锰、汞、镉重金属过量对儿童神经系统影响的研究进展

雷雪茜，李娜

(1.沈阳医学院，辽宁 沈阳 110034；2.沈阳市儿童医院，神经康复实验室，辽宁 沈阳 110032)

随着工业化进程的发展，水资源、大气、土壤及食品中各种重金属含量超标，使人体内的重金属浓度过量，引起神经系统损害。由于儿童的手口动作多以及儿童生长发育的需要，重金属更容易在儿童体内蓄积，并通过血脑屏障蓄积于脑组织，使儿童神经系统受到损害，出现发育迟缓与认知障碍，如运动不协调、记忆力下降、智力低下、注意力缺陷障碍多动症、孤独症谱系障碍等。

锰是多种酶如水解酶、谷氨酰胺合成酶和含锰丙酮酸羧化酶的辅助因子，在神经发育、免疫功能和抗氧化防御等方面起着重要作用，但过量会中毒。神经元比其他细胞更易受到锰的影响。锰进入大脑的途径有三种：①从鼻黏膜经嗅觉神经进入脑嗅球；②通过血脑屏障毛细血管内皮细胞进入大脑；③从脉络丛进入脊髓神经丛。锰主要蓄积在基底神经节，纹状体、苍白球和黑质都是其靶点，且苍白球是锰蓄积和产生毒性效应的主要部位。

锰中毒可有类似帕金森病（PD）样的锥体外系运动障碍表现，而PD主要损害黑质部多巴胺能细胞[1]，提示锰中毒与多巴胺信号传导异常有关。锰中毒使突触前膜多巴胺能信号异常和多巴胺释放减少，纹状体多巴胺转运蛋白含量显著下降。过量的锰会抑制基底神经节和中脑表达的D2样多巴胺受体、多巴胺转运体对多巴胺的重摄取，破坏神经突触间隙多巴胺浓度稳态，导致多巴胺能神经元信息传递异常[2-4]。

兴奋性神经递质谷氨酸和抑制性神经递质γ-氨基丁酸(γ- aminobutyric acid， GABA)的重要前体物质谷氨酰胺在神经元和神经胶质细胞的相互作用中有至关重要的作用。锰通过减少特定的谷氨酰胺转运蛋白的表达及降低谷氨酰胺的摄取损害星形胶质细胞谷氨酰胺的转运，破坏神经递质谷氨酸和GABA的平衡[3]。

锰能介导细胞外多巴胺的氧化，产生多种活性氧，导致氧化应激、核酸蛋白质和磷脂氧化损伤。二价锰（ Mn2+）在基底神经节区域氧化成有超强氧化力的三价锰（ Mn3+），Mn3+将多巴胺氧化成神经黑色素的前体物质，该前体物质可能与诱导神经元细胞凋亡相关[5]。Mn2+竞争性抑制线粒体内Ca2+外流，干扰体内钙稳态，导致氧化应激，开启线粒体膜通透性转换孔，间接增强线粒体膜对离子及质子的溶解性，使线粒体肿胀、超微结构改变； Mn2+通过开启通透性转换孔释放细胞色素C( CytC)、继发性激活细胞凋亡蛋白酶9（caspase9）和细胞凋亡蛋白酶3（caspase3）改变线粒体跨膜电位，破坏氧化磷酸化过程，抑制 ATP合成，最终诱导细胞凋亡和神经退行性变[5-6]。

认知是指人脑加工处理接收的外界信息的过程，或获得与运用知识的过程，包括感知觉、记忆、语言、执行和理解判断等方面。认知障碍是指上述认知功能中的一项或多项受损，且个体的日常生活或社会生存能力下降。Stephanie等[7]研究了亚学龄前儿童发锰水平与认知、语言和运动的关系，发现发锰水平越高，儿童的智商分数越低、语言能力越差。Agustin等[8]评估锰暴露对7~11岁儿童语言记忆和学习的影响，对生活在莫兰戈锰矿区的79名儿童和来自同一州的一个非暴露社区的95名儿童进行横断面研究，采用儿童听觉言语学习测验（CAVLT）。发现发锰和血锰水平与CAVLT亚量表呈负相关，即发锰和血锰水平与儿童的语言、长期记忆和学习能力呈负相关。Haynes等[9]研究发现血液和头发中的低锰和高锰浓度都与总智商分数呈负相关。Nascimento等[10]研究了6~12岁儿童锰暴露与神经心理表现的关系，观察到6~12岁儿童血锰含量与视觉感知和语音意识呈负相关，发锰含量与记忆能力呈负相关，饮用水中的锰含量与书写语言和执行功能的抑制性控制能力呈负相关。

