镉对雄（男）性生殖系统毒性的研究进展

陈娜，苏萍

镉对雄（男）性生殖系统毒性的研究进展

陈娜，苏萍△

镉（Cadmium）是有毒重金属，其对肝、肾、肺、骨骼、生殖系统及血液系统均有毒性，雄性生殖系统对镉的毒性更加敏感。镉进入机体后抑制类固醇激素合成急性调节蛋白（steroidogenic acute regulatory protein，StAR）、胆固醇侧链裂解酶（P450scc）、3β-羟类固醇脱氢酶（3β-HSD）以及17β-HSD等睾酮合成关键酶活性，使睾酮合成受到抑制，血浆睾酮水平下降。镉可诱导生殖细胞凋亡，引起睾丸细胞和细胞器的超微结构变化，最终损害雄性生殖系统的功能。内分泌紊乱、氧化应激失衡和凋亡通路的激活在镉毒性机制中发挥着重要作用，某些抗氧化剂和抗凋亡药物可在一定程度上拮抗镉的生殖毒性。综述镉对雄（男）性生殖能力的影响和毒性机制。

镉；生殖器疾病，男（雄）性；细胞凋亡；氧化性应激

镉（Cadmium）污染是最严重的环境污染之一[1]。镉主要通过受污染的食物和水进入人体，在人体的半衰期长达20～30年[2]。大量研究证实，镉进入机体后可导致机体急性或慢性损伤，如肝、肾功能不全，睾丸病变及其他系统疾病[3-4]。随着工业化水平不断提高，工业废物和城市垃圾排放量增大以及农业生产大量使用化学肥料，使得空气、土壤以及农作物中镉含量不断上升。在过去的一个世纪中，工业镉应用的增加导致环境污染，使得人暴露于镉污染，有研究表明，大约有2.3%的美国人尿镉水平升高[5-6]。人生殖系统对镉污染更加敏感，近年调查发现，镉可降低男性精液质量，导致男性生殖能力下降甚至不育[7-9]。

1　镉对雄（男）性生殖能力的影响

镉对雄性生殖能力影响，主要表现在镉可致睾丸内分泌功能下降和精子生成障碍，影响精子成熟，造成生育力损害。

1.1对生殖内分泌功能的影响镉对雄性生殖内分泌功能的影响是潜在而显著的，镉通过降低睾酮合成相关酶活性进而降低机体睾酮含量。Manna等[10]研究显示，一定剂量镉暴露会明显降低Wistar大鼠睾丸类固醇合成限速酶3β-羟基类固醇脱氢酶（3β-HSD）和17β-HSD活性，且血浆睾酮水平、精子数量均明显降低。重金属作为一大类环境内分泌干扰物，可影响机体内分泌，越来越多的研究着眼于探索重金属镉对机体不同发育阶段的生殖毒性作用。青春期镉暴露可导致成年雄（男）性生殖功能障碍。研究发现青春期小鼠镉暴露后，小鼠体内血浆睾酮水平和睾酮合成酶活性均下降，睾酮水平的下降可能影响青春期睾丸正常发育和精子发生，致使成年小鼠生殖功能障碍[11]。Interdonato等[12]通过招募111名12～14岁无抽烟史、祖籍起源相同的男性青少年，检测其尿镉水平和睾丸体积，发现生活在工业区的青少年尿镉水平比远离工业区的青年高且睾丸体积较远离工业区的青年小，同时检测血清激素水平发现工业区青少年体内睾酮水平较非工业区的青少年低，认为镉的生殖毒性与年龄有关，青少年期镉暴露可能导致性成熟和睾丸发育延迟且镉对青少年生殖系统的毒性作用较成年人更敏感。关于镉的毒性和机制的研究中，多数采用的染镉途径是经皮下或腹腔给药，且染毒剂量偏高，这与自然条件下动物和人类镉暴露的途径和剂量是不一致的，未来还需更多、更加细化的研究来探索镉与人类生殖健康的关系。

1.2对生精功能的影响镉对雄性动物和人类生精功能具有明显抑制作用。镉对机体生精功能的抑制效应呈剂量依赖性，一方面镉可影响精子形态，导致畸形精子数量增加，另一方面，其可抑制精子成熟，甚至随着镉浓度提高可导致精子发生完全停滞在精母细胞阶段[13]。镉不仅导致精子发生停滞在精母细胞阶段，也可破坏精母细胞甚至是精原细胞的生长发育和正常形态结构，诱导生殖细胞凋亡，从而导致生精功能障碍[14]。近年研究表明，血清镉水平增高致使男性精液质量下降，甚至导致男性不育，具体表现为精液量减少、精子活力下降以及畸形率升高[9，15]。

