鎘對(duì)睪丸間質(zhì)細(xì)胞損傷的作用機(jī)制

王 毅 陳 平 綜述 廖曉崗 審校

1. 1.三峽大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，湖北省宜昌市中心人民醫(yī)院急診與創(chuàng)傷外科（湖北宜昌 443003）；

2. 重慶醫(yī)科大學(xué)生命科學(xué)研究院

·綜 述·

鎘對(duì)睪丸間質(zhì)細(xì)胞損傷的作用機(jī)制

王 毅1陳 平1綜述 廖曉崗2審校

1. 1.三峽大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，湖北省宜昌市中心人民醫(yī)院急診與創(chuàng)傷外科（湖北宜昌 443003）；

2. 重慶醫(yī)科大學(xué)生命科學(xué)研究院

鎘是一種常見(jiàn)的工業(yè)和環(huán)境毒物，在環(huán)境中不能被生物降解，相反它卻能夠經(jīng)食物鏈的生物放大作用，成千百倍地富集。在各種水產(chǎn)品魚(yú)、貝等中大量蓄積。土壤中的鎘可被谷物吸收，最終通過(guò)飲水、食物和呼吸進(jìn)入人體，在人體器官中的大量累積，對(duì)人的身體健康造成了極大的危害。研究表明，睪丸也是鎘的重要靶器官之一，且睪丸對(duì)于鎘的毒性極其敏感［1］。鎘與其他有毒重金屬鉛、汞和雌激素樣化合物雙酚A一樣，可導(dǎo)致精子數(shù)量減少和睪丸分泌功能下降而造成不育。雄性生殖系統(tǒng)的正常分化、發(fā)育和功能維持依賴于一定分泌水平的睪酮。睪丸間質(zhì)細(xì)胞主要的生理功能是合成和分泌雄激素，95%的雄激素是由睪丸間質(zhì)細(xì)胞合成與分泌的。毒物對(duì)雄性生殖系統(tǒng)的毒性作用最明顯也就在于影響睪丸的睪酮生成能力。而雄激素對(duì)雄性生殖系統(tǒng)分化發(fā)育具有重要意義［2］。為此，本文就鎘對(duì)睪丸間質(zhì)細(xì)胞的損害及毒性作用機(jī)制行相關(guān)綜述。

一、鎘暴露

在近幾十年流行病學(xué)研究表明男性的生育能力呈逐漸下降趨勢(shì)。對(duì)精液的各項(xiàng)參數(shù)Meta分析顯示，在過(guò)去的50年里人類(lèi)精子數(shù)量和體積比之前下降約50%。而且出現(xiàn)睪丸癌和生精功能障礙的人越來(lái)越多［3］。產(chǎn)生這樣后果的原因與環(huán)境中暴露的重金屬鎘有著重要聯(lián)系。鎘的天然來(lái)源，如被風(fēng)化的巖石、火山噴發(fā)和森林火災(zāi)等。人為排放在環(huán)境中的鎘超過(guò)天然來(lái)源100余倍，主要是石油燃燒、焚燒煤炭、有色金屬行業(yè)鋅、鉛和銅等，還有農(nóng)業(yè)使用肥料及工業(yè)生產(chǎn)的防腐劑，另外生產(chǎn)鎳-鎘電池產(chǎn)生的工業(yè)廢料也是鎘來(lái)源的重要途徑，從事采礦"電池制造和鎘染料生產(chǎn)的人群往往比常人接觸更多量的鎘［4］。在自然界食物中鎘含量一般很低，約（＜0.1mg/kg）這個(gè)劑量不足以對(duì)人類(lèi)和動(dòng)物造成危害。但在有的地區(qū)鎘污染相當(dāng)嚴(yán)重，被鎘污染過(guò)的植物性食物，鎘含量超過(guò)2mg/kg［5］，給周?chē)娜巳杭皠?dòng)物帶來(lái)了極大的傷害。在工廠附近，鎘可以對(duì)植物、地表水和土壤產(chǎn)生直接污染。。煙草中的煙霧是吸煙者吸收鎘的主要來(lái)源。在吸煙時(shí)，煙霧中含有氧化鎘，它是一種活性極強(qiáng)的物質(zhì)。被吸入煙霧中的氧化鎘大約三分之一進(jìn)入肺部最后到達(dá)全身組織器官，其中有十分之一的氧化鎘將滯留在肺部［6］。大樣本資料調(diào)查得出在德國(guó)，吸煙人血液中鎘的含量是不吸煙人的4倍［7］。鎘具有很長(zhǎng)的生物半衰期，在生物體內(nèi)代謝約需20～40年，鎘通過(guò)消化道和呼吸道途徑進(jìn)入體內(nèi)［8］，因此鎘能長(zhǎng)期聚集在體內(nèi)，極少微量鎘也能對(duì)人體健康產(chǎn)生的不小的危害。

