《International Journal of Molecular Sciences》：A Systematic Review on the Association Between Water Fluoride Levels and Dental Fluorosis: Exploring the ‘Halo Effect’ and Confounding Environmental Factors
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牙齿氟中毒（Dental Fluorosis, DF）仍是全球公共卫生挑战，传统归因于饮水氟离子（F?）水平升高。然而，“光环效应”（Halo Effect）及环境因素现使这一剂量-反应关系趋于复杂。本研究遵循PRISMA 2020指南，通过PubMed、Sc
牙齿氟中毒（Dental Fluorosis, DF）仍是全球公共卫生挑战，传统归因于饮水氟离子（F?）水平升高。然而，“光环效应”（Halo Effect）及环境因素现使这一剂量-反应关系趋于复杂。本研究遵循PRISMA 2020指南，通过PubMed、Scopus及Web of Science数据库筛选出20项观察性研究（n=21,780）。纳入逻辑采用PICOS框架，专门选择报告定量饮水F?水平及环境或饮食混杂因素的人类研究。研究质量通过纽卡斯尔-渥太华量表（Newcastle–Ottawa Scale）评估。综合分析显示，在最佳氟化地区（0.7 mg/L），高“光环效应”暴露（婴儿配方奶粉、加工饮料）队列中轻度DF患病率达15–20%，较历史基准增加两倍。高海拔（>2000 m）及干旱气候通过改变肾脏清除率进一步加剧毒性。这些因素维持的系统性氟水平在釉质成熟期抑制蛋白酶活性（MMP-20/KLK4）并诱导内质网应激，导致矿化不全。当前以饮水为核心的监测不足以满足现代风险评估需求。亟需转向考虑总每日摄入量（Total Daily Intake, TDI）模型及结合海拔与饮食扩散的情境特异性标准，以平衡龋病预防与系统性安全。
1. 引言
氟离子（F?）是天然存在的负电性离子，因其在预防龋齿中的作用被全球认可。其治疗功效主要通过形成氟羟基磷灰石促进釉质再矿化，并抑制致龋菌（如变形链球菌）的烯醇酶实现。然而，全身性氟摄入的治疗窗狭窄。在牙发生关键期，即釉质形成的成熟期（出生至8岁）过量摄入会导致牙齿氟中毒（DF）。分子水平上，DF的特征是釉质基质蛋白（Enamel Matrix Proteins, EMPs），特别是成釉蛋白的降解停滞。这种生化缺陷导致釉质孔隙率增加、矿化密度降低，临床表现为不透明白垩色条纹，严重者出现融合性凹陷及棕染。现有研究表明，氟通过改变基质金属蛋白酶-20（Matrix Metalloproteinase-20, MMP-20）及激肽释放酶-4（Kallikrein-4, KLK4）的蛋白水解活性，并触发分泌期成釉细胞的内质网（Endoplasmic Reticulum, ER）应激及未折叠蛋白反应（Unfolded Protein Response, UPR）诱导这种低矿化表型。世界卫生组织（World Health Organization, WHO）曾制定1.5 mg/L的饮水氟指导值以降低DF风险，但近期流行病学数据显示饮水氟浓度与DF患病率脱钩。这种转变主要归因于“光环效应”（又称扩散效应），其操作定义为通过消费在氟化地区生产但分销至非氟化地区的加工食品及饮料而产生的间接全身性氟暴露。该现象将社区饮水氟化（Community Water Fluoridation, CWF）的影响范围扩展至地理起源之外，从而为总每日摄入量（TDI）评估引入了隐藏变量。此外，氟的生物学影响并非均一，受环境和生理“增强因子”修饰。高海拔等因素被假设通过缺氧诱导的代谢酸中毒加剧氟毒性，而饮食变量，特别是钙氟比，则调节胃肠道中F?的生物利用度。尽管这些变量已被证实存在，现有系统评价常聚焦于局部地理集群，或忽视光环效应与环境混杂因素间的分子协同作用。本综述的意义在于推动公共卫生工作从基于饮水的监测转向对TDI的全面评估。通过阐明分子蛋白酶抑制机制，本研究为平衡龋齿预防与系统性安全的情境特异性氟化标准建立框架。
