全 文 ：118　软骨藻酸的毒性作用机制研究概况
高　虹 , 　陈西平
(中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所 , 北京 100021)
摘要:　软骨藻酸是由硅藻产生的兴奋性神经毒素 , 在过去 10年对人类和海洋动物的健康产生了严重危害。
国外对其毒性和作用机制做了大量调查和研究。本文从几方面讨论了其可能的毒性作用机制:(1)软骨藻酸
作用于谷氨酸受体 ,与内源性神经递质协同发挥毒性作用;(2)引起细胞内 Ca2+超载和神经元肿胀;(3)引起
细胞能量代谢紊乱。
关键词:软骨藻酸;谷氨酸受体;谷氨酸;Ca2+;ATP
中图分类号:　Q949.276;R996.2　　文献标识码:　A　　文章编号:　1001-1226(2002)05-0297-03
收稿日期:2002-03-18;修回日期:2002-07-24
　　1987年加拿大爆发了一起因食用养殖
的蓝贝引起的食物中毒事件 ,一些幸存者遗
留下严重的记忆丧失和神经病理或轴突病
变。4例死亡患者的神经病理学结果发现有
海马和杏仁核的神经元损伤和丢失[ 1, 2] 。经
调查发现是水中藻类产生的藻类毒素———软
骨藻酸经水中的哈蛎 、蚌类或鱼富集所致。
1991年秋 ,美国加利福尼亚州蒙特利湾和奥
尔良沿海海鸟大量死亡 ,也是一起软骨藻酸
中毒事件[ 3] 。随后世界范围内一系列污染事
件的发生 ,使软骨藻酸的中毒机制研究受到
广泛关注 。
软骨藻酸(domoic acid ,分子式C15H21NO6 ,
分子量311.3)是由硅藻产生的兴奋性神经毒
素 ,结构与红藻氨酸和谷氨酸相似 ,可随海洋
食物链传递而被不断浓集 ,毒素浓度可达相
当高的水平。人或动物食用被污染的水产品
即可引起中毒[ 4 , 5] 。中毒症状主要以胃肠道
症状及罕见的神经系统症状为主 ,包括呕吐 、
腹部痉挛 、头痛 、癫痫发作 、短时间记忆丧失
等[ 1] 。临床上对一位 84 岁的软骨藻酸中毒
患者进行正电子发射 X 线体层扫描(PET),
显示双侧颞叶葡萄糖代谢率降低[ 6] 。病理解
剖研究表明 ,经软骨藻酸处理的大鼠大脑海
马CA1 CA3亚区有变性神经元和神经胶质
增生[ 7] 。软骨藻酸还可引起灵长类动物神经
元损伤 ,包括对那些大脑边缘结构的损伤[ 4] 。
动物实验表明 ,经软骨藻酸处理的动物不能
形成持续 24h的记忆[ 8] , 并会出现短暂的体
重减少和过度的听力惊厥反应[ 7] ;软骨藻酸
还可引起新生大鼠以过度兴奋 、刻板搔抓 、
痉挛和死亡为特征的神经毒性反应[ 9] 。将大
鼠海马切片 37℃暴露于 10μmol L软骨藻酸
10min ,可导致 CA1和上部齿状回不可逆的神
经元损伤[ 7] ;培养 12d 的小脑颗粒神经元 ,
10μmol L软骨藻酸染毒 2h 可引起 79%的神
经元丢失[ 10] 。这些研究都为人们了解并阐
明软骨藻酸的毒性和作用机制提供了重要依
据。
1　作用于谷氨酸受体 ,与内源性神经递质协
同发挥毒性作用
软骨藻酸是一种混合性兴奋剂[ 11] ,可直
接或间接激活谷氨酸受体 。脊椎动物中枢神
经系统至少有 3种突触后谷氨酸受体亚型:
(1)N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体亚型 ,
(2)α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸盐
(AMPA)受体亚型和(3)红藻氨酸(kainate ,
KA)受体亚型 。这些受体分布在中枢神经系
统的不同区域中并且在不同的生理条件下被
激活[ 6] 。
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利用培养的鼠新皮质神经元研究软骨藻
酸的神经毒性行为 ,发现这 3种谷氨酸受体进
行性参与神经毒性:(1)间接激活 NMDA受体
参与神经毒性 ,(2)由AMPA受体介导的毒性 ,
