镉对骨质代谢影响的研究

周志强　周子彦　徐天祺　曹莹　宋瑞龙　刘宗平

【摘 要】镉在动物体内逐渐蓄积，会导致骨代谢失衡，从而引起软骨症、骨质疏松和骨折等骨代谢类疾病。骨代谢是骨重建与骨吸收两个过程之间的动态平衡过程，是维持骨骼发育的一个重要代谢过程。破骨细胞、成骨细胞和骨细胞在其中扮演者重要角色，本文详细阐述了镉经其对骨质代谢的影响。

【关键词】镉;骨代谢;骨重建;破骨细胞

中图分类号： R965 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）19-0228-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.109

0 前言

骨代谢包括骨重建和骨吸收两个过程，骨重建和骨吸收之间的动态平衡对骨代谢的过程至关重要。镉（Cd）是环境和工业的主要污染物之一。国内外研究表明，慢性镉污染能引起骨质大量丢失，造成动物骨质疏松等骨骼类疾病[1]。随着全球工业化进程的加快，工业污染物的排放，以及雾霾的不断出现，大气和饲料中的镉污染已严重危害着人和动物的健康，其引起的畜禽骨骼类疾病已成为危害畜牧业发展的主要疾病之一。本文就镉对骨质代谢过程的影响做简要论述。

1 镉污染现状

Cd是在自然界毒性最强的重金属元素之一。随着全球工业化进程的加快，镉及其无机化合物被广泛应用于电镀、电池、颜料、塑料制品以及合金等产品的制造环节，Cd的产量在不断增加，用途也在不断扩充。据统计，全球每年向环境中释放的镉达3万吨左右，其中82%～94%的镉会进入到土壤中，通过“土壤（包括水体）-饲料-动物”这条主线影响畜禽的健康[2]。随着雾霾的加重，大气中Cd污染也逐渐引起国内外的重视，其大气中镉污染已成为大气监测的主要项目之一。另外镉对畜禽的影响，最终也会通过食物链在人类体内蓄积，从而对人类的健康和生命造成严重的危害。1997年以来，美国毒物及疾病管理局一直将镉列为第6位危害人体健康的有毒物质。联合国粮农组织（FAO）和世界卫生组织（WTO）将其列为仅次于黄曲霉毒素和砷的污染物[3]。

近年来，我国Cd污染事件越发频繁[4]，湖南、广西、广东等地由于Cd矿的开采冶炼而导致的Cd污染事件屡见报道。2009年8月，湖南省浏阳市镇头镇一家生产硫酸锌的工厂因缺乏合理的污水排放设施，导致工厂周边500～1200m的范围内的地区发生Cd污染，成为Cd污染源区（高薇，2009）。2012年1月，广西省的龙江河遭受Cd污染，据估算，本次事件Cd的泄漏量约20吨，沿河约300km的河段发生Cd污染，对沿河城市的居民健康造成严重的危害。2013年5月，中央电视台等多家媒体曝光的湖南镉大米事件，引起了全社会的广泛关注。报道称广州市食品药品监督管理局对进入广州市内的多个批次的米及米制品进行抽检，经检测有8个批次的米及米制品镉的含量超标，其中有5个批次来自于湖南省。广州市食品药品监督管理局将这8个批次抽检镉超标的米及米制品的生产厂家和品牌标识对外公开，并公布了广州市2013年第一季度的抽检结果，大米镉超标的现象令人叹为观止，大米镉指标的合格率仅为56%，由此可见我们面临的镉污染问题已经咎待解决。

2 镉污染引起骨骼类疾病

镉最严重的健康效应是对骨的影响，其在体内潜伏达10到30年[5]。人如果长期摄入受到镉污染的食物，会造成镉在体内肝脏、骨骼等器官蓄积，导致骨骼脆性减弱，引发骨软化症、骨质疏松等症状，患者会感到全身疼痛，被称为“痛痛病”。上个世纪60年代，日本有名的痛痛病事件就是由于镉污染导致的患者骨骼软化、萎缩，四肢弯曲，脊柱变形，骨质松脆，就连咳嗽都能引起骨折。

Scimeca M等人分析了25例骨头活检骨质疏松患者和25例骨关节炎患者的骨头活检，发现在骨质疏松患者中铅，镉和铬积累的流行[6]。来自韩国的几大机构联合研究发现，绝经妇女，吸烟者或频繁饮酒，低教育水平和低家庭收入人群在骨质减少或骨质疏松症组比正常组更大，并与增加的血液重金属浓度水平相关联，在血液中含镉的情况下，骨质减少或骨质疏松的风险增加2.1倍（95%CI 1.64-2.68）[7]。Liao Y等研究发现Cd能导致鸭的骨损伤，引起骨质疏松，小梁骨变小变薄[8]。另研究发现低剂量的Cd能够导致骨质疏松等，且与钙的摄入量无明显相关性[1]。我们早在1994年就报道了环境铅镉污染对动物骨骼损失病例[9]。

3 镉对骨重建的影响

骨重建是骨代谢过程的一个重要环节，同时也是维持骨骼正常发育所必需的一个过程。动物体内蓄积有大量的镉，会导致成骨细胞和破骨细胞发生损伤，进而影响骨质骨重建。破骨细胞具有独特的骨吸收功能，其对骨重建中的骨降解起决定性作用。OPG（骨保护素）途径，是调节破骨细胞数量和功能的最主要通路。