Rodrigues等[11]研 究 发 现 W-Mn400μg/L时，Mn对运动功能不利。即锰过量会损害儿童的运动能力，特别是精细运动。Rugless等[12]研究锰、铅暴露与儿童神经运动功能的关系，发现所有与维持静态体位平衡如前庭平衡、视觉平衡和本体感知平衡相关的传入神经通路都受到锰和铅暴露的有害影响，尤其是发锰含量和空气中的锰暴露量与儿童的姿势不稳定性呈正相关。

Rahman等[13]采用韦氏儿童智力量表（WISC-IV）和优势与困难问卷( Strengths and Difficulties Questionnaire, SDQ)对孟加拉国农村1265名10岁儿童的认知能力和行为进行前瞻性队列研究，并采用电感耦合等离子体质谱法测定孕妇及5岁、10岁儿童饮用水中锰的含量。发现孕期和儿童早期接触Mn可能与10岁儿童行为问题的风险增加相关。Sanders等[14]通过研究早期接触锰与儿童/青少年行为之间的关系发现早期锰过量暴露与儿童的注意力缺陷多动障碍(Attention deficit hyperactivity disorder，ADHD)、孤独症谱系障碍(Autism spectrum disorder,ASD)和其他不良行为结果之间存在相关性。

ADHD指以明显的注意力集中困难、注意持续时间短暂、活动过度或冲动为主要特征的一组综合征，患病率一般报道为3%~9%[15]，男女比例为4:1~9:1。经Meta分析国内儿童ADHD总患病率为5.5% (95%CI=4.8%~6.2%)[16]。ADHD可能与锰过量所致中枢神经递质代谢障碍或功能异常有关，如多巴胺和肾上腺素更新率降低、功能低下等[17-18]。Hong等[18]对890名8~11岁儿童的血锰浓度和多动症的相关性进行了研究，发现ADHD状态与血锰水平在预测儿童行为检查表（CBCL）总问题得分以及焦虑/抑郁、社会问题、攻击性行为、内化问题和外化问题方面存在显著的交互作用。发现ADHD患儿血锰水平与CBCL得分存在正相关，与健康儿童比较差异具有显著性。多动症儿童锰暴露机会较其他学龄儿童更多，更易受到锰暴露神经毒性的影响，且锰暴露会增加并发精神疾病的风险。Gunier等[19]研究了6、12、24个月婴幼儿乳牙牙本质中的产前和产后早期锰暴露水平与行为结果的相关性，发现主要是产后早期的锰暴露与婴幼儿的精神、心理、运动发育呈负相关。

ASD是以孤独症为代表的一组异质性疾病的总称，是发生于婴幼儿或儿童时期的心理发育障碍性疾病，基本特征为社会交往障碍、兴趣局限及刻板行为，可伴不同程度的智力发育落后。Roberts等[20]研究了围生期空气污染物的暴露与儿童患孤独症谱系障碍的相关性，发现围产期接触柴油、铅、锰等与ASD显著相关，且在性别上有显著差异，即男孩比女孩更易受到暴露导致的不良影响。Rossignol等[21]也支持环境毒物暴露与ASD有着关联性，他们特别强调了关于锰的一项研究，该研究报告指出，围产期接触的空气污染物中的20%~80%种污染物与ASD的风险增加密切相关，包括集合金属 (OR=1.5；95%CI，1.3~1.7)、汞 (OR=2.0；95%CI，1.2~3.3)、铅 (OR=1.6；95%CI，1.1~2.3)、镍 (OR=1.7)；95%CI，1.1~2.5)，锰 (OR=1.5；95%CI，1.1~2.2），柴 油 微 粒 (OR=2.0；95%CI，1.0~4.0)和亚甲基氯化物 (OR=1.8；95%CI，1.2~2.7)，提示围产期接触空气污染物可能增加ASD的风险。

