铅的神经毒性及对学习记忆的影响

铅的神经毒性及对学习记忆的影响

摘要：铅是广泛存在于生产及生活环境中的有毒重金属元素，其健康危害中最强的就是神经毒性，可对神经系统的许多功能造成不可逆的损害，包括智力降低、听力及视力减退、周围神经功能损害，其中最主要的是影响个体的智力发育及学习记忆功能。研究表明，生长发育期的中枢神经系统对铅毒性极为敏感，极低浓度的铅暴露即可损害学习记忆功能，而且损害程度和血铅浓度呈正相关。本文就铅的神经毒性及其对学习记忆的影响的相关研究进行综述。

关键词：铅；铅中毒；神经毒性；学习记忆

铅是环境中广泛存在的重金属毒物，可经呼吸道、消化道、皮肤等途径进入人体内，主要蓄积于骨骼（>95%）、血液（>2%）及软组织中，可对神经、免疫、心血管、泌尿、生殖等系统的功能造成不同程度的损害[1-4]，中枢神经系统是其毒性作用的主要靶器官之一。神经毒性的表现主要体现在学习记忆能力下降[5]，认知发育缺陷，易怒、多动、注意力不集中等行为障碍，视神经视网膜病变，严重者甚至会出现昏迷、谵语、抽搐等临床表现。近年来对铅的神经毒性机制的研究取得了较大进展，研究主要集中在中枢神经系统神经细胞及突触发生的影响；对体内离子及神经递质的影响；对神经细胞及相关蛋白的影响。 1 铅对海马神经元突触可塑性的影响

中枢神经系统高度的可塑性是学习和记忆的神经基础，其中海马是学习记忆的关键部位。海马区长时程增强（Long-term Potentiation, LTP ）和长时程抑制（Long-term Dpotentiation, LDP）是突触可塑性的表现形式，二者幅度的总和为突触可塑性范围，表示突触可塑性能力的大小[6]。铅可破坏LTP 、LDP 形成的许多环节和步骤，降低突触的可塑性，是铅影响学习记忆功能可能的细胞机制。 海马内有三个主要的兴奋性突触连接，即雪氏侧支-CA1区（SC-CA1），苔状纤维-CA3区（MF-CA3），穿通纤维-齿状回（PP-DG ）。由于这三个区域产生的机理不同[7]，铅对它们的影响也有所不同。CA1、DG 区的LTP 属N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartic acidreceptor, NMDAR) 依赖性LTP ，即它们的诱导依赖于NMDAR 的激活，而NMDAR 是铅神经毒性作用的靶位点之一[8]，铅可通过影响海马CA1、DG 区钙储存和释放而抑制NMADR 依赖性LTP [9]，使其幅度降低，持续时间缩短[10-11]；而CA3区的LTP 属非NMDAR 依赖性的，其产生依赖于谷氨酸释放增加。Ruan 等[12]的研究表明，铅可使CA3区LTP 的幅度增高，可能是铅降低了突触GABA 的释放，从而降低了GABA 介导的抑制作用来增加锥体细胞的兴奋性。而Kawamura 等[13]的研究认为，发育期低浓度铅暴露不会损害CA3区LTP 。海马区LTD 也分为NMDAR 依赖性LTD(如CA1、DG 区LTD)

和非NMDAR 依赖性LTD(如CA3区LTD) 。铅可阻碍CA1区和DG 区LTD 的诱导, 使CA1区和DG 区的LTD 幅度降低[12]。研究表明，CA1区LTP 在学习记忆中发挥更重要的作用[7]，铅暴露严重损害大鼠海马CA1区的LTP 和LTD [14]，使二者的幅度都降低，从而使突触可塑性范围变窄。与发育成熟的海马相比，未成熟海马对铅的神经毒性更为敏感, 突触可塑性更易受损。

2 铅对体内离子及神经递质的影响

铅具有模拟体内二价阳离子的能力，Pb 能替代Ca 2+、Fe 2+、Mg 2+，影响机体生物代谢进程，体内所需离子被铅取代[15]。研究表明，通过采用激光扫描共聚焦显微镜检测铅暴露后新生培养的小鼠海马神经元细胞内和细胞内质网钙离子(［Ca 2+］i 和［Ca 2+］ER) 浓度，结果［Ca 2+］i 浓度增加，［Ca 2+］ER 浓度下降，并且两者成一定的线性关系[16]，Ca 2+离子浓度释放的变化影响认知和学习记忆功能。钙调素是能与钙离子结合的蛋白质，并且能调节钙离子浓度和离子通道，包括钙激活的钾通道、海马N-甲基-D-天冬氨酸受体( NMDAR) 等。铅能够模仿钙离子激活钙调素，对细胞生理产生影响，造成细胞损伤[17]。此外，铅暴露使得体内铁离子超负荷，从而对神经造成损害，慢性铅暴露后采用3-( 4，5-二甲基噻唑-2) -2，5-二苯基四氮唑溴盐( MTT) 法检测体外铁浓度，其结果值明显升高；而且通过免疫组织化学法后发现铅导致动物体内铁含量增多[18]。可以看出，铅暴露对体内离子产生不同程度的影响，以致机体微量元素含量异常，一定程度上对神经造成不利影响。

