王 毅 陳 平 綜述 廖曉崗 審校

1. 1.三峽大學第一臨床醫(yī)學院，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)科大學生命科學研究院

·綜 述·

鎘對睪丸間質細胞損傷的作用機制

王 毅1陳 平1綜述 廖曉崗2審校

1. 1.三峽大學第一臨床醫(yī)學院，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)科大學生命科學研究院

鎘是一種常見的工業(yè)和環(huán)境毒物，在環(huán)境中不能被生物降解，相反它卻能夠經食物鏈的生物放大作用，成千百倍地富集。在各種水產品魚、貝等中大量蓄積。土壤中的鎘可被谷物吸收，最終通過飲水、食物和呼吸進入人體，在人體器官中的大量累積，對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，可導致精子數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。睪丸間質細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細胞合成與分泌的。毒物對雄性生殖系統(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，本文就鎘對睪丸間質細胞的損害及毒性作用機制行相關綜述。

一、鎘暴露

在近幾十年流行病學研究表明男性的生育能力呈逐漸下降趨勢。對精液的各項參數Meta分析顯示，在過去的50年里人類精子數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越多［3］。產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。鎘的天然來源，如被風化的巖石、火山噴發(fā)和森林火災等。人為排放在環(huán)境中的鎘超過天然來源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，還有農業(yè)使用肥料及工業(yè)生產的防腐劑，另外生產鎳-鎘電池產生的工業(yè)廢料也是鎘來源的重要途徑，從事采礦"電池制造和鎘染料生產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）這個劑量不足以對人類和動物造成危害。但在有的地區(qū)鎘污染相當嚴重，被鎘污染過的植物性食物，鎘含量超過2mg/kg［5］，給周圍的人群及動物帶來了極大的傷害。在工廠附近，鎘可以對植物、地表水和土壤產生直接污染。。煙草中的煙霧是吸煙者吸收鎘的主要來源。在吸煙時，煙霧中含有氧化鎘，它是一種活性極強的物質。被吸入煙霧中的氧化鎘大約三分之一進入肺部最后到達全身組織器官，其中有十分之一的氧化鎘將滯留在肺部［6］。大樣本資料調查得出在德國，吸煙人血液中鎘的含量是不吸煙人的4倍［7］。鎘具有很長的生物半衰期，在生物體內代謝約需20～40年，鎘通過消化道和呼吸道途徑進入體內［8］，因此鎘能長期聚集在體內，極少微量鎘也能對人體健康產生的不小的危害。

二、睪丸間質細胞的功能

睪丸間質細胞又稱Leydig cell ，于19世紀50年代年由Leydig初次報道。后來人們對它進行了大量的研究。睪丸間質細胞呈單個或成簇的，在睪丸生精小管疏松結締組織中分布，其細胞數量相對于其他睪丸細胞總數偏少，大約只占3%左右，它是睪丸合成睪酮的最主要細胞［9］，其內分泌活動主要受下丘腦-垂體-睪丸軸調控。它對精子發(fā)生、成熟、雄性附屬性器官的生長發(fā)育及內分泌活動有著重要的意義，對維持雄性第二性征、性行為及不同代謝過程中起著十分重要的作用。

