過量錳和鐵單獨(dú)或聯(lián)合暴露致中樞神經(jīng)毒性研究進(jìn)展

盧麗酈，梁 元，方媛媛，鄧 月，姜岳明

（廣西醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院毒理學(xué)系，廣西 南寧 530021）

錳和鐵均是人體正常生長(zhǎng)和生理功能的必需微量元素，在各種酶促反應(yīng)中起著十分重要的作用。但如長(zhǎng)期暴露于高濃度錳煙塵（混雜有鐵）則可能會(huì)引起錳中毒，甚至出現(xiàn)帕金森病（Parkinson disease，PD）樣綜合征。SH-SY5Y細(xì)胞染錳或鐵（均20 μmol·L-1）24 h，對(duì)SH-SY5Y細(xì)胞存活的抑制率分別為30%和35%［1］。錳和鐵易蓄積在中樞神經(jīng)系統(tǒng)，引起神經(jīng)毒性，其毒作用機(jī)制可能與氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙、細(xì)胞凋亡、自噬、蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)失衡和炎癥有關(guān)［2］。隨著環(huán)保技術(shù)的快速發(fā)展，作業(yè)環(huán)境空氣中錳煙塵濃度不斷降低，錳中毒患者明顯減少甚至十分少見。但錳鐵合金冶煉或焊接作業(yè)不僅有錳或鐵單獨(dú)暴露，也存在錳、鐵聯(lián)合暴露，可能會(huì)促進(jìn)或加重腦損害，也可能是PD發(fā)病的重要因素之一。本文就過量錳或鐵單獨(dú)及聯(lián)合暴露致中樞神經(jīng)毒性的研究進(jìn)行綜述，以期為錳、鐵單獨(dú)及聯(lián)合暴露的神經(jīng)毒性防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 過量錳暴露的中樞神經(jīng)毒性

1.1 帕金森病樣綜合征

錳中毒早期主要表現(xiàn)為類神經(jīng)癥和自主神經(jīng)功能障礙，如厭食、煩躁、情緒波動(dòng)、注意力障礙和反應(yīng)時(shí)間縮短。隨著錳中毒加重，會(huì)出現(xiàn)肌張力增高、手指細(xì)小震顫并有神經(jīng)情緒改變等錐體外系神經(jīng)受損癥狀和體征。錳中毒后期，會(huì)出現(xiàn)典型的PD癥狀，如語言含糊不清、面部表情減少、步態(tài)慌張等［3-4］。錳中毒癥狀與特發(fā)性PD的錐體外系癥狀相似，有相似的分子機(jī)制，如線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激、蛋白質(zhì)聚集改變和激活凋亡細(xì)胞死亡途徑，但臨床表現(xiàn)和病理學(xué)特征不一致［5］，治療對(duì)策也不完全相同。因此，過量錳暴露是否導(dǎo)致PD尚待進(jìn)一步研究。

1.2 抑郁癥

焦慮或抑郁是錳中毒的最初精神病學(xué)表現(xiàn)之一。工人神經(jīng)精神癥狀（包括抑郁）與錳暴露水平有量效關(guān)系。錳暴露平均濃度為138.4 μg·m-3、工齡16年的焊工，尿5-羥吲哚乙酸水平降低［6］。幼年嚙齒類動(dòng)物和非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物喂飼含錳食物4個(gè)月后，腦脊液5-羥色胺及其代謝物5-羥吲哚乙酸水平降低［4］。據(jù)職業(yè)衛(wèi)生橫斷面研究（又稱現(xiàn)況調(diào)查），在調(diào)整生活狀況和尿肌酐等混雜因素后，成人較高的尿錳含量與抑郁癥相關(guān)［7］。在長(zhǎng)期經(jīng)胃腸外營養(yǎng)補(bǔ)錳（一般是兒科巨結(jié)腸術(shù)后）的16例患者中，66%患有抑郁癥［8］。注意缺陷多動(dòng)障礙患兒血錳水平與焦慮或（和）抑郁發(fā)生具有明顯相關(guān)性［9］。

