鈾的神經(jīng)毒性及作用機(jī)制研究進(jìn)展

張 婷,戰(zhàn)景明,周小林,張 暉,張艷娜

(1.中國輻射防護(hù)研究院,太原 030006; 2.中核北方核燃料元件有限公司,內(nèi)蒙古 包頭 014035)

近年來成熟經(jīng)濟(jì)體和新興經(jīng)濟(jì)體中的核復(fù)興計劃促使人們對鈾礦開采的興趣日益增加。鈾的開發(fā)利用會污染空氣、水和土壤。它通過口、鼻和皮膚進(jìn)入人體,威脅人體健康。鈾作為一種重金屬核燃料,被用于各種民用和軍用項(xiàng)目。核燃料鈾化合物中毒可能給工作人員和公眾都造成風(fēng)險,特別是參與核燃料循環(huán)的不同階段的工人,如核電廠、鈾礦勘探、開采、碾磨、鈾轉(zhuǎn)化、濃縮、制造核燃料和后處理等。

鈾(Uranium,U)是最重的天然金屬元素,存在于地殼中,在自然界中只存在三種天然同位素,依次為234U、235U、238U,其中只有235U用于核裂變反應(yīng)[1]。天然鈾中238U 豐度占比約為 99.27%,235U 約為 0.72%,234U 約為 0.005 4%。貧鈾(DU)是指從天然鈾中濃縮提取絕大部分235U之后得到的副產(chǎn)品,由于貧鈾具有極高密度的自然特性并相對經(jīng)濟(jì)便宜,因此被制成彈藥(貧鈾彈)用于戰(zhàn)爭中[2],在海灣戰(zhàn)爭期間使用了大約 340 噸貧鈾彈藥,以通過自燃釋放的熱能引發(fā)爆炸來摧毀重型裝甲坦克[3-4]。天然鈾和貧鈾的單位質(zhì)量鈾產(chǎn)生的放射性非常少,人類和動物接觸鈾對健康的影響通常歸因于鈾的化學(xué)性質(zhì)。鈾有四種可能進(jìn)入人體的方式:吸入含鈾粉塵、通過受污染的食物或水?dāng)z入、彈片傷口或含鈾粉塵的皮膚吸收[3]。鈾從腸或肺吸收,進(jìn)入血液,并迅速沉積在組織中,主要是腎臟和骨骼,還有一部分直接從尿液中排出[5-6]。鈾的主要不良反應(yīng)是急性暴露后的腎毒性[7],而慢性暴露后很難明確其毒性靶器官或部位[8]。

隨著對鈾的不斷研究,越來越多的毒理學(xué)證據(jù)表明鈾不僅對腎臟和骨骼產(chǎn)生作用,還有一些新的分子水平上的發(fā)現(xiàn)[9],對神經(jīng)系統(tǒng)和認(rèn)知行為能力的影響[10],對生殖系統(tǒng)和遺傳方面影響[11],對代謝性疾病的影響[12],等等。尤其是鈾的神經(jīng)毒性,它的表現(xiàn)形式更為隱匿,但是造成的遠(yuǎn)期毒性效應(yīng)不容忽視。本文就鈾(含貧鈾)的神經(jīng)毒性及其對行為和認(rèn)知障礙的影響展開綜述,為鈾的毒性研究提供新的思路。

1 動物模型的實(shí)驗(yàn)研究

鈾元素主要以正四價和正六價的形式存在,通常正四價的鈾離子可以和無機(jī)碳生成沉淀[13],六價的鈾酰離子容易和生物體內(nèi)的碳酸鹽、磷酸鹽及一系列的蛋白質(zhì),如運(yùn)鐵蛋白(Transferrin)和血清蛋白(Albumin)等,絡(luò)合形成復(fù)合物[14-15],并破壞這些蛋白質(zhì)的正常生物功能,因此鈾酰離子[UO22+,U(Ⅵ)]是鈾化合物在體內(nèi)最穩(wěn)定的化學(xué)形式[16]。

