几种稀土元素对生殖影响的相关研究进展*

赖春林，于巍巍，钟 毅，丁冶春，黄 明

(赣南医学院 1.2016级硕士研究生；2.2017级硕士研究生；3.第三附属医院泌尿外科；4.药学院医用化学教研室，江西 赣州 341000)

我国是稀土大国，稀土的储藏量居世界首位，产量大，品种齐全，大有开发前景。稀土元素包括镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(ND)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钇(Y)、钪(Sc)17种元素，将其分成以镧、铈为代表的铈组稀土为轻稀土，以钇、镥为代表的钇组稀土为重稀土。用稀土制作的各种产品和材料遍布生活的每个方面，这也就增加了人们接触相关稀土元素的机会，进而可能增加人体因此产生各种损伤的危险性，尤其以元素镧、铈、钇、钐研究较多。有关各种稀土对人体的利弊关系，一直存在争议。男性生殖问题影响着下一代的健康，关系着祖国的未来。因此稀土元素对男性生殖系统毒性作用方面以及机制的研究显得尤为重要。现就稀土元素镧、铈、钇、钐这四种元素对男性生殖影响作用的相关研究进行一个梳理，以期给以后类似研究提供一定的参考。

1 稀土元素镧

镧是稀土元素中较为丰富的一种,在地壳中的含量约为 0.018 3‰。镧:原子序数57，原子量138.905 5，半衰期为1.1×1 011年。镧在1839年被瑞典化学家莫桑德尔在粗硝酸铈中发现，并同时被确认为一种新的元素。镧有两种天然同位素:镧139和放射性镧138。金属镧壳用于生产镍氢电池、玻璃制品和催化剂。

随着稀土元素镧不断的开发利用，生活生产中相关材料制品也不断增加。镧元素潜在的环境-健康效应受到公众及研究者们越来越多的关注。通过不同浓度分组给予大鼠灌胃喂养LaNO3和生理盐水,8周后检测大鼠附睾精子数量、精子存活率和畸形率，对睾丸中ACP、AKP、LDH和 NOS酶活性和睾丸组织病理学改变的结果分析，结果表明大剂量的镧能够对大鼠生精功能造成一定程度的损伤，并随着剂量的降低其损伤作用也越来越不明显[1]。小鼠灌胃6 d后,中、高剂量组(50、100 μg·g-1)小鼠体重增加明显。一周后，高剂量组精子存活率与对照组相比差异有统计学意义(P<0.05)，15 d后,中、高剂量组顶体完整率、活精子百分数下降且与对照组比较差异有统计学意义(P<0.05);低、中、高组三组精子畸形率与对照组相比差异均有统计学意义(P<0.05)。作者推断短时间、小剂量地接触稀土镧元素对雄性动物的生殖能力影响不大，而长时间、大剂量地接触镧对雄性动物的生殖功能具有一定的负性影响[2]。不同浓度镧离子暴露于斑马鱼胚胎后发现,幼鱼和胚胎发育延迟，存活率和孵化率均一定程度降低,尾部畸形率也相应增加并具有一定的浓度依赖性[3]。将海胆胚胎在La(Ⅲ)污染的海水中饲养72 h，将海胆精子悬浮于La(Ⅲ)10-8～10-5M中1 h，并将受精卵的百分比在切割胚胎中进行评分。结果发现10-5M La(Ⅲ)诱导全部海胆的发育缺陷,具有一定的遗传生殖毒性[4]。在早期研究中，镧系元素的毒性是基于LD50/30值，血清鸟氨酸氨基甲酰基转移酶活性的增加以及镧系元素向胎儿和乳汁的通过程度来确定的。通过示踪法并未发现胎鼠任何器官含有母鼠摄入的稀土元素镧，认为镧元素并不能通过胎盘屏障进入胎鼠体内[5]。通过透射电子显微镜(TEM)研究了镧的亚细胞行为,在怀孕1周后Wistar大鼠腹腔注射可溶性镧溶液(168 mg·kg-1)2周共7次。对大鼠子宫和卵巢超薄切片的超微结构研究表明，在子宫和卵巢细胞的溶酶体中存在具有高电子密度和异质性的包涵体。同时观察到许多结构被破坏，伴随着一些其他变化如：空泡、内质网的显著扩张、线粒体改变和坏死细胞等；还观察到吞噬溶酶体和嗜酸性粒细胞的存在。这证明了稀土元素镧在所用剂量下的女性生殖毒性,其作用机制是稀土镧可能会影响卵巢的类固醇生成等内分泌功能。是否通过胎盘屏障进入胎儿体内并产生相应影响还需进一步研究[6]。

