铀的神经毒性及作用机制研究进展

张 婷,战景明,周小林,张 晖,张艳娜

(1.中国辐射防护研究院,太原 030006; 2.中核北方核燃料元件有限公司,内蒙古 包头 014035)

近年来成熟经济体和新兴经济体中的核复兴计划促使人们对铀矿开采的兴趣日益增加。铀的开发利用会污染空气、水和土壤。它通过口、鼻和皮肤进入人体,威胁人体健康。铀作为一种重金属核燃料,被用于各种民用和军用项目。核燃料铀化合物中毒可能给工作人员和公众都造成风险,特别是参与核燃料循环的不同阶段的工人,如核电厂、铀矿勘探、开采、碾磨、铀转化、浓缩、制造核燃料和后处理等。

铀(Uranium,U)是最重的天然金属元素,存在于地壳中,在自然界中只存在三种天然同位素,依次为234U、235U、238U,其中只有235U用于核裂变反应[1]。天然铀中238U 丰度占比约为 99.27%,235U 约为 0.72%,234U 约为 0.005 4%。贫铀(DU)是指从天然铀中浓缩提取绝大部分235U之后得到的副产品,由于贫铀具有极高密度的自然特性并相对经济便宜,因此被制成弹药(贫铀弹)用于战争中[2],在海湾战争期间使用了大约 340 吨贫铀弹药,以通过自燃释放的热能引发爆炸来摧毁重型装甲坦克[3-4]。天然铀和贫铀的单位质量铀产生的放射性非常少,人类和动物接触铀对健康的影响通常归因于铀的化学性质。铀有四种可能进入人体的方式:吸入含铀粉尘、通过受污染的食物或水摄入、弹片伤口或含铀粉尘的皮肤吸收[3]。铀从肠或肺吸收,进入血液,并迅速沉积在组织中,主要是肾脏和骨骼,还有一部分直接从尿液中排出[5-6]。铀的主要不良反应是急性暴露后的肾毒性[7],而慢性暴露后很难明确其毒性靶器官或部位[8]。

随着对铀的不断研究,越来越多的毒理学证据表明铀不仅对肾脏和骨骼产生作用,还有一些新的分子水平上的发现[9],对神经系统和认知行为能力的影响[10],对生殖系统和遗传方面影响[11],对代谢性疾病的影响[12],等等。尤其是铀的神经毒性,它的表现形式更为隐匿,但是造成的远期毒性效应不容忽视。本文就铀(含贫铀)的神经毒性及其对行为和认知障碍的影响展开综述,为铀的毒性研究提供新的思路。

1 动物模型的实验研究

铀元素主要以正四价和正六价的形式存在,通常正四价的铀离子可以和无机碳生成沉淀[13],六价的铀酰离子容易和生物体内的碳酸盐、磷酸盐及一系列的蛋白质,如运铁蛋白(Transferrin)和血清蛋白(Albumin)等,络合形成复合物[14-15],并破坏这些蛋白质的正常生物功能,因此铀酰离子[UO22+,U(Ⅵ)]是铀化合物在体内最稳定的化学形式[16]。

采用六水合硝酸铀酰对秀丽线虫进行慢性染毒实验,结果表明贫铀的长期暴露会缩短帕金森模型线虫NL5901(unc-54::alpha synuclein::YFP+unc-119)的寿命,导致线虫体内α-突触核蛋白聚集增加和 DAergic 神经元损伤,具有潜在的神经毒性[17]。猫和狗连续吸入 0.5 ～ 18 mg/m3浓度的铀5周(8小时/天,5天/周)后,观察到了包括步态不稳和疲倦在内的神经症状[18]。对大鼠采用190 mg/m3浓度的铀持续吸入暴露3周(30 分钟/天,4 天/周),结束染毒的初期,大鼠的活动和站立行为增加[19]。连续给大鼠注射7天浓度为0.1～1 mg/kg的铀后,观察到大鼠的运动协调性降低[20]。通过含有贫铀的饮用水对大鼠进行染毒2周、3个月和6个月(染毒浓度为每天4、8和10 mg/kg),可显著增加雄性的运动活动[21-22]。在相同的实验条件下,雌性的运动活动不是很显著[22],这种差异可能与激素调节有关,考虑可能是铀神经毒性中下丘脑-垂体轴的作用。然而,铀诱导这些运动效应的确切机制仍有待阐明。

