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文章詳情
砷長期暴露下對胰島素耐受性依賴型憂郁癥動物**模式之影響暨相關(guān)分子機制探討（高架十字迷宮應(yīng)用）
日期：2025-04-30 19:36
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摘要：
南臺科技大學
砷長期暴露下對胰島素耐受性依賴型憂郁癥動物**模式之影響暨相關(guān)分子機制探討
砷長期暴露下對胰島素耐受性依賴型憂郁癥動物**模式之影響暨相關(guān)分子機制探討（高架十字迷宮應(yīng)用）
摘要
根據(jù)世界衛(wèi)生組織(World Health Organization; WHO)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，目前全世界約有百分之三的人口罹患憂郁癥(depression)，而各種**所引起的負荷或失能中，精神**是*重要的因素，在公元1999年精神**已高達各種**或傷害所造成失能生命人年(Disability Adjusted Life Years, DALYs)的百分之十一點五，且預(yù)估到了公元2020年，將上升至百分之十五，其中又以憂郁癥占百分之三十六點五*多，因此世界衛(wèi)生組織將憂郁癥、癌癥以及艾滋病并列為二十一世紀的三大**及衛(wèi)教預(yù)防重點工作。
砷是存在于自然界地表土壤及地下水中的元素。人類暴露砷化合物的途徑主要來自于職業(yè)暴露的工人以及來自于環(huán)境的暴露。過量的砷化合物暴露會造成的健康效應(yīng)有許多方面，包括癌癥（如皮膚癌、膀胱癌、肝癌及腎臟癌等）、皮膚**、神經(jīng)**、血管**（包括周邊血管，心血管**等）。三氧化二砷所引發(fā)的毒性為氧化壓力的產(chǎn)生，也包括反應(yīng)性氧族的形成、脂質(zhì)過氧化的增加，臺灣西南沿海地區(qū)地下井水的砷含量很高，根據(jù)文獻有超過50萬人口曾暴露在此環(huán)境中而出現(xiàn)一獨特的周邊血管**—烏腳病。在先前的研究指出烏腳病流行區(qū)的心血管**的死亡率及盛行率均有增高的現(xiàn)象，相關(guān)研究亦指出累積砷暴露量與缺血性心臟病、高血壓等**有關(guān)，但與憂郁癥相關(guān)之研究極少。
本研究為探討砷暴露對憂郁癥動物模式之影響，砷暴露容易導致動脈硬化使胰島素耐受性異常，形成的高胰島素血癥亦可引起脂質(zhì)代謝異常，本研究利用動物實驗長期喂食三氧化二砷，并觀察相關(guān)生化值，如血中胰島素濃度、三酸甘油酯(TG)、總膽固醇(Cholesterol)、高密度脂蛋白(HDL)及低密度脂蛋白(LDL)在血液中的含量變化，并在犧牲小鼠后，取肝臟、腦部、腎臟以及脂肪藉由高效液相層析儀定量出5-HT及單胺類神經(jīng)傳導物質(zhì)表現(xiàn)量，并透過腎臟、肝臟及腦部的組織切片方式，觀察其結(jié)構(gòu)的完整和細胞的叢集情形，探討胰島素阻抗導致憂郁癥之相關(guān)機制。關(guān)鍵詞：砷、胰島素耐受性、憂郁癥、5-HT
砷長期暴露下對胰島素耐受性依賴型憂郁癥動物**模式之影響暨相關(guān)分子機制探討（高架十字迷宮應(yīng)用）
砷長期暴露下對胰島素耐受性依賴型憂郁癥動物**模式之影響暨相關(guān)分子機制探討（高架十字迷宮應(yīng)用）
