大学生血清金属水平与抑郁、焦虑关联的横断面研究

牛玉杰，褚晨，庞雅贤，沈亚欣，李立鹏，刘清萍，张荣b，

河北医科大学 a.公共卫生学院劳动卫生与环境卫生学教研室 b.河北省环境与人群健康重点实验室c.公共卫生学院卫生毒理学教研室 d.外科总论与手术学教研室，河北 石家庄 050017

据世界卫生组织统计，2005—2015年10年间全球抑郁症患者人数增加了18.4%。全球3 亿抑郁症患者中，中国占5 400 万例［1］。2011—2012年美国国家健康和营养调查分析发现，5 560名20～80岁的美国成年人中，363 人（7.8%）有抑郁表现（患者健康问卷得分≥10）［2］。近年来高校大学生心理疾病发生率呈不断上升趋势，已经引起社会的广泛关注。2014年美国一项67 500 人参与的行为健康趋势调查数据显示，在18～25 岁的人群中，12 个月内严重抑郁发作的患病率为9.3%［3］。2019年对中国一所综合性大学的541 名大学生进行横断面调查发现，161 人（29.8%）有抑郁症状，并且抑郁自评结果存在性别差异和学科差异［4］。2016年的一项meta分析显示，医学生的抑郁症或抑郁症状患病率为27.2%（95%CI：24.7%～29.9%）［5］。心理疾病的发生除遗传因素外，与环境、生活方式等方面的因素也密切相关。由于心理疾病患病率不断增加，对其病因和发病机制的研究一直是该领域的热点。

金属元素是生活和生产环境中常见的外源化学物质，有些是人体生理功能所必需的，有些暴露后则会导致健康损害。金属元素可通过饮食、日化品应用、环境污染等各种途径进入人体。西班牙一项成年人调查显示，生活在土壤重金属和金属类物质浓度较高的地区，患心理障碍的可能性升高［6］。另一项研究发现，美国成年人尿中重金属的含量与抑郁存在关联［2］。有研究发现血清锌、铜、铁、镁水平降低与抑郁、焦虑症状呈正向关联［7］，但也有研究发现高发锌水平与帕金森病人出现心理障碍有关联［8］。锰（manganese，Mn）虽是人体必需的金属元素，但调查显示，孕妇血Mn水平增加和产后抑郁的发病相关联［9］。而最近的一项meta分析结果提示，尚不能明确镉（cadmium，Cd）和铅（lead，Pb）的水平与抑郁和焦虑情绪的关联有统计学意义，其原因可能与采用不同的生物样品和评估量表有关［10］。因此，体内金属元素含量与抑郁、焦虑的关系仍需要进一步深入探讨。

研究表明，在抑郁症患者血浆中皮质醇含量升高，补充多巴胺（dopamine，DA）和5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）可以缓解重度抑郁症患者的症状［11］。本课题组前期动物实验表明，大气细颗粒物（fine particulate matter，PM2.5）暴露后，大鼠脑组织中多种金属元素水平增加，DA 和5-HT 水平降低，并引起大鼠抑郁样反应［12］，提示金属元素暴露可导致与抑郁、焦虑相关的神经递质水平变化，并引起抑郁情绪改变。但目前尚未有大学生血中金属元素与抑郁、焦虑情绪及血清神经递质水平关联的研究。

本研究选择某医科大学在校本科学生作为调查对象，探讨血清金属元素含量与血清中神经递质水平以及抑郁、焦虑的关系，以期为深入了解金属元素对心理健康的影响及其潜在机制提供线索，为制定相关健康标准提供依据。

1 对象与方法

1.1 研究对象

本研究为横断面研究，于2017年12月招募河北省某医科大学同一年级的本科学生，学业课程基本相似。纳入标准：年龄19～23 岁，在学校住宿，在学校食堂就餐，有意愿参与本研究并坚持完成。排除标准：吸烟，饮酒，连续服用药物两周以上，患慢性疾病，近一年内接受外科手术，近期情绪情感遭受重大打击。本研究获河北医科大学伦理委员会审查批准（伦理审查批准号：2016021），所有研究对象均签署知情同意书。