2　镉对睾丸超微结构的影响

镉暴露可导致实验动物睾丸萎缩，质量下降，精曲小管纤维化以及生精细胞脱落等形态结构上的改变。近年随着电镜技术的不断发展，支持细胞、线粒体以及内质网等超微结构逐渐被学者们所熟悉，因此镉对睾丸结构的影响研究不只是光镜下的结果。研究发现一定剂量镉暴露后可导致Balb/c小鼠支持细胞空泡化，支持细胞与精原细胞间紧密连接分离，生精细胞胞核出现异染色质[4]。Lamas等[16]也证实镉暴露后可导致电镜下睾丸支持细胞内形成大量脂滴，血睾屏障结构紊乱，生殖细胞出现明显的变性，精曲小管腔中的精子鞭毛大量黏附，线粒体形态和结构异常。电镜出现后学者们逐渐开始认识到支持细胞以及支持细胞之间的血睾屏障结果对于维持生精细胞生殖发育的重要作用。有学者证实镉对血睾屏障结构的损伤早于对生殖细胞的损伤[17]。

3　镉对雄性生殖系统毒性机制的探讨

目前尚不完全清楚镉对雄性生殖毒性的作用机制。相对于机体其他组织、器官，镉对睾丸的毒性影响较明显。目前研究发现镉对雄性生殖毒性存在以下几种作用机制。

3.1氧化应激与男性生殖系统功能衰竭相关的研究表明，氧化应激是一种主要的致病因素[18]。镉离子是一种较强的脂质过氧化诱导剂，可引起细胞脂质过氧化，造成膜结构和功能破坏，细胞线粒体受损，已证实镉离子中毒后机体脂质过氧化物显著增多。另一方面，镉通过抑制多种抗氧化酶活性、促进活性氧族物质和脂质过氧化反应产物产生，使细胞DNA出现氧化受损，导致细胞坏死[19-20]。锌参与机体多种酶的代谢，对于维持细胞膜结构的稳定性不可或缺。锌与镉均属于ⅡB族元素，理化特性相似，锌是抗氧化剂超氧化物歧化酶（SOD）结构的重要元件，对于维持SOD活性至关重要，镉可竞争性结合睾丸中锌结合蛋白的作用位点，导致睾丸氧化应激失衡，致使睾丸组织结构和功能受损，锌可明显拮抗镉导致的睾丸氧化损伤[21]。最新的研究表明，孕期和哺乳期镉暴露可影响睾丸的发育，导致35日龄幼鼠睾丸异常生精小管增多、睾丸质量降低以及血浆睾酮水平下降，镉可中断锌的代谢导致孕期和哺乳期母体内锌缺乏，并进一步导致胎儿和哺乳期幼崽锌缺乏[22]。而经典的抗氧化剂如维生素E、维生素C等被证实可以拮抗镉对睾丸的氧化损伤，无疑是对镉具有氧化毒性的强有力证明。维生素E和β-胡萝卜素是天然的抗氧化物，其通过抑制自由基活性而保护正常细胞不受伤害，抗氧化剂和活性氧清除剂对镉毒性的抑制作用进一步证实了镉的作用机制与氧化失衡密切相关[23]。β-隐黄素（β-cryptoxanthin）是一种可以降低机体氧化应激类胡萝卜素，研究表明，β-隐黄素因可以显著拮抗镉引起的机体氧化应激失衡，使得丙二醛（MDA）含量下降、SOD、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽（GSH）活性增加，从而有效抗衡了镉导致的生殖细胞凋亡[24]。

