喻華雯,付 娜,許 潔

(遵義醫(yī)科大學 公共衛(wèi)生學院營養(yǎng)與食品衛(wèi)生學教研室,貴州 遵義 563099)

突觸是神經(jīng)元之間發(fā)生功能連接和信息傳導的關鍵部位。突觸可塑性(synaptic plasticity)指突觸在一定條件下變化功能和形態(tài)的能力。突觸可塑性的改變主要表現(xiàn)為突觸結(jié)構(gòu)性和功能性失調(diào)。突觸是由突觸前膜、突觸間隙、突觸后膜組成的,其中包含多種超微結(jié)構(gòu)。突觸結(jié)構(gòu)性失調(diào)主要是指突觸的面積、數(shù)量、體積以及各種超微結(jié)構(gòu)等發(fā)生的變化,突觸的主要功能是連接細胞、傳遞信息,當突觸可塑性的改變發(fā)生在動物的海馬等與學習記憶有關的腦區(qū)時,突觸功能性失調(diào)是指動物的學習記憶功能發(fā)生障礙。突觸可塑性是發(fā)揮正常學習記憶功能的前提,兩者相互影響,學習記憶功能的改變又會反過來引起突觸可塑性的改變,從而形成新的神經(jīng)回路[1]。有研究表明,突觸形態(tài)和功能的改變可以導致神經(jīng)行為異常[2]。有研究表明,突觸可塑性的改變會引起大腦中特定部位的損傷從而增加阿爾茲海默病(alzheimer’s disease,AD)、亨廷頓病(huntington’s disease,HD)以及帕金森病(parkinson’s disease,PD)等神經(jīng)退行性疾病發(fā)生的風險[3]。目前已明確,環(huán)境內(nèi)分泌干擾物的暴露是誘導突觸可塑性改變的誘因之一。

環(huán)境內(nèi)分泌干擾物(endocrine disrupting chemicals, EDCs)是指可以通過干擾生物或人體內(nèi)保持自身平衡和調(diào)節(jié)發(fā)育過程的天然激素的運輸、結(jié)合、反應和代謝等過程從而對生物或人體的生殖、免疫、神經(jīng)系統(tǒng)等功能產(chǎn)生影響的外源性化學物質(zhì)[4]。生活中常見的環(huán)境內(nèi)分泌干擾物有:雙酚類、鄰苯二甲酸酯類(PAEs)、農(nóng)藥、金屬及金屬混合物、壬基酚(nonylphenol,NP)等。既往研究[5-7]證實EDCs 暴露會引起神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生,其病理基礎之一是突觸可塑性的改變。突觸相關蛋白的表達、NMDA受體、膜上動作電位及電流閾值、炎癥因子的表達、葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白等的變化都有可能造成突觸可塑性的改變(圖1)。

圖1 EDCs對突觸可塑性的改變及機制

EDCs 暴露引起突觸可塑性的改變,突觸結(jié)構(gòu)性失調(diào)可表現(xiàn)為突觸的數(shù)量減少、突觸的面積密度和體積密度降低、突觸前膜、后膜以及間隙變得模糊不清,突觸間隙增寬、突觸小泡數(shù)量減少且分布無序,突觸活性帶長度縮短,突觸后膜上的致密物分布散漫、厚度降低及長度縮短,突觸界面曲率降低;突觸功能性失調(diào)的表現(xiàn)有正常的突觸傳遞受限、聯(lián)系細胞異常、認知功能障礙。通常采用電生理實驗、行為學實驗、透射電鏡、免疫組化實驗等觀察突觸可塑性的改變。突觸可塑性的改變影響學習記憶功能和認知功能、影響神經(jīng)元興奮性與抑制性之間的平衡、影響神經(jīng)遞質(zhì)的釋放與回收,進而在誘發(fā)神經(jīng)退行性疾病中發(fā)揮重要作用(圖2)。本文就不同類型的EDCs 從不同途徑對突觸可塑性的改變進行綜述,旨在為神經(jīng)退行性疾病發(fā)生發(fā)展的機制提供研究方向,并探討預防和治療神經(jīng)退行性疾病的新靶點。

