镉诱导的雄性生殖毒性及其拮抗药物*

郑婷婷 吴隽宸 孟思含 陈挥昂 王晓琛 刘 强

上海交通大学医学院（上海 200025）；上海市生殖医学重点实验室（上海 200025）

随着当今社会城市化和工业化进程的加快， 镉已经成为一种普遍存在的有毒重金属和环境污染物。 自然和人为活动可导致土壤镉污染，使得大米、蔬菜以及包括烟草在内的植物镉蓄积严重。 人类由于接触镉污染环境、 长期吸烟或摄入被镉污染的食物导致镉在体内蓄积。 大量研究证实，镉进入机体后可导致肝、肾损伤[1]，对生殖系统也有影响。 镉在人体内的半衰期很长，为20～30年；而排泄率很低，每天小于1～2 μg，因此镉难以从体内排泄，容易在肝脏、肾脏和睾丸积累。 近年来调查发现， 相对其它部位， 人类生殖系统对镉更加敏感：镉会对睾丸等组织结构造成损伤，并降低男性精液质量，包括精子存活率、前向运动力等，导致男性生殖能力下降甚至不育[2]。 因此，对镉的生殖毒性及其拮抗药物的研究具有重要临床意义。

一、镉暴露

现有的研究普遍认为哺乳动物生殖系统对镉暴露环境敏感， 且易受到影响。 镉能诱导细胞内活性氧（reactive oxygen species,ROS）生成并下调内源性抗氧化剂水平，从而导致氧化应激，使睾丸细胞发育和功能异常[2]。 研究表明，镉暴露会诱导生精上皮的空泡形成和损伤以及睾丸支持细胞结构的异常变化。 在破坏支持细胞功能后，镉会破坏血睾屏障，增加生精小管通透性并阻碍精子发生[3]。 镉暴露还阻碍睾丸间质细胞的发育，抑制间质细胞的功能，同时会诱导睾丸间质细胞脱氧核糖核酸（DNA）损伤和凋亡，并下调其类固醇生成相关基因的表达， 从而导致睾酮分泌减少，干扰生殖细胞的发育和功能。 最终，镉会导致精子形态异常和精子活力降低[4]。 然而，研究发现，长期低浓度的镉暴露不会引起睾丸组织学改变、精子数量减少和生育力低下， 也不会导致大鼠睾丸血睾屏障的改变，表明低浓度镉可能不表现出生殖毒性[5]。 因此对于镉生殖毒性机制的研究至关重要，能够帮助我们深入了解不同剂量的镉暴露情况对雄性生殖系统和精子的影响，并为其进一步治疗提供方向。

二、镉诱导雄性生殖毒性的机制

镉诱导雄性生殖毒性的机制主要包括诱导睾丸细胞的氧化应激状态和凋亡以及干扰内分泌， 进而引起睾酮等类固醇合成改变， 对睾丸组织和精子产生直接影响，以及对睾丸细胞骨架的破坏。

（一）氧化应激

睾丸细胞含有大量不饱和脂肪酸， 因此极易受到ROS 的影响[6]。 镉本身虽然不能产生自由基，但是能通过各种反应产物间接导致氧化应激[7]。 镉诱导的氧化应激可能通过以下几种机制发生。

首先，通过分子模拟机制，镉可以取代细胞必需的金属离子，如Ca2+或Zn2+，并参与关键的生理过程，从而干扰丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）、c-Jun 氨基末端激酶（JNK）、RAS 等信号通路。 被取代的金属离子又通过Fenton 反应诱导产生过量的ROS，攻击亚细胞结构，甚至DNA，最终导致细胞凋亡、坏死或异常增殖[8]。

其次， 镉可以结合到抗氧化酶活性部位内的巯基上，使其错误折叠，从而降低体内各种抗氧化酶和抗氧化剂的浓度，最终导致机体抗氧化能力降低[6，9]。 体内的酶和非酶抗氧化系统包括超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）、过氧化氢酶（catalase, CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase,GPx）和还原性谷胱甘肽（glutathione,GSH），它们可以清除氧自由基并保护细胞免受氧化损伤。 SOD 催化氧自由基歧化生成过氧化氢，再由CAT 转化为水和氧气。 GPx 是一种广泛存在于机体内的重要过氧化物酶，能催化GSH 转化为氧化型谷胱甘肽（glutathione oxidized, GSSG），将有毒的过氧化物还原为无毒的羟基化合物， 在体内清除自由基，促进过氧化氢分解，从而保护细胞膜结构不被氧化物质损伤。 因此，当镉降低这些酶的浓度时，机体将无法充分清除过量的ROS， 从而导致细胞氧化/ 抗氧化平衡失调[10]。

