周志強　周子彥　徐天祺　曹瑩　宋瑞龍　劉宗平

【摘 要】鎘在動物體內(nèi)逐漸蓄積，會導(dǎo)致骨代謝失衡，從而引起軟骨癥、骨質(zhì)疏松和骨折等骨代謝類疾病。骨代謝是骨重建與骨吸收兩個過程之間的動態(tài)平衡過程，是維持骨骼發(fā)育的一個重要代謝過程。破骨細胞、成骨細胞和骨細胞在其中扮演者重要角色，本文詳細闡述了鎘經(jīng)其對骨質(zhì)代謝的影響。

【關(guān)鍵詞】鎘;骨代謝;骨重建;破骨細胞

中圖分類號： R965 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）19-0228-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.109

0 前言

骨代謝包括骨重建和骨吸收兩個過程，骨重建和骨吸收之間的動態(tài)平衡對骨代謝的過程至關(guān)重要。鎘（Cd）是環(huán)境和工業(yè)的主要污染物之一。國內(nèi)外研究表明，慢性鎘污染能引起骨質(zhì)大量丟失，造成動物骨質(zhì)疏松等骨骼類疾病[1]。隨著全球工業(yè)化進程的加快，工業(yè)污染物的排放，以及霧霾的不斷出現(xiàn)，大氣和飼料中的鎘污染已嚴重危害著人和動物的健康，其引起的畜禽骨骼類疾病已成為危害畜牧業(yè)發(fā)展的主要疾病之一。本文就鎘對骨質(zhì)代謝過程的影響做簡要論述。

1 鎘污染現(xiàn)狀

Cd是在自然界毒性最強的重金屬元素之一。隨著全球工業(yè)化進程的加快，鎘及其無機化合物被廣泛應(yīng)用于電鍍、電池、顏料、塑料制品以及合金等產(chǎn)品的制造環(huán)節(jié)，Cd的產(chǎn)量在不斷增加，用途也在不斷擴充。據(jù)統(tǒng)計，全球每年向環(huán)境中釋放的鎘達3萬噸左右，其中82%～94%的鎘會進入到土壤中，通過“土壤（包括水體）-飼料-動物”這條主線影響畜禽的健康[2]。隨著霧霾的加重，大氣中Cd污染也逐漸引起國內(nèi)外的重視，其大氣中鎘污染已成為大氣監(jiān)測的主要項目之一。另外鎘對畜禽的影響，最終也會通過食物鏈在人類體內(nèi)蓄積，從而對人類的健康和生命造成嚴重的危害。1997年以來，美國毒物及疾病管理局一直將鎘列為第6位危害人體健康的有毒物質(zhì)。聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）和世界衛(wèi)生組織（WTO）將其列為僅次于黃曲霉毒素和砷的污染物[3]。

近年來，我國Cd污染事件越發(fā)頻繁[4]，湖南、廣西、廣東等地由于Cd礦的開采冶煉而導(dǎo)致的Cd污染事件屢見報道。2009年8月，湖南省瀏陽市鎮(zhèn)頭鎮(zhèn)一家生產(chǎn)硫酸鋅的工廠因缺乏合理的污水排放設(shè)施，導(dǎo)致工廠周邊500～1200m的范圍內(nèi)的地區(qū)發(fā)生Cd污染，成為Cd污染源區(qū)（高薇，2009）。2012年1月，廣西省的龍江河遭受Cd污染，據(jù)估算，本次事件Cd的泄漏量約20噸，沿河約300km的河段發(fā)生Cd污染，對沿河城市的居民健康造成嚴重的危害。2013年5月，中央電視臺等多家媒體曝光的湖南鎘大米事件，引起了全社會的廣泛關(guān)注。報道稱廣州市食品藥品監(jiān)督管理局對進入廣州市內(nèi)的多個批次的米及米制品進行抽檢，經(jīng)檢測有8個批次的米及米制品鎘的含量超標，其中有5個批次來自于湖南省。廣州市食品藥品監(jiān)督管理局將這8個批次抽檢鎘超標的米及米制品的生產(chǎn)廠家和品牌標識對外公開，并公布了廣州市2013年第一季度的抽檢結(jié)果，大米鎘超標的現(xiàn)象令人嘆為觀止，大米鎘指標的合格率僅為56%，由此可見我們面臨的鎘污染問題已經(jīng)咎待解決。

