2008年第3期 NO.3.2008 湖州职业技术学院学报 Jou r hal of Huzhou VocationaI and TechnoIogicaI College 2008年9月 Sep.2008 镉对雄性生殖毒性的研究进展 邱 吉 (湖州职业技术学院科研处,浙江湖州 313000) 摘要:镉是一种具有慢性毒害的重金属,生殖系统对其毒性非常敏感,其中,镉的雄性生殖毒性分别从对睾丸和附睾形态的影 响,镉对睾丸生精过程中某些酶的影响,睾丸组织的病理学改变及其对精子参数的影响,镉对内分泌和生殖力的影响等四个方面 进行阐述。镉的生殖毒性作用机理目前存在四种假设;镉一钙互作,酶谱改变, ̄-b-e,el硫蛋白的关系,氧化损伤和微量元素的关 系等。最后还展望了镉的生物学研究前景 关键词:镉;雄性生殖毒性;睾丸;附睾 中图分类号:Q418 文献标识码:A 文章编号:1672—2388(2008)03—0008—04 Review of the Male Reproductive Toxicity by Cadmium QIU ji f Office ofScienti ̄ic Research,Huzhou VocationalS ̄Technological College,Huzhou 313000,Ctu'na) Abstract:Cadmium is a kind of heavy metal with obvious chronic toxicity and very sensitive to genital system.This paper talks about the synthesis of cadmium in the male reproductive toxicity and its mechanism,explaining such aspects as the male reproductive toxicity of cadmi— um from the impact of the testis and epididymis shape,the impact of some enzymes in spermatogenesis process,pathological changes of testic— ular tissues and the effects in sperm parameters,and the impact of the endocrine and fertility.There are four assumptions existing in cadmi— um reproductive toxicity cadmium,which are calcium interaction,the change of spectrum,the relationship between cadmium and metallo— thionein(Metallothionein,MT),oxidative damage and trace element,etc.Finally,the author looks into the prospect of biology. Key words;cadmium;the male reproductive toxicity;testis;epididymis 镉是一种十分有害的工业、环境毒物,在机体内生物半衰期长达1O一3O年,是最易在体内蓄积的环境 污染物之一,具有多器官和组织毒性。镉对肾脏、肺、肝以及血液系统均可产生毒性,尤其是生殖系统对镉 毒性最敏感,包括睾丸、附睾、精巢、输精管和前列腺 。目前对氧化损伤与镉毒性最低剂量毒性的研究已 引起许多学者兴趣并进行了大量研究,这对于镉毒性尤其是其致癌机制的研究具有极为重要的影响。 1 镉对雄性生殖毒'15的影晌 1.1 镉对睾丸和附睾形态的影响 镉对动物睾丸的形态学影响,多数学者认为早期主要表现在血管上,晚期损害睾丸实质细胞,曲细精 管纤维化,正常结构消失,继而引起生精上皮的退变[ 。然而李维信等[3]的研究结果提示镉能直接损伤生 精上皮和睾丸血管,且生精上皮对镉的敏感性要高于睾丸血管。彭江红[4 酸镉染毒剂量为6 mg/kg・d, 令大白鼠连续口服30 d和60 d,观察睾丸重量的变化,光镜下检查对睾丸的影响。结果显示染镉时间的 延长,大鼠睾丸重量明显逐渐下降;光镜检查,睾丸曲细精管有不同程度的变性,管内生精细胞数减少或缺 失,精于形成少或无。表明染镉时问长短对睾丸的影响呈明显的剂量一反应关系。大鼠染镉后,附睾体积 *收稿日期:2008一O1—09 作者简介:邱吉(1984一),男,浙江安吉人,湖州职业技术学院科研处教师,主要从事生态毒理学研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com
