铅是环境中广泛存在的重金属污染物,具有很强的神经毒性。目前低水平铅对儿童智力发育的影响受到了各方面的广泛关注,对铅神经毒性机制的研究已进入分子水平。研究结果表明,铅可模拟钙离子的第二信使作用,并干扰N -甲基- D - 天门冬氨酸(N - methyl - D - aspartate ,NMDA) 受体离子通道活性、谷氨酸转运代谢、蛋白激酶活性和逆行信使NO 的合成等。此外,铅还诱发产生自由基并干扰体内抗氧化防御系统的功能。但其确切机制如何尚未有明确的结论。本文就其神经毒性分子机制的研究进展综述以下。
1 铅与钙的相互作用
铅和钙离子(Ca2 + ) 同为二价阳离子且水化膜半径相同, 故铅能通过模拟Ca2 + 而干扰Ca2 + 作为第二信使的功能,使细胞内正常的信息传递发生紊乱。此外,铅还与Ca2 + 竞争通过钙通道,并对电压门控性钙通道具有一定的抑制作用。Ca2 +是铅吸收的竞争性抑制剂,Ca2 + 通道阻断剂(D600 和Nifedipine) 可抑制铅的吸收,Ca2 + 通道兴奋剂(K8644) 可增加铅的摄入。但研究也显示,神经细胞中诱导的Ca2 + 浓度( [Ca2 + ]i) 与血铅水平呈显著正相关。其机理可能为:Ca2 + 通道本身具有一种Ca2 + 依赖性失活的反馈调节机制,用以防止过多的Ca2 +内流和细胞内Ca2 + 超载。但这种反馈调节机制可被铅抑制〔1〕,导致Ca2 + 通道开放时间延长,Ca2 + 大量进入细胞内。
另一方面,还可能与铅激活蛋白激酶C(Protein kinase C、PKC)有关。PKC 进一步激活细胞膜、内质网及线粒体膜上的钙通道,从而使胞外的Ca2 + 内流和胞内Ca2 + 储备释放增加,造成胞浆内[Ca2 + ]i 的大幅度提高。实验表明〔2〕,即使是极微量的铅也可激活脑组织中PKC。Schanne〔3〕等通过对PKC 激活剂和抑制剂对细胞内[Ca2 + ]i 影响的研究,证明铅是通过激活PKC导致细胞内[Ca2 + ]i 升高的。细胞内[Ca2 + ]i 增高除可直接促进突触小泡与突触前膜结合,引起神经递质释放外,还可增加钙调素(Calmodulin ,CaM) 及CaM依赖性蛋白激酶系统的活性,其反馈信息被传递到突触前膜,进一步引起递质释放。因此,铅可使突触前膜神经递质的自发性或基础性释放增多,导致突触后膜受体敏感性降低,从而影响突触正常的信号传递和突触后效应的产生〔4 ,5〕。
2 铅对蛋白激酶的影响
存在于神经系统的蛋白激酶主要有3 类: PKC、CaM-蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ) 和环磷酸腺苷(cAMP) -蛋白激酶,它们参与调节神经递质的代谢和释放。参与大脑信息的传递和储存过程。PKC 是Ca2 + 、磷脂依赖的一种蛋白酶,在突触发育、神经元可塑性形成及学习记忆产生等方面发挥重要作用,同时它还参与调节与细胞增殖分化有关的转录和翻译过程。研究表明,PKC 的激活剂和抑制剂可分别促进或抑制长时程增强(Long - term potentiation ,LTP) 效应的产生。LTP 是突触可塑性的一种模式,被认为是学习和记忆过程中细胞水平的可能机制。铅对PKC 比Ca2 + 有更高的亲和力,PKC 对铅的作用非常敏感。研究显示,铅对PKC 激活的浓度范围为10 - 11 mol/ L～10 - 7 mol/ L ,而Ca2 + 为10 - 8 mol/ L～10 - 3 mol/ L ,其激活常数分别为111 ×10 - 10 mol/ L 和316 ×10 - 7 mol/ L〔3〕。