農藥與帕金森病的相關性研究進展

熊婧 張兆輝

農藥與帕金森病的相關性研究進展

熊婧 張兆輝

帕金森病是人類常見的神經變性疾病，至今病因未明。目前認為帕金森病是遺傳因素、年齡老化以及環境因素等多因素共同作用的結果。農藥作為一種常見的環境毒素，其與帕金森病發病的相關性業已得到證實。本文將從流行病學調查、臨床觀察以及實驗動物模型三個方面對農藥與帕金森病發病的相關性進行綜述。

帕金森??；農藥；流行病學；臨床病例；實驗研究

帕金森病(Parkinson’s disease，PD)是人類常見的神經變性疾病，65歲以上人群的發病率超過1%[1]，現已成為影響老年人健康的第二大神經變性疾病。中腦黑質多巴胺能神經元進行性丟失伴殘存神經元胞漿中嗜酸性包涵體——路易小體(Lewy bodies，LB)形成是PD最典型的病理學特征。然而，多巴胺能神經元選擇性丟失的機制至今未明，目前認為PD發病是遺傳因素、年齡老化及環境因素共同作用的結果。農藥是一種常見的環境毒素，其與PD發病的相關性已經得到證實，而且通過農藥制備的PD模型也為PD的病因學及發病機制研究提供了重要的依據。本文對農藥與PD之間的關系進行綜述。

1 農藥暴露與PD發病的流行病學研究

農藥是農業生產中常見的制劑，用于殺蟲、殺菌、殺滅有害動物及植物，以保障、促進農作物的生長。隨著科技進步，越來越多的農藥應用于農業生產和生活中。人群的農藥暴露可以分為職業暴露(從事農藥生產及噴灑)和非職業暴露(不從事農藥相關職業，但從各種途徑接觸農藥)情況。

Van der Mark等[2]通過對農藥暴露與PD相關性的39個病例對照研究、4個隊列研究以及3個橫斷面研究進行分析發現：農藥職業暴露人群與非職業暴露人群的PD發病風險相似，農藥職業暴露組發病危險比(sRR)為1.69(95%CI為1.38～2.06)，非職業暴露組sRR為1.52(95%CI為1.23～1.89)，二者差異不具有統計學差異，當不考慮職業因素時，農藥暴露與PD的sRR為1.62(95%CI為1.40～1.88)。在農藥的各個亞類中，除草劑和殺蟲劑的暴露可以增加PD的發病風險，sRR分別為1.40(95%CI為1.08～1.81)和1.50(95%CI為1.07～2.11)，而除菌劑暴露與PD的發病無明顯關聯(sRR=0.99，95%CI為0.71～1.40)。Freire等[3]對2000年至2011年中8個PD與農藥相關性的流行病學前瞻性研究結果進行回顧性分析發現，其中7個研究的結果均提示農藥暴露可以增加PD發病的風險，最高者PD發病的風險可增加至非暴露的兩倍以上。

線粒體功能損傷和氧化應激是PD的兩個重要發病機制，有研究者對干擾線粒體功能或誘發氧化應激損傷的兩類農藥的暴露與PD的相關性進行了研究[4]，結果顯示抑制線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ的農藥(如魚藤酮、芐氯菊酯)和誘發氧化應激損傷的農藥(如百草枯、芐氯菊酯)暴露均與PD的發病相關，其患病風險比值比(odds ratio，OR)分別為1.7(95%CI為1.0～2.8)和2.0(95%CI為1.2～3.6)，其中魚藤酮暴露與PD發病的OR為2.5(95%CI為1.3～4.7)，百草枯暴露的OR為2.5(95%CI為1.4～4.7)，這與Van der Mark等[2]的研究中殺蟲劑和除草劑暴露與PD發病具有關聯性的研究結果一致。

