鎘遺傳毒性的研究進(jìn)展

達(dá) 瑞 劉永琦 蘇 韞 孫少伯

1817年，德國德斯特羅邁爾從不純的氧化鋅中分離出褐色粉，使其與木炭加熱，制成鎘，并以含鋅的礦口菱鋅礦的名稱Calamine，命名為Cadmium，元素符號(hào)為Cd，現(xiàn)被廣泛用于電鍍、顏料生產(chǎn)及熒光粉生產(chǎn)中。鎘是一種毒性很強(qiáng)的重金屬，在體內(nèi)易蓄積，被機(jī)體吸收后，自然排泄十分緩慢，在人體中鎘的生物半衰期為9～30年。由于其對(duì)人的毒性較大，已被美國毒性管理委員會(huì)(ATSDR)列為第6位危害人類健康的有毒物質(zhì)，國際癌癥研究中心(IARC)在1987年將鎘列為人類肺癌及前列腺癌的可疑致癌物［1］。近幾年研究發(fā)現(xiàn)，給雄性大鼠皮下注射鎘，還可致其睪丸、精囊、前列腺重量減輕，精子濃度及形態(tài)出現(xiàn)異常，精子成活率大大降低［2］。說明鎘不僅可引起機(jī)體的急性和慢性中毒，而且對(duì)哺乳動(dòng)物具有較強(qiáng)的致畸、致癌、致突變作用。研究表明，鎘及其化合物均具有毒性。吸入氧化鎘可致急性中毒，出現(xiàn)胸痛、頭暈、惡心、腹痛、腹瀉，嚴(yán)重者可出現(xiàn)呼吸困難及休克。

1 鎘對(duì)遺傳損傷的作用

1.1 基因突變?cè)囼?yàn) 基因突變?cè)囼?yàn)(gene mutation test，GMT)即針對(duì)化學(xué)致突變物的基因檢測試驗(yàn)，是對(duì)致癌物質(zhì)進(jìn)行初篩，和人類預(yù)防癌癥的重要手段，也是對(duì)化學(xué)物毒性及毒理研究中應(yīng)用最為廣泛技術(shù)。在基因突變研究中，采用不同的載體細(xì)胞，選擇化學(xué)物適當(dāng)?shù)臐舛燃白饔脮r(shí)間，可出現(xiàn)基因的變化。Ames試驗(yàn)是檢測化學(xué)物質(zhì)基因突變的常用方法，常規(guī)的Ames試驗(yàn)選用四個(gè)測試菌株(TA97、TA98、TA100、TA102)。通過基因突變?cè)囼?yàn)結(jié)果表明，氯化鎘及硫酸鎘具有致畸變的作用。Ochi［3］等用氯化鎘誘導(dǎo)中國倉鼠V70細(xì)胞的6-硫鳥嘌呤抗性突變子(6-TG7)及DNA單鏈裂解，均出現(xiàn)陽性結(jié)果。O＇Brien P［4］等發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中當(dāng)使用氯化鎘濃度為5 mg/kg時(shí)，可引起大鼠骨髓細(xì)胞產(chǎn)生裂隙和染色體破裂，并出現(xiàn)多樣染色體畸變或改變。

1.2 DNA損傷試驗(yàn) 單細(xì)胞凝膠電泳分析(single cell gel eletrophoresis，SCGE)是近年來逐步完善而發(fā)展起來的一種快速檢測單細(xì)胞DNA損傷的實(shí)驗(yàn)方法，因其細(xì)胞電泳形狀頗似慧星，又稱慧星試驗(yàn)(comet assay)，通過測定DNA遷移部分的光密度或遷移長度就可以測定單個(gè)細(xì)胞DNA損傷程度，從而確定受試物的作用劑量與DNA損傷效應(yīng)的關(guān)系。鎘具有遺傳毒性作用，而DNA損傷被認(rèn)為是其誘發(fā)細(xì)胞惡變的關(guān)鍵，鎘對(duì)DNA的損傷主要表現(xiàn)為單鏈DNA損傷(SSD)、DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)和DNA修復(fù)抑制，鎘對(duì)DNA的復(fù)制、修復(fù)的損傷都可直接影響到其對(duì)生物的遺傳效應(yīng)。研究表明，低濃度鎘可被體內(nèi)修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)，高濃度鎘不能被體內(nèi)修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)。同時(shí)，染鎘的時(shí)間越長，DNA損傷越嚴(yán)重。有人在氯化鎘誘導(dǎo)大量肝細(xì)胞及脾細(xì)胞的DNA損傷作用試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)鎘的劑量與DNA損傷的程度存在正比關(guān)系，即使用低劑量鎘染毒，肝細(xì)胞及脾細(xì)胞DNA出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，而隨著鎘濃度的升高，DNA損傷有加重的趨勢(shì)［5］。楊凡［6］等發(fā)現(xiàn)氯化鎘可引起離體小鼠睪丸生殖細(xì)胞DNA的損傷，并對(duì)雄性小鼠生殖細(xì)胞具有生殖毒性。

