氟( fluor ine,F) 是维持人体正常生理活动所必要的微量元素。氟可在动物脑组织中蓄积,引起脑内氧化应激反应,导致脑组织的过氧化损伤。氟通过抑制脑组织中多种酶的活性,抑制核苷酸、蛋白质和氨基酸的合成或代谢,导致脑组织能量代谢、离子通道、神经递质以及第二信使系统的失调和紊乱,从而影响脑组织的结构和生理功能。现对慢性氟中毒与脑损伤关系研究进展作一综述。

学习记忆是脑的高级神经活动。学习记忆的关键脑区是海马( 其功能的正常发挥依赖于脑组织的结构和代谢状态),同时它也是氟中毒的靶器官。长时记忆的分子基础是RNA 和新蛋白,它们受基因调控,起着记录和表达信息的载体作用。脑内信息传递的网络是由突触构成的,突触的形态、功能及可塑性直接影响学习记忆功能。同时脑是体内最大的耗能器官,能量的代谢也会影响学习记忆功能。这些因素共同影响着脑的学习记忆功能。

章子贵^〔1〕对染氟小鼠开场行为及Y- 迷宫模型行为的研究结果显示,随着氟浓度的增大,小鼠达到学会标准所需训练次数逐渐增多,学习能力明显下降,高氟组小鼠训练次数比对照组多将近1倍,差异有统计学意义(P < 0.05); 饮水中氟含量过高对小鼠运动耐力也会产生不利影响。有实验结果显示,长期摄入高剂量氟的大鼠及其子代的学习记忆能力也明显下降。Ekambaram P 等^〔2〕的研究发现,高氟抑制大鼠的自发性神经活动,使其自我协调能力下降、摄食减少和体重下降。研究结果表明,长期、过量的氟摄入会对动物的学习记忆、神经活动等产生不良影响。

氟能影响脑的许多生理功能对婴幼儿主要是影响智力发育; 对儿童主要是影响他们的学习记忆功能。水氟含量 < 012 m g /L或> 210 m g /L时均将对儿童智力发育有不良的影响。研究表明,饮用水的氟含量与婴幼儿和儿童的智商( inte lligence quo tient,IQ) 呈反比。儿童长期服用含氟量超标的饮用水可引起大脑损伤、智商下降和较为持久的学习记忆与行为障碍。

王正辉等^〔3〕对山西省某氟中毒重病区儿童智力调查显示,饮水含氟( 5.54 ± 3. 88) m g /L的地区儿童IQ 为( 107. 46 ± 15.38),明显低于非氟污染区的儿童IQ ( 111.55 ± 15. 19),差异有统计学意义(P < 0.01)。李晶等^〔4〕在高氟地区对新生儿行为神经发育进行调查发现,孕期母亲生活环境中高氟的摄入对新生儿行为神经发育可产生不良影响,同时还发现新生儿主动肌张力发育受到影响。表明氟不仅能通过胎盘屏障进入胎儿体内,并且能通过血脑屏障进入胎儿大脑组织造成一定程度的损伤,从而影响大脑发育。研究结果进一步表明,中氟污染区和高氟污染区大部分儿童IQ 发展明显受到过量氟的不利影响,与低氟和非氟污染区儿童比较,随着年龄增长,IQ 的增长不明显。这可是能由于胚胎和幼儿时期神经系统快速发展期受到氟污染所致^〔5〕。

长期饮用含氟量超标的水可导致血氟浓度升高,过量氟又可通过与白蛋白结合或以氟离子的形式穿过血脑屏障并蓄积于脑组织继而造成脑损伤,最终导致脑组织代谢、受体、递质及形态学等多方面的异常变化。慢性氟中毒大鼠的大脑皮层、中脑、小脑和海马等处的氟含量均会增高,且氟含量随染毒剂量的增高而增大,有明显的量效关系。