此外,铀对认知功能和空间记忆也有一定的影响。有研究表明,对大鼠肌内注射1 mg/kg 贫铀后,出现了空间记忆的短时损害[23]。Monleau等采用190 mg/m3浓度的贫铀持续吸入暴露3周后,也观察到了空间记忆能力的显著下降[19]。采用每天饮水食入(2 mg/kg)的方式持续染毒贫铀1.5个月,大鼠表现出空间记忆能力显著下降和焦虑增加[24]。在另一项饮水染毒的研究中,暴露富铀3个月、6个月和9个月后,Y迷宫的空间记忆下降[25]。在相同的实验条件下,贫铀对记忆或焦虑没有显著影响[24]。内嗅皮层中活性氧 (ROS) 和脂质过氧化的不平衡可能解释了富铀和贫铀引起的不同行为效应[26]。载脂蛋白E(ApoE)被认为是与阿尔茨海默病息息相关的蛋白。在一项对ApoE敲除(ApoE-/-)小鼠的贫铀染毒实验中,发现铀暴露可能会加速阿尔茨海默病的发生[27]。这表明,铀在ApoE-/-小鼠中诱导的行为改变可能与大脑中胆固醇的改变有关。这些认知效应改变可能与铀在大脑区域的蓄积作用有关,这与其他金属(如铅、镉、汞等)在海马区域的蓄积而导致的认知功能障碍相似[28]。海马是大脑中控制空间学习记忆的关键部位[29],所以猜测铀对认知效应的影响可能与海马有关。

发育中的大脑比成熟大脑更容易受到毒物的影响[30]。在以斑马鱼作为模型的研究中,将斑马鱼暴露在贫铀环境下,其后代器官会出现异常现象[31]。Houpert 等将孕期和哺乳期雌鼠每天暴露于富铀(2 mg/kg)中,其后代在2个月大时空间工作记忆下降15%,在5个月和9月大时探索活动分别增加了72%和88%[32]。另一项研究表明,在新生期和哺乳期每天暴露于贫铀(80 mg/kg)的幼鼠其学习状况受到干扰[33]。进一步的研究发现[27,34-35],出生2个月的幼鼠通过母乳和饮水染毒铀,会出现物体识别记忆受损、焦虑和抑郁样行为,但不会影响空间记忆能力,而在暴露4个月后幼鼠的物体识别记忆的影响消失了,这表明大脑随着时间的推移能够适应或补偿铀对其的损害影响。有研究表明,大脑发育过程中暴露于高剂量(120 mg/L)的DU会对产前和产后的细胞增殖和细胞死亡过程产生相反的影响。DU的暴露主要存在妊娠第18天胎儿的皮层神经上皮中,DU降低了细胞死亡,而没有改变凋亡细胞的数量[36]。

2 人群流行病学调查

在早期的流行病学调查中发现,工人暴露于高浓度的铀环境时,表现出抑郁、忧虑、运动和语言障碍的行为异常现象[37]。长期的队列研究中发现铀矿工人脑部肿瘤和中枢神经系统癌症的死亡率过高[38],但是并没有明确的因果证据来证实是由于暴露铀矿粉尘所致。

有研究表明[39-40],参与1991年海湾战争的退伍军人,出现了很多包括头痛(包括偏头痛)、广泛的慢性疼痛、慢性疲劳、认知功能障碍、胃肠道症状、情绪障碍以及一些呼吸和皮肤问题等症状的慢性多症状疾病,这些疾病被统称为海湾战争疾病 (GWI)。先前的研究还表明,GWI 与脑癌风险增加以及晚期衰老模式相关,这与越南退伍军人因接触化学物质而面临的医疗结果相似[41]。此外,有证据表明,患有 GWI 的退伍军人面临海马体积减少和连接皮质灰质区域的轴突束萎缩的风险[42-43]。这些大脑变化可能会加剧症状,因为它们会影响负责疲劳、疼痛、情绪和认知处理的区域[44]。McDiarmid等通过监测参与海湾战争的退伍军人,发现通过伤口暴露于贫铀碎片7年后,这些军人认知能力的下降与其尿液中的铀浓度具有相关性[45]。但在此后,他开始了进一步的追踪研究,结果却不完全一致[46]。考虑这些认知障碍可能与贫铀有关,但也可能是由于战争引起的心理反应。

