六价铬对雄性生殖机能的影响及治疗

刘启祥，吴志立，魏永辉，吕英华，郑 以

（西北农林科技大学 动物科技学院，陕西 杨凌 712100）

六价铬［hexavalent chromium，Cr（Ⅵ）］均以含氧酸根的形式存在，在酸性溶液中主要是橙色的重铬酸盐（CrO），在碱性溶液中主要是黄色的铬酸盐（CrO）。六价铬主要存在于工业排放废水、废气、废渣中，在冶金、电镀、皮革、纺织等工业领域从事化工生产的人群也可能摄入这种有毒元素。六价铬可通过皮肤黏膜、呼吸道等多种途径进入人体，并对包括生殖系统在内的多种系统产生毒性和致癌性。文章从六价铬的基本属性及其对雄性生殖机能危害的具体表现、机制及六价铬的治疗措施等方面进行了阐述。

1 六价铬的简介

作为自然界硬度最大的金属，铬在自然界中主要以化合态存在。天然铬主要是三价的六八面体晶体铬铁矿（FeCrO）。三价铬［trivalent chromium，Cr（Ⅲ）］是机体的一种微量元素，可作为膳食补充剂，用于维持血糖平衡和减轻体重，广泛存在于自然界中。六价铬主要来源于工业废水，均以含氧酸根的形式存在，碱性环境中主要为CrO，酸性环境中则为CrO，其在酸性环境中具有极强的氧化性，根据这个特性可用于铬的定量测定和酒驾检测。六价铬具有广泛的工业用途，可用于电化学工业中铬酸、色素的着色剂和工业的防腐剂，容易通过皮肤、呼吸道等形式进入人体，长期暴露于六价铬的环境中会给人体带来极大的危害。世界卫生组织的国际癌症研究机构（IARC）明确将六价铬列为一级致癌物。此外，由于六价铬在环境中流动性大，且能稳定存在于空气、土壤和水中，容易随食物链在生物体内富集。六价铬具有极大的毒性，尤其对生殖机能具有严重影响，可严重阻碍胚胎的正常发育。在城市化快速推进的今天，六价铬严重地污染了有限的工业用地和河流，并严重地危害了人类的健康福祉，对人类社会的健康发展带来了极大的安全隐患。

2 六价铬对雄性生殖机能危害的表现

2.1 六价铬可影响精子活力

精子是重要的生殖细胞，可直接传递遗传信息。六价铬会导致精子活力下降、附睾精子数量减少、精子畸形率增加，显著降低体外受精的成功率，同时使精母细胞和精细胞出现形态结构和内部组分的变化。C.Geoffroy-Siraudin等的研究表明，较低浓度的六价铬（1μg／L）便会使晚期精母细胞和圆形精细胞数量明显减少。M.M.Aruldhas等发现，六价铬会阻碍精子发生，导致精母细胞和精细胞过早释放和积累，并且在曲精细管腔内可见单核巨细胞和多核巨细胞，以及精子顶体帽和微管之间空泡化、精细胞线粒体肿胀和线粒体嵴塌陷；同时六价铬会使精子线粒体膜电位下降，这意味着线粒体氧化磷酸化、产生ATP的正常生理功能受到严重损害。此外，六价铬还会诱导生殖细胞发生基因突变和表观遗传学（DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA调控）的改变。在基因毒性方面，六价铬可导致生殖细胞DNA复制和转录功能失调、细胞周期异常、DNA修复机制失调、微卫星不稳定性、炎症反应以及负责细胞存活与平衡的关键调控基因网络被破坏，最终导致细胞凋亡和癌症发生。

2.2 六价铬可对雄性生殖系统造成损害

六价铬可导致雄性生殖机能受损并引发一系列并发症。M.D.Pereira等研究发现，六价铬可损害血睾屏障，引起支持细胞屏障受损及功能改变，使生精细胞脱落到管腔中。D.Carette等研究发现，六价铬的主要作用之一是诱导间隙连接蛋白从细胞膜到细胞质的转位，其诱导的连接蛋白43（Connexin-43）的改变可能间接介导了其对睾丸血睾屏障的影响。在对支持细胞的毒性方面，K.M.Kumar等研究发现，六价铬可抑制成年大鼠睾丸支持细胞中紧密连接蛋白和激素受体的表达。在激素水平方面，六价铬处理使卵泡刺激素（FSH）水平增加，黄体生成素（LH）和血清睾酮水平下降，严重影响生殖机能。同时M.M.Aruldhas等研究发现，六价铬处理会使超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶和非酶抗氧化剂谷胱甘肽等超氧化物酶的浓度降低，从而引发氧化应激。在对生殖器官的影响方面，六价铬可使睾丸重量下降、精囊和前列腺重量增加，显著降低体外受精的成功率，造成男性不孕不育等临床症状。在对副性腺的影响方面，六价铬能使精囊黏膜隐窝及典型的前列腺内陷改变，从而对成年雄性大鼠生殖系统产生毒性。此外，近年来有研究表明，六价铬会影响精子与卵母细胞结合并对胚胎发育产生负面影响，使胚胎在二细胞阶段出现更长时间的发育停滞，造成囊胚形成延迟、胚内细胞团质量下降和滋养外胚层减少。