1.3 可能的作用機(jī)制

過量錳蓄積在黑質(zhì)蒼白球和紋狀體，可引起神經(jīng)元損害和膠質(zhì)細(xì)胞增生，導(dǎo)致錳中毒［10］。錳可經(jīng)Ca2+通道快速進(jìn)入線粒體基質(zhì)。線粒體錳排出緩慢，以致線粒體Ca2+蓄積，并經(jīng)電子傳輸鏈促進(jìn)活性氧（reactive oxygen species，ROS）生成，抑制有氧呼吸。培養(yǎng)的星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)錳高度敏感，并繼發(fā)線粒體功能障礙和細(xì)胞凋亡。錳可使谷胱甘肽減少，抑制過氧化物酶活性，使線粒體呼吸功能受阻，誘導(dǎo)ROS生成增多，并抑制抗氧化系統(tǒng)。錳暴露可促進(jìn)大鼠大腦氧化應(yīng)激標(biāo)志物如二硫化谷胱甘肽、前列腺素和脂質(zhì)標(biāo)志物（15羥二十碳四烯酸）濃度增加，提示錳可使氧化應(yīng)激增強(qiáng)［11］。

2 過量鐵暴露的中樞神經(jīng)毒性

2.1 與腦鐵含量過多有關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病

腦鐵含量過高會(huì)引起大鼠嚴(yán)重的記憶缺陷，并伴有氧化應(yīng)激標(biāo)志物硫代巴比妥酸反應(yīng)產(chǎn)物增加和海馬突觸球蛋白減少，還可能通過誘導(dǎo)大腦氧化損傷而誘發(fā)認(rèn)知障礙［12］。與腦鐵含量過多有關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病有阿爾茨海默病（Alzheimer dis?ease，AD）、PD、亨廷頓舞蹈癥（Huntington disease，HD）和銅藍(lán)蛋白血癥（aceruloplasminemia，ACE）。AD主要是海馬完整性喪失，與鐵蛋白水平升高和鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白減少有關(guān)，AD患者β樣淀粉蛋白斑塊內(nèi)鐵增加，磁共振成像（magnetic resonance imag?ing，MRI）檢出腦鐵蓄積［13-16］。PD患者黑質(zhì)致密區(qū)域有較高的鐵蓄積，紋狀體多巴胺能神經(jīng)元變性［8，17-22］。HD患者和HD模型小鼠大腦線粒體鐵蓄積，錳水平降低，線粒體功能障礙，其中鐵攝取蛋白表達(dá)增加，鐵硫簇合成蛋白減少［23-24］。ACE患者多銅氧化酶（具有鐵氧化酶活性的銅藍(lán)蛋白）轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外轉(zhuǎn)鐵蛋白后，可引起氧化亞鐵（FeO）增多，導(dǎo)致腦鐵蓄積（主要是Fe2+）和神經(jīng)變性［25］。

2.2 可能的作用機(jī)制

過量鐵暴露誘導(dǎo)中樞神經(jīng)毒性的機(jī)制主要與氧化應(yīng)激有關(guān)，鐵具有比較活潑的化學(xué)性質(zhì)和氧化還原電位，能將鐵蛋白的Fe3+轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2+，后者有還原性且不穩(wěn)定，更易產(chǎn)生ROS［26］。過量Fe2+和Fe3+暴露使大鼠腦細(xì)胞線粒體腫脹，出現(xiàn)劑量和時(shí)間依賴性改變，使ROS產(chǎn)生過多。線粒體鈣單轉(zhuǎn)運(yùn)體阻滯劑可有效減輕鐵過量引起的腦細(xì)胞線粒體功能障礙，推測(cè)線粒體鈣單轉(zhuǎn)運(yùn)體可能是鐵進(jìn)入腦細(xì)胞線粒體的主要通道［27］。

