【摘要】 随着锰在影像学和实验研究中的不断应用，其毒性损伤已经成为近期人们研究的热点。大量研究证明，锰作为机体微量元素，堆积后的损伤主要表现于神经系统。我们从锰作为影像增强剂这一角度对其给药方式、机体损伤和损伤机制的研究做一综述。
【关键词】 锰;影像增强;神经毒性;机制
Effect of manganese as image intensifier on the function of nervous system
Jun Zhang, YunTao Hu, XunLun Sheng
1Department of Ophthalmology, Affiliated Hospital of Ningxia Medical University, Yinchuan 750004, Ningxia Hui Autonomous Region, China; 2Eye Center, Peking University, Beijing 100083, China; 3Department of Ophthalmology, the First Hospital of Qingdao Development Zone, Qingdao 050051, Shandong Province, China
Abstract As the manganese has been applied continually in the imaging studies and experimental researches, its toxic injury has been a hotspot. Many studies have demonstrated that the damage of large accumulation of manganese, as a body trace element, is expressed mainly in the nervous system. This article will summarize the papers concerned with the delivery method, body injury and neurotoxic mechanism of manganese, while manganese was applied as an image intensifier.
KEYWORDS:manganese;imageintensification;neurotoxicity; mechanism
0引言
影像学的发展对医学进步起着推动作用，其中核磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)自问世以来一直受到人们的重视。然而随着科技需求的不断提高，MRI空间分辨率受到了限制，其常规扫描已无法满足人们对更细微组织结构区分的需求。借此锰离子脱颖而出，凭借极大的提高MRI图像对比分辨率和清楚显示细微组织结构，成为目前研究中枢神经系统缺陷的良好手段，并已初步跨入视神经的研究领域。
1锰离子作为影像增强剂的进展
1.1锰离子的生物学特性
(1)二价锰离子的离子半径与Ca2+类似，能通过钙离子通道进入可兴奋细胞，并在细胞内沉积。通过探测锰离子在细胞内部的蓄积量，可以观察兴奋性诱导的锰增强磁共振功能成像(MEMRI)，并根据锰离子的分布反映胶质细胞、神经元及其线粒体活性[1]。(2)根据锰离子通过钙离子通道进入可兴奋细胞的特性，锰离子可以作为顺行性示踪剂，在MRI图像上观察神经纤维走行[2]。(3)由于锰离子对不同脑组织的生物亲和性有差别，不同脑区神经元密度和兴奋性不同，经静脉或脑室内注射锰离子后，脑解剖结构的强化效果不同，有助于脑形态学和细胞排列结构的研究[3]。
1.2锰离子在研究中的应用