第3期 邱吉:镉对雄性生殖毒性的研究进展 明显缩小,重量减轻,附睾管上皮细胞变性,萎缩,管问结缔组织增生 ]。另外有报道 ,在镉处理后7d附 睾主细胞顶部微绒毛明显稀少短少,胞质顶部清亮小泡明显减少,胞质内溶酶体增多,管周基底膜不规内 陷增多,管腔内基本无精子,可见大量坏死细胞碎片。 1.2镉对睾丸生精过程中某些酶的影响 碱性磷酸酶(ALP)与睾丸生精细胞分裂活动及葡萄糖向各级生精细胞的转运有关。ALP是一种含锌 酶。镉与蛋白质巯基结合比锌稳定,故能使含锌酶中的锌不可逆地置换出来,从而影响ALP的活性,造成 睾丸生精细胞分裂和葡萄糖向各级生精细胞的转运障碍 ]。乳酸脱氢酶(LDH)是糖酵解的一个关键酶,睾 丸组织除了可利用糖的有氧氧化获取能量外,还可通过糖酵解得到能量。因此,精子的形成,激素的分泌 均与LDH有着密切的关系。李湘鸣Is3等经研究称大鼠睾丸中LDH总活性随着镉染毒剂量的增加,其活 性受到明显抑制,各染毒剂量组与对照组差异具有显著性(p<0.05)。经回归分析发现,剂量反应关系呈对 数曲线变化。LDH同功酶一X(LDH—x)存在于精细胞的线粒体中,与生精细胞的酶解活性密切相关。 LDH—X对镉的毒性较敏感,4.36/ ̄mol/kg即可使其活性完全丧失。说明低剂量镉完全能破坏或影响机 体的繁殖能力。 1.3镉对睾丸组织的病理学改变及其对精子运动参数的影响 近期,镉对睾丸组织的损害与细胞凋亡之间的关系受到较多关注。在病理情况下,生精能力的丧失也 与生殖细胞的凋亡有关。Xu[9_利用RT—PCR技术研究,发现镉诱导的睾丸组织凋亡是通过P53因子表 达调控的途径实现的。而Jonesl-】。。等人分别在镉处理前0.5、l、2 h和镉处理后0.5、l、2 h给予亚硒酸盐, 结果各组均同样有效地抑制了睾丸细胞凋亡的产生,并对镉诱导的睾丸组织坏死起到抑制作用。 由于正常的精子运动是精子结构和功能状况的综合体现,精子运动装置的异常及能量代谢障碍,都是精 子运动障碍重要的内在因素。梁培育I11]等的实验结果提示精子运动参数是反映镉对雄性生殖毒性的重要指 标,大鼠精子染镉后运动速度、运动方式的改变为镉对雄性生殖毒性提供了直接的证据。他们利用CASA (Carnegie—An%s—StanfordApproach)技术检测精子运动参数(Mot)、直线运动速度(VSL)、精子头侧摆幅度(ALH)和曲 线运动速度(VCL)时发现在0.1 mg/kg・d体重染镉组,Mot明显低于对照组(p<0.05);随着染镉量的增加, 各运动参数逐渐降低;在0.4 rng/kg・d体重染镉组,Mot、VCL、VSL、ALH明显低于对照组(p<0.05或p<0. o1);0.8 mg/kg・d体重染镉组各参数与对照组比较差异均有显著性(p<0.05或 <0.01)。 1.4镉对内分泌和生殖力的影响 镉能抑制在体和离体睾丸细胞分泌睾酮(testosterone,T)C23。陈龙_-】 等研究发现在慢性镉负荷下大鼠血 浆促卵泡刺激素(follicle stimulating hormone,FSH)和促黄体刺激素(1uteinizing hormone,LH)水平没有显著变化。但T 水平在第3和6周均低于或显著低于对照组,分析认为是由于镉对睾丸的直接损伤影响其内分泌机能造 成的。徐晨等的研究表明,小剂量镉可使大鼠血清T水平迅速下降,至第7天达最低值[13]。体外实验也 提示,镉对睾丸间质细胞雄激素的合成与分泌功能有损伤作用[143。 慢性染镉可致雄鼠生育力显著降低。据报道 ],小鼠一次腹腔注射氯化镉0.5~8 mg/kg,其中 8 mg/kg组小鼠睾丸全部发育不良,无精子生成,不孕率为100 ;2 rng/kg组睾丸发育不良小鼠无精于, 睾丸发育正常小鼠有精子生成,可见生育能力随剂量的增加丽下降。