此外， 镉还可以通过调节核因子E2 相关因子2（Nrf2）来影响睾丸细胞的氧化应激状态。 Nrf2 是一种重要的转录因子， 通过结合II 相抗氧化酶基因 （如NQO1、HO1、γGCS 和GPx）的抗氧化反应元件（antioxidant response element,ARE）调控这些基因表达，维持氧化还原稳态，有利于细胞存活。Nrf2/ARE 信号通路是一条重要的抗氧化通路，广泛分布于睾丸和全身的细胞。外源性镉可以通过抑制Nrf2 及其调节基因的表达水平来抑制睾丸细胞的固有抗氧化能力， 从而诱导氧化应激[11]。

（二）细胞凋亡

镉诱导的氧化应激与生精细胞等多种细胞的凋亡有关。 镉通过线粒体途径增加促凋亡蛋白B 细胞淋巴瘤-2 相关X 蛋白（Bax）、半胱氨酸蛋白酶-3（caspase-3）、细胞色素C（Cyt-c）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）的表达，同时降低抗凋亡蛋白B 淋巴细胞瘤-2（Bcl-2）的表达，诱导睾丸生精细胞凋亡[9]。 同时，镉诱导使得蛋白激酶B的磷酸化被抑制，促进凋亡蛋白Bcl-2 细胞死亡拮抗因子（BAD）去磷酸化，去磷酸化的BAD 与Bcl-2 形成异二聚体并取代Bax，促进细胞凋亡[12]。

近年来研究发现， 破坏细胞自噬也是镉诱导睾丸损伤的机制之一。 镉可以增加溶酶体膜通透性和干扰钙依赖性自噬体- 溶酶体融合，从而破坏自噬，诱导细胞凋亡[13]。

（三）内分泌毒性

镉具有抑制内分泌的作用， 会干扰下丘脑-垂体-性腺轴（HPG 轴）。 HPG 轴以负反馈的方式调节促性腺激素和雄激素的释放[14]。下丘脑间歇性释放促性腺激素释放激素， 刺激垂体以相同的时间间隔释放促卵泡生成激素（follicle stimulating hormone, FSH）和促黄体生成素（luteinizing hormone,LH），然后支持细胞合成、分泌抑制素B 和雄激素结合蛋白， 睾丸间质细胞合成和分泌睾酮，为精子发生提供微环境[15]。 而镉可以在神经内分泌组织中累积，通过影响HPG 轴进而阻碍睾酮的生成。

（四）睾丸间质细胞毒性

镉可直接作用于睾丸间质细胞， 使类固醇生成受损，使睾丸和血清的睾酮浓度降低。 睾酮调节整个精子发生过程，作为一种“生存因子”保护生精细胞免于凋亡，维持正常的组织结构[6]。

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睾酮的合成是一个复杂的过程， 其中涉及多种蛋白质：类固醇急性调节蛋白（steroidogenic acute regulatory protein,StAR）将胆固醇从细胞质运输到线粒体，然后细胞色素P450 胆固醇侧链裂解酶（P450scc）将胆固醇分解为孕烯醇酮；孕烯醇酮被输送到滑面内质网，在羟类固醇脱氢酶3βHSD 和17βHSD 等酶的级联作用下合成睾酮[16]。 此外，固醇类生成因子1（SF1）在成人睾丸的间质细胞中高表达， 它能调节类固醇生成基因和性腺的功能[17]。 镉处理导致睾丸SF1、StAR 和P450scc的mRNA 表 达 水 平 以 及StAR、P450scc、3βHSD 和17βHSD 的蛋白表达水平显著降低， 从而抑制睾酮生成[16-17]。

另外，电压依赖性阴离子通道（VDAC2）是启动类固醇生成的关键调节因子。 VDAC2 位于线粒体外膜，参与多种离子依赖性过程， 包括激素释放和抗凋亡途径，并与精子获能和顶体反应有关。 StAR 在转移到线粒体基质之前与VDAC2 相互作用。 镉通过下调VDAC2 基因的表达和激活JNK、P53 途径，减少胆固醇从细胞质运输到线粒体，从而抑制睾酮合成，最终导致精子功能障碍[18]。

