镉遗传毒性的研究进展

达 瑞 刘永琦 苏 韫 孙少伯

1817年，德国德斯特罗迈尔从不纯的氧化锌中分离出褐色粉，使其与木炭加热，制成镉，并以含锌的矿口菱锌矿的名称Calamine，命名为Cadmium，元素符号为Cd，现被广泛用于电镀、颜料生产及荧光粉生产中。镉是一种毒性很强的重金属，在体内易蓄积，被机体吸收后，自然排泄十分缓慢，在人体中镉的生物半衰期为9～30年。由于其对人的毒性较大，已被美国毒性管理委员会(ATSDR)列为第6位危害人类健康的有毒物质，国际癌症研究中心(IARC)在1987年将镉列为人类肺癌及前列腺癌的可疑致癌物［1］。近几年研究发现，给雄性大鼠皮下注射镉，还可致其睾丸、精囊、前列腺重量减轻，精子浓度及形态出现异常，精子成活率大大降低［2］。说明镉不仅可引起机体的急性和慢性中毒，而且对哺乳动物具有较强的致畸、致癌、致突变作用。研究表明，镉及其化合物均具有毒性。吸入氧化镉可致急性中毒，出现胸痛、头晕、恶心、腹痛、腹泻，严重者可出现呼吸困难及休克。

1 镉对遗传损伤的作用

1.1 基因突变试验 基因突变试验(gene mutation test，GMT)即针对化学致突变物的基因检测试验，是对致癌物质进行初筛，和人类预防癌症的重要手段，也是对化学物毒性及毒理研究中应用最为广泛技术。在基因突变研究中，采用不同的载体细胞，选择化学物适当的浓度及作用时间，可出现基因的变化。Ames试验是检测化学物质基因突变的常用方法，常规的Ames试验选用四个测试菌株(TA97、TA98、TA100、TA102)。通过基因突变试验结果表明，氯化镉及硫酸镉具有致畸变的作用。Ochi［3］等用氯化镉诱导中国仓鼠V70细胞的6-硫鸟嘌呤抗性突变子(6-TG7)及DNA单链裂解，均出现阳性结果。O＇Brien P［4］等发现试验中当使用氯化镉浓度为5 mg/kg时，可引起大鼠骨髓细胞产生裂隙和染色体破裂，并出现多样染色体畸变或改变。

1.2 DNA损伤试验 单细胞凝胶电泳分析(single cell gel eletrophoresis，SCGE)是近年来逐步完善而发展起来的一种快速检测单细胞DNA损伤的实验方法，因其细胞电泳形状颇似慧星，又称慧星试验(comet assay)，通过测定DNA迁移部分的光密度或迁移长度就可以测定单个细胞DNA损伤程度，从而确定受试物的作用剂量与DNA损伤效应的关系。镉具有遗传毒性作用，而DNA损伤被认为是其诱发细胞恶变的关键，镉对DNA的损伤主要表现为单链DNA损伤(SSD)、DNA-蛋白质交联和DNA修复抑制，镉对DNA的复制、修复的损伤都可直接影响到其对生物的遗传效应。研究表明，低浓度镉可被体内修复系统修复，高浓度镉不能被体内修复系统修复。同时，染镉的时间越长，DNA损伤越严重。有人在氯化镉诱导大量肝细胞及脾细胞的DNA损伤作用试验中，发现镉的剂量与DNA损伤的程度存在正比关系，即使用低剂量镉染毒，肝细胞及脾细胞DNA出现拖尾现象，而随着镉浓度的升高，DNA损伤有加重的趋势［5］。杨凡［6］等发现氯化镉可引起离体小鼠睾丸生殖细胞DNA的损伤，并对雄性小鼠生殖细胞具有生殖毒性。

1.3 染色体畸变试验 染色体畸变试验(chromosome aberration test，CAT)是检测化学物质影响染色体数量和结构的基本方法，也是细胞遗传学检验方法之一，即制备中期相染色体标本，在光镜下观察染色体形态结构和数目改变。遗传学终点为染色体畸变。在化学物质安全性评价中常选体外CHL细胞染色体畸变、精原细胞染色体畸变试验等检测化学物质对染色体的影响。镉可以通过直接或间接损伤染色体而导致染色体出现畸变。研究表明，氯化镉及硫酸镉可以引起中国仓鼠V79细胞和卵巢细胞(CHO)的染色体出现不同程度的畸变。Nocentini等［7］发现氯化镉可引起细胞的 DNA断裂。Han等［8］人在体外培养人淋巴瘤细胞的过程中发现使用氯化镉可使姐妹染色单体更换率明显增加，且与镉剂量呈相关关系。

1.4 微核试验 微核试验(micronucleus test，MNT)是检测染色体或有丝分裂器损伤的一种遗传毒性试验方法。无着丝粒的染色体片段或因纺锤体受损而丢失的整个染色体，在细胞分裂后期仍留在子细胞的胞质内成为微核。最常用的是啮齿类动物骨髓嗜多染红细胞(PCE)微核试验，是近些年检测染色体或有丝分裂器损伤的一种常用的遗传毒性试验方法，具有直观、经济等优点。微核试验的原理:无着丝粒的染色体片段或因纺锤体受损而丢失的整个染色体，在细胞分裂后期仍留在子细胞的胞质内成为微核。若受试药物处理能增加骨髓嗜多染红细胞中的微核率，并有剂量-效应关系，则可认为该受试物是哺乳动物体细胞的致突变物。李国庆［9］等发现氯化镉能诱发较高频率的微核率;处理细胞6 h、12 h、24 h 时，氯化镉质量浓度为0 ～10.00 mg/L时微核率随氯化镉质量浓度增加而上升，氯化镉质量浓度大于10.00～40.00 mg/L时微核率随氯化镉质量浓度增加而下降;有丝分裂指数随氯化镉质量浓度上升而下降，随处理时间的延长而升高;氯化镉能明显诱导细胞产生较高频率的染色体畸变。

