金屬錳暴露致神經(jīng)毒性的多組學(xué)研究進(jìn)展

畢玉潔 陳漢清 李曉波 陳 瑞

(首都醫(yī)科大學(xué) 公共衛(wèi)生學(xué)院,北京 100069)

錳是人體各種細(xì)胞功能中必不可少的微量元素,可作為機(jī)體多種酶的輔因子參與酶的功能活動(dòng),如谷氨酰胺合成酶以及錳超氧化物歧化酶。膳食是人體攝取必需微量元素錳的主要來源。中國居民膳食指南參考攝入量中提到,成年人錳適宜攝入量(AI)為4.5 mg/d。除自然來源外,采礦、焊接、干電池制造、錳合金生產(chǎn)、錳鹽生產(chǎn)、含錳汽油添加劑和農(nóng)用化學(xué)品等人為因素使空氣、土壤和水環(huán)境中錳濃度顯著升高。生物累積進(jìn)一步導(dǎo)致受污染區(qū)域環(huán)境和食品中錳的水平增加,從而引發(fā)環(huán)境暴露人群短期和長期健康風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。錳的過度暴露已被證明與人類疾病相關(guān)的各種毒性終點(diǎn)有關(guān)[3]。環(huán)境及職業(yè)長期暴露于高錳環(huán)境中,將導(dǎo)致錳在大腦基底神經(jīng)節(jié)蓄積,最終引發(fā)錳中毒相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)疾病(圖1),主要表現(xiàn)為類帕金森綜合征的運(yùn)動(dòng)功能障礙以及抑郁焦慮等情緒障礙[4-5]。流行病學(xué)研究表明,與沒有錳排放的城區(qū)相比,高錳排放量城區(qū)的帕金森病發(fā)病率更高[6]。此外,錳暴露量增加對(duì)兒童智力和行為功能以及成人認(rèn)知功能有不利影響,呈負(fù)相關(guān),也提示錳暴露還與認(rèn)知功能障礙性疾病存在關(guān)聯(lián)[7-8]。在職業(yè)暴露下,人類大腦中錳濃度可增加1～5倍[9]。進(jìn)一步的研究表明錳積聚在基底神經(jīng)節(jié)富含多巴胺能神經(jīng)元的腦區(qū),引起多巴胺能神經(jīng)退行性疾病[10]。多種嚙齒動(dòng)物、模式生物以及細(xì)胞系已被用來探究錳的攝取、穩(wěn)態(tài)和潛在毒性機(jī)制[11]。目前研究者已進(jìn)行了大量的調(diào)查和研究,但錳暴露造成的神經(jīng)精神疾病的分子生物學(xué)病因尚未得到詳盡闡述,仍需進(jìn)行更深入的探索。故本文綜述近年來金屬錳神經(jīng)毒性的多組學(xué)研究,以期為錳的神經(jīng)毒性機(jī)制研究提供理論參鑒。

圖1 錳暴露誘導(dǎo)中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷機(jī)制示意圖a)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因單核苷酸多態(tài)性影響錳離子在細(xì)胞中的轉(zhuǎn)運(yùn)作用;b)錳暴露誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞DNA甲基化、組蛋白修飾、ncRNA干擾等表觀遺傳學(xué)改變;c)錳暴露誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞mRNA轉(zhuǎn)錄水平表達(dá)差異化;d)錳暴露影響神經(jīng)細(xì)胞葡萄糖、氨基酸、脂質(zhì)等小分子化合物代謝穩(wěn)態(tài)Figure 1 Schematic diagram of central nervous system impairment induced by manganese exposure.a)Single nucleotide polymorphism of transporter gene affects the transport of manganese ions in cells;b)Manganese exposure induces epigenetic changes such as DNA methylation,histone modification,and ncRNA interference in neurons;c)Manganese exposure induces differential expression of mRNA transcription levels in neurons;d)Manganese exposure affects the metabolic homeostasis of small molecule compounds such as glucose,amino acids,and lipids in neurons.