三、鎘對睪丸間質細胞的毒性作用及損傷機制

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

（一）鎘對睪丸間質細胞凋亡的影響

細胞凋亡（apoptosis）又稱細胞程序性死亡，是由基因編碼控制的細胞主動死亡過程。細胞調亡的實質是自然進化的結果，細胞為了與周圍的環(huán)境相適應，主動獲取死亡的一種形式。從而反過來對生物體進化起到推動作用。凋亡在胚胎細胞的產生、組織和器官的生長發(fā)育、腫瘤的分化、突變和維護機體內環(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，它們可以抑制細胞發(fā)生過度凋亡。促凋亡基因主要包括Bax、Bcl-Xs、 ced3、ced4、c-fos、c-jun、c-myc、p53等，它們可以促進細胞發(fā)生凋亡。在相同的劑量作用下，相對于生精細胞和睪丸支持細胞，睪丸間質細胞對鎘的毒性敏感性不如前兩者。有學者研究發(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胞、生精細胞發(fā)生凋亡。但睪丸間質細胞發(fā)生凋亡的程度明顯少于前兩者。這表明鎘對睪丸間質細胞的凋亡機制與另外兩種睪丸細胞有一定的差別［16，17］。但有學者近期研究報道，將小鼠睪丸間質細胞微量鎘染1h后觀察發(fā)現(xiàn)，其增殖率明顯增加。通過檢測細胞增殖標記產物PCNA基因和細胞周期蛋白D1發(fā)現(xiàn)，其微量鎘染的小鼠睪丸間質細胞中兩者表達皆升高。同時檢測抗凋亡基因Bcl-2及促凋亡基因Bax，微量鎘染小鼠睪丸間質細胞中Bcl-2表達下調，而Bax表達則上調［18］。這表明，鎘誘導小鼠睪丸間質細胞凋亡，其機制可能與Bcl-2 基因下調和Bax 基因上調有關。許多研究結果報道，鎘能夠誘導p53基因在機體某些部位的表達。p53基因的表達上調可以明顯降低細胞活性氧（ROS）水平，從而減輕了鎘誘導的 DNA 破壞［19］，但又有學者研究發(fā)現(xiàn)鎘能夠顯著抑制睪丸中p53 基因表達，并有顯著的時間與劑量依賴性［16］。這表明鎘不是通過依賴p53 基因調控途徑來誘導睪丸細胞凋亡［20］。但在男性生殖系統(tǒng)其它部位卻研究發(fā)現(xiàn)，鎘誘導的前列腺細胞凋亡是通過依賴 p53基因調控機制來實現(xiàn)的［16］。這些種種研究證據表明雖然p53參與了鎘誘導的睪丸細胞凋亡，但其機制較為復雜需進一步研究。

（二）鎘對睪丸間質細胞縫隙連接細胞間通訊的影響

縫隙連接細胞間通訊（gap junctional intercellular communication， GJIC）是通過鄰近的細胞間由連接蛋白（connexi，Cx）組成傳遞細胞間信息通訊的一種方式，它對調控細胞的增殖與分化及維持機體內環(huán)境的穩(wěn)態(tài)等過程中都有十分重要的意義［21］?？p隙連接（gap junction， GJ）是細胞間的一種特殊通道，它們互相彼此之間傳遞細胞間信號。它們廣泛存在于機體各種組織細胞中，可以讓分子量小于1kDa分子通過，通過此種方式來實現(xiàn)細胞間物質的直接交換［22］。縫隙連接由Cx組成，目前為止發(fā)現(xiàn)約20種，大多數以分子量大小來命名，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是構成GJ結構的主要蛋白，它是睪丸組織中表達最為豐富的Cx，以Cx43構成的GJIC與睪丸間質細胞間電偶聯(lián)和代謝偶聯(lián)等生理活動有著密切的聯(lián)系［23］。有研究表明蛋白激酶A（PKA）和蛋白激酶C（PKC）在調節(jié)睪丸間質細胞之間的通訊過程起著十分重要的紐帶。在體外實驗研究表明刺激PKA和PKC可使睪丸間質細胞GJIC功能減弱，與此相反，PKA及 PKC拮抗劑能夠上調睪丸間質細胞與環(huán)磷腺苷（cAMP）之間的偶聯(lián)，使GJIC功能加強。實驗結果說明了激活PKA和PKC可以降低睪丸間質細胞GJIC功能，且睪丸間質細胞Cx43mRNA水平和蛋白表達水平也隨之減少［24］。環(huán)境毒素（氯化鎘、滴滴涕、苯酚、二硝基苯等）可以破壞睪丸間質細胞及支持細胞中的CJ，使Cx43向細胞內轉移，并使Cx43出現(xiàn)磷酸化，從而激活了細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增加了Cx43磷酸化水平而使睪丸間質細胞的GJIC功能降低。

