李 穎 張英瑩 賀志會 凌 麗

河北大學附屬醫(yī)院，河北 保定 071000

PD是第二大神經退行性疾病［1］。隨著社會人口老齡化，其發(fā)病率呈逐年增長的趨勢，2016 年，全球約有610 萬人患PD［2］，到2030 年，中國PD 患者將增加到494萬人，占全球PD患者的一半［3］。PD一旦發(fā)病往往不可逆，且無很好的治療手段［4］，帶來越來越大的社會和經濟負擔［2］，因此，尋找PD的病因及可疑危險因素，做好疾病的一級預防十分重要。流行病學研究表明，PD與長期接觸鉛、汞、銅和鋅等重金屬之間存在明顯關聯［5］，重金屬在PD 的發(fā)病上占有重要地位。

國內外學者在進行重金屬與PD 的相關性研究時選取了不同的生物標志物，包括血液、尿液、腦脊液、頭發(fā)、指甲等，這些生物標志物各有優(yōu)勢。本文將就PD與重金屬之間的相關性，以及在進行相關研究時生物樣本選擇問題上進行探討。

1 重金屬與PD的關系

人體存在常量元素與微量元素兩大類別，其中微量元素僅占人體質量的0.05%，卻在人體發(fā)揮至關重要的作用。微量元素又分為必需微量元素和非必需微量元素，非必需微量元素中汞、鎘、鉛、砷等具有高度毒性，也被列為有毒微量元素。部分重金屬也被視為微量元素，因它們在人體中以痕量濃度（生物體中含量＜0.01%）存在。有研究顯示，人體微量元素中某些重金屬元素與PD的發(fā)病密切相關，本文將重點對人體必需微量元素及有害微量元素中的與帕金森病發(fā)病密切相關的重金屬進行探討。

1.1 人體必需微量元素與PD人體必需微量元素包括鐵、氟、碘、銅、鋅、硒、鉬、錳、釩、鉻、鈷、鎳、錫、硅，其中重金屬鐵、鋅、銅與PD發(fā)病密切相關。

1.1.1 鐵與PD：鐵是參與氧氣運輸、線粒體呼吸和DNA合成等基本生物過程的重要輔助因子。由于各種因素，包括血-腦屏障通透性升高、大腦中鐵的重新分布、炎癥以及鐵穩(wěn)態(tài)的變化，人體總鐵濃度隨著年齡的增長而增加，并且隨著年齡的增長，黑質、蒼白球、殼核和尾狀核中鐵的濃度會增加［6］。最近一項研究發(fā)現，所有階段的PD患者黑質中的鐵水平均有所增加［7］。

動物研究同樣證實了鐵與PD 的相關性。大鼠單側鼻腔內注射低劑量的鐵會引起運動行為的時間依賴性改變，并伴隨同側紋狀體中多巴胺濃度減少95%［8］。此外，內源性鐵絡合配體（如神經黑色素）可能會改變鐵沉積的有害影響，與神經黑色素結合可能是鐵的關鍵儲存形式［6］。有學者利用大鼠模型將神經黑色素-鐵懸浮液注射到大鼠左側黑質致密部（substantial nigra pars compacta，SNpc）的外側區(qū)域，注射8 周后多巴胺神經元數量減少50%。但這個劑量的鐵不能觀察到運動異常，也沒有多巴胺的減少，表明在這些實驗條件下引起了亞臨床多巴胺能病變［8］。

在病理機制上，鐵誘導多巴胺能黑質紋狀體系統的氧化應激及蛋白質異常折疊而產生毒性作用，如SNpc 和外側蒼白球中鐵的過量積累通過Haber-Weiss和Fenton反應產生高反應性羥基自由基離子導致多巴胺能神經元損傷，從而破壞神經元的結構完整性。此外，α-突觸核蛋白是一種高酸性蛋白質，其C 端含有16～42（38%）個酸性氨基酸（谷氨酸和天冬氨酸），這些酸性氨基酸為鐵蛋白與蛋白質（神經絲）的結合提供了合適的環(huán)境。微摩爾濃度的α-突觸核蛋白在細胞內與二價鐵相互作用并以劑量依賴性方式形成α-突觸核蛋白聚集體，并且鐵促進了PD 患者SNpc 中的α-突觸核蛋白從α-螺旋向β-折疊構象的轉化［5］。