二、睪丸間質(zhì)細(xì)胞的功能

睪丸間質(zhì)細(xì)胞又稱Leydig cell ，于19世紀(jì)50年代年由Leydig初次報(bào)道。后來(lái)人們對(duì)它進(jìn)行了大量的研究。睪丸間質(zhì)細(xì)胞呈單個(gè)或成簇的，在睪丸生精小管疏松結(jié)締組織中分布，其細(xì)胞數(shù)量相對(duì)于其他睪丸細(xì)胞總數(shù)偏少，大約只占3%左右，它是睪丸合成睪酮的最主要細(xì)胞［9］，其內(nèi)分泌活動(dòng)主要受下丘腦-垂體-睪丸軸調(diào)控。它對(duì)精子發(fā)生、成熟、雄性附屬性器官的生長(zhǎng)發(fā)育及內(nèi)分泌活動(dòng)有著重要的意義，對(duì)維持雄性第二性征、性行為及不同代謝過(guò)程中起著十分重要的作用。

三、鎘對(duì)睪丸間質(zhì)細(xì)胞的毒性作用及損傷機(jī)制

大量在體及離體的實(shí)驗(yàn)證明，鎘不僅能夠破壞睪丸間質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)與結(jié)構(gòu)，而且能明顯減少睪丸間質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量、降低睪酮的合成能力及減弱細(xì)胞信息通訊功能等損害［10，11］。鎘能誘導(dǎo)睪丸間質(zhì)細(xì)胞的凋亡及氧化應(yīng)激反應(yīng)；鎘可以降低酶的活性及DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；鎘還可以干擾睪丸間質(zhì)細(xì)胞內(nèi)分泌活動(dòng)；而長(zhǎng)期被微量鎘沾染的睪丸間質(zhì)細(xì)胞可以發(fā)生基因突變、染色體異常，最終導(dǎo)致腫瘤發(fā)生［12，13］。

