钇致大鼠认知损伤的时间反应关系与分子机制研究

The widely application of rare earth elements (REE) exacerbates environmental pollution. For REE are enriched by plants and animals, food is polluted by REE with different levels. Our monitoring and research study results indicated that yttrium is the highest abundance heavy REE in food, and cognitive function impairment is one of the sensitive endopoints. However, the mechanism of neurotoxicity（cogintive impairment）caused by REE is unclear, sensitive biomarkers and the authoritative information for risk assessment of REE are inadequacy. Our research group collect the biological specimens of newborn rats, weaning rats, adolescent/adult rat, based on the yttrium safety assessment model (neurodevelopmental toxicity supported by the National Science and Technology Support Project), high dosage group and control group are used to study the metabolic accumulation of yttrium in peripheral blood and brain, toxical effects and molecular mechanisms(including oxidative damage, calcium metabolism and signal transduction pathway). Moreover, time-effects relationship in molecular levels will be analysed. Combined with previous neurotoxicity studies (neurobiochemical, neuropathological and neurobehavioral), to understand the system toxicity mechanism of yttrium-induced cognitive impairment in rats Comprehensively, to find sensitive period of cognitive damage. provide scientific proofs for risk assessment and screening of high-risk groups, modification of standards, and rational utilization of rare earth.

稀土广泛应用致使环境污染加剧，因动植物对稀土具有富集作用，导致食品均受到不同程度污染。我们的监测和研究显示钇是食品中分布丰度最高的重稀土元素，损伤认知功能是其神经毒性敏感终点之一。当前对稀土神经毒性（认知损伤机制）研究不足，缺乏敏感标志物。本课题组在钇神经发育毒性研究(国家科技支撑项目）的基础上收集关键生命阶段的生物标本，包括新生大鼠、刚断乳大鼠和成年大鼠。选择高剂量和对照组研究钇在大鼠体内的代谢蓄积（外周血和大脑水平）、毒性效应和分子机制（从氧化损伤、钙离子稳态和信号转导通路），从分子水平揭示毒性机制，筛选出敏感的暴露标志物和效应标志物，进一步分析其它阶段的变化规律，揭示认知功能损伤的时间—反应关系；结合前期的神经毒性（生化、病理和行为学）系统分析、全面认识钇致大鼠认知损伤的毒性机制，发现认知功能损伤的敏感期。为高危人群的筛选、风险评估和相关标准的制修订奠定基础，为稀土的合理开发利用提供科学依据。

本研究按照任务书要求，以钇的神经发育毒性为基础，对钇的代谢蓄积、外周血毒性效应、神经毒性效应、海马体信号传导通路和效应分子、海马体的神经病理学和组织形态学改变进行了分析。.结果表明：.钇的神经发育毒性具有性别差异：80和320ppm组损伤雌雄大鼠对空间学习能力，雄性20ppm组大鼠空间学习记忆能力明显增强。.代谢蓄积研究表明，钇可经胃肠道吸收，但吸收率很低，并可通过血脑屏障进入大脑。.钇的神经发育毒性机制具有性别差异：.钇影响雌性子代大鼠的离子代谢。生命早期持续暴露影响大鼠的血象和氧化应激，影响大鼠乙酰胆碱酯酶活性和基因表达。.影响钙离子代谢：雌性320ppm组大鼠na k atp a1基因表达被抑制，对钙离子转运蛋白和通道关键酶均呈现为20和80ppm组抑制，320ppm代偿性促进。雄性大鼠对钙离子转运和代谢相关蛋白基因表达表现为U型曲线（即20ppm促进、80ppm促进效应消失，320ppm代偿性升高），雄性320ppm组抑制Cu-ATP酶活性。.影响大脑氧化应激：雌雄80ppm组一氧化氮水平均升高；20和80ppm组雌雄大鼠氧化还原酶活性明显增加，同时伴有生物大分子氧化损伤增加，而320ppm组酶活性和氧化损伤并不明显。.信号转导通路：分析了受体、cAMP-Creb-CBP通路、MAPK/PKAC-Nrf2分子通路、FOX3通路、细胞效应分子基因表达水平；除雌性320ppm组PKAC和BDNF基因转录水平明显降低且具有剂量反应关系外，其它基因主要表现为20和80ppm组抑制和320ppm组代偿性的促进效应；除雄性20ppm组NMDA/GABR比值明显增加随剂量的增加而降低，320ppm组cAMP升高，20ppm组促进BDNF的表达外，其它基因表达水平呈现U字形。.钇影响海马体的小干扰RNA水平并具有性别差异：雌性320ppm组miR137和miR181c转录水平明显高于对照组；雄性各剂量组miR181c均显著降低。.320ppm组胶质细胞凋亡明显增加。320ppm组部分血脑屏障不完整，胶质细胞细胞器固缩，出现髓样变性。320ppm组线粒体电子密度增加，双层膜不完整，模糊不清或断裂。320ppm组粗面内质网核糖体解聚明显，次级溶酶体致密物颗粒沉淀（在凋亡细胞多见），核膜皱缩高尔基体囊泡扩张。320ppm组兴奋性神经递质（圆形和椭圆形透亮）减少。