納米顆粒物對(duì)嗅球影響及其機(jī)制的研究進(jìn)展

劉蕊，季曉亞，唐敬龍

青島大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院 ，山東 青島 266021

嗅球是嗅覺系統(tǒng)的重要組成部分，氣味經(jīng)鼻氣流進(jìn)入嗅上皮與嗅覺神經(jīng)元特異性表達(dá)的受體結(jié)合，嗅覺神經(jīng)元的軸突將氣味信息精確地傳遞給嗅球中的嗅小球，再經(jīng)投射神經(jīng)元和中間神經(jīng)元處理后，傳遞到大腦嗅覺皮層產(chǎn)生嗅覺［1］。雖然嗅上皮中有各種物理屏障如支持細(xì)胞、鮑曼氏腺分泌的黏液，且嗅覺神經(jīng)元的神經(jīng)束中特定的小膠質(zhì)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞能夠阻止一部分有害物質(zhì)進(jìn)入嗅球和大腦［2］，但很多研究已經(jīng)表明病毒、顆粒物等可經(jīng)嗅覺神經(jīng)元軸突進(jìn)入嗅球［3-4］。

納米尺寸顆粒物具有比表面積大、化學(xué)活性高、擴(kuò)散能力強(qiáng)等特性，不僅能有效地沉積在鼻腔、氣管和肺泡區(qū)域［5］，而且可能通過嗅覺神經(jīng)元軸突到達(dá)嗅球。近年來，一方面由于工程納米材料越來越多地應(yīng)用于生活中（如化妝品［6］、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、燃料添加劑［7］及電子產(chǎn)品等），大量的納米產(chǎn)品進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)階段，職業(yè)和環(huán)境中暴露的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加；另一方面由于對(duì)大氣超細(xì)顆粒物、微塑料等微納尺度的環(huán)境顆粒污染物對(duì)肺外系統(tǒng)的毒性損傷作用有了比較深的了解，納米/超細(xì)顆粒通過嗅球?qū)θ梭w神經(jīng)系統(tǒng)影響也引起研究人員的廣泛關(guān)注。最近的流行病學(xué)調(diào)查和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，長期居住在污染嚴(yán)重地區(qū)的居民，其嗅球中發(fā)現(xiàn)納米顆粒，神經(jīng)元出現(xiàn)病理改變，嗅覺功能下降［8］。動(dòng)物暴露柴油機(jī)尾氣中的納米顆粒后，神經(jīng)遞質(zhì)紊亂，子代嗅覺能力下降［9］。嗅球作為阻止納米顆粒直接進(jìn)入大腦的第一道防線，起著非常關(guān)鍵的作用，所以本文主要對(duì)于納米顆粒經(jīng)呼吸暴露進(jìn)入嗅球的生理過程及對(duì)嗅球的毒性損傷及相關(guān)機(jī)制進(jìn)行匯總，為制定預(yù)防措施提供理論依據(jù)。

1 嗅球的結(jié)構(gòu)及功能

嗅球是處理嗅覺信息的初級(jí)中樞，匯集來自嗅覺神經(jīng)元的嗅覺信號(hào)，并投射到嗅球內(nèi)不同層進(jìn)行處理，最終經(jīng)投射神經(jīng)元的嗅束傳到嗅皮層。嗅球從外向內(nèi)分別是嗅神經(jīng)層、突觸球?qū)?、外叢狀層、僧帽?xì)胞層、內(nèi)叢狀層、顆粒細(xì)胞層、室管膜下層［3］。在嗅黏膜中，氣味分子與雙極性嗅覺神經(jīng)元上特異性表達(dá)的受體結(jié)合，激發(fā)動(dòng)作電位，并沿嗅覺神經(jīng)元軸突形成的嗅絲穿過篩板進(jìn)入嗅球。在突觸小球上，僧帽細(xì)胞、叢狀細(xì)胞、球旁細(xì)胞、短軸突細(xì)胞與嗅覺神經(jīng)元以軸突-樹突的方式接觸，接受來自嗅覺神經(jīng)元突觸后的谷氨酸能并形成興奮性突觸聯(lián)系［2］，并且短軸突細(xì)胞在突觸小球之間形成廣泛的興奮性激活網(wǎng)絡(luò)。嗅球內(nèi)形成的局部神經(jīng)回路對(duì)嗅覺信號(hào)加工處理并使投射神經(jīng)元產(chǎn)生同步振蕩，即中間神經(jīng)元如球旁細(xì)胞、顆粒細(xì)胞通過突觸釋放γ-氨基丁酸能側(cè)抑制僧帽細(xì)胞/叢狀細(xì)胞。因此，投射神經(jīng)元在突觸小球接受嗅覺信息，并經(jīng)過中間神經(jīng)元的側(cè)抑制作用調(diào)節(jié)嗅覺信息，最終將直接嗅覺信息匯集到嗅皮層，而不經(jīng)過下丘腦。同時(shí)嗅球也接受其他腦區(qū)離心纖維調(diào)節(jié)，包括斜角帶水平支核和藍(lán)斑核的離心纖維等投射到嗅球的不同層［1］。

