鄭煜丹，張 濤，吳啟運(yùn)

(南通大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，南通 226019)

金屬元素在人類生活環(huán)境中無處不在，與人類生活密切相關(guān)。人們在日常生活中會(huì)頻繁使用它們，成為人類暴露的一個(gè)持續(xù)來源，環(huán)境中的有害金屬已經(jīng)成為影響人類健康的主要因素之一。如環(huán)境中的砷、鉛、汞、鋁和鎘等金屬元素即使含量很低也可能有毒性作用[1]，而硒、銅、鋅等人體必需微量元素如攝入過量也會(huì)對人體造成損害[2]。

數(shù)以萬億計(jì)的細(xì)菌存在于人類的腸道中，在維持機(jī)體的正常生理功能方面起著至關(guān)重要的作用[3]。腸道菌群除參與食物消化和能量獲取，還在神經(jīng)發(fā)育、免疫反應(yīng)、炎癥和生物轉(zhuǎn)化方面發(fā)揮重要的作用[4]。機(jī)體許多疾病的發(fā)生都與其腸道菌群構(gòu)成的改變有關(guān)，如腸道菌群失調(diào)可誘導(dǎo)產(chǎn)生肥胖、糖尿病和胰島素抵抗[5]。多種外源物質(zhì)可以改變腸道細(xì)菌群落組成，干擾關(guān)鍵代謝物的產(chǎn)生，從而極大地影響腸道菌群和宿主之間的相互作用[6]。同時(shí)，腸道菌群也參與調(diào)節(jié)外源物質(zhì)對宿主的影響。腸道菌群又被稱為機(jī)體的第二免疫系統(tǒng)[7]。

大腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)之間通過腸-腦軸產(chǎn)生的雙向影響已被認(rèn)可[8]。腸-腦軸被認(rèn)為是CNS 健康的一個(gè)重要的靶點(diǎn)。腸道菌群通過以下幾個(gè)方面影響神經(jīng)系統(tǒng)的功能：(1)腸道菌群參與代謝產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，如5-羥色胺、多巴胺和短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFA)都是與神經(jīng)行為直接相關(guān)的神經(jīng)遞質(zhì)；(2)特定的代謝物，如SCFA 可以調(diào)節(jié)外周免疫細(xì)胞的功能，進(jìn)而可能通過腦淋巴網(wǎng)絡(luò)影響腦功能[7]；(3)腸道菌群可影響免疫細(xì)胞的分化和功能[9]。這些免疫細(xì)胞可通過腦淋巴網(wǎng)絡(luò)遷移到CNS 并影響大腦功能。腸道菌群、腸道上皮屏障、腸道免疫系統(tǒng)和腸道神經(jīng)系統(tǒng)(enteric nervous system,ENS)之間的相互作用產(chǎn)生了一個(gè)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，旨在協(xié)調(diào)胃腸道生理和保持腸道微環(huán)境的完整性，腸道菌群還與ENS-迷走神經(jīng)通路相互作用，但其相互作用的機(jī)制尚未完全探明。

環(huán)境中的有害金屬如鉛、錳的暴露可以導(dǎo)致機(jī)體全身多系統(tǒng)多臟器功能損害的機(jī)制已經(jīng)得到比較深入的研究，這些有害金屬可經(jīng)呼吸道、消化道及皮膚黏膜等途徑進(jìn)入機(jī)體產(chǎn)生毒性作用。近年來，環(huán)境中的有害金屬暴露與機(jī)體腸道菌群的相關(guān)性深受關(guān)注，有害金屬可改變機(jī)體腸道菌群的組成及多樣性，特別是腸-腦軸理論的不斷豐富成熟，環(huán)境中有害金屬可能通過干擾腸道菌群穩(wěn)態(tài)介導(dǎo)機(jī)體神經(jīng)毒性這一新的研究受到重視，本綜述旨在對國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于有害金屬經(jīng)腸道菌群導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)危害的最新研究進(jìn)展進(jìn)行梳理和總結(jié)。