2 農藥暴露與PD相關性的臨床觀察

農藥中毒后誘發的神經毒性較常見，其中PD樣癥狀是其中的一種。常見的可誘發PD樣癥狀的農藥包括有機磷農藥、百草枯等多種藥物。

有機磷農藥是目前世界上使用量最大的一類農藥，它通過抑制膽堿酯酶活性發揮殺蟲作用，也能作用于人類的神經系統并引起損傷，曾有多篇病例報道稱有機磷農藥中毒能引起短暫的PD樣癥狀[5-7]，這些癥狀大多數出現于中毒后10 d以內，無需經特殊的抗PD治療，一般2～8個月后可以完全緩解，其中1例殺螟硫磷中毒后的患者在中毒后第19天行SPECT檢查發現雙側殼核呈高灌注現象，當兩個月后臨床癥狀完全好轉時，該影像學改變也完全消失[7]。這提示有機磷農藥急性中毒對錐體外系神經細胞的損傷是可逆性的，出現PD樣臨床癥狀可能與其干擾錐體外系乙酰膽堿酯酶活性有關。然而，Davis等[8]報道了1例經反復有機磷農藥職業暴露(約2～3次/周，每次出現有機磷中毒癥狀后均自行使用阿托品治療)后于48歲罹患PD的病例，這提示長期有機磷農藥暴露可能有誘發PD的風險。

百草枯是目前應用比較廣泛的一種除草劑，也是一種常用的制作PD動物模型的環境毒素，它與人類發現的第一個引起PD癥狀的毒物1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶(MPTP)的代謝產物1-甲基-4-苯基吡啶(MPP+)具有相似的化學結構。但是目前有研究者對百草枯急性中毒的病例報道進行統計分析，這些病例觀察時間最長為中毒后10年，并未發現百草枯急性中毒可以誘發人類PD樣癥狀[9]。

此外，還有多種藥物在動物研究中均發現與PD發病相關，如擬除蟲菊酯類農藥、有機氯農藥、狄氏劑等，但目前并無這些農藥急性中毒后短期出現PD樣癥狀的病例報道[10-11]。

3 農藥誘導的PD動物模型

目前用于PD動物模型制作的農藥在動物中雖然不能復制出與人類PD完全一致的臨床和病理表現，但是可以模擬與多巴胺能神經元選擇性丟失相關的發病機制，包括氧化應激、線粒體功能損傷、蛋白質聚集和降解異常等。這些動物模型的建立為人類PD的病因和發病機制的研究提供了重要依據。下文將對各種常用于誘導PD動物模型的農藥及其誘導的PD動物模型特點進行概括介紹。

3.1 百草枯 百草枯與人類發現的第一個引起PD癥狀的毒物MPTP的代謝產物MPP+具有相似的化學結構，它可以透過鼠的血-腦脊液屏障，在中腦中的半衰期可以長達4周，并且在腦組織中的含量具有蓄積效益[12]，腦內濃度與外周給藥濃度成正比。百草枯可以通過多巴胺能神經元突觸末梢的多巴胺轉運體(DAT)轉運至多巴胺能神經元內[13]，代謝過程中產生大量的活性氧(ROS)，從而增加氧化應激反應，引起多巴胺能神經元選擇性損傷。McCormack等[14]研究發現百草枯暴露之后可以引起黑質多巴胺能神經元選擇性丟失20%～30%，并且在體外試驗中可以增加α-突觸核蛋白(α-synuclein)纖維形成，同時可以增加在體動物中黑質多巴胺能神經元中α-synuclein聚集體的表達，而對皮層、海馬神經元無明顯影響[15]。百草枯引起黑質多巴胺能神經元選擇性損傷的機制可能與黑質多巴胺能神經元對百草枯引起的氧化應激反應比其他腦區神經元敏感有關。Prasad等[16]的研究組發現按體重給予小鼠10 mg/kg百草枯一次性腹腔注射，7 d后小鼠黑質區脂質過氧化水平可高達生理鹽水對照組的250%，并且明顯高于同一個體的紋狀體(200%)和額葉(150%)水平，而且給予小鼠不同劑量的百草枯暴露可以濃度依賴性的增加百草枯在黑質區的含量，但不能增加黑質區的脂質過氧化水平。另外，McCormack等[17]通過對不同劑量百草枯暴露后小鼠的黑質區神經元氧化應激產物4羥基壬烯醛(4-HNE)染色也證實了這個結果。因此百草枯引起的黑質區多巴胺神經元選擇性損傷可能與黑質區神經元對氧化應激損傷的反應性較強有關，而不是由于百草枯在細胞中的毒性蓄積作用引起。

