有毒金属对妊娠结局的影响研究及氧化应激作用机制综述

2020-05-25欧婕刘欣燕

生殖医学杂志 2020年5期

欧婕，刘欣燕

(中国医学科学院北京协和医学院北京协和医院妇产科，北京 100730)

有毒金属，如铅(Pb)、砷(As，因其具有金属特性，故纳入有毒金属中进行研究)、镉(Cd)、汞(Hg)等，广泛存在于我们周围环境中，我们通过接触被污染的空气、水、土壤和食物而暴露。本文总结分析了4种有毒金属暴露途径、对妊娠结局的影响及可能机制。

一、有毒金属及其暴露途径

1.铅：是目前人类应用最普遍的金属之一，被广泛用于各种领域。如今铅的应用超过50%是在蓄电池的生产方面，其他用途主要包括焊料、电气和电话线包裹和涂料[1]。对于普通百姓来说，主要通过受污染的食物和饮用水造成铅暴露，比如公共供水系统、家庭中铅焊接接头或者含铅管道中的铅渗透进入饮用水；其次，通过不合格的釉面陶器或陶瓷碟碗中的铅渗到食物中；另外，某些类型的染发剂和化妆品中的铅化物通过皮肤、头发进入人体造成铅暴露。对于某些特殊的职业如：铅冶炼、铅矿、炼油、蓄电池制造、钢焊接或切割作业、建筑、靶场、散热器修理等可能发生高水平的职业铅暴露。

2.镉：虽然在自然界中以低浓度存在，但是人类活动增加了环境中镉的负荷，包括化石燃料的燃烧、垃圾填埋场、采矿残留物等会产生镉，防止钢腐蚀的电镀、生产镍镉电池、稳定剂和合金也作为副产品产生镉。作为一种全球关注的污染物，镉已经被美国国家环境规划署(United Nations Environment Program，UNEP)国际潜在有毒化学品登记中心登记在案，并列入在全球范围内有潜在危险的化学物质名单。食用受镉污染的食物是人类和动物镉暴露的最主要的非职业途径。土壤中的镉被植物吸收，植物的镉含量往往高于动物食品，被镉污染的植物进入动物体内，镉元素累积在肝脏和肾脏中，而受污染水体中的贝类也会积累大量镉。食物中镉含量最高的通常是多叶蔬菜(如生菜和菠菜)，其他含镉较多的食物为土豆、谷物、花生以及动物肝、肾组织等。香烟烟雾也是人类吸入镉的主要非职业来源之一，对于每天吸1包烟的人而言，镉的吸入量估计为1～3 μg/d[2]。职业性接触镉主要发生在加热含镉产品的作业中，暴露可能性最高的职业包括合金生产、电池生产、颜料生产和使用、塑料生产、镉冶炼和镉精炼。

3.砷：因其具有金属特性和有毒性特点纳入有毒金属中进行研究。一般人群可能暴露于空气、饮用水和食物中的砷。其中，经口是人类摄入砷的主要途径，饮用水及含砷水源污染的动植物食物均是一般人群中砷暴露的主要来源。其他暴露途径也是无处不在，美国一些地区的岩石中含有异常高的天然砷，这可能导致土壤或水域中砷含量异常高。2003年以前，砷被用于生产木材防腐剂，主要是砷酸铜(copper chromated arsenate，CCA)；2003年开始某些品牌木制品才逐步停止使用含砷木材防腐剂。用含砷防腐剂处理的锯木或磨木会产生受砷污染的锯末。同样，燃烧经过砷处理的木材会导致烟雾中的砷含量升高。各种有机砷被用作除草剂和动物和家禽饲料的抗菌添加剂。可能接触砷的一些职业包括铜或铅冶炼和木材处理工作，参与生产或使用含有有机砷的杀虫剂的工人也可能暴露于较高的水平。

4.汞：是一种天然存在的金属，主要包括金属汞、无机汞和有机汞化合物3种形态。金属汞常温常压下是一种银白色无味液体。汞与其他元素结合，如氯、硫或氧，形成无机汞化合物或“盐”，通常是白色粉末或晶体。汞还可与碳结合形成有机汞化合物，最常见的有机汞是甲基汞，主要通过水和土壤中的微生物产生。金属汞用于生产氯气和烧碱，也用于温度计、一些牙科填充物和电池。汞盐有时用于皮肤美白霜、防腐霜和药膏。日常生活中，由于鱼类等海产品有能力在其组织中积聚汞，因此减少自然或人为对淡水和咸水造成的汞污染是令人关注的问题。这种生物积累是由于一些海洋生物能够在细胞内形成不溶性汞硒络合物，导致组织中汞含量相对较高，最终进入食物链。食用被甲基汞污染的鱼类或贝类是有机汞常见的暴露形式。早在2001年，美国食品药品监督处(Federal Drug Administration，FDA)就对孕产妇食用鱼类食品进行了限制，禁止孕产妇食用鲨鱼、剑鱼、大西洋马鲛、方头鱼等鱼类食品[3]，选择含汞量较低的鱼类，比如三文鱼、虾、鳕鱼、金枪鱼(轻罐装)、罗非鱼、鲶鱼，而且每周使用量建议在8～12盎司，并呼吁不要一味地追求鱼类的其他益处而忽略了汞暴露问题[4]。无机汞用于制造电子仪器、温度计和电池，并作为杀菌剂。汞还用于制药和牙科工业，曾作为利尿剂在临床上应用，从事特定工作人群主要的汞暴露来自吸入焚化炉和燃烧含汞燃料产生的含汞蒸汽，从事牙科工作和其他医疗工作的医务人员通过吸入或者皮肤接触金属汞。