1 重金屬

1.1 鉛 鉛是一種高毒性重金屬污染物，接觸極低濃度的鉛，就會(huì)對人體產(chǎn)生持久損傷。成年人可通過接觸自然環(huán)境中的鉛、飲用被鉛管污染的水、冶煉金屬、制造油漆等環(huán)境中接觸到鉛。鉛神經(jīng)毒性的機(jī)制比較復(fù)雜。鉛可以穿過血腦屏障(blood brain barrier,BBB)，在大腦中積累，并優(yōu)先損害前額葉大腦皮層、海馬和小腦。與成人相比，鉛更易被兒童吸收，兒童CNS 更易受到影響，兒童年齡越小，大腦越容易中毒[10]。在2～4 歲期間，環(huán)境鉛對發(fā)育中的大腦毒性最大。非常高的暴露劑量會(huì)導(dǎo)致急性威脅生命的腦病，而較低的暴露劑量會(huì)以線性、劑量依賴的方式降低智力。B.GAO 等[11]用成年雌性C57BL/6 小鼠飲用含10 ppm 的鉛13 周后，發(fā)現(xiàn)對照組和鉛處理組之間的腸道菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變。鉛暴露減少了維生素E 和膽汁酸途徑中的腸道菌群代謝物，并改變了氮代謝和能量代謝的基因豐度。J.Z.XIA 等[12]研究顯示，在暴露于15 周最高0.1 mg/L 鉛的5 周齡小鼠中發(fā)現(xiàn)了能量代謝失調(diào)和腸道菌群組成的改變；在門水平上，在慢性暴露于鉛15 周后，盲腸內(nèi)容物中擬桿菌門和厚壁菌門的相對豐度降低。此外，與對照組相比，0.1 mg/L 鉛處理組在8～15 周的糞便中厚壁菌門的豐度也顯著降低。腸道菌群16S rRNA 測序結(jié)果顯示接觸0.1 mg/L 鉛15 周后，厚壁菌門的豐度顯著降低，而擬桿菌門和變形桿菌門的豐度增加。提示慢性鉛暴露可能通過腸道菌群對宿主健康產(chǎn)生影響。研究[13]發(fā)現(xiàn)斑馬魚暴露于10 或30 μg/L 的鉛7 d，在門水平上，變形菌的水平下降，厚壁菌的水平上升。在暴露于30 μg/L 鉛7 d 之后，擬桿菌的水平增加，而梭桿菌的水平降低。H.H.KOU 等[14]發(fā)現(xiàn)暴露于1 000 ppm 鉛49 d 的日本鵪鶉與對照組相比厚壁菌門數(shù)量減少，擬桿菌門數(shù)量增加。一項(xiàng)關(guān)于成年人的橫斷面研究[15]發(fā)現(xiàn)，尿鉛水平的升高與腸道微生物α 多樣性和豐富度的增加有關(guān)。腸道微生物β 多樣性的差異與尿鉛水平的差異顯著相關(guān)。變形菌門及伯克氏桿菌的存在，與尿鉛的增加密切相關(guān)。這些研究結(jié)果初步表明，鉛暴露能影響機(jī)體腸道菌群結(jié)構(gòu)并影響代謝產(chǎn)物，但還需要更多的研究來證明腸道菌群在鉛引起神經(jīng)毒性中的作用。

1.2 砷 砷是一種廣泛分布于水和土壤中的重金屬，自然環(huán)境中的濃度極低。機(jī)體可因攝入被砷污染的食物及飲水或參與砷的開采等方式引起砷中毒。砷是一種已知的致癌物，影響皮膚、肺、膀胱、腎和肝等組織。砷對發(fā)育、神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)的影響也很明顯。包括無機(jī)砷和甲基化砷在內(nèi)的所有形式的砷，都在大腦的許多部位積累，其中在腦垂體積累最多。K.LU 等[16]將C57BL/6 小鼠暴露于含10 ppm 砷的飲用水4 周后，對照組和暴露組小鼠之間產(chǎn)生了明顯的微生物組成差異，其中2 個(gè)微生物類別增加，7 個(gè)微生物類別減少。L.CHI 等[17]將C57BL/6 小鼠經(jīng)10 ppm 砷暴露4周后也證明小鼠腸道菌群組發(fā)生了改變，還發(fā)現(xiàn)小鼠性別也是影響腸道微生物組成的一個(gè)重要因素。X.X.DONG 等[18]對砷污染區(qū)兒童糞便16S rRNA 基因測序發(fā)現(xiàn)，高砷暴露組比低砷暴露組糞便中變形桿菌明顯增加。L.CHI 等[19]發(fā)現(xiàn)暴露于亞砷酸鹽的小鼠，總砷負(fù)荷和尿液中砷水平顯著增加，而糞便砷水平顯著降低，表明了腸道微生物群在宿主砷負(fù)荷及生物轉(zhuǎn)化中起到了重要作用，腸道菌群有可能限制砷的吸收。