**章研究動機與目的
砷（arsenic）是地殼（earth crust）的組成分之一，原子序33，分子量74.92，含量占所有元素的**十位，外觀看來成灰色，易碎，成結(jié)晶狀，在空氣中易失去光澤。常與氧、氯及硫形成無機化合物，廣泛存于空氣，水及土壤中，也會與碳或氫形成有機砷化物，常見于植物或攝食無機砷化物的微生物內(nèi)。一般而言，無機砷毒性高于有機砷，除了廣泛存于自然界外，砷也普遍應(yīng)用于工業(yè)、制造業(yè)、木材加工、農(nóng)業(yè)、半導體制造及醫(yī)藥上，成為常見的環(huán)境污染物；人類可經(jīng)由飲用或攝取含砷井水、農(nóng)產(chǎn)品、醫(yī)療行為或工商業(yè)行為所造成的砷污染物，而受到砷暴露所帶來的傷害。砷長期暴露下對胰島素耐受性依賴型憂郁癥動物**模式之影響暨相關(guān)分子機制探討（高架十字迷宮應(yīng)用）
有關(guān)慢性砷暴露引起中毒的研究，可以分成兩大部分：**部分分為職業(yè)性暴露，包括采礦業(yè)、冶煉業(yè)及農(nóng)藥使用者，**部分則為環(huán)境暴露，主要為飲水暴露。砷長期暴露下對胰島素耐受性依賴型憂郁癥動物**模式之影響暨相關(guān)分子機制探討（高架十字迷宮應(yīng)用）
當人體受到急性砷暴露中毒時，會引起腹瀉、嘔吐及肝和腎臟毒性。如接觸至Arsine(AsH3)氣體可引起溶血，嚴重時會產(chǎn)生急性腎管狀細胞壞死，*后導致腎衰竭。然受到慢性砷暴露中毒的癥狀較不明顯，一般發(fā)生癥狀如普通感冒，有體弱、**、昏睡等癥狀發(fā)生。長期暴露時，則皮膚上會有黑色素沈積、發(fā)生皮膚炎、角質(zhì)化、脫毛等病變出現(xiàn)。一些研究指出慢性砷中毒可導致腎臟病變及骨髓受損。長期受到砷暴露，嚴重會導致癌癥，如肺癌、皮膚癌、肝癌、膀胱癌、腎癌等，及心血管、末梢血管病變發(fā)生。
在臺灣，近年來半導體產(chǎn)業(yè)，成為當今*閃亮的明星產(chǎn)業(yè)。這兩年，光電半導體產(chǎn)業(yè)也急速地崛起加入生產(chǎn)行列，顯示這一波電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展脈動仍持續(xù)蓬勃發(fā)展中，然這兩種產(chǎn)業(yè)于制程中均會使用砷元素與砷化合物作為原料，對于作業(yè)中之人員受到砷暴露的危害，也就令人需特別關(guān)心了。先前研究指出，于晶圓廠中從事離子植入機臺維修保養(yǎng)作業(yè)工程人員，在打開機臺進行維修保養(yǎng)時，可能會遭受到砷暴露的危害，因此該維修保養(yǎng)的過程，是項潛在危害的作業(yè)。該研究亦指出人員的尿液中之總無機砷代謝產(chǎn)物濃度隨著工作后的時間而有上升的趨勢。經(jīng)檢測從事離子植入機之維修工程師于維修后之尿中總砷代謝產(chǎn)物濃度為12.8~46.8μg/L(以肌酸酐濃度校正后之尿中總無機砷代謝物濃度為3.6~67.2μg/g creatinine)，證明維修保養(yǎng)工程人員有受到相當砷含量的暴露。
來自于環(huán)境的無機砷暴露則主要來自于飲水，由于砷是存在于地表自然界的元素，其天然形成的無機砷就很容易污染了地表的水源，包括井水。人類為了取得較干凈的飲水以免罹患腸胃道**就會挖井以取得較「干凈」的飲水。如果居民飲用井水遭到砷的污染，就有慢性砷暴露而中毒的機會。這種因飲水而造成慢性砷中毒的現(xiàn)象在臺灣、孟加拉國、智利、匈牙利及日本等國家均出現(xiàn)過。在眾多死亡率的研究中，慢性飲水砷中毒在肺癌、腎臟癌、膀胱癌或泌尿系統(tǒng)癌癥的標準化死亡比率，在智利、日本、臺灣及孟加拉國)的研究中均有較高的趨勢，而皮膚癌在智利、臺灣、孟加拉國的研究中有較高的現(xiàn)象。另外，蔡氏等)在臺灣烏腳病流行區(qū)的研究中更發(fā)現(xiàn)除了上述癌癥之外，該地區(qū)民眾尚有許多癌癥均存在有較高的標準化死亡比率，如肝癌、喉癌、胃癌、大腸癌及**癌等。以上這些研究均是針對飲水高砷暴露（>50μg/l）的研究。