鐵螯合劑去除Fe可能是一種合適的治療方法［9］，用螯合劑（如去鐵酮或去鐵胺）治療PD 動物模型可防止黑質神經元丟失并減輕運動障礙［6］。在一項雙盲安慰劑對照試驗中，患者服用去鐵酮12個月后，與服用安慰劑相比，統一帕金森病評定量表-Ⅲ（Unified Parkinson’s Disease Rating Scale，UPDRS-Ⅲ）降低了3分［10］。同時，有研究顯示，去鐵胺是治療老年人群神經退行性變的強有力的候選藥物［11］。由此可見，降低鐵濃度對PD有一定的治療作用。鐵作為人體必需元素，如果去除過量同樣會引起疾病的發(fā)生，如缺鐵性貧血。如何合理去除黑質中過量的鐵，仍需要進一步研究。

1.1.2 鋅與PD：鋅是濃度僅次于鐵的第二種微量元素［5］。有研究顯示，PD患者體內鋅水平較低［12］，然而也有其他研究表明，PD 患者體內鋅水平升高［13-14］。最近的Meta 分析研究指出，與健康對照組相比，PD患者的血清和血漿以及腦脊液（cerebrospinal fluid，CSF）中的鋅水平較低［15］。

鋅對PD 具有保護作用。血液系統中鋅水平降低和PD之間的關聯可以通過其抗氧化作用解釋，因這種微量元素對于參與氧化應激和炎癥的各種酶和蛋白質（氧化超氧化物歧化酶、金屬硫蛋白和白細胞介素）的活性及生物學效應發(fā)揮至關重要的作用［16］。一項針對大鼠的動物研究表明，外源性鋅可以通過多種機制產生有益作用，鋅通過增加金屬硫蛋白的表 達 來 抑 制6- 羥 基 多 巴（6-hydroxydopamine，6-OHDA）誘導的氧化應激，并降低甲基苯丙胺誘導的多巴胺能神經毒性［8］。

過量的鋅對PD有毒性作用。過量的離子型Zn2+存在于PD 患者體內，并且與多巴胺能神經變性有關。鋅暴露已被確定為PD的環(huán)境危險因素，尸檢研究顯示，在特發(fā)性PD 患者的黑質（substantia nigra，SN）和紋狀體中鋅沉積過多［17］。PD動物模型實驗表明，在雄性大鼠中鋅暴露導致黑質中鋅大量積累，多巴胺能神經元數量減少，紋狀體多巴胺含量下降，α-突觸核蛋白表達和聚集升高，而左旋多巴治療部分恢復了這些影響和行為變化［18］。更重要的是，用細胞內鋅螯合劑治療可防止由許多神經毒素（6-OHDA和百草枯等）引起的神經退行性變，證實了細胞溶質Zn2+的積累會導致多巴胺能神經元丟失［19］。然而，導致PD患者SN中Zn2+積累的機制知之甚少。

綜合來看，內源性Zn2+是PD 病理生理學中的關鍵因素。然而，這種陽離子的作用似乎非常復雜，因細胞內Zn2+的有益和有害作用都與PD 有關。Zn 對多巴胺能神經元的作用機制仍有待闡明。

1.1.3 銅與PD：血-腦屏障（blood-brain barrier，BBB）是銅進入大腦中樞神經系統（central nervous system，CNS）的主要途徑。除肝臟外，大腦是銅含量最高的器官［20］。

銅在PD 中的作用是有爭議的。因銅是人體必需微量元素，最近一項Meta分析顯示，PD患者SN中銅水平顯著降低［21］，但也有證據表明，銅在PD 病理學中是有害的［14，22-23］。在病理機制上，銅是氧化還原活性金屬，是線粒體能量和神經遞質合成過程中所需的重要微量元素。然而游離銅能夠增加氧化應激，促進α-突觸核蛋白寡聚化，從而導致路易體形成［24-25］。此外，銅促進兒茶酚胺的自氧化不僅會增加超氧化物的產生，而且由兒茶酚胺氧化產物和銅產生的復合物也會氧化損傷DNA，該觀察結果已用于解釋神經退行性疾病，特別是PD中的銅神經毒性［26］。然而，補充銅和使用血-腦屏障可滲透的銅絡合物已被證明在動物模型中具有神經保護作用，而銅螯合劑不具有神經保護作用［26］。因此，銅在PD中的作用目前尚有爭議。