3 六价铬对雄性生殖机能危害的机制

3.1 六价铬可通过诱导活性氧（ROS）产生引发氧化应激

如今，已有较多关于六价铬危害雄性生殖机制的报道，其中受到学界认可的一个观点是氧化应激理论，即六价铬通过引发氧化应激来产生某些特定蛋白或使蛋白质结构改变，从而诱导细胞凋亡。氧化还原反应是保持细胞存活的内在信号网络的重要组成部分。在正常情况下，抗氧化物质和氧化剂之间存在平衡，以使细胞代谢产生的活性氧（ROS）保持在正常的生理水平。然而，几种外源性和内源性ROS来源会破坏这种微妙的平衡，诱导氧化应激，且长时间的氧化应激会诱导细胞死亡。作为ROS的重要外源性来源之一，细胞中六价铬在还原为三价铬的过程中产生大量的ROS，并进一步激活p38 MAPK信号通路诱导生殖细胞凋亡。J.Das等的研究表明，六价铬会造成氧化还原不平衡以诱导体细胞和精原干细胞凋亡，具体表现在通过调控体细胞中的AKT1、p53和MAPK家族激活内在凋亡通路相关蛋白质，同时破坏间质细胞的甾体发生，影响其紧密连接信号和细胞受体分子的表达，并损害支持细胞的分泌功能。D.Carette等也证实六价铬的主要作用之一是诱导间隙连接蛋白从细胞膜到细胞质的转位。低浓度的六价铬会改变支持细胞屏障和Connexin-43的缝隙连接，同时Connexin-43的改变可能间接介导了其对睾丸血睾屏障的影响。S.Subramanian等通过研究六价铬对成年猕猴的生殖毒性发现，慢性铬暴露会诱发精子和精浆的可逆性氧化应激，从而导致死精和弱精的产生。

综上所述，六价铬对雄性生殖机能的损害可通过引起机体产生过多的ROS而导致氧化应激，从而诱导特定蛋白的形态结构及功能改变，最终导致精细胞凋亡；此外，六价铬降低了睾丸和精液中抗氧化酶的活性和非酶抗氧化剂的浓度，造成严重氧化应激，最终使精子质量和雄性生育力下降。

3.2 六价铬可通过改变细胞信号通路促进细胞凋亡

目前的研究表明，六价铬可诱导细胞发生经典的DNA损伤反应，通过激活p53、ATM和MAPK信号通路引发细胞周期停滞或细胞凋亡。在p53信号通路中，肿瘤抑制基因p53是DNA损伤后基因表达的主要激活剂。有研究表明，六价铬在细胞周期的S期引起p53积累及Ser 15磷酸化，使其转录作用减弱，促进细胞凋亡。此外，六价铬可通过caspase-3和p53依赖性途径促进滋养细胞及子宫腺的血管内皮和卵黄囊上皮细胞凋亡。在ATM信号通路中，六价铬可诱导ATM依赖的DNA损伤反应途径，通过细胞还原引起严重的DNA损伤，从而诱导细胞凋亡。抗坏血酸（Asc）是体内细胞中六价铬氧化应激的主要还原剂，占其代谢的90%以上。M.W.Luczak等研究发现，六价铬在Asc缺陷细胞中引起强烈的ATM表达，促进DNA重启复制和细胞长期存活。相反，在Asc恢复的细胞中不存在上述的ATM依赖性反应。此外，氧化应激作用同样与MAPK信号通路密切相关。六价铬通过MAPK通路激活线粒体途径发生Caspase依赖性细胞凋亡。Zuo Z.H.等的研究表明，NF-κB／p65是MAPK信号通路的下游靶点，六价铬暴露导致IκBα蛋白降解，随后NF-κB／p65激活并移位至细胞核中。MAPK通路也可能在六价铬介导肾脏损伤的细胞凋亡和自噬中发挥重要作用。