1.3 染色體畸變?cè)囼?yàn) 染色體畸變?cè)囼?yàn)(chromosome aberration test，CAT)是檢測化學(xué)物質(zhì)影響染色體數(shù)量和結(jié)構(gòu)的基本方法，也是細(xì)胞遺傳學(xué)檢驗(yàn)方法之一，即制備中期相染色體標(biāo)本，在光鏡下觀察染色體形態(tài)結(jié)構(gòu)和數(shù)目改變。遺傳學(xué)終點(diǎn)為染色體畸變。在化學(xué)物質(zhì)安全性評(píng)價(jià)中常選體外CHL細(xì)胞染色體畸變、精原細(xì)胞染色體畸變?cè)囼?yàn)等檢測化學(xué)物質(zhì)對(duì)染色體的影響。鎘可以通過直接或間接損傷染色體而導(dǎo)致染色體出現(xiàn)畸變。研究表明，氯化鎘及硫酸鎘可以引起中國倉鼠V79細(xì)胞和卵巢細(xì)胞(CHO)的染色體出現(xiàn)不同程度的畸變。Nocentini等［7］發(fā)現(xiàn)氯化鎘可引起細(xì)胞的 DNA斷裂。Han等［8］人在體外培養(yǎng)人淋巴瘤細(xì)胞的過程中發(fā)現(xiàn)使用氯化鎘可使姐妹染色單體更換率明顯增加，且與鎘劑量呈相關(guān)關(guān)系。

1.4 微核試驗(yàn) 微核試驗(yàn)(micronucleus test，MNT)是檢測染色體或有絲分裂器損傷的一種遺傳毒性試驗(yàn)方法。無著絲粒的染色體片段或因紡錘體受損而丟失的整個(gè)染色體，在細(xì)胞分裂后期仍留在子細(xì)胞的胞質(zhì)內(nèi)成為微核。最常用的是嚙齒類動(dòng)物骨髓嗜多染紅細(xì)胞(PCE)微核試驗(yàn)，是近些年檢測染色體或有絲分裂器損傷的一種常用的遺傳毒性試驗(yàn)方法，具有直觀、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。微核試驗(yàn)的原理:無著絲粒的染色體片段或因紡錘體受損而丟失的整個(gè)染色體，在細(xì)胞分裂后期仍留在子細(xì)胞的胞質(zhì)內(nèi)成為微核。若受試藥物處理能增加骨髓嗜多染紅細(xì)胞中的微核率，并有劑量-效應(yīng)關(guān)系，則可認(rèn)為該受試物是哺乳動(dòng)物體細(xì)胞的致突變物。李國慶［9］等發(fā)現(xiàn)氯化鎘能誘發(fā)較高頻率的微核率;處理細(xì)胞6 h、12 h、24 h 時(shí)，氯化鎘質(zhì)量濃度為0 ～10.00 mg/L時(shí)微核率隨氯化鎘質(zhì)量濃度增加而上升，氯化鎘質(zhì)量濃度大于10.00～40.00 mg/L時(shí)微核率隨氯化鎘質(zhì)量濃度增加而下降;有絲分裂指數(shù)隨氯化鎘質(zhì)量濃度上升而下降，隨處理時(shí)間的延長而升高;氯化鎘能明顯誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生較高頻率的染色體畸變。

1.5 動(dòng)物染毒實(shí)驗(yàn) 動(dòng)物染毒實(shí)驗(yàn)(animals toxicity test)是指讓機(jī)體(實(shí)驗(yàn)動(dòng)物)1次(或24 h內(nèi)多次)接觸外來化合物之后所引起的中毒效應(yīng)，甚至引起死亡，來研究化合物毒性的常用方法。在嚙齒動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，鎘對(duì)多種腫瘤均有潛在的致癌作用。Waisberg等［10］研究發(fā)現(xiàn)，Wistar大鼠持續(xù)吸入CdCl2(12·5、25和50μg/m3)礦塵18個(gè)月，出現(xiàn)了有劑量-依賴關(guān)系的原發(fā)性肺癌發(fā)生率的陽性結(jié)果。在接觸組，其發(fā)生率分別為15%、53%、71%，而對(duì)照組無肺癌的發(fā)生。同時(shí)也有人證實(shí)Cd能誘導(dǎo)大鼠血液系統(tǒng)腫瘤發(fā)生及前列腺瘤發(fā)生。在對(duì)試驗(yàn)動(dòng)物染毒劑量研究方面，盧茜［11］等在氯化鎘腹腔注射對(duì)SD大鼠的急性毒性研究中發(fā)現(xiàn)注射氯化鎘的劑量多少直接影響到大鼠的存活率。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大鼠對(duì)氯化鎘注射的絕對(duì)致死量為26.00 mg/kg，最大耐受劑量為11.54 mg/kg，鎘中毒大鼠一般在8 h內(nèi)死亡，少數(shù)在72 h內(nèi)死亡;CdCl2溶液腹腔注射對(duì)大鼠的 LD50 為 18.37 mg/kg，95% 的可信區(qū)間是 16.56～20.38 mg/kg。