（五）睾丸组织与精子毒性

作为ATP 结合盒式蛋白外排转运体家族的一员，多药耐药蛋白1b（Mdr1b）促进精子发生过程中产生的毒素通过血睾屏障排泄。核转录因子Y-α（Nfya）是一种进化上高度保守的转录因子，协助Mdr1b 启动子激活。镉通过减少Nfya 在Mdr1b 核心启动子区域的CCAAT盒中的募集来抑制Mdr1b 转录， 并通过与精子发生相关的级联途径和信号传导，抑制毒素外排，对睾丸组织与精子产生毒性[19]。

镉能够严重损害生精小管和间质， 其形式包括血管充血和出血，上皮细胞内形成空泡，管腔内上皮细胞脱落，生精小管上皮细胞紊乱，多核巨细胞产生，部分生精小管坏死等。 镉中毒大鼠体内生精上皮细胞持续变性，形成多核巨细胞，是对损伤的非特异性反应[12]。

镉还以剂量和时间依赖性的方式干扰精子特异性Ca2+通道的功能，显著降低精子的活力、顶体反应和受精能力[20]。

（六）细胞骨架

细胞骨架的正确组织和动力学行为是细胞活动的基础，这依赖于细胞骨架相关蛋白的调控。 形态发生紊乱关联激活因子1（DAAM1）属于formin 家族，调节未分支肌动蛋白丝的成核；脯氨酰内肽酶（PREP）是一种丝氨酸蛋白酶，也与微管有关。 DAAM1 和PREP 在精子发育成熟期间密切参与生精细胞形态的变化， 维持肌动蛋白和微管组织的内部环境稳定， 而镉暴露会诱导这些蛋白质表达受损，导致细胞骨架动力学改变，进而引起睾丸组织的改变，如生精上皮细胞脱落等[6]。

三、拮抗镉生殖毒性的药物

（一）天然抗氧化剂

氧化损伤是镉致睾丸功能障碍的主要分子机制。因此， 各种具有抗氧化潜力的天然化合物被广泛用于改善镉诱导的雄性生殖毒性。近年来的实验表明，28 天的镉暴露会导致睾丸镉累积、 组织病变和精子参数变化， 包括异常精子率升高、 精子数减少和精子活力下降。 相比之下，维生素E 治疗显著减少了镉的累积，减轻了组织病变和睾丸功能障碍， 并有效缓解大鼠睾丸的氧化应激； 其实质是维生素E 通过上调Nrf2 途径，保护睾丸免受亚慢性镉暴露引起的氧化损伤[21]。另一项研究表明，维生素E 缓解了氯化镉对睾丸中钠钾泵、钙泵等离子泵的毒性作用， 从而提高了睾丸结构和功能的完整性[22]。目前临床上对于特发性弱精子症在常规中医治疗基础上给予维生素E 联合复方氨基酸胶囊治疗， 能够明显改善患者的临床症状， 减少精子畸形比例，明显增强精子活力和强度，增加精子浓度，提高受孕比例[23]。

阿魏酸具有很强的抗氧化活性， 可以减轻睾丸组织中镉的累积所产生效应， 并通过调节血清睾酮、FSH和LH 的水平来恢复精子发生。 同时，阿魏酸还激活了Nrf2 信号通路，使镉诱导的氧化/抗氧化平衡失调恢复正常[24]。 矢车菊素-3-O-葡萄糖苷（C3G）在自然界中广泛存在，且已被证明具有显著的抗氧化活性。 研究者发现，它可以阻止精子DNA 的氧化损伤，减轻睾丸的氧化应激， 并通过MAPK 信号通路显著抑制镉诱导的精子细胞的线粒体凋亡途径[15]。 此外，C3G 还可以作用于下丘脑，通过调节雄性青春期小鼠的HPG 轴，减轻镉诱导的性激素分泌障碍[25]。蔬食埃塔棕果油含有高浓度的不饱和脂肪酸，具有抗氧化性，可使生精上皮损伤减少，血清睾酮浓度升高，睾丸中锰和锌浓度恢复，SOD和CAT 酶活性增加[26]。绿茶具有抗氧化作用，其提取物可以抵抗氯化镉产生的氧自由基的作用。 绿茶处理后的大鼠的生精小管直径，睾丸生发层厚度，精原细胞、睾丸支持细胞和间质细胞的数量均显著增加，精子数、精子运动性和睾酮水平也显著提高， 证明了绿茶对镉毒性的拮抗作用[27]。 除以上物质外，姜黄素[28-29]、咖啡酸苯乙酯[30]、葡萄籽原花青素[12]、槲皮素[31-33]、柚皮素[10]、菲油果提取物[34]、莱菔硫烷[35]等均具有显著的抗氧化作用，它们能够恢复血清睾酮水平和抗氧化酶的活性，降低丙二醛水平，减少生殖细胞和间质细胞的凋亡，明显改善镉诱导的精子数量、运动性和畸形率的变化，因而对镉的生殖毒性起拮抗作用。