Meijerman 等〔6〕研究表明,铅与PKC 的C2 和Cal 区在pmol/ L 水平下即可发生亲和作用,激活PKC;而与Ca2 区在nmol/ L 水平的结合则抑制PKC的活性,而在μmol/ L 水平与催化区域的结合却可阻滞PKC的持续激活。说明铅对PKC 作用是浓度依赖性的。但新近的一项研究提示,经体内和体外途径接触铅,对PKC 活性的影响不同〔7〕。另一方面,铅通过激活未成熟脑毛细血管内皮细胞的PKC ,可导致内皮细胞间的紧密连接分离,使血脑屏障受损〔8〕。Bressler 等〔9 ,10〕提出,铅能激活细胞内的PKC ,并且以PKC 依赖方式诱导新基因的表达。他们推测铅可通过影响突触前后细胞内PKC 的调控机制,而引起学习记忆能力的缺陷。
CaM是神经末梢[Ca2 + ]i 的敏感显示器,当Ca2 + 内流后,CaM的Ca2 + 结合位点被Ca2 + 占据,使CaM的三级构型发生改变,结合并激活包括酶与载体在内的调节蛋白,如CaMKⅡ等。神经系统中CaMKⅡ含量丰富,在突触前递质释放及突触后效应产生中发挥重要作用。它可使突触蛋白Ⅰ磷酸化,进而促进突触小泡与突触前膜结合,释放神经递质〔11〕。铅可代替Ca2 + 形成铅- CaM复合物诱发上述过程,因此,使神经递质释放的基础速率增加。铅还可增加磷酸二酯酶的活力,其结果导致细胞内cAMP 下降和蛋白磷酸化过程受阻,从而影响神经元的正常功能〔12〕。
3 铅对谷氨酸及NMDA受体的影响
谷氨酸(GLU) 是哺乳动物中枢神经系统中重要兴奋性递质,广泛存在于海马等部位。在学习记忆产生、突触可塑性形成及大脑发育等方面发挥重要作用。Sierra 等报道,血铅为0163μmol/ L 的妊娠脉鼠和仔鼠的谷氨酰胺合成酶(GS) 活性降低30 %～40 %。GS 是GLU 代谢转运中的关键酶,故铅可通过影响GS 活性而影响GLU 的转运代谢。GLU 的神经递质效应主要是通过NMDA 受体实现的。NMDA 受体在突触的兴奋性传递、可塑性形成、学习记忆产生等方面也发挥重要作用,它既受电压调控又受递质调控,是产生LTP 的生物学基础。有研究显示,慢性铅暴露对NMDA 受体离子通道具有抑制作用〔13〕。铅可抑制海马神经元已激活的NMDA 受体,使受体通道开放次数减少,并使之恢复减慢〔14〕。利用从大鼠海马CA1和CA3 区快速分离的神经细胞,研究了铅与天门冬氨酸、甘氨酸对NMDA 受体通道电流的影响。结果表明,铅通过与NMDA/ 甘氨酸受体相互作用而改变NMDA 受体通道活性,使通道电流下降。认为铅暴露可降低大鼠海马CA1 - CA3 区神经元NMDA 受体通道中天冬氨酸和甘氨酸的活性,使通道电流减少〔15〕。NMDA 受体通道有多个作用位点,如GLU、甘氨酸、电压依赖性Ca2 + 、Zn2 + 、Mg2 + 、通道阻断剂(如MK- 801)及多胺作用位点等。铅与NMDA 受体通道内的任何一个位点相互作用都可能影响NMDA 受体通道的结构和功能,进而影响大脑的认知功能。因此,NMDA 受体在铅神经毒性形成中起重要作用〔16 ,17〕。研究还表明〔18〕,铅对NMDA 受体的抑制作用与神经元的成熟程度有关,处在不同培养期的海马神经元对铅的抑制作用表现出不同的敏感性。10μmol/ L 铅可降低NMDA 受体诱导的通道电流,与培养28 d 的相比,铅对培养7d 的神经元有更强的抑制作用,其抑制率分别为15 %和57 %。进一步研究发现〔19〕,随着细胞生长,NMDA 受体诱导的全细胞电流会不断发生变化,在培养的大鼠海马神经元上,NMDA受体诱导的电流包含快衰变和慢衰变两种成分,在未成年的海马神经元中快衰变成分占主导地位(55 %) ,而在老年的海马神经元中只占21 %。慢衰变成分随着海马神经元的年龄增加而升高。未成年的海马神经元,快衰变电流比慢衰变电流对铅的抑制作用有更高的敏感性。10μmol/ L 铅可使快、慢NMDA 受体通道电流分别降低了66 %和43 %。Guilarte 等〔20〕利用〔3H〕MK- 801 结合实验证明,铅对MK- 801 与NMDA 受体结合的抑制作用也具有年龄依赖性。
