熊欣欣，田 杰，束會(huì)娟，黃青蕓，郭忠信，，3，4，譚國(guó)鶴，，3，4△，楊伯寧，，4△

1廣西醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)系，南寧5300212廣西生物醫(yī)藥協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西再生醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧5300213廣西醫(yī)科大學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究中心，長(zhǎng)壽與老年相關(guān)疾病教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧5300214廣西特色新型智庫(kù)——中國(guó)-東盟腦科學(xué)創(chuàng)新發(fā)展研究中心，南寧530021

神經(jīng)發(fā)生是由神經(jīng)干細(xì)胞產(chǎn)生成熟的高度分化功能性神經(jīng)細(xì)胞的過程，是哺乳動(dòng)物大腦中一個(gè)重要的生物學(xué)現(xiàn)象，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、成熟以及功能的產(chǎn)生和維持都十分關(guān)鍵[1]。神經(jīng)發(fā)生在胚胎期和出生后早期最為活躍，能夠產(chǎn)生機(jī)體中所有類型的神經(jīng)細(xì)胞，如神經(jīng)前體細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞、神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞等[2]，此階段稱為胚胎神經(jīng)發(fā)生(embryonic neurogenesis)；而到了成年時(shí)期，這種現(xiàn)象也會(huì)在局部腦區(qū)持續(xù)存在，此階段稱為成年神經(jīng)發(fā)生(adult neurogenesis)[3]。具體來(lái)說(shuō)，在胚胎期，位于腦室和腦室下區(qū)的神經(jīng)上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)化為放射狀膠質(zhì)細(xì)胞，這種細(xì)胞隨后產(chǎn)生早期神經(jīng)元或中間神經(jīng)前體細(xì)胞，后者通過有絲分裂進(jìn)一步分化為功能性神經(jīng)元；到了后期，放射狀膠質(zhì)細(xì)胞也參與星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞的產(chǎn)生[4]。而在成年期，腦內(nèi)存留的少量靜息干細(xì)胞依然保持干性，這些細(xì)胞主要分布于海馬齒狀回的顆粒下區(qū)(subgranular zone，SGZ)和側(cè)腦室的室管膜下區(qū)(subventricular zone，SVZ)，分別產(chǎn)生瞬時(shí)擴(kuò)增細(xì)胞進(jìn)而分化為未成熟神經(jīng)元并經(jīng)過短程遷移到達(dá)顆粒細(xì)胞層，或增殖為瞬時(shí)擴(kuò)增細(xì)胞進(jìn)而分化后沿著吻側(cè)遷移流遷移至嗅球[5]。在上述神經(jīng)發(fā)生的過程中，任何影響神經(jīng)發(fā)生的因素，如：重金屬中毒、轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控異常等，都可能導(dǎo)致腦發(fā)育和結(jié)構(gòu)功能的紊亂。隨著社會(huì)的發(fā)展，人類活動(dòng)如采礦、廢氣排放和污水灌溉等引起環(huán)境中的重金屬含量逐漸增加，重金屬中毒會(huì)影響神經(jīng)干細(xì)胞增殖、分化和遷移，甚至導(dǎo)致智力發(fā)育和認(rèn)知行為障礙。近年研究發(fā)現(xiàn)錳、鉛、汞和砷等重金屬中毒會(huì)影響腦內(nèi)神經(jīng)發(fā)生，這一現(xiàn)象引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。現(xiàn)就生活中常見的幾種重金屬中毒對(duì)神經(jīng)發(fā)生的影響進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。