圖2 突觸可塑性改變對神經(jīng)系統(tǒng)功能的影響

1 EDCs 對突觸可塑性的作用機制

1.1 雙酚類 雙酚類物質(zhì)廣泛地應用于各行各業(yè)中,其典型代表-雙酚A(bisphenol A, BPA)作為增塑劑主要用于食品飲料包裝、醫(yī)療器械包裝、牙科材料等[8]。BPA 普遍存在各種環(huán)境介質(zhì)中,在人體的器官和組織中都有積累,既往研究證實 BPA 具有多種毒性。暴露于 BPA 青春期大鼠有空間學習記憶功能障礙以及海馬區(qū)樹突棘密度的降低[9]。在黑腹果蠅的研究中發(fā)現(xiàn),BPA 暴露增加了軸突分支的數(shù)量,下調(diào)了與突觸發(fā)育、學習記憶相關的基因表達,同樣會引起認知功能障礙[10]。Lee等[11]發(fā)現(xiàn)BPA 暴露會減少神經(jīng)元數(shù)量,抑制突觸形成,阻礙突觸傳遞,同時孕鼠暴露 BPA 會引起成年后代的神經(jīng)行為異常。Wu等[12]研究發(fā)現(xiàn),圍產(chǎn)期BPA暴露的后代的空間記憶和識別記憶功能均受損,仔代海馬 CA1 區(qū)的錐體細胞的數(shù)量和層數(shù)減少且神經(jīng)元排列松散和不規(guī)則,此外仔代海馬 PKC/ERK/CREB 信號通路相關蛋白表達降低。Zhang等[13]研究學者發(fā)現(xiàn),圍產(chǎn)期暴露 BPAF 會引起雄性后代海馬 CA1 區(qū)和 DG 區(qū)神經(jīng)元的樹突狀分枝和復雜性均損傷,以性別依賴的方式誘導雄性子代小鼠的突觸可塑性損傷以及認知功能障礙。Hyun等[14]研究在 BPA 染毒皮質(zhì)錐體神經(jīng)元的研究中發(fā)現(xiàn),BPA 暴露引起突觸的大小、數(shù)量、密度的降低,同時正常的突觸傳遞和認知行為遭到破壞。BPA 暴露會通過多種途徑引起突觸結(jié)構(gòu)性和功能性失調(diào),誘導突觸可塑性減弱,進而損害正常的認知功能及神經(jīng)行為。

突觸后密度蛋白95(postsynaptic density 95,PSD-95)和突觸素(synapsin,SYP)是典型的突觸相關蛋白,突觸可塑性的改變不光有形態(tài)、數(shù)量上的變化,還有分子、蛋白層面的改變。PSD-95 是突觸后膜上的一類蛋白,其形成和活動依賴性調(diào)節(jié)在突觸可塑性的改變中發(fā)揮重要作用[15]。SYP是突觸囊泡膜上的特異性蛋白,其密度和分布可間接反應體內(nèi)突觸的數(shù)量和分布情況[16]。BPA[(5、50 mg/(kg·d)]暴露后發(fā)現(xiàn)可通過 NMDAR/PSD-95/nNOS-NO-cGMP途徑下調(diào)PSD-95 蛋白和 mRNA 的水平,突觸后密度降低,從而引起空間學習記憶的障礙[17]。Yin等[18]通過 BPA 染毒Neuro-2a 細胞發(fā)現(xiàn),BPA 暴露不僅會導致突觸數(shù)量的降低、突觸完整性受到破壞,同時 SYP 表達上調(diào)。Wang等[19]通過不同濃度的 BPA(0、0.1、1.0、10 μM)長期暴露于人類胚胎干細胞后發(fā)現(xiàn),人類胚胎干細胞以濃度依賴性方式抑制神經(jīng)的生長發(fā)育,同時BPA 暴露上調(diào)PSD-95 及SYP mRNA及蛋白的表達,以及造成突觸棘的退化,從而引發(fā)人類胚胎干細胞的神經(jīng)毒性作用,此外這些 BAP 介導的神經(jīng)毒性可能是通過增加一氧化氮合酶(iNOS)、神經(jīng)元一氧化氮合酶(nNOS)3、活性氮(RNS)和活性氧(ROS)的產(chǎn)生以及硝基酪氨酸表達和 Ca2+涌入導致的。突觸相關蛋白表達的異常會引起突觸結(jié)構(gòu)性和功能性的改變,進而對突觸可塑性發(fā)揮正常功能產(chǎn)生影響。