1 基于基因組學(xué)的錳暴露致神經(jīng)毒性作用機(jī)制進(jìn)展

研究易感因素可以增加對(duì)毒物毒性機(jī)制的深入了解。遺傳突變與疾病發(fā)生高度相關(guān)且具有絕對(duì)風(fēng)險(xiǎn)[12]。遺傳性錳轉(zhuǎn)運(yùn)病的診斷凸顯了人體內(nèi)錳穩(wěn)態(tài)所需溶質(zhì)載體轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的重要作用,即參與錳穩(wěn)態(tài)的罕見基因變異可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)錳穩(wěn)態(tài)失衡。溶質(zhì)載體家族39成員8(Solute Carrier Family 39 Member 8,SLC39A8)是大腦攝取錳的關(guān)鍵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,SLC39A8基因突變導(dǎo)致錳缺乏,其特征是大腦蛋白質(zhì)糖基化受損[13]。溶質(zhì)載體家族30成員10(Solute Carrier Family 30 Member 10,SLC30A10)是一種錳外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,其通過將錳離子從胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外部以防止錳中毒[14]。SLC39A14是一種二價(jià)金屬離子外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,可以轉(zhuǎn)運(yùn)錳、鋅、鐵和鎘離子[15]。SLC30A10和SLC39A14協(xié)同將錳離子排泄到膽汁和腸道中。即使在沒有外部錳暴露的情況下,以上基因的純合功能喪失突變均影響大腦中錳蓄積,最終導(dǎo)致錳神經(jīng)毒性相關(guān)的進(jìn)行性肌張力障礙-帕金森綜合征[16]。流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn),SLC39A8和SLC30A10的常見單核苷酸多態(tài)性(Single Nucleotide Polymorphism,SNP)通過錳穩(wěn)態(tài)的差異影響兒童的神經(jīng)發(fā)育(智力、行為)[17]。人類SLC30A10 (rs2275707,rs12064812,rs1776029)以及SLC39A8(rs13107325)的等位基因突變影響不同隊(duì)列和年齡組健康個(gè)體的錳負(fù)荷[18]。一項(xiàng)全基因組關(guān)聯(lián)研究顯示,SLC39A8(rs13107325,rs13107325)基因連鎖不平衡多態(tài)性與大腦磁共振成像表型差異相關(guān)[19]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中,SUNUWAR等[20]基于CRISPR/Cas9技術(shù)構(gòu)建了SLC39A8 (Ala-391-Thr)基因敲入小鼠模型,該小鼠模型出現(xiàn)肝臟和腎臟中的錳水平降低,膽汁中的錳水平升高等錳穩(wěn)態(tài)異常表現(xiàn),進(jìn)一步提供了體內(nèi)錳轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白功能改變的證據(jù)。此外,陽離子轉(zhuǎn)運(yùn)ATP酶13A2(ATPase Cation Transporting 13A2,ATP13A2)基因多態(tài)性也顯著影響錳暴露的意大利老年人運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性[21]。

錳轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因SLC39A8和SLC30A10已反復(fù)驗(yàn)證錳神經(jīng)毒性的易感性及對(duì)機(jī)體錳穩(wěn)態(tài)的影響,并且這些基因的常見變體與細(xì)胞內(nèi)錳濃度之間具有環(huán)境-基因相互作用關(guān)聯(lián)。然而,關(guān)于錳的遺傳毒性潛力的研究結(jié)果較為局限,需要更廣泛的探索性研究來闡明錳的遺傳毒性。

2 基于表觀遺傳學(xué)的錳暴露致神經(jīng)毒性作用機(jī)制進(jìn)展

表觀遺傳學(xué)改變表現(xiàn)為基因表達(dá)和調(diào)控的遺傳變化,即DNA的修飾方式改變,而非DNA序列編碼改變,包括DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA(Non-coding RNA,ncRNA)干擾,蛋白翻譯后修飾等。表觀遺傳改變可能對(duì)機(jī)體具有長期影響,對(duì)于神經(jīng)發(fā)育和大腦疾病的易感性具有重要意義[22]。