2 稀土元素钐

钐原子序数62，原子量150.36。德·布瓦博德朗(L.deBoisbaubran) 1879年发现。钐不仅有其他稀土元素相似的性质,还有其本身独有的特性。钐属于变性元素,容易从三价被还原为正二价元素。运用也是比较广泛，其中包括永磁材料、石油裂化催化剂、特种玻璃、陶瓷和一些医疗行业。

分组给予小鼠自由饮用3个月5种不同浓度(0、5、50、500、2 000 mg·L-1)的硝酸钐溶液,处死后对小鼠精子活力、精子数量、精子畸形率以及精子顶体完整性进行统计分析。最终结果显示各浓度组的精子活力、精子数量都有所降低。其中2 000 mg·L-1剂量组与对照组相比,各指标值均有极显著差异(P<0.01)；50、500、2 000 mg·L-1剂量组的精子畸形率与对照组相比也具有极显著差异(P<0.01)，而且染毒剂量与精子总畸形率呈直线变化的剂量-效应关系[7]。通过不同浓度分组喂养硝酸钐90 d后，分析各组抗氧化能力的指标发现：2 000 mg·L-1硝酸钐染毒组小鼠睾丸匀浆中超氧化物歧化酶，谷胱甘肽过氧化物酶,总抗氧化活力均明显下降，同时丙二醛的含量是明显上升的。可以看出硝酸钐亚慢性暴露能够一定程度抑制小鼠睾丸组织的抗氧化作用[8]。亚慢性(3个月)硝酸钐染毒后的小鼠,精子数、精子活率、精子畸形率以及精子顶体完整率均有不同程度的影响，并呈剂量-效应关系。结果表明，一定量或者过量硝酸钐对小鼠精子有一定毒性作用[9]。5组不同浓度(0、5、50、500、2 000 mg·kg-1)暴露3个月后，小鼠睾丸HE染色显示其结构受到不同程度的破坏,间质细胞和精子数量也随着染毒剂量的加大而不断减少。睾丸中的曲精小管破坏程度也与染毒剂量呈正相关。随着钐剂量的增加在中高剂量组山梨醇脱氢酶活性均呈显著性下降,这必将影响小鼠的生殖能力。实验发现，高剂量的钐摄入将使糖酵解的关键酶乳酸脱氢酶活力下降，从而阻碍能量的供给，导致细胞逐渐变性，影响到精子的形成与激素的分泌。随着钐浓度增高，小鼠睾丸内3种ATP酶活性受到不同程度的抑制,使细胞内的Na离子，Ca离子不断蓄积，进而产生细胞毒性，造成睾丸组织细胞损伤[10]。随着染毒时间、剂量的增加，小鼠睾丸组织的总抗氧化能力不断下降，丙二醛数量不断上升，均具有显著相关性[11]。分组不同浓度的硝酸钐染毒小鼠3个月，20、100 mg·kg-1组体重系数相比有显著降低，100、500 mg·kg-1组睾丸内乳酸脱氢酶的活性明显受到抑制，且其活性与染毒剂量呈剂量-反应关系。所有剂量染毒组睾丸内碱性磷酸酶的活性均明显提高。硝酸钐染毒对小鼠睾丸内酶的效应总体均有“低促高抑”的趋势。结果表明钐慢性暴露对小鼠生殖性腺有一定的毒性作用[12]。口服硝酸钐90 d后的雄性ICR小鼠发现器官系数降低，生精小管紊乱,睾丸生精细胞和精子减少，表明睾丸是钐的靶器官。电子显微镜证实，生精细胞和精子内的病变主要包括线粒体肿胀，线粒体空泡化，模糊核膜和边缘染色质。用TUNEL试验证实睾丸中生精细胞凋亡率增加。并且观察到p53和Bax的表达上调，以及Bcl-2的下调(P<0.05)，表明细胞凋亡与p53介导的途径有关[13]。通过灌胃雄性ICR小鼠急性暴露于≥2 880.00 mg·kg-1Sm(NO3)3后，精子活力和顶体完整性降低，精子畸形率增加(P<0.05)。通过饮用水给予≥500.00 mg·L-1Sm(NO3)3亚慢性暴露90 d后，相对性腺重量,精子浓度和精子质量显著下降(P<0.05)。在亚慢性暴露于Sm后，精子畸形也增加,这被发现是最敏感的指标。精子头畸形占所有类型精子畸形评估的最大比例。在头部畸形的六种不同亚型中，不规则形状占最大比例[14]。

