综述：通过鼻内钒暴露建立啮齿动物嗅觉功能障碍模型

《Animals》：Modelling Olfactory Dysfunction in Rodents Through Intranasal Vanadium Exposure

　　

嗅觉功能障碍日益被认为是接触环境毒物的重要后果，这是因为嗅觉系统的解剖和功能特征使得吸入性毒物能够通过嗅觉通路到达中枢神经系统（CNS）。实验啮齿动物模型为在受控条件下研究毒物诱导的嗅觉损伤机制提供了有价值的工具。特别是，鼻内钒暴露已成为一种相关的实验方法，因为它重现了与环境相关的暴露途径，同时在整个嗅觉系统中诱发病理变化。本综述整合了来自鼻内钒暴露的啮齿动物实验模型的当前知识，涵盖嗅觉系统的解剖学和生理学、鼻内给药策略、钒诱导损伤的细胞和分子机制，以及相关的组织病理学、生化、行为和功能改变。钒诱导的损伤以氧化应激、线粒体功能障碍、神经炎症、细胞内信号通路失调和神经元变性为特征，导致整个嗅觉通路的结构和功能改变。最后，本综述指出了目前关于毒性损伤后嗅觉上皮再生和功能恢复的知识空白，并强调了未来研究的优先事项，以改进环境诱导嗅觉功能障碍的实验模型。

1. 引言

嗅觉系统对啮齿类动物的生存和行为至关重要，其通过检测和分辨环境化学信号参与食物获取、捕食者回避、繁殖行为和社会交流。与其他感觉系统不同，嗅觉系统在直接接触外部环境的同时，通过嗅球（olfactory bulb, OB）与中枢神经系统（CNS）保持解剖联系。这种特殊结构使吸入性环境污染物能够经嗅觉通路进入大脑，并部分绕过血脑屏障。嗅觉上皮（olfactory epithelium, OE）作为吸入性异物与神经系统之间的主要界面，因持续暴露于空气污染物且具有再生能力，成为研究吸入性毒物神经生物学后果的重要实验模型。啮齿动物的嗅觉系统已得到充分表征，其OE中包含与人类相似的主要细胞群，且依靠嗅觉进行关键生存行为，因此被广泛用于嗅觉毒理学和再生研究。钒作为一种广泛存在的环境神经毒物，经吸入暴露后可在嗅觉系统内蓄积并诱导损伤，因此鼻内钒暴露已成为模拟环境相关暴露途径和嗅觉功能障碍的有效实验手段。

2. 方法

本综述为叙述性综述，检索了PubMed、Scopus和Web of Science数据库（2024年11月至2026年1月），使用与嗅觉系统、钒暴露、鼻内给药、神经毒性和实验啮齿动物模型相关的术语组合。优先纳入经吸入或鼻内给予钒的大鼠和小鼠实验研究，重点关注嗅觉系统的结构、分子和功能改变。其他给药途径的研究仅在为鼻内暴露模型的发现提供补充证据时纳入。

3. 嗅觉系统的解剖与生理学

嗅觉系统由外周和中枢成分组成。外周部分位于鼻腔内，包括嗅觉上皮、犁鼻器、隔器官和格吕内贝格神经节等结构。OE是特化的假复层柱状神经上皮，主要由嗅觉感觉神经元（olfactory sensory neurons, OSNs）、支持细胞、微绒毛细胞以及水平基底细胞（HBCs）和球状基底细胞（GBCs）组成。OSNs为双极神经元，其树突末端延伸至上皮表面形成嗅小泡，并发出非运动性纤毛伸入黏液层，气味受体即表达于纤毛上。OSNs的轴突穿过基板，集合成嗅神经束，经筛板投射至OB的肾小球。支持细胞对于维持OE的结构和功能完整至关重要，具有离子和代谢调节、黏液层维护、异生物质代谢和抗氧化防御功能。基底细胞作为祖细胞负责OE的终身神经元更新，其中GBCs持续产生新OSNs，HBCs在损伤后激活。OE通过OSN轴突与OB形成直接解剖联系，OB呈层状结构，包括嗅神经层（ONL）、肾小球层（GL）、外丛状层（EPL）、僧帽细胞层（MCL）、内丛状层（IPL）、颗粒细胞层（GCL）和室管膜下层（SEL）。表达相同气味受体的OSN轴突汇聚至特定肾小球，形成气味拓扑图。在肾小球内，OSN与僧帽细胞和簇状细胞形成兴奋性突触，并接受球周细胞等中间神经元的调节。僧帽细胞和簇状细胞的轴突构成外侧嗅束，将嗅觉信息投射至前嗅核、梨状皮层、嗅结节、杏仁核复合体和内嗅皮层等前脑区域，进而影响情绪、记忆和自主神经功能。这些解剖特点使嗅觉系统对吸入性环境毒物高度敏感。