破骨细胞是终末多核巨噬细胞，不能增殖分裂，只能由其他单核细胞融合分化而来。RANKL、M-CSF和OPG是破骨细胞分化和骨吸收必需的关键调控因子，RANKL和M-CSF对破骨细胞的分化和骨吸收起促进作用，而OPG则起抑制作用。成骨细胞除了具有骨矿化功能外，其分泌的RANKL和OPG对破骨细胞的分化和骨吸收起决定作用。破骨细胞前体细胞在M-CSF和RANKL的诱导下，激活一系列的信号通路，引起细胞的融合、分化和成熟。成熟的破骨细胞具有骨吸收功能，在破骨细胞骨吸收过程中，细胞骨架发生重组，以肌动蛋白为主要成分的伪足小体重排，形成一个肌动蛋白环，即封闭带，为骨吸收提供了一个密闭的环境，封闭带内有皱褶缘，细胞通过皱褶缘将质子和蛋白水解酶运输到吸收室中，如组织蛋白酶K（Cathepsin K）、MMP和抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP），降解骨骼中的骨基質蛋白，分别溶解矿物质和骨基质蛋白。OPG能够与RANKL竞争性结合，抑制上述过程，影响骨重建。目前研究发现，Cd能引起骨重建的异常[1]。

4 镉与破骨细胞的分化和骨吸收

Cd能够引起骨代谢紊乱，造成大量骨质丢失，与Cd引起破骨细胞数量和活性的过度增强密不可分的[10]。Cd通过两种方式影响破骨细胞的分化和骨吸收。一方面，Cd通过作用于成骨细胞，使得RANKL的表达量增强和抑制因子OPG的表达量减弱，进而间接引起破骨细胞分化和骨吸收功能异常增强。另一方面，Cd能够直接影响破骨细胞的分化和骨吸收功能。

Cd经成骨细胞影响破骨细胞的分化和骨吸收。通过浓度为0、2、10和50mg/L的饮用水给予Cd饲喂SD大鼠12周，免疫组化实验显示Cd处理后，RANKL表达增强，OPG表达减少，胫骨的TRAP染色Cd处理组破骨细胞的数量显著大于对照组，且呈量依赖性[11]。将大鼠成骨细胞与RAW264.7混合共培养，显示不同浓度的Cd能显著增加破骨细胞的数量和骨吸收活性，且呈剂量依赖性[12]。对长尾泥猴静脉注射CdCl2，能够引起破骨细胞增多，骨吸收增强。这些结果表明Cd可能通过成骨细胞分泌RANKL和M-CSF影响破骨细胞的分化和骨吸收功能，进而造成骨吸收异常。

Cd能够直接作用于破骨细胞，引起其分化和骨吸收异常增强。Cd能促进祖细胞分化为破骨细胞，经TRAP染色后，从染色结果可以看出，阳性多核细胞增多，即成熟的破骨细胞增多，促进破骨细胞封闭带的形成，进而显著增强破骨细胞的骨吸收活性，骨吸收陷窝增多，且具有浓度梯度依赖性[10]。刘宗平[13]等从23天龄的高邮鸭胚中收获骨髓细胞，并用50nmol/L镉单独或不同的镉浓度（0，5，10，20和50nmol/L）与M-CSF和RANKL。进行TRAP染色，用牛皮质骨切片的坑形成试验，以及用四甲基罗丹明异硫氰酸盐（TRITC）-耦合的鬼笔环肽和Hoechst 33258的共染色，以確定TRAP阳性细胞的数量和骨吸收活动。研究发现在M-CSF和RANKL存在下浓度为10nmol/L的镉以浓度依赖性方式显着增加，TRAP阳性细胞的数量（35-160%）和骨吸收活性（36-261%）（P<0.05）。在M-CSF和RANKL存在下的高镉浓度显着促进分化的破骨细胞中丝状（F）-肌动蛋白环的形成。总之，镉在M-CSF和RANKL的存在下促进了鸭胚胎破骨细胞的体外分化和骨吸收。环境中低剂量的Cd能够引起大鼠破骨细胞的增多，造成骨损伤。在RANKL存在的条件下，Cd能够上调RAW264.7细胞的RANK、TRAF6、Fra1、c-src和c-fos等分化相关因子的上调，引起破骨细胞的增多。对犬的骨髓细胞体外诱导实验发现Cd处理组破骨细胞的数量和骨吸收陷窝的面积和数量都明显增多。

这些数据表明Cd能够直接影响破骨细胞的分化和骨吸收过程，引起骨吸收异常增强。尽管如此，Cd直接影响破骨细胞分化和骨吸收的分子机理尚未明确。

5 总结

镉被动物摄入后在动物体内逐渐蓄积，会引起镉中毒，导致成骨细胞和软骨细胞的损伤，从而影响骨代谢过程。骨代谢是处于骨重建与骨吸收两个过程之间的动态平衡过程，是维持骨骼发育的一个重要代谢过程。骨重建是骨代谢过程的一个重要环节，同时也是维持骨骼正常发育所必需的一个过程，其失衡可能严重影响骨骼的形成和功能。破骨细胞在骨重建中起着决定性作用，其数量的增多或活性的增强，会造成骨质的大量丢失，引发软骨症、骨质疏松和骨折等骨骼疾病。RANKL、M-CSF和OPG是破骨细胞分化和骨吸收必需的关键调控因子，镉能引起RANKL分泌减少和OPG分泌增加，从而使得骨吸收过程受到抑制，进而使得骨质代谢过程发生紊乱。此外，镉经成骨细胞影响破骨细胞的分化和骨吸收，并且镉能够直接影响破骨细胞的分化和骨吸收过程，引起骨吸收异常增强。

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