3 稀土元素铈

铈主要存在独居石和氟碳铈矿中，也存在于铀、钍、钚的裂变产物中。原子序数58。铈在地壳中的含量约0.004 6%，是稀土元素中丰度最高的。占总稀土含量的42%和48%的轻稀土。金属铈主要用于做还原剂。广泛用于优良环保材料、还原剂和催化剂、医药、纺织等工业。

刘玉等[15]研究两种不同浓度的铈和两种不同的染毒方式对雄性小鼠性腺的影响结果发现:两染毒组(200、800 mg·kg-1·d-1)的雄性小鼠精子畸形率均显著高于对照组，且与摄入时间和剂量呈正相关性，30 d和45 d时更为明显；小鼠睾丸重量略有下降，但差异不显著；以铈200 mg·kg-1腹腔注射急性染毒时，对小鼠睾酮分泌有一定的影响，小鼠血清睾酮浓度较对照为低;而以200和800 mg·kg-1·d-1剂量随饲料摄入(45 d)的小鼠，血清中睾酮浓度变化不明显。体内蓄积了一定剂量的铈能影响雄性小鼠性腺(精子畸形率、睾丸重量和睾酮分泌)的正常功能。由于二氧化铈纳米颗粒(CeO2NPs)具有较强的催化和氧化作用特质,它被广泛用作柴油添加剂或作为治疗癌症新方法。但这些方面的利用是否会引起生殖毒性作用呢？研究显示二氧化铈纳米粒子能够在卵母细胞透明带积聚[16]。Preaubert Lise等[17]研究显示在含有极低浓度CeO2NP(0.01 mg·L-1)的培养基中进行体外受精(IVF)，共计评估了1 272个卵母细胞的受精率,结果呈显着降低。使用彗星试验结果显示CeO2NP体外诱导的小鼠精子和卵母细胞DNA损伤浓度为0.01 mg·L-1。高浓度(100 mg·L-1)时，它们通过卵母细胞周围的卵丘细胞的内吞作用及其积累沿着精子质膜和卵母细胞透明带。在精子、卵母细胞或胚胎的细胞质中并未观察到任何纳米颗粒。首次证明了CeO2NP在低纳米颗粒浓度暴露下对体外受精的影响，以及它们对小鼠精子和卵母细胞的遗传毒性。受精率下降可能是由于：(1)CeO2NP对配子的遗传毒性；(2)机械作用，破坏配子相互作用；(3)CeO2NP诱导的氧化应激。认为有必要对于低剂量暴露后体内相关研究很有必要。研究发现稀土元素铈(Ce)在一定浓度下会导致果蝇繁殖量下降，尤其是浓度> 6.91 μg·g-1。另外在浓度大于6.91 μg·g-1时可使超氧化物歧化酶活性、过氧化氢酶活性和丙二醛水平均降低。表明稀土铈可能对果蝇能产生氧化毒性作用[18]。LDH主要存在于精子细胞的精母细胞，细胞质和线粒体中，是将丙酮酸转化为乳酸进行无氧代谢的催化剂,是精原细胞减数分裂粗线菌后提供能量的糖酵解的重要酶。随着生精上皮的成熟。睾丸中的LDH水平(暴露于400、200和100 mg ·kg-1·d-1)分别降至81.18%、88.87%和97.31%。用CeCl3(0.004、0.040和0.400 μg·mL-1)培养后,超氧化物歧化酶和谷胱甘肽还原酶显著下降，并且丙二醛水平急剧增加,与正常对照组相比显示出显著差异(P<0.05)。Ce3+引起氧化损伤,破坏精子的抗氧化防御系统,甚至导致损伤或死亡。通过直接检测人体内的稀有元素含量并与精子质量统计分析发现,铈等元素含量与精子质量无明显相关性[19]。长期(>3周)大剂量(200 mg·kg-1)接触氯化铈能导致睾丸重量;睾丸体重系数; LDH、SDH、SODH、G-6PD和睾酮水平下降;细胞周期延长,诱导细胞凋亡;损伤的机制可能是稀土影响氧化应激和血液睾酮屏障，这可能导致睾丸细胞和血管系统紊乱和/或功能障碍，同时可能直接改变精子的化学性质[20]。但Falchi Laura等[21]让公牛精子暴露于不同浓度的二氧化铈纳米粒子于4 ℃温度下，不同时段检测精子功能、运动学参数、活性氧、顶体和膜完整性以及DNA的完整性等数据分析结果发现精子暴露于增加剂量的纳米纤维素的耐受性良好。没有观察到细胞对细胞内纳米粒子的摄取,并且运动参数和膜的状态不受纳米粒子孵育的影响(P>0.05)。此外，组间随时均未见对精子氧化还原状态和DNA片段化水平的影响(P>0.05)。这给研究者们提出一个新视角，提供了关于二氧化铈纳米粒子对大型动物模型中雄性配子影响的新信息。彗星实验结果表明氧化铈纳米颗粒能够通过血-睾屏障,可以直接与精子发生相互作用,在体外实验发现其能够显著诱导精子DNA的损伤。