氟是非极性小分子物质。神经系统对氟的敏感性很高,且氟极易透过血脑屏障进入中枢神经系统。Sh iyara iashankara YM 等^〔6〕观察在含 100 mg /L NaF的饮水饲养下成长的胎鼠、新生鼠及出生后10 周大鼠,其脑内海马、杏仁核、皮层、小脑等处均发生神经细胞变性。氟中毒后,中枢神经系统中神经细胞的发育较差,细胞体积变小,分布较密集; 神经细胞与未分化细胞的密度及神经细胞的核质比值均较高,还会出现细胞边缘不整,染色质凝积成团块状,细胞呈固缩状态,形成凋亡小体。

在中枢神经系统中,海马是与学习、记忆和情绪行为这些功能密切相关的重要脑区。其突触是神经信号传递的关键结构,易受年龄、药物、环境等因素影响而发生可塑性变化。通过对长期饮高氟水的小鼠大脑海马组织超微结构观察发现^〔7〕,小鼠海马神经细胞、神经纤维、神经突触及血脑屏障均受到明显损伤。研究发现,氟中毒可使脑内海马突触微结构参数,即突触界面曲率、突触间隙宽度、突触后密集区厚度 ( postsynaptic density,PSD)和突触活动带长度发生明显变化; 海马CA₃ 区C rayⅠ 型突触前膜内侧有圆形囊泡,突触后密集区厚度明显变小(P < 0.01); 突触间隙宽充明显变大( P < 0.01); 突触前膜内侧线粒体肿大,嵴破裂、溶解、消失、呈现空泡变,能量代谢异常^〔8〕。长期过量摄入氟还可能引起动物大脑皮层和皮质下区脱髓鞘和小脑蒲肯野细胞数目减少^〔9〕,粗面内质网扩张,突触数目减少。这些损伤可能导致神经元的联系减少,严重损害突触的功能及可塑性。神经细胞及其突触变化表明,在氟中毒时,神经系统的细胞及其亚细胞结构均发生改变,继而影响到大脑的功能。然而,大脑皮质、小脑、海马都是脑组织内参与学习记忆的重要结构,它们结构功能的改变或损伤会对学习记忆能力带来一定的影响。

NO作为一种信息传递物在中枢神经系统中广泛存在,对神经系统具有极为重要的生物学作用。但体内过量NO 的产生,可以导致神经系统损伤。NO是L- 精氨酸在NOS 催化下生成的。脑内的NOS主要来自于神经细胞,称为神经元型一氧化氮合酶( nNOS)。它的激活需要谷氨酸与N - 甲基 - D - 天冬氨酸( NMDA) 受体结合,从而使Ca²⁺ 进入细胞内,并通过作用于环鸟苷酸( cGM P)信息传递系统而发生作用。 它不仅介导神经兴奋性的传导,而且对小脑、海马等神经突触和神经网络的构建产生重要影响,并在脑的学习记忆功能中发挥重要作用。同时,NO很可能是脑内的逆行神经递质,对海马等处的长时程增强作用( LTP)起着重要作用。同时,NO 通过与超氧自由基反应而发挥其细胞毒作用。脑组织中过量合成的NO 与超氧自由基反应生成过氧亚硝酸根离子,并进一步生成过氧亚硝酸或降解成羟自由基及NO₂ ^〔10〕。氟可能是通过脂质过氧化作用破坏了NMDA 受体及钙调素( C aM ) 的功能,使Ca²⁺ 内流减少,从而影响NOS活性。并且它同时也破坏了M 受体功能,影响乙酰胆碱神经元与NOS阳性神经元的联合作用,影响NOS活性的表达,进而影响脑的学习记忆功能。但无论在体内或体外,氟都可能增加NOS的活性,从而使NO 含量增高。因此,关于氟对神经细胞内NOS 的影响及其对学习记忆的影响值得深入研究。

机体正常生理活动的基础是能量代谢。而过量氟可引起神经细胞线粒体结构和功能的改变。在线粒体膜内,柠檬酸与氟能形成氟代柠檬酸,会抑制顺乌头酸梅的活性,从而阻断了三羧酸循环^〔11〕。人体长期摄入过量氟后,脑组织糖酵解和三羧酸循环中的某些相关酸的活性会受到抑制,从而进一步影响脑组织的能量代谢。氟还可抑制脑组织中乳酸脱氢酶( LDH )的活性,使脑组织糖酵解的活性降低,影响应激时脑组织的能量供应^〔12〕。另外,氟可以导致脑组织中三羧酸循环中的关键酶之一琥珀酸脱氢酸( SDH )的活性降低。