另外,值得一提的是,Goasguen 等人报道了一名50岁男子的铀暴露职业史病例,他有6年的多种神经系统疾病病史,表现为平衡失调、运动无力和四肢萎缩。广泛的临床检查发现在他的粪便中检测到大量的铀[47]。在没有任何其他明显原因的情况下,这些神经功能缺陷归因于该男子三年来铀暴露的职业史。

诚然,很少有流行病学调查或医疗救治中直接表明铀对神经系统的作用。在接下来的研究中,仍然需要广泛的流行病学调查来相互验证从动物实验中得到的铀所致神经毒性的启示。例如,使用适合的流行病学抽样和评估工具,获取更多铀暴露的职业人群进行长期而有效的队列观察。

3 铀的神经毒性发生机制

如上所述,动物模型实验研究和人群流行病学调查均提示,接触铀后大脑会出现神经紊乱,但它们发生的机制仍然有诸多的不确定。铀主要表现为化学毒性,这与其他重金属的神经毒性相似,包括镉、铅和汞[28]。这些金属的神经毒性通常通过炎症和氧化应激反应、细胞凋亡和坏死、细胞死亡或神经元信号传导和细胞内信号转导、中枢神经系统的表观遗传学机制等途径来解释。

3.1 氧化应激途径

大脑特别容易受到氧化损伤,由于活性氧 (ROS) 失衡导致的氧化应激可能是铀神经毒性的一种机制,氧化损伤会导致脂质过氧化[22,26,48]。有研究表明,采用不同的剂量对大鼠进行亚慢性和慢性铀染毒3个月后[48]和9个月后[26],其内嗅皮质中观察到脂质过氧化增加,尤其是皮层和小脑。这表明,铀会增加特定区域的脂质过氧化,并表明细胞膜因氧化应激诱导和自由基产生而受损。铀诱导的脂质过氧化可能导致线粒体膜损伤和线粒体膜电位的失衡[49],并且还会导致细胞死亡[50]。Shaki 等人进一步的研究表明,体外贫铀会导致离体大鼠脑线粒体发生氧化应激及其功能障碍[51],而斑马鱼模型的另一项研究并未证实这一点[52]。最近的一项关于秀丽线虫的模型研究表明,贫铀可能通过抑制抗氧化基因cat-1、cat-2、cat-3、gst-7和gst-10的表达从而降低了线虫清除ROS的能力,这将造成DAergic神经元的损伤从而进一步引发PD[17]。总之,促/抗氧化系统的失衡肯定是一种机制,它可能在铀对大脑功能影响的机制途径中发挥作用。然而铀诱导的反应程度取决于暴露时间和剂量,并且这种反应因大脑区域而异。图1显示了长期暴露于低剂量和高剂量贫铀时氧化应激途径的相反反应[10]。

注:在低剂量下,贫铀通过诱导抗氧化反应刺激抗氧化酶系统和一氧化氮途径,这种机制抵消了氧化应激。较高剂量的贫铀通过抑制抗氧化酶和一氧化氮途径来诱导促氧化反应[10]。

注:皮质和海马体之间的主要区别在于分解酶和 M1AChR 的浓度[10]。

3.2 谷氨酸分泌干扰途径

谷氨酸盐会增强广泛的慢性疼痛[53],这种过度的谷氨酸能神经传递会导致神经可塑性改变,从而导致中枢敏化或神经系统的高反应性持续状态[54]。谷氨酸介导偏头痛和先兆活动[55],并被认为是偏头痛、癫痫和情感障碍之间重叠的共同机制[56]。此外,谷氨酸在记忆和其他认知功能中也发挥重要作用[57],因此任何影响谷氨酸能神经传递的毒物都可能导致认知缺陷。早期的动物研究表明,铀酰离子(UO2+2)可渗入中枢神经系统,通过靶向电压门控钙通道减少去极化诱发的谷氨酸释放,从而防止兴奋性毒性,从而降低神经元的兴奋性。然而,由于谷氨酸对记忆功能和其他认知过程至关重要,因此这种离子也被认为是导致暴露于贫铀的退伍军人空间工作记忆减少和神经认知障碍的原因[58]。

