受损的色氨酸代谢介导了锰诱导的神经发生和神经炎症损伤：外源性褪黑素的缓解作用

《Environment & Health》：Disrupted Tryptophan Metabolism Mediates Manganese-Induced Neurogenesis and Neuroinflammatory Impairments: Rescue by Exogenous Melatonin

　　褪黑素调节色氨酸代谢轴介导锰暴露诱导的神经发生损伤及保护机制研究。摘要：该研究通过急性（7/14天）和长期（2/4个月）锰暴露小鼠模型，结合转录组、代谢组及微生物组多组学分析，发现长期锰暴露导致色氨酸代谢紊乱，褪黑素水平显著下降，并伴随神经炎症和氧化应激，抑制神经发生；而外源性褪黑素补充可有效逆转锰诱导的神经损伤。

　　锰（Mn）作为一种常见的环境污染物，其过量暴露可能引发类似于帕金森病（PD）的运动功能障碍。越来越多的证据表明，锰会损害内源性神经发生，并阻碍神经修复过程。本研究旨在探讨急性及长期锰暴露对神经发生的影响，并揭示其潜在机制。通过建立急性（7天和14天）及长期（2个月和4个月）锰暴露小鼠模型，评估不同暴露条件下神经发生的状况。研究采用mRNA测序、非靶向代谢组学以及宏基因组学方法，以揭示锰诱导神经发生障碍所涉及的分子通路。研究结果表明，早期阶段的锰暴露，包括急性暴露和2个月暴露，会短暂促进神经发生。然而，随着锰在大脑中的积累，长期暴露会抑制神经发生，并伴随神经炎症和氧化应激，从而形成神经损伤的恶性循环。多组学分析显示，色氨酸代谢通路的紊乱是关键机制之一，锰暴露后，褪黑素（MT）水平显著降低。值得注意的是，外源性褪黑素补充能够有效缓解锰引起的神经发生障碍、神经元完整性受损以及神经炎症，这些发现为锰神经毒性提供了新的见解，并突出了褪黑素作为治疗锰相关神经损伤的潜在药物的可能性。

本研究从多个角度探讨了锰对神经发生的影响。首先，从暴露方式来看，急性暴露和长期暴露对神经发生的作用存在显著差异。急性暴露主要通过单侧立体定位注射的方式，将锰化合物注入小鼠的右侧纹状体，模拟短期高剂量锰接触的情境。这种暴露方式能够在短时间内引起神经元的快速反应，包括神经发生促进和神经元的损伤。相比之下，长期暴露则通过连续的鼻内给药方式，模拟职业环境中锰的持续暴露。这种暴露方式更贴近实际的环境接触，能够更好地反映锰在体内的累积效应及其对神经系统的慢性影响。通过观察不同暴露条件下小鼠的行为变化、神经元数量以及神经发生相关基因的表达水平，研究发现锰对神经发生的影响具有时间依赖性和区域特异性。在急性暴露的情况下，纹状体及其邻近的室管膜下区（SVZ）表现出显著的神经发生增强，而海马体则显示出神经发生受到抑制。这表明，锰对不同脑区的神经发生影响可能有所不同，需要进一步探讨其潜在的区域差异性。

此外，本研究还发现，锰暴露会显著影响小鼠的金属元素水平。尿液分析结果显示，锰暴露后，多种金属元素如铁、铜、锌等在尿液中的浓度均出现不同程度的升高，这表明锰暴露可能干扰了这些金属元素的体内平衡。这种金属代谢的紊乱可能进一步影响神经元的功能和神经系统的稳定性。因此，研究不仅关注锰对神经元的直接影响，还探讨了其对整个神经微环境的系统性影响，包括炎症反应、氧化应激以及神经元的存活情况。通过行为测试（如转棒测试和开敞场测试）评估小鼠的运动功能和行为表现，结果显示锰暴露后，小鼠的运动协调能力明显下降，这与神经元损伤和神经发生障碍密切相关。

为了进一步探讨锰暴露对神经发生的分子机制，本研究采用了多组学分析方法，包括转录组学、代谢组学和宏基因组学。这些方法能够全面解析锰暴露对大脑神经发生相关基因表达、代谢物水平以及肠道微生物群的影响。转录组学分析显示，锰暴露显著改变了神经发生相关基因的表达模式，其中一些基因被上调，而另一些则被下调。这些变化主要集中在与神经元分化、神经前体细胞增殖以及胶质细胞功能相关的通路。代谢组学分析则揭示了锰暴露对色氨酸代谢通路的显著干扰，特别是在海马体和SVZ中，色氨酸及其下游代谢产物的水平显著降低，同时与神经毒性相关的代谢通路（如犬尿氨酸途径）被激活。这一发现表明，锰暴露可能通过干扰色氨酸代谢通路，导致神经毒性代谢产物的积累，从而抑制神经发生。