3.2 魚藤酮 魚藤酮是一種天然的酮復合體，其殺蟲機制主要是抑制線粒體呼吸鏈復合體I導致氧化磷酸化障礙。研究發現散發型PD患者體內線粒體呼吸鏈復合體I的活性大約下降15%～30%[18]，提示魚藤酮可以部分模擬PD的發病機制。

魚藤酮具有疏水性和較強的親脂性，可以自由的跨過血-腦脊液屏障和各種細胞膜，進入腦組織并在亞細胞器中聚集。有研究者使用了不同的給藥方式觀察魚藤酮對不同動物黑質多巴胺能神經元的損傷，發現魚藤酮大鼠模型較小鼠模型更能復制出PD樣損傷表現。Betarbet等[19]經頸靜脈連續36d按體質量給予雄性大鼠3 mg/kg的魚藤酮注射可以引起黑質多巴胺能神經元選擇性損傷，并且可以誘發動作減少及靜止性震顫等癥狀。Feng等[20]通過連續4周背部皮下注射魚藤酮誘發了大鼠活動減少、肌張力增高等表現，并出現黑質區神經元選擇性丟失，伴有多個腦區尤其是黑質和紋狀體中α-synuclein聚集體增多，模擬了人PD的部分臨床表現和病理學表現。同樣，Cannon等[21]通過對不同年齡段的雄性Lewis大鼠按體質量2.75 mg/(kg·d)或3 mg/(kg·d)腹腔注射6-9d魚藤酮成功的建立了一個比較穩定的魚藤酮大鼠模型，幾乎每只大鼠都表現出PD樣行為改變，包括動作緩慢、強直、姿勢步態異常，這些癥狀經阿撲嗎啡治療后可以緩解，同時這些動物在組織學上出現黑質TH陽性的神經元選擇性丟失伴有殘存神經元中α-synuclein和泛素表達陽性的包涵體，并且紋狀體區多巴胺水平下降。這個模型幾乎模擬了PD的所有行為學及病理學改變。人們在建立魚藤酮誘導的PD動物模型的過程中，發現魚藤酮除了通過抑制線粒體呼吸鏈復合體I的功能引起黑質多巴胺能神經元損傷外，還可以誘發細胞凋亡、炎性反應、膠質細胞增生以及蛋白質聚集和降解異常[22]?？梢?，魚藤酮建立的大鼠模型能較好的模擬PD發病的行為學、病理學以及發病機制改變，雖然目前尚無魚藤酮直接導致人類PD發病的報道，在魚藤酮使用過程中仍需警惕。

3.3 代森錳 代森錳是是一種殺菌劑，含有金屬元素錳離子，而金屬錳中毒可以引起PD樣癥狀，因此代森錳也被應用于PD的動物模型研究。Thiruchelam等[23]給予不同年齡段的小鼠按體質量30 mg/kg代森錳腹腔注射(2次/周，共2周)，末次給藥后可引起小鼠紋狀體多巴胺水平和自主活動能力下降，并且這種損傷在末次給藥后3個月的老年小鼠模型(18月齡)中表現更為明顯，不能完全恢復。此研究還發現代森錳可以增加其他毒素的毒性作用，代森錳與百草枯聯合作用，可以引起動物的活動能力下降，降低紋狀體多巴胺水平和多巴胺代謝能力，減少紋狀體中酪氨酸羥化酶和多巴胺轉運體的表達，同時可以增加突觸囊泡中多巴胺含量，這種效應明顯強于單獨使用百草枯或代森錳[23]。該作者團隊推測引起這種效應的原因可能與代森錳能夠減少多巴胺的釋放從而增加突觸囊泡中多巴胺的含量有關[24]，因此當其與百草枯等引起氧化應激反應的藥物同時使用時，這些胞漿中含有大量多巴胺的神經元更容易受到氧化應激損傷。

