鎘對(duì)骨質(zhì)代謝影響的研究

周志強(qiáng)　周子彥　徐天祺　曹瑩　宋瑞龍　劉宗平

【摘 要】鎘在動(dòng)物體內(nèi)逐漸蓄積，會(huì)導(dǎo)致骨代謝失衡，從而引起軟骨癥、骨質(zhì)疏松和骨折等骨代謝類疾病。骨代謝是骨重建與骨吸收兩個(gè)過(guò)程之間的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，是維持骨骼發(fā)育的一個(gè)重要代謝過(guò)程。破骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞在其中扮演者重要角色，本文詳細(xì)闡述了鎘經(jīng)其對(duì)骨質(zhì)代謝的影響。

【關(guān)鍵詞】鎘;骨代謝;骨重建;破骨細(xì)胞

中圖分類號(hào)： R965 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）19-0228-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.109

0 前言

骨代謝包括骨重建和骨吸收兩個(gè)過(guò)程，骨重建和骨吸收之間的動(dòng)態(tài)平衡對(duì)骨代謝的過(guò)程至關(guān)重要。鎘（Cd）是環(huán)境和工業(yè)的主要污染物之一。國(guó)內(nèi)外研究表明，慢性鎘污染能引起骨質(zhì)大量丟失，造成動(dòng)物骨質(zhì)疏松等骨骼類疾病[1]。隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的加快，工業(yè)污染物的排放，以及霧霾的不斷出現(xiàn)，大氣和飼料中的鎘污染已嚴(yán)重危害著人和動(dòng)物的健康，其引起的畜禽骨骼類疾病已成為危害畜牧業(yè)發(fā)展的主要疾病之一。本文就鎘對(duì)骨質(zhì)代謝過(guò)程的影響做簡(jiǎn)要論述。

1 鎘污染現(xiàn)狀

Cd是在自然界毒性最強(qiáng)的重金屬元素之一。隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的加快，鎘及其無(wú)機(jī)化合物被廣泛應(yīng)用于電鍍、電池、顏料、塑料制品以及合金等產(chǎn)品的制造環(huán)節(jié)，Cd的產(chǎn)量在不斷增加，用途也在不斷擴(kuò)充。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年向環(huán)境中釋放的鎘達(dá)3萬(wàn)噸左右，其中82%～94%的鎘會(huì)進(jìn)入到土壤中，通過(guò)“土壤（包括水體）-飼料-動(dòng)物”這條主線影響畜禽的健康[2]。隨著霧霾的加重，大氣中Cd污染也逐漸引起國(guó)內(nèi)外的重視，其大氣中鎘污染已成為大氣監(jiān)測(cè)的主要項(xiàng)目之一。另外鎘對(duì)畜禽的影響，最終也會(huì)通過(guò)食物鏈在人類體內(nèi)蓄積，從而對(duì)人類的健康和生命造成嚴(yán)重的危害。1997年以來(lái)，美國(guó)毒物及疾病管理局一直將鎘列為第6位危害人體健康的有毒物質(zhì)。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）和世界衛(wèi)生組織（WTO）將其列為僅次于黃曲霉毒素和砷的污染物[3]。

近年來(lái)，我國(guó)Cd污染事件越發(fā)頻繁[4]，湖南、廣西、廣東等地由于Cd礦的開(kāi)采冶煉而導(dǎo)致的Cd污染事件屢見(jiàn)報(bào)道。2009年8月，湖南省瀏陽(yáng)市鎮(zhèn)頭鎮(zhèn)一家生產(chǎn)硫酸鋅的工廠因缺乏合理的污水排放設(shè)施，導(dǎo)致工廠周邊500～1200m的范圍內(nèi)的地區(qū)發(fā)生Cd污染，成為Cd污染源區(qū)（高薇，2009）。2012年1月，廣西省的龍江河遭受Cd污染，據(jù)估算，本次事件Cd的泄漏量約20噸，沿河約300km的河段發(fā)生Cd污染，對(duì)沿河城市的居民健康造成嚴(yán)重的危害。2013年5月，中央電視臺(tái)等多家媒體曝光的湖南鎘大米事件，引起了全社會(huì)的廣泛關(guān)注。報(bào)道稱廣州市食品藥品監(jiān)督管理局對(duì)進(jìn)入廣州市內(nèi)的多個(gè)批次的米及米制品進(jìn)行抽檢，經(jīng)檢測(cè)有8個(gè)批次的米及米制品鎘的含量超標(biāo)，其中有5個(gè)批次來(lái)自于湖南省。廣州市食品藥品監(jiān)督管理局將這8個(gè)批次抽檢鎘超標(biāo)的米及米制品的生產(chǎn)廠家和品牌標(biāo)識(shí)對(duì)外公開(kāi)，并公布了廣州市2013年第一季度的抽檢結(jié)果，大米鎘超標(biāo)的現(xiàn)象令人嘆為觀止，大米鎘指標(biāo)的合格率僅為56%，由此可見(jiàn)我們面臨的鎘污染問(wèn)題已經(jīng)咎待解決。