3.2凋亡机制睾丸细胞如生精细胞的凋亡是镉生殖毒性作用的重要环节，睾丸细胞凋亡信号通路的激活被认为是镉毒性的重要机制。研究发现氧化应激失衡和凋亡通路均在镉致睾丸细胞的凋亡过程中发挥着作用[4，14，20]。半胱天冬酶-3（Caspase-3）和Caspase-9是经典的导致细胞凋亡的蛋白酶，在组织细胞凋亡和肿瘤的发生中发挥重要作用。镉暴露可导致华溪蟹睾丸组织氧化应激失衡，表现为脂质过氧化终产物MDA以及活性氧类物质过氧化氢（H2O2）等含量增加，DNA碎片率增加，同时Caspase-3和Caspase-9活性明显增加，睾丸细胞凋亡数也随着镉染毒浓度增加而增加，研究者认为，镉可以诱导睾丸氧化应激和细胞凋亡，该凋亡过程可能与线粒体介导的Caspase-3和Caspase-9通路激活有关[20]。Kim等[25]发现，镉处理大鼠8 h可测得睾丸生殖细胞凋亡，脂质过氧化终产物MDA含量增加；进一步探索镉凋亡作用机制时发现氧化应激介导凋亡诱导因子（AIF）从线粒体到细胞核的转运，抗坏血酸可抑制AIF从线粒体到细胞核的转运，认为细胞凋亡由氧化应激引起，而镉所致的氧化应激可能与AIF从线粒体转运到细胞核有关。抗凋亡药物和抗氧化剂可以有效拮抗镉的生殖细胞凋亡率，进一步证实了凋亡机制和氧化应激失衡在镉毒性中的作用[26-28]。

3.3内分泌机制睾酮是男性体内最重要的激素之一，睾酮可维持生精。动物实验表明镉可明显降低机体睾酮水平，导致雄性生殖功能障碍。有研究表明，镉导致睾丸血管坏死，影响了睾酮的合成，并最终导致血浆睾酮水平的下降[29]。类固醇合成酶是睾丸合成睾酮的必需元件，酶的改变会影响睾酮的合成。类固醇激素合成急性调节蛋白（steroidogenic acute regulatory protein，StAR）是细胞内胆固醇快速转运的调节因子，其与甾体激素的合成关系密切，疏水性的胆固醇从线粒体膜外转运至线粒体内是甾体激素的生成关键步骤。少量镉可明显降低雄性SD大鼠间质细胞StAR蛋白水平，睾酮合成相关的其他关键蛋白酶胆固醇侧链裂解酶（P450scc）、3β-HSD以及17β-HSD等均下降，同时生精细胞数量和精子细胞均下降[30]。Couto-Moraes等[31]研究发现给予一定剂量的氯化镉可使大鼠血浆睾酮水平明显下降，伴随性行为受到影响，适量补充睾酮可逆转镉对实验大鼠性行为的破坏。

4　治疗

近年在研究实验动物镉毒性机制的基础上出现了大量的拮抗镉毒性的方法和药物。首先从氧化应激方面来说，有效的抗氧化剂正在被不断发现，抗氧化药物通过抑制镉所致的氧化应激失衡，清除脂质过氧化物达到维持睾丸正常内环境。锌和硒是较为有效的拮抗镉睾丸毒性的抗氧化剂[22，30]。经典的抗氧化剂维生素E和维生素C也可以有效抑制镉的睾丸毒性[23，32]。新型抗氧化剂如葡萄籽、β-隐黄素等在镉睾丸毒性方面的研究正逐渐成熟[24，33]。在抗凋亡方面，抗凋亡药物如咖啡酸苯乙酯、姜黄素、褪黑素等可以通过抑制凋亡信号通路的激活，从而抑制机体凋亡程序的启动，抗凋亡药物可以明显降低镉致生精细胞的凋亡，甚至在间质细胞和支持细胞的凋亡方面也有抑制作用，且其在发挥抗凋亡作用的同时也可抑制机体氧化应激的发生[4，26，34]。目前因为缺乏与临床毒性相关联的系统化的血镉和尿镉衡量的标准，所以针对人类镉中毒后规范化治疗的研究很少。

5　结语

镉广泛应用于工业生产，并通过食物、水、空气、粉尘等经消化道和呼吸道进入人体。生殖系统是对镉敏感的靶器官之一，生殖健康和生殖安全应重视重金属对生殖系统的毒性效应。镉对雄性生殖系统毒性主要表现在损伤睾丸、降低雄激素分泌和影响精子生成，最终使生殖能力下降甚至诱发生殖系统肿瘤发生。目前镉对雄性生殖毒性和机制研究较明确，越来越多学者开始从事镉与男性不育关系的研究，并取得了一定的成绩。近年来针对雄性动物和人类生殖系统镉损伤后的保护性药物的探究也在逐渐成熟，国内外大量文献证实硒、黄芪、金属硫蛋白、锌、茶多酚等可拮抗镉的毒性。对镉研究的深入将有助于解决男性不育问题。

[1]Wagner GJ.Accumulation of cadmium in crop plants and its consequences to human health[J].Advances in Agronomy，1993，51：173-212.