2. 方法学
2.1 方案与注册
本系统评价严格遵循PRISMA 2020声明，并在国际前瞻性系统评价注册库（PROSPERO）注册（注册号CRD420261360379）。
2.2 检索策略与信息来源
2025年9月至2026年3月期间，在PubMed、ScienceDirect、SpringerLink、Nature及Scopus七个电子数据库中执行全面文献检索。检索限定为同行评审的原始研究，无日期或语言限制。检索语法结合了医学主题词（Medical Subject Headings, MeSH）及布尔运算符。
2.3 纳入标准
依据PRISMA 2020指南预先设定纳入标准，并采用PICOS框架以确保方法学一致性。研究对象为人类，通过饮水暴露于氟，并报告以mg/L（ppm）计量的定量氟浓度。主要关注儿童和青少年（0–18岁），但也纳入能从混合年龄群体中识别出年轻群体氟中毒相关结局的研究。暴露因素为饮水氟浓度，同时评估与光环效应相关的附加氟源，如氟化盐、加工食品饮料、婴儿配方奶粉、牙膏吞咽、饮茶及燃煤排放。纳入的研究需包含不同氟浓度人群、不同环境条件（海拔与气候）或不同饮食行为暴露模式的比较。主要结局为采用标准化诊断指数（Dean氟中毒指数、Thylstrup–Fejerskov [TF] 指数、牙面氟中毒指数 [Tooth Surface Index of Fluorosis, TSIF] 或等效验证工具）评估的DF患病率及严重程度。次要结局包括釉质低矿化模式及影响氟易感性的环境或生理因素。仅纳入原始观察性研究（横断面、病例对照及队列设计），且仅考虑经同行评审的英文全文。无发表年份限制，以捕捉历史与当代证据。
2.4 数据提取与质量评估
由两名研究人员独立使用标准化Excel矩阵提取数据。通过Cohen's kappa计算，研究筛选和数据提取的组间一致性分别为0.86和0.89，差异通过共识解决。提取变量涵盖地理位置、人口统计学特征（年龄）、样本量、饮水氟浓度、DF患病率及严重程度、混杂因素（海拔、饮食氟源及气候）。采用适用于横断面及观察性设计的改良版纽卡斯尔-渥太华量表（NOS）评估偏倚风险。评分分为高质量（7–9分）、中等质量（5–6分）和低质量（<5分）。
2.5 数据合成与异质性评估
鉴于“光环效应”的复杂性，对研究异质性进行了正式评估以确定荟萃分析的可行性。异质性体现在方法学（设计与诊断指数差异）、临床/生物学（高海拔、干旱气候、城市二次暴露）及统计学（方差报告不一致、TDI量化非标准化）三个层面。由于环境增强因子的高度多样性及缺乏统一的TDI指标，叙述性合成被认为是最稳健的方法，以避免“垃圾进、垃圾出”的统计模型风险。合成侧重于通过局部饮水F?水平与观察到的DF患病率之间的差异分析来评估光环效应，并将流行病学发现与已建立的生化途径（特别是KLK4和MMP-20的抑制及内质网应激的诱导）相关联。
3. 结果
3.1 研究选择与PRISMA流程
初检获得450条记录，去重后330篇进入标题摘要筛选，排除285篇不符合标准者，对45篇进行全文评估，最终20项研究符合定性合成条件。
3.2 纳入研究特征
20项研究覆盖21,780名个体（主要为0–18岁）。地理分布集中于高地方性氟及独特地质特征的生态区，包括东非大裂谷（埃塞俄比亚、肯尼亚）、墨西哥高地及印度、巴基斯坦的干旱地下水带。这种聚类允许在“最佳”（0.7–1.2 mg/L）和地方性（>1.5 mg/L）暴露水平间进行强有力的比较分析。
3.3 质量评估与偏倚风险