1.3 汞 汞是一種常溫下可蒸發(fā)的銀色液態(tài)金屬，常用于溫度計(jì)、氣壓計(jì)等產(chǎn)品。宿主可因?yàn)閿z入含汞蒸氣或汞化合物的食物，從而對宿主健康產(chǎn)生損害。接觸元素汞可能會(huì)導(dǎo)致顫抖、疲勞和情緒紊亂，而人類中毒的證據(jù)有限。但甲基汞(有機(jī)汞)毒性很高，會(huì)導(dǎo)致成年人的神經(jīng)元變性、共濟(jì)失調(diào)、感覺異常和反應(yīng)遲緩。研究[20]調(diào)查了底鳉(一種小型河口魚類)在飲食中添加汞15 d 后，腸道細(xì)菌對汞和抗生素的耐藥性的變化，汞暴露魚類微生物群對3～4 種抗生素產(chǎn)生了耐藥性，merA 豐度與對照組相比差異非常顯著，將胃腸道中細(xì)菌的抗生素耐藥性表型與汞接觸聯(lián)系起來，揭示環(huán)境中汞污染程度可能與機(jī)體抗生素耐藥性相關(guān)。S.E.ROTHENBERG 等[21]發(fā)現(xiàn)孕婦(妊娠36～39 周)糞便中甲基汞、無機(jī)汞及頭發(fā)中的總汞與17 個(gè)細(xì)菌菌屬顯著相關(guān)。J.E.BISANZ 等[22]的一項(xiàng)針對孕婦和兒童的流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，食用益生菌酸奶可以防止孕婦血液中的汞和砷含量升高，但對兒童則沒有影響。X.Y.LIN 等[23]發(fā)現(xiàn)腸道也是甲基汞毒性的靶組織之一，口服甲基汞暴露不僅會(huì)損害腸道完整性，誘發(fā)炎癥、免疫和神經(jīng)反應(yīng)，還會(huì)影響腸道微生物群豐度，并且發(fā)現(xiàn)了一些腸道微生物群與腸-腦軸相關(guān)代謝產(chǎn)物的變化高度相關(guān)。這些代謝產(chǎn)物的變化影響了腸-腦相互作用的化學(xué)信號傳遞，可能參與調(diào)節(jié)甲基汞對CNS 的毒性作用，提示了甲基汞神經(jīng)毒性可能存在新的機(jī)制。

1.4 鎘 鎘主要從電池、涂料和電鍍、塑料穩(wěn)定劑、化石燃料燃燒、磷肥和廢物焚燒中釋放。鋅、鉛、銅的開采以及有色金屬生產(chǎn)和水泥生產(chǎn)也增加了環(huán)境中鎘的濃度。普通人群主要通過食物途徑接觸鎘。日本痛痛病的病史是采礦和冶煉造成的大規(guī)模鎘中毒，被認(rèn)為是日本四大污染疾病之一。經(jīng)口暴露的鎘較難被吸收。據(jù)估計(jì)，人體胃腸道對鎘的吸收不到5%，而動(dòng)物的吸收約為1%。在正常情況下，由于BBB 的存在，通過口服途徑的鎘幾乎不能到達(dá)成人的大腦。如果通過吸入途徑，鎘沿著初級嗅覺神經(jīng)元被運(yùn)輸?shù)叫崆虻哪┒?，從而繞過完整的BBB，進(jìn)入腦實(shí)質(zhì)和神經(jīng)元，通過抑制含硫醇的酶和降低血清素和乙酰膽堿水平，導(dǎo)致人類或動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生改變。接觸鎘會(huì)嚴(yán)重影響神經(jīng)系統(tǒng)的功能，癥狀包括嗅覺功能及神經(jīng)行為障礙，以及注意力下降、反應(yīng)速度減緩和記憶缺陷。多項(xiàng)研究[24-28]顯示鎘影響動(dòng)物腸道微生物群，細(xì)菌群落發(fā)生顯著變化，但目前報(bào)道的結(jié)果不盡相同，甚至出現(xiàn)相反的結(jié)果。研究[24]發(fā)現(xiàn)448 μg/L的鎘處理中國林蛙胚胎后，鎘暴露組中國林蛙腸道菌群的多樣性和組成產(chǎn)生了顯著改變。在門水平上，鎘暴露組厚壁菌門減少明顯，在屬水平上，鎘暴露組琥珀酰菌(厚壁菌門)、脫硫弧菌(變形菌門)和梭桿菌(梭桿菌門)消失，證明鎘暴露改變了中國林蛙蝌蚪腸道微生物群落的組成，降低了其群落多樣性。中國蟾蜍蝌蚪暴露于最高200 μg/L 的鎘后，腸道微生物群落的物種多樣性、分類組成和群落結(jié)構(gòu)也受到影響，隨著鎘濃度的增加，物種多樣性和豐富度逐漸降低；此外，變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門等優(yōu)勢菌門及克雷伯氏菌屬和氣單胞菌屬等優(yōu)勢菌屬的相對豐度也受到鎘暴露的影響[25]。Y.LIU 等[26]發(fā)現(xiàn)100 mg/kg鎘處理的小鼠從第2 周起厚壁菌門與擬桿菌門的比例都顯著降低。3 周的低濃度鎘處理下小鼠腸道雙歧桿菌、乳酸桿菌的數(shù)量顯著減少。將小鼠暴露于10 mg/L 鎘10 周后，厚壁菌門和變形菌門的豐度顯著降低，而擬桿菌門的豐度與對照組的相應(yīng)水平相比有所增加，在科水平而言，盲腸內(nèi)容物中擬青霉科的水平顯著增加，而幽門螺桿菌科的水平在鎘暴露后降低[27]。Q.BA 等[28]發(fā)現(xiàn)早期低劑量鎘暴露的雄性小鼠在門水平上擬桿菌門的豐度增加，厚壁菌門的豐度減少；在屬水平上，雙歧桿菌和普雷沃氏菌的水平顯著降低。斑馬魚在發(fā)育早期接觸環(huán)境劑量的鎘會(huì)導(dǎo)致腸道微生物群失調(diào)和神經(jīng)毒性作用，在門水平上，鎘處理組斑馬魚變形菌的豐度增加，而厚壁菌門的豐度減少，在屬水平上，高劑量組中12 種微生物群落的比例和對照組相比發(fā)生了變化，表明腸道微生物群的改變可能與環(huán)境劑量的鎘暴露所誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性相關(guān)[29]。上述研究出現(xiàn)截然相反的結(jié)果可能是由于處理劑量、動(dòng)物模型和測序方法的不同等原因造成的。

