环境中的有害金属通过干扰肠道菌群稳态影响机体神经系统功能研究进展*

郑煜丹，张 涛，吴启运

(南通大学公共卫生学院，南通 226019)

金属元素在人类生活环境中无处不在，与人类生活密切相关。人们在日常生活中会频繁使用它们，成为人类暴露的一个持续来源，环境中的有害金属已经成为影响人类健康的主要因素之一。如环境中的砷、铅、汞、铝和镉等金属元素即使含量很低也可能有毒性作用[1]，而硒、铜、锌等人体必需微量元素如摄入过量也会对人体造成损害[2]。

数以万亿计的细菌存在于人类的肠道中，在维持机体的正常生理功能方面起着至关重要的作用[3]。肠道菌群除参与食物消化和能量获取，还在神经发育、免疫反应、炎症和生物转化方面发挥重要的作用[4]。机体许多疾病的发生都与其肠道菌群构成的改变有关，如肠道菌群失调可诱导产生肥胖、糖尿病和胰岛素抵抗[5]。多种外源物质可以改变肠道细菌群落组成，干扰关键代谢物的产生，从而极大地影响肠道菌群和宿主之间的相互作用[6]。同时，肠道菌群也参与调节外源物质对宿主的影响。肠道菌群又被称为机体的第二免疫系统[7]。

大脑和中枢神经系统(central nervous system,CNS)之间通过肠-脑轴产生的双向影响已被认可[8]。肠-脑轴被认为是CNS 健康的一个重要的靶点。肠道菌群通过以下几个方面影响神经系统的功能：(1)肠道菌群参与代谢产生的代谢产物，如5-羟色胺、多巴胺和短链脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFA)都是与神经行为直接相关的神经递质；(2)特定的代谢物，如SCFA 可以调节外周免疫细胞的功能，进而可能通过脑淋巴网络影响脑功能[7]；(3)肠道菌群可影响免疫细胞的分化和功能[9]。这些免疫细胞可通过脑淋巴网络迁移到CNS 并影响大脑功能。肠道菌群、肠道上皮屏障、肠道免疫系统和肠道神经系统(enteric nervous system,ENS)之间的相互作用产生了一个动态网络，旨在协调胃肠道生理和保持肠道微环境的完整性，肠道菌群还与ENS-迷走神经通路相互作用，但其相互作用的机制尚未完全探明。

环境中的有害金属如铅、锰的暴露可以导致机体全身多系统多脏器功能损害的机制已经得到比较深入的研究，这些有害金属可经呼吸道、消化道及皮肤黏膜等途径进入机体产生毒性作用。近年来，环境中的有害金属暴露与机体肠道菌群的相关性深受关注，有害金属可改变机体肠道菌群的组成及多样性，特别是肠-脑轴理论的不断丰富成熟，环境中有害金属可能通过干扰肠道菌群稳态介导机体神经毒性这一新的研究受到重视，本综述旨在对国内外学者关于有害金属经肠道菌群导致神经系统危害的最新研究进展进行梳理和总结。

1 重金属

1.1 铅 铅是一种高毒性重金属污染物，接触极低浓度的铅，就会对人体产生持久损伤。成年人可通过接触自然环境中的铅、饮用被铅管污染的水、冶炼金属、制造油漆等环境中接触到铅。铅神经毒性的机制比较复杂。铅可以穿过血脑屏障(blood brain barrier,BBB)，在大脑中积累，并优先损害前额叶大脑皮层、海马和小脑。与成人相比，铅更易被儿童吸收，儿童CNS 更易受到影响，儿童年龄越小，大脑越容易中毒[10]。在2～4 岁期间，环境铅对发育中的大脑毒性最大。非常高的暴露剂量会导致急性威胁生命的脑病，而较低的暴露剂量会以线性、剂量依赖的方式降低智力。B.GAO 等[11]用成年雌性C57BL/6 小鼠饮用含10 ppm 的铅13 周后，发现对照组和铅处理组之间的肠道菌群结构发生显著改变。铅暴露减少了维生素E 和胆汁酸途径中的肠道菌群代谢物，并改变了氮代谢和能量代谢的基因丰度。J.Z.XIA 等[12]研究显示，在暴露于15 周最高0.1 mg/L 铅的5 周龄小鼠中发现了能量代谢失调和肠道菌群组成的改变；在门水平上，在慢性暴露于铅15 周后，盲肠内容物中拟杆菌门和厚壁菌门的相对丰度降低。此外，与对照组相比，0.1 mg/L 铅处理组在8～15 周的粪便中厚壁菌门的丰度也显著降低。肠道菌群16S rRNA 测序结果显示接触0.1 mg/L 铅15 周后，厚壁菌门的丰度显著降低，而拟杆菌门和变形杆菌门的丰度增加。提示慢性铅暴露可能通过肠道菌群对宿主健康产生影响。研究[13]发现斑马鱼暴露于10 或30 μg/L 的铅7 d，在门水平上，变形菌的水平下降，厚壁菌的水平上升。在暴露于30 μg/L 铅7 d 之后，拟杆菌的水平增加，而梭杆菌的水平降低。H.H.KOU 等[14]发现暴露于1 000 ppm 铅49 d 的日本鹌鹑与对照组相比厚壁菌门数量减少，拟杆菌门数量增加。一项关于成年人的横断面研究[15]发现，尿铅水平的升高与肠道微生物α 多样性和丰富度的增加有关。肠道微生物β 多样性的差异与尿铅水平的差异显著相关。变形菌门及伯克氏杆菌的存在，与尿铅的增加密切相关。这些研究结果初步表明，铅暴露能影响机体肠道菌群结构并影响代谢产物，但还需要更多的研究来证明肠道菌群在铅引起神经毒性中的作用。

