镉对睾丸间质细胞损伤的作用机制

王 毅 陈 平 综述 廖晓岗 审校

1. 1.三峡大学第一临床医学院，湖北省宜昌市中心人民医院急诊与创伤外科（湖北宜昌 443003）；

2. 重庆医科大学生命科学研究院

·综 述·

镉对睾丸间质细胞损伤的作用机制

王 毅1陈 平1综述 廖晓岗2审校

1. 1.三峡大学第一临床医学院，湖北省宜昌市中心人民医院急诊与创伤外科（湖北宜昌 443003）；

2. 重庆医科大学生命科学研究院

镉是一种常见的工业和环境毒物，在环境中不能被生物降解，相反它却能够经食物链的生物放大作用，成千百倍地富集。在各种水产品鱼、贝等中大量蓄积。土壤中的镉可被谷物吸收，最终通过饮水、食物和呼吸进入人体，在人体器官中的大量累积，对人的身体健康造成了极大的危害。研究表明，睾丸也是镉的重要靶器官之一，且睾丸对于镉的毒性极其敏感［1］。镉与其他有毒重金属铅、汞和雌激素样化合物双酚A一样，可导致精子数量减少和睾丸分泌功能下降而造成不育。雄性生殖系统的正常分化、发育和功能维持依赖于一定分泌水平的睾酮。睾丸间质细胞主要的生理功能是合成和分泌雄激素，95%的雄激素是由睾丸间质细胞合成与分泌的。毒物对雄性生殖系统的毒性作用最明显也就在于影响睾丸的睾酮生成能力。而雄激素对雄性生殖系统分化发育具有重要意义［2］。为此，本文就镉对睾丸间质细胞的损害及毒性作用机制行相关综述。

一、镉暴露

在近几十年流行病学研究表明男性的生育能力呈逐渐下降趋势。对精液的各项参数Meta分析显示，在过去的50年里人类精子数量和体积比之前下降约50%。而且出现睾丸癌和生精功能障碍的人越来越多［3］。产生这样后果的原因与环境中暴露的重金属镉有着重要联系。镉的天然来源，如被风化的岩石、火山喷发和森林火灾等。人为排放在环境中的镉超过天然来源100余倍，主要是石油燃烧、焚烧煤炭、有色金属行业锌、铅和铜等，还有农业使用肥料及工业生产的防腐剂，另外生产镍-镉电池产生的工业废料也是镉来源的重要途径，从事采矿"电池制造和镉染料生产的人群往往比常人接触更多量的镉［4］。在自然界食物中镉含量一般很低，约（＜0.1mg/kg）这个剂量不足以对人类和动物造成危害。但在有的地区镉污染相当严重，被镉污染过的植物性食物，镉含量超过2mg/kg［5］，给周围的人群及动物带来了极大的伤害。在工厂附近，镉可以对植物、地表水和土壤产生直接污染。。烟草中的烟雾是吸烟者吸收镉的主要来源。在吸烟时，烟雾中含有氧化镉，它是一种活性极强的物质。被吸入烟雾中的氧化镉大约三分之一进入肺部最后到达全身组织器官，其中有十分之一的氧化镉将滞留在肺部［6］。大样本资料调查得出在德国，吸烟人血液中镉的含量是不吸烟人的4倍［7］。镉具有很长的生物半衰期，在生物体内代谢约需20～40年，镉通过消化道和呼吸道途径进入体内［8］，因此镉能长期聚集在体内，极少微量镉也能对人体健康产生的不小的危害。

二、睾丸间质细胞的功能

睾丸间质细胞又称Leydig cell ，于19世纪50年代年由Leydig初次报道。后来人们对它进行了大量的研究。睾丸间质细胞呈单个或成簇的，在睾丸生精小管疏松结缔组织中分布，其细胞数量相对于其他睾丸细胞总数偏少，大约只占3%左右，它是睾丸合成睾酮的最主要细胞［9］，其内分泌活动主要受下丘脑-垂体-睾丸轴调控。它对精子发生、成熟、雄性附属性器官的生长发育及内分泌活动有着重要的意义，对维持雄性第二性征、性行为及不同代谢过程中起着十分重要的作用。

三、镉对睾丸间质细胞的毒性作用及损伤机制

大量在体及离体的实验证明，镉不仅能够破坏睾丸间质细胞的形态与结构，而且能明显减少睾丸间质细胞的数量、降低睾酮的合成能力及减弱细胞信息通讯功能等损害［10，11］。镉能诱导睾丸间质细胞的凋亡及氧化应激反应；镉可以降低酶的活性及DNA双螺旋结构的稳定性；镉还可以干扰睾丸间质细胞内分泌活动；而长期被微量镉沾染的睾丸间质细胞可以发生基因突变、染色体异常，最终导致肿瘤发生［12，13］。