DNA甲基化是在胞嘧啶環(huán)的5′碳原子上共價(jià)添加一個(gè)甲基,該過程大多發(fā)生在DNA的CpG島上,并受到DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferase,DNMT)家族調(diào)控[23]。目前已發(fā)現(xiàn)DNA甲基化程度可影響神經(jīng)干細(xì)胞分化發(fā)育和神經(jīng)變性[24]。孕期及產(chǎn)后一段時(shí)間的環(huán)境是晚年疾病易感性的重要決定因素[25]。BOZACK等[26]分析了孕早期母體紅細(xì)胞中的錳濃度與臍帶血中差異甲基化位點(diǎn)(Differentially Methylated Positions,DMP)和差異甲基化區(qū)域(Differential Methylation Region,DMR)的相關(guān)性,并檢測361名兒童隊(duì)列中收集的血液錳水平與DMP/DMR在兒童中期(6～10歲)的持續(xù)相關(guān)性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)錳水平與臍血RNA結(jié)合Fox-1同系物1(RNA Binding Fox-1 Homolog 1,RBFOX1)基因的cg02042823位點(diǎn)甲基化增加呈正相關(guān),并且關(guān)聯(lián)顯著,但在兒童中期該關(guān)聯(lián)性減弱。在兒童中期,男童和女童血液中仍持續(xù)存在與錳相關(guān)DMP,但男童和女童的差異DMP中無重復(fù)值。以上研究結(jié)果提示產(chǎn)前接觸錳可能導(dǎo)致嬰兒DNA甲基化,部分DNA甲基化可持續(xù)到兒童中期,并且這種變化可能具有性別特異性。另一組健康單胎妊娠隊(duì)列研究了孕期錳暴露和胎盤中DNA甲基化的關(guān)聯(lián)性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)高錳暴露與胎盤核受體亞家族3C組成員1(Nuclear Receptor Subfamily 3 Group C Member 1,NR3C1)基因甲基化增加相關(guān)[27]。有證據(jù)表明,NR3C1甲基化與神經(jīng)行為障礙的病理生理學(xué)存在表觀遺傳聯(lián)系[28]。鑒于趾甲的生長速率和樣本長度,其可反映中期時(shí)間(月)暴露水平,且趾甲中的金屬錳已被證實(shí)是不良健康結(jié)局的確定風(fēng)險(xiǎn)因素[29]。在一項(xiàng)波士頓地區(qū)建立的規(guī)范老年研究(Normative Aging Study,NAS)中,研究者觀察到87個(gè)DMP,15個(gè)DMR和1個(gè)與趾甲錳顯著相關(guān)的通路(精子活力),其中有4個(gè)匹配基因(MAB21L1、CTNNA3、CNTNAP5、PRMT8)與神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)退行性疾病相關(guān)[30]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中也存在類似的發(fā)現(xiàn),ICR孕鼠妊娠期(妊娠10 d至產(chǎn)后21 d)通過鼠糧暴露于800 μg/g錳后CpG啟動(dòng)子芯片結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)雄性后代海馬齒狀回24個(gè)基因的啟動(dòng)子區(qū)域高甲基化,其中Mid1,Atp1a3和Nr2f1基因的CGI高甲基化和轉(zhuǎn)錄下調(diào)在成年小鼠中持續(xù)存在[31]。錳暴露還增加了p53基因的DNA甲基化,導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞中p53轉(zhuǎn)錄減少和促炎因子COX-2下游表達(dá)增加,并且這種錳效應(yīng)可被去甲基化試劑5-Aza-dC消除[32]。

