鎘致地毒效應(yīng)及預(yù)后.pdf

1、鎘是一種人體非必需的微量元素，多以硫鎘礦形式存在，并常與鋅、鉛、銅等礦并存。鎘在電鍍、塑料、半導(dǎo)體、電池等工業(yè)中應(yīng)用廣泛，尤其是有色金屬礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)和冶煉排出的廢氣、廢水和廢渣，以及石油等燃料燃燒排出的煙氣，都會(huì)對(duì)環(huán)境造成不同程度鎘污染。環(huán)境鎘污染進(jìn)而可污染農(nóng)作物和水源，人體因攝入受鎘污染的食物和水而造成多系統(tǒng)、多器官的損害。骨骼是鎘的主要效應(yīng)器官之一，鎘暴露可導(dǎo)致骨密度下降、骨質(zhì)疏松發(fā)生率增加，并能增加骨折的風(fēng)險(xiǎn)，但是其確切機(jī)理不甚清楚，

2、且以往研究多以骨量作為效應(yīng)指標(biāo)，關(guān)注點(diǎn)也多集中在繼發(fā)于腎損傷后的骨效應(yīng)。此外，由于鎘在人體的生物半衰期可長(zhǎng)達(dá)10～30年，而環(huán)境鎘暴露減少/停止后鎘致骨毒效應(yīng)的預(yù)后急待研究。本論文從人群流行病學(xué)、動(dòng)物和細(xì)胞三個(gè)層面探討鎘致骨毒效應(yīng)及其相關(guān)機(jī)理，以及鎘暴露減少/停止后的預(yù)后改變。
　　本研究以1998年中國(guó)東南部某鎘污染地區(qū)流行病學(xué)現(xiàn)況調(diào)查建立的人群隊(duì)列資料為基礎(chǔ)，在2006年對(duì)該隊(duì)列的部分人群進(jìn)行了追蹤隨訪：以血鎘、尿鎘作為鎘接觸

3、劑量指標(biāo)，以骨密度及骨質(zhì)疏松發(fā)生率作為效應(yīng)指標(biāo)，追蹤觀察鎘暴露中止10年后該地區(qū)不同鎘接觸水平人群的骨密度、骨質(zhì)疏松發(fā)生率改變，并與1998年的研究結(jié)果進(jìn)行比較，探討環(huán)境鎘暴露對(duì)人群骨代謝不良效應(yīng)及停止接觸后骨效應(yīng)的預(yù)后和可能影響因素。同時(shí)，采用鎘染毒后中止和鎘連續(xù)染毒二種大鼠動(dòng)物模型，應(yīng)用骨量、骨結(jié)構(gòu)、骨生物力學(xué)、骨代謝指標(biāo)等，進(jìn)一步探討鎘致骨損傷效應(yīng)、預(yù)后及可能機(jī)制，結(jié)合對(duì)鎘致腎損傷效應(yīng)及其相關(guān)性分析，進(jìn)一步探討腎損傷程度對(duì)骨效應(yīng)和

4、預(yù)后的影響作用。此外，應(yīng)用間斷性和連續(xù)性鎘染毒對(duì)成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)和功能基因表達(dá)的影響，尤其是從成骨細(xì)胞相關(guān)基因及成骨/破骨偶聯(lián)基因表達(dá)的改變，探討鎘致骨不良效應(yīng)及預(yù)后的分子生物學(xué)機(jī)制。
　　人群流行病學(xué)研究結(jié)果表明：居民在停止食用含鎘大米10年后，鎘污染區(qū)居民血鎘、尿鎘水平仍明顯高于對(duì)照組，人群骨密度則呈明顯下降趨勢(shì)，下降幅度與血鎘和尿鎘水平相關(guān)。尤其是血鎘水平大于5μg/L的人群和尿鎘水平大于10μg/g肌酐的女性人