二、有毒金属对妊娠结局的影响

1.铅暴露对妊娠结局的影响：Chen等[5]通过动物模型建立和观察，发现斑马鱼胚胎暴露于低剂量铅，可导致胚胎毒性、行为改变和成年学习/记忆障碍。暴露于>2 000 mg/kg(干重)的铅水平中，蚯蚓死亡率升高，体重显著下降，繁殖受到抑制[6]。Gargouri等[7]于体外将HEK293肾细胞暴露于铅环境中，导致细胞活力下降、细胞畸变、内聚丢失、产生超氧阴离子和脂质过氧化，对于铅的胚胎毒性机制有了初步探索。

通过全血铅水平(BLL)来评估近期铅暴露情况，比测量头发或者尿液中铅水平更稳定，比测量血清铅水平更能反应真实暴露情况，这些观点已经逐渐被大家认可。Borja等[8]通过对1994年至1996年期间墨西哥孕妇的一项巢式病例对照研究发现，流产组平均BLL为12.03 μg/dl，对照组平均BLL为10.09 μg/dl(P=0.02)，并且孕妇BLL在(5～9)μg/dl、(10～14)μg/dl和≥15 μg/dl的不同区间，流产的OR值分别是2.3、5.4和12.2，BLL每升高5 μg/dl，自然流产的OR值为1.8，95%CI(1.1，3.1)，提示低-中水平的铅暴露可能使自然流产的风险增加。而Vigeh等[9]通过对351例铅低水平暴露的孕妇[平均BLL(3.83±1.99)μg/dl]进行前瞻队列研究发现孕妇低血铅水平(BLL<5 μg/dl)可能不是自然流产的危险因素。

Taylor等[10]则对英国布里斯托尔埃文地区4 285名孕妇进行前瞻队列研究，结果提示BLL≥5 μg/dl增加早产风险[OR=2.0，95%CI(1.35， 3.00)]，还可能增加低出生体重风险。血铅水平对于新生儿神经系统影响的研究得到了比较一致的结论，通过前瞻性队列研究，对母体早孕期BLL测量和新生儿随访过程中进行新生儿行为神经系统评分(neonatal behavior neurological assessment，NBNA)，发现BLL≥5 μg/dl可能对神经系统造成不良影响，饮用牛奶、补钙、补锌、补铁则可能是神经系统发育的保护因素[11-12]。

以上的临床研究表明铅暴露对妊娠结局的影响包括造成流产[8-9，11]、早产[10-12]、低出生体重[12-14]、胎儿神经系统异常[15-16]、胎儿神经系统畸形[17-18]等(表1)。2017年WHO提出妊娠期铅水平升高会导致流产、胎死宫内、早产、低出生体重、出生缺陷等不良妊娠结局[19]，因此美国CDC目前推荐的育龄期妇女安全血铅水平为BLL≤5 μg/dl。

表1 不同水平铅暴露对妊娠结局的影响

2.镉暴露对妊娠结局的影响：在实验动物中，镉对很多物种有致畸作用和胚胎毒性。Hen等[21]注意到斑马鱼妊娠期暴露于Cd的胚胎存在结构缺陷。斑马鱼在怀孕期间接触镉导致胎儿体重下降和胎儿死亡率增加[22]。在体外胚胎组织中，镉可能破坏正常的细胞内信号通路或干扰锌的代谢。多项观察性临床研究表明孕妇镉水平升高时，流产[23-26]、低出生体重儿[13，27-28]风险明显增高。

3.砷暴露对妊娠结局的影响：通过给雌性大鼠每天含4 μg/ml砷的饮用水，建立动物模型，发现砷降低了促性腺激素和雌二醇的水平，导致大鼠子宫内膜细胞、间质细胞和肌细胞变性，并下调了雌激素信号通路的下游成分。通过下调雌激素受体和雌激素反应基因，抑制女性生殖功能[29]。

