氟中毒致神经损伤机制的研究进展

张笑妍，李洋杰，王正东，颜南

（1.沈阳医学院基础医学院临床医学专业2018级本科生，辽宁 沈阳110034；2.基础医学院人体解剖与组织胚胎学专业2020级硕士研究生；3.基础医学院解剖学教研室；4.医学应用技术学院康复教研室）

氟元素作为人体必需微量元素，在摄入正常的生理需求量时，可促进机体对钙和磷的吸收与利用，加快骨的生长，加强骨质的硬度，预防龋齿和动脉硬化。然而，氟对人体的作用是双向的［1］，若人们长期通过饮用水、空气或食物等介质摄入过量的氟，就会导致慢性蓄积性氟中毒即地方性氟中毒，其主要临床特征为氟骨症和氟斑牙。氟具有极强的亲骨性，容易在骨组织中储存堆积，破坏了骨骼及其周围软组织的正常结构，出现骨质疏松、软组织硬化等症状，同时，造成成骨多样性病变［2］。轻者引起机体多个大关节持续性疼痛，重者患者肢体僵化，活动范围受限，活动能力降低，甚至瘫痪。肝、肾是重要的解毒器官和排泄器官，氟摄入过量时，细胞肿胀，分布疏松，细胞染色质含量提升，NOS表达异常，NO合成增加，诱导氧自由基增加，从而破坏肝组织［3］。同时过量的氟化物积聚在肾单位，损伤肾的近端小管上皮细胞，造成细胞膜的损伤，并引起代谢和解毒相关酶的异常表达［4］。根据流行病学调查数据，高氟地区男性的不生育概率高于正常地区［5］。氟中毒引发机体睾丸生精功能紊乱，降低精子的数量、质量和活性，从而致使男性生殖功能出现障碍［6］。同时氟化物对女性生殖系统也有不良影响。动物实验表明，高氟会改变子宫自身的组织结构以及卵巢的形态并诱发细胞凋亡，损害卵母细胞的成熟能力，并阻碍其发育和受精［7－9］。目前氟中毒对神经系统损伤的研究最为热门。本文主要对其机制进行综述。

1 氟中毒对神经系统的损伤

氟化物和其他卤素元素一样，可通过血脑屏障进入大脑。目前已有的流行病学调查和动物实验研究证实了氟化物的神经毒性作用［10］。过量的氟进入大脑后，动物神经的结构和功能均受到高浓度氟的损害，而海马部位作为氟最主要的积累部位被认为是氟化物攻击的靶器官之一，诱发海马神经细胞凋亡［11］。研究表明，氟中毒可损害海马突触界面结构，而当突触界面结构被破坏时，其传递神经信息的功能会受到一定影响［12］。研究发现，氟化物可在体外诱导海马神经元的氧化损伤，并在一定程度上破坏海马的形态［13－14］。而海马是负责人体学习和记忆的器官，因此过量的氟化物对人大脑功能的影响主要表现为认知功能损伤和智力缺陷，对实验动物大脑的作用主要为降低动物的学习和记忆的能力。

1.1 氟能导致机体学习和记忆功能障碍 有研究发现，接触水中高浓度氟化物与儿童智力水平下降显著相关［15］。印度不同氟化物暴露地区儿童智商（IQ）水平的研究为此提供了可信依据，表明在高氟饮用水地区儿童的平均IQ水平明显低于正常和低浓度氟区域［16］。

1.2 氟能引起认知功能损伤和行为异常 在动物实验研究中发现，小鼠在氟中毒后出现食欲减退，体重降低，自我协调能力和运动耐力也出现下降趋势，有的甚至出现全身震颤、紧张、麻痹等症状［17］。流行病学研究表明，长期生活在高氟环境的人可出现认知损伤和行为异常［18］。另一项研究表明，生活在含有高浓度氟饮用水地区的老年人，过量的氟可导致其认知功能出现损伤［19］。此外，在母体孕期时或婴幼儿阶段长期摄入氟化物，未发育完全的机体对氟的抵抗力较低，氟可透过胎盘屏障和血脑屏障进入胎儿或新生儿尚未发育完整的大脑，且血脑屏障通透性高于成年期，导致氟在脑组织中的蓄积［20］，产生毒性作用，使其神经元发生损伤，进而影响神经系统学习记忆的正常功能［21］。