[2]Goering PL，Waalkes MP，Klaassen CD.Toxicology of cadmium[M]// Handbook of experimental pharmalology.Springer Berlin Heidelberg，1995：189-214.

[3]Odewumi CO，Fils-Aime S，Badisa VL，et al.Chemoprotective effect of monoisoamyl 2,3-dimercaptosuccinate(MiADMS)on cytokines expression in cadmium chloride treated human lung cells [J].Environ Toxicol，2015，30（6）：704-711.

[4]Niknafs B，Salehnia M，Kamkar M.Induction and determination of apoptotic and necrotic cell death by cadmium chloride in testis tissue of mouse[J].J Reprod Infertil，2015，16（1）：24-29.

[5]Becker K，Kaus S，Krause C，et al.German Environmental Survey 1998(GerES III):environmental pollutants in blood of the German population[J].Int J Hyg Environ Health，2002，205（4）：297-308.

[6]Tchounwou PB,Yedjou CG,Patlolla AK,et al.Heavy metal toxicity and the environment[M]//Molecular,clinical and environmental toxicology.Springer Basel，2012：133-164.

[7]Pant N，Kumar G，Upadhyay AD，et al.Correlation between lead andcadmiumconcentrationandsemenquality[J].Andrologia，2015，47（8）：887-891.

[8]De Franciscis P，Ianniello R，Labriola D，et al.Environmental pollution due to cadmium:measure of semen quality as a marker of exposure and correlation with reproductive potential[J].Clin ExpObstet Gynecol，2015，42（6）：767-770.

[9]Li Y，Wu J，Zhou W，et al.Association between environmental exposure to cadmium and human semen quality[J].Int J Environ Health Res，2016，26（2）：175-186.

[10]MannaP，SinhaM，SilPC.Cadmiuminducedtesticular pathophysiology:prophylactic role of taurine[J].Reprod Toxicol，2008，26（3/4）：282-291.

[11]Ji YL，Wang H，Liu P，et al.Pubertal cadmium exposure impairs testiculardevelopmentandspermatogenesisviadisrupting testicular testosterone synthesis in adult mice[J].Reprod Toxicol，2010，29（2）：176-183.

[12]Interdonato M，Pizzino G，Bitto A，et al.Cadmium delays puberty onset and testis growth in adolescents[J].Clin Endocrinol(Oxf)，2015，83（3）：357-362.

[13]Yuan H，Qin F，Guo W，et al.Oxidative stress and spermatogenesis suppression in the testis of cadmium-treated bombyx mori larvae [J].Environ Sci Pollut Res Int，2016，23（6）：5763-5770..

[14]MukherjeeA，HaldarC，VishwasDK.Melatoninprevents dexamethasone-induced testicular oxidative stress and germ cell apoptosis in golden hamster,mesocricetus auratus[J].Andrologia，2015，47（8）：920-931.

[15]Saleh MA,Taha EA,Ismail SA,et al.Lead and cadmium assay in serum and semen of infertile men attending andrology clinic in assiut university hospital(rural versus urban)[J].J Envi Sci Toxicol Food Technol，2013，2（4）：38-45.

[16]Lamas CA，Gollücke AP，Dolder H.Grape juice concentrate (G8000(R))intake mitigates testicular morphological and ultrastructural damage following cadmium intoxication[J].Int J Exp Pathol，2015，96（5）：301-310.

[17]Ogawa Y，Itoh M，Hirai S，et al.Cadmium exposure increases susceptibility to testicular autoimmunity in mice[J].J Appl Toxicol，2013，33（7）：652-660.

[18]Kaur P，Bansal MP.Effect of experimental oxidative stress on steroidogenesis and DNA damage in mouse testis[J].J Biomed Sci，2004，11（3）：391-397.

[19]Ognjanovic′BI，Markovic′SD，Ethordevic′NZ，et al.Cadmiuminduced lipid peroxidation and changes in antioxidant defense system in the rat testes:protective role of coenzyme Q(10)and vitamin E[J].Reprod Toxicol，2010，29（2）：191-197.

[20]Wang L，Xu T，Lei WW，et al.Cadmium-induced oxidative stress and apoptotic changes in the testis of freshwater crab,Sinopotamon henanense[J].PLoS One，2011，6（11）：e27853.

[21]Amara S，Abdelmelek H，Garrel C，et al.Preventive effect of zinc against cadmium-induced oxidative stress in the rat testis[J].J Reprod Dev，2008，54（2）：129-134.