4 铅的氧化损伤
由于神经系统有丰富的可被氧化的基质,因而对于铅介导的氧化损伤尤为敏感。研究发现〔21 ,22〕,染铅小鼠脑脂质过氧化产物明显增高。且大脑不同区域内的脂质过氧化产物与该区域内的铅浓度呈显著正相关。近年来的研究发现,铅可通过诱导活性氧自由基的产生对机体造成氧化损伤〔23〕。除此之外,铅还可通过降低质膜对ROS 的防御能力和削弱细胞的抗氧化防御能力等间接地导致氧化损伤。如减少细胞内谷胱甘肽含量、抑制巯基依赖酶活性、干扰某些维持抗氧化物酶活性的必需微量金属元素作用或通过改变质膜的完整性及脂酸的构型来增加细胞对氧化损伤的敏感性等〔24 ,25〕。故铅可通过诱导自由基的产生和削弱抗氧化防御系统功能的双重作用引起脑组织的氧化应激损伤。
5 铅神经毒性的其它分子机制
神经细胞粘附分子(Neural cell adhesion molecules ,NCAM)是一种细胞表面蛋白复合物,在脑组织的生长发育过程中起着调节细胞间信息传递、神经纤维生长和突触形成的作用。唾液酸含量决定了NCAM对神经细胞发育的调控能力。出生以后,大脑组织中的NCAM发生糖基化,逐渐由富含唾液酸的胎儿型向唾液酸含量少的成人型转变。研究发现,慢性低水平铅暴露能延缓这一转变过程,使脑组织中各成分的发育不能同步化,从而使神经系统结构异常。据认为,这种变化在血铅达到019μmol/ L 时就能发生〔26〕。对此有人指出,铅能延缓糖基化NCAM的发育开关由新生儿型向成人型的转变。其机制可能是:通过抑制特殊的糖基转移酶而降低糖基化反应,或可能影响NCAM基因的转录过程。此外,研究还发现,铅能通过对童年NCAM 分子上的钙或锌结合位点产生作用,干扰NCAM的正常转变,进而干扰神经系统的正常发育〔27～29〕。一氧化氮(NO) 是典型的逆行信息分子,参与神经系统的发育及突触可塑性形成等过程。体外研究表明,100nmol/ L 铅可抑制大鼠小脑细胞NO 合成酶(NOS) 活性〔30〕。Garcia 等〔31〕研究发现,铅可抑制中枢神经系统中结构型NOS 的活力而增加诱导型NOS 的活力。研究发现,从妊娠到产后30d 接触铅的幼年大鼠海马的神经型NOS(nNOS) 阳性细胞的胞体变小和免疫组化染色光密度降低〔32〕,说明铅引起神经元内nNOS 合成表达减少。因此,认为铅中毒引起的学习、记忆及行为障碍与nNOS 水平降低密切相关。硝普钠复合物可产生NO。Xu等〔33〕研究发现,投予硝普钠复合物可增加低水平铅暴露大鼠脑片海马Ca1 区LTP 的诱导发生率,说明铅引起的海马区NO水平降低,是导致LTP 诱导发生率下降的原因之一,是影响突触可塑性形成及学习记忆能力的重要因素。
迄今,大量研究显示,铅对Ca2 + 、PKC、Glu 转运代谢及NMDA 受体复合物环节等均有影响,但哪个部位是铅神经毒性分子机制中的关键环节,目前还存在许多未知。随着研究的不断深入,人们将会更好地了解铅神经毒性分子机制,并在铅中毒的防治实践中发挥重要作用。
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