1 錳中毒對(duì)腦內(nèi)神經(jīng)發(fā)生的影響

錳作為一種機(jī)體必需的微量元素，在骨礦化和細(xì)胞保護(hù)中起重要作用，是許多代謝酶的組成成分，也是一種酶激動(dòng)劑，可參與體內(nèi)多種重要的生物化學(xué)反應(yīng)。然而，過多的錳離子進(jìn)入體內(nèi)會(huì)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生毒性。研究發(fā)現(xiàn)，在采礦社區(qū)和鋼鐵制造業(yè)地區(qū)，由于長(zhǎng)期生活在高濃度錳污染的環(huán)境中[6]，一些兒童出現(xiàn)智力下降的情況[7]。新生兒由于血腦屏障不成熟，吸收錳的速度相對(duì)成年個(gè)體更快，研究人員在哺乳期母代大鼠的飲食中加入過量的錳，發(fā)現(xiàn)子代幼鼠通過母乳吸收錳離子后會(huì)導(dǎo)致錳在海馬、皮層、小腦、中腦和紋狀體等部位的蓄積[8]。與此相一致，用相同濃度的錳注入不同年齡段的大鼠體內(nèi)，幼年期大鼠腦內(nèi)各個(gè)部位的錳積累顯著高于成年期大鼠，以海馬、皮層等部位最為明顯[9]。Wang等[10]通過在妊娠第10天到出生后第21天期間對(duì)小鼠進(jìn)行800 ppm劑量的染毒干預(yù)，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，小鼠在出生后第21天SGZ區(qū)神經(jīng)母細(xì)胞凋亡增加，未成熟顆粒細(xì)胞減少；而在出生后第21天到第77天之間，未成熟神經(jīng)元和Reelin陽(yáng)性細(xì)胞增多；這些結(jié)果提示，發(fā)育期的錳中毒會(huì)以未成熟顆粒細(xì)胞為靶標(biāo)，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡與神經(jīng)發(fā)生持續(xù)畸變和錯(cuò)誤遷移，導(dǎo)致未成熟神經(jīng)元的分化障礙。Ohishi等[11]在大鼠身上也進(jìn)行了同樣的試驗(yàn)，驗(yàn)證了錳中毒大鼠的海馬齒狀回晚期分化和神經(jīng)發(fā)生都受到損害。以上研究表明，發(fā)育期錳中毒后腦內(nèi)錳沉積增多，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞功能障礙和異常凋亡，從而嚴(yán)重影響了胚胎神經(jīng)發(fā)生。

人們?cè)隗w外錳中毒模型的研究中發(fā)現(xiàn)，用不同劑量的錳干預(yù)體外培養(yǎng)的成年神經(jīng)干細(xì)胞，低濃度(100～300 μmol/L)錳會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)失調(diào)和形態(tài)異常；高劑量(800 μmol/L)錳導(dǎo)致細(xì)胞骨架呈片狀結(jié)構(gòu)和突起形成過短；與對(duì)照組相比，錳干預(yù)后組中表達(dá)雙皮質(zhì)素(doublecortin，DCX)和膠質(zhì)纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein，GFAP)的神經(jīng)干細(xì)胞減少，成年神經(jīng)干細(xì)胞的分化功能受到影響[12]。在成年大鼠錳中毒模型中，F(xiàn)u等[13]用6 mg/kg濃度的錳干預(yù)4周后，追蹤神經(jīng)干細(xì)胞從SVZ通過吻側(cè)遷移流以及最終在嗅球處的存活和分化后發(fā)現(xiàn)，錳中毒組在嗅球處最終成功分化并存活下來(lái)的神經(jīng)元數(shù)量減少了約31%，因此，錳中毒會(huì)減少在嗅球處存活的成年新生神經(jīng)干細(xì)胞，抑制它分化為成熟神經(jīng)元，最終導(dǎo)致成年神經(jīng)發(fā)生下降。研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，錳中毒大鼠腦內(nèi)SGZ區(qū)新生的細(xì)胞相比對(duì)照組減少了約37%，細(xì)胞的存活率顯著下降，海馬齒狀回處的未成熟神經(jīng)元的分化受到顯著抑制，該處的神經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重受阻[14]。以上表明，錳中毒會(huì)影響細(xì)胞骨架和結(jié)構(gòu)，抑制神經(jīng)干細(xì)胞的存活和分化，進(jìn)而抑制了成年鼠腦內(nèi)的神經(jīng)發(fā)生。