1.2 砷 砷是一种广泛分布于水和土壤中的重金属，自然环境中的浓度极低。机体可因摄入被砷污染的食物及饮水或参与砷的开采等方式引起砷中毒。砷是一种已知的致癌物，影响皮肤、肺、膀胱、肾和肝等组织。砷对发育、神经系统、呼吸系统、心血管系统、免疫系统和内分泌系统的影响也很明显。包括无机砷和甲基化砷在内的所有形式的砷，都在大脑的许多部位积累，其中在脑垂体积累最多。K.LU 等[16]将C57BL/6 小鼠暴露于含10 ppm 砷的饮用水4 周后，对照组和暴露组小鼠之间产生了明显的微生物组成差异，其中2 个微生物类别增加，7 个微生物类别减少。L.CHI 等[17]将C57BL/6 小鼠经10 ppm 砷暴露4周后也证明小鼠肠道菌群组发生了改变，还发现小鼠性别也是影响肠道微生物组成的一个重要因素。X.X.DONG 等[18]对砷污染区儿童粪便16S rRNA 基因测序发现，高砷暴露组比低砷暴露组粪便中变形杆菌明显增加。L.CHI 等[19]发现暴露于亚砷酸盐的小鼠，总砷负荷和尿液中砷水平显著增加，而粪便砷水平显著降低，表明了肠道微生物群在宿主砷负荷及生物转化中起到了重要作用，肠道菌群有可能限制砷的吸收。

1.3 汞 汞是一种常温下可蒸发的银色液态金属，常用于温度计、气压计等产品。宿主可因为摄入含汞蒸气或汞化合物的食物，从而对宿主健康产生损害。接触元素汞可能会导致颤抖、疲劳和情绪紊乱，而人类中毒的证据有限。但甲基汞(有机汞)毒性很高，会导致成年人的神经元变性、共济失调、感觉异常和反应迟缓。研究[20]调查了底鳉(一种小型河口鱼类)在饮食中添加汞15 d 后，肠道细菌对汞和抗生素的耐药性的变化，汞暴露鱼类微生物群对3～4 种抗生素产生了耐药性，merA 丰度与对照组相比差异非常显著，将胃肠道中细菌的抗生素耐药性表型与汞接触联系起来，揭示环境中汞污染程度可能与机体抗生素耐药性相关。S.E.ROTHENBERG 等[21]发现孕妇(妊娠36～39 周)粪便中甲基汞、无机汞及头发中的总汞与17 个细菌菌属显著相关。J.E.BISANZ 等[22]的一项针对孕妇和儿童的流行病学研究发现，食用益生菌酸奶可以防止孕妇血液中的汞和砷含量升高，但对儿童则没有影响。X.Y.LIN 等[23]发现肠道也是甲基汞毒性的靶组织之一，口服甲基汞暴露不仅会损害肠道完整性，诱发炎症、免疫和神经反应，还会影响肠道微生物群丰度，并且发现了一些肠道微生物群与肠-脑轴相关代谢产物的变化高度相关。这些代谢产物的变化影响了肠-脑相互作用的化学信号传递，可能参与调节甲基汞对CNS 的毒性作用，提示了甲基汞神经毒性可能存在新的机制。

