《Environment & Health》：Insights into the Neurotoxicology of Traditional and Emerging Per- and Polyfluoroalkyl Substances: Mechanisms and Research Frontiers
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这篇综述深入探讨了传统与新兴全氟和多氟烷基物质（PFASs）的神经毒性，系统整合了流行病学证据、中枢神经系统渗透机制、体外/体内神经毒性数据及相关的分子通路。它揭示了PFASs（如PFOS, PFOA, F-53B, GenX等）与多种神经发育障碍（如ADHD、自闭症谱系障碍、认知缺陷）的关联，并阐述了其通过诱导氧化应激、神经炎症、破坏血脑屏障（BBB）、干扰神经递质稳态（如DA, 5-HT, Glu, GABA）及表观遗传修饰等复杂机制损害神经系统，为理解这类“永久性化学物质”的健康风险提供了全面视角。
引言
全氟和多氟烷基物质（PFASs）因其卓越的热稳定性和两亲性，被广泛用于快餐包装、电子产品、防污织物及水性消防泡沫等产品中超过70年。其强大的碳-氟键赋予其极强的环境持久性，使之成为全球传播和生物累积的“永久性化学物质”。随着传统PFASs（如全氟辛烷磺酸（PFOS）和全氟辛酸（PFOA））因多器官毒性受到监管限制，众多工业替代品（如氯化多氟烷基醚磺酸盐（Cl-PFAES, F-53B）和六氟环氧丙烷二聚酸（HFPO–DA, GenX））被引入。然而，这些新兴PFASs同样已成为普遍的环境污染物，且初步毒理学评估表明其可能具有比前代更强的生物累积潜力和肝毒性。越来越多的证据表明，传统和新兴PFASs均可通过激素干扰、受体介导的信号通路破坏和表观遗传改变等机制引发神经毒性效应。
流行病学证据
累积的流行病学证据强调，暴露于传统和新兴PFASs是神经发育受损的潜在风险因素。婴儿和幼儿因发育窗口期长且血脑屏障不成熟，表现出更高的易感性。研究表明，产前暴露于PFASs与一系列不良出生结局相关，包括胎儿生长受限、早产、发育迟缓和先天性异常。早期生命暴露还与长期的神经心理缺陷相关，如自闭症谱系障碍、注意缺陷/多动障碍（ADHD）和认知障碍。
具体而言，多项研究报道了PFASs与ADHD之间的正相关。例如，母乳中PFOS浓度升高与青少年ADHD患病风险增加相关，且女性关联更强。横断面分析也支持儿童血清中PFOS、PFOA和全氟己烷磺酸（PFHxS）水平升高与ADHD患病率增加相关。然而，也有设计良好的研究未观察到产前PFAS暴露与ADHD诊断之间的显著关联，甚至报道全氟壬酸（PFNA）与ADHD症状严重程度呈负相关。这些差异可能反映了方法学差异、未测量的混杂因素或不同PFAS同系物效应的真正差异。
除了ADHD，PFAS暴露还与认知缺陷相关。动物和体外模型的大量实验数据表明PFASs对学习和记忆有不良影响。临床研究报告脑脊液（CSF）中的PFAS浓度比同期血清水平低几个数量级，提示其中枢神经系统渗透受限。值得注意的是，计算毒理学分析表明，某些可在CSF中检测到的PFASs（如PFOA、6:2 Cl-PFAES和PFOS）可能表现出比其他同系物更高的神经毒性潜力。
证据还涉及一系列神经行为结局。例如，产前PFOS暴露与儿童早期运动协调能力呈负相关；儿童期暴露于PFOA、PFNA和全氟癸酸（PFDA）与后期的社会行为障碍相关；产前暴露于PFNA、PFDA和全氟十一烷酸（PFUnDA）与语言相关困难的高发率相关；而PFNA和PFOA水平升高与学龄儿童执行功能缺陷相关。有趣的是，研究也报道了某些PFASs（即PFOA、PFOS和PFNA）与更高的阅读分数相关，提示存在领域特异性及偶尔意想不到的效应。值得注意的是，产前PFHxS显示出独特的模式，与较差的整体神经心理发育相关。
神经毒性通路
血脑屏障渗透机制