5、群，骨密度下降趨勢(shì)更明顯，且女性人群骨質(zhì)疏松的發(fā)生率隨著血鎘和尿鎘水平明顯增高(x2值分別為9.30和4.51，p<0.05)，男性人群骨質(zhì)疏松的發(fā)生率也隨著血鎘升高而明顯增加(x2值為4.603，p<0.05)，但與尿鎘含量的相關(guān)性并不明顯。進(jìn)一步的相關(guān)分析結(jié)果表明，在可能影響骨密度的因素中，血鎘和年齡對(duì)骨密度有明顯影響作用(p<0.01)。此外，身高和體重也是影響骨密度的重要因素之一。進(jìn)一步的對(duì)照研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于女性，骨密度下降幅度與

6、鎘暴露中止時(shí)人群的基礎(chǔ)血鎘和尿鎘水平有關(guān)，即暴露中止時(shí)血鎘和尿鎘水平越高，此后的骨量丟失速率和骨質(zhì)疏松發(fā)生率越高：血鎘在5-10μg/L、>10μg/L和尿鎘>10μg/L肌酐組女性骨質(zhì)疏松發(fā)生的OR值分別為4.51(1.57-13.54)，3.45(0.95-13.6)和4.74(1.82-13.5)。相關(guān)分析結(jié)果也表明，女性人群骨密度的變化與血鎘、尿鎘和絕經(jīng)情況相關(guān)(p<0.05)，但男性人群中骨密度變化與血鎘和尿鎘的相關(guān)性并不明顯

7、。
　　動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果證實(shí)，鎘在骨骼中高度蓄積并對(duì)骨造成損害，表現(xiàn)為骨量降低(骨密度下降，股骨和腰椎干灰重降低)，骨代謝失衡(血清Traep5b水平升高、OC水平下降)，骨骼微結(jié)構(gòu)損傷(骨小梁數(shù)量減少、分離度增加)，骨骼生物力學(xué)性能下降(載荷、應(yīng)力、斷裂能量、抗壓強(qiáng)度等下降)，骨礦化能力抑制。同時(shí)，鎘暴露能誘導(dǎo)骨組織金屬硫蛋白(MT1和MT2)及RANKL基因的高表達(dá)，并對(duì)OPG基因表達(dá)等產(chǎn)生抑制作用。此外，鎘對(duì)腎臟尤其是腎小管

8、有明顯損害作用，電鏡可見(jiàn)腎小管上皮細(xì)胞線粒體水腫、嵴缺失、空泡化等改變，高劑量染毒組大鼠可見(jiàn)腎小管上皮細(xì)胞的壞死，腎小管功能指標(biāo)UNAG及尿總蛋白也明顯升高，并且與骨密度降低明顯相關(guān)。但鎘對(duì)腎臟CYP27bl和CYP24al基因表達(dá)未見(jiàn)明顯影響，推測(cè)鎘對(duì)骨骼的毒性效應(yīng)至少不是完全繼發(fā)于腎損傷，提示鎘對(duì)骨骼的直接作用有待進(jìn)一步關(guān)注。預(yù)后研究結(jié)果表明，間斷性鎘染毒大鼠即使在中止鎘暴露1個(gè)月后，骨量、骨結(jié)構(gòu)、骨生物力學(xué)性能仍明顯低于對(duì)照組，骨

9、形成和骨吸收功能同時(shí)亢進(jìn)，以腎小管為主的腎損傷也持續(xù)存在。并且，與持續(xù)染毒大鼠相比，骨代謝和骨礦鹽結(jié)構(gòu)的損傷未見(jiàn)明顯恢復(fù)，腎功能損傷無(wú)明顯改善，但腎臟CYP27bl和CYP24al基因表達(dá)未見(jiàn)明顯差異。
　　進(jìn)一步的體外實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，鎘對(duì)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞均有直接作用，但鎘對(duì)破骨細(xì)胞的效應(yīng)劑量明顯小于其對(duì)成骨細(xì)胞的效應(yīng)劑量：對(duì)于成骨細(xì)胞，大于0.125μmol/L染毒劑量的鎘可明顯抑制成骨細(xì)胞的增殖、分化、礦化等生物功能，并能