1.2 样本量确定

使用 PASS 15.0.5 软件估算多元线性回归样本含量。根据预调查结果，设定α=0.05、β=0.10、ρ2=0.3，选择双侧检验，计算出最小样本量为76。本次调查共招募86名大学生。

1.3 问卷调查

研究对象经专业调查人员培训后，统一时间集中自行填写基本情况调查表和抑郁、焦虑量表。基本情况调查内容包括年龄、性别、身高、体重、家庭年均收入（以2019年中国家庭年均收入7 万元划分），以及调查前两周是否患有疾病、是否服药、药物种类和频率。

采用抑郁自评量表（Patient Health Questionnaire-9，PHQ-9）和焦虑自评量表（Generalized Anxiety Disorder-7，GAD-7）对大学生抑郁和焦虑情况进行评估。PHQ-9 共设9个条目，每个条目采用4级评分（0～3分），各条目得分累加获得总分。GAD-7共设7个条目，每个条目采用4级评分法（0～3分），各条目得分累加获得总分。当量表评分的界值为10分时，PHQ-9和GAD-7量表均具有较高的灵敏度和特异度［13-14］，故本研究选择10分作为分界值，评分≥10分为有抑郁/焦虑表现，＜10 分为无抑郁/焦虑表现。

1.4 血清中金属元素含量测定

问卷调查结束后，收集调查对象空腹外周静脉血4 mL，4℃、3 000×g离心15 min，分离血清，-80℃保存备用。使用电感耦合等离子体质谱仪器（inductively coupled plasma mass spectrometer，ICP-MS）（天瑞仪器，中国）测定血清中钴（cobalt，Co）、砷（arsenic，As）、硒（selenium，Se）、钼（molybdenum，Mo）、Cd、Mn、Pb、铬（chromium，Cr）、锡（stannum，Sn）、锑（antimony，Sb）和钛（titanium，Ti）元素的含量。测定过程中每检测10 个样品进行1 次空白检测，以排除背景污染。ICP-MS 的工作条件如下：冷却气流速，14 L·min-1；载气流速，1.06 L·min-1；辅助气流速，0.8 L·min-1；功率，1 550 W；雾化室温度，2.70℃；碰撞反应池气体，氦气；氦气流速，4.6 mL·min-1；采样深度，5 mm；元素重复检测次数，3次。

1.5 血清中神经递质水平的测定

采用酶联免疫吸附测定法（enzyme linked immunosorbent assay，ELISA）试剂盒（江苏酶免实业有限公司，中国）分别测定血清中皮质醇（cortisol，CORT）、DA和5-HT含量。

1.6 质量控制

调查开始前统一对调查员进行培训，保持调查标准的一致性；调查结束后经专业人员进行逻辑复核，避免出现逻辑性错误，复核结束后由质控人员进行二次核查；数据采用双人平行录入，对所有数据进行一致性检验，确保数据有效。

1.7 统计学分析

计量资料采用均数±标准差表示。采用Cronbach’sα系数和KMO值对量表进行信度和效度检验。采用套索（least absolute shrinkage and selection operator，LASSO）模型筛选对PHQ-9 和GAD-7 评分、神经递质水平有较大影响的金属元素；采取多元线性回归模型，以LASSO 模型筛选出的金属含量作为自变量，量表得分、血清中CORT、DA 和5-HT 水平作为因变量，校正性别、年龄、体质指数等混杂因素，自变量和混杂因素分别逐一进入回归模型，计算回归系数b和其95%置信区间（confidence interval，CI），分析血清金属含量与量表得分及神经递质水平之间的关联。采用错误发现率（false discovery rate，FDR）控制多重假设检验造成的假阳性率。统计分析使用R 4.0.3 完成。检验水准α=0.05。

在上述模型的基础上，进一步校正家庭年平均收入和研究期间是否服药两个混杂因素，评估金属含量对量表得分、神经递质水平的影响。结果以金属含量每升高10 μg·L-1，引起的量表得分和神经递质水平的改变及其95%CI表示，检验水准α=0.05。上述敏感性分析均采用R 4.0.3 软件完成。