2 鎘污染引起骨骼類疾病

鎘最嚴(yán)重的健康效應(yīng)是對(duì)骨的影響，其在體內(nèi)潛伏達(dá)10到30年[5]。人如果長(zhǎng)期攝入受到鎘污染的食物，會(huì)造成鎘在體內(nèi)肝臟、骨骼等器官蓄積，導(dǎo)致骨骼脆性減弱，引發(fā)骨軟化癥、骨質(zhì)疏松等癥狀，患者會(huì)感到全身疼痛，被稱為“痛痛病”。上個(gè)世紀(jì)60年代，日本有名的痛痛病事件就是由于鎘污染導(dǎo)致的患者骨骼軟化、萎縮，四肢彎曲，脊柱變形，骨質(zhì)松脆，就連咳嗽都能引起骨折。

Scimeca M等人分析了25例骨頭活檢骨質(zhì)疏松患者和25例骨關(guān)節(jié)炎患者的骨頭活檢，發(fā)現(xiàn)在骨質(zhì)疏松患者中鉛，鎘和鉻積累的流行[6]。來(lái)自韓國(guó)的幾大機(jī)構(gòu)聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)，絕經(jīng)婦女，吸煙者或頻繁飲酒，低教育水平和低家庭收入人群在骨質(zhì)減少或骨質(zhì)疏松癥組比正常組更大，并與增加的血液重金屬濃度水平相關(guān)聯(lián)，在血液中含鎘的情況下，骨質(zhì)減少或骨質(zhì)疏松的風(fēng)險(xiǎn)增加2.1倍（95%CI 1.64-2.68）[7]。Liao Y等研究發(fā)現(xiàn)Cd能導(dǎo)致鴨的骨損傷，引起骨質(zhì)疏松，小梁骨變小變薄[8]。另研究發(fā)現(xiàn)低劑量的Cd能夠?qū)е鹿琴|(zhì)疏松等，且與鈣的攝入量無(wú)明顯相關(guān)性[1]。我們?cè)缭?994年就報(bào)道了環(huán)境鉛鎘污染對(duì)動(dòng)物骨骼損失病例[9]。

3 鎘對(duì)骨重建的影響

骨重建是骨代謝過(guò)程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是維持骨骼正常發(fā)育所必需的一個(gè)過(guò)程。動(dòng)物體內(nèi)蓄積有大量的鎘，會(huì)導(dǎo)致成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞發(fā)生損傷，進(jìn)而影響骨質(zhì)骨重建。破骨細(xì)胞具有獨(dú)特的骨吸收功能，其對(duì)骨重建中的骨降解起決定性作用。OPG（骨保護(hù)素）途徑，是調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞數(shù)量和功能的最主要通路。

破骨細(xì)胞是終末多核巨噬細(xì)胞，不能增殖分裂，只能由其他單核細(xì)胞融合分化而來(lái)。RANKL、M-CSF和OPG是破骨細(xì)胞分化和骨吸收必需的關(guān)鍵調(diào)控因子，RANKL和M-CSF對(duì)破骨細(xì)胞的分化和骨吸收起促進(jìn)作用，而OPG則起抑制作用。成骨細(xì)胞除了具有骨礦化功能外，其分泌的RANKL和OPG對(duì)破骨細(xì)胞的分化和骨吸收起決定作用。破骨細(xì)胞前體細(xì)胞在M-CSF和RANKL的誘導(dǎo)下，激活一系列的信號(hào)通路，引起細(xì)胞的融合、分化和成熟。成熟的破骨細(xì)胞具有骨吸收功能，在破骨細(xì)胞骨吸收過(guò)程中，細(xì)胞骨架發(fā)生重組，以肌動(dòng)蛋白為主要成分的偽足小體重排，形成一個(gè)肌動(dòng)蛋白環(huán)，即封閉帶，為骨吸收提供了一個(gè)密閉的環(huán)境，封閉帶內(nèi)有皺褶緣，細(xì)胞通過(guò)皺褶緣將質(zhì)子和蛋白水解酶運(yùn)輸?shù)轿帐抑校缃M織蛋白酶K（Cathepsin K）、MMP和抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP），降解骨骼中的骨基質(zhì)蛋白，分別溶解礦物質(zhì)和骨基質(zhì)蛋白。OPG能夠與RANKL競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合，抑制上述過(guò)程，影響骨重建。目前研究發(fā)現(xiàn)，Cd能引起骨重建的異常[1]。

4 鎘與破骨細(xì)胞的分化和骨吸收

Cd能夠引起骨代謝紊亂，造成大量骨質(zhì)丟失，與Cd引起破骨細(xì)胞數(shù)量和活性的過(guò)度增強(qiáng)密不可分的[10]。Cd通過(guò)兩種方式影響破骨細(xì)胞的分化和骨吸收。一方面，Cd通過(guò)作用于成骨細(xì)胞，使得RANKL的表達(dá)量增強(qiáng)和抑制因子OPG的表達(dá)量減弱，進(jìn)而間接引起破骨細(xì)胞分化和骨吸收功能異常增強(qiáng)。另一方面，Cd能夠直接影響破骨細(xì)胞的分化和骨吸收功能。