此外,人体长期过量摄入氟会抑制其神经细胞膜上的 Na⁺ -K⁺ - ATPase的活性。Na⁺ -K⁺ - ATPase的活性的降低是细胞内能量代谢障碍和离子平衡紊乱的标志,是影响学习记忆的重要因素。过量氟可导致神经细胞膜的损伤,致使膜的流动性、完整性和通透性等发生改变,使脑细胞内外Mg²⁺ 浓度失衡,引起Mg²⁺ -ATPase 活性明显降低。过量氟还可以抑制脑组织中Ca²⁺ -ATPase活性的抑制而引起脑组织内能量代谢、离子平衡和第二信使系统的紊乱,进而影响脑组织的正常生理功能。

过量氟可直接改变蛋白质(如酶)的结构和活性,同时阻碍肽链的起始合成从而使蛋白质的合成率降低。实验表明,氟化钠染毒组中,小鼠随染毒剂量的增加,脑组织中DNA、RNA含量依次降低^〔11〕。长期、过量摄入氟会在体内蓄积过量的氟可作为一种外源性诱导物引起DNA断裂、遗传信息丢失和结构改变,引发DNA、RNA 的损伤并抑制其合成。由于氟的电负性极强、化学性质活泼,与尿嘧啶及酰胺之间有很强的亲和力,因此,较高浓度的氟会导致DNA复制过程中碱基错配的频率增高^〔13〕。此外,过量氟可与细胞中的Mg²⁺ 、磷酸盐形成镁氟磷酸盐,从而使DNA多聚酶和RNA 酶活性降低,造成DNA 损伤后难以自我修复或修复错误^〔14〕。

通过抑制体内抗氧化酶活性或消耗抗氧化物质,外源性毒物可增强脂质的过氧化作用。脑中不饱和脂肪酸含量很高,因而脑也是脂质过氧化的重要部位。实验证明,高氟会导致大鼠脑细胞膜中的亚油酸组成降低^〔15〕。近年来,许多研究者根据脑需氧量大,氧自由基产生多等特点,又开展了以自由基学说为理论依据的氟中枢神经毒性研究。

目前氟对脑的损伤机制的重点主要是氟通过自由基对脑组织的脂质过氧化损伤作用。氟中毒的氧自由基学说主要内容为: 氟是化学性质较为活泼的元素,机体摄入过量的氟后,氟可直接攻击氧,干扰氧代谢,导致氧自由基生成增多; 同时氟也能攻击构成抗氧化酶的微量元素,使抗氧化酶活性下降,同时导致自由基生成增多,众而引起细胞损伤。

脂质过氧化作用主要是指在多不饱和脂肪酸( PUFA ) 中发生的一种自由基链式反应。氟中毒时会增强大鼠脑组织中的氧化应激作用,抑制脑内谷胱甘肽( GSH-P) 过氧化物歧化酶活性。同时,大鼠脑内脂质过氧化中间产物丙二醛(MDA) 的含量会增高^〔16〕,而MDA可交联蛋白质与磷脂的氨基致使膜的脆性增加,造成神经细胞的损伤,从而影响脑组织的正常生理功能^〔7〕。

根据以上研究建议如下: ( 1) 在氟中毒氧化应激研究中选用特异性与敏感性更好的脂质过氧化作用指标,如自由基 - 自旋标记; ( 2)进行氟中毒对细胞内信号转导途径起重要作用的一些蛋白质分子影响的研究,如钙离子调节的核转录因子NF-kB^〔18〕、突触后致密物质PSD等; ( 3)加强氟的神经毒性与氧化应激和G 蛋白的调控间的相关关系研究,利用蛋白组学技术,探究氟中毒相关蛋白和因子(靶分子)及相互调控关系; ( 4) 关注氟中毒所致的非氧化应激损伤,如氟中毒所致神经细胞内钙失衡对中枢神经系统的影响等。我国是地方性氟中毒高发国家,进一步研究氟中毒脑损伤机制及氟中毒的防治对保障我国国民身体健康具有重要意义。