（一）镉对睾丸间质细胞凋亡的影响

细胞凋亡（apoptosis）又称细胞程序性死亡，是由基因编码控制的细胞主动死亡过程。细胞调亡的实质是自然进化的结果，细胞为了与周围的环境相适应，主动获取死亡的一种形式。从而反过来对生物体进化起到推动作用。凋亡在胚胎细胞的产生、组织和器官的生长发育、肿瘤的分化、突变和维护机体内环境的稳态等方面均扮演着极其重要的角色［14，15］。参与细胞凋亡的基因家族可分为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，它们可以抑制细胞发生过度凋亡。促凋亡基因主要包括Bax、Bcl-Xs、 ced3、ced4、c-fos、c-jun、c-myc、p53等，它们可以促进细胞发生凋亡。在相同的剂量作用下，相对于生精细胞和睾丸支持细胞，睾丸间质细胞对镉的毒性敏感性不如前两者。有学者研究发现镉能够使血睾屏障发生破坏，引起大量的睾丸支持细胞、生精细胞发生凋亡。但睾丸间质细胞发生凋亡的程度明显少于前两者。这表明镉对睾丸间质细胞的凋亡机制与另外两种睾丸细胞有一定的差别［16，17］。但有学者近期研究报道，将小鼠睾丸间质细胞微量镉染1h后观察发现，其增殖率明显增加。通过检测细胞增殖标记产物PCNA基因和细胞周期蛋白D1发现，其微量镉染的小鼠睾丸间质细胞中两者表达皆升高。同时检测抗凋亡基因Bcl-2及促凋亡基因Bax，微量镉染小鼠睾丸间质细胞中Bcl-2表达下调，而Bax表达则上调［18］。这表明，镉诱导小鼠睾丸间质细胞凋亡，其机制可能与Bcl-2 基因下调和Bax 基因上调有关。许多研究结果报道，镉能够诱导p53基因在机体某些部位的表达。p53基因的表达上调可以明显降低细胞活性氧（ROS）水平，从而减轻了镉诱导的 DNA 破坏［19］，但又有学者研究发现镉能够显著抑制睾丸中p53 基因表达，并有显著的时间与剂量依赖性［16］。这表明镉不是通过依赖p53 基因调控途径来诱导睾丸细胞凋亡［20］。但在男性生殖系统其它部位却研究发现，镉诱导的前列腺细胞凋亡是通过依赖 p53基因调控机制来实现的［16］。这些种种研究证据表明虽然p53参与了镉诱导的睾丸细胞凋亡，但其机制较为复杂需进一步研究。

（二）镉对睾丸间质细胞缝隙连接细胞间通讯的影响

缝隙连接细胞间通讯（gap junctional intercellular communication， GJIC）是通过邻近的细胞间由连接蛋白（connexi，Cx）组成传递细胞间信息通讯的一种方式，它对调控细胞的增殖与分化及维持机体内环境的稳态等过程中都有十分重要的意义［21］。缝隙连接（gap junction， GJ）是细胞间的一种特殊通道，它们互相彼此之间传递细胞间信号。它们广泛存在于机体各种组织细胞中，可以让分子量小于1kDa分子通过，通过此种方式来实现细胞间物质的直接交换［22］。缝隙连接由Cx组成，目前为止发现约20种，大多数以分子量大小来命名，如分子量为43kDa的Cx则命名为连接蛋白43（connexin 43，Cx43）。大量研究表明Cx43是构成GJ结构的主要蛋白，它是睾丸组织中表达最为丰富的Cx，以Cx43构成的GJIC与睾丸间质细胞间电偶联和代谢偶联等生理活动有着密切的联系［23］。有研究表明蛋白激酶A（PKA）和蛋白激酶C（PKC）在调节睾丸间质细胞之间的通讯过程起着十分重要的纽带。在体外实验研究表明刺激PKA和PKC可使睾丸间质细胞GJIC功能减弱，与此相反，PKA及 PKC拮抗剂能够上调睾丸间质细胞与环磷腺苷（cAMP）之间的偶联，使GJIC功能加强。实验结果说明了激活PKA和PKC可以降低睾丸间质细胞GJIC功能，且睾丸间质细胞Cx43mRNA水平和蛋白表达水平也随之减少［24］。环境毒素（氯化镉、滴滴涕、苯酚、二硝基苯等）可以破坏睾丸间质细胞及支持细胞中的CJ，使Cx43向细胞内转移，并使Cx43出现磷酸化，从而激活了细胞丝裂原活化蛋白激酶，致使睾丸组织的正常生育功能被破坏［25］。这表明镉可能是通过增加了Cx43磷酸化水平而使睾丸间质细胞的GJIC功能降低。