組蛋白乙酰化是最早發(fā)現(xiàn)的組蛋白修飾,通過影響核小體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄和表達(dá)[33]。組蛋白乙酰化失衡與神經(jīng)退行性疾病有關(guān)[34]。錳誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性可通過調(diào)節(jié)組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(Histone acetyltransferase,HAT)和組蛋白脫乙酰酶(Histone deacetylase,HDAC)致組蛋白乙?；蛉ヒ阴；谋碛^遺傳修飾改變。錳可激活幾種HDAC,如星形膠質(zhì)細(xì)胞中的HDAC1-5[35]以及神經(jīng)元中的HDAC1和Ⅲ類HDAC(Sirtuins,SIRTs)[36]。體外研究表明,錳可以通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)HAT和HDAC活性改變組蛋白乙?；姆€(wěn)態(tài),導(dǎo)致人類神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞(SH-SY5Y)和大鼠腎上腺嗜鉻細(xì)胞瘤細(xì)胞(PC12)損傷[37]。體內(nèi)研究顯示,組蛋白去乙?；敢种苿?Histone deacetylase inhibitor,HDACi)通過降低小鼠腦和星形膠質(zhì)細(xì)胞中HDAC活性,使組蛋白乙酰化和基因表達(dá)正?；瘉頊p輕錳的毒性作用[38-39]。錳暴露降低了在超氧化物歧化酶2(Superoxide Dismutase 2,SOD2)基因啟動(dòng)子區(qū)組蛋白H3的27號(hào)位點(diǎn)賴氨酸乙?；?造成小鼠認(rèn)知功能障礙,但抗炎抗氧化藥物姜黃素逆轉(zhuǎn)了小鼠上述行為學(xué)反應(yīng),提示氧化應(yīng)激可能是錳暴露致組蛋白乙酰化失調(diào)的可能機(jī)制之一[40]。

此外,表觀遺傳機(jī)制還涉及包括miRNA在內(nèi)的ncRNA。miRNA是一種小型單鏈非編碼RNA分子,其通過與mRNA雜交調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄后基因表達(dá),起著翻譯抑制或降解目標(biāo)RNA的作用[41]。錳暴露改變SH-SY5Y細(xì)胞中73種miRNA水平,包括靶向ATP13A2,α-突觸核蛋白(Synuclein Alpha,SNCA)和成纖維細(xì)胞生長因子-20(Fibroblast Growth Factor 20,FGF-20)的miR-4306,miR-7和miR-433,上述miRNA的抑制可減弱錳對(duì)SH-SY5Y細(xì)胞中靶基因的作用[42-43]。miR-138-5p過表達(dá)可通過靶向SIRT1基因抑制錳誘導(dǎo)的SH-SY5Y細(xì)胞自噬[44]。此外,錳還可通過lncSh2d3c/mmu-miR-675-5p/Chmp4b/Bax軸誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡,從而導(dǎo)致錳暴露后小鼠學(xué)習(xí)和記憶能力受損[45]。

綜上所述,錳暴露改變了與神經(jīng)發(fā)生相關(guān)細(xì)胞群的表觀遺傳基因調(diào)控和編程。DNA甲基化、組蛋白異常修飾以及非編碼RNA干擾等在錳引起的神經(jīng)毒性中均發(fā)揮重要作用,但是錳引起上述表觀遺傳基因調(diào)控失調(diào)的機(jī)制并未在多項(xiàng)研究中得到重復(fù)驗(yàn)證,有待進(jìn)一步論述。