2 氟中毒所致神经系统损伤的机制

2.1 氟致自由基损伤学说 机体内自由基的氧化生成过程与抗氧化消除过程的平衡被破坏，致使机体氧化程度升高，大量氧化中间产物堆积，蛋白酶的分泌增多，中性粒细胞炎性浸润，造成细胞死亡，机体组织损伤，这种不平衡叫氧化应激（OS）。有学者提出氟可能通过OS对人体各系统造成损伤，具体内容为当机体大脑处于一个高浓度氟的环境时，氧化应激水平的提高促使自由基含量增加，降低抗氧化系统的作用，其神经功能会受到影响。刘仙红等［22］在实验中建立染氟的大鼠模型，最后得出经染氟处理后的大鼠脑中氟含量较对照组高，且高氟组脑中氟含量比低氟组要高；染毒大鼠海马体和皮质组织中的PPARγ蛋白含量显著下降，高浓度氟处理组比低浓度氟处理组降低的更加急剧；同时血清中的抗氧化酶超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH－Px）的活性也随染氟浓度的增高而下降，而活化的PPARγ可能直接抑制体内的抗氧化酶如SOD等的表达，阻碍体内自由基的消除过程，说明了PPARγ在抗氧化应激系统中起着重要作用，由此支持了氟致自由基损伤假说。一些其他实验共同证实了该学说，高浓度氟可升高氧自由基的含量，诱导动物神经系统发生氧化应激反应，进而导致细胞内部基因和功能均发生改变，促使细胞发生凋亡，最后使神经组织发生炎症等病理改变［23－25］。此外通过实验研究观察到ROS合成增多，导致ROS清除剂GSH－Px的消耗量增多，可有效阻止SOD活性的降低，氧化应激反应在该基础条件下持久发生，最后导致负责去除自由基的酶大量消耗，而因氧化应激反应产生的大量自由基致使脂质发生过氧化，蛋白质和核酸发生氧化从而导致细胞凋亡［26］，最后造成神经的损坏。年未未等［27］实验结果显示，氟染毒组小鼠脑组织SOD、GSH－Px活性下降，表明氟暴露削弱了小鼠脑组织的抗氧化防御能力，对脑造成氧化性损伤，也证明了自由基学说。

2.2 氟诱导细胞凋亡理论 实验证明，神经细胞凋亡是氟暴露的直接后果［28］。氟中毒可致多种组织细胞的损伤而不伴有明显的炎症反应，以细胞凋亡的形式发生在脑组织损伤中，何卫红等［29］研究发现，高氟能显著促进人神经母细胞瘤细胞凋亡。有研究阐述，地方性氟中毒的致病原理与细胞凋亡数量增加存在密切联系，在任何状态下对细胞进行高剂量染氟处理，均可诱导细胞发生凋亡，且随浓度的增高细胞凋亡率增加［30］。

细胞凋亡是一种循序渐进的细胞死亡，为了保持体内环境的安定，细胞死亡是一个自发而有序的过程，这在人体中非常普遍。p53是调节细胞凋亡信号传导的主要基因之一［31］，可通过调节受体和线粒体途径诱导细胞凋亡。其中，p53基因中野生型p53可诱导相关基因的表达，抑制受损细胞的生长和增殖，从而修复严重损伤的DNA或使其凋亡。有研究表明氟中毒导致的神经慢性损伤可诱导p53蛋白的表达，p53的高表达与神经细胞凋亡大致一致［32］。细胞凋亡有Caspase依赖性和非Caspase依赖性两条通路。研究表明，慢性氟中毒可导致SD大鼠海马组织中Caspase－12基因的表达改变，并与机体中氟蓄积量存在相关关系［33］。核酸内切酶G（endonuclease G，Endo－G）作为Caspase非依赖性凋亡通路的重要因子，能使线粒体膜通透性增加，并与凋亡诱导因子、细胞色素C等其它立体蛋白一起释放到细胞质进入细胞核，使染色体DNA分裂并将细胞核DNA分解成短核苷酸，引起细胞凋亡，有实验表明Endo－G的高表达和异位转移参与了慢性氟中毒大鼠脑组织的神经细胞凋亡，是慢性氟中毒引起脑组织细胞凋亡的机制之一［34］。Bcl－2作为不容忽视的调节基因，高氟可提高Bax基因的表达和抑制Bcl－2基因表达，在Bax高表达时，Bax与Bcl－2形成异二聚体，使Bcl－2蛋白失活，诱导细胞凋亡，并且细胞凋亡率与氟浓度呈正相关［35］。氟中毒诱导细胞凋亡的机制还与过多的氟进入体内，直接结合氧原子，妨碍氧气代谢，增加活性氧含量有关。

