氟暴露所致腦損傷及硒的干預作用

摘要 氟是人體必需的微量元素，但攝入過量能引起骨相系統損害。流行病學和動物實驗結果表明，長期過量氟暴露還能損害中樞神經系統，從而損傷動物的學習記憶力和兒童的智商。自由基損傷傷學說可能是氟致腦損傷的機理之一。而硒也是人類必需的微量元素之一，動物實驗結果表明，適量硒能拮抗氟致腦功能的損傷，其機理可能與硒的抗氧化性的生物學功能有關。

關鍵詞 氟中毒，學習和記憶，硒，干預作用。

分類號 B845

近些年來，由于環境因素所造成的腦功能的損傷已越來越引起學者們的關注，地方性氟中毒(地氟病)就是其中之一。地氟病屬典型的地球化學性疾病，累及世界許多國家和地區。地理性高氟、氟工業廢物的污染、煤煙排放物、不良飲茶習慣，使全世界有5億人口接觸高氟。地氟病是我國當前危害最嚴重的地方病，直至上世紀90年代末，全國受威脅的病區人口還有1億多。地氟病主要分為燃煤型、飲水型和飲茶型三種，其中飲水型氟中毒分布在除上海以外的29個省(市、自治區)的1054縣(市、旗)，病區總人口為27226萬，其中飲用高氟水的6300多萬人中有近3000萬人出現病癥，因此，地氟病的防治工作還相當艱巨。地氟病可引起機體骨骼和牙齒等骨相器官廣泛的病理性損害已是眾所周知的事實，由于長期過量氟攝入可使氟透過血腦屏障并積蓄在腦內，從而損害中樞神經系統，因此，近些年來，地氟病對中樞神經系統的影響已引起關注。

1 氟中毒對動物學習記憶行為及兒童智商的影響

1.1 氟中毒對動物學習記憶行為的影響

氟是人體必需的微量元素，正常生理狀態下，主要分布于骨相組織(骨骼和牙骨質中)。我國衛生部2006年頒布的GB5749-2006生活飲用水衛生標準規定：我國飲水氟衛生標準值集中式供水為1mg/L，小型集中式性供水和分散式供水為1.2mg/L。長期飲用含氟量超標的水可引起血氟濃度升高，從而導致體內氟蓄積，引起氟斑牙和氟骨癥。同時，氟是原生質毒物，神經組織對氟的敏感性很高，過量氟透過血腦屏障而進入腦組織后，可對神經組織產生直接損害。行為變化是早期敏感的毒理學指標，人和動物長期接觸低劑量的環境毒物，常在出現臨床和生化指標改變之前，就表現行為功能障礙。因此，行為發育指標的選擇對于確定環境污染物的神經毒性作用具有重要的實際意義。開場行為(Open field)作為動物對新異環境的探究性和自發性活動，它的變化主要反應了動物神經系統興奮性的改變，動物研究結果顯示，飲用高濃度(中氟5mg/L和高氟10mg/L)氟化鈉溶液3個月的2組小鼠(亞慢性染毒)，其在開場行為反應箱中的移動格數和后腿站立次數均少于蒸餾水對照組和標準氟化鈉組(1mg/L)；Y-迷宮分辨學習的研究結果顯示，隨著氟濃度的增加，小鼠達到學會標準所需訓練次數逐漸增多，高氟組比蒸餾水對照組多將近一倍(p＜0.05)；穿梭葙條件回避學習記憶能力的檢測結果表明，飲用高氟水的小鼠學習和記憶能力顯著落后于對照組。Bhatnagar等的研究再次證實了上述實驗結果。Ekambaram等的研究還發現，高氟能抑制大鼠的自發性神經活動，使其自我協調能力下降、攝食減少和體重下降，慢性氟中毒的研究結果也表明，氟中毒對大鼠及子代的學習記憶力有顯著的損傷作用。上述結果提示，長期過量高氟攝入能損傷動物的學習記憶等高級神經活動。

1.2 氟中毒對兒童智商的影響

Zhao等用瑞文法測定了我國山西省某地區(飲水含氟4.12mg/L)兒童的平均智商(intelligence quotient，IQ)，結果為97.69，明顯低于飲水含氟量正常(0.91mg/L)地區的兒童平均智商(IQ為105.21)。有研究者調查了我國臺灣和江蘇兩省長期居住在高氟地區(水氟含量為2.97±0.79mg/L)和低氟地區(水氟含量為0.36±0.15mg/L)的兒童智商，結果顯示，高氟地區兒童智商IQ平均低于低氟地區兒童8～10個百分點。Calderon等對墨西哥San Luis Potosi市飲用高氟自來水的6～8歲兒童的調查結果顯示，高氟能降低兒童抽象思維能力及反應速度，并進一步影響兒童的學習能力。結果提示，高氟攝入與兒童智商相對低下有一定的關聯度。