3.3 六价铬可通过表观遗传修饰诱发癌症

表观遗传学是指基因表达的可逆但可遗传的变化，它独立于DNA序列，不涉及DNA结构的改变。目前已报道的六价铬诱导的表观遗传修饰包括DNA甲基化、组蛋白修饰和miRNAs。在DNA甲基化中，Hu G.P.等发现，职业接触六价铬的工人中CpG位点出现高甲基化，DNA损伤标志物8-羟基脱氧鸟苷（8-OHdG）显著高于对照组，同时发现六价铬可以通过促进甲基化下调DNA修复基因的表达，从而导致遗传损伤增强。K.Kondo等发现，DNA甲基化使铬酸盐导致的肺癌样本中p16肿瘤抑制基因的相关蛋白质表达水平降低。H.Sun等报道，六价铬能够影响全局和基因启动子特异性组蛋白的甲基化，从而导致肿瘤抑制基因的沉默，诱发肿瘤形成。在组蛋白乙酰化中，组蛋白4赖氨酸16（H4K16）乙酰化是控制染色质高级结构形成和调节非组蛋白与染色质纤维之间相互作用的最普遍的修饰。Chen D.Q.等发现，六价铬显著降低了H4K16的单乙酰化，而这是癌症发生的标志。已知miRNAs在癌症发生中可能发挥重要作用。有研究发现六价铬处理的人肺癌细胞中miR-143表达量下调。miR-143的表达下调可上调胰岛素样生长因子-1受体（IGF-1R）和胰岛素受体底物-1（IRS-1）的表达，IGF-1R／IRS-1通过上调白细胞介素8（IL-8）并激活下游ERK／HIF-1a／NF-kB信号通路来诱导肿瘤血管生成。另有研究者采用不同浓度六价铬处理24～48 h的黑腹果蝇幼虫进行miRNAs表达谱分析，鉴定了与生物过程相关的28个显著失调的miRNA位点，其中与DNA修复、氧化还原过程和应激激活的MAPK级联有关的miRNA基因靶点mus309、mus312、acon和pyd表达量下调。有研究表明，六价铬使miR-21呈现剂量依赖性上调，而其靶基因PDCD4（一种肿瘤抑制因子）的mRNA和蛋白质表达的剂量依赖性降低。六价铬是否可以通过类似的表观遗传修饰诱发雄性生殖系统癌症（如精原细胞瘤、睾丸癌、前列腺癌等）尚需进一步探究。

4 六价铬引发雄性生殖系统损伤的治疗措施

4.1 褪黑激素治疗六价铬引发的雄性生殖机能损伤

褪黑激素是松果体为应对黑暗环境而分泌的一种激素，由色氨酸合成，它控制着包括昼夜节律、情绪、睡眠、免疫在内的多项生理活动，具有很强的抗氧化和抗癌功效，可抑制癌细胞增殖、减轻氧化应激损伤和提高免疫活性。褪黑激素兼具亲水性和亲脂性，可以穿过血睾屏障并减轻ROS诱导的精子凋亡和DNA片段化。此外，作为一种强大的内源性自由基清除剂和广谱抗氧化剂，褪黑激素有助于维持正常的精子发生和男性生育力。S.A.E.Bashandy等证实，对六价铬处理的大鼠施用褪黑激素可减缓其睾丸中丙二醛的增加，并恢复抗氧化酶（超氧化物歧化酶和过氧化氢酶）、谷胱甘肽和性激素水平；同时减轻六价铬引起的组织病理学变化，抑制肿瘤坏死因子-α或白细胞介素6（IL-6）水平的下降，促进p53阳性免疫反应的增加。Lv Y.H.等研究发现，用褪黑激素预处理小鼠精原干细胞可减轻六价铬诱导的细胞凋亡，对小鼠腹腔注射外源性褪黑激素可保护其免受六价铬诱导的睾丸组织学变化和生殖细胞凋亡，有助于维持正常的精子发生和雄性生育能力。随后Lv Y.H.等又在研究中发现，褪黑激素减轻了六价铬诱导的小鼠精原干细胞活力丧失、ROS生成、线粒体动力学紊乱和线粒体自噬。