（二）药用植物

药用植物的发现、使用和栽培历史悠久。辣木叶乙醇提取物可使氯化镉处理后大鼠生殖器官重量恢复，精子数量和精子运动性提高，异常精子率、睾酮和丙二醛水平下降[36]。 黄精源于百合科植物的干燥根茎，是一种被广泛使用的中草药。 用黄精水提取物处理后的小鼠睾丸重量增加，精子存活率提高，异常精子率降低，睾酮水平升高， 受损的睾丸组织恢复，ROS 水平降低，睾丸细胞凋亡受到抑制。进一步研究表明，黄精水提取物可以通过硫氧还蛋白互作蛋白 （TXNIP）/ 核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3（NLRP3）/caspase-1 信号通路调节氧化应激， 通过Cyt-C/caspase-9/caspase-3 通路抑制细胞凋亡，从而保护小鼠睾丸免受镉的损伤[37]。汉黄芩素是传统中草药黄芩的有效成分之一。 研究表明， 汉黄芩素处理可显著改善镉诱导的大鼠睾丸和附睾重量下降、精子数量和质量的降低、类固醇生成基因表达下降和血清睾酮水平降低。此外，汉黄芩素治疗对镉诱导的睾丸氧化应激也有显著的作用， 抑制了镉引起的炎症反应和细胞凋亡[38]。葛根素是从葛根中提取的一种异黄酮。 镉暴露降低了大鼠睾丸中乳酸的产生，而葛根素处理可激活AMP 活化蛋白激酶（AMPK）/ 沉默信息调节因子1（SIRT1）信号通路，恢复乳酸的产生，拮抗镉对大鼠睾丸的毒性[39]。

（三）微量元素

锌是生物体内重要的微量元素，具有催化、调节和参与大分子构成等生理功能[40]。一项研究发现锌与男性生殖功能联系紧密：在吸烟者中，精浆锌浓度与精子数量、运动力呈显著正相关，而血清锌浓度则与异常形态的精子数量呈负相关[41]。 另一项研究发现，在使用氯化锌治疗镉暴露的雄性大鼠21 天后， 大鼠睾丸重量恢复，睾丸氧化应激水平显著降低，精液质量显著提高[42]。综合目前研究， 锌拮抗镉生殖毒性的机制可以总结为以下3 点：（1）维持机体抗氧化防御系统[43-44]；（2）抑制锌转运蛋白ZIP8（SLC39A8）介导的镉转运[45-46]；（3）诱导金属硫蛋白合成，降低睾丸镉浓度[47]。

作为人体必需的微量元素和重要的营养成分，硒以抗氧化的方式保护男性生殖系统。 硒蛋白家族中的谷胱甘肽过氧化物酶、 硫氧还蛋白还原酶是硒应对氧化损伤的主要形式[48]。研究表明硒可以减少镉在组织中的累积， 并通过过氧化物酶体增殖物激活受体-γ（PPAR-γ）/磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B 途径抑制镉诱导的细胞凋亡[49]。镉暴露的雄性小鼠腹腔注射硒30 天后， 小鼠睾丸抗氧化物水平升高，DNA 损伤减少，表明硒通过恢复组织抗氧化能力减轻DNA 的氧化损伤，从而削弱镉对睾丸组织的毒性作用[49]。 另一项研究发现， 不同形式的硒对生殖系统的保护效果存在差异。 该研究中镉暴露的睾丸重量减小并严重充血，生精小管缩窄，生精上皮变薄。 使用纳米硒或亚硒酸钠治疗后睾丸充血部分缓解，而酵母硒可使充血显著缓解。此外，纳米硒和酵母硒都能显著缓解生精小管的损伤，但亚硒酸钠对生精小管的保护作用并不明显[51]。