利用锰离子的这些特性，Lin等[1]在1997年首次提出利用二价锰离子作为影像增强剂动态活体观察神经传导和功能。发现MEMRI的图像敏感性和信噪比较高，可获得薄层、高空间分辨率的图像。在高空间分辨率扫描、尤其当空间分辨率达到显微成像水平时该方法显著优于其他成像方法。此后，这一技术受到越来越多研究者的重视。MEMRI在中枢神经系统领域中的研究最为突出：(1)MEMRI可用来观测功能或病理状态下Ca2+在神经细胞内外以及神经突触间的传递过程，并以此来记录和反映神经元的功能活动。应用该技术可以观测脑缺血细胞内Ca2+超载过程，显示缺血最严重的脑区，为准确定位缺血组织提供影像学依据[4,5]。(2)MEMRI能清楚显示小脑皮层的3层细胞结构：分子层和颗粒细胞层呈高信号、蒲肯野细胞层为低信号，三者分界清楚。(3)此外，MEMRI还能明确区分嗅脑和大脑皮层的6层细胞结构。针对MEMRI在中枢神经系统中的表现，科学家们提出多种假说。Akai等提出锰离子在脑内不均匀分布可能与生物亲和性有关[6,7]。Pautler等[8]提出锰离子在神经元内的沉积差异可能与神经元的密度和兴奋性有关。虽然MEMRI作用于中枢神经系统的原理尚未完全清晰，但对中枢神经系统发展的巨大推动力量足以引起众多眼科研究者的关心。不少研究者运用MEMRI成功得到了活体示踪视神经的MRI影像。其中Yamada等[9]已将MEMRI用于灵长类动物，显影的视神经通路与先前MEMRI显影鼠视神经和视束通路的报道相一致[10,11]。近期美国食品和药品监督管理局也批准了一种锰离子整合剂—二吡啶拿基二磷酸(dipyridoxyl diphosphate, Mn2DPDP) 作为MR对比剂应用于肝脏和其他器官的MR增强扫描[12]。可见锰离子引导的神经影像学革命即将爆发。
2锰离子作为影像增强剂的给药方式
锰离子溶液用蒸馏水稀释后，需缓冲pH值并矫正渗透压后方可给药[13]。在中枢神经系统的应用以全身给药为主[3,6,7]，亦有直接注入脑的相应部位观测鼠的神经通路的报道[8,10,1115]。全身给药包括静脉注射，腹膜内给药及皮下注射3种。经研究，不同的给药途径，对中枢神经系统的增强显影没有显著性差别[16]。其中腹腔全身给药比静脉给药有高剂量低毒性的优点。在眼科的应用多以玻璃体腔注射观察视神经为主。然而这种给药方式容易出现锰离子毒性损伤和很多非特异性并发症，如白内障、散光、眼内炎、玻璃体出血、视网膜脱离等[17]。为了降低锰离子毒性，玻璃体腔多次注射被提出。但该方法会极大的增加上述并发症的发生几率[18]。因此锰离子活体示踪视神经的研究还存在很大阻隔。
3锰离子作为影像增强剂引起的损伤
锰离子作为影像增强剂，无论何种给药方式，都会堆积在很多组织当中，如肝、肾、心、脑[1921]。其中脑基底核和脑部其他区域的锰离子蓄积已经在鼠[22]，猴[23]和人[24]中得到证实。这种蓄积可导致细胞死亡。依据中枢神经系统损伤时抽搐和类帕金森征的表现，损伤可能包括：(1)破坏Ca2+电压门控通道，使Ca2+过度蓄积[25]。(2)蓄积于线粒体，释放线粒体细胞色素C，抑制电子转移，增加活性氧，导致神经细胞死亡[26]。而眼科应用中亦有不同损伤表现，其中Bearer等[27]已证实，小鼠玻璃体腔注射100mM锰离子后即可破坏视网膜电活动。可以说锰离子的毒性损伤大大阻碍了其作为影像增强剂的发展。
4锰离子作为影像增强剂引起损伤的可能机制
锰作为机体微量元素，在神经毒性方面的研究已超过150a，对其毒性损伤机制也有了多方面进展。锰作为影像增强剂引起损伤的可能机制也应包含如下。
4.1锰离子在机体的转运方式
锰离子在正常浓度时，主要是通过血管内皮细胞进入中枢神经系统;而高浓度时，则主要是通过脉络丛进入[28,29]。实验证明，人工注射MnCl2后，1h脉络丛表现出锰离子高浓度蓄积，3d后主要积聚在黑质塞梅林氏神经节、齿状回、豆状核和小脑[30]。然而锰离子是如何透过中枢神经系统的两个屏障，即血脑屏障和血脑脊液屏障，进入脑组织的呢?有学者研究锰的转运机制时发现，脑外的转运机制与铁相似，而脑内的转运机制取决于锰的价态。在体内锰虽可以Mn2+,Mn3+,Mn4+的形式存在，却主要以Mn3+的形式存在于循环系统，血清转铁蛋白(transferrin，Tf)运输Mn3+至血脑屏障，然后与血脑屏障内皮细胞上的TfR结合，通过TfR介导形成内吞小体，把Mn3+送入内皮细胞，而内皮细胞中的Mn3+以目前未知的机制离开内皮细胞，与脑内合成的Tfb结合，再以和脑外类似的机制把Mn3+分布于脑组织[31]。Mn4+可以在体内还原为Mn3+离子进行上述转运。而Mn2+离子与血浆蛋白结合可透过中枢系统屏障，直接进入中枢神经系统(CNS)。