N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDA受體)是一種亞型谷氨酸受體,在神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育過程扮演重要角色,比如:參與調(diào)節(jié)神經(jīng)元存活、影響神經(jīng)元結(jié)構(gòu),參與形成神經(jīng)回路,以及影響突觸可塑性的變化等;NMDA 受體依賴的突觸可塑性對發(fā)揮正常學習記憶功能具有重要意義[20]。NMDA 受體通常分布于神經(jīng)元的突觸后膜上,結(jié)合谷氨酸后打開離子通路,進而完成 NMDA 受體介導的信息傳遞。一旦 NMDA 受體的表達改變,突觸可塑性受到影響,正常的突觸傳遞受到抑制。暴露于 BPA 的大鼠顯著性下調(diào) NMDA 受體[21]。Yu等[17]的研究中同樣證實了暴露于 BPA 會下調(diào) NMDA受體(NR1、NR2A)和突觸相關蛋白的表達,進而影響突觸可塑性。在 Wang等[22]的研究中發(fā)現(xiàn),母體暴露于 BPA 會引起子代 NMDA 受體表達的改變,以及造成子代學習記憶功能障礙。NMDA 受體表達的下降導致突觸可塑性的降低,從而損害學習記憶功能。

1.2 鄰苯二甲酸酯類 鄰苯二甲酸酯類可對神經(jīng)系統(tǒng)造成損害,其原因可能是突觸數(shù)量、形態(tài)等的改變從而引起的神經(jīng)疾病的發(fā)生。鄰苯二甲酸脂二(2-乙基己基)酯(Di-2-ethylhexyl phthalate,DEHP)是一種典型的鄰苯二甲酸酯類,DEHP 暴露損害雄性子代海馬的突觸可塑性,破壞突觸超微結(jié)構(gòu),降低突觸相關蛋白水平,說明暴露于DEHP會導致神經(jīng)發(fā)育障礙和學習記憶障礙;DEHP 暴露下調(diào) Rac1/PAK/LIMK1/cofilin信號通路,該通路可能是通過改變細胞骨架結(jié)構(gòu)來參與構(gòu)建突觸可塑性[23]。通過灌胃 DEHP 妊娠期SD 大鼠發(fā)現(xiàn)F1 子代大鼠腦組織中 NMDA 受體以及突觸素蛋白表達降低[24]。此外,鄰苯二甲酸酯類還可以通過改變突觸膜上的動作電位、電流閾值以及影響炎癥因子表達或釋放對突觸可塑性產(chǎn)生影響。

突觸在傳遞信息的過程中,突觸前膜率先發(fā)生電位變化,進而打開離子通道、釋放神經(jīng)遞質(zhì),神經(jīng)遞質(zhì)作用于突觸后膜并在突觸后膜形成突出后電位,即完成突觸傳遞。在 Ran等[25]的研究中發(fā)現(xiàn),DEHP 暴露不僅會顯著降低 CA3 錐體細胞的微興奮性突觸后電流(mEPSC)頻率,還有CA1 錐體細胞的電流閾值以及動作電位;此外,DEHP 能抑制CA1錐體細胞的電壓門控鉀通道,進而誘導突觸可塑性的抑制。鄰苯二甲酸單(2-乙基己基)酯(MEHP)是DEHP的主要活性代謝物之一。在 Lu等[26]的研究中發(fā)現(xiàn),MEHP暴露降低了 CA3神經(jīng)元sAP的振幅和mEPSCs的頻率;此外,MEHP(100 μM和300 μM)顯著降低了Ca2+通道的峰值電流密度,僅在300 μM的濃度下降低了Na+和 K+通道的峰值電流密度,進而降低大鼠的突觸可塑性及影響神經(jīng)元興奮性,從而影響突觸之間正常的功能連接和信號傳遞。