2 其他金屬

2.1 銅 銅在大自然中廣泛存在，銅也是人體的必需微量元素，在CNS 發(fā)育中起重要作用，銅攝入過多或過少會(huì)引起阿爾茨海默病、肌萎縮性側(cè)索硬化、亨廷頓病、門克斯病、枕角綜合征等。人體可通過食用被銅污染的水或食物，導(dǎo)致銅攝入過量。F.ZHANG等[30]發(fā)現(xiàn)喂食高濃度銅組(120、240 mg/kg)SD 大鼠糞便菌群的豐度和多樣性均高于低濃度組(6 mg/kg)，并且與大鼠回腸和結(jié)腸消化液中銅含量的增加有關(guān)。X.L.MENG 等[31]將鯉魚持續(xù)暴露于含銅溶液8 周后，與對照組相比，異桿菌、布拉氏菌屬、糞桿菌、羅氏菌屬的豐度明顯降低。Y.PANG 等[32]發(fā)現(xiàn)將肉雞回腸內(nèi)容物放在含銅培養(yǎng)基培養(yǎng)，乳桿菌數(shù)量增加，大腸桿菌數(shù)量減少，但這種體外細(xì)菌數(shù)量變化可能與體內(nèi)生物學(xué)無關(guān)。F.BISCARINI 等[33]發(fā)現(xiàn)飲食補(bǔ)充銅的荷斯坦牛，胃微生物群落比對照組豐富，在脂質(zhì)代謝中起作用的長鏈?；o酶a 合成酶基因和脂多糖生物合成代謝途徑在銅處理組表達(dá)較低。J.DAI 等[34]發(fā)現(xiàn)銅暴露對腸道菌群α 和β 多樣性有劑量依賴性的關(guān)系，降低了益生菌的豐度，降低腸道微生物與腸道細(xì)菌的比例(F/B)，改變了脂肪代謝和腸道炎癥相關(guān)細(xì)菌的豐度，并影響相關(guān)的代謝途徑。