2 结果

2.1 研究对象的基本特征和抑郁、焦虑评分

本研究共纳入86 名大学生，基本信息如表1所示。研究对象平均年龄为（21.039±0.858）岁。其中男生45名、女生41名。家庭年均收入≥7万元的有53人，小于7 万元的有33 人。调查前两周有1 人因感冒服药，1人因咽炎服药，其他84名同学均未服药。

PHQ-9 的Cronbach’sα系数为0.823，KMO值为0.733。GAD-7 的Cronbach’sα系数为0.738，KMO值为0.763。PHQ-9的平均得分为（4.800±3.184）分，其中9人得分高于10 分，即10.465%的学生存在抑郁症状；GAD-7 的平均得分为（4.060±2.964）分，其中5 人得分高于10分，即5.814%的学生存在焦虑症状。见表1。

表1 大学生的基本特征和抑郁、焦虑评分（n=86）Table 1 Characteristics and scores of depression and anxiety of college students (n=86)

2.2 血清中金属元素含量和神经递质水平

测定的11 种金属元素中，血清Se 质量浓度最高，为（8.666±1.832）μg·L-1；血清Ti 质量浓度最低，为（0.006±0.002）μg·L-1。血清中CORT 质量浓度为（89.549±14.925）ng·L-1，DA 质量浓度为（61.287±14.920）ng·L-1，5-HT质量浓度为（62.090±12.927）ng·L-1。见表2。

表2 大学生血清中金属元素含量和神经递质水平Table 2 Concentrations of metal elements and neurotransmitters in serum of college students

2.3 血清金属元素水平与量表评分、神经递质水平的关联性分析

将金属元素纳入LASSO 模型后，根据参数λ最小均方差，筛选出Co、As、Se、Mo和Cd含量与PHQ-9评分相关，As 和Pb 含量与GAD-7 评分相关，Co 和Cd 含量分别与CORT 和DA 水平相关，Mo、Cd、Sn 和Sb 含量与5-HT 水平相关。

将LASSO模型筛选出金属元素纳入多元线性回归模型中，校正年龄、性别、BMI后，血清Co、As、Se、Mo和Cd 含量与PHQ-9 得分的关联有统计学意义（PFDR＜0.05），血清Co、As、Se、Mo 和Cd每增加10 μg·L-1，PHQ-9 得分分别增加0.930（95%CI：0.410～1.460）、0.010（95%CI：0.001～0.020）、0.010（95%CI：0.001～0.010）、0.190（95%CI：0.030～0.340）、2.180（95%CI：1.220～3.140）分。未发现血清中金属元素水平与GAD-7评分存在关联（PFDR＞0.05）。血清中Co 含量与CORT 水平的关联有统计学意义（PFDR＜0.05），血清Co 每增加10 μg·L-1，CORT 质量浓度下降2.990（95%CI：-5.690～-0.330）ng·L-1。血清中Mo 含量与5-HT 水平的关联有统计学意义（PFDR＜0.05），血清Mo每增加10 μg·L-1，5-HT 质量浓度升高0.980（95%CI：0.230～1.730）ng·L-1。见表3。

2.4 敏感性分析

如表3所示，在上述模型基础上校正了家庭收入和是否服药两个混杂因素后，血清Co、As、Se、Mo、Cd 水平与PHQ-9 得分的关联仍然均有统计学意义（PFDR＜0.05），血清Co、As、Se、Mo、Cd每增加10 μg·L-1，PHQ-9 得分分别增加1.020（95%CI：0.500～1.530）、0.010（95%CI：0.001～0.020）、0.010（95%CI：0.001～0.010）、0.170（95%CI：0.020～0.330）、2.190（95%CI：1.260～3.120）分。血清中Co 含量与CORT 水平的关联有统计学意义（PFDR＜0.05），血清中Co每增加10 μg·L-1，CORT质量浓度下降3.000（95%CI：-5.780～-0.230）ng·L-1。血清Mo含量与5-HT水平的关联经FDR校正后无统计学意义（PFDR=0.054），与原模型中分析结果（PFDR=0.044）相比有较小变化，其他金属含量与量表评分及神经递质水平的关联与原模型结果相比，均未见明显变化，说明家庭收入和是否服药对本研究中多种血清金属元素水平与抑郁、焦虑量表评分及神经递质水平的关联无影响，即本研究构建的血清中金属含量与PHQ-9、GAD-7得分以及血清中CORT、DA 和5-HT 水平的关联性模型较稳健。