血脑屏障是由脑血管内皮细胞、星形胶质细胞和周细胞组成的复杂、选择性渗透界面。PFASs通过体循环运输，可穿越血脑屏障发挥直接神经毒性作用。PFASs触发氧化应激导致内皮细胞间紧密连接完整性受损，是关键的渗透途径之一。例如，PFOS、PFOA和全氟辛烷磺酰胺（PFOSA）能促进活性氧（ROS）生成，导致旁细胞渗透性增加和小脑颗粒细胞损伤。
血脑屏障生理学的区域异质性进一步调节PFASs在脑内的分布。例如，在下丘脑组织中观察到的PFOA、PFHxS和全氟己酸（PFHxA）浓度升高，与下丘脑血管固有的较高渗透性一致。除了被动的旁细胞渗漏，短链同系物由于其较低的分子量和氢键结合能力降低，可能通过脂质介导的自由扩散渗透中枢神经系统。此外，由有机阴离子转运体和有机阴离子转运多肽介导的转运体摄取，能够主动穿梭特定的PFASs跨越血脑屏障。
胎盘转移机制
胎盘是调节胎儿暴露于母体血液污染物的关键界面。尽管其具有选择性屏障功能，PFASs仍持续在脐带血中被检测到，证实了其经胎盘转移和干扰胎儿神经发育的潜力。胎盘转移效率（TTE）表现出对分子结构的强烈依赖性，三个结构参数起主要影响：全氟碳链长度、异构体支链模式和官能团化学性质。
流行病学和实验数据揭示了链长与TTE之间的非单调关系。中链PFASs如PFOS和PFDA表现出比短链类似物（如全氟丁酸（PFBA）、全氟丁烷磺酸（PFBS））或长链化合物如全氟十三烷酸（PFTrDA）和6:2 Cl-PFAES更低的转移效率。异构体构型进一步调节胎盘渗透性，支链异构体，特别是那些在官能团头部附近具有支链的，显示出比线性同系物增强的转移。官能团特异性也显著影响经胎盘动力学，全氟羧酸（PFCAs）系统性地表现出比具有相同链长的磺酸对应物更高的TTE值。
PFASs易位的机制基础涉及多种潜在途径，包括被动扩散、转运体促进的主动摄取和旁细胞运输。然而，观察到的TTE模式经常与基于疏水性的模型预测相矛盾，表明特化的主动运输系统参与其中。具体来说，尽管线性异构体疏水性更强，但其胎盘转移效率低于支链异构体，这表明被动扩散被蛋白质介导的运输所取代。此外，母体和胎儿区室之间代谢能力的显著个体发生差异，驱动了特定PFASs（如PFOSA）在胎儿循环中的净积累。
PFAS诱导神经毒性的实验评估
体外实验
体外研究为在细胞和分子水平评估PFASs的神经毒性提供了重要手段。例如，暴露人脑微血管内皮细胞（血脑屏障的主要组成部分）于PFOS，可通过激活磷脂酰肌醇3-激酶和AKT丝氨酸/苏氨酸激酶信号通路，诱导内皮紧密连接解体和渗透性增加。一项使用原代大鼠小脑颗粒细胞的研究显示，24小时暴露后细胞毒性存在明确层次：PFUnDA > PFDA > PFOS > PFNA > PFOA > PFHxS，表明对CGCs的细胞毒性随碳链长度增加而增强，且对于链长相似的化合物，磺酸官能团比羧酸官能团毒性更大。
PC12细胞系是评估发育神经毒性的标准体外模型。一项综合研究表明，PFOS、PFOA、PFOSA和PFBS对未分化和分化中的PC12细胞均有不良生物效应，效力顺序为PFOSA > PFOS > PFBS ≈ PFOA。在大鼠CGCs中的研究进一步揭示，PFOS暴露诱导凋亡事件，其特征是ROS、caspase-3活性和DNA断裂呈剂量依赖性增加，而ROS清除剂的预处理可改善这些效应，强烈提示氧化应激是PFOS诱导神经元凋亡的主要介质。
体内实验
体内实验模型在严格控制条件下验证PFASs暴露与不良中枢神经系统结局之间的关联提供了关键平台。大鼠、小鼠和斑马鱼是PFASs诱导神经毒性研究中最广泛使用的模型。
神经行为评估被广泛用于评估PFAS暴露的功能后果。综合数据表明，产前PFOS暴露会引起小鼠发育里程碑和神经运动成熟的短暂延迟，且母体压力会加剧后代运动活性。产前PFOS暴露结合母体束缚压力会导致空间学习缺陷。尽管子宫内PFOS暴露未影响新生啮齿动物的T迷宫表现，但一致观察到出生后存活率受损、生长迟缓、睁眼延迟和低甲状腺素血症。
新生儿在关键大脑发育窗口期给予PFOS或PFOA，会引发持久的神经行为缺陷和成年期不可逆的神经变化，表现为自发性行为破坏、习惯化减少、多动和胆碱能敏感性增加。在成年模型中，PFOS损害水迷宫测试中的空间学习和记忆，机制研究将这些缺陷与海马神经元凋亡、凋亡相关蛋白表达失调以及谷氨酸水平升高联系起来。