2 鎘污染引起骨骼類疾病

鎘最嚴重的健康效應(yīng)是對骨的影響，其在體內(nèi)潛伏達10到30年[5]。人如果長期攝入受到鎘污染的食物，會造成鎘在體內(nèi)肝臟、骨骼等器官蓄積，導(dǎo)致骨骼脆性減弱，引發(fā)骨軟化癥、骨質(zhì)疏松等癥狀，患者會感到全身疼痛，被稱為“痛痛病”。上個世紀60年代，日本有名的痛痛病事件就是由于鎘污染導(dǎo)致的患者骨骼軟化、萎縮，四肢彎曲，脊柱變形，骨質(zhì)松脆，就連咳嗽都能引起骨折。

Scimeca M等人分析了25例骨頭活檢骨質(zhì)疏松患者和25例骨關(guān)節(jié)炎患者的骨頭活檢，發(fā)現(xiàn)在骨質(zhì)疏松患者中鉛，鎘和鉻積累的流行[6]。來自韓國的幾大機構(gòu)聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)，絕經(jīng)婦女，吸煙者或頻繁飲酒，低教育水平和低家庭收入人群在骨質(zhì)減少或骨質(zhì)疏松癥組比正常組更大，并與增加的血液重金屬濃度水平相關(guān)聯(lián)，在血液中含鎘的情況下，骨質(zhì)減少或骨質(zhì)疏松的風(fēng)險增加2.1倍（95%CI 1.64-2.68）[7]。Liao Y等研究發(fā)現(xiàn)Cd能導(dǎo)致鴨的骨損傷，引起骨質(zhì)疏松，小梁骨變小變薄[8]。另研究發(fā)現(xiàn)低劑量的Cd能夠?qū)е鹿琴|(zhì)疏松等，且與鈣的攝入量無明顯相關(guān)性[1]。我們早在1994年就報道了環(huán)境鉛鎘污染對動物骨骼損失病例[9]。

3 鎘對骨重建的影響

骨重建是骨代謝過程的一個重要環(huán)節(jié)，同時也是維持骨骼正常發(fā)育所必需的一個過程。動物體內(nèi)蓄積有大量的鎘，會導(dǎo)致成骨細胞和破骨細胞發(fā)生損傷，進而影響骨質(zhì)骨重建。破骨細胞具有獨特的骨吸收功能，其對骨重建中的骨降解起決定性作用。OPG（骨保護素）途徑，是調(diào)節(jié)破骨細胞數(shù)量和功能的最主要通路。

破骨細胞是終末多核巨噬細胞，不能增殖分裂，只能由其他單核細胞融合分化而來。RANKL、M-CSF和OPG是破骨細胞分化和骨吸收必需的關(guān)鍵調(diào)控因子，RANKL和M-CSF對破骨細胞的分化和骨吸收起促進作用，而OPG則起抑制作用。成骨細胞除了具有骨礦化功能外，其分泌的RANKL和OPG對破骨細胞的分化和骨吸收起決定作用。破骨細胞前體細胞在M-CSF和RANKL的誘導(dǎo)下，激活一系列的信號通路，引起細胞的融合、分化和成熟。成熟的破骨細胞具有骨吸收功能，在破骨細胞骨吸收過程中，細胞骨架發(fā)生重組，以肌動蛋白為主要成分的偽足小體重排，形成一個肌動蛋白環(huán)，即封閉帶，為骨吸收提供了一個密閉的環(huán)境，封閉帶內(nèi)有皺褶緣，細胞通過皺褶緣將質(zhì)子和蛋白水解酶運輸?shù)轿帐抑?，如組織蛋白酶K（Cathepsin K）、MMP和抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP），降解骨骼中的骨基質(zhì)蛋白，分別溶解礦物質(zhì)和骨基質(zhì)蛋白。OPG能夠與RANKL競爭性結(jié)合，抑制上述過程，影響骨重建。目前研究發(fā)現(xiàn)，Cd能引起骨重建的異常[1]。