（三）鎘對睪丸間質細胞損傷的氧化應激機制

氧化應激引起的大量自由基致機體抗氧化的能力不足是鎘致睪丸損傷的重要機制之一。鎘被公認為是誘導氧化應激重要的物質，其主要通過鎘誘導的脂質過氧化、蛋白質的氧化修飾改變、DNA雙螺旋鏈結構斷裂等方面對細胞造成損傷。鎘誘導的ROS參與了脂質過氧化。ROS對機體組織有嚴重的損害，它可引起各種細胞受到破壞，使細胞結構及功能發(fā)生改變，最終導致其死亡和凋亡。由此，機體也產生了一些與之相對應的酶，大致包括：谷胱甘肽過氧化物（GSHPx）、過氧化氫酶（CAT）、 超氧化物歧化酶（SOD）等，它們主要功能是用來清除ROS。所以后來大多數學者通過檢測胞質內酶的活性水平，來說明鎘對細胞氧化應激的損傷［26］。實驗結果得出，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SOD活性下降，使清除過氧化自由基產物的能力下降，最終導致脂質過氧化水平升高［27］。有研究表明鎘引起的氧化應激使大鼠睪丸體積變小和生長速度變緩、精子活力下降及數量減少、同時睪酮水平降低［28］。同樣Yang等［29］也研究發(fā)現(xiàn)將原代分離培養(yǎng)的睪丸間質細胞鎘染毒后，其細胞存活率及合成睪酮的能力與對照組相比明顯下降。通過檢測酶活性及氧化還原產物，其GSH-Px、CAT、和胞漿線粒體SOD活性下降，而氧化還原產物MDA含量增加。這些說明了鎘拮抗了睪丸間質細胞大量抗氧化酶的活性，誘導了脂質過氧化，這可能是鎘致睪丸間質細胞損傷的重要機制之一。

（四）鎘對睪丸間質細胞內分泌功能的干擾

鎘作為一種內分泌干擾物已被人們廣泛接受［30，31］，鎘暴露可導致大鼠血漿睪酮及睪丸內的睪酮濃度明顯下降［32］。鎘可通過降低睪丸內睪酮合成調節(jié)關鍵蛋白（StAR）、羥基類固醇脫氫酶（3β-HSD）、膽固醇側鏈裂解酶（CYP11A1、P450scc）的活性水平，干擾細胞內正常酶的代謝，精子發(fā)生受到抑制，其最終導致生殖系統(tǒng)受到破壞［33］。鎘能夠抑制cAMP、StAR及促黃體生成素（LH）受體的表達水平［34］。鎘不但可以對睪丸間質細胞產生直接破壞，而且還能通過多種方式誘導下丘腦-垂體-睪丸軸來調節(jié)激素水平重新分布。另有研究就證實了鎘可以調節(jié)血漿LH、卵泡生成激素（FSH）的表達［30，35］。這些研究說明了鎘導致的機體內分泌功能紊亂原因是多方面的，其主要機制是由睪丸間質細胞與下丘腦-垂體-睪丸軸共同調節(jié)來完成的。有文獻報道，鎘可能通過干擾下丘腦-垂體-睪丸軸的活動，導致體內神經內分泌功能紊亂，進而破壞睪丸的結構及功能，并提出加強對下丘腦-垂體-睪丸軸的研究，以便更好地了解鎘毒性的神經內分泌機制［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)對人和動物有益的生物學作用，它可以引起人和動物多種器官、組織的結構和功能異常，對雄性生殖系統(tǒng)毒性尤為敏感，其作用機制較為復雜。它對睪丸間質細胞的毒性作用機制目前大致包括：引起氧化應激、阻礙DNA損傷修復、加劇細胞凋亡、對內分泌功能干擾、減弱細胞間通訊功能等。隨著工業(yè)化進程日益加快，人們生存環(huán)境受到的挑戰(zhàn)也隨之變得越來越嚴重，鎘對人類雄性生殖健康產生的后果也正在逐步加重。目前為止，雖然鎘對雄性生殖毒性的研究已取得了不少成績，但大多停留在體內及體外實驗研究水平上，且很多方面還處于未知領域，存在許多有待解決的問題。建議科研院所加大對鎘致人類雄性生殖系統(tǒng)影響的研究，以便能盡快地揭開鎘致男性生殖系統(tǒng)損傷機制的面紗，以期能更好地防治急、慢性鎘中毒。這對維護男性生殖健康及優(yōu)生優(yōu)育有著重要的意義。

鎘； 萊迪希細胞； 損傷

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（2015-08-08收稿）

10.3969/j.issn.1008-0848.2015.11.017

R 691.6