3.4 擬除蟲菊酯類農藥 擬除蟲菊酯類農藥是一類由天然除蟲菊酯的結構衍生而成的農藥，具有神經毒性，主要是通過延長位于神經細胞表面的鈉離子通道的開放時間，引起細胞膜去極化而引起神經細胞損傷。目前已有多項關于擬除蟲菊酯類農藥對黑質多巴胺神經系統作用的研究。溴氰菊酯可以明顯減少大鼠紋狀體和海馬中多巴胺及多巴胺轉運體的含量[25]，并且抑制酪氨酸羥化酶的表達，從而減少內源性多巴胺的合成[26]，提示溴氰菊酯可能與PD發病相關。另外Singh等[27-28]發現氯氰菊酯可以透過血-腦脊液屏障，對該藥的長期暴露將增加黑質紋狀體系統氧化應激水平，減少小泡單胺轉運蛋白表達及多巴胺含量，最終引起大鼠多巴胺能神經元變性死亡，尤其在神經元發育期暴露過氯氰菊酯的大鼠在成年后再次暴露將明顯增加氯氰菊酯對黑質紋狀體系統的損傷[29]。甲氰菊酯體外作用于多巴胺能細胞可以模擬氧化應激、細胞凋亡及α-synuclein和泛素蛋白異常聚集等與PD相關的發病機制，并且長期低劑量的甲氰菊酯暴露也可以誘發大鼠黑質多巴胺能神經元丟失以及多巴胺轉運體表達增加[30]。以上研究結果均提示擬除蟲菊酯類農藥可能通過干擾黑質紋狀體系統功能增加PD的發病風險。目前芐氯菊酯的相關研究較少，相關結局尚不明確。

3.5 有機磷農藥 有機磷農藥主要通過抑制乙酰膽堿酯酶活性發揮作用。雖然有機磷農藥急性中毒的患者可以表現出可逆性PD樣癥狀，但是在動物模型中有機磷農藥并不能復制出典型的PD癥狀及病理學改變。氯螨硫磷腹腔注射的小鼠表現出在曠野試驗中的活動能力下降以及DAT對多巴胺的攝取能力降低，但是并無PD相關的病理改變出現[31]。在錐體外系統中，多巴胺系統和乙酰膽堿系統是一對相互拮抗的系統，當兩者失衡時就會出現相應的錐體外系癥狀，因此有機磷農藥引起的PD樣癥狀可能與其打破了兩個系統之間的平衡有關。

3.6 有機氯農藥 有機氯農藥是一類用于防治植物病、蟲害的含有有機氯元素的化合物，具有很強的脂溶性，可以透過各種細胞膜，其性質穩定、不易揮發，容易持續存在于環境中并可以在生物體內聚集。因為有機氯對環境的影響，在很多地方已被禁用。有機氯農藥分為以苯為原料和以環戊二烯為原料的兩類，其中以環戊二烯為原料的一類與PD的發病存在相關性，其代表農藥為狄氏劑。狄氏劑暴露的小鼠可以出現α-synuclein表達增高，多巴胺系統內多巴胺合成代謝異常以及氧化應激反應增強，還會引起多巴胺神經細胞DAT和囊泡單胺轉運蛋白(VMAT2)的表達異常，與MPTP共同使用時可以增加MPTP的毒性作用。但是目前尚無研究發現狄氏劑可以直接引起多巴胺能神經元數目減少。根據有機氯農藥易在環境中殘存的特點，有機氯農藥長期蓄積對人體的損害還有待繼續觀察。

綜上所述，農藥可能是PD發病的重要危險因素，雖然目前尚未找到某一種或某一類農藥與PD的發病具有直接關系，但是很多農藥在實驗室研究模型中模擬了PD的行為學、病理學以及發病機制的特征，為PD的病因學和發病機制研究提供重要的依據，同時也提出了警示需進一步規范農藥的使用，從而減少PD的發病風險。

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(本文編輯：鄒晨雙)

10.3969/j.issn.1006-2963.2016.06.012

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