重金属中毒影响脑内神经发生的研究进展*

熊欣欣，田 杰，束会娟，黄青芸，郭忠信，，3，4，谭国鹤，，3，4△，杨伯宁，，4△

1广西医科大学基础医学院基础医学系，南宁5300212广西生物医药协同创新中心，广西再生医学重点实验室，南宁5300213广西医科大学转化医学研究中心，长寿与老年相关疾病教育部重点实验室，南宁5300214广西特色新型智库——中国-东盟脑科学创新发展研究中心，南宁530021

神经发生是由神经干细胞产生成熟的高度分化功能性神经细胞的过程，是哺乳动物大脑中一个重要的生物学现象，对神经系统发育、成熟以及功能的产生和维持都十分关键[1]。神经发生在胚胎期和出生后早期最为活跃，能够产生机体中所有类型的神经细胞，如神经前体细胞、神经干细胞、神经元和胶质细胞等[2]，此阶段称为胚胎神经发生(embryonic neurogenesis)；而到了成年时期，这种现象也会在局部脑区持续存在，此阶段称为成年神经发生(adult neurogenesis)[3]。具体来说，在胚胎期，位于脑室和脑室下区的神经上皮细胞转化为放射状胶质细胞，这种细胞随后产生早期神经元或中间神经前体细胞，后者通过有丝分裂进一步分化为功能性神经元；到了后期，放射状胶质细胞也参与星形胶质细胞和少突胶质细胞的产生[4]。而在成年期，脑内存留的少量静息干细胞依然保持干性，这些细胞主要分布于海马齿状回的颗粒下区(subgranular zone，SGZ)和侧脑室的室管膜下区(subventricular zone，SVZ)，分别产生瞬时扩增细胞进而分化为未成熟神经元并经过短程迁移到达颗粒细胞层，或增殖为瞬时扩增细胞进而分化后沿着吻侧迁移流迁移至嗅球[5]。在上述神经发生的过程中，任何影响神经发生的因素，如：重金属中毒、转录因子调控异常等，都可能导致脑发育和结构功能的紊乱。随着社会的发展，人类活动如采矿、废气排放和污水灌溉等引起环境中的重金属含量逐渐增加，重金属中毒会影响神经干细胞增殖、分化和迁移，甚至导致智力发育和认知行为障碍。近年研究发现锰、铅、汞和砷等重金属中毒会影响脑内神经发生，这一现象引起了学者们的广泛关注。现就生活中常见的几种重金属中毒对神经发生的影响进行简要论述。

1 锰中毒对脑内神经发生的影响

锰作为一种机体必需的微量元素，在骨矿化和细胞保护中起重要作用，是许多代谢酶的组成成分，也是一种酶激动剂，可参与体内多种重要的生物化学反应。然而，过多的锰离子进入体内会对神经系统产生毒性。研究发现，在采矿社区和钢铁制造业地区，由于长期生活在高浓度锰污染的环境中[6]，一些儿童出现智力下降的情况[7]。新生儿由于血脑屏障不成熟，吸收锰的速度相对成年个体更快，研究人员在哺乳期母代大鼠的饮食中加入过量的锰，发现子代幼鼠通过母乳吸收锰离子后会导致锰在海马、皮层、小脑、中脑和纹状体等部位的蓄积[8]。与此相一致，用相同浓度的锰注入不同年龄段的大鼠体内，幼年期大鼠脑内各个部位的锰积累显著高于成年期大鼠，以海马、皮层等部位最为明显[9]。Wang等[10]通过在妊娠第10天到出生后第21天期间对小鼠进行800 ppm剂量的染毒干预，进一步研究发现，小鼠在出生后第21天SGZ区神经母细胞凋亡增加，未成熟颗粒细胞减少；而在出生后第21天到第77天之间，未成熟神经元和Reelin阳性细胞增多；这些结果提示，发育期的锰中毒会以未成熟颗粒细胞为靶标，诱导细胞凋亡与神经发生持续畸变和错误迁移，导致未成熟神经元的分化障碍。Ohishi等[11]在大鼠身上也进行了同样的试验，验证了锰中毒大鼠的海马齿状回晚期分化和神经发生都受到损害。以上研究表明，发育期锰中毒后脑内锰沉积增多，导致神经细胞功能障碍和异常凋亡，从而严重影响了胚胎神经发生。