此外，嗅球內(nèi)具有獨(dú)特的增殖機(jī)制，嗅球中新神經(jīng)元生成過程是側(cè)腦室的室管膜下區(qū)的祖細(xì)胞從喙?fàn)顐?cè)流管道以鏈狀向嗅球切向遷移，進(jìn)入嗅球后以單個(gè)細(xì)胞的形式徑向移動(dòng)，并分化為顆粒層和突觸小球?qū)拥闹虚g神經(jīng)元。研究表明，顆粒物進(jìn)入嗅黏膜損傷嗅上皮的感覺神經(jīng)元，嗅球內(nèi)發(fā)生神經(jīng)傳入阻滯，顆粒細(xì)胞凋亡，但也會(huì)引起室管膜下區(qū)的祖細(xì)胞增殖能力增強(qiáng)，不斷補(bǔ)償嗅球內(nèi)損失的神經(jīng)元，維持嗅覺［3］。

2 納米顆粒物進(jìn)入嗅球的途徑

納米顆?？缭缴砥琳弦呀?jīng)有大量文獻(xiàn)報(bào)道。有學(xué)者認(rèn)為納米顆?？梢源┻^任何生物屏障，并可經(jīng)多種途徑進(jìn)入人體［10］。如納米顆粒經(jīng)呼吸暴露后，一部分可經(jīng)過上呼吸道進(jìn)入嗅黏膜沿著嗅覺神經(jīng)進(jìn)入嗅球，或者沿三叉神經(jīng)進(jìn)入嗅球或腦脊液；另一部分經(jīng)下呼吸道到達(dá)肺部，進(jìn)入體循環(huán)，經(jīng)血腦屏障進(jìn)入大腦。同時(shí)，納米顆粒物也可經(jīng)消化系統(tǒng)或者皮膚途徑進(jìn)入人體。根據(jù)顆粒物粒徑不同，其在不同沉積部位的沉積效率也不同，因此，Oberd?rster 等［11］認(rèn)為大鼠經(jīng)呼吸暴露超細(xì)顆粒物（粒徑< 100 nm）后，約50%沉積在鼻咽部，而沉積在嗅黏膜約20%的超細(xì)顆粒物可經(jīng)嗅覺神經(jīng)元進(jìn)入嗅球。但是動(dòng)物和人類由于生理結(jié)構(gòu)等的種間差異，如大鼠前鼻腔突然轉(zhuǎn)彎，導(dǎo)致尺寸非常小（< 2 nm）的納米顆粒被過濾，納米顆粒在大鼠和人類嗅覺區(qū)域的沉積率不具有可比性，但隨著粒徑的增加，在大鼠嗅覺區(qū)域的總沉積速率和每單位嗅覺表面積納米顆粒沉積率迅速接近于人類，具有可比性［12］。