2 鉛中毒對(duì)腦內(nèi)神經(jīng)發(fā)生的影響

鉛中毒是公認(rèn)的重大健康問題，在個(gè)體發(fā)育期表現(xiàn)為劑量依賴性，主要導(dǎo)致神經(jīng)損害和智力低下等，受到研究者的廣泛關(guān)注。臨床監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兒童血鉛水平達(dá)到10 mg/dL時(shí)，IQ值下降7～8分；當(dāng)血鉛濃度大于70 mg/dL時(shí)，會(huì)引起腦部疾病甚至威脅到生命[15]。Dou等[16]對(duì)胚胎期的斑馬魚進(jìn)行不同濃度的鉛干預(yù)后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鉛濃度達(dá)到0.2 mmol/L時(shí)，神經(jīng)發(fā)生受損，斑馬魚的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞凋亡增加，表現(xiàn)出行為遲緩，出現(xiàn)遲緩行為的斑馬魚數(shù)量比對(duì)照組高出約40%。還有研究發(fā)現(xiàn)，從小鼠懷孕第1天開始喂養(yǎng)含0.5 g/L的硝酸鉛飲用水，持續(xù)28 d發(fā)現(xiàn)其子代出生后SVZ區(qū)增殖細(xì)胞核抗原(PCNA)標(biāo)記的增殖細(xì)胞顯著減少，神經(jīng)元的數(shù)量顯著下降，并出現(xiàn)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞過多癥，說(shuō)明鉛中毒可能會(huì)對(duì)發(fā)育期神經(jīng)發(fā)生和對(duì)皮層神經(jīng)元產(chǎn)生毒性作用，這也可能與鉛中毒兒童出現(xiàn)的認(rèn)知障礙有關(guān)[17]。在對(duì)出生第1天的大鼠進(jìn)行21 d的鉛干預(yù)，當(dāng)?shù)降?0天時(shí)，其海馬齒狀回5-溴脫氧尿核苷(BrdU)標(biāo)記的陽(yáng)性細(xì)胞顯著減少，未成熟神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量顯著增多；行為學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，鉛中毒組的大鼠成年后焦慮水平持續(xù)上升[18]。因此，鉛中毒可持續(xù)抑制發(fā)育期大鼠神經(jīng)發(fā)生，改變海馬齒狀回新生細(xì)胞的分化模式，在一定程度上可能導(dǎo)致個(gè)體的行為和認(rèn)知障礙。

事實(shí)上，鉛中毒對(duì)神經(jīng)發(fā)生的抑制作用是從發(fā)育期一直持續(xù)到成年的。例如，人們對(duì)成年大鼠進(jìn)行為期7 d的鉛(50 mg/kg)注射，鉛中毒組動(dòng)物SVZ與SGZ區(qū)的BrdU和DCX陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)量都顯著減少，表明成年神經(jīng)發(fā)生的能力顯著下降[19]。另有研究發(fā)現(xiàn)，鉛中毒大鼠海馬齒狀回的新生細(xì)胞總數(shù)相對(duì)正常大鼠減少了約13%，新生的未成熟顆粒細(xì)胞形成異常樹突形態(tài)[20]，這說(shuō)明早期慢性鉛中毒可改變大鼠海馬成年神經(jīng)發(fā)生和顆粒細(xì)胞的形態(tài)。還有研究證實(shí)，長(zhǎng)期暴露于低水平的鉛濃度下會(huì)導(dǎo)致成年大鼠海馬新生細(xì)胞數(shù)量減少，成年大鼠神經(jīng)發(fā)生能力下降[21]。因此，鉛中毒會(huì)抑制腦內(nèi)神經(jīng)干細(xì)胞的增殖和分化能力，使分化后細(xì)胞的形態(tài)發(fā)生改變，最終影響個(gè)體神經(jīng)發(fā)生的進(jìn)程。