炎癥因子在突觸可塑性中的作用逐漸被認識,在Khalifa等[27]的研究中發(fā)現(xiàn),DEHP(50、300、750 mg/kg)暴露激活 TLR4/NF-κB 信號通路并增加了炎癥因子(IL-1β、IL-6、TNF-α)的表達,且炎癥因子的表達隨著暴露劑量的增加而增加;此外中劑量組和高劑量組的學習記憶能力顯著低于對照組。

1.3 金屬及金屬混合物 金屬在生活中的生產(chǎn)和應用非常廣泛,其對人們產(chǎn)生的危害逐漸成為人們關注的熱點問題之一。有研究表明,在人類環(huán)境接觸相關的水平上,鉛、鎘、汞的混合物暴露會直接損傷大鼠正常的神經(jīng)行為;此外,隨著暴露劑量的增加大鼠海馬CA1、DG、CA3區(qū)域樹突棘密度降低,且樹突棘類型改變,成熟蘑菇狀棘減少、不成熟的粗短狀棘增多[28]。在Pb暴露海馬神經(jīng)元的研究中發(fā)現(xiàn),Pb暴露增加mIPSC頻率,降低mEPSC頻率,抑制性突觸前斑點數(shù)量顯著增加,而興奮性突觸前末梢數(shù)量減少;此外,加強 GABA 的合成并增強海馬神經(jīng)元中突觸后 GABAAR 簇的表面分布,進而破壞突觸興奮性和抑制性之間的平衡[29]。在郭克楚等[30]的研究中發(fā)現(xiàn),低劑量Pb、Cd和Hg 混合物暴露即可破壞大鼠正常的學習記憶功能以及下調(diào) NMDA 受體的表達;同時,NR1和NR2A的蛋白表達水平隨Pb、Cd和Hg 混合物暴露劑量的增加呈現(xiàn)濃度依賴性降低。此外,還可以通過影響炎癥因子表達或釋放以及細胞膜葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白來影響突觸可塑性。

促炎細胞因子腫瘤壞死因子(TNF)是炎癥因子的典型代表,有研究證實[31],高濃度的TNF(1 μg/mL)會造成小鼠CA1海馬神經(jīng)元的損傷,從而造成突觸可塑性的改變,這一改變依賴于細胞內(nèi)鈣儲存。鋅混合物暴露會降低TNF-α 的表達,以及上調(diào)PSD-95 和 SYP 的水平,造成突觸可塑性的改變,進而損傷大鼠學習記憶功能[32]。

葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白(GLUT)是細胞轉(zhuǎn)運葡萄糖的載體,其中包含 GLUT1、GLUT2、GLUT3、GLUT4 等多種蛋白,GLUT4 在胰島素的刺激易位到細胞膜上并轉(zhuǎn)運葡萄糖。細胞在分解葡萄糖時會產(chǎn)生大量的 ATP,而 ATP 是突觸發(fā)生功能連接和信號傳遞的重要能量來源。有研究證實[33],Pb暴露會引起葡萄糖代謝紊亂,導致腦能量代謝紊亂,進而增加 AD 的患病風險。在 Zhao等[34]研究中發(fā)現(xiàn),妊娠期低水平Pb暴露會引起子代大鼠空間學習及記憶障礙,降低海馬 CA1 區(qū)的樹突棘密度;鉛暴露通過磷脂酰肌醇 3 激酶-蛋白激酶 B(PI3K-Akt)通路降低細胞膜中的 GLUT4 水平,從而降低海馬葡萄糖代謝,影響突觸之間的信號傳遞。