1.6 細(xì)胞轉(zhuǎn)化試驗(yàn) 細(xì)胞轉(zhuǎn)化試驗(yàn)(cell transformation test)是通過對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，之后檢測化學(xué)物誘導(dǎo)體外細(xì)胞變化的實(shí)驗(yàn)方法。在細(xì)胞轉(zhuǎn)化試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)鎘對(duì)動(dòng)物正常細(xì)胞的致畸變作用。Terracio等［12］將發(fā)生轉(zhuǎn)化的大鼠前列腺細(xì)胞(RPr)接種于新生的大鼠體內(nèi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)接種后的大鼠約有95%至100%都出現(xiàn)了腫瘤，平均潛伏期為20 d左右。

2 鎘遺傳毒性作用的機(jī)制

2.1 氧自由基理論 大量研究證明，自由基和氧化性損傷參與了鎘遺傳毒性的發(fā)生，其證據(jù)為:(1)CdCl2誘發(fā)V79細(xì)胞DNA單鏈斷裂僅在有氧的情況下發(fā)生;(2)給予抗氧化劑和自由基清除劑如甘露醇、二叔丁基對(duì)甲酚(BHT)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽、維生素E、維生素C等可拮抗鎘的遺傳毒性，而CAT抑制劑3-氨基-1，2，4-三氨唑可增強(qiáng)鎘的遺傳毒性，鎘可以通過產(chǎn)生大量的氧自由基而引起DNA損傷;(3)鎘接觸人群、染鎘的哺乳動(dòng)物或體外培養(yǎng)細(xì)胞在出現(xiàn)遺傳損傷的同時(shí)，過氧化指標(biāo)也增高，包括機(jī)體抗氧化防御系統(tǒng)的破壞。細(xì)胞在有氧代謝過程中會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧，如果超過了體內(nèi)自身自由基清除的能力，就會(huì)產(chǎn)生自由基攻擊而引起DNA損傷。研究表明，鎘及其化合物產(chǎn)生的活性自由基參與了鎘致DNA斷裂的作用，造成DNA損傷。氯化鎘引起細(xì)胞氧化劑過量產(chǎn)生，并伴有黃嘌呤氧化酶活性的增強(qiáng)、腎谷胱甘肽活性減弱、過氧化氫酶及其他谷胱甘肽依賴性酶的抑制［13］。

2.2 鎘對(duì)細(xì)胞器的損傷 鎘在體內(nèi)外可引起多種哺乳動(dòng)物細(xì)胞微核率增高，并使某些細(xì)胞出現(xiàn)非整倍體或多倍體，這提示鎘可能對(duì)有絲分裂有干擾作用。Vetbost［14］報(bào)道鎘能影響細(xì)胞內(nèi)的紡錘體，從而使減數(shù)分裂期的染色體不分離或出現(xiàn)染色體橋、多核細(xì)胞等。以上研究表明，鎘可以影響與細(xì)胞分裂有關(guān)的細(xì)胞器而產(chǎn)生遺傳毒性。

2.3 鎘直接攻擊核酸分子 鎘與DNA直接作用是遺傳損傷的原因之一，而目前普遍認(rèn)同的觀點(diǎn)是鎘主要通過各種間接途徑損傷遺傳物質(zhì)。金屬離子在體內(nèi)可與生物大分子形成金屬螯合物。核酸中的糖、磷酸、各種堿基，尤其是嘌呤堿基的 N、OH或NH2基，極易與金屬結(jié)合，從而改變核酸立體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致堿基錯(cuò)誤配對(duì)或鏈斷裂。鎘可以直接與DNA分子中的磷酸、堿基等發(fā)生相互作用，最終引起DNA受損，形成修飾堿基g-羥基多嘌呤、胞嘧啶二醇等［15］。

2.4 鎘調(diào)控翻譯水平上基因表達(dá) 周志衡［16］等發(fā)現(xiàn)氯化錫在誘發(fā)16HBE細(xì)胞惡變過程中，存在明顯的蛋白翻譯啟動(dòng)因子hOGG1的mRNA異常表達(dá)現(xiàn)象，其表達(dá)水平與細(xì)胞的惡變程度密切相關(guān)，這可能是氯化鎘誘發(fā)人細(xì)胞腫瘤的重要分子致癌機(jī)制之一。除上述幾種機(jī)制外，鎘還有可能通過對(duì)鈣調(diào)素的刺激作用產(chǎn)生微管的解聚，影響細(xì)胞的有絲分裂而產(chǎn)生遺傳毒性。

綜上所述，大量實(shí)驗(yàn)表明鎘是一種有遺傳毒性的金屬，其機(jī)理可能涉及鎘通過氧自由基損傷、直接或間接損傷細(xì)胞器、直接攻擊DNA核酸、影響特定基因表達(dá)等多方面，探討鎘及其化合物的遺傳毒性作用及產(chǎn)生機(jī)制，對(duì)于預(yù)防工業(yè)、生活鎘中毒有重要意義。

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