人们在体外锰中毒模型的研究中发现，用不同剂量的锰干预体外培养的成年神经干细胞，低浓度(100～300 μmol/L)锰会导致细胞骨架结构失调和形态异常；高剂量(800 μmol/L)锰导致细胞骨架呈片状结构和突起形成过短；与对照组相比，锰干预后组中表达双皮质素(doublecortin，DCX)和胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein，GFAP)的神经干细胞减少，成年神经干细胞的分化功能受到影响[12]。在成年大鼠锰中毒模型中，Fu等[13]用6 mg/kg浓度的锰干预4周后，追踪神经干细胞从SVZ通过吻侧迁移流以及最终在嗅球处的存活和分化后发现，锰中毒组在嗅球处最终成功分化并存活下来的神经元数量减少了约31%，因此，锰中毒会减少在嗅球处存活的成年新生神经干细胞，抑制它分化为成熟神经元，最终导致成年神经发生下降。研究人员进一步发现，锰中毒大鼠脑内SGZ区新生的细胞相比对照组减少了约37%，细胞的存活率显著下降，海马齿状回处的未成熟神经元的分化受到显著抑制，该处的神经发生严重受阻[14]。以上表明，锰中毒会影响细胞骨架和结构，抑制神经干细胞的存活和分化，进而抑制了成年鼠脑内的神经发生。

2 铅中毒对脑内神经发生的影响

铅中毒是公认的重大健康问题，在个体发育期表现为剂量依赖性，主要导致神经损害和智力低下等，受到研究者的广泛关注。临床监测发现，当儿童血铅水平达到10 mg/dL时，IQ值下降7～8分；当血铅浓度大于70 mg/dL时，会引起脑部疾病甚至威胁到生命[15]。Dou等[16]对胚胎期的斑马鱼进行不同浓度的铅干预后发现，当铅浓度达到0.2 mmol/L时，神经发生受损，斑马鱼的神经元和神经胶质细胞凋亡增加，表现出行为迟缓，出现迟缓行为的斑马鱼数量比对照组高出约40%。还有研究发现，从小鼠怀孕第1天开始喂养含0.5 g/L的硝酸铅饮用水，持续28 d发现其子代出生后SVZ区增殖细胞核抗原(PCNA)标记的增殖细胞显著减少，神经元的数量显著下降，并出现神经胶质细胞过多症，说明铅中毒可能会对发育期神经发生和对皮层神经元产生毒性作用，这也可能与铅中毒儿童出现的认知障碍有关[17]。在对出生第1天的大鼠进行21 d的铅干预，当到第80天时，其海马齿状回5-溴脱氧尿核苷(BrdU)标记的阳性细胞显著减少，未成熟神经元和胶质细胞数量显著增多；行为学实验表明，铅中毒组的大鼠成年后焦虑水平持续上升[18]。因此，铅中毒可持续抑制发育期大鼠神经发生，改变海马齿状回新生细胞的分化模式，在一定程度上可能导致个体的行为和认知障碍。

事实上，铅中毒对神经发生的抑制作用是从发育期一直持续到成年的。例如，人们对成年大鼠进行为期7 d的铅(50 mg/kg)注射，铅中毒组动物SVZ与SGZ区的BrdU和DCX阳性细胞数量都显著减少，表明成年神经发生的能力显著下降[19]。另有研究发现，铅中毒大鼠海马齿状回的新生细胞总数相对正常大鼠减少了约13%，新生的未成熟颗粒细胞形成异常树突形态[20]，这说明早期慢性铅中毒可改变大鼠海马成年神经发生和颗粒细胞的形态。还有研究证实，长期暴露于低水平的铅浓度下会导致成年大鼠海马新生细胞数量减少，成年大鼠神经发生能力下降[21]。因此，铅中毒会抑制脑内神经干细胞的增殖和分化能力，使分化后细胞的形态发生改变，最终影响个体神经发生的进程。

3 汞中毒对胚胎神经发生的影响

甲基汞是一种众所周知的强效神经毒物，特别是对发育期的神经系统会产生明显影响，在发育过程中高剂量的汞中毒会导致智力迟钝、脑瘫和癫痫等疾病。在实验研究中，使用氯化汞干预体外培养的人神经干细胞球后，神经干细胞分化为神经元的数量减少，且神经元的迁移距离缩短[22]。将体外培养的大鼠神经干细胞暴露于2.5 nmol/L或5 nmol/L的甲基汞中，传代后细胞的总数都显著减少，说明汞中毒可损伤神经干细胞的增殖能力；同时体内实验表明，围产期汞中毒的大鼠成年后SGZ区的神经元总数比对照组减少约30%；因此，发育阶段低水平的甲基汞中毒会引起神经干细胞增殖能力下降，细胞周期阻滞，最终可能会导致神经发育障碍和神经变性[23]。也有研究表明，汞中毒(5 mg/g)后海马的体积变小，颗粒细胞层和门区的细胞数量显著减少，神经前体细胞的增殖能力下降；围产期急性汞中毒导致子代神经细胞凋亡，造成后续海马结构功能受损[24]。另有研究者对出生7 d的大鼠进行甲基汞皮下注射，诱导急性汞中毒模型，发现低剂量(0.6 mg/g)的汞中毒会导致海马颗粒层和门区的新生细胞数减少约27%和32%，且这种影响会一直持续到出生后21 d；通过使用含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase，Caspase-3)标记凋亡细胞，再与巢蛋白(Nestin)和Sox2分别共标，发现汞中毒后Nestin与Caspase-3共标的细胞比例增加，说明甲基汞可引发神经干细胞的凋亡；对出生后35 d的大鼠进行水迷宫实验发现，汞中毒组大鼠出现空间记忆障碍[25]。

