大學生血清金屬水平與抑郁、焦慮關聯的橫斷面研究

牛玉杰，褚晨，龐雅賢，沈亞欣，李立鵬，劉清萍，張榮b，

河北醫科大學 a.公共衛生學院勞動衛生與環境衛生學教研室 b.河北省環境與人群健康重點實驗室c.公共衛生學院衛生毒理學教研室 d.外科總論與手術學教研室，河北 石家莊 050017

據世界衛生組織統計，2005—2015年10年間全球抑郁癥患者人數增加了18.4%。全球3 億抑郁癥患者中，中國占5 400 萬例［1］。2011—2012年美國國家健康和營養調查分析發現，5 560名20～80歲的美國成年人中，363 人（7.8%）有抑郁表現（患者健康問卷得分≥10）［2］。近年來高校大學生心理疾病發生率呈不斷上升趨勢，已經引起社會的廣泛關注。2014年美國一項67 500 人參與的行為健康趨勢調查數據顯示，在18～25 歲的人群中，12 個月內嚴重抑郁發作的患病率為9.3%［3］。2019年對中國一所綜合性大學的541 名大學生進行橫斷面調查發現，161 人（29.8%）有抑郁癥狀，并且抑郁自評結果存在性別差異和學科差異［4］。2016年的一項meta分析顯示，醫學生的抑郁癥或抑郁癥狀患病率為27.2%（95%CI：24.7%～29.9%）［5］。心理疾病的發生除遺傳因素外，與環境、生活方式等方面的因素也密切相關。由于心理疾病患病率不斷增加，對其病因和發病機制的研究一直是該領域的熱點。

金屬元素是生活和生產環境中常見的外源化學物質，有些是人體生理功能所必需的，有些暴露后則會導致健康損害。金屬元素可通過飲食、日化品應用、環境污染等各種途徑進入人體。西班牙一項成年人調查顯示，生活在土壤重金屬和金屬類物質濃度較高的地區，患心理障礙的可能性升高［6］。另一項研究發現，美國成年人尿中重金屬的含量與抑郁存在關聯［2］。有研究發現血清鋅、銅、鐵、鎂水平降低與抑郁、焦慮癥狀呈正向關聯［7］，但也有研究發現高發鋅水平與帕金森病人出現心理障礙有關聯［8］。錳（manganese，Mn）雖是人體必需的金屬元素，但調查顯示，孕婦血Mn水平增加和產后抑郁的發病相關聯［9］。而最近的一項meta分析結果提示，尚不能明確鎘（cadmium，Cd）和鉛（lead，Pb）的水平與抑郁和焦慮情緒的關聯有統計學意義，其原因可能與采用不同的生物樣品和評估量表有關［10］。因此，體內金屬元素含量與抑郁、焦慮的關系仍需要進一步深入探討。

研究表明，在抑郁癥患者血漿中皮質醇含量升高，補充多巴胺（dopamine，DA）和5-羥色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）可以緩解重度抑郁癥患者的癥狀［11］。本課題組前期動物實驗表明，大氣細顆粒物（fine particulate matter，PM2.5）暴露后，大鼠腦組織中多種金屬元素水平增加，DA 和5-HT 水平降低，并引起大鼠抑郁樣反應［12］，提示金屬元素暴露可導致與抑郁、焦慮相關的神經遞質水平變化，并引起抑郁情緒改變。但目前尚未有大學生血中金屬元素與抑郁、焦慮情緒及血清神經遞質水平關聯的研究。

本研究選擇某醫科大學在校本科學生作為調查對象，探討血清金屬元素含量與血清中神經遞質水平以及抑郁、焦慮的關系，以期為深入了解金屬元素對心理健康的影響及其潛在機制提供線索，為制定相關健康標準提供依據。

1 對象與方法

1.1 研究對象

本研究為橫斷面研究，于2017年12月招募河北省某醫科大學同一年級的本科學生，學業課程基本相似。納入標準：年齡19～23 歲，在學校住宿，在學校食堂就餐，有意愿參與本研究并堅持完成。排除標準：吸煙，飲酒，連續服用藥物兩周以上，患慢性疾病，近一年內接受外科手術，近期情緒情感遭受重大打擊。本研究獲河北醫科大學倫理委員會審查批準（倫理審查批準號：2016021），所有研究對象均簽署知情同意書。