4.2锰离子在机体的神经毒作用机制
关于锰离子神经毒作用的机制已从多方面进行过研究，但尚不十分明确。目前认识的主要与以下几方面有关。
4.2.1自由基介导的神经细胞变性
锰中毒时，大量锰离子被氧化成高价态，在价态转化过程中，可抑制超氧化物歧化酶(SOD)，使其对超氧阳离子的歧化作用减弱，导致体内自由基堆积[3234];过量锰也可通过激活细胞色素P450氧化酶，产生自由基。进而引发多巴胺自氧化、线粒体损伤及生物大分子改变，形成大量过氧化物、超氧化物、醌类等细胞毒物[35]。使脑内谷胱甘肽过氧化物酶(GSHPx)、过氧化氢酶(CAT)、氧化型谷胱甘肽(GSSG)还原酶活性降低，诱发氧化应激，引起多巴胺神经元变性，导致一系列神经精神症状和体征[36]。
4.2.2锰可直接损伤神经细胞及其细胞器功能
锰对星形神经细胞有高的亲和力和溶解度，星形神经细胞是锰毒作用早期功能损害的主要位点。长期接触锰可伴有阿尔海默氏Ⅱ型星形细胞的特征性改变。在星形细胞的基因表达中，这些潜在性改变可导致能量代谢障碍，产生各种氧化反应及提高细胞外谷氨酸盐的浓度和兴奋性毒作用，引起神经细胞死亡[37]。锰还可抑制线粒体内三羧酸循环、氧化磷酸化及呼吸链等一系列重要酶系[38]，导致神经细胞变性和神经突触中介质传导功能紊乱。
4.2.3改变大脑神经递质
过量的锰离子吸收进人大脑细胞后积聚在大脑黑质苍白球区。该区锰浓度增加引起神经细胞退化，向下丘脑核的输出减少，谷氨酸由下丘脑核向黑质区输入调节障碍，导致纹状体的多巴胺神经元功能障碍，引起锰中毒。
4.2.4溶酶体自消化
溶酶体是人体内的“清道夫”。锰中毒时自由基增多，可增加神经细胞的代谢、提高溶酶体活性、膜通透性增强、溶酶体酶逸出至胞质，引起细胞成分发生不可逆的损害。
4.2.5细胞膜结构功能改变
锰离子可致细胞处于氧化应激状态;使抗氧化指数明显下降;产生脂质过氧化的速度超过抗氧化酶的防御作用，最终致细胞损伤，细胞膜结构功能发生改变[39,40]。且锰离子染毒后，细胞分裂均停留在S期，而S期是细胞DNA合成期，造成了细胞遗传物质的合成障碍，同样引起细胞凋亡[41]，其中的机制可能与JNK信号传导通路的激活及线粒体跨膜电位崩溃有关[42]。
4.2.6神经突触传导中的作用
亚细胞微结构及组织化学研究证明[43]，高浓度锰离子可影响突触传递，破坏突触的传递功能。损伤机制是基于Mn2+半径与Ca2+半径相接近[44]。体内微量渗析实验也表明[45]，由谷氨酸能神经元末梢释放入突触间隙的锰离子，激活了谷氨酸门控的阳离子通道，干扰了酶的蛋白质代谢，导致神经细胞的功能紊乱和病理损伤，影响神经突触的传导能力[46]。
4.2.7影响神经发育
神经系统的发育经历了诱导、增殖、迁移、分化、突触形成与神经元回路建立以及神经细胞死亡等一系列过程。彼此间紧密联系，有的互相重叠，其中任何一个环节发生错误都将损害整体功能。而锰离子几乎对每个环节都产生毒害影响，而且这种损害具有持久性和不可逆性[47]。
4.2.8神经细胞内金属元素的平衡失调
锰离子可破坏其他金属元素(钙、铁、铜、锌、镁等)在中枢神经系统的平衡状态，使依赖于该金属离子的酶活性降低，进而对神经细胞造成损害。
综上可见，锰离子作为影像增强剂在医学领域中的应用已渐进广泛，但其面对的阻隔也是不容忽视的。只有排除阻隔才能使该技术从实验室走向临床，完成影像学上的革命。
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