摘 要：神经干细胞因具有自我更新和定向分化的特性而广泛应用于研究神经系统发育领域。研究表明，大气污染物具有神经发育毒性，通过分析神经干细胞发育过程(增殖、分化等)中的相关分子，可用来进行该污染物对神经干细胞的毒性效应评估，评估对神经系统发育的影响。本文依据现有研究，对大气污染物中的细颗粒物、铅、汞、多溴联苯醚、一氧化碳影响神经干细胞增殖与分化的研究进行综述，为进一步研究空气污染引起的神经系统相关疾病的发病机制提供参考和思路。
关键词：大气污染物 神经干细胞 增殖 分化 神经毒性
Effects of air pollutants on proliferation and differentiation of neural stem cells
CHANG Hui-yun ZHAO Chuan CHEN Feng-ge ZHANG Ying
Shijiazhuang Center for Disease Control and Prevention;
Abstract：Neural stem cells(NSCs) are widely applied to study the development of the nervous system because of their self-renewal and directed differentiation proprties.Some studies have illuminated that atmopheric pollutants are neurodevelopmental toxic.Atmospheric pollutants are neurodevelopmentally toxic and can be used to assess the toxic effects of this pollutant on neural stem cells by analysing the molecules involved in the development of neural stem cells(proliferation, differentiation and so on) and to assess the effects on the development of the nervous system.Based on the previous research, this paper reviews the relevant studies on the effects of fine particulate matter(PM2.5),lead, mercury, polybrominated diphenyl ethers and carbon monoxide in atmospheric pollutants on the proliferation and differentiation of NSCs, provide references and thought for further research into the pathogenesis of neurological diseases caused by air pollution.
Keyword：Atmospheric pollutants; Neural stem cells; Proliferation; Differentiation; Neurotoxicity;
近年来，流行病学研究表明大气污染物与神经系统疾病的发生发展具有一定的关联[1],由于神经系统发育异常可能会导致阿尔兹海默病、帕金森病等神经退行性疾病的结局[2-3],所以大气污染物对神经系统发育的影响进而导致神经系统疾病受到了广泛关注。神经干细胞因具有自我更新和定向分化为神经细胞(如神经元和胶质细胞)的特性[4],在研究神经系统发育、神经损伤修复等方面得到了广泛应用[5-6]。此外，张先虎等[7]的研究发现，神经干细胞在增殖和分化过程中可迁移至神经系统的不同部位，选择性分化为相应神经细胞，构成神经系统中相应的结构。因此，神经干细胞发育的任一过程发生改变均有可能引起神经系统发育异常，导致神经系统相关疾病的发生。随着环境污染与神经系统发育关系研究的深入，发现大气细颗粒物[8]、一氧化碳[9]、铅[10]、汞[11]、多环芳烃[12]、多溴联苯醚[13]、二噁英[14]、尼古丁[15]等污染物均可导致神经系统发育异常。其中，大气污染物主要经呼吸道、消化道等途径进入生物体内，通过信号通路的调节、细胞氧化应激水平的改变、细胞内钙稳态受到干扰等途径抑制神经干细胞的增殖与分化[16-17],进而影响神经系统的发育。因此，本文主要针对大气污染物(大气细颗粒物、铅、汞、多溴联苯醚、一氧化碳)影响神经干细胞增殖与分化的相关研究进行综述，并对该领域未来可能的探索方向进行展望。
1 大气细颗粒物对神经干细胞的影响
大气细颗粒物(fine particulate matter, PM2.5)是指环境中空气动力学直径≤2.5 μm的悬浮颗粒物[18],可通过鼻黏膜-嗅神经轴突-嗅球途径或体循环-血脑屏障途径迁移至神经系统[19],引发神经细胞毒性作用。Yuan等[20]通过丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases, MAPKs)信号通路途径研究发现，PM2.5进入生物体内可引发活性氧的产生，诱导JNK/ERK的激活下调Bcl-2/Bax比值和上调P15、P16、P21基因的转录水平，参与细胞周期G0/G1期的阻滞和细胞凋亡，进而抑制神经干细胞的增殖与分化，发挥PM2.5的胚胎毒性。另外，李康[21]的研究发现，PM2.5会刺激机体发生免疫反应而表达白细胞介素-1(Interleukin-1,IL-1)、白细胞介素-6(Interleukin-6,IL-6)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等炎性细胞因子，促进神经细胞的过度增殖和分化，特别是自闭症谱系障碍患者大脑解剖结构的异常改变就是由于IL-6炎性细胞因子过度表达引起的神经干细胞过度增殖导致的。因此，认为PM2.5可通过影响神经干细胞的增殖与分化，进而影响神经系统的发育。