1.2 樣本量確定

使用 PASS 15.0.5 軟件估算多元線性回歸樣本含量。根據預調查結果，設定α=0.05、β=0.10、ρ2=0.3，選擇雙側檢驗，計算出最小樣本量為76。本次調查共招募86名大學生。

1.3 問卷調查

研究對象經專業調查人員培訓后，統一時間集中自行填寫基本情況調查表和抑郁、焦慮量表?；厩闆r調查內容包括年齡、性別、身高、體重、家庭年均收入（以2019年中國家庭年均收入7 萬元劃分），以及調查前兩周是否患有疾病、是否服藥、藥物種類和頻率。

采用抑郁自評量表（Patient Health Questionnaire-9，PHQ-9）和焦慮自評量表（Generalized Anxiety Disorder-7，GAD-7）對大學生抑郁和焦慮情況進行評估。PHQ-9 共設9個條目，每個條目采用4級評分（0～3分），各條目得分累加獲得總分。GAD-7共設7個條目，每個條目采用4級評分法（0～3分），各條目得分累加獲得總分。當量表評分的界值為10分時，PHQ-9和GAD-7量表均具有較高的靈敏度和特異度［13-14］，故本研究選擇10分作為分界值，評分≥10分為有抑郁/焦慮表現，＜10 分為無抑郁/焦慮表現。

1.4 血清中金屬元素含量測定

問卷調查結束后，收集調查對象空腹外周靜脈血4 mL，4℃、3 000×g離心15 min，分離血清，-80℃保存備用。使用電感耦合等離子體質譜儀器（inductively coupled plasma mass spectrometer，ICP-MS）（天瑞儀器，中國）測定血清中鈷（cobalt，Co）、砷（arsenic，As）、硒（selenium，Se）、鉬（molybdenum，Mo）、Cd、Mn、Pb、鉻（chromium，Cr）、錫（stannum，Sn）、銻（antimony，Sb）和鈦（titanium，Ti）元素的含量。測定過程中每檢測10 個樣品進行1 次空白檢測，以排除背景污染。ICP-MS 的工作條件如下：冷卻氣流速，14 L·min-1；載氣流速，1.06 L·min-1；輔助氣流速，0.8 L·min-1；功率，1 550 W；霧化室溫度，2.70℃；碰撞反應池氣體，氦氣；氦氣流速，4.6 mL·min-1；采樣深度，5 mm；元素重復檢測次數，3次。

1.5 血清中神經遞質水平的測定

采用酶聯免疫吸附測定法（enzyme linked immunosorbent assay，ELISA）試劑盒（江蘇酶免實業有限公司，中國）分別測定血清中皮質醇（cortisol，CORT）、DA和5-HT含量。

1.6 質量控制

調查開始前統一對調查員進行培訓，保持調查標準的一致性；調查結束后經專業人員進行邏輯復核，避免出現邏輯性錯誤，復核結束后由質控人員進行二次核查；數據采用雙人平行錄入，對所有數據進行一致性檢驗，確保數據有效。

1.7 統計學分析

計量資料采用均數±標準差表示。采用Cronbach’sα系數和KMO值對量表進行信度和效度檢驗。采用套索（least absolute shrinkage and selection operator，LASSO）模型篩選對PHQ-9 和GAD-7 評分、神經遞質水平有較大影響的金屬元素；采取多元線性回歸模型，以LASSO 模型篩選出的金屬含量作為自變量，量表得分、血清中CORT、DA 和5-HT 水平作為因變量，校正性別、年齡、體質指數等混雜因素，自變量和混雜因素分別逐一進入回歸模型，計算回歸系數b和其95%置信區間（confidence interval，CI），分析血清金屬含量與量表得分及神經遞質水平之間的關聯。采用錯誤發現率（false discovery rate，FDR）控制多重假設檢驗造成的假陽性率。統計分析使用R 4.0.3 完成。檢驗水準α=0.05。

在上述模型的基礎上，進一步校正家庭年平均收入和研究期間是否服藥兩個混雜因素，評估金屬含量對量表得分、神經遞質水平的影響。結果以金屬含量每升高10 μg·L-1，引起的量表得分和神經遞質水平的改變及其95%CI表示，檢驗水準α=0.05。上述敏感性分析均采用R 4.0.3 軟件完成。