1.4 農(nóng)藥 農(nóng)藥在生活中使用廣泛,其對環(huán)境的污染問題已成為現(xiàn)在人們關注的熱點。既往研究表明[35-38],接觸農(nóng)藥不僅會對環(huán)境產(chǎn)生影響,還會對呼吸、心血管、神經(jīng)系統(tǒng)造成損害。魚藤酮作為一種常見的殺蟲劑在生活中得到廣泛地應用。有研究表明,魚藤酮暴露會造成小鼠記憶損傷,導致小鼠的 GABA 電流減少,從而降低抑制性突觸傳遞[39]。魚藤酮暴露引起α-突觸核蛋白聚集,增加小鼠中腦的細胞因子的表達,破壞單胺類神經(jīng)遞質(zhì)穩(wěn)態(tài),進而造成突觸可塑性的改變[40]。此外,魚藤酮暴露會誘導大鼠記憶缺陷,增加大鼠紋狀體、前額葉皮層、海馬體的TNF-α 和 IL-6 的水平[41]。圍產(chǎn)期暴露殺蟲劑會引發(fā)子代的神經(jīng)發(fā)育障礙及神經(jīng)行為異常[42]。百草枯曾作為世界上使用最廣泛的除草劑之一,但其對人體的危害極大,現(xiàn)已被大多國家禁用。通過對大鼠暴露于百草枯發(fā)現(xiàn),大鼠腦干的多巴胺降低以及突觸核蛋白的改變[43]。多巴胺作為一種神經(jīng)遞質(zhì)與突觸核蛋白作為一種典型的突觸相關蛋白在調(diào)節(jié)突觸可塑性中發(fā)揮重要作用,百草枯的暴露會影響突觸可塑性的調(diào)節(jié),從而引發(fā)突觸結(jié)構(gòu)性和功能性失調(diào)。

1.5 壬基酚 NP作為一種常見的 EDCs 廣泛應用于建材、造紙、洗滌劑、農(nóng)藥、涂料等行業(yè)。NP具有持久性和生物蓄積性,一旦 NP 排入環(huán)境中會對人體健康造成長時間持續(xù)性傷害[44]。有研究發(fā)現(xiàn),NP 暴露大鼠的神經(jīng)元發(fā)生皺縮、胞核固縮,數(shù)量減少,突觸棘密度降低,突觸間隙增寬等變化,且隨著 NP 暴露劑量和時間的增加,PSD-95 和synapsin-1的表達愈發(fā)降低,突觸結(jié)構(gòu)性失調(diào)越顯著[45]。在 Fu等[46]的研究中發(fā)現(xiàn),NP 染毒引起樹突排列紊亂、樹突棘密度減少,突觸后密度松散且厚度與長度縮短,突觸間隙的長度與寬度增加,同時還發(fā)現(xiàn) NMDA受體表達的降低;此外NP暴露可造成大鼠學習記憶功能和空間記憶功能損傷。在NP 染毒原代神經(jīng)元的研究中發(fā)現(xiàn),NP 暴露引發(fā)軸突長度縮短和功能損傷;此外,發(fā)育期 NP 暴露可激活子代海馬中的Wnt-Dvl-GSK-3β信號通路,損傷子代的軸突發(fā)育[47]。NP 暴露不光影響正常的突觸結(jié)構(gòu)性和功能性,還會對子代產(chǎn)生神經(jīng)毒性作用。

2 EDCs通過調(diào)節(jié)突觸可塑性參與認知功能障礙發(fā)生的可能機制

2.1 突觸可塑性改變對學習記憶功能和認知功能的影響 突觸可塑性是維持正常學習記憶功能和認知功能的重要基礎[48]。EDCs 暴露可以通過多種途徑改變突觸可塑性,即導致突觸的結(jié)構(gòu)性和功能性失調(diào)。在 Dong等[23]的研究中同樣證實了這一觀點,在突觸傳遞的過程中,樹突棘的微小變化將改變突觸的功能,從而影響學習和記憶;與對照組相比,DEHP 處理組[300、750 mg/(kg·d)]仔代海馬 CA1 區(qū)錐體神經(jīng)元的樹突棘密度明顯降低,同時DEHP處理組的成熟蘑菇狀棘更少,未成熟絲狀棘更多;說明DEHP暴露影響了雄性后代的樹突狀棘發(fā)育。在Hyun等[14]的研究中發(fā)現(xiàn)類似報道,與對照組相比,BPA 處理組的樹突棘的數(shù)量減少、長度縮短,同時絲狀偽足樣刺增加,細刺、蘑菇刺和短刺的數(shù)量減少,進而影響突觸的形態(tài)與功能。既往研究中有很多類似報道,EDCs 的暴露引起突觸的結(jié)構(gòu)、數(shù)量、面積、體積等變化,進而影響正常的突觸傳遞、改變突觸功能,減弱突觸可塑性。突觸的結(jié)構(gòu)性或功能性失調(diào)發(fā)生在海馬等與學習記憶相關的腦區(qū)會影響正常的學習記憶功能和認知功能,從而引發(fā) AD 等神經(jīng)退行性疾病[49]。