3 基于轉(zhuǎn)錄組學(xué)的錳暴露致神經(jīng)毒性作用機(jī)制進(jìn)展

轉(zhuǎn)錄組學(xué)是研究生物體內(nèi)所有基因表達(dá)水平的一項(xiàng)技術(shù),對(duì)于理解基因調(diào)控、疾病發(fā)生和發(fā)展具有重要意義。由于人體神經(jīng)組織的獲取存在較大的限制性,基于神經(jīng)組織轉(zhuǎn)錄組學(xué)測序的錳暴露相關(guān)神經(jīng)毒性研究主要采用模式動(dòng)物及細(xì)胞系開展。對(duì)錳暴露斑馬魚腦組織單細(xì)胞測序結(jié)果顯示,斑馬魚錳暴露后改變了膽堿能神經(jīng)元、多巴胺能神經(jīng)元和γ-氨基丁酸(Gamma-aminobutyric acid,GABA)能神經(jīng)元細(xì)胞類型的比例,進(jìn)一步偽時(shí)間分析表明多巴胺能神經(jīng)元對(duì)錳神經(jīng)毒性的反應(yīng)最優(yōu)先,且KEGG信號(hào)通路分析表明,錳暴露主要影響多巴胺能神經(jīng)元鐵死亡通路[46]。另一項(xiàng)斑馬魚錳暴露后單細(xì)胞測序的研究結(jié)果同樣表明多巴胺能神經(jīng)元損傷,差異表達(dá)基因GO富集分析顯示,其主要與蛋白質(zhì)、氨基酸和能量代謝、細(xì)胞周期和未折疊蛋白質(zhì)反應(yīng)(Unfolded Protein Response,UPR)通路有關(guān)[47]。在暴露于錳的秀麗隱桿線蟲模型的轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)氧化應(yīng)激、抗氧化反應(yīng)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和免疫信號(hào)通路參與錳誘導(dǎo)的毒性反應(yīng)[48]。體外研究發(fā)現(xiàn),暴露于生理濃度錳(10 μmol/L MnCl2)5 h后的SH-SY5Y細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究發(fā)現(xiàn),高爾基駐留蛋白質(zhì)相關(guān)基因(BET1,ADAM10和ARFGAP3)表達(dá)增加,影響SH-SY5Y細(xì)胞蛋白質(zhì)分泌途徑[49]。而暴露于高劑量錳溶液(100 μmol/L MnCl2)5 h的SH-SY5Y細(xì)胞影響氧化磷酸化途徑及相關(guān)基因(ATP6V1H,NDUFAF5和FABP5)作用破壞細(xì)胞能量代謝過程,導(dǎo)致細(xì)胞和線粒體能量代謝中斷以及氧化應(yīng)激反應(yīng)從而加速細(xì)胞死亡[49]。

上述研究表明,錳暴露后主要損傷大腦中多巴胺能神經(jīng)元,但當(dāng)前研究結(jié)論僅限于模式動(dòng)物及細(xì)胞系的研究,并不能反映具有復(fù)雜生理過程及機(jī)制的大腦。因此,推進(jìn)基于臨床生物學(xué)樣本或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析進(jìn)程,進(jìn)一步闡述錳暴露后人群或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物生物樣本轉(zhuǎn)錄組差異,有利于形成銜接遺傳物質(zhì)與代謝物的微觀網(wǎng)絡(luò)。

4 基于代謝組學(xué)的錳暴露致神經(jīng)毒性作用機(jī)制進(jìn)展

代謝組學(xué)是基于對(duì)不同機(jī)體代謝過程相關(guān)的細(xì)胞、組織或生物流體(例如血漿或尿液)的內(nèi)源性低分子量生物分子(通常< 1500 Da)的綜合分析[50]。代謝組學(xué)作為一種快速和可重復(fù)的方法,直接反映與暴露相關(guān)的生物事件,在職業(yè)健康領(lǐng)域的應(yīng)用范圍逐漸增加。代謝組學(xué)位于“組學(xué)”級(jí)聯(lián)的底部,與環(huán)境的上游輸入和基因組的下游輸出相關(guān)。近年來,代謝組學(xué)及其相關(guān)技術(shù)逐漸應(yīng)用于錳誘導(dǎo)神經(jīng)毒性的疾病機(jī)制以及藥物干預(yù)研究,研究者基于不同人群、臨床生物學(xué)樣本以及動(dòng)物模型開展了多項(xiàng)研究。