新兴环境污染物越来越被认为是神经功能损害的重要风险因素。PFASs已被证明可通过诱导神经炎症反应、破坏突触发生和神经递质稳态、改变电生理平衡以及损害神经元发育和髓鞘形成来引发神经毒性结果。
突触是神经通讯的基本单位。PFASs直接干扰神经回路组装所必需的分子和细胞基质，导致连接和功能异常。机制证据表明，PFOS暴露后海马神经元Ca2+通道活性增强是神经突生长受抑制和突触传递受损的原因。同样，PFNA会破坏斑马鱼胚胎中关键的突触发生信号通路并损害cAMP反应元件结合蛋白功能，表现为显著的运动缺陷。产前PFOS暴露改变了一系列可塑性相关分子的表达，从而损害突触可塑性并损害新生大鼠的空间学习和记忆。
神经递质系统的破坏是PFASs损害神经发育和功能的关键机制。例如，人诱导多能干细胞短期暴露于PFOA会抑制其多巴胺能分化。PFOA暴露会改变小鼠大脑中多种神经递质的稳态，显著影响5-羟色胺、多巴胺、去甲肾上腺素和谷氨酸的浓度。在斑马鱼幼虫中，PFNA引起神经递质水平的广泛降低。电生理学研究表明，PFOS和PFOA通过双重调节关键离子通道直接破坏神经元的兴奋-抑制平衡。PFOS通过负向移动其激活电压来增强L型钙通道，从而在静息电位下增加钙内流。同时，这两种化合物都作为人GABAA受体的非竞争性拮抗剂，可逆地抑制GABA诱导的氯离子电流。这种兴奋性信号增强和抑制性张力减弱的组合会升高细胞内钙，促进自发性神经递质释放，并建立神经元过度兴奋状态，增加兴奋性毒性风险。
发育期PFAS暴露的一个特别令人担忧的方面是，其持久的神经学后果可能在整个生命周期中显现或持续。这符合“健康与疾病的发育起源”范式。具体而言，产前PFAS暴露在流行病学和实验上与后代即时认知缺陷以及成年期神经退行性病变风险显著升高相关。一项开创性研究表明，大鼠产前或产前产后联合暴露于PFOS会加速阿尔茨海默病样病理特征的形成，特别是促进β-淀粉样蛋白聚集和Tau蛋白过度磷酸化。
矛盾的是，与这些有害结果相反，特定条件下某些PFAS暴露似乎能刺激神经发育过程，呈现出看似矛盾的、非单调的剂量-反应关系。例如，产前PFOA暴露上调出生后小鼠大脑皮层中神经生长因子的表达并激活增殖相关效应物。全氟烷基碘化物可通过调节特定的微小RNA调控的Notch-Hes信号通路，促进小鼠胚胎干细胞的定向神经分化。此外，新生儿暴露于PFOS或PFOA显著提高了发育中大脑皮层关键神经发育蛋白的水平。这种同时具有破坏性和刺激性的明显效应二分法，可能根本上归因于PFASs已充分证实的内分泌干扰特性。
PFAS诱导神经毒性所涉及的分子机制
氧化应激和线粒体损伤
氧化应激被广泛认为是PFASs诱导神经毒性的关键机制。PFOS及其替代化合物OBS均被证明能显著提高细胞内高活性分子水平。这些ROS容易攻击脂质膜、蛋白质和核酸等必需的细胞成分，激活细胞内氧化应激通路，导致脂质过氧化、蛋白质羰基化和DNA氧化。同时，氧化应激的升高反映了抗氧化能力的系统性下降，通常表现为超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶等关键酶活性的抑制。
ROS主要在细胞的线粒体区室中产生。脑组织损伤引起线粒体ROS产生显著增加，继而损害线粒体呼吸链，减少三磷酸腺苷合成，并降低线粒体膜电位。大量证据表明，线粒体功能障碍可加剧氧化应激并破坏细胞能量代谢。例如，PFOA通过损害线粒体氧化呼吸来破坏神经元SH-SY5Y细胞的代谢过程。在小鼠模型中，妊娠期暴露于PFOA会触发线粒体介导的病理事件，从而有助于胎儿脑组织的结构和发育异常。同样，PFOS通过干扰过氧化物酶体增殖物激活受体通路及其下游靶点线粒体解偶联蛋白来调节神经发育。PFOS的替代物OBS引起线粒体结构损伤和线粒体自噬体的出现，最终导致斑马鱼幼虫出现不良行为结果。
神经炎症
研究表明，PFASs可改变循环系统的氧化应激状态和炎症水平，从而促进炎症细胞因子、趋化因子和粘附因子的表达，最终引发全身性炎症反应。通过这些促炎物质可到达中枢神经系统，对神经系统以及其他组织和器官产生有害影响。