2 結果

2.1 研究對象的基本特征和抑郁、焦慮評分

本研究共納入86 名大學生，基本信息如表1所示。研究對象平均年齡為（21.039±0.858）歲。其中男生45名、女生41名。家庭年均收入≥7萬元的有53人，小于7 萬元的有33 人。調查前兩周有1 人因感冒服藥，1人因咽炎服藥，其他84名同學均未服藥。

PHQ-9 的Cronbach’sα系數為0.823，KMO值為0.733。GAD-7 的Cronbach’sα系數為0.738，KMO值為0.763。PHQ-9的平均得分為（4.800±3.184）分，其中9人得分高于10 分，即10.465%的學生存在抑郁癥狀；GAD-7 的平均得分為（4.060±2.964）分，其中5 人得分高于10分，即5.814%的學生存在焦慮癥狀。見表1。

表1 大學生的基本特征和抑郁、焦慮評分（n=86）Table 1 Characteristics and scores of depression and anxiety of college students (n=86)

2.2 血清中金屬元素含量和神經遞質水平

測定的11 種金屬元素中，血清Se 質量濃度最高，為（8.666±1.832）μg·L-1；血清Ti 質量濃度最低，為（0.006±0.002）μg·L-1。血清中CORT 質量濃度為（89.549±14.925）ng·L-1，DA 質量濃度為（61.287±14.920）ng·L-1，5-HT質量濃度為（62.090±12.927）ng·L-1。見表2。

表2 大學生血清中金屬元素含量和神經遞質水平Table 2 Concentrations of metal elements and neurotransmitters in serum of college students

2.3 血清金屬元素水平與量表評分、神經遞質水平的關聯性分析

將金屬元素納入LASSO 模型后，根據參數λ最小均方差，篩選出Co、As、Se、Mo和Cd含量與PHQ-9評分相關，As 和Pb 含量與GAD-7 評分相關，Co 和Cd 含量分別與CORT 和DA 水平相關，Mo、Cd、Sn 和Sb 含量與5-HT 水平相關。

將LASSO模型篩選出金屬元素納入多元線性回歸模型中，校正年齡、性別、BMI后，血清Co、As、Se、Mo和Cd 含量與PHQ-9 得分的關聯有統計學意義（PFDR＜0.05），血清Co、As、Se、Mo 和Cd每增加10 μg·L-1，PHQ-9 得分分別增加0.930（95%CI：0.410～1.460）、0.010（95%CI：0.001～0.020）、0.010（95%CI：0.001～0.010）、0.190（95%CI：0.030～0.340）、2.180（95%CI：1.220～3.140）分。未發現血清中金屬元素水平與GAD-7評分存在關聯（PFDR＞0.05）。血清中Co 含量與CORT 水平的關聯有統計學意義（PFDR＜0.05），血清Co 每增加10 μg·L-1，CORT 質量濃度下降2.990（95%CI：-5.690～-0.330）ng·L-1。血清中Mo 含量與5-HT 水平的關聯有統計學意義（PFDR＜0.05），血清Mo每增加10 μg·L-1，5-HT 質量濃度升高0.980（95%CI：0.230～1.730）ng·L-1。見表3。

2.4 敏感性分析

如表3所示，在上述模型基礎上校正了家庭收入和是否服藥兩個混雜因素后，血清Co、As、Se、Mo、Cd 水平與PHQ-9 得分的關聯仍然均有統計學意義（PFDR＜0.05），血清Co、As、Se、Mo、Cd每增加10 μg·L-1，PHQ-9 得分分別增加1.020（95%CI：0.500～1.530）、0.010（95%CI：0.001～0.020）、0.010（95%CI：0.001～0.010）、0.170（95%CI：0.020～0.330）、2.190（95%CI：1.260～3.120）分。血清中Co 含量與CORT 水平的關聯有統計學意義（PFDR＜0.05），血清中Co每增加10 μg·L-1，CORT質量濃度下降3.000（95%CI：-5.780～-0.230）ng·L-1。血清Mo含量與5-HT水平的關聯經FDR校正后無統計學意義（PFDR=0.054），與原模型中分析結果（PFDR=0.044）相比有較小變化，其他金屬含量與量表評分及神經遞質水平的關聯與原模型結果相比，均未見明顯變化，說明家庭收入和是否服藥對本研究中多種血清金屬元素水平與抑郁、焦慮量表評分及神經遞質水平的關聯無影響，即本研究構建的血清中金屬含量與PHQ-9、GAD-7得分以及血清中CORT、DA 和5-HT 水平的關聯性模型較穩健。