而在較低砷暴露濃度的研究中，Buchet等人發(fā)現(xiàn)在每天吸收無機砷>35μg/day即會增加肺癌死亡率，陳氏等人的研究也顯示即使每天使用符合50μg/l的飲水標準仍會有出現(xiàn)罹患癌癥的風險。慢性砷暴露造**體*重要的健康效應(yīng)在于其會造**體癌癥的產(chǎn)生在職業(yè)暴露方面，作業(yè)勞工會有的砷暴露，主要來自于冶煉業(yè)過程中吸入所產(chǎn)生的含砷蒸汽而產(chǎn)生肺癌。而一般大眾的砷暴露則來自于環(huán)境暴露，尤其是來自于飲水中無機砷的暴露。居民長期飲用含無機砷的水源在眾多流行病學調(diào)查中顯示會造成多種癌癥的發(fā)生包括皮膚癌、肺癌、膀胱癌、腎臟癌、肝癌以及**癌，而且有些具有劑量效應(yīng)關(guān)系。
由以上眾多流行病學的研究顯示砷暴露會引發(fā)皮膚癌，肺癌，膀胱癌，腎臟癌，肝癌以及**癌的發(fā)生IARC在1987年即已將砷列為group 1A即人類確定致癌物。砷長期暴露下對胰島素耐受性依賴型憂郁癥動物**模式之影響暨相關(guān)分子機制探討（高架十字迷宮應(yīng)用）
在腦中風和有關(guān)砷中毒方面的研究，根據(jù)兩篇分別在臺灣烏腳病流行區(qū)及宜蘭地區(qū)以問卷方式所進行的探討腦中風病人與含砷飲用水暴露量之關(guān)系的研究結(jié)果顯示，在宜蘭地區(qū)長期使用含砷井水的居民具有較高的腦中風盛行率，而在烏腳病流行區(qū)之居民腦中風死亡率的研究中顯示并無增加的現(xiàn)象，但該地區(qū)的腦中風同樣有較高的盛行率。在心血管**的研究方面，該地區(qū)居民長期的井水砷暴露，無論在心血管**的盛行率及死亡率均有增加的現(xiàn)象，并且無機砷暴露和頸動脈內(nèi)膜中腔間的肥厚度(intima-media thickness, IMT)具有良好的相關(guān)性存在著劑量效應(yīng)關(guān)系。由此可知無機砷中毒和脂質(zhì)代謝異常具有顯著的相關(guān)性。
近年來，許多研究也提出，脂肪酸組成的異?？赡苁且饝n郁癥的原因之一，脂肪酸可與甘油以及其它成分如：膽堿(choline)、肌醇(inositol)等物質(zhì)結(jié)合構(gòu)成磷脂質(zhì)，儲存于組織中。磷脂質(zhì)是腦部所有細胞膜結(jié)構(gòu)的主要組成份，當細胞膜磷脂質(zhì)組成改變，可能會造成細胞膜微黏滯性或神經(jīng)傳導系統(tǒng)的改變，如血清素及(nor)adrenaline，此兩種物質(zhì)已被認為與憂郁癥的精神病理機制有關(guān)。另外，Fehily等人、Ellis 及Sanders也發(fā)現(xiàn)，憂郁癥患者血漿磷脂質(zhì)組成與正常組比較有顯著差異。由此推測，磷脂質(zhì)脂肪酸組成改變在憂郁癥的精神病理學扮演重要角色。
脂肪異常，包括三酸甘油脂與LDL-C的偏高，以及HDL-C的偏低。在流行病學的調(diào)查研究中可以發(fā)現(xiàn)，在對沒有糖尿病的健康族群所進行的橫斷研究中，胰島素濃度與肥胖的確和脂肪代謝異常有關(guān)；也有研究發(fā)現(xiàn)，三酸甘油脂過高的患者體內(nèi)，游離脂肪酸與胰島素濃度都會比三酸甘油脂正常者來的高。而在追蹤性研究中，肥胖與胰島素對于后來的脂肪異常的發(fā)生具有預(yù)測力。此外，基線胰島素預(yù)測八年后三酸甘油脂的上升與HDL-C 的下降，以及體重減輕可以改善三酸甘油脂過高和HDL-C過低狀況，都證明體內(nèi)胰島素上升與肥胖對血脂異常所會造成的影響。
砷長期暴露下對胰島素耐受性依賴型憂郁癥動物**模式之影響暨相關(guān)分子機制探討（高架十字迷宮應(yīng)用）