2.2 突觸可塑性改變導致神經(jīng)元興奮性與抑制性失衡 EDCs 的暴露會引起突觸可塑性結(jié)構(gòu)性和功能性失調(diào)。突觸可塑性的改變會調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性[50]。在Ran等[25]的研究中發(fā)現(xiàn),暴露于 DEHP[100、300 mg/(kg·d)]可以通過抑制電壓門控鉀通道抑制神經(jīng)元的興奮性。在Zou等[29]的研究中發(fā)現(xiàn)Pb暴露會改變突觸可塑性,破壞神經(jīng)元興奮性與抑制性之間的平衡。保持神經(jīng)元興奮性和抑制性之間的平衡是維持正常腦功能的前提,一旦失衡,會增加癲癇、PD 等多種神經(jīng)疾病患病風險,而突觸可塑性在保持這種平衡中扮演重要角色[51]。有研究指出[52],突觸可塑性是神經(jīng)網(wǎng)絡建立神經(jīng)元興奮性和抑制性平衡的有效機制。突觸可塑性失調(diào)引起神經(jīng)元興奮性和抑制性之間的平衡受到破壞,使正常發(fā)揮腦功能受限,發(fā)生認知功能障礙。

2.3 突觸可塑性改變影響神經(jīng)遞質(zhì)的釋放與回收 現(xiàn)在越來越多的研究表明神經(jīng)遞質(zhì)與學習記憶有關,與突觸可塑性有關。谷氨酸是常見的神經(jīng)遞質(zhì),暴露于BPA的大鼠發(fā)現(xiàn)谷氨酸受體,其中 AMPA受體1 顯著下調(diào),且 Ca2+濃度隨著 BPA暴露濃度的增加而增加[19]。在 Hu 等[21]的研究中同樣發(fā)現(xiàn) BPA 暴露后GIuR1的表達降低,海馬組織中谷氨酸水平降低,海馬 CA1 區(qū)的突觸前遞質(zhì)合成與釋放減少。此外,魚藤酮暴露可引起單胺類神經(jīng)遞質(zhì)釋放與回收紊亂[40]。突觸可塑性改變導致突觸之間的聯(lián)系、信息傳遞減少,神經(jīng)遞質(zhì)受體減少會導致神經(jīng)遞質(zhì)的釋放與回收發(fā)生障礙,神經(jīng)遞質(zhì)的是釋放與回收是突觸在完成正常信息傳遞和功能連接中的關鍵一環(huán),其異常又會反過來對突觸可塑性產(chǎn)生影響。

3 展望

隨著科學技術(shù)的發(fā)展,研究學者對 EDCs 的危害性的研究逐漸增多。EDCs 暴露會引起神經(jīng)行為功能紊亂,其病理基礎之一是神經(jīng)元突觸可塑性的改變。EDCs暴露可以通過改變突觸相關蛋白的表達及 NMDA 受體的表達、改變膜上動作電位和電流閾值、影響炎癥因子的表達與釋放以及降低 GLUT 的活性等多種途徑對突觸可塑性造成影響,從而造成認知功能障礙,進而增加 AD、PD、HD 等神經(jīng)退行性疾病的患病風險。突觸在發(fā)揮正常功能時,需要多個環(huán)節(jié)共同參與,例如,突觸膜上的受體含量、突觸膜內(nèi)外的離子濃度、ATP的釋放與回收、神經(jīng)遞質(zhì)的釋放與回收等,且不同類別不同位置上的突觸可塑性的改變是不同的,各突觸之間的連接方式也不盡相同,所以誘導突觸的數(shù)量、面積、體積、超微結(jié)構(gòu)等發(fā)生改變,以及神經(jīng)元連接異常和信息傳導異常的因素很多,這些改變是通過Rac1/PAK/LIMK1/cofilin信號通路,或者PI3K-Akt 信號通路,亦或者其他通路來介導的,有待進一步研究。這對探討神經(jīng)退行性疾病發(fā)生發(fā)展的機制提供參考價值,也為以后探討EDCs 誘導神經(jīng)疾病的發(fā)病機制展開更加深入的研究奠定了基礎。