铝神经毒性对学习记忆功能的影响*

赵鑫荣 刘佳琪 洪 帆 刘芳华 李宗高 乔 乔 夏佳蕊 白春玉 张立丰

(沈阳医学院公共卫生学院儿少卫生与妇幼保健学教研室,沈阳 110034)

铝作为地壳中最多的金属元素,也是人体非必需金属,广泛存在食品和金属材料中。铝可能抑制海马神经发生[1]。铝主要对神经系统产生危害,是认知功能障碍性疾病潜在的重要危险因素。国内外对铝的神经毒性机制研究在不同方面得出了很多相关结论,但机制之间有关联的部分并未加以整合。现着重介绍3大营养物质代谢、与学习记忆有关的主要信号通路、神经递质的传递、突触受体、酶活性和基因表达这6方面的变化以及整合其中的关联部分,综述铝影响学习记忆功能的部分神经毒性机制。

1 人体摄入铝的两大主要途径

1.1 消化道途径

铝广泛存在于自然食物中,不过人从自然食物中摄入的铝含量很低,主要的摄入途径是含铝的食品添加剂。上海市浦东新区油条中含铝添加剂使用情况调查结果表明[2],没有一家商铺铝添加量小于10g/kg,油条中至少添加了铝标准检测量6倍的添加剂。除明矾外,麦芽酚作为非含铝食品添加剂也广泛存在于人类日常饮食中,如咖啡、牛奶和巧克力等食品。麦芽酚对铝具有高亲和力,形成的麦芽酚铝能够稳定存在,从而提高了有效铝浓度,促使更多铝作用于神经细胞或脑组织[3]。其次,铝的主要摄入途径是含铝药物,如胃乐片,其摄入含量是正常排泄量的10倍左右,并且药物铝摄入量与肾功能损害呈正相关[4],而肾作为主要排泄铝的器官,它的损害进一步加剧了铝的蓄积。此外,用铝制炊具、容器烹饪酸性食物时,可增加铝溶出转移到食物当中,但迁移到食品中的量很少。

1.2 呼吸道途径

铝可经呼吸道吸收,在肺中蓄积,缓慢进入血液形成慢性毒作用。职业性接触铝尘和铝烟雾的人群体内的铝负荷明显增高,如铝焊接、铝粉加工、铝盐生产和电解铝作业的工人。

2 与学习记忆功能相关的神经系统异常变化

2.1 三大营养物质代谢异常

2.1.1 糖代谢异常 铝抑制脑组织中Na+-K+-ATP酶和Mg2+-ATP酶的活性、从而影响突触对γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid,GABA)等氨基酸及谷氨酸盐的摄取及干扰脑组织中的葡萄糖代谢,造成脑细胞缺氧死亡,对脑的学习记忆功能产生消极影响。研究表明[5-6],GABA受体对谷氨酸的抑制作用随GABA受体的减少而减弱,因此,两者之间的“相辅相成”使得脑细胞受损更严重。

2.1.2 脂质代谢异常 铝降低海马内超氧化物歧化酶活性,增强脂质过氧化反应,过氧化脂质含量升高,细胞膜脂质被破坏,对脑细胞产生毒害作用[7]。

2.1.3 蛋白质代谢异常 铝可抑制神经细胞内的蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)及蛋白激酶C的活性,而影响tau蛋白异常磷酸化,磷酸化tau蛋白(p-tau)可促进tau蛋白聚集增加。其中,顺式p-tau可能是tau蛋白病变的前兆及神经退行性变的早期驱动因子[8],与神经元重新进入细胞周期之间可能有内在联系。神经元重新进入细胞周期是阿尔茨海默症(Alzheimer’s disease,AD)主要病理表现特征之一,重新进入细胞周期的神经元将导致其自身死亡。该蛋白主要积累于退化神经元的营养不良性轴突,与认知缺陷显著相关[9]。存在于受损的神经元纤维双螺旋丝中的p-tau蛋白,铝与之选择性结合并阻碍其分解,从而使其聚集形成神经原纤维丝缠结(neurofibrillary tangles,NFTs)。NFTs是神经元退行性变化的最后阶段,主要由双螺旋细丝组成,双螺旋细丝又由tau蛋白组成,tau蛋白的异常磷酸化可抑制其本身促进微管组装的能力,从而引起微管组装缺陷,影响学习记忆[10]。