游離脂肪酸影響細胞的胰島素敏感性的機制可能有二。一是游離脂肪酸和葡萄糖對于細胞而言都是能量分子，皆可轉(zhuǎn)化成乙酰輔脢甲(acetyl CoA)再進一步轉(zhuǎn)換出能量，因此二者間存在著競爭關(guān)系。當體內(nèi)充滿大量的游離脂肪酸與葡萄糖時，由于葡萄糖代謝的糖解反應(yīng)(glycolysis)會因為細胞內(nèi)的acetyl CoA或中間產(chǎn)物—檸檬酸(citrate) — 的增加而受到負回饋，因此*后細胞所利用的acetyl CoA主要來自游離脂肪酸，進而影響到葡萄糖的正常代謝；前述肝細胞會因游離脂肪酸而增加糖質(zhì)新生，亦是因為糖解反應(yīng)受到抑制所致。除此之外，在正常狀態(tài)下，肌肉與脂肪組織會受胰島素的調(diào)控而增加細胞膜上的葡萄糖運輸?shù)鞍?/span>(glucose transporter 4)；但當游離脂肪酸升高，一方面可能會影響該蛋白的基因表現(xiàn)，另一方面降低胰島素受器后的訊號傳遞，因此會降低糖類代謝率，造成胰島素抗性的現(xiàn)象。
理論上，在胰島素抗性的狀態(tài)下，在脂肪組織進行脂肪分解以及外圍組織無法有效地代謝脂肪酸之下，肝臟增加其對游離脂肪酸的吸收，進而當肝臟將游離脂肪酸轉(zhuǎn)化為三酸甘油脂之后，以VLDL-triglyceride再送到血流中，因此VLDL-triglyceride量升高，此時VLDL上的apoC-III蛋白亦會增加。外圍脂蛋白脂肪酵素(lipoprotein lipase)的活性會受到apo C-III蛋白的干擾而降低，同時apo C-III蛋白亦會干擾肝臟對VLDL的回收，使得來自肝臟的VLDL-triglyceride 在無法被有效利用或移除而逐漸于血液中累積。又因為VLDL12 triglyceride的濃度上升，因此VLDL-triglyceride 和LDL/HDL之間藉由膽固醇脂轉(zhuǎn)移蛋白(cholesterol easter transferprotein)所進行的三酸甘油脂與膽固醇交換反應(yīng)會增加，導致HDL-C所攜帶的膽固醇下降。加上胰島素抗性狀態(tài)下，肝臟脂肪脢的活性加強，加速肝臟對HDL-C的移除。砷長期暴露下對胰島素耐受性依賴型憂郁癥動物**模式之影響暨相關(guān)分子機制探討（高架十字迷宮應(yīng)用）
血清素(Serotonin, 5-Hydroxytryptamine,5-HT)于1948年Rapport等人由血液**分離出來，并之后證實存在于**神經(jīng)系統(tǒng)。血清素廣泛存在于自然界動植物中，包括脊椎動物、水果、堅果類及毒蛇的毒液，血清素可以自然型態(tài)存在，并且有刺激**神經(jīng)及周圍神經(jīng)系統(tǒng)之活性。血清素除了可以從一般飲食中攝取，人體體內(nèi)也能藉攝取飲食用色胺酸 (dietary tryptophan)從腸胃道吸收，然后和大型中性胺基酸 (large neutral amino acids (LNAAs): tyrosine, valine, leucine, isoleucine, phenylalanine)競爭進入**神經(jīng)系統(tǒng)的途徑，進入后經(jīng)由色胺酸氫化脢(tryptophan hydroxylase) 形成5-氫化色胺酸 (5-hydroxy- tryptophan)，再經(jīng)由芳香族胺基酸去碳酵素 (AAAD: aromatic amino acid decarboxylase)而產(chǎn)生內(nèi)生性血清素。血清素在體內(nèi)會被單胺氧化酶(monoamine oxidase)和醛脫氫酶(aldehyde dehydrogenase)很快代謝為5-hydroxy-indoleacetic acid (5-HIAA).