1.4 镉 镉主要从电池、涂料和电镀、塑料稳定剂、化石燃料燃烧、磷肥和废物焚烧中释放。锌、铅、铜的开采以及有色金属生产和水泥生产也增加了环境中镉的浓度。普通人群主要通过食物途径接触镉。日本痛痛病的病史是采矿和冶炼造成的大规模镉中毒，被认为是日本四大污染疾病之一。经口暴露的镉较难被吸收。据估计，人体胃肠道对镉的吸收不到5%，而动物的吸收约为1%。在正常情况下，由于BBB 的存在，通过口服途径的镉几乎不能到达成人的大脑。如果通过吸入途径，镉沿着初级嗅觉神经元被运输到嗅球的末端，从而绕过完整的BBB，进入脑实质和神经元，通过抑制含硫醇的酶和降低血清素和乙酰胆碱水平，导致人类或动物的神经系统产生改变。接触镉会严重影响神经系统的功能，症状包括嗅觉功能及神经行为障碍，以及注意力下降、反应速度减缓和记忆缺陷。多项研究[24-28]显示镉影响动物肠道微生物群，细菌群落发生显著变化，但目前报道的结果不尽相同，甚至出现相反的结果。研究[24]发现448 μg/L的镉处理中国林蛙胚胎后，镉暴露组中国林蛙肠道菌群的多样性和组成产生了显著改变。在门水平上，镉暴露组厚壁菌门减少明显，在属水平上，镉暴露组琥珀酰菌(厚壁菌门)、脱硫弧菌(变形菌门)和梭杆菌(梭杆菌门)消失，证明镉暴露改变了中国林蛙蝌蚪肠道微生物群落的组成，降低了其群落多样性。中国蟾蜍蝌蚪暴露于最高200 μg/L 的镉后，肠道微生物群落的物种多样性、分类组成和群落结构也受到影响，随着镉浓度的增加，物种多样性和丰富度逐渐降低；此外，变形菌门、拟杆菌门和厚壁菌门等优势菌门及克雷伯氏菌属和气单胞菌属等优势菌属的相对丰度也受到镉暴露的影响[25]。Y.LIU 等[26]发现100 mg/kg镉处理的小鼠从第2 周起厚壁菌门与拟杆菌门的比例都显著降低。3 周的低浓度镉处理下小鼠肠道双歧杆菌、乳酸杆菌的数量显著减少。将小鼠暴露于10 mg/L 镉10 周后，厚壁菌门和变形菌门的丰度显著降低，而拟杆菌门的丰度与对照组的相应水平相比有所增加，在科水平而言，盲肠内容物中拟青霉科的水平显著增加，而幽门螺杆菌科的水平在镉暴露后降低[27]。Q.BA 等[28]发现早期低剂量镉暴露的雄性小鼠在门水平上拟杆菌门的丰度增加，厚壁菌门的丰度减少；在属水平上，双歧杆菌和普雷沃氏菌的水平显著降低。斑马鱼在发育早期接触环境剂量的镉会导致肠道微生物群失调和神经毒性作用，在门水平上，镉处理组斑马鱼变形菌的丰度增加，而厚壁菌门的丰度减少，在属水平上，高剂量组中12 种微生物群落的比例和对照组相比发生了变化，表明肠道微生物群的改变可能与环境剂量的镉暴露所诱导的神经毒性相关[29]。上述研究出现截然相反的结果可能是由于处理剂量、动物模型和测序方法的不同等原因造成的。

2 其他金属

2.1 铜 铜在大自然中广泛存在，铜也是人体的必需微量元素，在CNS 发育中起重要作用，铜摄入过多或过少会引起阿尔茨海默病、肌萎缩性侧索硬化、亨廷顿病、门克斯病、枕角综合征等。人体可通过食用被铜污染的水或食物，导致铜摄入过量。F.ZHANG等[30]发现喂食高浓度铜组(120、240 mg/kg)SD 大鼠粪便菌群的丰度和多样性均高于低浓度组(6 mg/kg)，并且与大鼠回肠和结肠消化液中铜含量的增加有关。X.L.MENG 等[31]将鲤鱼持续暴露于含铜溶液8 周后，与对照组相比，异杆菌、布拉氏菌属、粪杆菌、罗氏菌属的丰度明显降低。Y.PANG 等[32]发现将肉鸡回肠内容物放在含铜培养基培养，乳杆菌数量增加，大肠杆菌数量减少，但这种体外细菌数量变化可能与体内生物学无关。F.BISCARINI 等[33]发现饮食补充铜的荷斯坦牛，胃微生物群落比对照组丰富，在脂质代谢中起作用的长链酰基辅酶a 合成酶基因和脂多糖生物合成代谢途径在铜处理组表达较低。J.DAI 等[34]发现铜暴露对肠道菌群α 和β 多样性有剂量依赖性的关系，降低了益生菌的丰度，降低肠道微生物与肠道细菌的比例(F/B)，改变了脂肪代谢和肠道炎症相关细菌的丰度，并影响相关的代谢途径。