3 汞中毒對(duì)胚胎神經(jīng)發(fā)生的影響

甲基汞是一種眾所周知的強(qiáng)效神經(jīng)毒物，特別是對(duì)發(fā)育期的神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生明顯影響，在發(fā)育過程中高劑量的汞中毒會(huì)導(dǎo)致智力遲鈍、腦癱和癲癇等疾病。在實(shí)驗(yàn)研究中，使用氯化汞干預(yù)體外培養(yǎng)的人神經(jīng)干細(xì)胞球后，神經(jīng)干細(xì)胞分化為神經(jīng)元的數(shù)量減少，且神經(jīng)元的遷移距離縮短[22]。將體外培養(yǎng)的大鼠神經(jīng)干細(xì)胞暴露于2.5 nmol/L或5 nmol/L的甲基汞中，傳代后細(xì)胞的總數(shù)都顯著減少，說(shuō)明汞中毒可損傷神經(jīng)干細(xì)胞的增殖能力；同時(shí)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，圍產(chǎn)期汞中毒的大鼠成年后SGZ區(qū)的神經(jīng)元總數(shù)比對(duì)照組減少約30%；因此，發(fā)育階段低水平的甲基汞中毒會(huì)引起神經(jīng)干細(xì)胞增殖能力下降，細(xì)胞周期阻滯，最終可能會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)發(fā)育障礙和神經(jīng)變性[23]。也有研究表明，汞中毒(5 mg/g)后海馬的體積變小，顆粒細(xì)胞層和門區(qū)的細(xì)胞數(shù)量顯著減少，神經(jīng)前體細(xì)胞的增殖能力下降；圍產(chǎn)期急性汞中毒導(dǎo)致子代神經(jīng)細(xì)胞凋亡，造成后續(xù)海馬結(jié)構(gòu)功能受損[24]。另有研究者對(duì)出生7 d的大鼠進(jìn)行甲基汞皮下注射，誘導(dǎo)急性汞中毒模型，發(fā)現(xiàn)低劑量(0.6 mg/g)的汞中毒會(huì)導(dǎo)致海馬顆粒層和門區(qū)的新生細(xì)胞數(shù)減少約27%和32%，且這種影響會(huì)一直持續(xù)到出生后21 d；通過使用含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase，Caspase-3)標(biāo)記凋亡細(xì)胞，再與巢蛋白(Nestin)和Sox2分別共標(biāo)，發(fā)現(xiàn)汞中毒后Nestin與Caspase-3共標(biāo)的細(xì)胞比例增加，說(shuō)明甲基汞可引發(fā)神經(jīng)干細(xì)胞的凋亡；對(duì)出生后35 d的大鼠進(jìn)行水迷宮實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，汞中毒組大鼠出現(xiàn)空間記憶障礙[25]。

以上表明，汞中毒會(huì)導(dǎo)致發(fā)育期神經(jīng)干細(xì)胞的增殖能力下降，導(dǎo)致相關(guān)腦區(qū)的體積變小，海馬門區(qū)和齒狀回的新生細(xì)胞顯著減少，神經(jīng)發(fā)生受損，最終可導(dǎo)致學(xué)習(xí)記憶功能的障礙。目前關(guān)于汞中毒對(duì)成年期腦內(nèi)神經(jīng)發(fā)生影響的研究還不多，有待進(jìn)一步深入探討。

