《NeuroToxicology》：Prolonged duration induces divergent transcriptomic responses to manganese, distinct from concentration effects, in an SH-SY5Y neurotoxicity model
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本研究针对当前体外锰（Mn）神经毒性模型多依赖高浓度急性暴露、难以模拟长期低水平暴露真实场景的局限，在SH-SY5Y神经母细胞瘤模型中系统比较了急性（6小时）与慢性（40天）Mn暴露在不同浓度下的转录组响应。研究发现，慢性暴露引发更广泛且独特的转录改变，其影响的轴突导向、淀粉样纤维形成等通路与神经退行风险高度相关，且与独立帕金森病数据集显著重叠，而急性暴露主要干扰离子稳态。研究强调了暴露时长是评估锰长期神经毒性机制的关键决定因素，为改进体外模型提供了新视角。
锰是人体必需的微量元素，但过量的锰暴露会导致严重的神经系统损伤，出现类似帕金森病的症状。然而，科学界在理解锰如何引发神经毒性方面面临着一个关键挑战：大多数实验室研究采用高浓度锰在短时间内（例如几小时或几天）处理细胞，这种“急性暴露”模型是否能真实反映人类在环境或工作场所中经历的长期、低剂量锰积累的分子后果？越来越多的证据表明，暴露的“时长”可能与“浓度”同样重要，甚至更为关键。为了填补这一知识空白，一项发表在《NeuroToxicology》上的研究进行了一项开创性的工作，首次在人类神经细胞模型中对锰的急性与慢性暴露进行了系统性的转录组学对比。
为了回答上述问题，研究人员选用了广泛应用的人类神经母细胞瘤细胞系SH-SY5Y。他们首先用视黄酸（RA）诱导细胞分化，使其呈现出更接近成熟神经元的形态。随后，细胞被分为两组，分别接受急性（6小时）和慢性（40天）的锰暴露。锰的浓度范围经过精心设计，从接近生理水平的0.01 μM到已知具有亚细胞毒性的50 μM或100 μM，以模拟从正常到有害的不同暴露情景。研究过程中，通过细胞倍增时间和形态学观察确认所选浓度未引起即时细胞毒性。研究团队随后利用批量核糖核酸测序技术全面分析了不同暴露条件下细胞的基因表达谱，并通过生物信息学方法（包括差异表达基因分析、主成分分析、通路富集分析等）深入挖掘数据，还将结果与公开的帕金森病患者脑组织转录组数据进行了比较。
没有细胞毒性观察到在急性或慢性给药锰在应用的浓度下
研究人员确认，在所使用的锰浓度下，无论是6小时还是40天的暴露，均未对SH-SY5Y细胞的形态或生长速率产生显著的毒性影响。细胞内锰含量的测量也证实，暴露成功提高了细胞内的锰水平。
在40天暴露中，锰的水平对与差异表达基因相关的信号通路的改变模式和程度有实质性影响
慢性锰暴露诱导的转录组变化远比急性暴露显著和广泛，并且显示出明显的剂量依赖性。在40天暴露组中，即使是接近生理水平的低浓度锰（0.01 μM和0.05 μM）也引发了独特的基因表达改变。通路分析揭示，慢性暴露影响的细胞功能与神经退行性风险高度相关。
驱动急性和慢性暴露之间差异的基因与锰依赖性功能和神经退行性变相关
主成分分析显示，暴露时长是导致基因表达差异的最主要因素。慢性暴露特异性地影响了大量与神经元形态发生、突触组装和功能相关的基因，这些变化在急性暴露中并不明显。
锰浓度依赖性基因表达特征揭示了潜在的毒性拐点
分析发现，锰浓度约为0.5 μM可能是一个关键拐点，低于此浓度时，细胞可能表现出适应性反应，而高于此浓度则可能触发毒性反应路径。一些基因（如转铁蛋白受体基因TFRC）的表达变化与锰浓度密切相关。
急性高浓度暴露不能完全预测慢性暴露中的转录组变化
急性高浓度锰暴露（50 μM, 100 μM）与慢性暴露（即使是较低浓度如5 μM）所影响的基因和信号通路重叠度极低。这表明，急性毒性机制与慢性毒性机制存在本质区别。
慢性暴露与帕金森病转录组数据显示出更高的相似性
将本研究的差异表达基因与帕金森病患者脑组织及帕金森病毒素MPP处理的SH-SY5Y细胞的转录组数据进行比较后发现，慢性低浓度锰暴露诱导的基因表达变化与帕金森病相关的转录组改变更为相似，这进一步支持了长期锰暴露与神经退行性疾病风险之间的潜在联系。
该研究得出结论，慢性锰暴露在SH-SY5Y细胞中诱导了与急性暴露截然不同的、更为广泛的转录组学响应。延长暴露时间不仅放大了基因表达变化的幅度，更揭示了与神经元核心功能（如轴突导向、突触信号传递）和神经退行性疾病（如帕金森病）病理密切相关的新型通路网络。研究结果强有力地证实，急性高浓度暴露模型只能有限地模拟长期、低剂量锰暴露的分子机制。暴露时长是一个在评估锰神经毒性时必须考虑的关键决定因素。这项研究强调了在体外神经毒性模型中采用更贴近人类真实暴露场景（即慢性、近阈值浓度）的实验范式的重要性，为未来更准确地揭示锰诱导神经退行性变的分子通路和风险评估奠定了坚实的基础。研究所识别出的关键基因和通路（如PKA信号、轴突导向、金属离子稳态相关基因）不仅深化了对锰依赖性生物学功能在其神经毒性中作用的理解，也为开发用于体外神经毒性测试的新型生物标志物提供了候选靶点。