这弥补了生殖系统DNA损伤方面的研究空白[22]。将公羊精子暴露于增加剂量的二氧化铈纳米颗粒环境下培养48 h后发现主要运动参数有所增加。与对照组相比,暴露于二氧化铈纳米颗粒的组中精子细胞的速度增强。且有益于精子质膜的完整性,对照组中质膜受损百分比明显高于实验组。活性氧不会因暴露于二氧化铈纳米颗粒而减少反而在孵育96 h时其水平升高。其DNA完整性一直处于稳定并完整状态。作者认为二氧化铈纳米颗粒没有遗传毒性作用[23]。金属纳米粒子的毒性由于其在工业和家庭中的应用而日益受到关注。我们研究了氧化铈纳米粒子(CeO NPs)对雄性balb/c小鼠生殖系统的毒性。将20只小鼠分成4组,每组5只动物,并进行处理:生理盐水(对照),100、200和300 μg·kg-1CeO NPs(i.p),1周3次连续5周。结果显示相对于对照组,CeO NP显著降低血红蛋白,PCV和RBC计数的水平。此外,小鼠中黄体生成和促卵泡激素(FSH和LH)和催乳素显著减少。具体而言,100 μg·kg-1的CeO NPs使睾酮降低23%,而200 μg·kg-1的CeO NPs分别使FSH、LH和催乳素降低25%、26%和13%。在用100、200和300 μg·kg-1CeO NPs处理的小鼠中,睾丸丙二醛分别增加了103%、106%和135%。CeO NPs导致抗氧化酶活性和还原型谷胱甘肽和总一氧化氮水平显著降低。此外,CeO NPs降低了小鼠的精子活力和计数,增加了精子的总体异常。组织学显示曲细精管充血和变性。总体而言,CeO NP通过破坏抗氧化剂/氧化剂平衡和内分泌抑制诱导睾丸功能障碍[24]。在青春期前卵巢卵母细胞的体外成熟(IVM)期间增加不同剂量的二氧化铈纳米颗粒(CeO NPs)是否影响了它们在体外的胚胎发育呢？国外学者Ariu F等研究结果表明,CeONPs在卵丘细胞中而非在卵母细胞中内化。用CeONP处理不影响卵母细胞的核成熟或细胞内活性氧水平。当用44 μg·mL-1CeONP处理时,具有常规染色质构型和细胞骨架结构的卵母细胞的百分比与在没有CeONP的情况下成熟的卵母细胞相似,并且显著高于用88或220 μg·mL-1CeONP处理的卵母细胞。用44 μg·mL-1CeONPs成熟的卵母细胞卵丘细胞中转录物的相对定量显示BCL2相关X蛋白(BAX),B细胞CLL/淋巴瘤2(BCL2)和超氧化物歧化酶1(SOD1)的mRNA丰度在统计学上较低用0 μg·mL-1CeO2NPs组。与0和220 μg·mL-1组相比,浓度为44 μg·mL-1的CeONPs显著增加了胚泡产量及其总细胞内,中细胞团和滋养外胚层细胞数。成熟培养基中低浓度的CeONP增强了青春期前卵巢卵母细胞的体外胚胎产生[25]。二氧化铈纳米颗粒具有抗氧化特性,之前有些研究已经表明，有些生殖毒性损伤可能机制为氧化损伤。氧化铈纳米颗粒对老年衰老或即将衰老的雄性动物生殖参数是否有利？研究者通过给予24月龄雄性大鼠胃内注射1 mg·kg-1柠檬酸盐包被的氧化铈纳米颗粒并评估性技术,附睾精子参数和精子发生情况,大鼠生殖器官超声检查等数据分析结果显示:给予氧化铈纳米颗粒10 d后,发现血清中脂质过氧化产物水平显著降低,过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性增加,精子数量增加(P<0.001)和定量精子参数改善(运动性、活力和精子百分比)。并且观察到活化的睾丸间质细胞数和曲细精管的局灶性萎缩的年龄相关性减少。还观察到生精小管的再生,增加睾丸间质细胞的数量和活化，以及血清睾酮是对照组的2.5倍。超声数据显示氧化铈组大鼠睾丸的线性测量和体积略有增加。证明氧化铈纳米颗粒能够减少男性生殖器官氧化应激产生的损伤,尤其在衰老阶段[26]。在老龄雄性大鼠中研究了纳米晶二氧化铈(NCD,每天口服1和100 mg·kg-1，持续10 d)对生殖系统形态发生状态的影响。已经确定激活产生激素的睾丸间质细胞以及前列腺中的分泌和增殖过程是NCD在1 mg ·kg-1剂量下对睾丸激素功能和衰老雄性大鼠精子发生的刺激作用的基础。以100 mg·kg-1的剂量使用的NCD对生殖系统的形态发生状态的评估指数没有显著影响[27]。