表3 血清金屬元素含量與抑郁、焦慮量表評分以及神經遞質水平的關聯性分析Table 3 Associations of metal element levels with depression and anxiety scores as well as neurotransmitter levels

3 討論

本研究中約10.5%的學生有抑郁癥狀，5.8%的學生有焦慮癥狀，說明該醫學院校中一定比例的學生有抑郁、焦慮情緒。但本研究結果與以往meta 分析報導的醫學生中27.2%抑郁癥和抑郁癥狀發病率相比偏低［5］，可能與本研究樣本量較小有關，所得的結果尚需大樣本隊列研究進一步驗證。2013年全球疾病負擔數據顯示，高收入與中低收入國家重度抑郁癥的患病率相近［15］，盡管社會和文化因素（如社會經濟地位）可能在重度抑郁癥中發揮作用［16］，但基因和其他潛在的生物因素是導致抑郁癥最主要的原因［17］。校正性別、年齡等混雜因素后，本研究對象血清中多種金屬元素含量與PHQ-9 評分之間存在關聯。疾病也會影響心理健康，進一步將家庭收入和服藥情況作為混雜因素納入模型后，發現血清中Mo 含量與5-HT 水平的關聯經FDR 校正后無統計學意義（PFDR=0.054），與未納入家庭收入和服藥原模型中的分析結果（PFDR=0.044）相比有較小變化，但其他金屬含量與量表評分及神經遞質水平的關聯與原模型結果相比，均未見明顯變化，說明家庭收入和是否服藥對本研究對象血清中除Mo 以外的其他金屬元素水平與量表評分及神經遞質水平的關聯無明顯影響，提示血清中的金屬元素含量與大學生抑郁、焦慮及神經遞質水平有關聯。

LASSO 模型可達到對自變量降維的目的，適用于樣本量較小而自變量較多的數據資料。本研究招募86 名大學生，樣本量較小，因此首先采用LASSO 模型進行降維，篩選與量表評分、神經遞質水平相關的金屬元素，進一步采用多元線性回歸并經FDR 校正后，發現血清中Co、As、Se、Mo、Cd 含量與PHQ-9 得分的關聯有統計學意義，其中Cd 對PHQ-9 評分的影響最大，Se和As對PHQ-9評分的影響最小。Cd是環境中常見的重金屬，京津冀地區老年隊列的研究結果顯示，大氣PM2.5的金屬組分Cd 的含量與中老年抑郁癥的發生相關聯［18］。韓國老年隊列研究的結果也顯示，血Cd水平每增加一個IQR（0.645 μg·L-1），抑郁癥發生風險增加至1.27（95%CI：1.06～1.52）倍［19］。本研究結果顯示大學生人群中血清Cd 每增加10 μg·L-1，PHQ-9 得分增加2.180（95%CI：1.220～3.140）分，說明在不同人群中均發現Cd 與抑郁情緒有關聯，雖然Cd 進入血液后大部分與血紅蛋白結合，血清Cd 水平不能完全代表體內Cd 的真實水平，但本研究結果發現血清Cd 水平與抑郁量表評分的關聯有統計學意義，在一定程度上也證實了體內Cd 水平與抑郁的風險存在正向相關。動物實驗也證實，亞慢性Cd 染毒可導致大鼠表現出抑郁、焦慮行為［20］。毒理學研究表明，金屬元素引起神經系統疾病的機制與神經遞質水平改變有關［21-22］。Cd 可通過誘導氧化應激［20］，損害單胺能神經傳遞系統而導致抑郁癥［19］。動物實驗結果也證實，Cd暴露會干擾大鼠腦組織中的生物胺代謝［23］，導致大鼠下丘腦5-HT水平下降［24］，引起模式生物的DA水平下降［25-26］。但本研究未發現血清Cd 濃度與血清神經遞質水平有統計學意義的關聯，推測Cd 含量與抑郁情緒的關聯可能涉及其他的機制。

2015—2016年美國國家健康和營養調查數據分析顯示，美國成人尿液中亞砷酸與抑郁癥相關［27］。動物實驗也發現，亞慢性As 暴露可以誘導小鼠焦慮行為，并且加重小鼠的抑郁行為［28］。但本研究結果顯示，血清As 每增加10 μg·L-1，PHQ-9 得分僅增加0.010（95%CI：0.001～0.020）分，雖然關聯有統計學意義，但實際意義不大。