4 砷中毒對(duì)腦內(nèi)神經(jīng)發(fā)生的影響

砷是環(huán)境中的一種污染物性有毒物質(zhì)，能通過飲用水而被接觸。流行病學(xué)研究表明，即使接觸低劑量的砷也會(huì)對(duì)身體產(chǎn)生負(fù)面影響，包括罹患精神障礙和認(rèn)知功能障礙的概率增加[26]。不僅如此，砷還能通過胎盤屏障影響胎兒的發(fā)育，甚至引起胚胎的死亡和流產(chǎn)。大量研究表明，砷可在大腦內(nèi)蓄積，可導(dǎo)致神經(jīng)功能損傷，造成智力障礙[27]，產(chǎn)生學(xué)習(xí)記憶障礙和情緒障礙，尤其對(duì)兒童的損害較大[28]。目前，砷中毒對(duì)腦內(nèi)神經(jīng)發(fā)生的影響受到關(guān)注：體外培養(yǎng)具有多能性的P19細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，砷中毒會(huì)通過抑制WNT/β-catenin信號(hào)通路導(dǎo)致P19細(xì)胞分化為神經(jīng)元的能力顯著下降[27]；體外培養(yǎng)的人神經(jīng)干細(xì)胞在砷中毒后凋亡增加，分化為神經(jīng)元的能力受到抑制[29]；對(duì)新生大鼠進(jìn)行砷干預(yù)后發(fā)現(xiàn)，砷中毒可造成大鼠顆粒細(xì)胞外層和錐體細(xì)胞外層的未成熟神經(jīng)元出現(xiàn)分化障礙，引起神經(jīng)發(fā)生異常，進(jìn)而增加大鼠的焦慮樣行為，并造成學(xué)習(xí)和社交能力的下降，且下降程度與砷的濃度成正相關(guān)[30]。由此看來(lái)，砷中毒后會(huì)造成發(fā)育期腦內(nèi)神經(jīng)發(fā)生的障礙。與其它重金屬相類似，發(fā)育期砷中毒對(duì)個(gè)體產(chǎn)生長(zhǎng)遠(yuǎn)的不良影響，一直持續(xù)到成年期。研究已證實(shí)，圍產(chǎn)期中等劑量的砷干預(yù)會(huì)造成小鼠成年后學(xué)習(xí)記憶能力的低下甚至缺失；進(jìn)一步對(duì)小鼠從胚胎開始形成到產(chǎn)后23 d期間進(jìn)行砷干預(yù)，結(jié)果表明砷中毒組小鼠神經(jīng)祖細(xì)胞的分化數(shù)量比對(duì)照組減少了約41%[31]。另有研究發(fā)現(xiàn)，砷中毒后小鼠SGZ區(qū)的新生細(xì)胞和新生成熟神經(jīng)元比對(duì)照組顯著減少；小鼠成年后接觸砷會(huì)導(dǎo)致海馬神經(jīng)細(xì)胞增殖和成年神經(jīng)發(fā)生受到抑制[32]。以上表明，砷中毒會(huì)嚴(yán)重影響成年神經(jīng)干細(xì)胞的分化功能，使神經(jīng)發(fā)生能力受損，最終導(dǎo)致學(xué)習(xí)和記憶能力低下或者缺失。

5 小結(jié)

綜上所述，我們可以看出，重金屬中毒對(duì)腦內(nèi)的損傷會(huì)存在以下一些共同點(diǎn)：①母代圍產(chǎn)期重金屬中毒均可能導(dǎo)致子代腦內(nèi)的重金屬沉積；②發(fā)育期腦內(nèi)重金屬中毒后會(huì)影響胚胎神經(jīng)發(fā)生，并導(dǎo)致成年后出現(xiàn)認(rèn)知和行為的障礙，在體內(nèi)發(fā)揮著持續(xù)、長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響；③發(fā)育期和成年后重金屬中毒在腦內(nèi)均可能影響神經(jīng)干細(xì)胞的存活，抑制神經(jīng)干細(xì)胞的增殖分化能力，甚至誘導(dǎo)神經(jīng)干細(xì)胞的凋亡，對(duì)神經(jīng)發(fā)生的全過程產(chǎn)生全面的損傷。通過近年來(lái)的研究，重金屬中毒對(duì)腦內(nèi)神經(jīng)發(fā)生的具體損害逐步明確，而且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)重金屬中毒可能與二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體、WNT/β-catenin和CREB等相關(guān)，但是相關(guān)的分子生物學(xué)機(jī)制研究目前還不夠深入。在此過程中，重金屬中毒影響神經(jīng)發(fā)生的具體細(xì)胞環(huán)路、胞內(nèi)介導(dǎo)關(guān)鍵因子、相關(guān)的分子信號(hào)通路，以及如何尋找有效的新靶點(diǎn)解決重金屬對(duì)神經(jīng)發(fā)生的抑制作用等這些科學(xué)問題，今后還需要進(jìn)一步深入探究和解決。這將是我們未來(lái)的研究重點(diǎn)，以期更好地從分子、細(xì)胞、信號(hào)通路、動(dòng)物模型等層面系統(tǒng)地解析重金屬對(duì)神經(jīng)發(fā)生影響的發(fā)病機(jī)制，更科學(xué)地評(píng)估環(huán)境因素對(duì)人類大腦發(fā)育的影響，最終為人們有效地防治重金屬中毒性腦病做出貢獻(xiàn)。