ASHRAP等[51]觀察到母體血液錳、鋅、鉛和汞濃度與胎兒不良出生結(jié)局(早產(chǎn)以及較短的胎齡)有關(guān)。此外,有研究表明母體脂質(zhì)組成穩(wěn)態(tài)在妊娠期間至關(guān)重要,特別是對(duì)胎兒發(fā)育過程[52]。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)母體錳暴露與縮醛磷脂酰膽堿(Plasmenyl-phosphatidylcholine,PLPC)和縮醛磷脂酰乙醇胺(Plasmenyl-phosphatidylethanolamine,PLPE)的負(fù)相關(guān)性最強(qiáng),特別是含有多不飽和脂肪酸的PLPE[53]。

而針對(duì)職業(yè)暴露人群的研究,SHEN等[54]利用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(UPLC-MS/MS)法對(duì)接觸焊接煙霧工人外周血的代謝物水平進(jìn)行分析,結(jié)果顯示焊接工人1)脂質(zhì)代謝穩(wěn)態(tài)失衡,包括糖皮質(zhì)激素類(皮質(zhì)醇、皮質(zhì)酮和可的松)及?；鈮A類顯著降低,二羥基十八烯酸類(9,10-DiHOME和12,13-DiHOME)顯著增加,部分溶血磷脂(10個(gè))、磷脂(8個(gè))和二酰甘油(5個(gè))代謝增加;2)氨基酸代謝增加,包括異亮氨酸,脯氨酸和苯丙氨酸;3)S-(3-羥丙基)巰基甲酸(3-HPMA)增加,上述差異代謝物與炎癥狀態(tài)密切相關(guān)。CARTER等[55]運(yùn)用液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(LC-MS/MS)法對(duì)17名接觸錳的鑄造工人尿液樣本進(jìn)行水性代謝物的靶向測定,發(fā)現(xiàn)暴露和未暴露工人之間有7種代謝產(chǎn)物的豐度差異具有顯著性(FDR≤0.1),包括n-異丁酰甘氨酸、膽酸、鵝肌肽、β-丙氨酸、甲硫氨酸、N-異戊酰氨基乙酸和蘇氨酸,3條氨基酸代謝通路受到嚴(yán)重干擾(β-丙氨酸代謝、組氨酸和甘氨酸代謝、絲氨酸和蘇氨酸代謝)。臺(tái)灣某造船廠的35名男性焊工和16名男性辦公室工作人員的尿液1H核磁共振波譜法代謝組學(xué)特征分析顯示代謝產(chǎn)物,如馬尿酸鹽、S-硫代半胱氨酸、肌酐、絲氨酸、葡萄糖酸鹽、甘氨酸、?；撬?、氧化三甲胺/甜菜堿、丙酮在焊工中顯著增加,而唯一顯著減少的代謝物是肌酸[56]。上述代謝物涉及糖代謝、氨基酸代謝、氧化/還原和尿素代謝途徑。其中具有抗炎、抑制ROS產(chǎn)生以及抗氧化作用的?；撬?、甘氨酸、甜菜堿等代謝產(chǎn)物增加,一定程度上反映了焊工體內(nèi)對(duì)環(huán)境壓力的代償機(jī)制。