(3)当受体的脱敏作用被阻断时 ,可由 KA 受
体介导神经毒性[ 12] 。软骨藻酸的剂量-反应关
系研究表明 ,软骨藻酸可活化 KA和 AMPA 受
体 ,亲和力分别约为 5和 0.07(μmol L )-1[ 11] 。
KA受体系统的一个明显特性是 ,它在海马
CA3区大量表达。许多动物实验研究发现它
的失控激活可导致癫痫发作和选择性神经元
损伤[ 6] 。体外培养 12 d 的大脑皮层神经元
经软骨藻酸染毒处理后 , 有 MK-801(一种
NMDA受体拮抗剂)和 GYKI53655(一种选择
性AMPA受体拮抗剂)存在时 ,可观察到小却
显著的神经元毒性作用 ,表明此种毒性是由
KA受体介导[ 12] 。研究认为可引起明显神经
元毒性剂量水平的软骨藻酸的作用是通过
KA受体的过度激活或兴奋毒性刺激而中断
兴奋性氨基酸系统 ,从而损伤学习和记忆功
能[ 7] 。Jensen 等[ 12] 发现 ,当 GYKI53655 存在
时可部分消除软骨藻酸引起的神经毒性 ,这
表明AMPA受体介导部分神经毒性 。
MK-801能阻断部分软骨藻酸毒性 ,有人
推测NMDA受体间接参与软骨藻酸的毒性
作用 ,可能是软骨藻酸作用于神经细胞促进
谷氨酸释放 ,释放的谷氨酸继发激活 NMDA
受体[ 12] 。在一定的受体位点 ,阈值水平的软
骨藻酸可能引起内源性兴奋氨基酸的过量释
放 ,例如谷氨酸和天冬氨酸 ,这些内源性神经
递质可能会增强软骨藻酸对小鼠脑组织 NM-
DA受体位点的反应程度[ 13] 。因此当软骨藻
酸的浓度不足以引起神经毒性时 ,如有 NM-
DA受体兴奋剂的存在 ,同样能够引起神经毒
性 ,因此 Antonello 等[ 14] 推测 ,大脑中亚毒性
剂量的软骨藻酸通过持续增强内源性兴奋性
氨基酸作用于NMDA受体而引起癫痫。
在脊椎动物中枢神经系统中 ,谷氨酸 、
天冬氨酸是主要的兴奋性神经递质 , γ-氨基
丁酸是一种重要的抑制性神经递质 。谷氨酸
是γ-氨基丁酸的前体 。软骨藻酸可通过促
进谷氨酸 、天冬氨酸等释放 ,抑制谷氨酸摄取
及抑制谷氨酸脱羧酶等过程来增加细胞间谷
氨酸水平[ 10 , 15 , 16] 。Dak 等[ 5] 曾发现软骨藻酸
可促进大鼠海马切片释放谷氨酸 , Cunha
等[ 17]报道 , 3μmol L 软骨藻酸可抑制 24%的
γ-氨基丁酸释放。给妊娠小鼠尾静脉注射软
骨藻酸 ,可致后代海马功能发生重大损害 ,并
伴随有大脑皮层和海马 γ-氨基丁酸水平下
降 ,而谷氨酸水平升高[ 5] 。释放出的谷氨酸
有助于进一步地兴奋毒性损伤 ,如可加剧软
骨藻酸对分离鸡胚视网膜的神经毒性作
用[ 18] 。在纹状体神经元 , KA 受体的激活可
抑制γ-氨基丁酸的作用[ 5] 。谷氨酸介导的损
伤主要是经过 NMDA 受体介导的 ,软骨藻酸
直接激活 AMPA KA受体释放谷氨酸和天冬
氨酸 ,谷氨酸和天冬氨酸再激活 NMDA 受体
从而产生兴奋毒性[ 10] 。总之 ,完全程度的神
经元衰退是经 NMDA 受体和非-NMDA 受体
(AMPA 受体和 KA 受体)协同作用产生
的[ 10] ,软骨藻酸与谷氨酸等内源性氨基酸协
同作用以增强其神经毒性 。
2　细胞内钙离子超载
兴奋毒素最初通过过度激活谷氨酸受体
参与神经元去极化而干扰神经元的调节机
制 ,导致离子渗透压和电化学的改变 ,最终引
起细胞的死亡[ 20] 。神经毒理学研究表明 ,软
骨藻酸作用于谷氨酸受体丰富的神经细胞 ,
特别是海马和锥体细胞 ,导致大量细胞外
Ca
2+内流 ,细胞钙稳态发生异常改变 ,信号转
导紊乱;可引起能量代谢障碍 ,从而引起神经
细胞发生退行性变化[ 6 ,10 , 12] 。
NMDA受体介导细胞内 Ca2+浓度的升高
是兴奋性氨基酸介导的神经元损伤和死亡的
一个重要原因 。然而非 NMDA 受体通过细
胞膜去极化和激活电压依赖性 Ca2+通道也
能引起细胞内 Ca2+升高[ 10] 。当神经元去极
化 ,结合软骨藻酸的 AMPA 受体打开了配体
门控离子通道允许 Na+内流 ,K+外流 ,氯化