Cd經(jīng)成骨細(xì)胞影響破骨細(xì)胞的分化和骨吸收。通過(guò)濃度為0、2、10和50mg/L的飲用水給予Cd飼喂SD大鼠12周，免疫組化實(shí)驗(yàn)顯示Cd處理后，RANKL表達(dá)增強(qiáng)，OPG表達(dá)減少，脛骨的TRAP染色Cd處理組破骨細(xì)胞的數(shù)量顯著大于對(duì)照組，且呈量依賴性[11]。將大鼠成骨細(xì)胞與RAW264.7混合共培養(yǎng)，顯示不同濃度的Cd能顯著增加破骨細(xì)胞的數(shù)量和骨吸收活性，且呈劑量依賴性[12]。對(duì)長(zhǎng)尾泥猴靜脈注射CdCl2，能夠引起破骨細(xì)胞增多，骨吸收增強(qiáng)。這些結(jié)果表明Cd可能通過(guò)成骨細(xì)胞分泌RANKL和M-CSF影響破骨細(xì)胞的分化和骨吸收功能，進(jìn)而造成骨吸收異常。

Cd能夠直接作用于破骨細(xì)胞，引起其分化和骨吸收異常增強(qiáng)。Cd能促進(jìn)祖細(xì)胞分化為破骨細(xì)胞，經(jīng)TRAP染色后，從染色結(jié)果可以看出，陽(yáng)性多核細(xì)胞增多，即成熟的破骨細(xì)胞增多，促進(jìn)破骨細(xì)胞封閉帶的形成，進(jìn)而顯著增強(qiáng)破骨細(xì)胞的骨吸收活性，骨吸收陷窩增多，且具有濃度梯度依賴性[10]。劉宗平[13]等從23天齡的高郵鴨胚中收獲骨髓細(xì)胞，并用50nmol/L鎘單獨(dú)或不同的鎘濃度（0，5，10，20和50nmol/L）與M-CSF和RANKL。進(jìn)行TRAP染色，用牛皮質(zhì)骨切片的坑形成試驗(yàn)，以及用四甲基羅丹明異硫氰酸鹽（TRITC）-耦合的鬼筆環(huán)肽和Hoechst 33258的共染色，以確定TRAP陽(yáng)性細(xì)胞的數(shù)量和骨吸收活動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)在M-CSF和RANKL存在下濃度為10nmol/L的鎘以濃度依賴性方式顯著增加，TRAP陽(yáng)性細(xì)胞的數(shù)量（35-160%）和骨吸收活性（36-261%）（P<0.05）。在M-CSF和RANKL存在下的高鎘濃度顯著促進(jìn)分化的破骨細(xì)胞中絲狀（F）-肌動(dòng)蛋白環(huán)的形成?？傊k在M-CSF和RANKL的存在下促進(jìn)了鴨胚胎破骨細(xì)胞的體外分化和骨吸收。環(huán)境中低劑量的Cd能夠引起大鼠破骨細(xì)胞的增多，造成骨損傷。在RANKL存在的條件下，Cd能夠上調(diào)RAW264.7細(xì)胞的RANK、TRAF6、Fra1、c-src和c-fos等分化相關(guān)因子的上調(diào)，引起破骨細(xì)胞的增多。對(duì)犬的骨髓細(xì)胞體外誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Cd處理組破骨細(xì)胞的數(shù)量和骨吸收陷窩的面積和數(shù)量都明顯增多。

這些數(shù)據(jù)表明Cd能夠直接影響破骨細(xì)胞的分化和骨吸收過(guò)程，引起骨吸收異常增強(qiáng)。盡管如此，Cd直接影響破骨細(xì)胞分化和骨吸收的分子機(jī)理尚未明確。

5 總結(jié)

鎘被動(dòng)物攝入后在動(dòng)物體內(nèi)逐漸蓄積，會(huì)引起鎘中毒，導(dǎo)致成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞的損傷，從而影響骨代謝過(guò)程。骨代謝是處于骨重建與骨吸收兩個(gè)過(guò)程之間的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，是維持骨骼發(fā)育的一個(gè)重要代謝過(guò)程。骨重建是骨代謝過(guò)程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是維持骨骼正常發(fā)育所必需的一個(gè)過(guò)程，其失衡可能嚴(yán)重影響骨骼的形成和功能。破骨細(xì)胞在骨重建中起著決定性作用，其數(shù)量的增多或活性的增強(qiáng)，會(huì)造成骨質(zhì)的大量丟失，引發(fā)軟骨癥、骨質(zhì)疏松和骨折等骨骼疾病。RANKL、M-CSF和OPG是破骨細(xì)胞分化和骨吸收必需的關(guān)鍵調(diào)控因子，鎘能引起RANKL分泌減少和OPG分泌增加，從而使得骨吸收過(guò)程受到抑制，進(jìn)而使得骨質(zhì)代謝過(guò)程發(fā)生紊亂。此外，鎘經(jīng)成骨細(xì)胞影響破骨細(xì)胞的分化和骨吸收，并且鎘能夠直接影響破骨細(xì)胞的分化和骨吸收過(guò)程，引起骨吸收異常增強(qiáng)。

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