環(huán)境污染物實(shí)驗(yàn)動(dòng)物暴露模型在一定程度上可模擬人類暴露后的疾病狀態(tài),有利于環(huán)境污染物暴露后發(fā)病機(jī)制及防治的深入研究。先前的研究表明,職業(yè)錳暴露與多巴胺能功能障礙[57-59]和丘腦GABA水平[60-61]之間存在劑量依賴性關(guān)聯(lián)。ZHANG等[46]對(duì)成年慢性(90 d)錳暴露模式動(dòng)物斑馬魚進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)測定,結(jié)果顯示錳暴露影響參與脂質(zhì)代謝、氨基酸代謝和糖代謝途徑的代謝物水平,這種影響在多巴胺能神經(jīng)元上更為顯著。對(duì)SD大鼠單次尾靜脈注射氯化錳溶液1.5 mg/(kg·bw)后經(jīng)電噴霧離子法-離子回旋頻率-傅里葉變換質(zhì)譜法(ESI-ICR/FT-MS)非靶向代謝組學(xué)分析顯示,大鼠大腦中嘌呤或嘧啶的減少、氨基酸代謝紊亂、還原型輔酶Ⅱ(NADPH)產(chǎn)生減少、谷胱甘肽代謝降低以及四種飽和脂肪酸和六種不飽和脂肪酸的含量降低,可能是由于錳暴露引起活性氧的產(chǎn)生增加,線粒體功能障礙以及脂質(zhì)過氧化而導(dǎo)致抗氧化防御失衡的總體神經(jīng)保護(hù)作用失活[62]。WANG等[63]采用超高效液相色譜-四極飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對(duì)SD大鼠血漿進(jìn)行代謝譜分析,識(shí)別出與錳暴露有關(guān)的36種血漿代謝物,主要涉及嘌呤代謝、氨基酸代謝和脂肪酸代謝。值得一提的是,已有研究證實(shí)抑郁癥患者的3-甲氧基-4-羥基苯乙二醇硫酸鹽(MHPG sulfate)水平降低[64]。與臨床實(shí)驗(yàn)相一致,MHPG在錳暴露后的大鼠血清中含量減少,提示錳暴露與情緒障礙相關(guān)[65]。而另一項(xiàng)研究通過尺寸排阻色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜法(SEC-ICP-MS)探究了不同暴露形式下血清錳結(jié)合形式與腦組織錳濃度的關(guān)聯(lián)性,發(fā)現(xiàn)亞慢性錳暴露的SD大鼠及單次尾靜脈注射氯化錳溶液的SD大鼠血清錳離子均主要以與高分子量化合物結(jié)合的形式存在(約90%),但在亞慢性錳暴露下出現(xiàn)血清錳離子與低分子量化合物(檸檬酸鹽錳、氨基酸結(jié)合錳)結(jié)合增加的轉(zhuǎn)變,并且該形式的錳也更有可能通過血腦屏障轉(zhuǎn)運(yùn)至中樞神經(jīng)系統(tǒng)[65]。作者進(jìn)一步通過ESI-ICR/FT-MS法分析代謝物特征發(fā)現(xiàn)僅血清檸檬酸鹽錳和無機(jī)錳與重要腦代謝物(前列腺素H2、15-羥基二十碳四烯酸、前列腺素B1和氧化型谷胱甘肽)強(qiáng)烈正相關(guān),而非血清總錳濃度,即血清總錳濃度對(duì)于錳暴露下的腦部狀態(tài)的測定在診斷上不具有決定性意義。

各類細(xì)胞系是目前研究神經(jīng)生物學(xué)及神經(jīng)藥理學(xué)的重要手段,具有來源豐富、干擾因素小、實(shí)驗(yàn)條件易控制、評(píng)價(jià)機(jī)制靈活等特點(diǎn)。非靶向代謝組學(xué)分析顯示,與對(duì)照組相比,SH-SY5Y細(xì)胞系受錳暴露影響的代謝途徑包括谷胱甘肽代謝、嘌呤代謝、甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝,其中對(duì)谷胱甘肽代謝的影響最為顯著,且錳暴露抑制谷胱甘肽代謝途徑中谷胱甘肽和谷氨酸的表達(dá)[47]。補(bǔ)充谷氨酰胺后,可以有效地提高谷胱甘肽水平,觸發(fā)UPRmt,并逆轉(zhuǎn)錳暴露引起的氧化還原失衡和線粒體功能的神經(jīng)毒性損傷[47]。此外,還有研究表明,錳暴露引起SH-SY5Y細(xì)胞代謝物腐胺的劑量依賴性增加,腐胺的含量與GABA相關(guān)代謝產(chǎn)物呈負(fù)相關(guān)[66]。高分辨代謝組學(xué)(HRM)分析顯示,在生理濃度錳(10 μmol/L MnCl2)暴露5 h時(shí),神經(jīng)保護(hù)性氨基酸代謝產(chǎn)物(肌酸、磷酸肌酸、磷酸絲氨酸)增加,而暴露于高劑量錳溶液(100 μmol/L MnCl2)5 h,可使能量和脂肪酸代謝產(chǎn)物(己糖-1,6二磷酸、?；鈮A)減少,線粒體功能障礙,最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[67]。