NOS评分范围为7–9分，整体证据质量为中到高。约三分之二的研究被评为高质量（≥8分），反映了稳健的样本选择、可靠的氟浓度量化及一致使用验证结局指标。部分高分研究还纳入了针对年龄、性别、社会经济地位及附加氟源的多变量分析。
3.4 “光环效应”与环境增强因子的影响
DF不仅受饮水氟水平影响，还受“光环效应”及增加总氟暴露的环境增强因子影响。关键修饰因子包括海拔、气候驱动的水摄入量、饮食来源（茶、氟化盐、食物）及燃煤排放等非水暴露。高收入环境中，牙膏、婴儿配方奶粉和加工饮料是主要贡献者，通常导致轻度氟中毒；而在中低收入地区，联合暴露常导致中重度氟中毒。这表明相似饮水氟浓度可因环境和行为因素产生不同结局。
3.4.1 量化“光环效应”
将观察到的DF患病率与“最佳”氟化（0.7–1.2 mg/L）的历史基准（预测轻度DF患病率<10%）进行比较。高二次暴露（加工食品、婴儿配方奶粉）队列尽管维持“最佳”饮水氟水平，其患病率仍增加了1.5至2倍。
3.4.2 作为系统变量的光环效应
“光环效应”描述了从局部氟暴露向通过饮水、牙膏吞咽及加工食品饮料等多源持续全身摄入的转变。在牙齿发育关键窗口期（约0–6岁），这种模式导致持续低水平的血浆氟浓度而非间歇性峰值。在高收入环境中，反复摄入促使细胞外液中形成准稳态氟水平，这为理解氟在组织水平与发育中釉质的相互作用提供了基础。
3.4.3 生理与环境增强因子
氟毒性受影响其吸收、分布和生物学效应的生理环境修饰因子影响。低膳食钙摄入与氟生物利用度增加相关，因为减少了胃肠道中不溶性钙氟复合物的形成。在海拔方面，即使氟摄入量与海平面队列相当，高海拔居民的DF严重程度也更高。低氧分压触发过度通气，导致动脉二氧化碳分压下降和呼吸性碱中毒；机体启动继发性代谢代偿，肾脏增加碳酸氢根排泄。代偿阶段是氟动力学的关键决定因素：尿pH升高使氟平衡从非离子型（HF）向离子型（F?）转移。由于肾小管对离子型F?通透性较低，更大比例的氟被重吸收回体循环而非排出，导致肾脏清除率显著降低，延长了稳态血浆浓度，加剧了牙发生成熟期釉质低矿化的风险。
3.5 分子证据合成：机制见解
DF的流行病学模式得到分子和细胞证据支持。釉质低矿化的一个决定性特征是伴随釉质基质蛋白清除不完全。正常釉质成熟过程中，成釉细胞分泌MMP-20和KLK4以降解成釉蛋白并促进矿物沉积。实验证据表明，升高的氟暴露可通过间接影响釉质基质环境（包括pH改变）干扰这一过程。蛋白水解活性受损导致有机基质成分滞留，引起孔隙率增加及氟斑牙的特征性不透明外观。此外，氟暴露可诱导成釉细胞内质网应激，激活未折叠蛋白反应。蛋白质折叠稳态的破坏会减少蛋白质合成，并在持续条件下触发凋亡途径。这些细胞应激反应为中重度氟中毒的结构缺陷（包括釉质凹陷和表面不规则）提供了机制基础。氟还与活性氧生成及氧化应激诱导有关，损害线粒体功能并降低抗氧化酶活性，从而损害成釉细胞调节离子转运及维持矿化微环境的能力。
3.6 综合剂量-反应与风险框架
氟暴露与DF的关系最好在由环境和生理变量修饰的剂量-反应框架内理解。氟浓度本身不能完全决定生物学结局，易感性还受钙摄入、海拔和全身生理等因素塑造。在低暴露水平，氟有助于龋齿预防且对釉质结构影响最小；随着暴露增加，风险转向轻度氟中毒，进而发展为以低矿化、凹陷和釉质丧失为特征的中重度氟中毒。修饰因子可使这一剂量-反应关系发生偏移，要么增加易感性，要么提供部分保护。
4. 讨论
4.1 从以饮水为中心转向以暴露为基础的范式
现行公共卫生氟指南主要基于历史饮水消费模型。然而，本综述发现，在“光环效应”和环境应激源背景下，这些标准可能不再提供足够的安 全边际。大多数最大允许浓度（Maximum Allowable Concentrations, MAC）设定在1.5至4.0 mg/L之间，基于饮水是全身氟主要来源的假设。但在盐氟化、加工饮料和婴儿配方奶粉盛行的高度扩散环境中，即使饮水水平维持在0.7 mg/L的“目标值”，累积TDI也可能超过安全阈值。此外，主要监管机构均未提供海拔调整的氟标准。鉴于数据显示海拔超过2000米时DF风险增加两倍，监管框架亟需从静态的基于饮水的阈值转向动态的、情境特异性的暴露模型。