对于砷暴露的影响的研究主要分为两个方面：对于砷高分布地区的流行病学研究和其他地区的临床观察性研究。比如在智利、孟加拉国、印度和内蒙古等无机砷高分布地区的孕妇进行的流行病学研究结果显示饮用水无机砷暴露>10 μg/L会增加妊娠相关风险[30-33]。一项包括16项研究的Meta分析结果提示当地下水含有较高水平砷时(≥50 μg/L)，自然流产的风险增加[包含6项研究：OR=1.98；95%CI(1.27，3.10)]，胎死宫内风险增加[包含9研究：OR=1.77；95%CI(1.32，2.36)][34]；同样在孟加拉国砷高分布地区的队列研究中[30]，尿砷水平>555 μg/g肌酐，自然流产和胎死宫内的风险均明显增加。临床观察性研究中，Jie等[35]将北京协和医院建档的孕妇进行病例对照研究，发现尿砷水平升高增加流产风险；Shih等[36]和Mullin等[37]的队列研究中也得到相似的结论。当然也有一些研究得到了阴性的结论：Rahman等[38]进行的前瞻队列研究中，纳入2 924名孕妇，分析发现与尿砷浓度位于五分位第一个区间相比较，尿砷浓度位于第五个区间时，自然流产风险的OR=1.4[95%CI(0.96，2.2)]，认为在这个地区受试者的尿砷浓度增加并未增加流产风险，研究也指出结论只能代表研究所在地区的砷暴露情况下，未增加流产风险，并未进行流行病学相关调查。砷暴露对于胎儿结构的影响同样有研究，2018年一项纳入435名生育唇腭裂患儿的孕妇的病例对照研究发现，职业性砷暴露可能增加腭裂的风险[39]。

4.汞暴露对妊娠结局的影响：近年来，关于女性汞职业暴露影响妊娠结局的研究不断出现。一项研究纳入64名牙科工作人员孕妇(暴露组)和60名非牙科工作人员孕妇(未暴露组)，测定尿汞水平和血液抗氧化活性并对研究对象进行了妊娠结局评估，与未暴露组相比，暴露组在妊娠早期三个月期间尿汞平均水平较高，血液抗氧化活性较低(P<0.001)，暴露组的自然流产率、先兆子痫发生率较高(P<0.05)；在分娩周数方面，暴露组所生婴儿与未暴露组相比体重较轻(P<0.001)。Rahime等[40]对28名有含汞合金牙齿填充物的孕妇(暴露组)和32名正常孕妇(非暴露组)进行前瞻性研究，发现暴露组中脐血和胎盘中汞浓度显著高于非暴露组，认为此类牙齿填充物确实增加了胚胎及胎儿的汞暴露风险，但是对妊娠结局是否造成影响，对于新生儿神经系统是否有影响仍需要进一步随诊。同年一项更大样本量的队列研究，包含64 747名孕妇，其中78%孕妇含有至少一个填充物，结果同样发现填充物虽然造成无机汞暴露但是对妊娠未造成不良影响[41]。日本研究团队对于1950年至1974年水俣地区甲基汞暴露的孕妇和同时期熊本县孕妇进行妊娠结局对比分析，发现甲基汞的暴露可能增加流产和胎死宫内的风险[42]，但是由于相关数据的缺失，不能准确提供血汞水平和环境甲基汞水平相关数值。

三、有毒金属对机体氧化应激作用的机制

镉主要通过影响细胞内硫醇氧化还原平衡而导致氧化应激。大部分人认为镉本身不产生自由基，但可以通过占据细胞质和膜蛋白中与铁和铜结合的位点，导致游离铜、铁增加，进一步通过芬顿反应，即催化H2O2氧化作用，间接产生ROS，参与氧化应激，最终导致细胞中的蛋白质、脂质和DNA氧化，导致DNA损伤[47-49]。Waisberg等[50]则发现镉可以促进细胞内生成一氧化氮、超氧化物和HO-。还有研究认为镉对细胞的损伤还通过干扰细胞膜的转运上皮细胞最终影响细胞功能和稳态[51]。

砷具有较强的氧化性，最主要的形式是三价砷，主要通过产生氧化产物，抑制抗氧化酶，造成氧化应激的平衡失调状态[52]。还可通过与巯基结合抑制各种细胞酶，包括丙酮酸脱氢酶，导致丙酮酸向乙酰辅酶的转化减少；通过抑制葡萄糖进入细胞，抑制脂肪酸氧化和糖异生，进一步抑制乙酰辅酶a生成；砷还可以抑制最强的抗氧化剂——谷胱甘肽的合成。砷的存在产生活性氧和氮，这是砷一个重要的毒性作用模式[53-54]。

汞的毒性机制，是通过亲离子性使其具有与亲核试剂(一些带有未共享电子对的分子或负离子，即一种电子对供体)相互作用的能力。汞通常与巯基(-SH)或硒水基(-SeH)反应，形成稳定的复合物，造成巯基蛋白的缺失，导致ROS的生成[55]。同时汞可通过造成线粒体损伤，促进自由基的产生，还可以耗竭谷胱甘肽，减少抗氧化作用。由于生物分子中抗氧化剂的消耗和活性氧的增加，引发氧化应激，导致酶、核酸和脂质的损伤，最终导致细胞死亡[43]。还有一部分研究认为汞能直接与亲核基团(如蛋白质)结合，使蛋白转运等功能被破坏[56-57]。