表3 血清金属元素含量与抑郁、焦虑量表评分以及神经递质水平的关联性分析Table 3 Associations of metal element levels with depression and anxiety scores as well as neurotransmitter levels

3 讨论

本研究中约10.5%的学生有抑郁症状，5.8%的学生有焦虑症状，说明该医学院校中一定比例的学生有抑郁、焦虑情绪。但本研究结果与以往meta 分析报导的医学生中27.2%抑郁症和抑郁症状发病率相比偏低［5］，可能与本研究样本量较小有关，所得的结果尚需大样本队列研究进一步验证。2013年全球疾病负担数据显示，高收入与中低收入国家重度抑郁症的患病率相近［15］，尽管社会和文化因素（如社会经济地位）可能在重度抑郁症中发挥作用［16］，但基因和其他潜在的生物因素是导致抑郁症最主要的原因［17］。校正性别、年龄等混杂因素后，本研究对象血清中多种金属元素含量与PHQ-9 评分之间存在关联。疾病也会影响心理健康，进一步将家庭收入和服药情况作为混杂因素纳入模型后，发现血清中Mo 含量与5-HT 水平的关联经FDR 校正后无统计学意义（PFDR=0.054），与未纳入家庭收入和服药原模型中的分析结果（PFDR=0.044）相比有较小变化，但其他金属含量与量表评分及神经递质水平的关联与原模型结果相比，均未见明显变化，说明家庭收入和是否服药对本研究对象血清中除Mo 以外的其他金属元素水平与量表评分及神经递质水平的关联无明显影响，提示血清中的金属元素含量与大学生抑郁、焦虑及神经递质水平有关联。

LASSO 模型可达到对自变量降维的目的，适用于样本量较小而自变量较多的数据资料。本研究招募86 名大学生，样本量较小，因此首先采用LASSO 模型进行降维，筛选与量表评分、神经递质水平相关的金属元素，进一步采用多元线性回归并经FDR 校正后，发现血清中Co、As、Se、Mo、Cd 含量与PHQ-9 得分的关联有统计学意义，其中Cd 对PHQ-9 评分的影响最大，Se和As对PHQ-9评分的影响最小。Cd是环境中常见的重金属，京津冀地区老年队列的研究结果显示，大气PM2.5的金属组分Cd 的含量与中老年抑郁症的发生相关联［18］。韩国老年队列研究的结果也显示，血Cd水平每增加一个IQR（0.645 μg·L-1），抑郁症发生风险增加至1.27（95%CI：1.06～1.52）倍［19］。本研究结果显示大学生人群中血清Cd 每增加10 μg·L-1，PHQ-9 得分增加2.180（95%CI：1.220～3.140）分，说明在不同人群中均发现Cd 与抑郁情绪有关联，虽然Cd 进入血液后大部分与血红蛋白结合，血清Cd 水平不能完全代表体内Cd 的真实水平，但本研究结果发现血清Cd 水平与抑郁量表评分的关联有统计学意义，在一定程度上也证实了体内Cd 水平与抑郁的风险存在正向相关。动物实验也证实，亚慢性Cd 染毒可导致大鼠表现出抑郁、焦虑行为［20］。毒理学研究表明，金属元素引起神经系统疾病的机制与神经递质水平改变有关［21-22］。Cd 可通过诱导氧化应激［20］，损害单胺能神经传递系统而导致抑郁症［19］。动物实验结果也证实，Cd暴露会干扰大鼠脑组织中的生物胺代谢［23］，导致大鼠下丘脑5-HT水平下降［24］，引起模式生物的DA水平下降［25-26］。但本研究未发现血清Cd 浓度与血清神经递质水平有统计学意义的关联，推测Cd 含量与抑郁情绪的关联可能涉及其他的机制。

2015—2016年美国国家健康和营养调查数据分析显示，美国成人尿液中亚砷酸与抑郁症相关［27］。动物实验也发现，亚慢性As 暴露可以诱导小鼠焦虑行为，并且加重小鼠的抑郁行为［28］。但本研究结果显示，血清As 每增加10 μg·L-1，PHQ-9 得分仅增加0.010（95%CI：0.001～0.020）分，虽然关联有统计学意义，但实际意义不大。