4 稀土元素钇

钇,化学符号Y。相对原子质量:88.91。被加德林于1794年发现。广泛用于工业、医疗和农业领域。在中国,食品中钇的污染程度相对较高。

生活在富含钇元素的环境中、食用暴露于钇的食物都可能造成人体健康不良影响。钇是重度稀土元素之一,食物中的浓度较高,总膳食摄入量较高。在2009年至2010年期间对中国主要食品中16种稀土元素的调查中发现,相对其他15种元素食品中的钇浓度相对较高[28]。钇(Y)在所有组织中的生物累积与剂量、时间呈正相关性。认为氧化钇纳米颗粒在生物体内聚集可能诱导遗传毒性作用[29]。钇是所有稀土元素中毒性最强的,但其对生殖方面的影响却研究甚少。1991年国内学者张华等分组(0.2、2.0、20.0 mg·kg-1)和阴性对照组对大鼠经腹腔注射(每周两次)氯化钇染毒6周,对照组注射等量相同pH的生理盐水。断头取睾丸和附睾称重，检测精子活力、精子数目和形态。结果发现:睾丸和附睾绝对体重、睾丸和附睾体重系数与对照组比较无统计学意义。但在20 mg·kg-1组中，附睾低于0.4(40%)睾丸低于1.5(33.3)所占比例远高于对照组(0%、10%)。各染毒组大鼠精子数均相比对照组降低,并与剂量呈负相关。20 mg·kg-1组相比下降了40.6%。染色后观察精子分析发现,精子畸形率随着染毒剂量的增加也增大。畸形精子以小头、无勾头和香蕉头为多见。各染毒组精子运动速度、相对活率均有明显下降趋势。20 mg·kg-1组相应下降11.9%和31.5%。但其相关作用机制有待进一步研究[30]。硝酸钇喂养90 d后,并未发现明显的生殖毒性作用。认为低于90 mg·kg-1浓度的硝酸钇29.1 mg·kg-1浓度的钇对机体是安全的。认为机体最大耐受量为145.5 mg·kg-1·d-1[31]。但研究显示[32-33]，钇对幼年动物神经行为和认知能力、学习、记忆等方面有一定的损伤作用。故很有必要研究其对幼年动物的生殖系统影响。

5 总结与展望

过量的稀土接触可能是不育或畸变的危险因素。其在生殖系统中通过食物链的积累应该受到严格的检测。稀土元素对各种动物均表现为不同程度的生殖毒性作用,可引起雄性精子数量减少，活率、活动率下降；畸形率随毒物剂量增加而增加;体内相关激素水平改变,各生殖器官超微机构的破坏等。稀土元素导致的生殖毒性主要作用机制可能为:通过干扰氧化应激损伤，影响激素水平，促进生殖细胞凋亡。目前为止,稀土与生殖系统关系的研究还不够全面,相对钐、镧、铈等元素,钇作为毒性最高的稀土元素相关研究还有待继续。稀土元素对于婴幼儿的影响还是处于基本空白阶段,这方面希望得到更多关注和研究。且大多研究还处于动物实验阶段,需更多结合临床进行相关研究。