4. 鼻内给药：方法、优点与局限性

4.1 鼻-脑转运机制

鼻内给予的化合物到达CNS可通过间接全身途径和直接鼻-脑途径。间接途径涉及经呼吸上皮吸收后进入体循环，部分化合物可穿越血脑屏障。直接途径则由嗅觉和三叉神经通路介导，包括细胞内轴突转运以及经神经周围和血管周围通道的细胞外扩散。这些通路的相对贡献取决于化合物的理化性质、制剂特性和给药技术，其中给药技术决定了鼻内沉积部位，从而影响化合物到达嗅觉区的程度。

4.2 鼻内给药方法：吸入与滴注

吸入暴露使气溶胶经自然呼吸进入鼻腔，可模拟环境和职业暴露，但颗粒物沉积受粒径和气流动力学影响，难以实现嗅觉区选择性暴露，且存在肺沉积和环境污染风险。鼻内滴注是直接向鼻腔内给予定容溶液，操作简便且剂量可控，适合嗅觉功能障碍和鼻-脑转运研究，但常规滴注方案靶向嗅觉区的效率有限，实际到达靶组织的剂量可能与名义剂量存在显著差异。未来可探索人工吸入技术，通过实验控制鼻气流以提高暴露的重复性。

4.3 鼻内滴注技术

主要的滴注技术包括滴鼻法、微量移液器尖端法和导管辅助法。滴鼻法将溶液滴于鼻孔入口，主要沉积于前庭区和呼吸区，嗅觉区递送有限。微量移液器尖端法可插入鼻腔数毫米，增加沉积深度，但空间分布仍不均匀。导管法允许直接向嗅觉区给药，是目前啮齿动物中嗅觉区沉积最稳定的技术，但需要麻醉和熟练操作。选择何种技术应基于实验目的，平衡简便性和靶向准确性；目前尚无方法能实现仅局限于OE的选择性递送。

4.4 鼻内给药的生物限制

鼻内递送效率受黏液纤毛清除、局部代谢酶、化合物分子量和脂溶性等因素影响。此外，物种间嗅觉上皮面积存在差异，例如大鼠OE约占鼻腔面积的50%，远大于灵长类，这影响鼻内沉积模式和鼻-脑转运效率，限制动物模型结果向人类直接外推。

5. 嗅觉功能障碍

嗅觉功能障碍包括定量和定性损害，定量障碍为嗅觉减退（hyposmia）和嗅觉丧失（anosmia），定性障碍为嗅觉倒错（parosmia）和幻嗅（phantosmia）。环境毒物可诱导OE变性、OSN丢失、神经再生受损以及OB的继发病理改变，并伴随气味引导行为的缺陷。钒在嗅觉通路中蓄积，可诱导进行性结构和功能改变，其机制涉及氧化应激、神经炎症、线粒体功能障碍和凋亡等。

5.1 钒诱导嗅觉功能障碍的机制

钒的毒性源于其氧化还原活性及与磷酸盐的结构相似性。吸入的五价钒酸盐（V⁵⁺）在细胞内被还原为四价钒酰（V⁴⁺），两者之间持续的氧化还原循环导致活性氧（reactive oxygen species, ROS）产生，包括超氧阴离子（O₂^•?）、过氧化氢（H₂O₂）和羟自由基（•OH）。钒还可破坏铁稳态，通过芬顿样反应增加ROS。另一方面，钒酸盐作为磷酸盐类似物，可抑制蛋白质酪氨酸磷酸酶（PTPs）和三磷酸腺苷（ATP）酶等，破坏磷酸化依赖性信号通路，导致细胞应激和炎症。