中枢神经系统是甲基汞的主要靶器官，甲基汞在血脑屏障间的转运及神经细胞对它的摄取，都是通过L型中性氨基酸转运体与甲基汞结合形成的甲基汞-L-半胱氨酸复合物完成的。甲基汞脱烷基化后可在大脑中持续存在，使神经系统汞中毒症状长期存在。甲基汞通过抑制星形胶质细胞的谷氨酸摄取、刺激突触前终末释放谷氨酸，导致细胞外谷氨酸增多、过度激活N-甲基D-天冬氨酸型谷氨酸受体，使神经元内钙离子增多、线粒体崩溃，同时激活神经元型一氧化氮合酶，增加一氧化氮（NO）的产生；破坏线粒体电子转移链(主要在复合物Ⅱ-Ⅲ水平)，导致活性氧（ROS：超氧阴离子OH-和过氧化氢(H2O2)的形成增多。H2O2能抑制星形胶质细胞谷氨酸转运蛋白，OH-与NO反应生成过氧亚硝酸根,均能导致兴奋性神经毒性[6]。

汞的神经精神毒性也涉及到水银汞(Hg21)，Hg21由甲基汞通过血脑屏障后去甲基化形成，在大脑皮层、小脑、基底神经节和边缘区域聚集。Hg21与巯基具有很高的亲和力，形成巯基基团，影响含巯基的酶和受体，导致细胞骨架损伤、细胞凋亡；使钙离子和氧自由基超载；选择性地抑制突触对谷氨酸的再摄取，引起离子通道、膜、轴突和髓鞘变性，破坏神经元信息传导、迁移和细胞分裂[22]。

Newland等[23]研究甲基汞对神经发育的损害，发现甲基汞会破坏强化神经敏感性的过程，增强对多巴胺激动剂的敏感性，损害行为抑制能力。Gandhi等[24]研究了孕鼠接触甲基汞后对其子代的影响，发现甲基汞暴露后死产率及难产率明显升高、幼鼠的发育受到显著不良影响、运动能力明显受损或表现为过度活动及重复刻板行为。Pino等[25]研究6-11岁儿童头发甲基汞水平与儿童行为、情绪问题及执行功能的关系，发现发汞含量与儿童的社会行为、焦虑和抑郁、注意力缺陷多动障碍等呈正相关。Huamei Li等[26]研究发现ASD患儿血汞、砷、镉和铅含量与年龄和性别匹配的对照组有显着性差异，儿童ASD组血清汞、砷含量显著高于对照组(P

Sadek等[28]研究了亚慢性镉暴露的神经毒性，发现镉引发神经毒性的机制一是产生自由基，自由基与细胞膜反应导致细胞损伤、细胞内成分泄漏。神经细胞中易氧化底物含量高，特别是膜脂多不饱和脂肪酸含量高，保护性抗氧化酶含量低，膜表面积与细胞质体积之比高，故神经细胞易受到自由基引起的氧化损伤。二是镉通过干扰钙代谢，抑制乙酰胆碱释放，产生神经毒性。三是镉可导致抗氧化剂的耗竭。在Sadek等的实验中，镉对大鼠超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT）的活性和基因表达均有抑制作用，而SOD和CAT对活性氧（ROS）所致的氧化应激反应有稳定的保护作用。

Yuan等[29]研究了Ca2+信号传导通路在镉诱导大鼠大脑皮层神经元凋亡中的作用。镉暴露可显著下调Bcl-2表达、上调Bax表达，使细胞内Ca2+增加、线粒体Ca2+超载、线粒体崩解、细胞凋亡；ROS增多，细胞色素氧化酶亚基功能障碍，线粒体膜电位降低，caspase-9、caspase-3激活和二磷酸腺苷核糖聚合酶裂解。因此，镉是通过损害ATP酶活性和er信号通路调控的Ca2+传导破坏细胞内Ca2+的稳态，导致Ca2+浓度升高、钙离子-线粒体凋亡信号通路激活。

Sanders等[14]确定了十项探究早期镉暴露对神经发育和认知的影响的研究，发现产前及儿童期镉暴露水平与儿童智商、言语理解能力呈显著负相关。同时6-15儿童尿镉水平与学习障碍或残疾和特殊教育之间有显著相关性[30]。Lee等[31]研究了多种重金属与神经认知功能及ADHD症状之间的关系，发现锑水平与ADHD症状严重程度呈正相关；镉水平与智商呈负相关；铅水平与韦氏儿童智力量表的大部分指标呈负相关，与注意力不集中、多动/冲动呈正相关(P