2.2 信号通路传递异常

2.2.1 Ca2+-CaM-CaMKⅡ信号通路异常 有报道称[11]铝抑制钙离子-钙调蛋白-钙离子/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(Ca2+-CaM-CaMKⅡ)信号通路。此信号通路在控制基因转录、细胞生长和分化、神经传递等方面起重要作用。一旦通路阻断即会造成学习、记忆的障碍。

2.2.2 PLC信号通路异常 海马内含有丰富的毒蕈碱型受体,通过与G蛋白偶联,激活磷脂酶(phospholipase C,PLC)系统。PLC信号通路中的信号分子受铝的影响无法正常表达或活化时,神经元无法正常生长、增殖、代谢、分泌而丧失功能[12],最终影响海马功能,导致学习记忆的障碍。

2.2.3 MAPK信号通路异常 长期暴露在铝环境中生长的神经元细胞,影响丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信号通路中的细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)和c-Jun氨基末端激酶(jun N-terminal kinase,JNK)[13]。ERK是将信号从表面受体传导至细胞核的关键,参与细胞增殖与分化、细胞形态维持、细胞骨架的构建、细胞凋亡和细胞的癌变等多种生物学反应,而JNK信号转导通路在基因毒性应激诱发的细胞凋亡过程中起着一定的作用,两者通路异常,损害海马长时程增强(long term potentiaton,LTP)。张立丰课题组[14]研究表明铝暴露引起的空间记忆损伤,其形态学基础可能是基础神经元和突触超微结构的改变,电生理基础可能是海马LTP受损,由此导致脑细胞受损,从而影响学习记忆功能下降。

2.2.4 Ras信号通路异常 铝通过阻碍丝氨酸、细胞外调节蛋白激酶2、磷酸化转录因子如环磷腺苷效应元件结合蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)在蛋白质和mRNA水平的表达,从而损害Ras信号通路的转导,影响大脑信息储存和记忆[15]。Sakamoto等[16]证明铝蓄积使Ras异常,导致γ-氨基丁酸介导的信号抑制功能异常增强,可直接损伤突触可塑性变化,从而引起学习功能障碍。

2.2.5 Wnt信号通路异常 Wnt信号通路在神经细胞的发生、增殖和分化中都发挥重要作用,且与神经节的形成有关。有研究表明[17],长期暴露在铝环境中,抑制该信号通路的转导,增加tau蛋白激酶Ⅰ的活性,从而促进tau蛋白的异常磷酸化。高度磷酸化的tau蛋白可从微管上解离移位或引起聚集,促进NFTs的形成,即AD患者的特征性病变之一。

2.2.6 cAMP-PKA-CREB信号通路异常 张立丰课题组[18]实验表明铝可能会损害大鼠的长期记忆，海马中环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)、PKA、CREB、脑源性神经营养因子和核内转录因子的表达在铝染后明显下降,神经元和突触的超微结构均发生病理变化,这说明铝可能通过抑制cAMP-PKA-CREB信号而改变海马神经元突触超微结构和诱导大鼠长期记忆损害。

2.3 神经递质传递异常

氨基酸类神经递质的含量与结构的改变与神经退行性病变、脑损伤、学习记忆的形成密切相关。而铝对神经递质的影响主要表现为对兴奋性氨基酸递质毒性的诱导作用,如去甲肾上腺素、5-羟色胺。受高铝作用,脑内神经递质乙酰胆碱(acetylcholine,Ach)含量降低[19],Ach释放含量的变化是影响动物学习记忆的主要原因。但乙酰胆碱酯酶活力的降低或升高,目前还不能准确判定。这可能与疾病的早期和晚期不同有关,因为组织受损是逐步进行的,从功能性到器质性,从可逆性到不可逆性,在不同的条件下机体具有适应性代偿调节功能,在受到损害的早晚不同时期可能会出现不同酶活性变化。

2.4 突触受体表达异常

铝可能通过RAS信号转导通路导致α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸(A-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid,AMPA)受体磷酸化障碍,最终表现出LTP的诱导受到抑制。LTP是N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate,NMDA)受体依赖性突触传递效能的持续性增强,是公认的脑学习记忆功能在突触水平的研究模型和细胞基础,0.68μg/ml的铝对LTP有弱化作用,而2.7μg/ml的铝则可以完全阻断LTP[20]。铝还可通过直接干扰NMDA受体的表达,阻碍谷氨酸-一氧化氮-鸟嘌呤核糖苷(Glu-NO-cGMP)信号通路的转导,影响神经细胞正常功能,表现为人的正常的记忆功能丧失。