暴露于PFASs经常通过改变肠道微生物群和肠道屏障功能引起神经系统疾病。例如，PFOA暴露可通过增加脂多糖、肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-1β和环氧化酶-2并减少白细胞介素-10来诱导肠道和脑部炎症，进而损害肠道屏障和突触结构的完整性，导致小鼠神经损伤。暴露于新兴PFASs全氟磷酰胺也会通过中断肠-脑轴诱导神经炎症反应和焦虑样行为。
神经炎症的一个关键后果是通过损害血脑屏障加剧神经毒性。研究表明，PFOS通过破坏人微血管内皮细胞中紧密连接蛋白的组织和表达来增加血脑屏障渗透性，从而促进神经毒素和炎症细胞不受控制地进入中枢神经系统实质，加速神经退行性和神经发育障碍的发病机制。炎症级联反应本身，由细胞因子和ROS驱动，可通过诱导肌动蛋白细胞骨架的病理性重排直接损害紧密连接复合体，进一步增加内皮单层的渗透性，并建立神经炎症和神经元损伤的恶性循环。
除了结构损伤，神经炎症还通过干扰关键神经递质的合成、释放、再摄取和代谢，显著破坏神经化学稳态。促炎细胞因子可抑制多巴胺、5-羟色胺和去甲肾上腺素等单胺类神经递质的产生和突触可用性，导致神经递质失衡，表现为抑郁和焦虑等神经精神症状。值得注意的是，PFASs诱导的神经炎症的神经病理学后果可能表现出性别二态性。使用黑腹果蝇作为模型生物的研究表明，暴露于HFPO–DA会通过诱导神经炎症缩短寿命、损害运动功能并改变大脑基因表达。重要的是，这些效应表现出女性特异性易感性，女性表现出更明显的神经炎症通路共同上调，这表明性别特异性生物学因素关键地调节了与PFAS暴露相关的神经风险。
调控PFASs神经毒性的关键信号通路
新出现的证据表明，PFASs诱导的神经毒性是通过几种关键信号通路的失调来协调的，主要包括MAPK级联、Notch-Hes信号轴和关键的神经递质相关通路。MAPK信号网络在介导神经元存活、增殖、分化和凋亡命运中起核心作用。例如，PFOS暴露已被证明能选择性激活CGCs中的ERK通路，这一事件最终导致细胞凋亡。这种促凋亡效应被蛋白激酶C的激活进一步放大。
与MAPKs并行，Notch-Hes信号通路是大脑发育过程中关键细胞过程的“主调控开关”。研究证实，PFASs可以通过调节Notch受体、其配体和下游效应物来改变小鼠胚胎干细胞中的定向神经分化，从而对胎儿神经发生构成重大的潜在风险。
此外，体内代谢组学和蛋白质组学分析表明，PFASs通过破坏神经递质相关信号通路来损害认知功能。这种破坏的有害效应通常集中在关键的下游信号枢纽，特别是cAMP反应元件结合蛋白和脑源性神经营养因子通路。一个相关的例子是PFOS，它通过干扰谷氨酸能突触及随后抑制CREB/BDNF信号轴，在小鼠中诱导抑郁样行为并损害海马突触可塑性。
DNA损伤与表观遗传调控
DNA完整性是细胞稳态的基础。大量证据表明，许多环境污染物具有神经毒性潜力，其中一部分能够诱导DNA损伤并使细胞周期停滞在G1或S期，这不仅损害细胞增殖，还增加了突变负担。暴露于PFASs就是这种现象的一个例证，其特征是环GMP-AMP合酶上调、DNA同源重组修复效率降低以及DNA双链断裂的持续积累。彗星实验表明，几种常见的PFASs会引起剂量依赖性的DNA链断裂增加，从而损害基因组稳定性并破坏基本的细胞学特征。重要的是，新兴研究强调，DNA损伤不仅代表一个遗传毒性终点，还会引发深刻的表观遗传重编程。
越来越多的证据证实，与PFAS暴露相关的不良表型表现是通过表观遗传重编程介导的。在分子水平上，这种失调主要通过三种相互关联的机制运作，例如DNA甲基化模式的改变、组蛋白的翻译后修饰以及非编码微小RNA的异常表达。流行病学调查、体外模型以及利用哺乳动物和水生生物的动物研究的一致结果表明，PFAS暴露可诱导表观遗传修饰，随后改变基因表达谱和染色质结构，最终导致有害的神经学后果。
DNA甲基化是调控基因表达沉默、基因组稳定性和细胞分化的关键表观遗传机制，是PFASs的明确靶点。对新生儿队列干血斑的分析表明，PFAS浓度升高与特定CpG岛位点的DNA高甲基化相关。这种效应的机制基础涉及PFASs诱导的DNA甲基转移酶表达和活性的改变。例如，PFOS通过SK-N-SH神经