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物随Na+进入细胞 ,随后在渗透压的作用下
水也内流;这样就产生了长时间的突触后肿
胀 ,继之造成细胞内钙离子超载并发展为持
久的神经元损伤[ 19] 。而 Bureau 等[ 20] 发现星
形胶质细胞的 AMPA受体对 Ca2+有渗透性 ,
Ca
2+可通过 AMPA 受体通道直接进入细胞。
KA受体的过度兴奋引起癫痫活动的扩散 ,通
过内源性谷氨酸致使其它谷氨酸受体包括
NMDA受体激活 ,可引起大量细胞去极化 ,并
激活电压依赖性 Ca2+通道促使细胞内 Ca2+
升高 。长时间的细胞内游离 Ca2+的升高是
有毒的 , 并且最终引起神经元变性[ 6 , 13 , 21] 。
NMDA受体激活后细胞外的 Ca2+大量进入细
胞 ,细胞内钙库储存的 Ca2+大量释放 ,引起
细胞内 Ca2+超载 ,造成细胞损伤。而 AMPA
KA受体介导的去极化也可能通过降低 Mg2+
对NMDA受体离子通道的阻碍效应而提高
胞质内游离 Ca2+浓度[ 10] 。同时 ,由软骨藻酸
刺激释放的内源性谷氨酸也与 NMDA 受体
相互作用促使突触后膜去极化 ,引起电压依
赖性 Ca2+通道和兴奋剂激活的 Ca2+通道的
开放 ,促使 Ca2+大量内流 ,造成细胞内钙积
聚 ,结果引起细胞坏死[ 16] 。目前认为 ,NMDA
受体的电压依赖本质及其与第二信使钙离子
的作用相结合 ,在学习记忆机制中起主要作
用。
3　能量代谢紊乱
局部大脑功能活动与局部大脑葡萄糖代
谢率相关。在软骨藻酸中毒人群中 ,用正电
子发射体层摄影术观察到在海马和杏仁核的
葡萄糖代谢率降低[ 22] 。在一定的病理条件
下 ,神经元不具有足够的代谢能量来维持正
常的静息膜电化学梯度[ 10] 。当神经元胞体
表面或树突附近谷氨酸过量时 ,产生神经元
去极化和胞浆膜渗透性持续性升高 ,随后细
胞离子组成不平衡激活了利用能量维持功能
的膜泵 。由于胞浆内游离钙过多 ,随后进入
和积聚在线粒体内 ,损伤氧化磷酸化 ,造成
ATP 合成不足;另一方面由于肌纤维 、肌浆网
和线粒体中钙依赖性 ATP 酶的超常活动 ,使
ATP 消耗增多 。而神经元的持续激活将导致
储存能量的不可逆衰竭和神经元细胞不能维
持离子平衡。这必然导致细胞功能和结构的
破坏 ,通过细胞离子成分的改变有可能伴随
着水运动的改变 ,导致胞浆空泡的形成 ,细胞
肿胀 , 最后组织坏死[ 16] 。另外 , 由于缺少
ATP 而使 Ca2+-ATP 酶活性降低 , 这似乎有
助于促进软骨藻酸升高细胞内 Ca2+水平 。
由兴奋性氨基酸引起的神经毒性在低能量的
神经元大大增加 ,因此软骨藻酸对年纪大的
人的危害更严重[ 14] 。
也有研究显示 ,小胶质细胞在介导软骨
藻酸的神经毒性作用方面可能起重要作用 ,
而且软骨藻酸盐的毒性还可能与胆碱能作用
有关[ 7 , 23] 。总之 ,软骨藻酸对机体中枢神经
系统的损伤过程是一个十分复杂的过程 ,各
个过程相互联系 ,最终引起较为严重的中枢
神经损害 。个体对软骨藻酸毒性的不同易感
性还可能与肝脏和肾功能的各种毒物动力
学 、软骨藻酸异构体的数量及 pH 的变化有
关[ 16] 。
随着世界生态环境的恶化及水污染的日
益加剧 ,赤潮频繁发生 ,相继在世界不同地区
发现有软骨藻酸的污染。我国有丰富的海洋
资源和淡水资源 ,如何控制赤潮 、免受软骨藻
酸等的污染及避免其毒害的发生也是我们所
面临的重要课题。因此有必要加大对软骨藻
酸的研究力度 , 加强对海产品中软骨藻酸的
监测 ,预防食品中毒的发生并为保护海洋生
态环境提供有效的途径。
参考文献:
[ 1] Perl TM , et al.[ J] .N Engl J Med , 1990 , 322:
1775-1780.
[ 2] Truelove J , et al.[ J] .Nat Toxins , 1997 , 5(3):
111-114.