2.2 锰 锰是一种机体必需的微量元素，许多酶反应都需要锰的参与。大脑对过量的锰特别敏感，锰在大脑中的积累会导致帕金森样症状神经退化性疾病。锰能够在基底神经节积累并引起明显的神经毒性效应，症状包括四肢震颤、步态障碍等，被称为“锰中毒”。L.CHI 等[35]发现锰处理C57BL/6 小鼠后，肠道菌群有明显的变化，经锰暴露的雄性小鼠，厚壁菌门的相对丰度显著增加，而雌性小鼠该相对丰度降低。锰暴露也改变了色氨酸和γ-氨基丁酸代谢途径中肠道微生物组相关基因的丰度。表明锰暴露引起的肠道菌群失调可能会干扰肠道内神经递质或相关前体的正常代谢，从而进一步干扰正常的肠道-大脑相互作用。H.WANG 等[36]观察到锰暴露增加了宿主锰的生物蓄积，增加了β-淀粉样蛋白、受体相互作用蛋白激酶3 和caspase-3 在脑中的产生，并导致了海马的变性和坏死。锰暴露导致肠道细菌丰富度降低，特别是前角杆菌科、镰刀菌科和乳酸菌科。此外，锰暴露还改变了色胺酸、牛磺酰胆碱、β-羟基丙酮酸和尿氨酸的代谢，同时还发现某些细菌种类的丰度与胰蛋白酶、牛磺酰胆酸、β-羟基丙酮酸和尿甘酸的含量有关。正常大鼠可通过粪便移植塑造肠道微生物群来减轻锰暴露对神经毒性的影响，发现肠道微生物对锰致CNS 神经变性具有保护作用。

2.3 镁 镁通过影响与抑郁症相关的神经传递途径参与体内多种化学反应，包括心血管、消化、内分泌和骨关节系统以及脑生物化学。G.WINTHER等[37]发现缺镁饮食6 周的C57BL/6 小鼠出现了类似抑郁的行为，并且肠道微生物组成与缺镁有关，尚不清楚肠道微生物群的组成变化是否影响到类似抑郁的行为。

2.4 金 通常认为金元素被认为是无毒的，可以作为食物和饮水的美化剂，粒子态的金有一定的神经毒性。大剂量口服含金的化合物药物(奥拉诺芬)后会产生严重的神经症状。J.D.LEVINE 等[38]发现硫代苹果酸金钠在用于类风湿性关节炎抗炎治疗时能减少无髓轴突的数量，表明金参与调控周围神经系统的信号反应。L.R.WANG 等[39]发现将金纳米团簇灌胃BALB/c 小鼠7 d 后，变形菌门在第7 天显著增加，在属水平上，金黄色葡萄球菌在7 d 时明显减少，而葡萄球菌、解脲支原体和甲基杆菌显著增加。

3 结论

有害金属的神经毒性越来越受到科研人员的重视，还在不断向广度和深度推进，目前国内外研究主要集中于有害金属本身对人体各系统产生的影响，从肠道菌群探讨神经毒性，肠道菌群是否介导有害金属产生神经毒性的研究较少。随着肠-脑轴的确立，有害金属与肠道菌群的相关研究开始受到关注，从理论上讲，肠道菌群是有可能通过以下方式影响神经系统：(1)有害金属经过肠道菌群的生物转换产生神经毒性物质；(2)有害金属破坏肠道屏障完整性，产生炎症因子影响全身，不少研究已初步证实金属-肠道菌群-神经毒性这一途径的存在，当然是否所有有害金属都可通过这个途径还有待进一步研究证实。为了更好地研究有害金属、肠道菌群、神经毒性三者之间的关系，还应着重考虑实验设计、动物模型、金属剂量、暴露模式、测序技术、数据分析、质量控制措施以及微生物与宿主相互作用的复杂性等方面的因素，结合更多的人群队列调查，采用宏基因组学、转录组学、蛋白质组学，特别是代谢组学等新手段来开展研究，为金属职业暴露人群提供科学的预防措施，从全新的角度解释环境中的有害金属与人体健康的相关性，对人类健康有较大意义。