2.2 錳 錳是一種機(jī)體必需的微量元素，許多酶反應(yīng)都需要錳的參與。大腦對過量的錳特別敏感，錳在大腦中的積累會(huì)導(dǎo)致帕金森樣癥狀神經(jīng)退化性疾病。錳能夠在基底神經(jīng)節(jié)積累并引起明顯的神經(jīng)毒性效應(yīng)，癥狀包括四肢震顫、步態(tài)障礙等，被稱為“錳中毒”。L.CHI 等[35]發(fā)現(xiàn)錳處理C57BL/6 小鼠后，腸道菌群有明顯的變化，經(jīng)錳暴露的雄性小鼠，厚壁菌門的相對豐度顯著增加，而雌性小鼠該相對豐度降低。錳暴露也改變了色氨酸和γ-氨基丁酸代謝途徑中腸道微生物組相關(guān)基因的豐度。表明錳暴露引起的腸道菌群失調(diào)可能會(huì)干擾腸道內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)或相關(guān)前體的正常代謝，從而進(jìn)一步干擾正常的腸道-大腦相互作用。H.WANG 等[36]觀察到錳暴露增加了宿主錳的生物蓄積，增加了β-淀粉樣蛋白、受體相互作用蛋白激酶3 和caspase-3 在腦中的產(chǎn)生，并導(dǎo)致了海馬的變性和壞死。錳暴露導(dǎo)致腸道細(xì)菌豐富度降低，特別是前角桿菌科、鐮刀菌科和乳酸菌科。此外，錳暴露還改變了色胺酸、?；酋Ｄ憠A、β-羥基丙酮酸和尿氨酸的代謝，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)某些細(xì)菌種類的豐度與胰蛋白酶、?；酋Ｄ懰?、β-羥基丙酮酸和尿甘酸的含量有關(guān)。正常大鼠可通過糞便移植塑造腸道微生物群來減輕錳暴露對神經(jīng)毒性的影響，發(fā)現(xiàn)腸道微生物對錳致CNS 神經(jīng)變性具有保護(hù)作用。

2.3 鎂 鎂通過影響與抑郁癥相關(guān)的神經(jīng)傳遞途徑參與體內(nèi)多種化學(xué)反應(yīng)，包括心血管、消化、內(nèi)分泌和骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)以及腦生物化學(xué)。G.WINTHER等[37]發(fā)現(xiàn)缺鎂飲食6 周的C57BL/6 小鼠出現(xiàn)了類似抑郁的行為，并且腸道微生物組成與缺鎂有關(guān)，尚不清楚腸道微生物群的組成變化是否影響到類似抑郁的行為。

2.4 金 通常認(rèn)為金元素被認(rèn)為是無毒的，可以作為食物和飲水的美化劑，粒子態(tài)的金有一定的神經(jīng)毒性。大劑量口服含金的化合物藥物(奧拉諾芬)后會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的神經(jīng)癥狀。J.D.LEVINE 等[38]發(fā)現(xiàn)硫代蘋果酸金鈉在用于類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎抗炎治療時(shí)能減少無髓軸突的數(shù)量，表明金參與調(diào)控周圍神經(jīng)系統(tǒng)的信號反應(yīng)。L.R.WANG 等[39]發(fā)現(xiàn)將金納米團(tuán)簇灌胃BALB/c 小鼠7 d 后，變形菌門在第7 天顯著增加，在屬水平上，金黃色葡萄球菌在7 d 時(shí)明顯減少，而葡萄球菌、解脲支原體和甲基桿菌顯著增加。

3 結(jié)論

有害金屬的神經(jīng)毒性越來越受到科研人員的重視，還在不斷向廣度和深度推進(jìn)，目前國內(nèi)外研究主要集中于有害金屬本身對人體各系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，從腸道菌群探討神經(jīng)毒性，腸道菌群是否介導(dǎo)有害金屬產(chǎn)生神經(jīng)毒性的研究較少。隨著腸-腦軸的確立，有害金屬與腸道菌群的相關(guān)研究開始受到關(guān)注，從理論上講，腸道菌群是有可能通過以下方式影響神經(jīng)系統(tǒng)：(1)有害金屬經(jīng)過腸道菌群的生物轉(zhuǎn)換產(chǎn)生神經(jīng)毒性物質(zhì)；(2)有害金屬破壞腸道屏障完整性，產(chǎn)生炎癥因子影響全身，不少研究已初步證實(shí)金屬-腸道菌群-神經(jīng)毒性這一途徑的存在，當(dāng)然是否所有有害金屬都可通過這個(gè)途徑還有待進(jìn)一步研究證實(shí)。為了更好地研究有害金屬、腸道菌群、神經(jīng)毒性三者之間的關(guān)系，還應(yīng)著重考慮實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、動(dòng)物模型、金屬劑量、暴露模式、測序技術(shù)、數(shù)據(jù)分析、質(zhì)量控制措施以及微生物與宿主相互作用的復(fù)雜性等方面的因素，結(jié)合更多的人群隊(duì)列調(diào)查，采用宏基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)，特別是代謝組學(xué)等新手段來開展研究，為金屬職業(yè)暴露人群提供科學(xué)的預(yù)防措施，從全新的角度解釋環(huán)境中的有害金屬與人體健康的相關(guān)性，對人類健康有較大意義。