2 汞对神经干细胞的影响
人类生存环境中存在的汞(无机汞、有机汞、金属汞等),在一定条件下均可以转化为甲基汞，经水生食物链进行富集[22]。研究表明，甲基汞作为已知的神经发育毒物，人类脑部是其主要聚集地之一[23],到达神经系统可干扰神经干细胞的增殖、分化、迁移等生物学过程，进而引起神经发育毒性[24],造成语言和记忆力障碍[25]。甲基汞是如何调控神经干细胞增殖和分化的：首先在抑制蛋白表达机制调控方面，Kang等[26]通过量化神经细胞表面特异性蛋白的表达水平和检测乙酰胆碱酯酶活性评估甲基汞的神经毒性研究发现，甲基汞可能通过干扰GABA能系统和Notch信号通路，影响乙酰胆碱酯酶活性和神经细胞表面受体蛋白的表达，表现出神经干细胞向神经元方向分化的抑制作用。其次，在细胞周期调控机制方面，可通过抑制miRNA的表达，上调P16和P21细胞周期调控基因的表达改变细胞周期，进而影响神经干细胞的增殖与分化[27]。另外，在细胞凋亡调控机制方面，可损害细胞膜上的Ca2+通道引起细胞内钙稳态紊乱导致细胞凋亡，进而抑制神经干细胞的自然分化[28]。因此，以神经干细胞为研究对象，可通过检测其增殖与分化过程中指标的改变判定汞的神经发育毒性。
3 铅对神经干细胞的影响
铅是人群中普遍暴露的重金属污染物之一，已有研究证实，铅可透过血脑屏障，通过氧化应激[29]、干扰基因表达[30]、细胞内钙稳态紊乱[31]等途径对神经系统发挥极强的毒性作用[32]。流行病学研究发现，即使是低浓度的铅暴露也会对儿童的认知水平、行为等产生不可逆的影响[33]。在细胞水平实验中，Chan等[34]的研究发现，相对于其他神经细胞来说，神经干细胞对铅异常敏感，可通过P53基因调节细胞凋亡途径，抑制神经干细胞向神经元分化，但促进其向胶质细胞分化；宋允雪[35]的研究发现，铅可引起神经干细胞周期G0/G1期的阻滞，延缓细胞周期进程，进而抑制神经干细胞的增殖。因此，铅作为神经毒物，可以通过影响神经干细胞的增殖与分化途径发挥对神经系统发育的毒性作用。
4 多溴联苯醚对神经干细胞的影响
多溴联苯醚(polybrominated diphenyl ethers, PBDEs)是大气环境介质中普遍存在的有机污染物[36],主要以神经系统[37]、生殖系统[38]、免疫系统[39]等为主要靶器官，其中对神经系统的损害作用最为严重。PBDEs发挥神经毒性作用主要通过干扰神经内分泌激素的分泌、信号转导通路的调节、神经递质受体的表达、神经细胞的凋亡等途径来实现[40]。细胞毒性实验研究表明，PBDEs可影响神经干细胞的正常生长形态，从而降低其增殖能力，此外可引起神经干细胞表面相关蛋白(stathmin、cofilin-1等)表达水平的改变，影响其参与的相关通路(信号转导、RNA转录等)对神经干细胞产生毒性作用[41]。另外，细胞模型构建实验中，Timm等[42]在以神经干细胞模拟脑发育基本过程(增殖、分化和迁移)的研究时发现，PBDEs对神经干细胞的增殖未见明显影响，但可通过影响甲状腺激素的释放干扰甲状腺激素信号通路，抑制神经干细胞向神经元和少突胶质细胞的分化，进而影响脑发育过程。因此，PBDEs可以通过影响神经干细胞的增殖与分化对神经系统发育产生影响。
5 一氧化碳对神经干细胞的影响
以往关于一氧化碳的研究主要集中于高浓度暴露(如煤气中毒等)对机体神经系统的损害，而很少关注大气中低浓度一氧化碳对人体健康效应的影响[43]。近年来，Liu等[44]研究发现，大气中一氧化碳的短期暴露对人群健康具有一定的影响。大气中的一氧化碳主要来源于汽车尾气、化学合成等[45],进入机体后可与血红蛋白结合形成稳定的碳氧血红蛋白，影响氧的吸收和运输，进而导致机体缺氧[46]。已知大脑是对缺氧最敏感的器官，急性吸入一氧化碳后极易造成中毒性脑病[47]。因此，一氧化碳中毒可造成以神经系统损害为主的多系统病变[48]。研究表明，一氧化碳进入机体后会刺激烟碱乙酰胆碱受体，激活PI3K/Akt通路引发神经元凋亡，同时低氧环境下产生的自由基会破坏氧化代谢水平，进而引起脑细胞的水肿[49],造成一氧化碳中毒性脑病。此外，顾仁骏等[50]研究发现中毒性脑病患者的IL-6水平升高，而IL-6主要是由神经胶质细胞产生的，进一步提示一氧化碳对神经细胞具有损害作用。因此，可以认为大气中的一氧化碳对神经系统的祖细胞(神经干细胞)具有一定的损害作用，可影响神经干细胞的增殖与分化等基本过程，导致神经系统相关疾病的发生。
6 小结与展望
神经干细胞作为神经类细胞的祖细胞，其增殖与分化过程是神经系统发育的关键环节。研究表明，影响神经干细胞增殖与分化等生物学过程的因素除自身基因调控外，还受外界环境的影响[51]。特别是，相关流行病学调查研究表明大气污染与神经、精神行为密切相关[52]。所以，越来越多的研究开始以神经干细胞为体外细胞模型研究大气污染物的神经毒性[53]。对体外培养的神经干细胞进行大气污染物的单独染毒或联合染毒，检测神经干细胞增殖、分化过程中的相关指标，如细胞增值率、凋亡率、细胞周期、细胞内钙稳态平衡[37];分化后神经细胞表面蛋白的表达[54];影响神经干细胞增殖分化的氧化损伤指标[55]、Notch信号通路[56]和甲状腺激素信号通路[57]中关键蛋白、基因的表达，进而判定大气污染物对神经系统发育的毒性作用。
随着大气卫生问题越来越突出，其所引发的公共卫生问题越来越受到关注，那么评价大气污染物对人体的健康效应以及阐明引起发病的机制将是研究的热点。已有研究表明，神经干细胞可以构建评定污染物是否具有神经毒性的体外细胞模型[58]。因此，以神经干细胞构建体外细胞模型，为了更好地模拟其在体内的真实生长状态以及提供长时间存活的条件，可以将细胞的3D培养技术应用到大气污染物对神经干细胞具有毒性作用的研究中，从而更加准确、全面地阐明大气污染物对神经干细胞的毒性作用，为研究空气污染引起的神经系统相关疾病的发生发展提供实验证据。
利益冲突无
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