[22]Chemek M，Mimouna SB，Boughammoura S，et al.Protective role of zinc against the toxicity induced by exposure to cadmium during gestation and lactation on testis development[J].Reprod Toxicol， 2016，63：151-160.

[23]Kini RD,Nayanatara AK,Anupama N,et al.Preventive role of vitamin E and vitamin C in combination on cadmium induced oxidative stress on rat testis[J].Resear J Pharm Biol Chemi Sci，2016，7（4）：1999-2002.

[24]Liu XR，Wang YY，Fan HR，et al.Preventive effects of βcryptoxanthin against cadmium-induced oxidative stress in the rat testis[J].Asian J Androl，2016 Apr 22.doi:10.4103/1008-682X. 173449.[Epub ahead of print]

[25]Kim J，Soh J.Cadmium-induced apoptosis is mediated by the translocation of AIF to the nucleus in rat testes[J].Toxicol Lett，2009，188（1）：45-51.

[26]Aktas C，Kanter M，Erboga M，et al.Anti-apoptotic effects of curcumin on cadmium-induced apoptosis in rat testes[J].Toxicol Ind Health，2012，28（2）：122-130.

[27]Ji YL，Wang H，Zhang C，et al.N-acetylcysteine protects against cadmium-induced germ cell apoptosis by inhibiting endoplasmic reticulum stress in testes[J].Asian J Androl，2013，15（2）：290-296.

[28]Correia S，Vaz CV，Silva AM，et al.Regucalcin counteracts tertbutyl hydroperoxide and cadmium-induced oxidative stress in rat testis[J].J Appl Toxicol，2016 Apr 25.doi:10.1002/jat.3333.[Epub ahead of print]

[29]Naeem H，Sajjad S.Toxicological impact of cadmium on testosterone level in male rabbits[M/OL].Saarbrucken,Germany:LAP LAMBERT Academic Publishing,2012.https://www.lap-publishing.com/.

[30]Ren XM，Wang GG，Xu DQ，et al.The protection of selenium on cadmium-induced inhibition of spermatogenesis via activating testosterone synthesis in mice[J].Food Chem Toxicol，2012，50（10）：3521-3529.

[31]Couto-Moraes R，Felício LF，de Oliveira CA，et al.Post-partum testosterone administration partially reverses the effects of perinatal cadmium exposure on sexual behavior in rats[J].Psych Neuroscience，2012，5（2）：221.

[32]Ji YL，Wang Z，Wang H，et al.Ascorbic acid protects against cadmium-induced endoplasmic reticulum stress and germ cell apoptosis in testes[J].Reprod Toxicol，2012，34（3）：357-363.

[33]Alkhedaide A，Alshehri ZS，Sabry A，et al.Protective effect of grape seed extract against cadmium-induced testicular dysfunction [J].Mol Med Rep，2016，13（4）：3101-3109.

[34]Erboga M，Kanter M，Aktas C，et al.Anti-Apoptotic and Anti-Oxidant Effects of Caffeic Acid Phenethyl Ester on Cadmium-Induced Testicular Toxicity in Rats[J].Biol Trace Elem Res，2016，171（1）：176-184.

[本文编辑秦娟]

Toxicity Effect of Cadmium on Male Reproductive SystemCHEN Na,SU Ping.

Family Planning Research Institute,Tongji Medical College,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430030,China

SU Ping,E-mail:suping24@126.com

Cadmium is a kind of toxic heavy metals and hazardous pollutant which affects many organs and systems,such as liver,kidney,lung,bones and reproductive system.The male reproductive system is more sensitive to cadmium toxicity than others.The decreased levels of StAR,P450scc,3β-HSD and 17β-HSD caused by the cadmium exposure lead to the inhibition of steroidogenesis and the reduction of testosterone level.Cadmium exposure induces the apoptosis of germ cells and the ultrastructure changes of organelles,which ultimately damage the function of male reproductive system.The endocrine disorder,imbalance of oxidative stress and the over-activation of apoptotic factors play an important role in the mechanism of cadmium toxicity.Some antioxidants and anti-apoptotic drugs could reduce the toxicity of cadmium to some extent.This paper discusses the effect of cadmium on the male reproductive system,as well as the treatment of cadmium exposure.

Cadmium；Genital diseases，male；Apoptosis；Oxidative stress（J Int Reprod Health/Fam Plan，2016，35：515-518）

430030武汉，华中科技大学同济医学院计划生育研究所

苏萍，E-mail：suping24@126.com

△审校者

（2016-09-10）