納米顆粒在神經(jīng)元的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中往往是逆行轉(zhuǎn)運(yùn)，即從樹突轉(zhuǎn)運(yùn)到胞體，大多數(shù)可重復(fù)利用的物質(zhì)也是通過這一方式轉(zhuǎn)運(yùn)，而營養(yǎng)物質(zhì)一般是通過順行轉(zhuǎn)運(yùn)從胞體到達(dá)軸突。利用納米顆粒物能夠經(jīng)過嗅球達(dá)到神經(jīng)系統(tǒng)的特性，一些中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療藥物采用納米顆粒作為載體，實(shí)現(xiàn)藥物的神經(jīng)系統(tǒng)靶向遞送［13］。研究人員將膠體金微粒（50 nm）滴入松鼠猴鼻內(nèi)，發(fā)現(xiàn)膠體金微粒先通過內(nèi)吞作用被鼻黏膜的嗅覺棒吸收，然后在嗅覺神經(jīng)元樹突內(nèi)逆行轉(zhuǎn)運(yùn)，并沿嗅絲軸漿順行轉(zhuǎn)運(yùn)，最后進(jìn)入嗅球后可以到達(dá)突觸小球，穿過突觸到達(dá)僧帽細(xì)胞層［11］。一項(xiàng)對(duì)墨西哥的多年研究發(fā)現(xiàn)居住在污染嚴(yán)重地區(qū)的居民嗅上皮及嗅球發(fā)生病理改變，且在一名17 歲男性的尸檢結(jié)果中發(fā)現(xiàn)嗅球小動(dòng)脈的內(nèi)皮細(xì)胞中存在16 nm 和20 nm的顆粒物［8］。此外，Kao等［14］建立動(dòng)物模型也驗(yàn)證了納米顆?？山?jīng)鼻吸入后進(jìn)入嗅球，即大鼠暴露于（2.0～6.6）×106個(gè)·cm-3的氧化鋅納米顆粒（12～14 nm）后，嗅球和大腦中均發(fā)現(xiàn)氧化鋅顆粒，并且通過免疫熒光染色和活細(xì)胞共聚焦成像發(fā)現(xiàn)氧化鋅顆粒可通過內(nèi)吞作用進(jìn)入神經(jīng)元。同時(shí)Maher 等［15］在人的額葉皮層內(nèi)發(fā)現(xiàn)來自外界空氣中經(jīng)過燃燒的磁鐵礦納米粒子。近年來，已有研究發(fā)現(xiàn)一些工程納米顆粒如不溶性13C 納米顆粒［11］、Fe2O3顆粒［16］、TiO2納米顆粒［17］、氧化錳氣溶膠［18］可以進(jìn)入嗅球及大腦其他區(qū)域。納米顆粒進(jìn)入嗅球及大腦主要經(jīng)嗅覺神經(jīng)元軸突，然而也有實(shí)驗(yàn)表明在右側(cè)鼻孔中滴注金屬錳后，錳沿著嗅覺神經(jīng)元的軸突在左右兩側(cè)嗅球中達(dá)到飽和［19］，可能是由于肺泡巨噬細(xì)胞中錳氧化物溶解所致的血源性錳［20］或錳通過鼻中隔窗口轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入嗅球［21］。此外，納米顆粒物還可以穿過胎盤屏障進(jìn)入胎兒嗅覺系統(tǒng)［9］。

3 納米顆粒物經(jīng)鼻吸入后嗅球毒性改變

3.1 結(jié)構(gòu)改變

納米顆粒進(jìn)入嗅球后，激活小膠質(zhì)細(xì)胞引起的炎癥反應(yīng)、線粒體損傷、產(chǎn)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激及凋亡等過程，從而導(dǎo)致嗅球產(chǎn)生結(jié)構(gòu)改變［22］。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明柴油機(jī)尾氣顆粒物及燃燒產(chǎn)生的納米顆粒激活小膠質(zhì)細(xì)胞，損壞下丘腦神經(jīng)元［23］、小腦顆粒細(xì)胞［24］、多巴胺神經(jīng)元［25-26］，在污染嚴(yán)重的墨西哥年輕居民中發(fā)現(xiàn)嗅球小動(dòng)脈的基底細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞中存在16 nm 和18 nm 顆粒物，且僧帽神經(jīng)元減少，突觸小球小而松散，血管壁增厚［8］。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明小鼠經(jīng)鼻滴注TiO2納米顆粒后嗅神經(jīng)層神經(jīng)元排列不規(guī)則，核染色質(zhì)濃縮邊緣化，線粒體增加［27］。新西蘭白母兔在妊娠期經(jīng)鼻吸入1 mg·m-3粒徑為69 nm柴油機(jī)尾氣納米顆粒后，子代嗅球中球旁細(xì)胞肥大，顆粒細(xì)胞和球旁細(xì)胞核染色質(zhì)濃縮邊緣化［9］，這些病理改變也可能導(dǎo)致嗅覺能力下降。