目前临床会使用中药搭配锌、 硒剂治疗男性不育症，对提高精子质量有较好的作用，而且无明显毒副作用[52]。

（四）其它

西格列汀（sitagliptin）可以抑制二肽基肽酶-4，减少肠促胰素的降解从而降低血糖， 将其单独或与其他药物联合使用可治疗Ⅱ型糖尿病。 Arab 等人发现给雄性大鼠用氯化镉灌胃4 周后， 睾丸组织细胞自噬小体降解受阻，而西格列汀治疗后自噬相关的AMPK/ 雷帕霉素靶蛋白（mTOR）途径活化，细胞凋亡减少，表明西格列汀通过促进细胞自噬、减少凋亡来减轻睾丸损伤[13]。研究发现由松果体分泌的褪黑激素参与调节动物生殖活动[53]。 镉中毒的雄性大鼠接受褪黑激素治疗后，睾丸氧化应激显著缓解，组织结构和功能恢复。 值得注意的是， 镉会导致生精细胞中细胞骨架相关蛋白DAAM1和PREP 表达量下降， 而褪黑激素治疗显著改善了DAAM1 和PREP 的表达水平[6]，表明褪黑激素可能通过维持细胞骨架蛋白的功能保护睾丸免受镉毒性的损伤。 谷氨酰胺是人体含量最丰富的非必需氨基酸，也是谷胱甘肽的合成原料之一。 研究发现，经谷氨酰胺治疗的镉暴露大鼠睾丸组织形态恢复正常，葡萄糖-6- 磷酸脱氢酶活性升高，抗氧化能力显著提高[54]。 帚状海翅藻是一种富含锌、铁、铜和锰等微量元素的藻类，具有较强的抗氧化能力。 研究发现帚状海翅藻可以显著改善精子运动力， 恢复血清睾酮水平[55]。 英夫利昔单抗是TNF-α 抑制剂，用于治疗各种炎症性疾病。 已知TNF-α可以诱导ROS 的产生[56]。 研究发现受镉毒性损伤的大鼠睾丸组织中TNF-α 水平显著升高， 脂质过氧化程度加重。 腹腔注射英夫利昔单抗治疗3 周后，大鼠睾丸组织TNF-α 水平显著下降，炎细胞浸润减少，睾丸组织结构恢复， 表明英夫利昔单抗对镉造成的睾丸损伤有明显的缓解作用[57]。

四、总结与展望

综上所述，镉是环境中普遍存在的有毒重金属、环境污染物，并通过食物、水、空气和粉尘等经消化道和呼吸道进入人体，影响人的生殖系统。 镉会通过诱导氧化应激状态、 睾丸组织细胞凋亡和类固醇生成改变等多种机制导致雄性生殖毒性。

目前，许多拮抗镉生殖毒性的药物被陆续发现，例如维生素E、阿魏酸、矢车菊素-3-O- 葡萄糖苷等天然抗氧化剂，辣木叶、黄芩等药用植物以及锌、硒等微量元素。 临床上会通过补充锌和硒来提高精子质量，维生素E 目前已广泛投入临床使用， 能够很大程度改善精子质量，提高受孕比例；但西格列汀、褪黑激素、帚状海翅藻和英夫利昔单抗等其它药物仍处于研究阶段，尚未用于临床。

随着工业化进程加快， 人类生活环境受到的挑战日益严峻， 镉对男性生殖健康产生的后果也正在逐步加重。 生活中一方面我们要对镉污染严加控制，从源头上阻断其对人体的伤害； 另一方面我们可以从药物预防和治疗入手， 目前研究已发现多个拮抗镉雄性生殖毒性的药物，但临床上投入使用的仍乏善可陈，不仅是因为药物临床试验的缺乏， 更是由于我们尚不完全了解其具体作用机制。 因此对于镉影响雄性生殖系统的机制研究以及拮抗药物的研究有待深入进行， 以期完善临床上针对镉暴露的预防和治疗方案。