曹玉民，范奇元

(1遵義醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院，貴州遵義 563003；2遵義醫(yī)學(xué)院第三附屬醫(yī)院；3遵義醫(yī)藥高等專(zhuān)科學(xué)校)

錳導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷機(jī)制的研究進(jìn)展

曹玉民1,2，范奇元3

(1遵義醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院，貴州遵義 563003；2遵義醫(yī)學(xué)院第三附屬醫(yī)院；3遵義醫(yī)藥高等專(zhuān)科學(xué)校)

隨著錳在生活和工作環(huán)境中暴露水平的增加，人類(lèi)接觸錳的機(jī)會(huì)不斷增多，過(guò)量錳接觸會(huì)使其在人腦部蓄積，引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷，表現(xiàn)為錐體外系神經(jīng)受損。錳所致中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷與環(huán)境和遺傳因素有關(guān)。錳可下調(diào)抑制性氨基酸神經(jīng)遞質(zhì)和上調(diào)興奮性氨基酸神經(jīng)遞質(zhì)，亦可降低SNAP25基因從而降低可溶性NSF附著蛋白受體合成，其與鐵離子競(jìng)爭(zhēng)二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1轉(zhuǎn)運(yùn)體從而增加細(xì)胞內(nèi)的錳水平，損傷溶酶體使α-突觸核蛋白過(guò)量聚集，大量蓄積于線(xiàn)粒體從而對(duì)線(xiàn)粒體造成損傷。

錳；中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷；帕金森氏病

錳是人體中不可或缺的微量元素之一，也是一種普遍存在于環(huán)境中的污染物。錳缺乏會(huì)通過(guò)影響糖代謝、脂代謝而損傷細(xì)胞功能，可能導(dǎo)致骨骼發(fā)育和大腦功能異常等。隨著錳鐵和錳合金、電焊條、干電池的去極劑、錳的采礦場(chǎng)及冶煉廠(chǎng)等錳相關(guān)工業(yè)的發(fā)展，錳在環(huán)境中暴露水平增加。此外，隨著轎車(chē)數(shù)量與日俱增，新型有機(jī)錳(三羧基甲基環(huán)戊二烯合錳)替代四乙基鉛作為汽油抗爆劑使用，導(dǎo)致人類(lèi)生活環(huán)境中錳水平快速增加，非職業(yè)人群接觸錳的機(jī)會(huì)迅速增加。過(guò)量的錳進(jìn)入人體內(nèi)會(huì)對(duì)生殖系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)造成影響，其中以對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)損害為最為突出[1]?，F(xiàn)就錳導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷機(jī)制的研究進(jìn)展情況綜述如下。

1 錳影響腦內(nèi)氨基酸遞質(zhì)水平

氨基酸神經(jīng)遞質(zhì)包括谷氨酸(Glu)、天冬氨酸(Asp)、甘氨酸、γ-氨基丁酸(GABA)，在大腦內(nèi)廣泛存在，是依靠中樞神經(jīng)系統(tǒng)膜電位的變化而進(jìn)行內(nèi)吞外排。Glu和Asp是中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，而GABA則是抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，具有鎮(zhèn)靜、催眠、抗驚厥、降血壓作用。GABA減少將會(huì)導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)紊亂，嚴(yán)重時(shí)可能引起癲癇發(fā)作[2]。有實(shí)驗(yàn)證明，長(zhǎng)期錳暴露會(huì)使腦內(nèi)錳水平明顯上升、GABA水平下降，但Glu和Asp均隨著染錳劑量的增加而增加[3]。研究[4,5]證實(shí)，過(guò)量錳沉積在基底核將會(huì)通過(guò)刺激Glu受體導(dǎo)致突觸后Glu受體敏感性增強(qiáng)，這是由于蒼白球神經(jīng)元受到非正常刺激而導(dǎo)致機(jī)體的運(yùn)動(dòng)障礙。除此之外，慢性錳暴露還會(huì)導(dǎo)致谷氨酸能神經(jīng)元失衡。因此，推測(cè)錳破壞了腦內(nèi)氨基酸神經(jīng)遞質(zhì)的動(dòng)態(tài)平衡，這可能是錳接觸導(dǎo)致PD發(fā)病率增加的機(jī)制之一。PD主要病理表現(xiàn)為黑質(zhì)紋狀體中GABA的缺失，GABA水平的降低直接導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)紊亂。谷氨酸脫羧酶可以作用于Glu，使其脫掉羧基轉(zhuǎn)換成GABA。通過(guò)抑制Glu和Asp的攝取，又可以使腦脊液中GABA水平下降。谷氨酸鹽又在谷氨酰胺合成酶(GS)的作用下生成Glu，而錳在調(diào)控GS活性中扮演了重要角色。GS活性的下降會(huì)使Glu轉(zhuǎn)運(yùn)增加，從而導(dǎo)致突觸的Glu沉積，造成過(guò)度興奮。除此之外，Glu一旦由突觸前膜釋放后，無(wú)酶能對(duì)其水解，因此調(diào)控突觸前膜與突觸后膜間Glu水平只能通過(guò)控制谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性來(lái)對(duì)其進(jìn)行清除。Glu釋放和蓄積過(guò)多導(dǎo)致的過(guò)度興奮性可能參與了PD的發(fā)生和發(fā)展。錳打破了腦內(nèi)神經(jīng)元的動(dòng)態(tài)平衡，其興奮性與抑制失調(diào)從而導(dǎo)致機(jī)體運(yùn)動(dòng)障礙[6]。因此，推測(cè)腦內(nèi)神經(jīng)元?jiǎng)討B(tài)平衡的破壞可能與PD的發(fā)病有密切關(guān)系。