3.2 神經(jīng)遞質(zhì)紊亂

神經(jīng)遞質(zhì)參與神經(jīng)傳導(dǎo)，谷氨酸能興奮投射神經(jīng)元，球旁細(xì)胞和顆粒細(xì)胞分泌γ-氨基丁酸能側(cè)向抑制投射神經(jīng)元形成局部神經(jīng)回路。但神經(jīng)遞質(zhì)紊亂可引起神經(jīng)毒性，如谷氨酸水平升高可導(dǎo)致興奮性毒性［28］。研究表明，小鼠單次鼻內(nèi)滴注250 μg 的14 nm炭黑后嗅球內(nèi)谷氨酸和甘氨酸水平升高［29］，而小鼠暴露于粒徑為（26.21±1.50）nm、（148.86±8.44）μg·m-3柴油機(jī)尾氣納米顆粒4 周后，嗅球中谷氨酸水平和N-甲基-D-天冬氨酸受體亞基均升高［30］，產(chǎn)生興奮性毒性。而實(shí)驗(yàn)表明谷氨酸與N-甲基-D-天冬氨酸受體參與了產(chǎn)生新的顆粒細(xì)胞和球旁細(xì)胞過程中所必需的環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白磷酸化［31］，因此嗅球中神經(jīng)遞質(zhì)的升高及相關(guān)激酶和轉(zhuǎn)錄因子的變化可能是嗅球中神經(jīng)元不斷更替的自我保護(hù)機(jī)制。

嗅球同時(shí)接受大腦的反饋神經(jīng)調(diào)節(jié)如去甲腎上腺素、5-羥色胺、乙酰膽堿能等，通過改變信噪比、傳入和突觸后反應(yīng)之間的時(shí)間精度的變化進(jìn)行嗅覺信息調(diào)整，但是納米顆粒對(duì)于這些神經(jīng)遞質(zhì)產(chǎn)生的影響結(jié)果并不一致，如小鼠鼻內(nèi)滴注納米顆粒銅后，嗅球內(nèi)去甲腎上腺素升高，多巴胺降低，5-羥色胺升高等［32］，但兔子在妊娠期吸入柴油機(jī)尾氣納米顆粒后胎兒嗅球中5-羥色胺水平下降，去甲腎上腺素增加，多巴胺有增加趨勢［9］，這可能是由于不同納米顆粒物組分不同所導(dǎo)致的結(jié)局差異。

3.3 嗅覺障礙

納米顆粒，尤其是空氣中的納米顆粒成分復(fù)雜，包括表面吸附的不溶性成分進(jìn)入嗅球影響嗅覺，還有一部分可溶性成分不依賴納米顆粒的載體運(yùn)輸，可直接刺激嗅黏膜。而且嗅黏膜上豐富的血管使其快速吸收部分納米顆粒，而且避開了肝臟，所以嗅上皮可能最先遭受損傷，生活在空氣污染嚴(yán)重的墨西哥居民出現(xiàn)上呼吸道癥狀，鼻活檢發(fā)現(xiàn)在中鼻甲的前部分有基底細(xì)胞增生和鱗狀上皮不典型增生［10］。同樣，墨西哥城老年犬的嗅覺上皮細(xì)胞退化和紊亂，組織學(xué)上還可見上皮化生，神經(jīng)束和鮑曼腺缺失，并伴有炎癥。同時(shí)一些流行病學(xué)調(diào)查表明相較于空氣清潔地區(qū)的居民，生活在PM2.5濃度較高的墨西哥［33-34］、德國［35］、波蘭［36］、西班牙［37］居民的嗅覺靈敏度及辨別氣味的能力下降，而且在57～85 歲美國居民中的流行病學(xué)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)城市空氣污染對(duì)57～64 歲人群嗅覺下降影響最大［38］。此外，研究人員在污染嚴(yán)重地區(qū)居民的嗅球中發(fā)現(xiàn)β-淀粉樣蛋白和α-突觸核蛋白，認(rèn)為空氣污染導(dǎo)致的嗅覺障礙可能是神經(jīng)退行性疾病的前驅(qū)癥狀。