2 氟致腦損傷的細胞及分子水平的研究

2.1 氟中毒對腦細胞亞微結構和細胞膜組織組成成分的影響

腦內海馬(hippocampus)是學習記憶的重要腦區，是氟的神經毒性的靶部位和特異性易損腦區，突觸(synapse)是神經信息傳遞的關鍵部位，易受體內外因素的影響而發生可塑性變化。實驗研究結果表明，長期高氟攝入能引起小鼠腦海馬內突觸間隙顯著增寬，突觸后致密物質(PosbSynaptic Density，PSD)顯著變薄等病理性改變。動物研究表明：慢性氟中毒能引起小鼠海馬神經細胞、神經纖維、神經突觸及血腦屏障顯著受損。shiyaraisshankara等觀察了在飲水中NaF含量高達100mg/L的環境下生長的胎鼠、新生鼠及出生后10周的大鼠，發現其腦內海馬、杏仁核、皮層和小腦等部位神經細胞均嚴重受損，細胞膜褶皺，線粒體膨脹，染色體固縮、濃染。長期高氟攝入還能引起小鼠腦細胞膜磷脂及脂肪酸組成改變。提示高氟所致腦內神經細胞結構的病理性變化和細胞膜組成成分的改變可能是氟致腦功能損傷的形態學和物質基礎。

2.2 氟中毒對神經遞質和受體的影響

腦內神經遞質的代謝及受體的數量是影響腦內神經信息傳遞的主要因素。氟中毒可引起腦內影響神經細胞遞質合成和某些受體數量的減少。長期高氟攝入能使大鼠腦組織內5-羥色胺、去甲。腎上腺素含量顯著下降，而甲腎上腺素含量顯著升高。亞慢性氟中毒能使小鼠腦組織內一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)活性顯著降低。

普遍認為中樞膽堿能系統在學習記憶中具有重要的作用，有學者由此提出了學習記憶的膽堿能假說(Cholinergic hypothesis)，認為老年性學習記憶減退與膽堿能神經元退變有關。氟中毒對腦內膽堿能系統的影響已引起學者們的關注。實驗研究表明，氟中毒能使小鼠腦組織內乙酰膽堿脂酶(acetylcholinesterase，AchE)活性的顯著降低，這和Byer等報道過研究結果相一致，AchE活性的降低能使腦組織內乙酰膽堿含量異常增多以及和受體的作用時間延長，從而影響學習記憶功能。腦內膽堿能受體分為毒蕈堿型(muscarinic acetylcho-line receptor，mAchR)和煙堿型(nicotinic acetylcho-line receptom，nAchR)2大類，其中腦內nAchR損傷已在臨床上作為多種神經性疑難病診斷主要指標的之一。動物研究表明，大劑量氟暴露大鼠學習記憶能力的顯著受損可能與氟致腦組織內脂質過氧化過強導致的nAchR受體數的顯著下降有關，近些年的相關研究報道進一步證明了該實驗推論。

2.3 氟中毒對腦組織中基因和蛋白質的影響

隨著現代分子生物學技術的不斷發展，研究者們開始從分子和基因水平探討氟暴露所致腦功能損傷的機理。由于氟是一種電負性極強且化學性質活潑的強氧化劑，與尿嘧啶及酰胺之間有很強的親和力，因此，過量氟進入血腦屏障在腦中蓄積后，作為外源誘導物引起DNA和RNA的斷裂、遺傳信息和結構的改變，增加DNA復制過程中堿基配對的錯誤頻率。過量氟還可與細胞中的Mg²⁺、磷酸鹽形成鎂氟磷酸鹽，抑制DNA多聚酶和RNA酶的活性，造成DNA損傷后難以恢復或修復錯誤。

一般認為，學習記憶與腦內的物質代謝有關，尤其是與腦內蛋白質的合成有關。動物實驗證明，慢性氟中毒的腦組織中可溶性蛋白、堿性蛋白和總蛋白含量均顯著降低，且mRNA含量也明顯降低，從而使蛋白質合成率也降低。

3 氟致腦損傷的機理

體內自由基的形成與清除處于平衡狀態是保證正常生命活動的必要條件之一，一旦這種平衡受到破壞，即可造成機體廣泛性損傷。20世紀60年代，人們開始關注自由基與疾病的關系。自開展地方性氟中毒研究以來，研究者們對慢性氟中毒的具體發病機制眾說紛紜，但隨著對氟中毒患者體內脂質過氧化作用研究的逐步深入，人們開始關注氟中毒與脂質過氧化作用的關系，并提出了氟中毒的氧自由基損傷學說，其主要內容為：盡管氟是人體的必需微量元素之一，但過量攝入也可作為一種外源性毒物，過量氟影響了體內氧化還原酶的生物活性，干擾了體內氧化與抗氧化系統的平衡，使起抗氧化作用的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、谷胱甘肽過氧化酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)等的生物活性受抑，而起氧化作用的自由基在體內大量蓄積，含量增加，脂質過氧化作用增強，其產物丙二醛(malonyldialdehede。MDA)可交聯蛋白質和磷質的氨基，使膜性結構的脆性增加。動物實驗表明，氟中毒能使腦組織潛在性的氧化水平增高、MDA含量上升、SOD活性顯著下降。結果提示，自由基損傷學說可能是氟致腦損傷的主要機理之一。