（一）鎘對(duì)睪丸間質(zhì)細(xì)胞凋亡的影響

細(xì)胞凋亡（apoptosis）又稱細(xì)胞程序性死亡，是由基因編碼控制的細(xì)胞主動(dòng)死亡過(guò)程。細(xì)胞調(diào)亡的實(shí)質(zhì)是自然進(jìn)化的結(jié)果，細(xì)胞為了與周?chē)沫h(huán)境相適應(yīng)，主動(dòng)獲取死亡的一種形式。從而反過(guò)來(lái)對(duì)生物體進(jìn)化起到推動(dòng)作用。凋亡在胚胎細(xì)胞的產(chǎn)生、組織和器官的生長(zhǎng)發(fā)育、腫瘤的分化、突變和維護(hù)機(jī)體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)等方面均扮演著極其重要的角色［14，15］。參與細(xì)胞凋亡的基因家族可分為抑凋亡基因和促凋亡基因，抑凋亡基因主要包括Bcl-1、Bcl-2、Mc l-1等，它們可以抑制細(xì)胞發(fā)生過(guò)度凋亡。促凋亡基因主要包括Bax、Bcl-Xs、 ced3、ced4、c-fos、c-jun、c-myc、p53等，它們可以促進(jìn)細(xì)胞發(fā)生凋亡。在相同的劑量作用下，相對(duì)于生精細(xì)胞和睪丸支持細(xì)胞，睪丸間質(zhì)細(xì)胞對(duì)鎘的毒性敏感性不如前兩者。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)鎘能夠使血睪屏障發(fā)生破壞，引起大量的睪丸支持細(xì)胞、生精細(xì)胞發(fā)生凋亡。但睪丸間質(zhì)細(xì)胞發(fā)生凋亡的程度明顯少于前兩者。這表明鎘對(duì)睪丸間質(zhì)細(xì)胞的凋亡機(jī)制與另外兩種睪丸細(xì)胞有一定的差別［16，17］。但有學(xué)者近期研究報(bào)道，將小鼠睪丸間質(zhì)細(xì)胞微量鎘染1h后觀察發(fā)現(xiàn)，其增殖率明顯增加。通過(guò)檢測(cè)細(xì)胞增殖標(biāo)記產(chǎn)物PCNA基因和細(xì)胞周期蛋白D1發(fā)現(xiàn)，其微量鎘染的小鼠睪丸間質(zhì)細(xì)胞中兩者表達(dá)皆升高。同時(shí)檢測(cè)抗凋亡基因Bcl-2及促凋亡基因Bax，微量鎘染小鼠睪丸間質(zhì)細(xì)胞中Bcl-2表達(dá)下調(diào)，而B(niǎo)ax表達(dá)則上調(diào)［18］。這表明，鎘誘導(dǎo)小鼠睪丸間質(zhì)細(xì)胞凋亡，其機(jī)制可能與Bcl-2 基因下調(diào)和Bax 基因上調(diào)有關(guān)。許多研究結(jié)果報(bào)道，鎘能夠誘導(dǎo)p53基因在機(jī)體某些部位的表達(dá)。p53基因的表達(dá)上調(diào)可以明顯降低細(xì)胞活性氧（ROS）水平，從而減輕了鎘誘導(dǎo)的 DNA 破壞［19］，但又有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)鎘能夠顯著抑制睪丸中p53 基因表達(dá)，并有顯著的時(shí)間與劑量依賴性［16］。這表明鎘不是通過(guò)依賴p53 基因調(diào)控途徑來(lái)誘導(dǎo)睪丸細(xì)胞凋亡［20］。但在男性生殖系統(tǒng)其它部位卻研究發(fā)現(xiàn)，鎘誘導(dǎo)的前列腺細(xì)胞凋亡是通過(guò)依賴 p53基因調(diào)控機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的［16］。這些種種研究證據(jù)表明雖然p53參與了鎘誘導(dǎo)的睪丸細(xì)胞凋亡，但其機(jī)制較為復(fù)雜需進(jìn)一步研究。