此外,GABA是AMPA受体介导的抑制性神经元所释放的递质,当AMPA受体被阻断时,GABA释放减少,通过受体抑制NO神经元,进而影响cGMP水平。

2.5 酶活性异常

研究表明[21],铝对己糖激酶活性的影响是因铝与ATP可以形成复合体,Al-ATP络合后可干扰Mg-ATP的作用,成为己糖激酶的竞争性抑制剂,竞争性地结合该酶结合ATP的部位,酶的活性改变后,脑内代谢异常,进而出现神经退行性病变。另外铝可能对脑组织中磷酸果糖激酶、乳酸脱氢酶也有抑制作用。

2.6 基因表达异常

bcl-2作为最重要的细胞凋亡的抑制基因,它与中枢学习记忆功能衰退的关系已得到证实。中枢学习记忆的相关研究表明,铝中毒时,bcl-2基因作为凋亡抑制基因立刻代偿性地表达增强,可能通过抑制脂质内质网释放Ca2+或者消除氧自由基等,保护神经元免受损伤,延长寿命。当铝累积剂量超过bcl-2的代偿能力时,大量神经元发生凋亡,导致大脑功能上表现为学习记忆能力明显下降[22]。

张立丰等[23-24]研究表明,随染毒剂量增加,c-fos mRNA和蛋白表达水平降低并具有一定的相关性,亚慢性铝暴露损害大鼠学习记忆能力,其机制可能与铝造成皮质神经细胞功能减弱(即刻早基因c-fos mRNA和蛋白表达水平下降)有关。

3 铝中毒的治疗

任何中毒的解救都是通过阻断引起其毒性作用的机制过程来实现,虽然铝中毒的全部机制目前尚不明确,但可通过阻断部分机制以缓解病情。通过查阅国内外有关铝中毒治疗的相关文献,现列出5种治疗铝中毒引起学习记忆功能障碍的方法：(1) 尼莫地平给予能升高铝负荷大鼠脑组织的超氧化物歧化酶活性,降低单胺氧化酶活性和丙二醛含量[25],因此钙通道阻滞剂尼莫地平可能成为铝过负荷致脑损伤、神经元退行性疾病的有效防治药物;(2) 多奈哌齐通过选择性抑制中枢神经系统中乙酰胆碱的降解,能显著提高记忆脑区的神经转导功能,具有良好的耐受性和临床安全性[26];(3) 绿茶多酚可减少β-淀粉样蛋白的生成、清除自由基、提高抗氧化酶活性,有效改善记忆功能障碍[27];(4) 顺式p-tau蛋白抗体治疗,可防止NFTs及其他tau蛋白病理化的发展[28];(5) 双嘧达莫对AD大鼠的学习记忆有显著改善作用,作用机制可能与激活cAMP-PKA-CREB信号通路有关[29]。

综上所述,在铝的毒性作用下,Ca2+-CaM-CaMKⅡ信号通路、cAMP-PKA-CREB信号通路、LTP、GABA均影响突触的正常结构功能,突触囊泡大量聚集在突触前膜,使神经递质(如去甲肾上腺素、Ach)释放受阻,同时突触受体如NMDA的表达也会相应降低。突触作为神经元功能和信息传递的关键部位,其变化导致神经元正常功能和结构发生改变,能够引起神经元受损的还包括tau蛋白异常磷酸化、bcl-2基因表达异常、RAS和PLC和Wnt信号通路受到抑制。突触受损也会直接改变脑内细胞结构、代谢和功能,能够引起脑细胞损伤的还包括细胞膜脂质过氧化，刻早基因c-fos表达异常,MAPK、RAS和Wnt信号通路受到抑制。这些机制彼此之间有相同的作用靶点,一旦脑内铝过量,就会发生进行性神经元受损和脑细胞受损,逐渐损害学习记忆功能。

临床上有可以缓解铝中毒进程以及排铝药,但由于铝对人神经毒性的作用机制目前尚未完全明确,因此不能根治,且动物与人的脑部结构功能相差甚远,要彻底明确铝对人脑的毒性机制绝非易事。若能对毒物进行更精准的生物学标记,就能准确监测到其在人体的活动过程,攻克铝引起学习记忆功能障碍的毒性机制指日可待。