Se 是机体必需微量元素。一项对14 000 多名美国成年人进行的研究表明，达到Se 推荐膳食摄入量的参与者患抑郁症的风险较低（OR=0.52，95%CI：0.39～0.71）［29］。重度抑郁症患者血清Se 含量低于正常人［30］。本研究结果发现，血清Se 每增加10 μg·L-1，PHQ-9得分增加0.010（95%CI：0.001～0.010）分，虽然关联有统计学意义，但实际意义较小。提示血清As、Se含量与抑郁情绪的关联性有待进一步验证。

Co是参与人体生理机能的必需微量元素，但高暴露可导致神经系统疾病。本研究结果显示，血清中Co含量与抑郁情绪呈正向关联，Co含量每增加10 μg·L-1，PHQ-9 得分增加0.930（95%CI：0.410～1.460）分，动物实验也证实Co 暴露后可诱导大鼠抑郁样表现［31］，提示血清Co 含量与抑郁症的发生有关。CORT 是与抑郁情绪相关的神经递质，一项对电子垃圾厂附近居民的调查发现，高暴露人群中血Co 和CORT 水平高于对照居民，但多重线性回归分析并未发现血Co 含量与CORT 水平存在统计学意义的关联［32］。本研究发现血清Co 每增加10 μg·L-1，血清中CORT 水平下降2.990（95%CI： -5.690～-0.330）ng·L-1，提示血清中皮质醇水平在Co 引起抑郁情绪改变的作用尚不明确。

Mo 是维持机体正常生理功能的必需微量元素，2000年中国营养学会制订的中国居民膳食Mo 参考摄入量，成人适宜摄入量为60 μg·d-1。本研究结果显示大学生血清中Mo 的平均质量浓度为0.099 μg·L-1，血清Mo 每增加10 μg·L-1，血清中5-HT 质量浓度升高0.980（95%CI：0.230～1.730）ng·L-1，提示血清中Mo 含量与5-HT 水平呈正向关联，5-HT 水平增加有利于减少抑郁症的发生或缓解抑郁症状。本研究结果发现血清中Mo 的含量与抑郁评分呈正向关联，血清Mo每增加10 μg·L-1，PHQ-9 得分反而增加0.190（95%CI：0.030～0.340）分，虽然Mo 含量与PHQ-9 评分间关联的实际意义较小，但也提示本研究对象中血清Mo 含量引起的5-HT水平增加尚不能缓解抑郁情绪。

本研究存在一些局限性。第一，本研究为横断面研究，难以进行因果关系推断，后续还需大样本的队列研究进一步明确因果关系。第二，本研究样本量较小，虽然采样LASSO 模型对金属元素进行降维，筛选与结局有关的变量后，进一步进行多元线性回归，以提高结果的准确性，但小样本的研究结果难以推及全人群。第三，某些金属元素如Mn、Pb等吸收进入血循环后，与红细胞中的血红蛋白结合，只有较少部分存在于血清中［33-35］，因此血清中金属元素水平不能准确反映体内金属元素的真实水平。第四，本研究仅对血清中的金属元素进行检测和分析，未对其来源进行研究。除了职业暴露外，体内金属元素的来源主要是饮食、日化品、环境暴露等，大气中PM2.5的金属组分也被认为是体内中金属元素的来源之一，但本研究未分析大气PM2.5、日化品、饮食等外暴露的重金属含量，因此尚不能确定与抑郁、焦虑情绪相关的金属元素的来源。

综上，本研究发现部分在校大学生存在抑郁、焦虑表现。血清中金属元素Cd、Co、As、Se 和Mo 含量与PHQ-9评分存在关联，其中血清Cd含量对PHQ-9评分的影响最大，血清Se 和As 含量对PHQ-9 评分的影响最小。血清Co 含量与CORT 水平有负向关联，Mo 含量与5-HT水平有正向关联。本研究结果提示血清金属元素含量与大学生抑郁情绪有关，但神经递质在金属元素导致的抑郁情绪中的作用尚有待进一步研究。