錳神經(jīng)毒性機(jī)制研究進(jìn)展

趙 琳，李俊彥，陳 靜，朱曉娟，姜岳明

（廣西醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院衛(wèi)生毒理學(xué)教研室，廣西 南寧530021）

錳在自然界廣泛存在，環(huán)境中過量錳暴露可造成神經(jīng)發(fā)育毒性，導(dǎo)致學(xué)齡兒童智力評(píng)分低下及認(rèn)知障礙［1-2］。一般來說，過量錳暴露以職業(yè)性暴露多見，常見于焊工、礦工、冶煉和鋼鐵工人等。南非錳礦工人的隊(duì)列研究顯示，錳神經(jīng)毒性可引起類帕金森綜合征，生活質(zhì)量與錳暴露蓄積量呈負(fù)相關(guān)［3］。長期吸入較高水平錳煙塵，可透過血腦屏障蓄積在腦組織，產(chǎn)生神經(jīng)損傷［4］。錳主要累積在紋狀體、黑質(zhì)和蒼白球，損傷基底神經(jīng)節(jié)，導(dǎo)致多巴胺（dopa?mine，DA）釋放異常，引起神經(jīng)退行性病變。錳也可在海馬蓄積，引起β 淀粉樣蛋白（amyloid β-pro?tein，Aβ）彌散性斑塊和學(xué)習(xí)障礙，損害大腦學(xué)習(xí)和記憶功能，導(dǎo)致阿爾茨海默?。?-6］。錳可使人神經(jīng)母細(xì)胞瘤SH-SY5Y 細(xì)胞線粒體功能異常，造成與神經(jīng)元通路有關(guān)的基因表達(dá)異常，以致細(xì)胞內(nèi)氨基酸、脂肪酸和能量等代謝紊亂［7］。Harischandra等［8］報(bào)道，在錳神經(jīng)毒性中有蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊、線粒體損傷和神經(jīng)炎癥等3種主要機(jī)制。本文對(duì)目前其毒性機(jī)制研究進(jìn)展予以全面綜述，以期為錳中毒防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 轉(zhuǎn)運(yùn)穩(wěn)態(tài)失調(diào)

當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白失調(diào)時(shí)，大腦錳元素?cái)z取、儲(chǔ)存、分泌穩(wěn)態(tài)受阻，可引起神經(jīng)受損［8］。SLC30A10 是細(xì)胞表面的排錳轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，腦錳含量受肝和胃腸道溶質(zhì)載體蛋白家族30 成員10（solute carrier family 30 member 10，SLC30A10）的調(diào)節(jié)，SLC30A10 失活，可造成錳毒性調(diào)節(jié)障礙，使血錳升高，神經(jīng)受損［9］。SLC39A14 蛋白介導(dǎo)細(xì)胞錳吸收，其突變可使機(jī)體錳蓄積，引起神經(jīng)運(yùn)動(dòng)障礙［10］。slc30a10/slc39a14 雙敲除小鼠模型顯示，SLC30A10 和SLC39A14 在肝吸收和排泄錳的過程中有協(xié)同作用［11］。血漿轉(zhuǎn)鐵蛋白（transferrin，TF）可與Mn3+結(jié)合成TF-Mn3+復(fù)合物，并與TF 受體結(jié)合，進(jìn)入大腦神經(jīng)元。 Mn3+可從復(fù)合物中解離出來，還原為Mn2+［12］。二 價(jià) 金 屬 轉(zhuǎn) 運(yùn) 蛋 白1（divalent metal transporter 1，DMT1）也稱天然抗性相關(guān)巨噬細(xì)胞蛋白，在富含DA 的基底神經(jīng)節(jié)中高度表達(dá)，參與多種二價(jià)金屬離子的吸收。在過量錳暴露或鐵缺乏時(shí)，DMT1 可能參與Mn2+的吸收，使錳在細(xì)胞質(zhì)蓄積，細(xì)胞活性降低［13］。野生型hslc39A8 發(fā)生突變，會(huì)喪失金屬轉(zhuǎn)運(yùn)活性，干擾錳的攝取，導(dǎo)致線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激［14］。溶酶體ATP13A2 可調(diào)節(jié)體內(nèi)錳穩(wěn)態(tài)，細(xì)胞系和原代神經(jīng)元實(shí)驗(yàn)顯示，野生型ATP12A2 過表達(dá)使胞內(nèi)錳濃度降低，促進(jìn)細(xì)胞色素c釋放［15］。鈣離子穩(wěn)態(tài)決定線粒體結(jié)構(gòu)和功能的完整性，Mn2+在機(jī)體內(nèi)可占據(jù)線粒體內(nèi)Ca2+的結(jié)合位點(diǎn)，干擾體內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)，引起線粒體損傷和炎癥；同時(shí)釋放細(xì)胞色素c，激活胱天蛋白酶9和胱天蛋白酶3，抑制呼吸鏈和ATP生成，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和神經(jīng)退行性病變［16］。

