镉致雄性生殖系统损伤机制及防护进展

镉被广泛地应用于新型电池、电镀、塑料生产等行业，大量产生含镉“三废”。镉通过食物、水、空气、粉尘等经消化道和呼吸道进入人体，甚至还可以通过皮肤渗入人体。镉在机体内生物半衰期长达10～30年，是生物体内最易蓄积的环境污染物之一，具有多器官和组织毒性[1]。生殖系统是对镉敏感的靶器官之一，镉能诱导睾丸、附睾等组织器官发生结构和功能上的退行性变化，导致睾丸结构和功能损伤，引起生精障碍，生殖力下降，甚至不育等[2]。本文综述了近年来镉对雄性生殖系统损伤的发生机制及其药物防护的研究进展。

一、镉的暴露途径及暴露水平

人体内的镉主要是通过食物、水和空气进入体内蓄积下来。美国环境保护署检测发现，普通人群每天都会接触无损伤效应镉的剂量，在水中约0.5 μg/(kg·d)，食物中1 μg/(kg·d)。经呼吸道进入人体的镉是吸入镉的重要途径，肺内镉的吸收量约占总进入量的25～40%，其中进入肺内的镉大约有40～60%能够穿过肺的上皮细胞，进入体内循环。吸烟是暴露镉最普通的形式之一，镉在烟叶中的含量大约为0～6.78 μg/g干重，在成品烟中的含量约为2～4 ug/20支[3]。镉进入人体后，主要通过两种途径影响雄性生殖功能，一方面通过影响下丘脑-垂体-睾丸轴，干扰性腺轴上各个激素的分泌水平。另外，镉还能透过血睾屏障，直接进入睾丸，导致睾丸结构和功能的损伤。

二、镉引起雄性生殖功能损伤的机制

1.氧化应激：氧化损伤是镉致睾丸损伤的主要分子机制，镉通过降低多种抗氧化酶活性，从而增加活性氧族(Reactire oxygen species，ROS)的含量[4]。ROS攻击多不饱和脂肪酸，启动脂质过氧化反应，活性氧和脂质过氧化反应产生的各种自由基导致DNA 损伤，造成DNA 单链断裂。有研究证实，镉是较强的脂质过氧化诱导剂，可诱发细胞内脂质过氧化物的生成[5]，增强膜脂质过氧化反应，改变细胞内的抗氧化系统，在不同的组织中诱导氧化损伤，引起细胞DNA链的断裂[6]。精细胞DNA损伤与少精子症、精子畸形率增加、精子存活率及活动率降低、受精率下降及胚胎发育异常等密切相关[7]。

2.促凋亡：凋亡是细胞最常见的死亡形式，细胞凋亡的异常与受精能力低下及男性不育有密切的关系[8]。研究发现，正常且有生育力的男性，其生殖细胞的凋亡率为0.1%，不育男性生殖细胞的凋亡异常增多，其中精索静脉曲张和感染者为10%，隐睾者为20%，精子成熟障碍者为25%，精原细胞癌者为50%，而且随着睾丸受损伤的程度增加，凋亡率随之增加[9]。据报道，镉引起睾丸细胞内质网应激增加，导致诱导凋亡的标志基因CHOP表达上调，以及促凋亡JNK信号通路的磷酸化水平升高，进而诱导睾丸精细胞凋亡异常增多[10]。

3.置换作用：由于镉离子的物理化学特性与钙离子和锌离子相似，因此，在体内镉离子会置换钙离子与锌离子，导致钙与锌离子的信号通路被激活或抑制。镉通过抑制钙泵的功能，引起细胞内钙浓度的升高，而细胞内钙离子的升高能激活细胞调亡的信号传导系统，是诱导细胞凋亡和坏死的重要条件[11]。锌通过激活抗氧化系统来阻止细胞损伤[12]。因此，镉与钙、锌离子的置换，会扰乱钙、锌离子在体内的正常生理功能。

4.内分泌干扰：镉是一种内分泌干扰剂，可影响和调节多种激素的合成。流行病学调查显示，即使空气中低浓度镉，也会降低男性血清中卵泡刺激素(follicle stimulating hormone,FSH)的分泌水平[13]。Manna等[14]研究显示，镉暴露会明显降低大鼠血浆中FSH浓度、睾酮水平、精子数量，以及睾丸中睾酮合成酶，3β-羟基类固醇脱氢酶和17β-羟基固醇脱氢酶活性降低。