Se 是機體必需微量元素。一項對14 000 多名美國成年人進行的研究表明，達到Se 推薦膳食攝入量的參與者患抑郁癥的風險較低（OR=0.52，95%CI：0.39～0.71）［29］。重度抑郁癥患者血清Se 含量低于正常人［30］。本研究結果發現，血清Se 每增加10 μg·L-1，PHQ-9得分增加0.010（95%CI：0.001～0.010）分，雖然關聯有統計學意義，但實際意義較小。提示血清As、Se含量與抑郁情緒的關聯性有待進一步驗證。

Co是參與人體生理機能的必需微量元素，但高暴露可導致神經系統疾病。本研究結果顯示，血清中Co含量與抑郁情緒呈正向關聯，Co含量每增加10 μg·L-1，PHQ-9 得分增加0.930（95%CI：0.410～1.460）分，動物實驗也證實Co 暴露后可誘導大鼠抑郁樣表現［31］，提示血清Co 含量與抑郁癥的發生有關。CORT 是與抑郁情緒相關的神經遞質，一項對電子垃圾廠附近居民的調查發現，高暴露人群中血Co 和CORT 水平高于對照居民，但多重線性回歸分析并未發現血Co 含量與CORT 水平存在統計學意義的關聯［32］。本研究發現血清Co 每增加10 μg·L-1，血清中CORT 水平下降2.990（95%CI： -5.690～-0.330）ng·L-1，提示血清中皮質醇水平在Co 引起抑郁情緒改變的作用尚不明確。

Mo 是維持機體正常生理功能的必需微量元素，2000年中國營養學會制訂的中國居民膳食Mo 參考攝入量，成人適宜攝入量為60 μg·d-1。本研究結果顯示大學生血清中Mo 的平均質量濃度為0.099 μg·L-1，血清Mo 每增加10 μg·L-1，血清中5-HT 質量濃度升高0.980（95%CI：0.230～1.730）ng·L-1，提示血清中Mo 含量與5-HT 水平呈正向關聯，5-HT 水平增加有利于減少抑郁癥的發生或緩解抑郁癥狀。本研究結果發現血清中Mo 的含量與抑郁評分呈正向關聯，血清Mo每增加10 μg·L-1，PHQ-9 得分反而增加0.190（95%CI：0.030～0.340）分，雖然Mo 含量與PHQ-9 評分間關聯的實際意義較小，但也提示本研究對象中血清Mo 含量引起的5-HT水平增加尚不能緩解抑郁情緒。

本研究存在一些局限性。第一，本研究為橫斷面研究，難以進行因果關系推斷，后續還需大樣本的隊列研究進一步明確因果關系。第二，本研究樣本量較小，雖然采樣LASSO 模型對金屬元素進行降維，篩選與結局有關的變量后，進一步進行多元線性回歸，以提高結果的準確性，但小樣本的研究結果難以推及全人群。第三，某些金屬元素如Mn、Pb等吸收進入血循環后，與紅細胞中的血紅蛋白結合，只有較少部分存在于血清中［33-35］，因此血清中金屬元素水平不能準確反映體內金屬元素的真實水平。第四，本研究僅對血清中的金屬元素進行檢測和分析，未對其來源進行研究。除了職業暴露外，體內金屬元素的來源主要是飲食、日化品、環境暴露等，大氣中PM2.5的金屬組分也被認為是體內中金屬元素的來源之一，但本研究未分析大氣PM2.5、日化品、飲食等外暴露的重金屬含量，因此尚不能確定與抑郁、焦慮情緒相關的金屬元素的來源。

綜上，本研究發現部分在校大學生存在抑郁、焦慮表現。血清中金屬元素Cd、Co、As、Se 和Mo 含量與PHQ-9評分存在關聯，其中血清Cd含量對PHQ-9評分的影響最大，血清Se 和As 含量對PHQ-9 評分的影響最小。血清Co 含量與CORT 水平有負向關聯，Mo 含量與5-HT水平有正向關聯。本研究結果提示血清金屬元素含量與大學生抑郁情緒有關，但神經遞質在金屬元素導致的抑郁情緒中的作用尚有待進一步研究。