2 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體氧化應(yīng)激

3 自噬

過量錳暴露可引起神經(jīng)損傷，使自噬作用減弱。但自噬過強(qiáng)也可能導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)平衡受損，引發(fā)細(xì)胞凋亡。過量錳暴露會(huì)損傷大鼠基底節(jié)神經(jīng)元超微結(jié)構(gòu)，線粒體自噬增加，選擇性自噬接頭蛋白（P62）mRNA 上調(diào)，能量代謝紊亂［23］?；钚匝鹾统趸锏恼{(diào)節(jié)是自噬發(fā)生的重要原因，轉(zhuǎn)錄因子EB（transcription factor EB，TFEB）是自噬-溶酶體通路的主要調(diào)控因子，錳暴露誘導(dǎo)線粒體呼吸功能障礙和星形膠質(zhì)細(xì)胞ROS 生成，同時(shí)抑制TFEB 活性和線粒體自噬溶酶體降解，導(dǎo)致自噬失調(diào)［24］。微管相關(guān)蛋白1 輕鏈3-Ⅱ（microtubule-associated protein 1 light chain 3-Ⅱ，LC3-Ⅱ）與LC3-Ⅰ的比例是自噬誘導(dǎo)標(biāo)志物，短時(shí)間錳暴露使大鼠紋狀體LC3-Ⅱ和Beclin1 表達(dá)增強(qiáng)，自噬體數(shù)量增加，減輕錳誘導(dǎo)的神經(jīng)元損傷。隨著錳暴露增加，自噬相關(guān)蛋白LC3-Ⅱ和P62 表達(dá)水平增高，溶酶體數(shù)量增加過多，可激活BV2 小膠質(zhì)細(xì)胞自噬，減輕神經(jīng)毒性。但長時(shí)間錳暴露使大鼠紋狀體雷帕霉素靶蛋白和P70核糖體蛋白S6 激酶信號(hào)傳導(dǎo)通路被激活，自噬被抑制，以致DA能神經(jīng)元變性受損［25］。毒性損傷累積可降低自噬作用［26］。SH-SY5Y 細(xì)胞和C57/BL6 小鼠模型實(shí)驗(yàn)顯示，錳通過激活可誘導(dǎo)型一氧化氮合酶引發(fā)亞硝化應(yīng)激，使c-Jun 氨基端激酶、BCL-2 蛋白和IκB 激酶β 亞硝基化，引發(fā)自噬失調(diào)。同時(shí)，S-亞硝基化降低腺苷酸活化蛋白激酶的磷酸化，影響雷帕霉素靶蛋白信號(hào)通路調(diào)控自噬，導(dǎo)致細(xì)胞自噬功能障礙［27-28］。α-Syn 寡聚物可加劇錳誘導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞損傷，自噬激活可降低錳誘導(dǎo)的α-Syn寡聚和神經(jīng)毒性［29］。

4 α-Syn蛋白折疊錯(cuò)誤

α-Syn主要存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元突觸前膜，二價(jià)金屬離子可使其發(fā)生寡聚化和錯(cuò)誤折疊。α-Syn 基因敲除小鼠模型顯示，α-Syn 單體在減輕錳引起的過度自噬和神經(jīng)細(xì)胞損傷中起保護(hù)作用，但長期錳暴露會(huì)加速α-Syn蛋白的錯(cuò)誤折疊和寡聚化，α-Syn 寡聚物則會(huì)加劇錳誘導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞損傷［29-30］。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示，Mn2+暴露引起C57 小鼠血清α-Syn 寡聚外泌體釋放，錯(cuò)誤折疊的α-Syn 外泌體引起紋狀體促炎性細(xì)胞因子白細(xì)胞介素1β（interleukin-1β，1L-1β）、1L-6 和腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）釋放，促進(jìn)神經(jīng)炎癥反應(yīng)，誘導(dǎo)小鼠帕金森樣運(yùn)動(dòng)缺陷，并與人類α-Syn寡聚體的傳遞相關(guān)［31］。野生型和原代小膠質(zhì)細(xì)胞共培養(yǎng)模型觀察到，小膠質(zhì)細(xì)胞可通過微囊蛋白1 介導(dǎo)的內(nèi)吞作用使α-Syn 外泌體進(jìn)入胞內(nèi)，發(fā)生炎癥反應(yīng)過程，啟動(dòng)神經(jīng)元死亡。體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)顯示，Mn2+還會(huì)增強(qiáng)α-Syn 寡聚物在細(xì)胞間傳遞［31］。體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)，錳暴露可能通過增加Aβ 蛋白和磷酸化Tau 蛋白水平，改變熱休克蛋白的表達(dá)，破壞蛋白酶體P20S 活性并產(chǎn)生氧化應(yīng)激而導(dǎo)致基底前腦膽堿能神經(jīng)元的減少［32］。