經(jīng)飲用水染鐵（10 mg·L-1，6個(gè)月）小鼠在逐步降低被動(dòng)回避測(cè)試和Morris水迷宮測(cè)試中顯示空間記憶障礙。在Morris水迷宮測(cè)試的5 d中，與正常對(duì)照組比較，染鐵小鼠逃避潛伏期延長(zhǎng)，尤其是在訓(xùn)練的第2，4和5天；染鐵小鼠探索時(shí)間延長(zhǎng)，穿越平臺(tái)區(qū)次數(shù)減少，推測(cè)慢性鐵暴露可引起小鼠空間記憶缺陷。與正常對(duì)照組比較，染鐵小鼠海馬有66種蛋白表達(dá)差異明顯（30種增加，36種減少）。差異蛋白主要包括突觸關(guān)聯(lián)蛋白25、復(fù)合素1、囊泡相關(guān)膜蛋白2、神經(jīng)軟骨蛋白、線粒體相關(guān)蛋白和神經(jīng)絲輕鏈多肽等，提示海馬突觸、線粒體和細(xì)胞骨架蛋白的失調(diào)可能與鐵觸發(fā)的記憶障礙有關(guān)，為鐵暴露導(dǎo)致神經(jīng)毒性分子機(jī)制研究提供了新見解［28］。

經(jīng)飲用水染鐵（檸檬酸鐵銨5 g·L-1，3個(gè)月）的野生型和淀粉樣前體蛋白（amyloid precursor protein，APP）/早老蛋白1雙轉(zhuǎn)基因模型小鼠大腦皮質(zhì)和海馬二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（divalent metal transpoter 1，DMT1）和運(yùn)鐵素表達(dá)上調(diào)，轉(zhuǎn)鐵蛋白受體表達(dá)下調(diào)，神經(jīng)元數(shù)量明顯減少。此外，染鐵誘導(dǎo)的神經(jīng)元丟失可能涉及ROS增加和線粒體氧化功能障礙，DNA修復(fù)減少，使細(xì)胞凋亡和自噬增強(qiáng)，提示慢性鐵暴露使細(xì)胞凋亡、自噬和含鐵細(xì)胞增多，以致AD發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)升高［29］。

小膠質(zhì)細(xì)胞經(jīng)脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）炎癥激活后煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸氧化酶（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，NOX）上調(diào)，促進(jìn)氧化應(yīng)激。FeSO4和LPS聯(lián)合作用于小膠質(zhì)細(xì)胞24 h后，與單獨(dú)染鐵或LPS相比，可增強(qiáng)LPS誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生。用NOX2及NOX4抑制劑處理LPS和FeSO4共培養(yǎng)小膠質(zhì)細(xì)胞，可使ROS恢復(fù)至正常對(duì)照組水平。表明NOX2和NOX4是鐵誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激潛在的作用靶點(diǎn)［30］。