3.3 乙酰胆碱及受体干扰途径

乙酰胆碱 (ACh) 是中枢神经系统一种重要的神经递质,并且参与大脑高级功能,例如学习和记忆[59],ACh 神经传递可诱导从非快速动眼睡眠到快速动眼 (REM) 睡眠或清醒的转变[60]。另外,乙酰胆碱酯酶 (AChE) 和乙酰胆碱受体 (AChR) 可能会影响运动和感觉运动功能[61]。胆碱能神经传递涉及乙酰胆碱的合成和释放,胆碱能神经元从脑干投射到多个区域,包括皮层、海马和小脑。通过肌肉注射贫铀(1 mg/kg/天)7天,1个月后,在皮层中AChE 活性增加,这种增加与感觉运动改变有关[20]。相比之下,通过长期服用含贫铀的饮水(2 mg/kg/天)1.5个月,9个月后观察到内嗅皮质的AChE 活性降低[62],而大鼠在饮用水中暴露于铀6个月后,额叶皮质中的 AChE 活性没有改变[63]。在小鼠和斑马鱼进行乙酸双氧铀染毒后,对小鼠皮层和斑马鱼全脑分析发现 AChE 增加[20],这可能导致突触处 ACh 的持续消耗致失调[64]。但是这些研究都没有观察到海马中 AChE 活性的任何改变。或者说,硝酸铀酰暴露已被证明会显著降低内嗅皮质和小脑的 AChE 活性(从而增加 ACh 活性),但是由于这些研究所用的物种、染毒时间、染毒方式和染毒剂量不同,导致结果不完全一致。Bensoussan 及其同事指出,大脑的某些区域可能对贫铀的影响更敏感,可以解释 AChE 活性的差异[62]。图 2 说明了摄入铀污染的饮用水后,铀对大脑皮层和海马中基因表达具有相反影响[10]。

3.4 神经系统的表观遗传学机制

中枢神经系统中的表观遗传机制对调节各种神经元功能至关重要,并在认知行为如学习和记忆中发挥关键作用[65-66]。介导基因表达表观遗传调控的三种主要分子机制(DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA的表达)可以调节神经元功能,这也是铀作用的潜在靶点。有两项最新研究显示,慢性铀暴露后,啮齿动物性腺[67]和斑马鱼大脑[68]中的全组DNA甲基化发生了变化。首次表明,铀增加了大脑中全基因组的胞嘧啶甲基化,同时减少了特定位点CpG岛的DNA甲基化,其中,CpG岛主要存在于基因的启动子区,可能会导致基因沉默[69]。而胞嘧啶甲基化模式的这些改变取决于铀浓度和暴露时间,男性的改变大于女性[68]。

总之,铀在大脑中存在并且具有生理活性。铀引起的神经毒性包括:抗/促氧化系统失衡以及神经化学和神经生理学损伤。根据大脑区域、染毒剂量、染毒时间和染毒方式,其影响具有一定的特定性。了解铀对大脑功能的具体机制还需要更为深入的实验研究。

4 结论与思考

大量动物实验研究和人群流行病学调查均证实了铀的神经毒性。其主要表现为动物步态不稳和疲倦在内的运动效应症状,以及对认知功能和空间记忆的影响,人群中的抑郁、忧虑、运动和语言障碍等行为异常现象。铀的神经毒性主要是由于它的化学性质所决定,这与其他重金属的神经毒性相似,通常通过抗/促氧化系统应激失调、谷氨酸能神经传递异常和乙酰胆碱能系统受阻来解释。就目前的研究而言,接触铀后大脑会出现神经紊乱,但它们发生的机制仍然有诸多的不确定。

为了进一步的研究和评价铀的神经毒性及其可能带来的各种危害,有必要明确铀进入大脑的方式和位置(血脑屏障的区域特异性、全身通路、转运蛋白),更重要的是确定铀的作用与其积累之间的相关性。目前我们观察到的神经行为的改变在动物实验中有很好的佐证,但是流行病学或临床病例的调查研究案例仍然比较匮乏,长期低水平铀暴露是否对人类健康构成危害仍然是一个值得探讨的问题。因此,需要进一步的研究来验证铀的暴露及其潜在的行为后果,从而及时确定预防和救治措施,这将为未来的冲突中使用铀相关的武器带来的危害提供一些启示和帮助,更好的保护相关从业者和我们的武装部队。