4 納米顆粒進(jìn)入嗅球產(chǎn)生毒性效應(yīng)的機(jī)制

納米顆粒對(duì)嗅球產(chǎn)生的毒性效應(yīng)往往是通過炎癥機(jī)制發(fā)揮功能。納米顆粒及其攜帶成分被胞吞后往往會(huì)攻擊細(xì)胞線粒體，可直接產(chǎn)生或經(jīng)線粒體P450 酶代謝后產(chǎn)生活性氧，同時(shí)也可通過氧化酶、芬頓反應(yīng)等產(chǎn)生活性氧［22］。大量活性氧可引起神經(jīng)炎癥，而大量研究已表明慢性腦部炎癥是神經(jīng)退行性疾病的誘因之一［39］。同時(shí)，小膠質(zhì)細(xì)胞作為大腦中重要的免疫細(xì)胞，當(dāng)外界環(huán)境中顆粒物進(jìn)入嗅球中，小膠質(zhì)細(xì)胞被激活極化成M1 型分泌促炎因子或M2 型分泌抗炎因子應(yīng)對(duì)外界刺激，但活性氧也在小膠質(zhì)細(xì)胞M1 型極化中起著重要作用［40］。Taetzsch等［41］認(rèn)為顆粒物激活小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生活性氧，進(jìn)而產(chǎn)生核因子-κB p50 自由基，降低核因子-κB p50 功能，導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞向M1 型極化，且增加了小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)促炎因子的敏感性。小膠質(zhì)細(xì)胞引起的炎癥反應(yīng)也可通過星型膠質(zhì)細(xì)胞放大，如激活的小膠質(zhì)細(xì)胞也可分泌細(xì)胞因子如前列腺素2 激活星形膠質(zhì)細(xì)胞［42］，同時(shí)星型膠質(zhì)細(xì)胞也分泌細(xì)胞因子刺激小膠質(zhì)細(xì)胞，進(jìn)而放大氧化應(yīng)激反應(yīng)［43-44］。體外實(shí)驗(yàn)也表明納米顆粒激活小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生活性氧及細(xì)胞因子，引起神經(jīng)元毒性如多巴胺能神經(jīng)元和下丘腦神經(jīng)元死亡增加［23，45］。小膠質(zhì)細(xì)胞表面有許多感知病原體相關(guān)分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）的受體，納米顆?？赏ㄟ^小膠質(zhì)細(xì)胞表面的Toll樣受體激活核因子-κB途徑［22］引起炎癥反應(yīng)，同時(shí)納米顆粒也可調(diào)控氧化應(yīng)激的上游P38-核因子E2相關(guān)因子2信號(hào)通路［46］。研究表明，生活在空氣污染嚴(yán)重的墨西哥居民尸檢結(jié)果顯示嗅球中炎癥標(biāo)記物環(huán)氧合酶2、白介素1和CD14的水平升高，而墨西哥犬的嗅球中誘導(dǎo)型一氧化氮合酶、環(huán)氧合酶2增多，且激活核因子-κB路徑及誘導(dǎo)DNA損傷［47］。小鼠吸入錳氧化物氣溶膠或超細(xì)炭黑顆粒物一周內(nèi)嗅球中炎癥因子如腫瘤壞血因子-α、巨噬細(xì)胞炎性蛋白-2 和膠質(zhì)纖維酸性蛋白、神經(jīng)元細(xì)胞黏附分子基因表達(dá)升高［11，18］，進(jìn)而可能引起早期的神經(jīng)系統(tǒng)改變。

5 展望

隨著環(huán)境中納米顆粒物暴露風(fēng)險(xiǎn)的增加，吸入納米顆粒物引起的健康危害也會(huì)增加。盡管關(guān)于納米和超細(xì)顆粒物吸入暴露引起的呼吸系統(tǒng)改變已經(jīng)有大量的研究，但是關(guān)于納米顆粒物暴露對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的危害尚無明確定論。嗅球作為大腦前端匯聚嗅覺神經(jīng)和傳導(dǎo)神經(jīng)沖動(dòng)的重要結(jié)構(gòu)，研究納米顆粒物對(duì)其結(jié)構(gòu)和功能的影響對(duì)于認(rèn)識(shí)納米顆粒物吸入暴露引起的肺外系統(tǒng)毒性具有重要的科學(xué)意義，特別是能夠?yàn)楹侠眍A(yù)防相關(guān)暴露引起的神經(jīng)系統(tǒng)損害提供一定理論依據(jù)。