5.遗传毒性：研究显示，不仅在成年后暴露镉会引起雄性生殖功能损伤，在孕期与泌乳期暴露镉，也会导致子代雄性生殖功能损伤。Petrochelli等[15]在大鼠孕期与泌乳期暴露镉，F1代雄鼠睾丸中细胞死亡率增加，精子形态损伤率上升，精子活动率降低。在整个孕期与泌乳期暴露镉，导致母鼠类固醇激素的合成被显著抑制，生成类固醇的急性调节蛋白基因表达下调，导致F1代鼠抗氧化系统的平衡改变，发生明显的氧化应激损伤[16]。

6.信号通路：研究表明丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)系统在细胞的信号转导中发挥重要作用，主要包括细胞外信号调节蛋白激酶(ERK1/2)通路、c-Jun氨基末端激酶(JNK)通路和p38MAPK通路。镉引起多种细胞凋亡均与MAPK激活有关。另外，镉能够激活p38MAPK信号通路来降低血睾屏障的完整性，当使用p38MAPK特异的抑制剂SB202190，显示能够延迟和部分阻断镉对大鼠血睾屏障的损伤效应[17]。镉也可以引起促黄体激素受体的mRNA表达下调，降低睾酮的合成[18]。

三、镉致损伤的药物防护

针对镉致雄性生殖系统损伤的发生机制，研究的防护药物有：抗氧化剂、抗凋亡剂和络合物。

1.抗氧化剂：(1)葡萄籽油、茶黄素、咖啡因、黄芪、血红素。葡萄籽油主要成分是亚油酸与原花青素，是一种天然、高效的脂质过氧化物抑制剂[19]。腹腔注射雄性大鼠1.0 mg/(kg·d)氯化镉，每组分别灌胃0.66 mg/(kg·d)、2.64 mg/(kg·d)的葡萄籽油，连续处理14 d。检测发现葡萄籽油灌胃的剂量与体内自由基清除率呈正相关，表明葡萄籽油具有抗脂质过氧化活性，抑制了镉对精细胞DNA损伤，有助于损伤DNA的修复[20]。茶黄素是存在于红茶中的一类多酚羟基具茶骈酚酮结构的物质，占茶干重量2%～6%。SD雄性大鼠每天皮下注射镉0.4 mg/kg，并每天灌胃茶黄素50、100、200 mg/kg，持续5周，结果发现，灌胃组与镉单独处理组相比，茶黄素干预组睾丸组织的抗氧化酶活力升高，氧化剂含量下降，大鼠睾丸精细胞DNA损伤降低，且与茶黄素的用量呈正相关[21]。咖啡因是从茶叶、咖啡果中提炼的一种生物碱，在体内可降低脂质过氧化物，增加抗氧化酶的活性和浓度[22]。在Wistar雄性大鼠饮水中加入20 mg/L咖啡因与15 ppm镉，持续暴露20周。结果表明，咖啡因可增加睾丸与附睾中抗氧化酶的活性，对镉致生殖功能损伤具有保护作用[23]。腹腔注射黄芪注射液5 g/(kg·d)和10 g/(kg·d)，7 d后腹腔注射氯化镉溶液0.2 mg/(kg·d)，连续处理21 d。黄芪注射液可以有效地抑制镉对大鼠精子畸形的毒性作用，可能与黄芪中的刺花柄花素、阿佛洛莫生、毛蕊异黄甙和奥刀拉亭等成分对多种自由基均有良好的清除作用有关，能预防生物膜的脂质过氧化，促进DNA合成，增强损伤DNA的修复等[24]。有研究者使用血红素对镉引起的损伤进行保护发现，雄性大鼠腹腔注射血红素40 μmol/(kg·d)，24 h后在腹腔注射氯化镉2 mg/(kg·d)，48 h后取样，结果表明血红素通过提高抗氧化剂的含量，降低氧化剂水平的途径，对镉引起的睾丸组织损伤发挥了保护作用[25]。(2)锌、硒。锌是超氧化物歧化酶的重要成分之一，可与某些抗氧化剂螯合，控制过氧化物的形成，缺锌可以导致细胞清除自由基的能力下降，脂质过氧化作用增强[26]。在饮水中加入40 mg/L氯化镉及40 mg/L锌，连续暴露30 d，补充锌可显著提高抗氧化剂GPx、SOD的含量，同时降低镉诱导的睾丸DNA损伤[27]。在雄性Wistar大鼠的饮水中加入200 ppm镉+500 ppm锌+0.1 ppm硒，持续35 d，相对于饮水中只添加镉的对照组，干预组有效地提高了睾丸内抗氧化物的含量及精子活动速度，降低镉对大鼠睾丸的损伤[28]。(3)维生素C、维生素E、胡萝卜素、辅酶Q10。维生素C 250 mg/(kg·d)与维生素E 250 mg/(kg·d)的剂量联合灌胃1 h后，腹腔注射氯化镉2 mg/(kg·d)，连续处理8 d，可降低镉致睾丸的氧化损伤[29]。将β-胡萝卜素与维生素E联合使用，在氯化镉5 mg/kg体重的暴露组中，每隔一天灌胃β-胡萝卜素10 mg/kg体重与维生素E 100 mg/kg体重，连续处理30 d，结果发现二者联合可更好地保护镉致雄性生殖功能损伤[30]。辅酶Q10是重要的抗氧化剂，通过对雄性大鼠肌肉注射辅酶Q10 20 mg/kg，24 h后腹腔注射氯化镉0.4 mg/kg，注射后24 h取样，结果发现，辅酶Q10通过抗氧化作用保护镉致大鼠睾丸的损伤[31]。