3 過量錳、鐵聯(lián)合暴露的中樞神經(jīng)毒性

錳鐵合金冶煉或焊接作業(yè)不僅有錳、鐵的獨(dú)立暴露，也存在其聯(lián)合暴露，它們的相互作用可能加重腦的神經(jīng)損害［31］。

3.1 職業(yè)人群調(diào)查

焊煙塵有多種金屬，包括錳和鐵，可能會(huì)損害神經(jīng)系統(tǒng)。近年來，定量MRI技術(shù)如蒼白球指數(shù)（pallidal index，PI）、弛豫率（relaxation rate，R）、定量磁化率成像（quantitative susceptibility map?ping，QSM）和彌散成像（diffusion tensor im?aging，DTI）被用于研究錳、鐵暴露引起的神經(jīng)改變，其中PI和R1〔1/縱向弛豫時(shí)間（T1）〕主要反映腦錳蓄積水平，R2〔1/橫向弛豫時(shí)間（T2）〕和QSM反映腦鐵蓄積，DTI主要反映組織微結(jié)構(gòu)改變［32-36］。據(jù)報(bào)道，在低水平錳暴露的無癥狀焊工中，①錳首先可能以非線性方式在腦蓄積，MRI R1信號(hào)僅在達(dá)到臨界錳暴露水平后才明顯增加（如在MRI檢查前90 d內(nèi)焊接≥300 h）。R1可能是一個(gè)更敏感的暴露生物學(xué)標(biāo)志，可反映錳蓄積的短期動(dòng)態(tài)變化。②慢性錳暴露可能導(dǎo)致基底核微結(jié)構(gòu)變化，如基底核擴(kuò)散張量分?jǐn)?shù)各向異性（anisotropy）值降低，特別是焊接工齡＞30年時(shí)。③通過協(xié)同作用參數(shù)（運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性指數(shù)）可以靈敏地捕獲與錳有關(guān)的微小運(yùn)動(dòng)功能障礙；④鐵可能在焊接作業(yè)有關(guān)的神經(jīng)毒性中起作用，特別是在低水平錳暴露工人基底核R2值較高。⑤較高的R2值與較低的音韻流暢性（phonological fluency）相關(guān)［36］。無癥狀焊工尾狀核R2明顯高于對(duì)照組，音韻流暢性測(cè)試表現(xiàn)較差，其發(fā)音流利度得分與尾狀核R2呈負(fù)相關(guān)。提示無癥狀焊工神經(jīng)行為表現(xiàn)異?？赡芘c尾狀核鐵蓄積較高有關(guān)［32］。應(yīng)用DTI檢測(cè)無癥狀焊工基底核微結(jié)構(gòu)的完整性，發(fā)現(xiàn)焊工PI各向異性值明顯降低，且與長(zhǎng)期暴露、血錳和PI呈非線性關(guān)系。PI各向異性值在達(dá)到長(zhǎng)期錳暴露或臨界水平后降低，并隨PI值增加而降低，直到PI最高值趨于穩(wěn)定。提示PI各向異性值反映了低水平慢性錳暴露致工人腦微結(jié)構(gòu)變化，可能是無癥狀焊工神經(jīng)毒性的效應(yīng)生物學(xué)標(biāo)志［33］。

多位數(shù)字協(xié)同效應(yīng)（multi-digit synergies）是最近發(fā)展起來的一種以理論為基礎(chǔ)的量化運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的方法，它可反映與PD相關(guān)的基底核功能障礙。據(jù)報(bào)道，焊工左側(cè)蒼白球協(xié)同指數(shù)（synergy index）減少。焊工左側(cè)蒼白球協(xié)同指數(shù)越高，左側(cè)蒼白球分?jǐn)?shù)各向異性（fractional anisotropy）值就越高，提示在焊工和其他有PD癥狀的神經(jīng)退行性疾病風(fēng)險(xiǎn)人群中，多位數(shù)字協(xié)同效應(yīng)可能是基底核功能障礙的非臨床標(biāo)志物［35］。焊煙塵有錳和鐵，它們可能相互作用，導(dǎo)致與焊煙塵有關(guān)的神經(jīng)毒性。Lee等［34］報(bào)道，焊工血鐵水平明顯高于對(duì)照組。焊工在控制年齡和體重指數(shù)、呼吸器使用、尾狀核R1、血銅和錳含量后，尾狀核R2明顯高于對(duì)照組，且與血鐵濃度呈正相關(guān)，提示該腦區(qū)鐵蓄積增高。