4 硒對氟致腦損傷的干預作用

地氟病可引起包括中樞神經系統在內的非骨相和骨相器官的病理性損傷，目前在地氟病的預防措施和治療方法方面有許多亟待解決的問題，其中探尋高效、低毒的新型抗氟藥物就是當前亟待解決的問題之一。近年來，國內在氟和有關微量元素關系方面的研究取得了重要進展，尤其是微量元素硒拮抗氟毒性方面，是近年來防治氟中毒的新領域。由于硒是GSH-Px和一些抗氧化蛋白不可缺少的組成成分，具有消除自由基和維護生物膜的穩定性等重要生理功能，因此，硒在機體內的抗氧化作用以及補硒對某些疾病的防治作用越來越引起人們的注意。在地方病的防治研究中，硒對克山病、大骨節病的防治作用已被公認，近年來有關氟、硒元素相互關系及硒對氟致骨相器官和肝臟、腎臟、心臟等非骨相器官損傷的保護也頗受關注。流行病學現場調查和動物實驗均已證明，一定劑量的硒對可緩解氟中毒，使尿氟排泄，糾正自由基和脂代謝紊亂，明顯抑制氟誘導的脂質過氧化，使GSH-Px活性顯著升高，血氟降低。提示硒對氟致機體損傷的保護作用可能與硒的抗氧化作用有關。

近些年來，硒對氟致腦損傷的干預作用已有所報道。龐永旬等的研究表明，硒對氟致人腦細胞超微結構的損傷具有明顯的保護作用。動物研究表明：適量硒(1.5mg/L)能顯著改善小鼠氟致學習能力的損傷，而且這種改善作用可能與硒逆轉氟致腦海馬內突觸界面結構及突觸體內線粒體內膜的病理性變化、腦組織內氟致AchE活性的升高及氟致NOS活性的降低有關，其機理可能是適量硒能拮抗氟致腦組織抗氧化能力的降低。陳軍等的研究表明，硒對氟致大鼠腦神經細胞DNA損傷具有明顯的保護作用。

5 存在的問題和展望

近年來，氟中毒對腦功能的損傷研究雖取得了較為豐碩的成果，但有些不足之處，主要有：(1)實驗研究使用的氟劑量往往過大，其反應的多是超大劑量氟化物的一般毒性作用，并不能代表氟化物對其靶細胞的特殊作用；(2)動物氟暴露時間過短，多數實驗設計的氟暴露時間為1至6個月，而現實生活中，人類與環境化學物往往是低劑量的長期接觸；(3)脂質過氧化最常見的指標是MDA和SOD等，其測定方法受多種因素的影響，不僅特異性與敏感性均較低，而且所得結果也互有差異或相互矛盾：(4)氟中毒并不是引起體內自由基變化的單一因素，引起引起體內自由基變化的因素還有許多，如有研究表明，短期小劑量氟在富鈣飲食條件下并不引起大鼠體內自由基含量增加，而低鈣加氟時自由基含量明顯升高，引起的病理變化更嚴重。此外，已有研究表明腦細胞內鈣離子濃度的變化與學習記憶功能密切相關，因此，氟致腦損傷過程中腦細胞內鈣離子濃度的變化應當引起關注。因此，針對上述氟的神經毒性研究中存在的主要問題，在研究方法等方面做一些改進，如適當降低氟染毒的劑量、適當延長染毒時間、選用特異性與敏感性較好的脂質過氧化作用的指標(如自由基一自旋標記法)、在探討氟中毒的神經毒性的機理時，增加以腦細胞內鈣離子濃度的變化為觀測終點等。此外，目前國內外有關腦內神經信號傳導途徑中對氟敏感的、特異性較強的一些靶蛋白、靶分子的研究報道不多。神經信號傳導途徑中核轉錄因子的表達水平等與腦內神經信號的傳導關系密切，開展氟致腦功能的損傷與腦內這些特異性的靶蛋白或靶分子的相關性研究對探討氟中毒對中樞神經系統損傷的分子機理無疑有重要意義。至于以往硒對氟致腦功能損傷的干預作用研究，主要側重于硒對氟中毒的拮抗作用，而硒對氟中毒的預防作用和治療作用的研究鮮見報道，因此有必要進一步開展硒對氟致腦功能損傷的預防和治療作用的研究。由于氟對機體損害的廣泛性，地氟病臨床癥狀和中樞神經系統結構與功能的復雜性等多種因素影響，增加了氟致腦損傷治療研究的難度，氟致腦損傷治療還有待于進一步深入研究。我國是地氟病高發的國家，進一步開展氟致腦損傷及硒的干預作用的研究，對于提高我國的國民素質，促進我國社會的可持續健康發展具有重要的理論和現實意義。