2.3 氟致钙代谢失调学说 钙是一种金属元素，化学性质活泼。钙对维持机体正常功能是至关重要的。99%的钙离子存在于人体骨骼中，起到促进骨骼发育、支持身体、保护人体的作用。另外1%的钙分布于人体细胞外液和软组织中，虽含量较少但在人体生命活动中起着非常重要的生物学作用。正常情况下，钙离子的体内代谢处于动态平衡状态，而氟中毒属于“钙矛盾症”，即机体缺钙，但细胞内钙流量增加的现象。也就是说，机体大量摄入的氟化物直接袭击氧原子，阻止正常氧代谢的运行，促使超过正常量的氧自由基破坏细胞膜，损害细胞表面及内部与钙离子转载和储存相关的结构，从而促使细胞的钙平衡被破坏，而且钙离子是神经细胞的重要信使，脑内含有超高浓度的钙离子可引起一系列脑的损害。实验证实海马突触体钙超载与氟致脑功能损害存在联系。有实验得出低钙组与正常加氟饮食组血清和细胞的钙离子浓度均有显著的上升趋势，进一步证实了在长期摄入多量的氟后，高氟可加剧机体血清及细胞内钙超载情况［36－37］。此外高氟可诱导钙平衡失调，NF－κb及其下游Bcl－2凋亡蛋白表达水平均出现变化，导致脑细胞损伤，证实了氟致钙离子失衡学说［38］。氟中毒致脑损伤与L型钙离子通道及下游相关分子的表达异常密切相关。CaMK是钙调蛋白激酶的成员之一，钙调蛋白与钙离子结合后被激活，与CaMKⅡ调节区中的CaM结合区结合启动CaMKⅡ，激动的CaMKⅡ通过多种途径调节细胞内钙离子平衡，具有广泛的生物学活性，且与神经损伤、凋亡及其他细胞的功能密切相关，研究表明，脑海马内钙超载是由氟中毒引起的［39］。钙调激酶对PC12细胞氟中毒的研究结果也显示，钙调激酶CaMKⅡ、Bcl－2和Bax基因和蛋白表达异常引起钙信号通路失调和紊乱，诱导细胞凋亡［35］。

2.4 其他机制

2.4.1 信号转导通路 长期摄入过量氟化物可使促分裂素原活化蛋白激酶（MAPK）通路发生变化，在实验研究中，氟化物作用于MAPK通路，从而破坏与该通路有关的反应。而在细胞凋亡的过程中有MAPK／胞外信号调节激酶（ERK）信号途径参与调节［40］。有研究人员通过应用内在光信号（IOS）对已经氟化钠处理过的大鼠及小鼠加入MAPK抑制剂并对脑海马体的体积进行检测，同时对脑片的透光率也进行测量，观察二者是否发生改变及变化后的趋势，结果显示未加入MAPK抑制剂组大鼠和小鼠的海马体体积明显缩小，而加入MAPK抑制剂干扰后，完全可以改变这种情况，表明过量的氟可通过改变MAPK通路的状态而干扰神经细胞，使神经细胞凋亡数量增加［41］。

此外高浓度氟的摄取可导致糖基化终末产物／其受体（AGEs／RACE）通路的变化，从而致使机体神经功能出现紊乱。一项实验结合了之前学者提出的AGEs／RACE复合物活性的变化可能是致使中枢神经系统病变的机制学说，证实了上述机制，该研究发现过量的氟通过提高NOX2的活性，进而诱发氧化应激反应，提高AGE／RAGE复合物在神经中的表达水平，其中AGE可使血管的通透性增强，损害微血管，从而阻碍神经系统功能的正常运行［42］。

2.4.2 受体结合 氟通过改变神经递质和其受体在脑中的存在状态及含量影响神经元的正常功能。研究发现，经氟处理的动物，脑组织中神经递质活性发生了变化，成年大鼠长期饮用含氟化物的水，过量的氟降低了大鼠脑内的乙酰胆碱酯酶（AchE）的活性，证实了在高浓度氟的作用下，会阻止神经信息的传递，最后导致大脑的神经系统正常功能受到损害［43］。氟还能使神经递质含量发生变化。在实验中天冬氨酸转氨酶和丙氨酸氨基转移酶受高氟的影响，其活性明显降低，而它们是合成中枢神经系统重要兴奋性神经递质谷氨酸的关键酶，所以在高氟的作用下，谷氨酸的含量降低，从而破坏神经元的正常生理功能［44］。过量的氟也可通过影响神经递质受体含量来对脑组织产生损伤，研究人员在持续氟喂养7个月的大鼠脑中发现烟碱乙酰胆碱受体（nAchR）显著降低，由于nAchR对机体的认知功能有一定影响，尤其是其α7 nAChR亚型和α4 nAChR亚型两个受体，它们影响机体记忆的形成，而氟中毒能降低这些受体在脑组织内的含量，诱发记忆认知效应障碍［45－46］。

2.4.3 能量代谢 葡萄糖的代谢为大脑获取能量的主要来源，故大脑功能状态的优劣可通过葡萄糖代谢率水平判断。已有研究显示，在经高剂量氟处理后，大鼠大脑中葡萄糖的代谢率显著下降，协助葡萄糖透过血脑屏障的GLUTI的表达也同时下降，进而促使大鼠的学习记忆的能力下降，说明了高氟可通过降低葡萄糖的运载量和葡萄糖在大脑中的代谢水平来紊乱正常的能量代谢，从而致使神经系统被损害［47］。

3 展望

近些年，由于国家加大对高氟地区饮水及燃煤的整治，我国患有地方性氟中毒的人数在逐年降低，但由于氟中毒对于人体的不良作用是长期持续性的，无法在短时间内根治，这就对未来氟中毒方面的研究提出了新的要求，因此，对于氟中毒的研究要更加深入，敢于设想并尝试新的有利于氟中毒的预防与治疗措施，为地方性氟中毒在临床上的防治提供更多的思路。