采用六水合硝酸鈾酰對秀麗線蟲進(jìn)行慢性染毒實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明貧鈾的長期暴露會縮短帕金森模型線蟲NL5901(unc-54::alpha synuclein::YFP+unc-119)的壽命,導(dǎo)致線蟲體內(nèi)α-突觸核蛋白聚集增加和 DAergic 神經(jīng)元損傷,具有潛在的神經(jīng)毒性[17]。貓和狗連續(xù)吸入 0.5 ～ 18 mg/m3濃度的鈾5周(8小時/天,5天/周)后,觀察到了包括步態(tài)不穩(wěn)和疲倦在內(nèi)的神經(jīng)癥狀[18]。對大鼠采用190 mg/m3濃度的鈾持續(xù)吸入暴露3周(30 分鐘/天,4 天/周),結(jié)束染毒的初期,大鼠的活動和站立行為增加[19]。連續(xù)給大鼠注射7天濃度為0.1～1 mg/kg的鈾后,觀察到大鼠的運(yùn)動協(xié)調(diào)性降低[20]。通過含有貧鈾的飲用水對大鼠進(jìn)行染毒2周、3個月和6個月(染毒濃度為每天4、8和10 mg/kg),可顯著增加雄性的運(yùn)動活動[21-22]。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,雌性的運(yùn)動活動不是很顯著[22],這種差異可能與激素調(diào)節(jié)有關(guān),考慮可能是鈾神經(jīng)毒性中下丘腦-垂體軸的作用。然而,鈾誘導(dǎo)這些運(yùn)動效應(yīng)的確切機(jī)制仍有待闡明。

此外,鈾對認(rèn)知功能和空間記憶也有一定的影響。有研究表明,對大鼠肌內(nèi)注射1 mg/kg 貧鈾后,出現(xiàn)了空間記憶的短時損害[23]。Monleau等采用190 mg/m3濃度的貧鈾持續(xù)吸入暴露3周后,也觀察到了空間記憶能力的顯著下降[19]。采用每天飲水食入(2 mg/kg)的方式持續(xù)染毒貧鈾1.5個月,大鼠表現(xiàn)出空間記憶能力顯著下降和焦慮增加[24]。在另一項(xiàng)飲水染毒的研究中,暴露富鈾3個月、6個月和9個月后,Y迷宮的空間記憶下降[25]。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,貧鈾對記憶或焦慮沒有顯著影響[24]。內(nèi)嗅皮層中活性氧 (ROS) 和脂質(zhì)過氧化的不平衡可能解釋了富鈾和貧鈾引起的不同行為效應(yīng)[26]。載脂蛋白E(ApoE)被認(rèn)為是與阿爾茨海默病息息相關(guān)的蛋白。在一項(xiàng)對ApoE敲除(ApoE-/-)小鼠的貧鈾染毒實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)鈾暴露可能會加速阿爾茨海默病的發(fā)生[27]。這表明,鈾在ApoE-/-小鼠中誘導(dǎo)的行為改變可能與大腦中膽固醇的改變有關(guān)。這些認(rèn)知效應(yīng)改變可能與鈾在大腦區(qū)域的蓄積作用有關(guān),這與其他金屬(如鉛、鎘、汞等)在海馬區(qū)域的蓄積而導(dǎo)致的認(rèn)知功能障礙相似[28]。海馬是大腦中控制空間學(xué)習(xí)記憶的關(guān)鍵部位[29],所以猜測鈾對認(rèn)知效應(yīng)的影響可能與海馬有關(guān)。

發(fā)育中的大腦比成熟大腦更容易受到毒物的影響[30]。在以斑馬魚作為模型的研究中,將斑馬魚暴露在貧鈾環(huán)境下,其后代器官會出現(xiàn)異?，F(xiàn)象[31]。Houpert 等將孕期和哺乳期雌鼠每天暴露于富鈾(2 mg/kg)中,其后代在2個月大時空間工作記憶下降15%,在5個月和9月大時探索活動分別增加了72%和88%[32]。另一項(xiàng)研究表明,在新生期和哺乳期每天暴露于貧鈾(80 mg/kg)的幼鼠其學(xué)習(xí)狀況受到干擾[33]。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)[27,34-35],出生2個月的幼鼠通過母乳和飲水染毒鈾,會出現(xiàn)物體識別記憶受損、焦慮和抑郁樣行為,但不會影響空間記憶能力,而在暴露4個月后幼鼠的物體識別記憶的影響消失了,這表明大腦隨著時間的推移能夠適應(yīng)或補(bǔ)償鈾對其的損害影響。有研究表明,大腦發(fā)育過程中暴露于高劑量(120 mg/L)的DU會對產(chǎn)前和產(chǎn)后的細(xì)胞增殖和細(xì)胞死亡過程產(chǎn)生相反的影響。DU的暴露主要存在妊娠第18天胎兒的皮層神經(jīng)上皮中,DU降低了細(xì)胞死亡,而沒有改變凋亡細(xì)胞的數(shù)量[36]。