以上表明，汞中毒会导致发育期神经干细胞的增殖能力下降，导致相关脑区的体积变小，海马门区和齿状回的新生细胞显著减少，神经发生受损，最终可导致学习记忆功能的障碍。目前关于汞中毒对成年期脑内神经发生影响的研究还不多，有待进一步深入探讨。

4 砷中毒对脑内神经发生的影响

砷是环境中的一种污染物性有毒物质，能通过饮用水而被接触。流行病学研究表明，即使接触低剂量的砷也会对身体产生负面影响，包括罹患精神障碍和认知功能障碍的概率增加[26]。不仅如此，砷还能通过胎盘屏障影响胎儿的发育，甚至引起胚胎的死亡和流产。大量研究表明，砷可在大脑内蓄积，可导致神经功能损伤，造成智力障碍[27]，产生学习记忆障碍和情绪障碍，尤其对儿童的损害较大[28]。目前，砷中毒对脑内神经发生的影响受到关注：体外培养具有多能性的P19细胞发现，砷中毒会通过抑制WNT/β-catenin信号通路导致P19细胞分化为神经元的能力显著下降[27]；体外培养的人神经干细胞在砷中毒后凋亡增加，分化为神经元的能力受到抑制[29]；对新生大鼠进行砷干预后发现，砷中毒可造成大鼠颗粒细胞外层和锥体细胞外层的未成熟神经元出现分化障碍，引起神经发生异常，进而增加大鼠的焦虑样行为，并造成学习和社交能力的下降，且下降程度与砷的浓度成正相关[30]。由此看来，砷中毒后会造成发育期脑内神经发生的障碍。与其它重金属相类似，发育期砷中毒对个体产生长远的不良影响，一直持续到成年期。研究已证实，围产期中等剂量的砷干预会造成小鼠成年后学习记忆能力的低下甚至缺失；进一步对小鼠从胚胎开始形成到产后23 d期间进行砷干预，结果表明砷中毒组小鼠神经祖细胞的分化数量比对照组减少了约41%[31]。另有研究发现，砷中毒后小鼠SGZ区的新生细胞和新生成熟神经元比对照组显著减少；小鼠成年后接触砷会导致海马神经细胞增殖和成年神经发生受到抑制[32]。以上表明，砷中毒会严重影响成年神经干细胞的分化功能，使神经发生能力受损，最终导致学习和记忆能力低下或者缺失。

5 小结

综上所述，我们可以看出，重金属中毒对脑内的损伤会存在以下一些共同点：①母代围产期重金属中毒均可能导致子代脑内的重金属沉积；②发育期脑内重金属中毒后会影响胚胎神经发生，并导致成年后出现认知和行为的障碍，在体内发挥着持续、长远的影响；③发育期和成年后重金属中毒在脑内均可能影响神经干细胞的存活，抑制神经干细胞的增殖分化能力，甚至诱导神经干细胞的凋亡，对神经发生的全过程产生全面的损伤。通过近年来的研究，重金属中毒对脑内神经发生的具体损害逐步明确，而且已经发现重金属中毒可能与二价金属转运体、WNT/β-catenin和CREB等相关，但是相关的分子生物学机制研究目前还不够深入。在此过程中，重金属中毒影响神经发生的具体细胞环路、胞内介导关键因子、相关的分子信号通路，以及如何寻找有效的新靶点解决重金属对神经发生的抑制作用等这些科学问题，今后还需要进一步深入探究和解决。这将是我们未来的研究重点，以期更好地从分子、细胞、信号通路、动物模型等层面系统地解析重金属对神经发生影响的发病机制，更科学地评估环境因素对人类大脑发育的影响，最终为人们有效地防治重金属中毒性脑病做出贡献。