重金属检测样本通常是全血或血清。血红蛋白约占全血的40%，其内储存了多种元素（ Fe、 Pb、 Cd等），采用全血检测这些元素的灵敏度较高。全血的基质复杂，易受到某些氧化物、氯化物干扰，需采用消解法进行预处理，待检测元素被污染的风险大。血清中某些元素（如 Ca、 Cu等）含量高于血红蛋白中的含量，且血清基质相对简单，可采用稀释法进行预处理，步骤简单、重复性好、检测速度快、污染的风险小[32]。随着检测仪器灵敏度的提高，血清中含量较低的元素也能够被检测到， 故一般推荐采静脉全血后进行离心处理，以血清作为分析样本。血清保存于4℃冰箱，可与-70℃条件下保存相同时间（36个月），又节约能源[33]。

原子吸收光谱法（Atomic Absorption Spectroscopy,AAS）是基于待测元素的基态原子蒸汽对其特征谱线的吸收，由特征谱线的特征性和谱线被减弱的程度对待测元素进行定量分析的一种仪器分析方法。该技术通常使用火焰原子化器（F-AAS）或石墨炉（GF-AAS）。F-AAS检测速度快，灵敏度低、检测限为10-9 g/mL数量级；GF-AAS灵敏度高、检测限为10-13 g/mL数量级，检测精密度低且速度慢[34-35]。电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）检测限与F-AAS 接近，对Al、Ba 等难溶金属元素的灵敏度较高，但无法检测铅、砷、硒、汞等元素[36]。电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS） 灵敏度较ICP-OES 高50~100 倍以上，而且受基质干扰的影响低[37]。此外，ICP-MS 具有多元素检测能力和更高的样品通量。Renata等[38]研究表明用ICP-MS对尿液中的元素进行分析具有快速、准确、灵敏、选择性强的优点。加拿大健康部门采用ICP-MS对人口微量元素进行普查[39]；美国疾控预防控制中心推荐使ICP-MS检测尿液和血液中多种重金属[40]。由此可见，ICP-MS已成为临床最为推荐的重金属检测方法。

重金属锰主要蓄积在苍白球和纹状体，通过干扰多巴胺能神经元信息传递，破坏谷氨酸-谷氨酰胺循环，产生氧化应激、损伤线粒体使ATP合成障碍，导致细胞死亡、神经退行性变。汞致神经系统毒性机制一是甲基汞通过血脑屏障后，使谷氨酸和钙代谢紊乱、产生氧化应激；二是水银汞与巯基结合，影响含巯基的酶和受体，使细胞骨架损伤、细胞凋亡，同时Hg21还可选择性地抑制突触对谷氨酸的再摄取。至于镉，一是使自由基大量产生，引起氧化应激；二是干扰钙的代谢，抑制乙酰胆碱的释放；三是使抗氧化剂耗竭；四是损害ATP酶活性，破坏细胞内Ca2+稳态，触发钙离子-线粒体凋亡信号通路，使细胞凋亡。母亲体内蓄积的重金属通过胎盘血运进入胎儿体内，导致流产、难产、死产、胎儿畸形或婴幼儿运动能力不良和（或）智力缺陷。儿童接触过量的锰、汞、镉会导致其认知、运动、行为功能出现异常，如语言、长期记忆和学习能力以及智商均明显低于同年龄人水平；运动能力特别是精细运动能力差；严重的心理行为问题，如ADHD、ASD等。因而选择一个灵敏、准确且高效的检测人体内重金属含量的技术方法显得尤为重要。现在国际上推荐使用ICP-MS检测血、尿中的重金属， ICP-MS灵敏度高、可测含量范围宽、抗干扰能力强、重复性好及检测速度快，可以大大提高重金属中毒的检出率。由于重金属锰、汞、镉中毒不仅危害孕妇及胎儿，也危害儿童的生理及心理健康，需要我们提高对重金属中毒的重视程度，尽量避免儿童接触过量的重金属，从而降低重金属中毒事件的发生率，提高儿童及其家庭的生活质量。

世界最新医学信息文摘2021年51期