高，保護(hù)性抗氧化酶含量低，膜表面積與細(xì)胞質(zhì)體積之比高，故神經(jīng)細(xì)胞易受到自由基引起的氧化損傷。二是鎘通過干擾鈣代謝，抑制乙酰膽堿釋放，產(chǎn)生神經(jīng)毒性。三是鎘可導(dǎo)致抗氧化劑的耗竭。在Sadek等的實(shí)驗(yàn)中，鎘對大鼠超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT）的活性和基因表達(dá)均有抑制作用，而SOD和CAT對活性氧（ROS）所致的氧化應(yīng)激反應(yīng)有穩(wěn)定的保護(hù)作用。

Yuan等[29]研究了Ca2+信號傳導(dǎo)通路在鎘誘導(dǎo)大鼠大腦皮層神經(jīng)元凋亡中的作用。鎘暴露可顯著下調(diào)Bcl-2表達(dá)、上調(diào)Bax表達(dá)，使細(xì)胞內(nèi)Ca2+增加、線粒體Ca2+超載、線粒體崩解、細(xì)胞凋亡；ROS增多，細(xì)胞色素氧化酶亞基功能障礙，線粒體膜電位降低，caspase-9、caspase-3激活和二磷酸腺苷核糖聚合酶裂解。因此，鎘是通過損害ATP酶活性和er信號通路調(diào)控的Ca2+傳導(dǎo)破壞細(xì)胞內(nèi)Ca2+的穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致Ca2+濃度升高、鈣離子-線粒體凋亡信號通路激活。

3.2 鎘致認(rèn)知、運(yùn)動、行為障礙

Sanders等[14]確定了十項(xiàng)探究早期鎘暴露對神經(jīng)發(fā)育和認(rèn)知的影響的研究，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)前及兒童期鎘暴露水平與兒童智商、言語理解能力呈顯著負(fù)相關(guān)。同時6-15兒童尿鎘水平與學(xué)習(xí)障礙或殘疾和特殊教育之間有顯著相關(guān)性[30]。Lee等[31]研究了多種重金屬與神經(jīng)認(rèn)知功能及ADHD癥狀之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)銻水平與ADHD癥狀嚴(yán)重程度呈正相關(guān)；鎘水平與智商呈負(fù)相關(guān)；鉛水平與韋氏兒童智力量表的大部分指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，與注意力不集中、多動/沖動呈正相關(guān)(P<0.05)。

4 重金屬的檢測方法

4.1 檢測樣本的選擇

重金屬檢測樣本通常是全血或血清。血紅蛋白約占全血的40%，其內(nèi)儲存了多種元素（ Fe、 Pb、 Cd等），采用全血檢測這些元素的靈敏度較高。全血的基質(zhì)復(fù)雜，易受到某些氧化物、氯化物干擾，需采用消解法進(jìn)行預(yù)處理，待檢測元素被污染的風(fēng)險大。血清中某些元素（如 Ca、 Cu等）含量高于血紅蛋白中的含量，且血清基質(zhì)相對簡單，可采用稀釋法進(jìn)行預(yù)處理，步驟簡單、重復(fù)性好、檢測速度快、污染的風(fēng)險小[32]。隨著檢測儀器靈敏度的提高，血清中含量較低的元素也能夠被檢測到， 故一般推薦采靜脈全血后進(jìn)行離心處理，以血清作為分析樣本。血清保存于4℃冰箱，可與-70℃條件下保存相同時間（36個月），又節(jié)約能源[33]。

4.2 檢測方法

原子吸收光譜法（Atomic Absorption Spectroscopy,AAS）是基于待測元素的基態(tài)原子蒸汽對其特征譜線的吸收，由特征譜線的特征性和譜線被減弱的程度對待測元素進(jìn)行定量分析的一種儀器分析方法。該技術(shù)通常使用火焰原子化器（F-AAS）或石墨爐（GF-AAS）。F-AAS檢測速度快，靈敏度低、檢測限為10-9 g/mL數(shù)量級；GF-AAS靈敏度高、檢測限為10-13 g/mL數(shù)量級，檢測精密度低且速度慢[34-35]。電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-OES）檢測限與F-AAS 接近，對Al、Ba 等難溶金屬元素的靈敏度較高，但無法檢測鉛、砷、硒、汞等元素[36]。電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS） 靈敏度較ICP-OES 高50~100 倍以上，而且受基質(zhì)干擾的影響低[37]。此外，ICP-MS 具有多元素檢測能力和更高的樣品通量。Renata等[38]研究表明用ICP-MS對尿液中的元素進(jìn)行分析具有快速、準(zhǔn)確、靈敏、選擇性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。加拿大健康部門采用ICP-MS對人口微量元素進(jìn)行普查[39]；美國疾控預(yù)防控制中心推薦使ICP-MS檢測尿液和血液中多種重金屬[40]。由此可見，ICP-MS已成為臨床最為推薦的重金屬檢測方法。

5 小結(jié)

重金屬錳主要蓄積在蒼白球和紋狀體，通過干擾多巴胺能神經(jīng)元信息傳遞，破壞谷氨酸-谷氨酰胺循環(huán)，產(chǎn)生氧化應(yīng)激、損傷線粒體使ATP合成障礙，導(dǎo)致細(xì)胞死亡、神經(jīng)退行性變。汞致神經(jīng)系統(tǒng)毒性機(jī)制一是甲基汞通過血腦屏障后，使谷氨酸和鈣代謝紊亂、產(chǎn)生氧化應(yīng)激；二是水銀汞與巰基結(jié)合，影響含巰基的酶和受體，使細(xì)胞骨架損傷、細(xì)胞凋亡，同時Hg21還可選擇性地抑制突觸對谷氨酸的再攝取。至于鎘，一是使自由基大量產(chǎn)生，引起氧化應(yīng)激；二是干擾鈣的代謝，抑制乙酰膽堿的釋放；三是使抗氧化劑耗竭；四是損害ATP酶活性，破壞細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)，觸發(fā)鈣離子-線粒體凋亡信號通路，使細(xì)胞凋亡。母親體內(nèi)蓄積的重金屬通過胎盤血運(yùn)進(jìn)入胎兒體內(nèi)，導(dǎo)致流產(chǎn)、難產(chǎn)、死產(chǎn)、胎兒畸形或嬰幼兒運(yùn)動能力不良和（或）智力缺陷。兒童接觸過量的錳、汞、鎘會導(dǎo)致其認(rèn)知、運(yùn)動、行為功能出現(xiàn)異常，如語言、長期記憶和學(xué)習(xí)能力以及智商均明顯低于同年齡人水平；運(yùn)動能力特別是精細(xì)運(yùn)動能力差；嚴(yán)重的心理行為問題，如ADHD、ASD等。因而選擇一個靈敏、準(zhǔn)確且高效的檢測人體內(nèi)重金屬含量的技術(shù)方法顯得尤為重要?，F(xiàn)在國際上推薦使用ICP-MS檢測血、尿中的重金屬， ICP-MS靈敏度高、可測含量范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、重復(fù)性好及檢測速度快，可以大大提高重金屬中毒的檢出率。由于重金屬錳、汞、鎘中毒不僅危害孕婦及胎兒，也危害兒童的生理及心理健康，需要我們提高對重金屬中毒的重視程度，盡量避免兒童接觸過量的重金屬，從而降低重金屬中毒事件的發(fā)生率，提高兒童及其家庭的生活質(zhì)量。