鎘致地毒效應及預后.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、半導體、電池等工業(yè)中應用廣泛，尤其是有色金屬礦產(chǎn)開發(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，都會對環(huán)境造成不同程度鎘污染。環(huán)境鎘污染進而可污染農(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器官之一，鎘暴露可導致骨密度下降、骨質(zhì)疏松發(fā)生率增加，并能增加骨折的風險，但是其確切機理不甚清楚，

2、且以往研究多以骨量作為效應指標，關注點也多集中在繼發(fā)于腎損傷后的骨效應。此外，由于鎘在人體的生物半衰期可長達10～30年，而環(huán)境鎘暴露減少/停止后鎘致骨毒效應的預后急待研究。本論文從人群流行病學、動物和細胞三個層面探討鎘致骨毒效應及其相關機理，以及鎘暴露減少/停止后的預后改變。
　　本研究以1998年中國東南部某鎘污染地區(qū)流行病學現(xiàn)況調(diào)查建立的人群隊列資料為基礎，在2006年對該隊列的部分人群進行了追蹤隨訪：以血鎘、尿鎘作為鎘接觸

3、劑量指標，以骨密度及骨質(zhì)疏松發(fā)生率作為效應指標，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)果進行比較，探討環(huán)境鎘暴露對人群骨代謝不良效應及停止接觸后骨效應的預后和可能影響因素。同時，采用鎘染毒后中止和鎘連續(xù)染毒二種大鼠動物模型，應用骨量、骨結(jié)構(gòu)、骨生物力學、骨代謝指標等，進一步探討鎘致骨損傷效應、預后及可能機制，結(jié)合對鎘致腎損傷效應及其相關性分析，進一步探討腎損傷程度對骨效應和

4、預后的影響作用。此外，應用間斷性和連續(xù)性鎘染毒對成骨細胞、破骨細胞生物學效應和功能基因表達的影響，尤其是從成骨細胞相關基因及成骨/破骨偶聯(lián)基因表達的改變，探討鎘致骨不良效應及預后的分子生物學機制。
　　人群流行病學研究結(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照組，人群骨密度則呈明顯下降趨勢，下降幅度與血鎘和尿鎘水平相關。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性并不明顯。進一步的相關分析結(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。進一步的對照研究發(fā)現(xiàn)，對于女性，骨密度下降幅度與

6、鎘暴露中止時人群的基礎血鎘和尿鎘水平有關，即暴露中止時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(p<0.05)，但男性人群中骨密度變化與血鎘和尿鎘的相關性并不明顯

7、。
　　動物實驗研究結(jié)果證實，鎘在骨骼中高度蓄積并對骨造成損害，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)，骨骼生物力學性能下降(載荷、應力、斷裂能量、抗壓強度等下降)，骨礦化能力抑制。同時，鎘暴露能誘導骨組織金屬硫蛋白(MT1和MT2)及RANKL基因的高表達，并對OPG基因表達等產(chǎn)生抑制作用。此外，鎘對腎臟尤其是腎小管

8、有明顯損害作用，電鏡可見腎小管上皮細胞線粒體水腫、嵴缺失、空泡化等改變，高劑量染毒組大鼠可見腎小管上皮細胞的壞死，腎小管功能指標UNAG及尿總蛋白也明顯升高，并且與骨密度降低明顯相關。但鎘對腎臟CYP27bl和CYP24al基因表達未見明顯影響，推測鎘對骨骼的毒性效應至少不是完全繼發(fā)于腎損傷，提示鎘對骨骼的直接作用有待進一步關注。預后研究結(jié)果表明，間斷性鎘染毒大鼠即使在中止鎘暴露1個月后，骨量、骨結(jié)構(gòu)、骨生物力學性能仍明顯低于對照組，骨

9、形成和骨吸收功能同時亢進，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)的損傷未見明顯恢復，腎功能損傷無明顯改善，但腎臟CYP27bl和CYP24al基因表達未見明顯差異。
　　進一步的體外實驗研究結(jié)果表明，鎘對成骨細胞和破骨細胞均有直接作用，但鎘對破骨細胞的效應劑量明顯小于其對成骨細胞的效應劑量：對于成骨細胞，大于0.125μmol/L染毒劑量的鎘可明顯抑制成骨細胞的增殖、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。而對于破骨細胞，0.03μmol/L的染毒劑量即可明顯增加TRAP(+)破骨細胞數(shù)量并促進骨吸收陷窩形成能力，推測鎘對骨的直接作用是以破骨細胞為主要作用靶點。對成骨/破骨偶聯(lián)基因表達的影響研究表明，鎘能明顯抑制成骨細胞OPG基因表達，上調(diào)RANKL基因表達，即OPG/RANKL通路可能是鎘對骨直接作用的重要通路之一。細胞預后效應的研究結(jié)果也進一步證明，采用0.

11、51μmol/L鎘對成骨細胞染毒48hr后中止暴露24h，鎘染毒仍可導致成骨細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照組，即成骨細胞的礦化能力也不能有效恢復。且與持續(xù)鎘染毒組比較，間斷性鎘染毒對成骨細胞增殖、分化和礦化能力的影響作用沒有明顯差異(p>0.05)，即鎘暴露中止并不能使鎘對成骨細胞生物學功能的損傷作用有效恢復。
　　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，且鎘致骨損傷效應的進展情況與暴露中止時的基礎血鎘和尿鎘水平有關。動物研究結(jié)果進一步證明，鎘能在骨骼中沉積，除了對骨量產(chǎn)生明顯影響外，還能改變骨生物力學性能和骨微觀結(jié)構(gòu)的完整性，可能與骨吸收功能亢進的高轉(zhuǎn)換狀態(tài)有關。而即使在極低劑量鎘暴露水平，雖然未見明顯的腎損傷和骨密度下降，染毒

13、大鼠的骨生物力學性能和骨吸收功能指標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，鎘對骨損傷效應仍明顯存在，骨量、骨微結(jié)構(gòu)、骨生物力學性能等均沒有明顯改善，并表現(xiàn)為骨吸收和骨形成功能的亢進即高骨轉(zhuǎn)換狀態(tài)。但鎘染毒動物實驗中未發(fā)現(xiàn)繼發(fā)于腎損傷的VitD代謝相關酶即腎1α羥化酶和24α羥化酶基因表達的明顯改變。體外研究表明，鎘對成骨細胞生物學功能呈抑制作用，而對破骨細胞數(shù)和骨吸收活性均有一定促進作用，OPG/RANKL