1.2 有毒元素與PD所謂人體有毒重金屬元素，是指其在體內無論含量多少，均對人體有危害作用，人體有害元素包括重金屬鉛、汞、鎘。

1.2.1 鉛與PD：鉛是一種有毒重金屬，以金屬無機鹽和有機鉛的形式存在。研究表明，鉛對心臟、腸道、骨骼、生殖、腎臟和神經系統等各種器官和組織有毒性作用［5］。鉛暴露途徑包括受污染的空氣、水、土壤、食物和消費品等，職業(yè)接觸是成人鉛中毒的常見原因。最近一項Meta 分析研究表明，暴露于鉛使得患PD 風險增加50%［27］，表明鉛暴露與PD 風險增加之間存在相關性。

鉛導致PD發(fā)生、發(fā)展的作用機制有以下幾個方面：鉛暴露通過線粒體功能障礙、氧化應激和星形膠質細胞中的膠質絲增加來減少多巴胺能神經傳遞。鉛容易通過BBB并與改變各種抗氧化酶和增加脂質過氧化有關。大鼠大腦和肝臟中脂質過氧化物水平的升高證實了慢性鉛中毒會導致氧化應激，鉛容易通過蛋白激酶C 激活誘導氧化應激，從而導致神經毒性［28］。同時有學者證實，鉛導致Tau蛋白過度磷酸化和α-突觸核蛋白在大腦的積累，導致細胞凋亡和自噬的激活［29］，從而導致PD的發(fā)生和發(fā)展。

鉛為有毒重金屬，臨床上及機制上均證明了其毒性作用。然而，有學者在進行PD患者血樣重金屬檢測的研究中卻發(fā)現，與對照組相比，PD 患者的鉛水平顯著降低［30］。可能是由于PD 患者營養(yǎng)不良的風險較高，而這種情況會直接影響重金屬在血液樣本中的含量，可以選擇受人體內環(huán)境波動較小的樣本，如頭發(fā)。關于鉛與PD 相關性的研究尚少，樣本量不充足，機制研究不充分，未來需要進一步研究。

1.2.2 汞與PD：眾所周知，汞可以從牙科修復體和其他植入物中釋放出來，并通過BBB 進入大腦。汞與PD 密切相關。研究顯示，接觸汞（牙科汞合金填充物）的患者PD發(fā)病率是未接觸汞的患者的6倍［31］。環(huán)境中的汞也在PD 中起作用。魚類中的汞含量穩(wěn)步增加［32］，這可能是PD發(fā)病率增加的原因之一。大氣中的汞通過大氣-水-土壤循環(huán)分布于世界各地［33］，這與PD 的全球流行相吻合。男性在工業(yè)職業(yè)中更容易接觸到汞，男性更有可能患PD［2］，這與PD 的性別差異相吻合。汞在人體細胞中的含量隨年齡增長而增加［34］，這可能是PD癥狀在晚年增加的原因。

在機制上同樣支持汞與PD 的相關性。汞有多種毒性作用，包括產生自由基、自身免疫性炎癥，以及附著在線粒體、溶酶體和高爾基體等細胞器中富含巰基的細胞膜上，這些特征都與PD的發(fā)病機制有關［35］。最新研究顯示，汞存在于受疾病影響的大腦區(qū)域的神經元和少突膠質細胞中，并通常與聚集的α-突觸核蛋白共定位［35］。汞與α-突觸核蛋白的聚集有關，可能參與路易體形成。