2 錳降低SNARE復(fù)合物形成

可溶性NSF附著蛋白受體(SNARE)對(duì)于神經(jīng)遞質(zhì)的釋放有重要作用。SNARE蛋白復(fù)合物由Synataxin 1A、SNAP25、突觸小泡蛋白(VAMP2)的4個(gè)α螺旋的結(jié)合而組成的三聚體，三種蛋白以1∶1∶1比例聚合而成，但功能各不相同。SNARE復(fù)合物可以促進(jìn)突觸囊泡相互靠近、融合，是一種核心復(fù)合體，參與了突觸前膜對(duì)突觸囊泡的靠近及融合過(guò)程，從而影響神經(jīng)遞質(zhì)在突觸間的傳遞[7]。對(duì)復(fù)合體形成調(diào)節(jié)主要是在SNAP25和Syntaxin 1A形成異二聚體的過(guò)程中，細(xì)胞內(nèi)囊泡膜與質(zhì)膜融合的過(guò)程由VAMP2參加[8]。徐斌等發(fā)現(xiàn)FM1-43這一熒光染料能特異性結(jié)合有囊泡釋放的突觸這一特性，認(rèn)為FM1-43陽(yáng)性顆粒及熒光信號(hào)強(qiáng)度隨著染錳水平的增加而逐漸下降，證實(shí)錳確實(shí)會(huì)降低SNAP25基因和蛋白表達(dá)，SNAP蛋白作為SNARE復(fù)合體的成分之一，其表達(dá)下降導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)SNARE復(fù)合物的形成減少，從導(dǎo)致活動(dòng)性突觸囊泡減少，造成神經(jīng)遞質(zhì)釋放紊亂[9]，這也許是錳導(dǎo)致神經(jīng)毒性的另一個(gè)機(jī)制。

3 錳對(duì)二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(DMT1)轉(zhuǎn)運(yùn)功能的影響