血清素是一種神經(jīng)細胞之間相互通信的化學傳導物質(zhì)，目前認為它與許多病癥的病因及**有關(guān)，尤其是關(guān)于**神經(jīng)系統(tǒng)，像控制疼痛、抑制食欲、焦慮感、驚恐感、興奮感、及睡眠習慣等情緒和記憶與學習等行為、體溫調(diào)節(jié)、心血管功能、肌肉收縮、*****調(diào)節(jié)等。在神經(jīng)系統(tǒng)中，以serotonin作為神經(jīng)傳遞物的神經(jīng)元，主要調(diào)控的生理功能和運動活性、睡眠-覺醒-警覺回路(sleep-awake-alert circuit)、感覺神經(jīng)訊息傳入、進食等動物行為相關(guān)。且serotonin神經(jīng)元對其他神經(jīng)元活性的調(diào)控是有穩(wěn)定的作用。
長期服用抗憂郁劑會降低血清素和正腎上腺素接受體的功能與表現(xiàn)，但會活化環(huán)狀磷酸腺苷（cyclicAMP）訊息傳導路徑，包括：增加PKA和轉(zhuǎn)錄因子CREB（cAMP response element-bindingprotein）的濃度。單胺接受體活化后導致Ca2+激酶濃度增加也可調(diào)節(jié)CREB的表現(xiàn)?；罨?/span>cAMP訊息傳導路徑意味著血清素和正腎上腺素正向調(diào)節(jié)（up-regulated）了一些大腦功能。*近的研究發(fā)現(xiàn)腦內(nèi)神經(jīng)滋養(yǎng)因子BDNF（CREB 轉(zhuǎn)錄因子的目標物）也會在長期服用抗憂郁劑后表現(xiàn)量增加。研究證實長期給予抗憂郁劑會活化cAMP 訊息傳導路徑，進而增加了大腦海馬結(jié)構(gòu)的BDNF mRNA 表現(xiàn)量。BDNF與神經(jīng)的分化、生長及維持大腦成熟神經(jīng)細胞的存活有關(guān)。有相關(guān)研究指出BDNF與憂郁癥的關(guān)連性：臨床大腦影像研究發(fā)現(xiàn)憂郁癥病人的海馬結(jié)構(gòu)萎縮且BDNF mRNA表現(xiàn)量下降。綜論上述研究顯示了BDNF也許與憂郁癥的病理成因有著顯著的關(guān)連性。
本研究為利用高膽固醇飼料以及三氧化二砷誘導C57BL/6小鼠動脈硬化模式，監(jiān)測相關(guān)生化值，如血中胰島素濃度、三酸甘油酯(TG)、總膽固醇(Cholesterol)、高密度脂蛋白(HDL)及低密度脂蛋白(LDL)在血液中的含量變化，引發(fā)胰島素阻抗性造成脂質(zhì)代謝異常，并利用十字形迷宮(EPM)測定觀察小鼠是否有憂郁癥行為產(chǎn)生，以探討砷暴露所造成脂動脈硬化以及胰島素耐受性異常對憂郁癥之影響，并再犧牲小鼠后，取肝臟、腦部、腎臟以及脂肪定量出5-HT以及單胺類神經(jīng)傳導物質(zhì)表現(xiàn)量。在組織病理檢查方面，透過腎臟、肝臟及腦部的組織切片方式，觀察其結(jié)構(gòu)的完整和細胞的叢集情形，以探討在長期砷暴露下誘發(fā)之胰島素阻抗影響憂郁癥動物模式之分子機制。
砷長期暴露下對胰島素耐受性依賴型憂郁癥動物**模式之影響暨相關(guān)分子機制探討（高架十字迷宮應(yīng)用）
**章實驗材料與方法
**節(jié)、實驗動物與材料
實驗材料
2 %高膽固醇飼料、鼠科正常飼料(Basal diet, Product Code5755)、含EDTA采血管、三氧化二砷（As2O3）、胰島素（Insulin）、乙醇（Ethanol）、封片膠、血糖儀、血糖試紙片、注射針頭。
實驗動物來源
本實驗所使用的C57BL/6品系的小鼠由國家實驗動物中心購得，并飼養(yǎng)于奇美醫(yī)院實驗動物中心。小鼠分別飼養(yǎng)于不銹鋼籠中，自由取食及飲水。動物房溫度維持在21 ±2 ℃，相對濕度50-70 %，以自動定時器控制光照周期，08:00~20:00為光照期(light period)，20:00~08:00為黑暗期(dark period)。
**節(jié)、實驗動物模式設(shè)計
實驗動物模式設(shè)計如下：
實驗動物進入動物中心后先以正常飼料(Basal diet, Product Code 5755) 喂食二周，并隨機分為4組，每組10 只，分別進行蛇根堿(reserpine)誘導憂郁癥模式，以2mg/kg的劑量連續(xù)腹腔注射5天后，再依下列組別：
【1】 6周雄性C57BL/6品系小鼠－給予正常飼料并任其自由取食及飲水，共喂食20周。
【2】 6周雄性C57BL/6