2.抗凋亡：目前，主要的抗凋亡药物有N-乙酰半胱氨酸、坏血酸、褪黑素、姜黄素。腹腔注射100 mg/kg N-乙酰半胱氨酸8 h后，再腹腔注射氯化镉2 mg/kg，结果表明，N-乙酰半胱氨酸能够降低镉导致的精细胞凋亡[32]。腹腔注射小鼠2.0 mg/kg氯化镉，睾丸精细胞凋亡率增加，而在注射前8 h注射坏血酸100 mg/kg，可显著降低镉引起的精细胞凋亡[33]。雄性ICR小鼠腹腔注射褪黑素5 mg/kg，8 h后腹腔注射氯化镉2.0 mg/kg，表明镉暴露可显著提高睾丸精细胞凋亡率，而褪黑素可显著降低镉引起的睾丸精细胞凋亡[34]。皮下注射雄性大鼠1 mg/kg镉后，再灌胃100 mg/kg姜黄素，连续处理4周，结果表明姜黄素可显著降低镉诱导的精细胞凋亡[35]。

3.络合作用：镉形成络合物后，有利于降低镉的毒性，促进镉的排出，减少镉的蓄积，从而减轻镉对雄性生殖系统的毒性作用[36]。目前，能够络合镉离子的药物主要有牛磺酸、茶多酚、转铁蛋白、螯合剂N-对羟甲苯甲基-D-葡萄糖二硫代氨基甲酸钠(HBGD)和N-苯甲基-D-葡糖二硫代氨基甲酸钠(BGD)。在雄性albino小鼠的饮水中加入牛磺酸100 mg/(kg·d)，连续处理5 d后，在水中加入氯化镉4 mg/(kg·d)，连续暴露6 d，结果发现，牛磺酸可显著降低镉引起的雄性生殖系统损伤[14]。其机制可能是牛磺酸与镉离子结合形成络合物，抑制了钙离子内流及与锌离子置换，提高了精细胞抗损伤及DNA修复的能力[37]。皮下注射大鼠0.4 mg/kg氯化镉，同时分别给予50、100、200 mg/kg茶多酚进行灌胃，每周5次，连续处理5周。分析后发现，经茶多酚干预后大鼠睾丸组织中SOD活力升高，MDA含量下降，睾丸细胞DNA损伤降低，尿镉排出量增加，表明茶多酚与镉络合后，可促进体内蓄积镉的排出[38]。转铁蛋白是鲤鱼精浆的主要蛋白，与精子活动度密切相关。研究表明4～40 μl 248 ppm氯化镉可使精子活动速度降低，当加入鲤鱼转铁蛋白1mg后，可显著提高精子活动速度[39]。De Smet等[40]报道，一个转铁蛋白与两个镉离子结合，形成蛋白复合物，降低镉的毒性。对雄性小鼠注射氯化镉1.25 mg/kg，30 min后腹腔注射400 μmol/kg螯合剂HBGD与BGD，经检测，睾丸脂质过氧化水平较镉单独处理组明显降低，对镉导致的生育能力降低有明显的改善作用[41]。HBGD和BGD含有亲水性葡萄糖基，能够促进镉从尿液排出，对镉致小鼠睾丸毒性有较好的解毒作用，加上自身毒性小，有望成为镉致雄性生殖功能损伤的解毒剂。

四、展望

综上所述，随着工业化步伐加快，环境污染加重，镉对人类生殖健康和生殖安全的威胁进一步增加。虽然可通过政府实施强制措施，降低镉对环境的污染，但不可能彻底清除镉对人体健康的危害。因此，关键是寻找出镉致雄性生殖功能损伤的确切机制，进而研究出防护镉致雄性生殖功能损伤的有效治疗方法，这对人类生殖健康及重金属毒理学的基础研究和临床实践具有重要意义。

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