（二）鎘對(duì)睪丸間質(zhì)細(xì)胞縫隙連接細(xì)胞間通訊的影響

縫隙連接細(xì)胞間通訊（gap junctional intercellular communication， GJIC）是通過(guò)鄰近的細(xì)胞間由連接蛋白（connexi，Cx）組成傳遞細(xì)胞間信息通訊的一種方式，它對(duì)調(diào)控細(xì)胞的增殖與分化及維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)等過(guò)程中都有十分重要的意義［21］?？p隙連接（gap junction， GJ）是細(xì)胞間的一種特殊通道，它們互相彼此之間傳遞細(xì)胞間信號(hào)。它們廣泛存在于機(jī)體各種組織細(xì)胞中，可以讓分子量小于1kDa分子通過(guò)，通過(guò)此種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間物質(zhì)的直接交換［22］?？p隙連接由Cx組成，目前為止發(fā)現(xiàn)約20種，大多數(shù)以分子量大小來(lái)命名，如分子量為43kDa的Cx則命名為連接蛋白43（connexin 43，Cx43）。大量研究表明Cx43是構(gòu)成GJ結(jié)構(gòu)的主要蛋白，它是睪丸組織中表達(dá)最為豐富的Cx，以Cx43構(gòu)成的GJIC與睪丸間質(zhì)細(xì)胞間電偶聯(lián)和代謝偶聯(lián)等生理活動(dòng)有著密切的聯(lián)系［23］。有研究表明蛋白激酶A（PKA）和蛋白激酶C（PKC）在調(diào)節(jié)睪丸間質(zhì)細(xì)胞之間的通訊過(guò)程起著十分重要的紐帶。在體外實(shí)驗(yàn)研究表明刺激PKA和PKC可使睪丸間質(zhì)細(xì)胞GJIC功能減弱，與此相反，PKA及 PKC拮抗劑能夠上調(diào)睪丸間質(zhì)細(xì)胞與環(huán)磷腺苷（cAMP）之間的偶聯(lián)，使GJIC功能加強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了激活PKA和PKC可以降低睪丸間質(zhì)細(xì)胞GJIC功能，且睪丸間質(zhì)細(xì)胞Cx43mRNA水平和蛋白表達(dá)水平也隨之減少［24］。環(huán)境毒素（氯化鎘、滴滴涕、苯酚、二硝基苯等）可以破壞睪丸間質(zhì)細(xì)胞及支持細(xì)胞中的CJ，使Cx43向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)移，并使Cx43出現(xiàn)磷酸化，從而激活了細(xì)胞絲裂原活化蛋白激酶，致使睪丸組織的正常生育功能被破壞［25］。這表明鎘可能是通過(guò)增加了Cx43磷酸化水平而使睪丸間質(zhì)細(xì)胞的GJIC功能降低。

（三）鎘對(duì)睪丸間質(zhì)細(xì)胞損傷的氧化應(yīng)激機(jī)制

氧化應(yīng)激引起的大量自由基致機(jī)體抗氧化的能力不足是鎘致睪丸損傷的重要機(jī)制之一。鎘被公認(rèn)為是誘導(dǎo)氧化應(yīng)激重要的物質(zhì)，其主要通過(guò)鎘誘導(dǎo)的脂質(zhì)過(guò)氧化、蛋白質(zhì)的氧化修飾改變、DNA雙螺旋鏈結(jié)構(gòu)斷裂等方面對(duì)細(xì)胞造成損傷。鎘誘導(dǎo)的ROS參與了脂質(zhì)過(guò)氧化。ROS對(duì)機(jī)體組織有嚴(yán)重的損害，它可引起各種細(xì)胞受到破壞，使細(xì)胞結(jié)構(gòu)及功能發(fā)生改變，最終導(dǎo)致其死亡和凋亡。由此，機(jī)體也產(chǎn)生了一些與之相對(duì)應(yīng)的酶，大致包括：谷胱甘肽過(guò)氧化物（GSHPx）、過(guò)氧化氫酶（CAT）、 超氧化物歧化酶（SOD）等，它們主要功能是用來(lái)清除ROS。所以后來(lái)大多數(shù)學(xué)者通過(guò)檢測(cè)胞質(zhì)內(nèi)酶的活性水平，來(lái)說(shuō)明鎘對(duì)細(xì)胞氧化應(yīng)激的損傷［26］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，給大鼠注射2mg/kg氯化鎘后，其睪丸組織中SOD活性下降，而丙二醛（MDA）含量增加，這表示鎘可以誘導(dǎo)SOD活性下降，使清除過(guò)氧化自由基產(chǎn)物的能力下降，最終導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化水平升高［27］。有研究表明鎘引起的氧化應(yīng)激使大鼠睪丸體積變小和生長(zhǎng)速度變緩、精子活力下降及數(shù)量減少、同時(shí)睪酮水平降低［28］。同樣Yang等［29］也研究發(fā)現(xiàn)將原代分離培養(yǎng)的睪丸間質(zhì)細(xì)胞鎘染毒后，其細(xì)胞存活率及合成睪酮的能力與對(duì)照組相比明顯下降。通過(guò)檢測(cè)酶活性及氧化還原產(chǎn)物，其GSH-Px、CAT、和胞漿線粒體SOD活性下降，而氧化還原產(chǎn)物MDA含量增加。這些說(shuō)明了鎘拮抗了睪丸間質(zhì)細(xì)胞大量抗氧化酶的活性，誘導(dǎo)了脂質(zhì)過(guò)氧化，這可能是鎘致睪丸間質(zhì)細(xì)胞損傷的重要機(jī)制之一。