氯化镉处理雄鼠第5O天与正常雌鼠 同笼交配,2 mg/kg组一周受孕率、3周受孕率显著低于对照组和0.5 mg/kg组(p<o.05),各组异常妊娠 率差异无显著性(p>o.05)。因此,镉对雄性生育力具有明显的不良影响。 2镉的生殖毒性作用机理 镉的生殖毒性作用机理仍未完全明确,目前存在几种假说。 2.1镉一钙的相互作用 Cd +离子半径9.7×10。cm,与Ca +离子半径(9.9×10~。cm)非常接近。一种学说认为镉通过钙离子 通道进入细胞,通过抑制钙泵的功能,使细胞内钙的浓度增加;进入细胞内的镉能与钙调蛋白结合激活钙 调蛋白依赖性激酶,或直接激活与钙相关的酶类如丝裂原激活蛋白激酶等,从而调节细胞增值、离子通道、 肌肉收缩、糖脂代谢等许多生物学应答过程。另外细胞内的镉还能取代钙与肌动蛋白、微管、微丝相结合, 破坏细胞骨架的完整,损害细胞功能 ]。 2.2镉与酶活性 镉可抑制多种酶的活性,尤其是含锌酶和巯基酶。镉可使附睾组织的碱性磷酸酶,乳酸脱氢酶,碳酸 维普资讯 http://www.cqvip.com
lO 湖州职业技术学院学报 2008钲 酐酶和a一酮戊二酸脱氢酶的活性降低,明显抑制精子的特异标志酶一乳酸脱氢酶一X的活力,提高睾丸组 织中△一3B一羟固醇脱氢酶的活力 ”]。睾丸中各种酶活性的正常与否直接关系到精子能否正常生成,镉 可通过改变性腺、附性腺组织内酶活性,破坏正常的酶代谢平衡,进而影响精子的正常生成,造成生殖系统 损伤。 周雍等 。 给雄性大鼠急性镉暴露,然后测肝、睾丸中酶活性,发现中毒后0.5h肝中SOD、GSH—PX、 CAT活性显著下降,GSH明显耗竭;l h后GSH显著升高;中毒3 h后MT成为正常值的2.8倍;6 h时 SOD、GSH—PX、CAT等活性有所恢复。而睾丸在中毒0.5 h—l h内,GSH远未耗竭,抗氧化酶活性下降不 明显,3 h后GSH耗竭,其浓度超过肝中毒0.5 h的情况,SOD、GSH—PX、CAT等活性显著升高;到48 h,睾 丸氧化损伤程度不断加重。作者认为GSH、SOD、GSG—PX等先降后升,是机体的应激反应表现。 2.3 镉与金属硫蛋白(MT)的关系 MT是一种富含半胱氨酸并螯合有锌、铜、镉等金属的非酶蛋白。MT对机体抗氧化酶活力的恢复、 脂质过氧化的减轻、自由基的清除等有重要作用,可被氧化应激和重金属诱导合成。睾丸中缺乏高半胱氨 酸的MT,对镉中毒特别敏感。目前认为,MT对镉中毒后有重要的解毒功能,而锌就是其的诱导剂。根 据我国实验室目前对MT的对镉中毒大鼠保护机制的研究中观察到金属硫蛋白不同时相和不同阶段的 差异性和特异性表达对大鼠附睾组织也有保护作用。徐莉春等[】 用不同剂量的CdC1z(o.2、0.4和0.8 mg/kg sw)对SD雄性大鼠腹腔染毒,发现中小剂量的镉可诱导睾丸中MT的产生,MT对氧化损伤起保护作 用,抑制脂质过氧化作用的发生,高剂量的镉不表现诱导作用,反而使睾丸中MT含量显著降低,影响睾 丸抗氧化损伤的能力。 另外,用2 mgCd/kg注射雄性SD大鼠,睾丸类MT—Cd结合蛋白(MT—likeCd—BP)比未处理组明显减 少,而经口染毒的20 mgCd/kg 1周睾丸MT—like Cd—BP比未处理组明显增加4倍。结果提示睾丸MT —like Cd—BP在经皮染毒时很难被镉诱导,而经口染毒则为镉所诱导并增加镉在睾丸的蓄积_2 。 2.4镉与氧化损伤 目前,镉毒性作用机理的研究不少集中于镉引发的氧化损伤方面。镉可以引起脂质过氧化、DNA链 的断裂以及蛋白质的氧化修饰等∞”。镉引起的氧化损伤一方面与细胞内谷胱甘肽等含巯基肽(蛋白)的耗 竭有关;另一方面还要归咎于它诱导产生的过量自由基[2 。镉并不能直接作为电子供体产生细胞内氧化 应激活性氧(ROS)引起氧化损伤。但是,在MT存在下,其表现出产生羟基自由基(・OH)的能力,这可能是 因为镉可以与金属硫蛋白上络合的铁、铜等金属离子进行交换替代使其释放出来发生反应,或者是由于对 自由基清除剂的消除所致[2 。 镉产生氧化损伤主要是通过以下几种途径来实现的[ ]:(1)镉可以损伤线粒体,协同铜、铁离子在受 干扰的细胞呼吸过程中产生氧化自由基;(2)镉可以抑制细胞内CAT、GPx、SOD等抗氧化酶的活性从而 削弱细胞抗氧化能力;(3)镉可以通过活化黄嘌呤氧化酶、血红素氧化酶使细胞内产生过量的超氧自由基。 