综上所述，褪黑激素可极大地缓解六价铬诱导的氧化应激，抑制生殖细胞凋亡，维持正常的精子活力和雄性生殖机能。

4.2 二甲双胍治疗六价铬引发的雄性生殖机能损伤

二甲双胍是一种治疗Ⅱ型糖尿病的一线药物，尤其针对肥胖病人应用更加广泛。通常认为二甲双胍的作用为调节AMP蛋白激酶（AMPK），而AMPK可以促进代谢应激条件下AMP与ATP比值的上升，对糖尿病的防治具有重要意义。同时二甲双胍还具有抗肿瘤、免疫调节和抗衰老的作用。在抗氧化作用方面，研究表明二甲双胍可以通过上调抗氧化酶GPX1来发挥抗氧化药物的作用。J.L.Tarry-Adkins等研究表明，用二甲双胍治疗后胎盘原代滋养层培养物中的氧化应激标志物显著降低；此外，用二甲双胍治疗高脂饮食诱发生殖功能异常的雄性大鼠，发现二甲双胍具有保护曲精细管上皮、减少睾丸细胞凋亡、维持生殖激素水平的作用。考虑到二甲双胍为传统的治疗糖尿病药物，其在治疗六价铬引起的雄性生殖系统损伤方面的作用尚需进一步证实。

4.3 外泌体治疗六价铬引发的雄性生殖机能损伤

真核细胞产生的外泌体可以在细胞间运输包括非编码RNA在内的多种物质，已被证实在癌细胞转移中起着重要作用。在缓解炎症反应方面，来源于血清的外泌体具有抗炎作用，对睾丸注射血清衍生的外泌体后可以极大地缓解睾丸扭转造成的睾丸损伤。F.Mahdavinezhad等研究发现，雄性生殖系统中的精浆微囊泡和外泌体可以保护精子免受冷冻损伤。Liu H.C.等研究发现，脂肪间充质干细胞来源的外泌体可以通过减轻氧化应激和炎症反应来减轻睾丸损伤，同时可以通过激活PI3K／AKT和MAPK／ERK1／2信号通路促进生精细胞的增殖和迁移，并抑制其凋亡。在睾酮分泌方面，支持细胞分泌的外泌体是全氟辛烷磺酸抑制睾酮合成的重要途径。F.Salek等研究发现，支持细胞衍生的外泌体可以缓解静电场诱导的小鼠精原干细胞氧化应激并维持精原干细胞环境的稳态。综上所述，外泌体可能具有减轻六价铬对雄性生殖机能损伤的作用。

4.4 其他药物治疗六价铬引发的雄性生殖机能损伤

由于六价铬对雄性生殖机能损害的机制主要是氧化应激作用，因此补充维生素C、叶酸、某些益生菌等还原性物质似乎成为了一种可行方法。M.M.Aruldhas等报道，六价铬可通过诱导自由基破坏精子发生，而补充抗氧化性维生素可能有益。S.Subramanian等的试验证实，给猕猴补充维生素C（0.5，1.0，2.0 g／L）可有效防止六价铬诱导的氧化。值得注意的是，在解除游离铬6个月后精子质量和抗氧化酶活性恢复到正常水平，说明在无六价铬的环境中，随时间推移铬的危害效应可以自然消失。另外，叶酸对六价铬的治疗效果在近些年也受到关注。M.I.Yousef等发现，对重铬酸钾处理后的雄兔施加叶酸可显著提高雄兔体重及睾丸、附睾相对重量，说明叶酸具有维持雄性动物正常生殖机能的特性。在接触六价铬的人体内，一些益生菌发挥着生物保护剂的作用，例如存在于人类口腔和肠道及发酵食品中的乳酸杆菌、链球菌、芽孢杆菌和双歧杆菌具有结合和解除六价铬毒性的能力。因此，基于口服途径的益生菌疗法或许是减轻大众经济负担的一种选择。

5 小结与展望

六价铬作为一种有毒的高价态重金属，具有很强的毒性和致癌性，是一种已被证实的具有诱变作用和遗传毒性的致癌物。六价铬具有广谱毒性，有研究证明其对脑、肝、肺等重要器官都会产生氧化应激作用，同时也可对包括人类在内的动物生殖机能造成严重危害。在作用机制方面，六价铬可诱导氧化应激，同时通过激活相关的细胞凋亡信号通路、调控诸如DNA甲基化等表观修饰作用来产生毒性和致癌性。文章从六价铬对雄性生殖机能的影响入手，着重分析了其作用机制和目前的预防治疗手段，对相关领域研究成果进行了初步总结。在生态安全和食品安全关注度日益增强的今天，研究六价铬对雄性生殖系统损害的机制及相应治疗措施具有重要的现实意义，同时也可为环境毒物造成的雄性不育症诊断、治疗提供借鉴和参考。