（四）鎘對(duì)睪丸間質(zhì)細(xì)胞內(nèi)分泌功能的干擾

鎘作為一種內(nèi)分泌干擾物已被人們廣泛接受［30，31］，鎘暴露可導(dǎo)致大鼠血漿睪酮及睪丸內(nèi)的睪酮濃度明顯下降［32］。鎘可通過(guò)降低睪丸內(nèi)睪酮合成調(diào)節(jié)關(guān)鍵蛋白（StAR）、羥基類(lèi)固醇脫氫酶（3β-HSD）、膽固醇側(cè)鏈裂解酶（CYP11A1、P450scc）的活性水平，干擾細(xì)胞內(nèi)正常酶的代謝，精子發(fā)生受到抑制，其最終導(dǎo)致生殖系統(tǒng)受到破壞［33］。鎘能夠抑制cAMP、StAR及促黃體生成素（LH）受體的表達(dá)水平［34］。鎘不但可以對(duì)睪丸間質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生直接破壞，而且還能通過(guò)多種方式誘導(dǎo)下丘腦-垂體-睪丸軸來(lái)調(diào)節(jié)激素水平重新分布。另有研究就證實(shí)了鎘可以調(diào)節(jié)血漿LH、卵泡生成激素（FSH）的表達(dá)［30，35］。這些研究說(shuō)明了鎘導(dǎo)致的機(jī)體內(nèi)分泌功能紊亂原因是多方面的，其主要機(jī)制是由睪丸間質(zhì)細(xì)胞與下丘腦-垂體-睪丸軸共同調(diào)節(jié)來(lái)完成的。有文獻(xiàn)報(bào)道，鎘可能通過(guò)干擾下丘腦-垂體-睪丸軸的活動(dòng)，導(dǎo)致體內(nèi)神經(jīng)內(nèi)分泌功能紊亂，進(jìn)而破壞睪丸的結(jié)構(gòu)及功能，并提出加強(qiáng)對(duì)下丘腦-垂體-睪丸軸的研究，以便更好地了解鎘毒性的神經(jīng)內(nèi)分泌機(jī)制［36］。

綜上所述，鎘是一種有毒的重金屬環(huán)境污染物，至今尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)人和動(dòng)物有益的生物學(xué)作用，它可以引起人和動(dòng)物多種器官、組織的結(jié)構(gòu)和功能異常，對(duì)雄性生殖系統(tǒng)毒性尤為敏感，其作用機(jī)制較為復(fù)雜。它對(duì)睪丸間質(zhì)細(xì)胞的毒性作用機(jī)制目前大致包括：引起氧化應(yīng)激、阻礙DNA損傷修復(fù)、加劇細(xì)胞凋亡、對(duì)內(nèi)分泌功能干擾、減弱細(xì)胞間通訊功能等。隨著工業(yè)化進(jìn)程日益加快，人們生存環(huán)境受到的挑戰(zhàn)也隨之變得越來(lái)越嚴(yán)重，鎘對(duì)人類(lèi)雄性生殖健康產(chǎn)生的后果也正在逐步加重。目前為止，雖然鎘對(duì)雄性生殖毒性的研究已取得了不少成績(jī)，但大多停留在體內(nèi)及體外實(shí)驗(yàn)研究水平上，且很多方面還處于未知領(lǐng)域，存在許多有待解決的問(wèn)題。建議科研院所加大對(duì)鎘致人類(lèi)雄性生殖系統(tǒng)影響的研究，以便能盡快地揭開(kāi)鎘致男性生殖系統(tǒng)損傷機(jī)制的面紗，以期能更好地防治急、慢性鎘中毒。這對(duì)維護(hù)男性生殖健康及優(yōu)生優(yōu)育有著重要的意義。

鎘； 萊迪希細(xì)胞； 損傷

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（2015-08-08收稿）

10.3969/j.issn.1008-0848.2015.11.017

R 691.6