2.5镉与微量元素 现已知~些元素可拮抗镉的毒性,如锌、硒等为肯定的镉毒性拮抗剂,此外,铜、锰等对镉的毒性作用 可能也有一定的影响。锌为体内一些酶的组成成分,而镉是有毒重金属,二者对体内的一些酶竞争性结 合。锌能拮抗镉引起的睾丸、附睾、输精管和精索丛的形态学改变,并能防止镉所致的生育力消失。有报 道,在镉注射前、注射时和注射后,分3次注射锌,其保护效果最佳 ]。临床资料证实每次口服锌剂250 mg, 每日两次的补锌治疗3个月后能明显改善大量吸烟(>20支/d)男性不育者精予活动能力 ],提高弱精者配 偶的妊娠率 。硒的保护机制是血中形成镉一硒蛋白复合体 ]。硒能明显拮抗镉所引起的脂质过氧化水 平增高和染色体畸变数的增加[29]。 3 结 语 综上所述,随着工业化的快速发展,环境污染日益严重,重金属镉对人类生殖健康和生殖安全的威胁 进一步增大。虽然现在镉的生殖毒性毒理学研究已经取得了一定的成绩,但人群研究资料较少,且在很多 反面尚无肯定的结论,存在不少亟待解决的问题。只有进一步探讨镉对生殖系统结构及功能的影响和确 切机制,才能减少和预防镉对生殖系统的潜在危害,这对于人类性学及重金属毒理学的基础研究和临床实 践具有重要意义。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 邱 占:镉对雄性生殖哥性的研究进展 1 L 参考文献: [1]金亚平.镉对哺乳动物生殖系统及后代发育的影响[J].国外医学卫生学分册,1991,1:l 4—1 8. [2]罗政国.镉对小向鼠睾丸的损害[J].贵阳医学院学报,1993,(4):251—255. [3]李维信,廖晓岗,唐宜,等.镉对大鼠睾丸的损伤及锌保护作用的超微结l构研究[J].解剖学报,1988,19,f1):74~78. [4]彭江红,陶友荣.镉对大鼠睾丸毒性作用的实验研究[J7.中国媒介生物学及控制杂志,1 999,10,(6):408一,i09. f 5]杨建明,吴向东,金 泰,等,镉的性腺和附性腺毒性研究[J].中华劳动卫生职业病杂志,1998,16,(1);40_。t2. [6]徐晨,李维信.镉的雄性生殖毒性及营养干预的研究进展[J_.解剖学报,1999,30,(3):259—263. [7]梁弟.镉对机体毒性作用机制国内研究进展『J].职业与健康,2002,18,(1):9—10. f 8]李湘鸣,居中华.镉对大鼠睾丸中某些酶活性及组织形态的影响[J].卫生毒理学杂志,1999,1 3,(I):3I一33. [9]Xu G,Zhou G,Jin T,at a1.Apoptosis and P53 gene expression in male reproductive t ̄sues of cadmium exposed rats[J_.BiometMs, 1999,(12):131—139. [10]Jones MM,Xu C,Ladd PA.Selenite suppression of cadmium2induced testleular apoptosis[J].Toxicology,1997,(116):169—175. 口1]梁培育,李浩勇.镉对大鼠精子运动参数的影响[J].中国热带医学,2003,3,(5):578—579. [12]陈龙,任文华.慢性镉负荷雄性大鼠的睾丸及生殖内分泌功能活动[J],生理学报,2002,54,(3):258~262. [13]Xu C,Li WX.The effects ofcadmium on ultrastructure and 7 P 5e cytochemistry ofseminal vesicle and serum concentration of testos— terone抽rats rJ1.Acta Anatom Sin,1997,28,(3):314. [14]Laskey JW,Phelp PV. _,ect of cadmium and other metal cations oH in vitro Leydig cell festosterone production[J].Toxicol Appl Pharmacol,1991,108,(3):296. [15]金龙金,张军明.