1.2.3 鎘與PD：根據有毒物質和疾病登記局（Agency for Toxic Substances and Disease Registry，ATSDR）在環(huán)境污染物中的排名，鎘是毒性第七大的不可生物降解重金屬［36］。鎘暴露常見于通過接觸工業(yè)廢物或通過采礦、地下水、商業(yè)產品等途徑，以劑量依賴性方式引起細胞毒性。慢性重金屬暴露與促進某些神經退行性和年齡相關疾病的進展有關，包括PD和AD［5，37］。

機制上，鎘影響細胞中的許多過程，并可通過多種機制引起毒性。最新研究顯示，鎘影響α-突觸核蛋白聚集體在細胞內的分布，減少α-突觸核蛋白的清除，并加劇α-突觸核蛋白的毒性［38］。另外，鎘能夠干擾氧化還原代謝和誘導氧化應激［38］。鎘通過激活氧化還原敏感性轉錄因子誘導氧化應激，造成多巴胺能神經元變性并產生帕金森病樣癥狀［39］。此外，鎘能夠改變BBB 的完整性［40］，對神經細胞帶來直接的毒性作用。然而，鎘與PD 相關性的臨床樣本量小，且鎘影響疾病過程的機制仍不完全清楚，未來需要進一步研究。

2 PD相關重金屬檢測的生物標志物選擇

在進行生物檢測時，需要依據研究的目的選擇適合的生物標志物，生物標志物大體分為兩類，一類會隨著人體的新陳代謝而發(fā)生實時的變化，反映人體短期內的重金屬暴露，如血液、尿液、腦脊液、唾液等。另一類生物標志物在人體內穩(wěn)定存在，不易隨人體新陳代謝而發(fā)生變化，且能長期保存，能夠反映重金屬的長期積累，如頭發(fā)、指甲。現將生物各種生物標志物的特點總結如下。

2.1 短期生物標志物在過去的幾年中，人們對機體中有毒元素和必需元素產生了相當大的興趣，因它們會破壞器官的穩(wěn)態(tài)，導致許多健康問題。在大多數情況下，研究者選擇分析全血、血清、血漿和尿液［41］。血液和尿液樣本是在職業(yè)和環(huán)境毒理學中用于生物監(jiān)測重金屬暴露的最廣泛使用和接受的基質［42］。濃度水平可以單獨解釋，因其參考值和基于毒理學的值已由國際人體生物監(jiān)測機構（如美國國家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所、美國勞工部職業(yè)安全衛(wèi)生管理局、美國環(huán)境保護署、美國毒物與疾病登記署等）建立［43］。人體短期生物標志物主要包括血液、尿液、腦脊液、唾液。

2.1.1 血液：血液在人體各個器官中處于穩(wěn)定狀態(tài)，參與全身物質代謝，能夠代表人體內金屬暴露水平，血管內的紅細胞介導金屬的全身傳播。通常血液會給出瞬時濃度并反映最近的暴露，但由于血液在人體的瞬息萬變，這也使得在使用血液作為生物標志物進行研究時容易受到人體健康狀況的影響，如急性炎癥、近期飲食狀況，存在不穩(wěn)定因素干擾，易影響實驗結果。

2.1.2 尿液：腎臟是人體的重要代謝器官［41］，參與人體內的物質代謝，生成尿液，排泄代謝廢物，許多重金屬也通過腎臟代謝出現在尿液中，尿液相比血液更容易獲得而且無創(chuàng)，患者更容易接受尿液取樣。與血液相同，尿液也反映人體近期的重金屬暴露，并且容易受到腎功能的影響，如在研究時，常常需要排除肌酐值的影響。

2.1.3 腦脊液：腦脊液由側腦室脈絡叢分泌產生，留在腦和脊髓的表面，腦脊液是大腦生存的最直接液體環(huán)境。在進行PD研究時，檢測腦脊液中的重金屬含量是具有代表性的，為很好的檢測重金屬的短期生物標志物之一，但由于腦脊液在取樣時會給患者造成較大的創(chuàng)傷，臨床上患者依存性不高，在研究上受到一定的限制。