接觸錳(>5 mg/m3)與破壞性神經(jīng)功能障礙相關(guān)，臨床上稱(chēng)為“錳血癥”，一種與特發(fā)性PD相似但可部分區(qū)分的運(yùn)動(dòng)綜合征。腦組織對(duì)錳的優(yōu)先攝取可能是錳致神經(jīng)毒性的原因[10]。在人體中，錳主要存在于兩種氧化態(tài)，即Mn2+和Mn3+。幾乎100%的Mn3+物質(zhì)與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合，形成更穩(wěn)定的復(fù)合物[11]。DMT1在基底神經(jīng)節(jié)的水平很高，其通過(guò)對(duì)金屬離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，對(duì)維持腦中細(xì)胞外液中必需元素的穩(wěn)定十分重要，由于其主要運(yùn)輸Mn2+、Cd2+、Cu2+、Ni2+、Pb2+、Fe2+等陽(yáng)離子而被稱(chēng)為二價(jià)陽(yáng)離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[12]。目前，DMT1機(jī)制的理論有兩種解釋?zhuān)崔D(zhuǎn)鐵蛋白受體(TfR)-獨(dú)立途徑和TfR依賴(lài)途徑。在獨(dú)立TfR的途徑中，DMT1可以作為耦合泵浦質(zhì)子的對(duì)稱(chēng)體系Mn2+被攝取[13]。錳和鐵在元素周期表位置接近，相似的化學(xué)特性使錳在體內(nèi)吸收、與血漿蛋白結(jié)合及細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)方面和鐵相互競(jìng)爭(zhēng)，然而鐵要轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入大腦也要依賴(lài)于鐵錳競(jìng)爭(zhēng)與TfR結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。慢性的錳職業(yè)暴露導(dǎo)致體內(nèi)錳水平逐漸升高，錳可以通過(guò)DMT1增加細(xì)胞內(nèi)水平，而鐵轉(zhuǎn)出蛋白通過(guò)在微絨毛運(yùn)輸金屬離子進(jìn)入腦脊液[14]，組織內(nèi)錳水平增加會(huì)促進(jìn)TfR表達(dá)，從而協(xié)同運(yùn)輸錳到腦脊液中。在血漿中，錳和鐵會(huì)對(duì)Tf上的結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)一步造成轉(zhuǎn)運(yùn)入大腦的錳大大增加。在PD患者腦黑質(zhì)，DMT1表達(dá)明顯升高，因此推測(cè)DMT1的高表達(dá)與錳增加PD發(fā)病率有關(guān)。

4 錳導(dǎo)致α-突觸核蛋白蓄積

PD是一種年齡依賴(lài)性神經(jīng)退行性疾病，主要以淀粉樣蛋白原纖維的形式在路易體和神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)突內(nèi)積累突觸蛋白α-突觸核蛋白(α-syn)[15]，屬于突觸核蛋白病。PD的病理生理學(xué)包括黑質(zhì)中的多巴胺能神經(jīng)元的選擇性喪失，紋狀體多巴胺的逐漸消耗，以及稱(chēng)為路易體的神經(jīng)元胞質(zhì)內(nèi)含物在胞質(zhì)中的出現(xiàn)。α-syn的三種突變體分別是E46K、A30P和A53T，三種突變體均可導(dǎo)致PD；其突變體在細(xì)胞內(nèi)聚集后形成不溶性淀粉樣纖維，是路易小體的主要成分。在正常情況下，α-syn可以增加突觸活性，有助于神經(jīng)遞質(zhì)完成突觸前的攝取、貯存及囊泡胞吐、囊泡胞吞和再循環(huán)三個(gè)過(guò)程。此外α-syn一旦錯(cuò)誤折疊聚集后會(huì)通過(guò)破壞水解酶的運(yùn)輸，降低中腦多巴胺中溶酶體的降解能力。根據(jù)徐斌等實(shí)驗(yàn)證實(shí)，隨著氯化錳在大鼠腦內(nèi)劑量的增加，會(huì)導(dǎo)致大鼠腦中α-syn表達(dá)增加[16]，細(xì)胞體中α-syn的積累破壞了rab1a的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體定位，rab1a是囊泡運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵介質(zhì)[17]。鳥(niǎo)苷三磷酸酶rab1a的表達(dá)恢復(fù)了轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，提高了溶酶體功能，進(jìn)一步表明水解酶的減少代表了突觸核蛋白病中溶酶體功能改變的主要機(jī)制[18]。α-syn形成的路易小體可以使囊泡膜穿孔，導(dǎo)致多巴胺從囊泡中泄露，并聚集于胞質(zhì)內(nèi)，最終將會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞退行性改變[19]。最近研究[20～22]顯示了溶酶體儲(chǔ)存障礙、戈謝病和突觸核蛋白病之間的聯(lián)系，表明溶酶體功能障礙有助于α-syn聚集和PD發(fā)病[23]。突變型α-syn會(huì)在早期分泌途徑中損害關(guān)鍵的水泡運(yùn)輸組分，導(dǎo)致水解酶運(yùn)輸受損和溶酶體功能降低。推測(cè)錳所致的PD是可以通過(guò)增強(qiáng)的溶酶體水解酶的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制為重點(diǎn)來(lái)進(jìn)行治療。