氯化镉对雄性小鼠的生殖毒性作用[J].中国男科学杂志,2004,18,(1):15~18. [16]苏念军,朱伟杰,李菁.镉对雄(男)性生殖系统的毒性影响[J].生殖与避孕,2004,24,(2):103—107. [17]曹建平,王玉珍,廖惠珍.镉的雄性生殖毒性及营养干预的研究进展[J].现代预防医学,2003,30,(3):409—411. [18]周雍.急性镉中毒大鼠睾丸氧化损伤机制的研究[J].第二军医大学学报,2002,23,(1):64—66. [19]徐莉春,王沐沂,赵人净,等.金属硫蛋白在镉致睾丸氧化损伤中的保护作用[J].卫生研究,2000,29,(2):78—79. [20]Ohta H,Nakakita M,Tanaka H,et a1.Induction of metallothionein一 e cadmium—binding protein in the testis by oral cadmium ad— ministration而rats[J].Ind Health,1997,35,(1):96—103. [21]Berlett B S,StadtmanER.Protein oxidationin aging,disease,andoxidative stress[J].Journal ofBiological Chemistry,27,(2):20313 —20316. [22]LiM,KondoT,Zhao qL,et a1.Apoptosis induced by cadmium抽human lymphoma U937 cells through('丑 +一calpain and caspase—mi— tochondria—dependent pathways[J].Journal ofBiologicalChemistry,2000,75,(50):39702—39709. [23]Thevenod F,Friedmann J M,Katsen A D,et a1.Up-regu]ation ofmultidrug resistance Pglycoprotein via nuc/ear factor—kappaB dCtl'va— tion protects kidney proximal tubule cells from cadmium and reactive oxygen species-induced apoptosis[J].Biological Chemistry, 2000,275,(3):1887—1896. [24]朱善良,陈龙,高伟,等.镉致大鼠睾丸脂质过氧化及酶活性变化研究[J].中国公共卫生,2003,19,(96):707—709. [25]李建秀,王晓梅.氯化镉对小鼠精子的影响『J].下业卫生与职业病,1997,23:213—2i4. [26]AI—Bader A,Omu AE 8-Dashti H.Chronic cadmium toxic#y to sperm of heavy cigarette smokers immunomodulation r zinc[J]. Arch Androl,1999,43,(2):135—1 40. [273 Omu AE,Dashti H AI—Othman S.Treatment of asthenozoosp Ermia with zine sulphate:andrologica1.immunologt2"al and obstet ric outcome[J].Eur J Obstet Gynecol Reprod Biol,1998,79,(2):179—184. [283王爱国.硒与镉、锰、汞、砷、钥等微量元素的研究进展[J].中国地方病学杂志,】993,(12);1 79—1 81. [29]常 薇,陈学敏,杨成峰.镉的遗传毒性与脂质过氧化的关系及硒锗的拮抗作用研究f.I-1.中国公j 卫生学报,1 996,(1 5):355.
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