5 細(xì)胞凋亡

錳暴露會(huì)誘導(dǎo)多種細(xì)胞凋亡相關(guān)基因表達(dá)和通路信號(hào)（蛋白激酶Cδ 通路、JNK 通路、Wnt/β 聯(lián)蛋白通路和Omi/HtrA2通路等）轉(zhuǎn)導(dǎo)，誘發(fā)神經(jīng)細(xì)胞凋亡［20］。錳暴露可通過環(huán)磷酸腺苷-蛋白激酶A-環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白通路調(diào)節(jié)PC-12 細(xì)胞凋亡，引起認(rèn)知功能障礙［33］。在小鼠中腦DA 能神經(jīng)元MN9D 細(xì)胞體外實(shí)驗(yàn)中，錳暴露通過抑制抗凋亡信號(hào)通路ERK5/MEK5 誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，并促進(jìn)Bax 和胱天蛋白酶3的表達(dá)［34］。錳可能導(dǎo)致大鼠神經(jīng)元凋亡，影響細(xì)胞周期；還可經(jīng)調(diào)節(jié)磷脂酰肌醇3 激酶/蛋白激酶B/糖原合成酶激酶3β途徑改變細(xì)胞周期，誘導(dǎo)SH-SY5Y 細(xì)胞凋亡和壞死［35-36］。膽堿能神經(jīng)元和膽堿能傳遞可調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)和記憶等重要的神經(jīng)功能，錳暴露會(huì)引起乙酰膽堿酯酶過表達(dá)和氧化應(yīng)激，介導(dǎo)基底前腦的膽堿能神經(jīng)元凋亡，破壞膽堿能傳遞，導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙［37］。過量的錳可促進(jìn)神經(jīng)元線粒體細(xì)胞色素c釋放，激活胱天蛋白酶8和9，繼而激活胱天蛋白酶3引發(fā)細(xì)胞凋亡。細(xì)胞質(zhì)錳蓄積可激活蛋白激酶C，并激活胱天蛋白酶8和3，啟動(dòng)細(xì)胞凋亡，胱天蛋白酶3活化可能是錳誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡的主要方式［38］。錳可破壞大鼠神經(jīng)元內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)應(yīng)激相關(guān)蛋白葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78、C/EBP同源蛋白、JNK和胱天蛋白酶12的表達(dá)，是引起細(xì)胞凋亡和神經(jīng)毒性的重要致病機(jī)制［20］。