2.1.4 唾液：我們關注的另一種生物標志物是唾液。由于其易獲取和非侵入性采樣性質，唾液可作為血液或尿液樣本的理想生物基質替代品，用于一般人群的大規(guī)模生物監(jiān)測。使用唾液作為適合分析目的的樣本存在一些局限性，如唾液流速的變化、唾液采集過程中潛在的污染、缺乏標準或經過認證的參考材料、缺乏可靠的人群參考值等。由于必需金屬離子不是被動地從腺體擴散到唾液，而是主動轉運到唾液中，因此，唾液和血液之間的金屬水平缺乏相關性。

2.2 長期生物標志物經典的生物樣本（血液和尿液）在測定重金屬含量方面存在一些局限性，侵入性較小的生物樣本（如頭發(fā)和指甲）作為替代品在生物監(jiān)測方面體現了重要性。盡管血液和尿液分析是評估人體微量元素水平的傳統方法，但隨著時間的推移，這些化合物會穩(wěn)定地摻入頭發(fā)或指甲中［42］。人體長期生物標志物主要包括頭發(fā)、指甲。

2.2.1 頭發(fā)：人類頭發(fā)是一種有趣的基質，因頭發(fā)中的濃度比血液或尿液樣本中的濃度高出10倍［43］。人發(fā)被美國環(huán)保署認為是用于元素環(huán)境監(jiān)測的最重要的生物材料之一，它也被國際原子能機構（International Atomic Energy Agency，IAEA）用于監(jiān)測元素水平的趨勢［42］。頭發(fā)分析似乎是一種強大的非侵入性技術，用于評估重金屬的暴露程度，這些重金屬在毛發(fā)生長過程中容易積聚在頭發(fā)基質中［44］。使用頭發(fā)有許多優(yōu)點，包括穩(wěn)定性更強、易于收集和運輸、方便儲存以及比其他生物指示劑有更高的元素濃度。描述頭發(fā)重金屬含量的科學著作很多［45-46］，到目前為止，頭發(fā)已被用于各種前瞻性試點研究，以識別受污染地區(qū)風險增加的人群亞群，并用于生物監(jiān)測研究，以識別環(huán)境或職業(yè)暴露于有毒元素。頭發(fā)中元素濃度與其在身體中的水平之間的相關性，無論是在生理狀態(tài)還是病理狀態(tài)下，都證實了頭發(fā)作為診斷工具的有用性［41］。

與血液和尿液樣本不同，頭發(fā)在進行元素分析之前必須清除外部污染物［43］。頭發(fā)生長于體表，容易受到環(huán)境中污染物的影響，難以區(qū)分是內源性重金屬沉積還是外源性重金屬污染，因此，在使用頭發(fā)作為生物標志物研究重金屬與PD 相關性的研究很少。近期有文獻指出，頭發(fā)在經過適當的洗滌之后，頭發(fā)中外源性污染可以忽略不計［47］，為使用頭發(fā)作為重金屬與PD相關性的研究奠定了基礎。

2.2.2 指甲：指甲是新陳代謝的終產物，在生長過程中會將金屬摻入其結構中。與頭發(fā)相似［48］，指甲分析提供了4～8 周內的暴露量，消除了血液和尿液測量中發(fā)生的日常變化［49］。指甲是重金屬暴露的合適生物標志物，因微量元素與頭發(fā)和指甲中角蛋白結合的濃度遠高于任何其他生物樣品。與血液和尿液相比，指甲是實用的生物材料，因樣品的收集和保存相對容易，此外，還為處理樣品的分析人員提供了生物安全性［48］。

3 總結與展望

大量研究表明，PD與人體必需重金屬失衡存在很大的相關性，而對于有毒重金屬的研究很少，目前尚無法定論重金屬是否為PD的潛在危險因素，且重金屬與PD發(fā)生、發(fā)展的機制問題仍不十分明確。在未來，需要有更多的專家學者進行深入研究。

在進行重金屬與PD的相關性研究時，需要考慮生物樣本的選擇，血液、腦脊液、尿液等生物樣本較為傳統，更能夠被廣泛認可。但在探討重金屬長期暴露方面，頭發(fā)、指甲等生物標志物似乎更有優(yōu)勢。重金屬或將為PD的早期預防提供新的思路，重金屬螯合劑或將成為PD治療的新方向。