5.1.1 嗅觉上皮中的细胞和分子机制

OE是吸入钒后最先接触的组织。氧化应激损伤OSNs和支持细胞，损伤相关分子模式（DAMPs）激活固有免疫，驱动炎症反应并促进组织修复。持续氧化损伤可使HBCs由神经再生表型转向免疫防御表型，损害神经元分化，导致上皮再生受阻。组织病理学证据显示，鼻内钒暴露可诱导OE凝固性坏死、支持细胞空泡化、组织细胞浸润和OSN密度显著降低。自然暴露于城市空气污染的犬中亦观察到OSNs和支持细胞变性、上皮变薄，并伴有金属硫蛋白I–II上调，代表适应性的细胞保护反应。损伤后增殖细胞核抗原（PCNA）阳性细胞增加，提示基底细胞驱动的再生反应被激活，但持续损伤时该反应可能不足以维持上皮完整。

5.1.2 嗅球中的细胞和分子机制

鼻内钒暴露可诱导OB内神经元变性、肾小球和嗅神经层结构破坏、僧帽细胞密度下降、树突棘密度降低及髓鞘解离。其机制涉及线粒体膜脂质过氧化、细胞色素c释放和caspase-9/caspase-3级联激活，蛋白激酶Cδ（PKCδ）被caspase-3切割后产生催化片段，放大凋亡信号。钒还可通过抑制PTPs使MAPK和NF-κB通路持续活化，诱导COX-2表达及促炎细胞因子产生，导致反应性星形胶质细胞增生（GFAP表达增加）。此外，基质金属蛋白酶-9（MMP-9）上调可能参与细胞外基质重塑和髓鞘蛋白降解。在神经化学水平，酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxylase, TH）表达、多巴胺（dopamine, DA）及其代谢物3,4-二羟基苯乙酸（DOPAC）水平下降，提示多巴胺能神经传递受损，这可能与感觉传入剥夺和多巴胺能中间神经元损伤共同有关。

6. 嗅觉功能障碍的功能评估

行为学评估用于确定组织损伤是否产生可检测的嗅觉功能缺陷。埋藏食物测试（buried food test, BFT）通过测量禁食动物发现隐蔽食物的潜伏期来评估嗅觉检测能力，但受运动、动机和食欲影响。社交气味探究测试测量动物对具有社会意义的气味的探究时间，反映嗅觉处理能力。习惯化/交叉习惯化测试则利用自发的探索行为评估气味辨别能力，重复暴露相同气味导致探究减少，新气味则恢复探究；该测试无需禁食或训练，可同时评估检测和辨别功能。这些行为学方法应相互补充，以全面表征钒诱导的嗅觉功能障碍。

7. 鼻内钒暴露的啮齿动物实验模型

现有实验模型可分为四类。吸入模型使动物长期暴露于含钒气溶胶，最贴近环境暴露，但OE沉积量难以精确控制。鼻内滴注模型可精确控制剂量并保证可溶性钒化合物直接递送至嗅黏膜，用于表征OE和OB的结构、神经化学和行为改变，适合机制和剂量-反应研究。共暴露模型将钒与其他空气污染物（如锰）联合给予，以模拟复杂暴露场景，但难以分离钒的独立贡献。神经保护化合物模型通过联合给予潜在保护剂（如肌肽）评估疗效，肌肽已被证明可减轻脂质过氧化、保护树突棘密度、减少神经元变性并改善嗅觉行为。整体来看，现有研究多为单一终点评估，未来需要整合结构、分子和功能分析。

8. 结论与未来展望

现有证据表明，经鼻钒暴露可诱导嗅觉通路的结构、神经化学和功能改变，包括OE变性、OB组织结构破坏、多巴胺能功能障碍、星形胶质细胞增生和行为缺陷。然而，关于钒损伤后嗅觉系统内在再生能力的研究仍不足，尤其是OE中OSN增殖、分化和功能整合的变化尚不清楚。此外，目前鲜有在同一模型中同时评估结构改变、分子改变和嗅觉功能的研究，因此外周嗅上皮损伤与中枢嗅觉改变之间的时间关系有待澄清。治疗性干预研究仍然有限，尽管肌肽显示出神经保护潜力。未来应优先发展整合性实验模型，联合病理学、分子和功能评估，并探索既能减轻损伤又能增强内源性再生、促进神经修复和重建回路从而恢复嗅觉功能的策略，以提高环境毒物所致嗅觉功能障碍模型的转化价值。