肠道微生物群在色氨酸代谢中的作用不可忽视。本研究发现，锰暴露会显著改变肠道微生物群的组成和功能，这可能进一步影响色氨酸的吸收和代谢。肠道组织的病理分析显示，锰暴露导致肠道黏膜结构破坏、炎症细胞浸润以及部分关键金属元素的吸收能力下降。这些变化可能影响色氨酸的摄入和转化，从而导致其在大脑中的供应减少。同时，宏基因组学分析显示，锰暴露后，某些肠道微生物的代谢通路被激活，特别是与芳香族氨基酸合成相关的通路。这可能是一种肠道微生物的代偿性反应，试图通过增强自身代谢能力来恢复宿主的色氨酸水平。然而，这种代偿机制似乎并不足以完全逆转锰暴露对色氨酸代谢的干扰，反而可能进一步加剧神经元的损伤。

褪黑素作为一种重要的神经保护分子，其在锰暴露后的变化引起了研究者的高度关注。研究发现，锰暴露会导致褪黑素水平的显著下降，而外源性褪黑素补充能够有效逆转这种下降，并改善神经发生和神经炎症状况。这一结果不仅揭示了褪黑素在锰诱导神经发生障碍中的潜在作用，也为未来开发针对锰相关神经损伤的治疗策略提供了新的思路。褪黑素的神经保护作用已在多种神经系统疾病中得到验证，包括帕金森病和阿尔茨海默病。此外，褪黑素还能够促进神经元的增殖和分化，这可能与其激活MEK/ERK或PI3K/AKT信号通路有关。通过在小鼠体内进行褪黑素补充实验，研究者发现褪黑素能够显著增加海马体中DCX阳性神经前体细胞的数量，并恢复与神经发生相关的基因表达。这一结果进一步支持了褪黑素在锰神经毒性中的关键作用。

本研究的发现对于理解锰的神经毒性机制具有重要意义。首先，锰暴露对神经发生的影响具有时间依赖性和区域特异性，这提示在不同暴露条件下，神经系统的反应可能不同。其次，锰通过干扰色氨酸代谢通路，导致神经毒性代谢产物的积累，同时抑制褪黑素的合成，从而影响神经元的健康和神经发生。此外，肠道微生物群的改变可能加剧这种代谢紊乱，进一步影响大脑中的色氨酸供应。这些发现不仅揭示了锰神经毒性的潜在机制，还为开发新的治疗策略提供了理论依据。褪黑素作为色氨酸代谢的下游产物，其在锰暴露后水平的下降可能成为干预锰相关神经损伤的关键靶点。

尽管本研究取得了一定的成果，但也存在一些局限性。例如，急性锰暴露模型采用了脑内注射的方式，这虽然能够快速建立锰在大脑中的积累，但未能完全模拟实际环境中的锰暴露途径，如吸入或摄入。此外，本研究主要关注长期锰暴露后的褪黑素补充效果，而对急性暴露条件下的褪黑素作用尚未进行深入探讨。因此，未来的研究需要结合不同的暴露模型，以更全面地理解锰对神经系统的整体影响。同时，本研究在体外神经干细胞模型中未评估细胞死亡相关标记物，如Annexin V或caspase激活，这可能限制了对锰诱导细胞毒性的全面分析。因此，未来的研究可以结合更多的细胞死亡评估手段，以更深入地探讨锰暴露对神经元的破坏机制。

综上所述，本研究揭示了锰暴露对神经发生的影响及其潜在的分子机制。通过多组学分析，研究者发现锰暴露会干扰色氨酸代谢通路，导致神经毒性代谢产物的积累和褪黑素水平的下降，从而影响神经元的增殖和分化。同时，锰暴露还可能通过影响肠道微生物群的组成和功能，进一步加剧色氨酸代谢的紊乱。这些发现不仅为锰的神经毒性机制提供了新的视角，也为开发针对锰相关神经损伤的治疗策略提供了理论支持。褪黑素作为色氨酸代谢的下游产物，其在锰暴露后的恢复作用表明，通过调控色氨酸代谢通路，可能能够有效缓解锰引起的神经发生障碍和神经炎症。未来的研究需要进一步探讨褪黑素在锰暴露后的具体作用机制，并结合更多的实验模型和临床数据，以验证其作为治疗药物的潜力。