4.2 分子发病机制：连接暴露与釉质缺陷
流行病学模式得到机制证据的强力支持。氟通过多重相互关联的途径破坏成釉过程。在分子水平上，氟对成釉细胞发挥多效性效应，包括调节酶活性、破坏细胞内蛋白质加工及诱导细胞应激反应。这些效应共同损害釉质基质周转和矿化。氟暴露通过直接和间接机制干扰MMP-20和KLK4的蛋白水解降解过程，还可能通过与金属辅因子相互作用进一步损害酶活性。此外，氟掺入磷灰石晶体（作为氟磷灰石）改变晶体生长动力学并减少矿化过程中的质子释放，导致局部pH失调，形成抑制蛋白酶活性的反馈回路。内质网作为氟介导的细胞毒性的关键传感器，慢性暴露会干扰钙信号和蛋白质折叠过程，导致错误折叠蛋白积累。成釉细胞激活未折叠蛋白反应，初期发挥细胞保护作用，但在长期暴露下转变为促凋亡途径，导致成釉细胞凋亡，最终损害基质蛋白分泌和离子转运。
4.3 环境增强因子作为生物学修饰因子
氟毒性受外部环境显著影响。在高海拔（>2500 m），即使在0.5至1.2 mg/L的低水氟浓度下也能观察到严重的临床表现（TF指数5），较海平面人群的“安全”阈值降低了30–50%。这种脆弱性主要归因于缺氧诱导的代谢酸中毒，其削弱了肾脏清除率并升高尿pH，导致全身氟滞留增加。分子基础上，慢性平台期的全身氟浓度（因海拔导致的肾脏处理减少而加剧）诱导成釉细胞内质网应激和未折叠蛋白反应，并直接抑制MMP-20和KLK4的蛋白水解活性，阻止釉质基质蛋白降解，导致中重度DF的特征性表现。在干旱气候中，高温作为物理增强因子增加hydration需求，导致水周转率升高，儿童可能摄入双倍甚至三倍的水量，从而增加全身氟摄入。饮食因素则扮演双重角色：茶消费、使用氟化盐和烹饪高氟水是协同因子；而充足的钙、镁摄入则是拮抗剂，通过在胃肠道形成不溶性复合物限制氟生物利用度。
4.4 营养的保护作用：饮食拮抗
营养状况是氟暴露与DF关系中的关键修饰因子。低钙摄入和营养不良的人群即使在水氟水平相当的情况下也经历更严重的氟中毒；而饮食均衡的人群尽管存在多重氟源（光环效应），其氟中毒严重程度可能得到部分缓解。这支持了生物拮抗机制，即膳食钙和镁通过形成不溶性复合物减少氟吸收。因此，营养代表了一个关键的、可改变的氟中毒风险决定因素。
4.5 外部有效性与全球普适性
纳入研究的地理聚集主要集中在全球南方和高海拔火山或干旱地区，这对外部有效性提出了特定含义。虽然生物机制（蛋白酶抑制和内质网应激）是人类对氟的普遍反应，但临床阈值是情境特异性的。在高收入低海拔地区，光环效应主要由全球化饮食（加工饮料、婴儿配方奶粉）驱动；而在中国和尼日利亚等地区，则常与当地传统习俗（饮茶或燃煤暴露）叠加。因此，具体患病率的转移性应谨慎解读。
4.6 政策建议
为减轻风险同时保持氟的防龋效益，建议：1. 转向总每日摄入量（TDI）模型；2. 实施海拔调整的氟化标准；3. 加强对“光环效应”的监测（特别是加工食品和婴儿配方奶粉）；4. 推行情境特异性氟化策略。
4.7 局限性
主要局限性在于证据多为横断面设计，缺乏从出生开始的纵向数据以确立确切的时间因果关系。此外，非水氟源量化的显著异质性阻碍了稳健的定量荟萃分析。未来研究应优先采用纵向队列并结合指甲或头发中的氟生物标志物。
5. 结论
本系统评价强调了DF领域的重大转变，证明传统的以饮水为中心的监测已不足以确保系统性安全。20项全球研究的合成表明，“光环效应”有效改变了氟中毒的生物学阈值。在现代背景下，“最佳”饮水氟化（0.7 mg/L）若与高二次摄入相结合，可导致轻度DF患病率增加两倍。此外，研究确定了高海拔人群（>2500 m）的显著阈值风险，其中改变的肾脏处理和代谢性酸中毒将重度DF的阈值降低至低至0.5–1.2 mg/L。在分子水平上，这些系统性平台期触发慢性内质网应激并抑制MMP-20/KLK4蛋白酶活性，阻碍釉质成熟期的基质降解。
