“口腔暴露于妊娠期PM10颗粒物对Morris水迷宫表现及海马区基因表达的长期影响”

《Enzyme and Microbial Technology》：“Long-Term Impact of Oral Gestational PM10 Exposure on Morris Water Maze Performance and Hippocampal Gene Expression”

本研究探讨了孕期PM10暴露对老年大鼠记忆的影响，采用Morris水迷宫和逆转录定量聚合酶链式反应分析，发现暴露组在复现阶段表现出认知灵活性下降，且性别对多个行为指标（如空间记忆、焦虑测试）有显著影响，同时检测到NMDA受体（Grin2c）和GABA受体（Gabra2）基因表达下调。

　　空气污染在人类健康中扮演着重要的角色，特别是在神经系统和认知功能方面。随着全球城市化和工业化的发展，空气污染问题日益严重，其中颗粒物（PM）是影响人类健康的主要污染物之一。特别是在孕期，PM暴露可能对胎儿的大脑发育产生深远影响，进而影响其成年后的行为和认知能力。本研究旨在探讨孕期口服PM10暴露对年老大鼠记忆功能的长期影响，以及其对基因表达的潜在影响，特别是在海马体区域。研究结果不仅有助于理解空气污染对神经发育的潜在影响，也为未来研究提供了重要的数据支持。

### 一、研究背景与意义

空气污染对健康的影响早已被广泛研究，其与多种疾病如肺癌、肝癌、中风、阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）以及其他神经退行性疾病（NDDs）之间存在显著关联。世界卫生组织（WHO）早在2014年就警告称，空气污染每天导致约七百万例过早死亡。美国环境保护署（EPA）则建议使用空气质量指数（AQI）来评估户外活动是否适宜。AQI的计算涉及多种污染物的浓度，包括PM、第二有机气溶胶、多环芳烃、柴油废气等。其中，PM根据颗粒大小分为粗颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）和超细颗粒物（PM0.1）。这些颗粒物的来源主要是工业活动和人类活动的结合。

PM对中枢神经系统（CNS）的影响取决于多种因素，包括颗粒物的大小和暴露时间。研究发现，较小的颗粒物更容易通过鼻腔进入大脑，引发炎症反应和氧化应激，从而影响CNS细胞的功能。而暴露时间的长短也对PM的影响产生不同效果，特别是在胎儿大脑发育的关键期，PM可能对神经系统的发育产生更大的风险。尽管已有研究指出PM暴露可能与神经炎症、氧化应激和神经递质分泌障碍相关，但目前对PM对孕期大脑影响的研究仍存在分歧。

此外，神经发育障碍和神经退行性疾病之间存在一些相似之处，例如脑血流改变、血脑屏障完整性受损和血管生成障碍等。神经退行性疾病通常表现为认知、语言、行为和运动功能的损害。例如，阿尔茨海默病患者可能会出现焦虑、攻击行为、徘徊、冷漠、社交退缩、睡眠障碍等症状，而最严重的影响则是学习和记忆功能的退化，尤其是短期和长期记忆。因此，PM对神经系统的潜在影响引起了科学家的广泛关注。

在这一背景下，研究者发现PM污染与儿童学习和记忆能力下降有关，甚至与工作记忆能力降低相关。此外，针对老年人的研究也表明，PM2.5暴露可能与记忆能力下降、语言技能受损和执行功能退化有关。值得注意的是，大多数研究集中在PM2.5对青少年或年轻大鼠的影响，而关于孕期PM暴露对老年大鼠记忆能力影响的研究却相对较少。因此，本研究选择了PM10作为研究对象，探索其在孕期对大鼠记忆功能的潜在影响。

### 二、研究方法与实验设计

本研究采用了一系列实验方法，包括行为测试和基因表达分析。实验对象为11只3个月大的雌性Wistar大鼠，分为PM10暴露组和对照组。所有大鼠在孕期第1天（GD1）至第21天（GD21）期间接受PM10暴露，剂量为200 μg/kg/day，以模拟人类暴露水平。该剂量基于TecNAtox组的研究结果，并考虑了安全边际以确保与人类暴露条件的可比性。

在实验过程中，大鼠被分为四个组：PBS-雄性、PBS-雌性、PM-雄性、PM-雌性。每组大鼠的数量分别为12、7、13、11只。所有大鼠在出生后第1天（PND1）被分组，并在出生后第16天（PND16）进行神经运动测试，包括抓握能力、附着能力（adherence）和攀爬能力。这些测试用于评估PM暴露对神经发育的潜在影响。

随后，所有大鼠在出生后第15个月（PNM15）进行莫里斯水迷宫（MWM）测试，以评估其空间学习和记忆能力。MWM测试包括学习阶段、探查阶段（probe phase）、重新学习阶段（reinstatement phase）、反转学习阶段（reversal learning phase）、视觉线索阶段和工作记忆阶段。测试过程中，大鼠被放置在一个黑池中，需要找到隐藏的平台。如果大鼠未能在90秒内找到平台，则会被放置在平台上。每只大鼠在测试过程中停留15秒，然后被移出池中，进行下一个测试。整个测试过程采用OBS Studio和Ethovision软件进行记录和分析。