對(duì)于利用代謝組學(xué)進(jìn)行的人群錳暴露研究而言,尚缺乏對(duì)日常生活或者職業(yè)環(huán)境中存在除錳暴露外未知或未測定的其他污染物暴露的評(píng)估,如PM2.5或焊接作業(yè)環(huán)境中存在的其他重金屬(鉻、鎳和鐵),如何確定已觀察到的差異是由于單一錳暴露造成的,或未測定的其他污染物暴露對(duì)觀察到的差異產(chǎn)生的影響仍需深入剖析?，F(xiàn)有研究表明暴露于含錳污染物主要影響機(jī)體的氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝、糖代謝以及嘌呤/嘧啶代謝通路,需要進(jìn)一步的研究來了解上述通路中差異代謝產(chǎn)物的重要性及其潛在機(jī)制,以及特定代謝產(chǎn)物水平的改變是否與錳暴露相關(guān)。此外,代謝物也受到各種內(nèi)部因素的影響,如晝夜節(jié)律,生產(chǎn)活動(dòng)甚至是膳食因素以及其他不斷發(fā)生的生理過程,如何排除上述因素的干擾得到真實(shí)可靠的結(jié)果需要更詳細(xì)縝密的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)加以驗(yàn)證。

5 展望

鑒于重金屬錳的毒性、生物蓄積性以及長期持久性,環(huán)境重金屬錳暴露的潛在危害越來越受到人類和動(dòng)物健康與福祉的關(guān)注。錳暴露涉及神經(jīng)發(fā)育的多個(gè)相關(guān)機(jī)制,迄今為止尚不存在治療錳中毒的單一有效藥物,因此仍需進(jìn)一步研究錳的潛在毒性機(jī)制,從而開發(fā)使用精準(zhǔn)分子靶點(diǎn)來治療或預(yù)防錳神經(jīng)毒性的藥物。此外,由于錳靶向作用于多個(gè)基因和蛋白質(zhì),多個(gè)相關(guān)靶點(diǎn)的聯(lián)合治療策略可能更有利于錳神經(jīng)毒性的治療。然而,僅基于單一組學(xué)技術(shù)在描述機(jī)體錳暴露后生理生化反應(yīng)的差異化十分有限,阻礙了對(duì)錳毒性機(jī)制的系統(tǒng)理解。目前的研究得到大量可能的錳暴露生物標(biāo)志物,種類繁多,但缺乏重復(fù)性。故仍需大樣本、高層次的臨床研究,納入多種生物學(xué)樣本(血清、尿液、腦脊液、腦組織等)組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行多層組學(xué)整合分析有利于證實(shí)和擴(kuò)展目前的研究結(jié)果。此外,機(jī)器學(xué)習(xí)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域,以更完整周密的研究方案與更新的技術(shù)方法相互輔助,利用多組學(xué)領(lǐng)域、多技術(shù)平臺(tái)的交互驗(yàn)證有效地構(gòu)建調(diào)控網(wǎng)絡(luò),可提供對(duì)毒性機(jī)制的全面理解,這將更加精準(zhǔn)地識(shí)別錳暴露致中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的早期診斷生物標(biāo)志物,鞏固職業(yè)病防治防線。