5 錳所致線(xiàn)粒體損傷

錳在腦組織的紋狀體中蓄積最多，大腦白質(zhì)和小腦皮質(zhì)次之，過(guò)量錳大量破壞紋狀體中多巴胺能神經(jīng)元，從而導(dǎo)致出現(xiàn)帕金森樣癥狀，機(jī)制可能與錳對(duì)線(xiàn)粒體有很高的親和力有關(guān)，會(huì)在富含線(xiàn)粒體的組織中大量蓄積，抑制三磷酸腺苷(ATP)合成，從而阻斷能量代謝途徑。研究[24]發(fā)現(xiàn)，錳會(huì)抑制順勢(shì)烏頭酸酶活性，順勢(shì)烏頭酸酶參與線(xiàn)粒體內(nèi)的三羧酸循環(huán)，其活性的抑制將會(huì)導(dǎo)致ATP合成障礙。此外，錳還會(huì)易導(dǎo)致線(xiàn)粒體復(fù)合體1活性下降，而線(xiàn)粒體復(fù)合體1作為呼吸鏈的入口，其活性下降也會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞能量代謝障礙，使ATP合成降低。此外，錳導(dǎo)致的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激會(huì)引起細(xì)胞凋亡。其次，過(guò)量錳還可導(dǎo)致大量自由基的釋放，造成氧化損傷[25]。自由基的化學(xué)性質(zhì)非常不穩(wěn)定，不僅可以與其他的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成新自由基外，還會(huì)發(fā)生連鎖反應(yīng)。錳的氧化還原能力還取決于其所帶電荷，體內(nèi)錳由Mn2+被氧化成Mn4+是一個(gè)增毒過(guò)程。離體實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Mn3+和Mn2+在生成活性氧(ROS)的過(guò)程中均存在劑量依存關(guān)系，但是相同劑量下Mn3+生成ROS的能力是Mn2+的十倍，具有強(qiáng)氧化性的錳離子參與多巴胺的自氧化過(guò)程，在這一氧化過(guò)程中生成ROS和醌類(lèi)化合物，均易對(duì)線(xiàn)粒體造成損傷。除此之外，錳還會(huì)使超氧化物歧化酶、過(guò)氧化氫酶及谷胱甘肽過(guò)氧化物酶的活性下降，導(dǎo)致自由基清除障礙，從而加重自由基帶來(lái)的損傷。因此推測(cè)錳損傷線(xiàn)粒體導(dǎo)致ATP合成障礙及氧化損傷產(chǎn)生的神經(jīng)毒性物質(zhì)可能與PD的發(fā)病有聯(lián)系。

綜上所述，近年錳致中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷的研究取得了很大的進(jìn)展。錳在腦內(nèi)的排出十分緩慢，一旦過(guò)量蓄積便會(huì)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的損害，以PD等慢性神經(jīng)退行性疾病為主要變現(xiàn)，因此研究錳致機(jī)體中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損害有很重要的意義。既往研究多集中于探討錳對(duì)氨基酸神經(jīng)遞質(zhì)、α-syn的影響和線(xiàn)粒體損傷，但少有研究探討錳如何通過(guò)改變?chǔ)?syn引起的神經(jīng)系統(tǒng)損害及錳激活線(xiàn)粒體自噬的具體機(jī)制。腦是人體最大的耗氧器官，需要大量的線(xiàn)粒體提供能量，過(guò)量錳蓄積會(huì)致線(xiàn)粒體損傷，在今后的研究中，可以把焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到錳致線(xiàn)粒體的氧化損傷及線(xiàn)粒體自噬上，這也許會(huì)是一個(gè)錳致神經(jīng)毒性的新方向，可能為今后在預(yù)防錳致神經(jīng)系統(tǒng)損傷上提供一定的依據(jù)。

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10.3969/j.issn.1002-266X.2017.47.034

R114

A

1002-266X(2017)47-0107-03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81260420)。

范奇元(E-mail： qiyuan_fan@yahoo.cn)

2017-08-29)