[ 3] Walz PM , et al.[ J] .Nat Toxins , 1994 , 2(5):
271-279. (下转第 309页)
·299·国外医学卫生学分册　2002年　第 29卷　第 5期
[ 5] Fente CA , et al.[ J] .J Chromatogr B , 1999 ,
726:133-139.
[ 6] Horne E , et al.[ J] .Analyst , 1998 , 123:
2517-2520.
[ 7] Mandy JO , et al.[ J] .Analyst , 1998 , 123:
2711-2714.
[ 8] Whaites LX, et al.[ J] .J Chromatogr B , 1999 ,
728:67-73.
[ 9] Hernandez-Carrasquilla M , et al.[ J] .Analitica
Chimica Acta , 2000 , 408:285-290.
[ 10] Ramos F , et al.[ J] .J Chromatogr B , 1998 ,
716:366-370.
[ 11] Buiarelli F , et al.[ J] .Analytica Chimica Acta ,
2001 , 447:75-88.
[ 12] Carducci CN , et al.[ J] .J Chromatogr A ,
1996 , 730:313-319.
[ 13] Lawrence JF , et al.[ J] .J Chromatogr B ,
1997 , 696:291-297.
[ 14] Philippe AG , et al.[ J] .J Chromatogr B ,
1999 , 736:209-219.
[ 15] de Wasch K , et al.[ J] .Analyst , 1998 , 123:
2701-2705.
[ 16] Daniel RD , et al.[ J] .Anal Chem , 1996 , 68:
1918-1923.
[ 17] Elbert AH , et al.[ J] .Anal Chem , 1998 , 70:
1362-1368.
[ 18] Lin LA , et al.[ J] .J Chromatogr A , 1997 ,
762:275-280.
[ 19] Smyth WF , et al.[ J] .J Chromatogr A , 1997 ,
772:161-169.
[ 20] Gausepohl C , et al.[ J] .J Chromatogr B ,
1998 , 713:443-446.
[ 21] Sawaya WN , et al.[ J] .Food Control , 2000 ,
11:1-5.
[ 22] Roda A , et al.[ J] .Talanta , 2000 , 52:311-
388.
[ 23] David CJ , et al.[ J] .Analy st , 1999 , 124:827-
831.
[ 24] Andrea P , et al.[ J] .Sensors Actuat , 2001 ,
76:286-294.
[ 25] Lopez-Erroz C , et al.[ J] .Talanta , 2000 , 53:
47-53.
(上接第 299 页)
[ 4] Schmued LC , et al.[ J] .Brain Res , 1995 , 695
(1):64-70.
[ 5] Brown JA , Nijjar MS.[ J] .Mol Cell Biochem ,
1995 , 4151(1):49-54.
[ 6] Cendes F , et al.[ J] .Ann Neurol , 1995 , 37
(1):123-126.
[ 7] Sobotka TJ , et al.[ J] .Neurotoxicol Teratol ,
1996 , 18(6):659-670.
[ 8] Clayton EC , et al.[ J] .Toxicon , 1999 , 37(7):
1025-1039.
[ 9] Xi D , et al.[ J] .Nat Toxins , 1997 , 5(2):74-
79.
[ 10] Berman FW , Murray TF.[ J] .J Neurochem ,
1997 , 69(2):693-703.
[ 11] Renard A , et al.[ J] .Neuropharmacology ,
1995 , 34(3):335-346.
[ 12] Jensen JB , et al.[ J] .Neurosci Res , 1999 , 55
(2):208-217.
[ 13] Peng YG , Ramsdell JS.[ J] .Fundam Appl Tox-
icol , 1996 , 31(2):162-168.
[ 14] Antonello N , et al.[ J] .Brain Res , 1992 , 577
(1):41-48.
[ 15] Ross IA , et al.[ J] .Food Chem Toxicol , 2000 ,
38(11):1005-1011.
[ 16] Nijjar MS ,Madhyastha MS.[ J] .Mol Cell Bio-
chem , 1997 , 167(1-2):179-185.
[ 17] Cunha RA , et al.[ J] .FEBS Lett , 2000 , 469
(2-3):159-162.
[ 18] Nduada CI , et al.[ J] .In Vir Mol Toxicol ,
1999 , 12(3):173-182.
[ 19] Polischuk TM , Andrew RD.[ J] .Can J Physiol
Pharmacol , 1996 , 74(6):712-722.
[ 20] Bureau I , Mulle C.[ J] .J Physiol , 1998 , 509(Pt
3):817-831.
[ 21] Gruol DL , et al.[ J] .Brain Res , 1997 , 773(1-
2):82-89.
[ 22] Appel NM , et al.[ J] .Brain Res , 1997 , 754(1-
2):55-64.
[ 23] Mayer AM.[ J] .Med Hypotheses , 2000 , 54
(5):837-841.
·309·国外医学卫生学分册　2002年　第 29卷　第 5期