2 人群流行病學(xué)調(diào)查

在早期的流行病學(xué)調(diào)查中發(fā)現(xiàn),工人暴露于高濃度的鈾環(huán)境時,表現(xiàn)出抑郁、憂慮、運(yùn)動和語言障礙的行為異?，F(xiàn)象[37]。長期的隊列研究中發(fā)現(xiàn)鈾礦工人腦部腫瘤和中樞神經(jīng)系統(tǒng)癌癥的死亡率過高[38],但是并沒有明確的因果證據(jù)來證實(shí)是由于暴露鈾礦粉塵所致。

有研究表明[39-40],參與1991年海灣戰(zhàn)爭的退伍軍人,出現(xiàn)了很多包括頭痛(包括偏頭痛)、廣泛的慢性疼痛、慢性疲勞、認(rèn)知功能障礙、胃腸道癥狀、情緒障礙以及一些呼吸和皮膚問題等癥狀的慢性多癥狀疾病,這些疾病被統(tǒng)稱為海灣戰(zhàn)爭疾病 (GWI)。先前的研究還表明,GWI 與腦癌風(fēng)險增加以及晚期衰老模式相關(guān),這與越南退伍軍人因接觸化學(xué)物質(zhì)而面臨的醫(yī)療結(jié)果相似[41]。此外,有證據(jù)表明,患有 GWI 的退伍軍人面臨海馬體積減少和連接皮質(zhì)灰質(zhì)區(qū)域的軸突束萎縮的風(fēng)險[42-43]。這些大腦變化可能會加劇癥狀,因?yàn)樗鼈儠绊懾?fù)責(zé)疲勞、疼痛、情緒和認(rèn)知處理的區(qū)域[44]。McDiarmid等通過監(jiān)測參與海灣戰(zhàn)爭的退伍軍人,發(fā)現(xiàn)通過傷口暴露于貧鈾碎片7年后,這些軍人認(rèn)知能力的下降與其尿液中的鈾濃度具有相關(guān)性[45]。但在此后,他開始了進(jìn)一步的追蹤研究,結(jié)果卻不完全一致[46]?？紤]這些認(rèn)知障礙可能與貧鈾有關(guān),但也可能是由于戰(zhàn)爭引起的心理反應(yīng)。

另外,值得一提的是,Goasguen 等人報道了一名50歲男子的鈾暴露職業(yè)史病例,他有6年的多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病病史,表現(xiàn)為平衡失調(diào)、運(yùn)動無力和四肢萎縮。廣泛的臨床檢查發(fā)現(xiàn)在他的糞便中檢測到大量的鈾[47]。在沒有任何其他明顯原因的情況下,這些神經(jīng)功能缺陷歸因于該男子三年來鈾暴露的職業(yè)史。

誠然,很少有流行病學(xué)調(diào)查或醫(yī)療救治中直接表明鈾對神經(jīng)系統(tǒng)的作用。在接下來的研究中,仍然需要廣泛的流行病學(xué)調(diào)查來相互驗(yàn)證從動物實(shí)驗(yàn)中得到的鈾所致神經(jīng)毒性的啟示。例如,使用適合的流行病學(xué)抽樣和評估工具,獲取更多鈾暴露的職業(yè)人群進(jìn)行長期而有效的隊列觀察。

3 鈾的神經(jīng)毒性發(fā)生機(jī)制

如上所述,動物模型實(shí)驗(yàn)研究和人群流行病學(xué)調(diào)查均提示,接觸鈾后大腦會出現(xiàn)神經(jīng)紊亂,但它們發(fā)生的機(jī)制仍然有諸多的不確定。鈾主要表現(xiàn)為化學(xué)毒性,這與其他重金屬的神經(jīng)毒性相似,包括鎘、鉛和汞[28]。這些金屬的神經(jīng)毒性通常通過炎癥和氧化應(yīng)激反應(yīng)、細(xì)胞凋亡和壞死、細(xì)胞死亡或神經(jīng)元信號傳導(dǎo)和細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)的表觀遺傳學(xué)機(jī)制等途徑來解釋。