在完成MWM测试后，所有大鼠被安乐死，海马体组织被收集并进行基因表达分析。基因表达分析采用逆转录定量聚合酶链反应（RT-qPCR）方法，通过分析海马体中的特定基因，评估PM暴露对基因表达的影响。主要分析的基因包括NMDA受体亚基、GABA受体亚基、氧化应激相关基因和炎症相关基因。

### 三、实验结果与分析

#### 1. 体重发展

研究发现，PM暴露对大鼠体重发展没有显著影响。无论是出生体重、哺乳期体重增长还是成年后体重变化，均未发现暴露组与对照组之间的差异。然而，性别差异在体重发展方面表现明显，雄性大鼠在成年后体重显著高于雌性大鼠。这表明PM暴露可能对体重发展没有直接影响，但性别在体重变化中起着重要作用。

#### 2. 神经运动能力

在神经运动测试中，PM暴露组在附着测试中表现较差，而其他测试（如抓握能力和攀爬能力）未发现显著差异。附着测试的结果表明，PM暴露可能对大鼠的附着能力产生一定影响，但这种影响较为轻微，未达到显著水平。此外，所有大鼠在MWM测试中的表现均未受到PM暴露的显著影响，但PM暴露组在测试阶段表现出更快的平台到达时间，这可能表明其存在某种类似于强迫行为的特征。

#### 3. 基因表达变化

基因表达分析显示，PM暴露对海马体中的某些基因表达产生了影响。具体来说，NMDA受体亚基（Grin1a和Grin2c）的表达被显著下调，而GABA受体亚基（Gabra2）的表达被上调。这些变化在性别之间也存在差异，表明PM暴露可能对雄性和雌性大鼠的海马体基因表达产生不同的影响。此外，某些与氧化应激相关的基因（如Pon2）的表达也受到PM暴露的影响，但影响程度相对较低。

#### 4. 行为表现与基因表达的关联

尽管PM暴露对基因表达产生了一定的影响，但这些变化并未与行为表现（如MWM测试中的平台到达时间）形成显著的关联。这表明，PM暴露可能通过其他机制影响大鼠的记忆功能，而不仅仅是基因表达的改变。此外，研究还发现，PM暴露对某些行为表现（如附着能力）的影响在性别之间存在差异，雄性大鼠在附着测试中表现更差，而雌性大鼠在其他测试中表现更为稳定。

#### 5. 长期影响

研究发现，PM暴露对大鼠的长期记忆功能可能产生一定的影响。在MWM测试的测试阶段（S9），PM暴露组的大鼠表现出更快的平台到达时间，这可能表明其存在某种记忆适应性。然而，在反转学习阶段（reversal learning phase）中，PM暴露组的表现与对照组无显著差异，这表明PM暴露可能对某些特定类型的记忆功能产生影响，但对整体认知灵活性的影响有限。

### 四、讨论与结论

本研究的主要发现是，孕期PM10暴露对大鼠的体重发展和神经运动能力没有显著影响，但在某些基因表达方面产生了变化。特别是NMDA受体亚基和GABA受体亚基的表达变化可能与PM暴露相关，而这些变化在性别之间也存在差异。尽管PM暴露对某些行为表现（如附着能力）产生了轻微影响，但总体而言，其对记忆功能的影响并不显著。

研究还发现，PM暴露对大鼠的记忆功能可能产生一定的长期影响。在MWM测试的测试阶段，PM暴露组的大鼠表现出更快的平台到达时间，这可能表明其存在某种记忆适应性。然而，在反转学习阶段，PM暴露组的表现与对照组无显著差异，这表明PM暴露可能对某些特定类型的记忆功能产生影响，但对整体认知灵活性的影响有限。

此外，研究还发现，PM暴露对大鼠的基因表达和行为表现之间没有显著的关联。这表明PM暴露可能通过其他机制影响大鼠的记忆功能，而不仅仅是基因表达的变化。同时，研究也指出，性别在PM暴露的影响中起着重要作用，雄性大鼠在某些测试中表现更差，而雌性大鼠在其他测试中表现更为稳定。

综上所述，本研究支持了孕期PM暴露对年老大鼠记忆功能的影响有限，但其对某些基因表达和行为表现的影响仍需进一步研究。此外，性别在PM暴露的影响中起着重要作用，这可能与激素水平、基因表达差异和大脑发育模式有关。未来的研究应进一步探讨PM暴露对不同年龄段大鼠记忆功能的影响，以及其对其他神经系统的潜在影响。同时，还需要考虑PM暴露的剂量、暴露时间和暴露途径等因素，以更全面地理解其对神经发育和认知功能的影响。