（三）镉对睾丸间质细胞损伤的氧化应激机制

氧化应激引起的大量自由基致机体抗氧化的能力不足是镉致睾丸损伤的重要机制之一。镉被公认为是诱导氧化应激重要的物质，其主要通过镉诱导的脂质过氧化、蛋白质的氧化修饰改变、DNA双螺旋链结构断裂等方面对细胞造成损伤。镉诱导的ROS参与了脂质过氧化。ROS对机体组织有严重的损害，它可引起各种细胞受到破坏，使细胞结构及功能发生改变，最终导致其死亡和凋亡。由此，机体也产生了一些与之相对应的酶，大致包括：谷胱甘肽过氧化物（GSHPx）、过氧化氢酶（CAT）、 超氧化物歧化酶（SOD）等，它们主要功能是用来清除ROS。所以后来大多数学者通过检测胞质内酶的活性水平，来说明镉对细胞氧化应激的损伤［26］。实验结果得出，给大鼠注射2mg/kg氯化镉后，其睾丸组织中SOD活性下降，而丙二醛（MDA）含量增加，这表示镉可以诱导SOD活性下降，使清除过氧化自由基产物的能力下降，最终导致脂质过氧化水平升高［27］。有研究表明镉引起的氧化应激使大鼠睾丸体积变小和生长速度变缓、精子活力下降及数量减少、同时睾酮水平降低［28］。同样Yang等［29］也研究发现将原代分离培养的睾丸间质细胞镉染毒后，其细胞存活率及合成睾酮的能力与对照组相比明显下降。通过检测酶活性及氧化还原产物，其GSH-Px、CAT、和胞浆线粒体SOD活性下降，而氧化还原产物MDA含量增加。这些说明了镉拮抗了睾丸间质细胞大量抗氧化酶的活性，诱导了脂质过氧化，这可能是镉致睾丸间质细胞损伤的重要机制之一。

（四）镉对睾丸间质细胞内分泌功能的干扰

镉作为一种内分泌干扰物已被人们广泛接受［30，31］，镉暴露可导致大鼠血浆睾酮及睾丸内的睾酮浓度明显下降［32］。镉可通过降低睾丸内睾酮合成调节关键蛋白（StAR）、羟基类固醇脱氢酶（3β-HSD）、胆固醇侧链裂解酶（CYP11A1、P450scc）的活性水平，干扰细胞内正常酶的代谢，精子发生受到抑制，其最终导致生殖系统受到破坏［33］。镉能够抑制cAMP、StAR及促黄体生成素（LH）受体的表达水平［34］。镉不但可以对睾丸间质细胞产生直接破坏，而且还能通过多种方式诱导下丘脑-垂体-睾丸轴来调节激素水平重新分布。另有研究就证实了镉可以调节血浆LH、卵泡生成激素（FSH）的表达［30，35］。这些研究说明了镉导致的机体内分泌功能紊乱原因是多方面的，其主要机制是由睾丸间质细胞与下丘脑-垂体-睾丸轴共同调节来完成的。有文献报道，镉可能通过干扰下丘脑-垂体-睾丸轴的活动，导致体内神经内分泌功能紊乱，进而破坏睾丸的结构及功能，并提出加强对下丘脑-垂体-睾丸轴的研究，以便更好地了解镉毒性的神经内分泌机制［36］。

综上所述，镉是一种有毒的重金属环境污染物，至今尚未发现对人和动物有益的生物学作用，它可以引起人和动物多种器官、组织的结构和功能异常，对雄性生殖系统毒性尤为敏感，其作用机制较为复杂。它对睾丸间质细胞的毒性作用机制目前大致包括：引起氧化应激、阻碍DNA损伤修复、加剧细胞凋亡、对内分泌功能干扰、减弱细胞间通讯功能等。随着工业化进程日益加快，人们生存环境受到的挑战也随之变得越来越严重，镉对人类雄性生殖健康产生的后果也正在逐步加重。目前为止，虽然镉对雄性生殖毒性的研究已取得了不少成绩，但大多停留在体内及体外实验研究水平上，且很多方面还处于未知领域，存在许多有待解决的问题。建议科研院所加大对镉致人类雄性生殖系统影响的研究，以便能尽快地揭开镉致男性生殖系统损伤机制的面纱，以期能更好地防治急、慢性镉中毒。这对维护男性生殖健康及优生优育有着重要的意义。

镉； 莱迪希细胞； 损伤

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（2015-08-08收稿）

10.3969/j.issn.1008-0848.2015.11.017

R 691.6