3.2 可能的作用機(jī)制

鐵與錳的化學(xué)特征相似，且其還有氧化還原活性。鐵和錳的相互作用是由于它們?cè)谖?、遷移機(jī)制上的某些相似性所致，其特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可共同調(diào)節(jié)腦和外周神經(jīng)組織錳含量的分布。染錳使PC12細(xì)胞轉(zhuǎn)鐵蛋白受體mRNA表達(dá)明顯增強(qiáng)，并伴隨鐵含量升高［37］。錳和鐵可競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，在金屬運(yùn)輸中Fe2+與DMT1的親和力比Mn2+弱［38］。在經(jīng)飼料染鐵的大鼠模型中，血清錳濃度降低，且DMT1和鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1表達(dá)減少，DMT1和鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1可能是大鼠血清中與錳和鐵具有競(jìng)爭(zhēng)作用的蛋白［39］。與DMT1相同，其他轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（如ZIP8和ZIP14）在鼻腔上皮中的表達(dá)促使吸入的納米錳顆粒直接進(jìn)入大腦，導(dǎo)致大腦氧化應(yīng)激，ROS產(chǎn)生［40］。

錳可劑量-時(shí)間依賴性地阻斷APP和重鏈鐵蛋白（ferritin H china，F(xiàn)TH）的翻譯，且這2種鐵穩(wěn)態(tài)蛋白均具有神經(jīng)保護(hù)功能。錳暴露可抑制APP和FTH的5′-非翻譯區(qū)活性，可能通過增加鐵反應(yīng)蛋白-鐵反應(yīng)元件的結(jié)合，阻斷其蛋白翻譯。APP和FTH保護(hù)軸（protective axis）的缺失，導(dǎo)致不穩(wěn)定Fe2+蓄積，并產(chǎn)生ROS。錳配位的化學(xué)性質(zhì)與Fe2+十分相似，錳與鐵反應(yīng)蛋白相互作用并加速細(xì)胞質(zhì)和脂質(zhì)ROS的積累，以致氧化應(yīng)激加劇。用C57小鼠急性和SD大鼠慢性錳暴露實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證了錳介導(dǎo)的APP和FTH抑制，導(dǎo)致鐵代謝受阻和氧化應(yīng)激產(chǎn)生［41］。

鐵和錳的細(xì)胞穩(wěn)態(tài)受損也可經(jīng)各種機(jī)制觸發(fā)神經(jīng)退行性變，特別是誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，促進(jìn)α-突觸核蛋白聚集和原纖維形成，激活小膠質(zhì)細(xì)胞，導(dǎo)致炎癥和金屬蛋白產(chǎn)生受阻［42］。

4 結(jié)語

單獨(dú)錳、鐵暴露及其聯(lián)合暴露可影響神經(jīng)發(fā)育，導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病，長(zhǎng)期威脅職業(yè)暴露和環(huán)境暴露人群的健康。實(shí)驗(yàn)性過量錳、鐵暴露的中樞神經(jīng)毒性及其機(jī)制有較多的研究，但職業(yè)人群調(diào)查的腦影像學(xué)資料十分有限，且缺乏作業(yè)環(huán)境空氣錳、鐵暴露濃度數(shù)據(jù)的支撐。盡管定量MRI顯示焊工腦鐵蓄積非常嚴(yán)重，但仍未引起有關(guān)職業(yè)衛(wèi)生管理部門和科研工作者的重視。隨著科技發(fā)展和環(huán)保工作的重視，作業(yè)環(huán)境空氣錳濃度明顯減少，遠(yuǎn)低于國家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值。但低水平錳暴露工人的健康問題仍然存在，焊工錳中毒不乏報(bào)道，究其病因很難完全歸咎于焊煙塵錳暴露，過量鐵暴露及其潛在健康效應(yīng)不可忽視。目前，冶煉、焊接作業(yè)環(huán)境空氣煙塵鐵水平及其健康效應(yīng)也未見報(bào)道，國內(nèi)外尚未按神經(jīng)毒性制訂過量鐵暴露的職業(yè)衛(wèi)生暴露限值。因此，過量錳、鐵聯(lián)合暴露引起的中樞神經(jīng)毒性及其健康效應(yīng)尚有待深入探討。深入研究錳、鐵神經(jīng)毒性的細(xì)胞和分子機(jī)制是了解其毒性和制定預(yù)防對(duì)策的關(guān)鍵。