3.1 氧化應(yīng)激途徑

大腦特別容易受到氧化損傷,由于活性氧 (ROS) 失衡導(dǎo)致的氧化應(yīng)激可能是鈾神經(jīng)毒性的一種機(jī)制,氧化損傷會導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化[22,26,48]。有研究表明,采用不同的劑量對大鼠進(jìn)行亞慢性和慢性鈾染毒3個月后[48]和9個月后[26],其內(nèi)嗅皮質(zhì)中觀察到脂質(zhì)過氧化增加,尤其是皮層和小腦。這表明,鈾會增加特定區(qū)域的脂質(zhì)過氧化,并表明細(xì)胞膜因氧化應(yīng)激誘導(dǎo)和自由基產(chǎn)生而受損。鈾誘導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化可能導(dǎo)致線粒體膜損傷和線粒體膜電位的失衡[49],并且還會導(dǎo)致細(xì)胞死亡[50]。Shaki 等人進(jìn)一步的研究表明,體外貧鈾會導(dǎo)致離體大鼠腦線粒體發(fā)生氧化應(yīng)激及其功能障礙[51],而斑馬魚模型的另一項(xiàng)研究并未證實(shí)這一點(diǎn)[52]。最近的一項(xiàng)關(guān)于秀麗線蟲的模型研究表明,貧鈾可能通過抑制抗氧化基因cat-1、cat-2、cat-3、gst-7和gst-10的表達(dá)從而降低了線蟲清除ROS的能力,這將造成DAergic神經(jīng)元的損傷從而進(jìn)一步引發(fā)PD[17]?？傊?促/抗氧化系統(tǒng)的失衡肯定是一種機(jī)制,它可能在鈾對大腦功能影響的機(jī)制途徑中發(fā)揮作用。然而鈾誘導(dǎo)的反應(yīng)程度取決于暴露時間和劑量,并且這種反應(yīng)因大腦區(qū)域而異。圖1顯示了長期暴露于低劑量和高劑量貧鈾時氧化應(yīng)激途徑的相反反應(yīng)[10]。

注:在低劑量下,貧鈾通過誘導(dǎo)抗氧化反應(yīng)刺激抗氧化酶系統(tǒng)和一氧化氮途徑,這種機(jī)制抵消了氧化應(yīng)激。較高劑量的貧鈾通過抑制抗氧化酶和一氧化氮途徑來誘導(dǎo)促氧化反應(yīng)[10]。

注:皮質(zhì)和海馬體之間的主要區(qū)別在于分解酶和 M1AChR 的濃度[10]。

3.2 谷氨酸分泌干擾途徑

谷氨酸鹽會增強(qiáng)廣泛的慢性疼痛[53],這種過度的谷氨酸能神經(jīng)傳遞會導(dǎo)致神經(jīng)可塑性改變,從而導(dǎo)致中樞敏化或神經(jīng)系統(tǒng)的高反應(yīng)性持續(xù)狀態(tài)[54]。谷氨酸介導(dǎo)偏頭痛和先兆活動[55],并被認(rèn)為是偏頭痛、癲癇和情感障礙之間重疊的共同機(jī)制[56]。此外,谷氨酸在記憶和其他認(rèn)知功能中也發(fā)揮重要作用[57],因此任何影響谷氨酸能神經(jīng)傳遞的毒物都可能導(dǎo)致認(rèn)知缺陷。早期的動物研究表明,鈾酰離子(UO2+2)可滲入中樞神經(jīng)系統(tǒng),通過靶向電壓門控鈣通道減少去極化誘發(fā)的谷氨酸釋放,從而防止興奮性毒性,從而降低神經(jīng)元的興奮性。然而,由于谷氨酸對記憶功能和其他認(rèn)知過程至關(guān)重要,因此這種離子也被認(rèn)為是導(dǎo)致暴露于貧鈾的退伍軍人空間工作記憶減少和神經(jīng)認(rèn)知障礙的原因[58]。

3.3 乙酰膽堿及受體干擾途徑

乙酰膽堿 (ACh) 是中樞神經(jīng)系統(tǒng)一種重要的神經(jīng)遞質(zhì),并且參與大腦高級功能,例如學(xué)習(xí)和記憶[59],ACh 神經(jīng)傳遞可誘導(dǎo)從非快速動眼睡眠到快速動眼 (REM) 睡眠或清醒的轉(zhuǎn)變[60]。另外,乙酰膽堿酯酶 (AChE) 和乙酰膽堿受體 (AChR) 可能會影響運(yùn)動和感覺運(yùn)動功能[61]。膽堿能神經(jīng)傳遞涉及乙酰膽堿的合成和釋放,膽堿能神經(jīng)元從腦干投射到多個區(qū)域,包括皮層、海馬和小腦。通過肌肉注射貧鈾(1 mg/kg/天)7天,1個月后,在皮層中AChE 活性增加,這種增加與感覺運(yùn)動改變有關(guān)[20]。相比之下,通過長期服用含貧鈾的飲水(2 mg/kg/天)1.5個月,9個月后觀察到內(nèi)嗅皮質(zhì)的AChE 活性降低[62],而大鼠在飲用水中暴露于鈾6個月后,額葉皮質(zhì)中的 AChE 活性沒有改變[63]。在小鼠和斑馬魚進(jìn)行乙酸雙氧鈾染毒后,對小鼠皮層和斑馬魚全腦分析發(fā)現(xiàn) AChE 增加[20],這可能導(dǎo)致突觸處 ACh 的持續(xù)消耗致失調(diào)[64]。但是這些研究都沒有觀察到海馬中 AChE 活性的任何改變?；蛘哒f,硝酸鈾酰暴露已被證明會顯著降低內(nèi)嗅皮質(zhì)和小腦的 AChE 活性(從而增加 ACh 活性),但是由于這些研究所用的物種、染毒時間、染毒方式和染毒劑量不同,導(dǎo)致結(jié)果不完全一致。Bensoussan 及其同事指出,大腦的某些區(qū)域可能對貧鈾的影響更敏感,可以解釋 AChE 活性的差異[62]。圖 2 說明了攝入鈾污染的飲用水后,鈾對大腦皮層和海馬中基因表達(dá)具有相反影響[10]。