10、降低Ⅰ型膠原、骨橋蛋白、基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑1和基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑2的表達(dá)。而對(duì)于破骨細(xì)胞，0.03μmol/L的染毒劑量即可明顯增加TRAP(+)破骨細(xì)胞數(shù)量并促進(jìn)骨吸收陷窩形成能力，推測(cè)鎘對(duì)骨的直接作用是以破骨細(xì)胞為主要作用靶點(diǎn)。對(duì)成骨/破骨偶聯(lián)基因表達(dá)的影響研究表明，鎘能明顯抑制成骨細(xì)胞OPG基因表達(dá)，上調(diào)RANKL基因表達(dá)，即OPG/RANKL通路可能是鎘對(duì)骨直接作用的重要通路之一。細(xì)胞預(yù)后效應(yīng)的研究結(jié)果也進(jìn)一步證明，采用0.

11、51μmol/L鎘對(duì)成骨細(xì)胞染毒48hr后中止暴露24h，鎘染毒仍可導(dǎo)致成骨細(xì)胞增殖和分化功能的明顯抑制；同樣，中止暴露3d、5d及7d后，染毒組礦化結(jié)節(jié)數(shù)量和面積仍明顯低于對(duì)照組，即成骨細(xì)胞的礦化能力也不能有效恢復(fù)。且與持續(xù)鎘染毒組比較，間斷性鎘染毒對(duì)成骨細(xì)胞增殖、分化和礦化能力的影響作用沒(méi)有明顯差異(p>0.05)，即鎘暴露中止并不能使鎘對(duì)成骨細(xì)胞生物學(xué)功能的損傷作用有效恢復(fù)。
　　本論文研究表明，環(huán)境鎘暴露能引起人群骨密度降

12、低，并增加骨質(zhì)疏松發(fā)生率，對(duì)女性尤其是絕經(jīng)后人群的作用更加明顯。即使在鎘暴露中止10年后，鎘對(duì)骨骼的影響作用仍然持續(xù)存在，表現(xiàn)為降低骨密度、增加骨質(zhì)疏松發(fā)生率，且鎘致骨損傷效應(yīng)的進(jìn)展情況與暴露中止時(shí)的基礎(chǔ)血鎘和尿鎘水平有關(guān)。動(dòng)物研究結(jié)果進(jìn)一步證明，鎘能在骨骼中沉積，除了對(duì)骨量產(chǎn)生明顯影響外，還能改變骨生物力學(xué)性能和骨微觀結(jié)構(gòu)的完整性，可能與骨吸收功能亢進(jìn)的高轉(zhuǎn)換狀態(tài)有關(guān)。而即使在極低劑量鎘暴露水平，雖然未見(jiàn)明顯的腎損傷和骨密度下降，染毒

13、大鼠的骨生物力學(xué)性能和骨吸收功能指標(biāo)Traep5b就已經(jīng)有明顯改變。此外，間斷性染毒大鼠在中止鎘暴露后，鎘對(duì)骨損傷效應(yīng)仍明顯存在，骨量、骨微結(jié)構(gòu)、骨生物力學(xué)性能等均沒(méi)有明顯改善，并表現(xiàn)為骨吸收和骨形成功能的亢進(jìn)即高骨轉(zhuǎn)換狀態(tài)。但鎘染毒動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)繼發(fā)于腎損傷的VitD代謝相關(guān)酶即腎1α羥化酶和24α羥化酶基因表達(dá)的明顯改變。體外研究表明，鎘對(duì)成骨細(xì)胞生物學(xué)功能呈抑制作用，而對(duì)破骨細(xì)胞數(shù)和骨吸收活性均有一定促進(jìn)作用，OPG/RANKL