神经递质是突触传递中起到信使作用的特定化学物质，分为兴奋性和抑制性两种神经递质。乙酰胆碱、谷氨酸、多巴胺( DA) 、5-羟色胺( 5-HT) 等都是重要的神经递质。El-Ansary 等[19]采用神经递质试剂盒检测慢性铅中毒自闭症患者血浆中的浓度及相关的神经递质浓度，发现氨基丁酸( GABA) 、DA 、5-HT 水平高于正常对照组。Basha 等[20]研究发现进入体内的铅离子竞争性抑制Ca 2+，与相应的蛋白结合，使进入体内生物酶Ca 2+含量减少，导致乙酰胆碱酯酶等活性下降。认知能力和学习记忆功能都与神经递质密切相关，铅引起各类递质的改变必然造成学习记忆功能的损害。NO 是一种生物信使分子和典型的神经递质，它参与突触传递长时程增强( Long-term Potentiation ，LTP) 和突触传递长时程抑制( long-term depression，LTD) 的形成和学习记忆功能。Selvin-Testa 等[21]指出Pb 进入大脑与体内Ca 2+和Zn 结合，并在结合位点模仿特定离子，导致不同脑区一氧化氮合酶( Nitric OxideSynthase，NOS) 活性降低并影响其相关亚型表达，最终NO 生成减少，从而影响学习记忆，造成神经损害。

3 铅对脑神经元及相关蛋白的影响

神经元是构成神经系统结构和功能的基本单位，其突起可分为树突和轴突。

突触的修复情况影响脑的发育和学习记忆功能，而谷氨酸受体与突触的可塑性和学习记忆密切相关。Neal 等[22]研究中突触发生时受铅暴露影响，通过免疫组织化学和western blot 等实验方法显示，NMDAR 表达被改变，并伴随着NR1 /NR2A-NMDARs亚型表达减少和NR1 /NR2B-NMDAR亚型表达增多。谷氨酸受体亚基间的转变对受体产生抑制作用，从而对神经元功能和突触可塑性造成持久的影响。除此之外，铅通过减少海马神经元数量，降低神经营养因子( BDNF) 水平，对发育期大脑产生毒性。Baranowska-Bosiacka 等[23]发现，在对围产期铅暴露大鼠海马超微结构的研究中，铅明显减少海马神经元数量，降低BDNF 蛋白水平。

蓄积在脑组织里面的铅能够促使基因和蛋白表达异常，铅进入脑组织后能够破坏脑细胞蛋白、基因的表达。B 淋巴细胞瘤-2 基因( Bcl-2) 是一种原癌基因，它具有抑制细胞凋亡的作用，Bcl-2 相关X 蛋白( Bax) 是一种促进细胞凋亡的基因。Bcl-2 基因的表达及其蛋白增加可抑制细胞凋亡并提高细胞存活能力，而铅促使bcl-2 基因表达能力下降。Bax 基因的表达及其蛋白具有促进凋亡的作用。Sharifi 等[24]采用电子显微镜和免疫印迹的方法，观察铅暴露后大鼠海马细胞凋亡情况和凋亡蛋白Bcl-2、Bax 凋亡情况。结果显示，电子显微镜下细胞死亡数量增多，形态异常，并且Bax 基因表达明显上升，Bax 与Bcl-2 的比值增高，该比值在中枢神经系统神经细胞凋亡过程中起着关键作用。因此铅能够通过影响神经元和相关蛋白如凋亡蛋白、神经生长因子蛋白的表达产生神经毒性。 4 展望

从人类认识铅的毒性以来，国内外学者从未停止过对铅神经毒性的探讨，从整体、细胞到分子水平层面进行了多方面研究。近来铅引起学习记忆功能改变备受关注，尤其致力于LTP 模型及突触可塑性等，可以影响到LTP 的因素都可能成为研究铅神经毒机制的切入点。随着环境治理和人群防护意识的加强，高浓度铅暴露越来越少，亚临床铅中毒越来越受到社会关注，深入探究铅神经毒的分子机制已成为相关研究领域的热点，并可能为铅危害的预防提供相应的理论与实验依据。

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