3.4 神經(jīng)系統(tǒng)的表觀遺傳學(xué)機(jī)制

中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的表觀遺傳機(jī)制對調(diào)節(jié)各種神經(jīng)元功能至關(guān)重要,并在認(rèn)知行為如學(xué)習(xí)和記憶中發(fā)揮關(guān)鍵作用[65-66]。介導(dǎo)基因表達(dá)表觀遺傳調(diào)控的三種主要分子機(jī)制(DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA的表達(dá))可以調(diào)節(jié)神經(jīng)元功能,這也是鈾作用的潛在靶點(diǎn)。有兩項(xiàng)最新研究顯示,慢性鈾暴露后,嚙齒動物性腺[67]和斑馬魚大腦[68]中的全組DNA甲基化發(fā)生了變化。首次表明,鈾增加了大腦中全基因組的胞嘧啶甲基化,同時減少了特定位點(diǎn)CpG島的DNA甲基化,其中,CpG島主要存在于基因的啟動子區(qū),可能會導(dǎo)致基因沉默[69]。而胞嘧啶甲基化模式的這些改變?nèi)Q于鈾濃度和暴露時間,男性的改變大于女性[68]。

總之,鈾在大腦中存在并且具有生理活性。鈾引起的神經(jīng)毒性包括:抗/促氧化系統(tǒng)失衡以及神經(jīng)化學(xué)和神經(jīng)生理學(xué)損傷。根據(jù)大腦區(qū)域、染毒劑量、染毒時間和染毒方式,其影響具有一定的特定性。了解鈾對大腦功能的具體機(jī)制還需要更為深入的實(shí)驗(yàn)研究。

4 結(jié)論與思考

大量動物實(shí)驗(yàn)研究和人群流行病學(xué)調(diào)查均證實(shí)了鈾的神經(jīng)毒性。其主要表現(xiàn)為動物步態(tài)不穩(wěn)和疲倦在內(nèi)的運(yùn)動效應(yīng)癥狀,以及對認(rèn)知功能和空間記憶的影響,人群中的抑郁、憂慮、運(yùn)動和語言障礙等行為異?，F(xiàn)象。鈾的神經(jīng)毒性主要是由于它的化學(xué)性質(zhì)所決定,這與其他重金屬的神經(jīng)毒性相似,通常通過抗/促氧化系統(tǒng)應(yīng)激失調(diào)、谷氨酸能神經(jīng)傳遞異常和乙酰膽堿能系統(tǒng)受阻來解釋。就目前的研究而言,接觸鈾后大腦會出現(xiàn)神經(jīng)紊亂,但它們發(fā)生的機(jī)制仍然有諸多的不確定。

為了進(jìn)一步的研究和評價鈾的神經(jīng)毒性及其可能帶來的各種危害,有必要明確鈾進(jìn)入大腦的方式和位置(血腦屏障的區(qū)域特異性、全身通路、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白),更重要的是確定鈾的作用與其積累之間的相關(guān)性。目前我們觀察到的神經(jīng)行為的改變在動物實(shí)驗(yàn)中有很好的佐證,但是流行病學(xué)或臨床病例的調(diào)查研究案例仍然比較匱乏,長期低水平鈾暴露是否對人類健康構(gòu)成危害仍然是一個值得探討的問題。因此,需要進(jìn)一步的研究來驗(yàn)證鈾的暴露及其潛在的行為后果,從而及時確定預(yù)防和救治措施,這將為未來的沖突中使用鈾相關(guān)的武器帶來的危害提供一些啟示和幫助,更好的保護(hù)相關(guān)從業(yè)者和我們的武裝部隊。