6 神經(jīng)炎癥

錳暴露能夠刺激機(jī)體分泌炎癥因子，誘發(fā)炎癥反應(yīng)，增強(qiáng)錳的神經(jīng)毒性。小膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的免疫細(xì)胞，其激活可產(chǎn)生細(xì)胞因子和趨化因子，如IL-1β、IL-6、干擾素γ 和TNF-α、過氧化物和一氧化氮等，發(fā)生協(xié)同作用和級(jí)聯(lián)效應(yīng)，在神經(jīng)炎癥和神經(jīng)退行性疾病發(fā)病機(jī)制中起著重要作用［39-40］，錳暴露會(huì)對(duì)原代小膠質(zhì)細(xì)胞造成損傷，胞內(nèi)活性氧增多，誘發(fā)炎癥因子的大量生成［41］。NF-κB-輕鏈增強(qiáng)子途徑是錳誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥的重要靶標(biāo)和通路。BV2細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，錳通過介導(dǎo)NF-κB/核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體3（nucleotide binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3）/胱天蛋白酶1通路引發(fā)炎癥反應(yīng)［42］。脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）是一種小膠質(zhì)細(xì)胞激活劑，錳激活小膠質(zhì)細(xì)胞的NF-κB，可明顯增強(qiáng)LPS 的作用，導(dǎo)致炎性基因表達(dá)和炎性介質(zhì)產(chǎn)生，使LPS 誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞釋放一氧化氮的能力增強(qiáng)［43］。 NLPR3 炎癥體活化是錳誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞活化釋放炎癥因子的重要途經(jīng)之一。小鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)和人群資料研究均顯示，錳暴露導(dǎo)致血清中外泌體炎性小體受體蛋白釋放增多。錳引起溶酶體自噬也參與了NLPR3 的炎癥體活化，調(diào)控小膠質(zhì)細(xì)胞的IL-1β、TNF-α 和IL-18 等炎癥因子釋放［44-45］。慢性錳暴露后，小膠質(zhì)細(xì)胞蛋白酪氨酸激酶2/活化轉(zhuǎn)錄因子3 信號(hào)通路被激活，引起小膠質(zhì)細(xì)胞釋放促炎因子IL-1β 和TNF-α，導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)受損［39］。錳暴露可引起HAPI 細(xì)胞和海馬小膠質(zhì)細(xì)胞ERS，氧化損傷激活硫氧還蛋白互作蛋白/NOD 樣受體蛋白3 信號(hào)通路，引起炎癥反應(yīng)［46］。富含亮氨酸的重復(fù)激酶2（leucine-rich repeat kinase 2，LRRK2）是神經(jīng)退行性病變的關(guān)鍵分子，其在小膠質(zhì)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中高表達(dá)，可導(dǎo)致常染色體顯性和散發(fā)性帕金森病的炎癥和神經(jīng)毒性。錳暴露可導(dǎo)致LRRK2在體內(nèi)黑質(zhì)和細(xì)胞中表達(dá)上調(diào)，LRRK2通過激活巨噬細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞的絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)通路下游，引發(fā)小膠質(zhì)細(xì)胞自噬和神經(jīng)炎癥［47-48］。星形膠質(zhì)細(xì)胞可蓄積錳，對(duì)錳毒性十分敏感。星形膠質(zhì)細(xì)胞活化，血液中炎癥細(xì)胞因子如IL-1β、IL-6、TNF-α 和前列腺素E2水平增高［49-50］。神經(jīng)元-星形膠質(zhì)細(xì)胞的谷氨酰胺/谷氨酸-γ-氨基丁酸循環(huán)維持著神經(jīng)遞質(zhì)平衡，錳中毒可引起星形膠質(zhì)細(xì)胞過度活化、氧化應(yīng)激功能失調(diào)，使GGC 循環(huán)和谷氨酸神經(jīng)傳遞受阻，引起細(xì)胞凋亡，并分泌神經(jīng)毒性細(xì)胞因子和其他毒性物質(zhì)，導(dǎo)致神經(jīng)炎癥［51-52］。錳可以破壞星形膠質(zhì)細(xì)胞中ATP 介導(dǎo)的鈣離子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞間鈣離子波，導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣信號(hào)交流障礙，以致腦血流調(diào)節(jié)和神經(jīng)元穩(wěn)態(tài)異常［53］。染錳小膠質(zhì)細(xì)胞可使星形膠質(zhì)細(xì)胞活化增強(qiáng)，通過NF-κB 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路調(diào)節(jié)細(xì)胞因子和趨化因子釋放。在染錳膠質(zhì)細(xì)胞培養(yǎng)24 h后，炎性基因（一氧化氮合酶、TNF-α、趨化細(xì)胞因子受體5、C-C趨化因子受體2、IL-1β和IL-6）和星形膠質(zhì)細(xì)胞特異性基因表達(dá)明顯增強(qiáng)，星形膠質(zhì)細(xì)胞-小膠質(zhì)細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)增強(qiáng)，提示錳引起神經(jīng)炎癥損傷［54-55］。

7 結(jié)語

圖1 錳神經(jīng)毒性可能的作用機(jī)制. TF：轉(zhuǎn)鐵蛋白；SLC30A10：溶質(zhì)載體蛋白家族30成員A10 ；SLC39A14：溶質(zhì)載體蛋白家族39成員14；SLC39A8：溶質(zhì)載體蛋白家族39成員8；DMT1：二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體；ROS：活性氧；α-Syn：α突觸核蛋白.

綜上如圖1 所示，過量錳暴露使其在體內(nèi)蓄積過多，導(dǎo)致錳轉(zhuǎn)運(yùn)穩(wěn)態(tài)失調(diào)，α-Syn蛋白發(fā)生寡聚化和錯(cuò)誤折疊。錳的氧化還原作用可使細(xì)胞線粒體ROS 產(chǎn)生過多，DA 分泌異常，促發(fā)線粒體功能障礙、ERS、自噬失調(diào)、小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞過度活化，釋放過量炎癥因子，啟動(dòng)細(xì)胞凋亡信號(hào)，造成神經(jīng)元凋亡、炎癥損傷，促進(jìn)神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究對(duì)錳神經(jīng)毒性的機(jī)制已經(jīng)有較深入的了解，尤其是對(duì)過量錳暴露引起蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊、線粒體損傷和神經(jīng)炎癥的認(rèn)識(shí)。但錳神經(jīng)毒性機(jī)制及其與中毒表現(xiàn)的內(nèi)在聯(lián)系尚未闡明，有待深入研究。