1.5 动物染毒实验 动物染毒实验(animals toxicity test)是指让机体(实验动物)1次(或24 h内多次)接触外来化合物之后所引起的中毒效应，甚至引起死亡，来研究化合物毒性的常用方法。在啮齿动物实验中发现，镉对多种肿瘤均有潜在的致癌作用。Waisberg等［10］研究发现，Wistar大鼠持续吸入CdCl2(12·5、25和50μg/m3)矿尘18个月，出现了有剂量-依赖关系的原发性肺癌发生率的阳性结果。在接触组，其发生率分别为15%、53%、71%，而对照组无肺癌的发生。同时也有人证实Cd能诱导大鼠血液系统肿瘤发生及前列腺瘤发生。在对试验动物染毒剂量研究方面，卢茜［11］等在氯化镉腹腔注射对SD大鼠的急性毒性研究中发现注射氯化镉的剂量多少直接影响到大鼠的存活率。试验发现大鼠对氯化镉注射的绝对致死量为26.00 mg/kg，最大耐受剂量为11.54 mg/kg，镉中毒大鼠一般在8 h内死亡，少数在72 h内死亡;CdCl2溶液腹腔注射对大鼠的 LD50 为 18.37 mg/kg，95% 的可信区间是 16.56～20.38 mg/kg。

1.6 细胞转化试验 细胞转化试验(cell transformation test)是通过对哺乳动物细胞进行培养，之后检测化学物诱导体外细胞变化的实验方法。在细胞转化试验中发现镉对动物正常细胞的致畸变作用。Terracio等［12］将发生转化的大鼠前列腺细胞(RPr)接种于新生的大鼠体内，结果发现接种后的大鼠约有95%至100%都出现了肿瘤，平均潜伏期为20 d左右。

2 镉遗传毒性作用的机制

2.1 氧自由基理论 大量研究证明，自由基和氧化性损伤参与了镉遗传毒性的发生，其证据为:(1)CdCl2诱发V79细胞DNA单链断裂仅在有氧的情况下发生;(2)给予抗氧化剂和自由基清除剂如甘露醇、二叔丁基对甲酚(BHT)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽、维生素E、维生素C等可拮抗镉的遗传毒性，而CAT抑制剂3-氨基-1，2，4-三氨唑可增强镉的遗传毒性，镉可以通过产生大量的氧自由基而引起DNA损伤;(3)镉接触人群、染镉的哺乳动物或体外培养细胞在出现遗传损伤的同时，过氧化指标也增高，包括机体抗氧化防御系统的破坏。细胞在有氧代谢过程中会产生大量的活性氧，如果超过了体内自身自由基清除的能力，就会产生自由基攻击而引起DNA损伤。研究表明，镉及其化合物产生的活性自由基参与了镉致DNA断裂的作用，造成DNA损伤。氯化镉引起细胞氧化剂过量产生，并伴有黄嘌呤氧化酶活性的增强、肾谷胱甘肽活性减弱、过氧化氢酶及其他谷胱甘肽依赖性酶的抑制［13］。

2.2 镉对细胞器的损伤 镉在体内外可引起多种哺乳动物细胞微核率增高，并使某些细胞出现非整倍体或多倍体，这提示镉可能对有丝分裂有干扰作用。Vetbost［14］报道镉能影响细胞内的纺锤体，从而使减数分裂期的染色体不分离或出现染色体桥、多核细胞等。以上研究表明，镉可以影响与细胞分裂有关的细胞器而产生遗传毒性。

2.3 镉直接攻击核酸分子 镉与DNA直接作用是遗传损伤的原因之一，而目前普遍认同的观点是镉主要通过各种间接途径损伤遗传物质。金属离子在体内可与生物大分子形成金属螯合物。核酸中的糖、磷酸、各种碱基，尤其是嘌呤碱基的 N、OH或NH2基，极易与金属结合，从而改变核酸立体结构，导致碱基错误配对或链断裂。镉可以直接与DNA分子中的磷酸、碱基等发生相互作用，最终引起DNA受损，形成修饰碱基g-羟基多嘌呤、胞嘧啶二醇等［15］。

2.4 镉调控翻译水平上基因表达 周志衡［16］等发现氯化锡在诱发16HBE细胞恶变过程中，存在明显的蛋白翻译启动因子hOGG1的mRNA异常表达现象，其表达水平与细胞的恶变程度密切相关，这可能是氯化镉诱发人细胞肿瘤的重要分子致癌机制之一。除上述几种机制外，镉还有可能通过对钙调素的刺激作用产生微管的解聚，影响细胞的有丝分裂而产生遗传毒性。

综上所述，大量实验表明镉是一种有遗传毒性的金属，其机理可能涉及镉通过氧自由基损伤、直接或间接损伤细胞器、直接攻击DNA核酸、影响特定基因表达等多方面，探讨镉及其化合物的遗传毒性作用及产生机制，对于预防工业、生活镉中毒有重要意义。

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