4 鎘與破骨細胞的分化和骨吸收

Cd能夠引起骨代謝紊亂，造成大量骨質(zhì)丟失，與Cd引起破骨細胞數(shù)量和活性的過度增強密不可分的[10]。Cd通過兩種方式影響破骨細胞的分化和骨吸收。一方面，Cd通過作用于成骨細胞，使得RANKL的表達量增強和抑制因子OPG的表達量減弱，進而間接引起破骨細胞分化和骨吸收功能異常增強。另一方面，Cd能夠直接影響破骨細胞的分化和骨吸收功能。

Cd經(jīng)成骨細胞影響破骨細胞的分化和骨吸收。通過濃度為0、2、10和50mg/L的飲用水給予Cd飼喂SD大鼠12周，免疫組化實驗顯示Cd處理后，RANKL表達增強，OPG表達減少，脛骨的TRAP染色Cd處理組破骨細胞的數(shù)量顯著大于對照組，且呈量依賴性[11]。將大鼠成骨細胞與RAW264.7混合共培養(yǎng)，顯示不同濃度的Cd能顯著增加破骨細胞的數(shù)量和骨吸收活性，且呈劑量依賴性[12]。對長尾泥猴靜脈注射CdCl2，能夠引起破骨細胞增多，骨吸收增強。這些結(jié)果表明Cd可能通過成骨細胞分泌RANKL和M-CSF影響破骨細胞的分化和骨吸收功能，進而造成骨吸收異常。

Cd能夠直接作用于破骨細胞，引起其分化和骨吸收異常增強。Cd能促進祖細胞分化為破骨細胞，經(jīng)TRAP染色后，從染色結(jié)果可以看出，陽性多核細胞增多，即成熟的破骨細胞增多，促進破骨細胞封閉帶的形成，進而顯著增強破骨細胞的骨吸收活性，骨吸收陷窩增多，且具有濃度梯度依賴性[10]。劉宗平[13]等從23天齡的高郵鴨胚中收獲骨髓細胞，并用50nmol/L鎘單獨或不同的鎘濃度（0，5，10，20和50nmol/L）與M-CSF和RANKL。進行TRAP染色，用牛皮質(zhì)骨切片的坑形成試驗，以及用四甲基羅丹明異硫氰酸鹽（TRITC）-耦合的鬼筆環(huán)肽和Hoechst 33258的共染色，以確定TRAP陽性細胞的數(shù)量和骨吸收活動。研究發(fā)現(xiàn)在M-CSF和RANKL存在下濃度為10nmol/L的鎘以濃度依賴性方式顯著增加，TRAP陽性細胞的數(shù)量（35-160%）和骨吸收活性（36-261%）（P<0.05）。在M-CSF和RANKL存在下的高鎘濃度顯著促進分化的破骨細胞中絲狀（F）-肌動蛋白環(huán)的形成?？傊?，鎘在M-CSF和RANKL的存在下促進了鴨胚胎破骨細胞的體外分化和骨吸收。環(huán)境中低劑量的Cd能夠引起大鼠破骨細胞的增多，造成骨損傷。在RANKL存在的條件下，Cd能夠上調(diào)RAW264.7細胞的RANK、TRAF6、Fra1、c-src和c-fos等分化相關(guān)因子的上調(diào)，引起破骨細胞的增多。對犬的骨髓細胞體外誘導(dǎo)實驗發(fā)現(xiàn)Cd處理組破骨細胞的數(shù)量和骨吸收陷窩的面積和數(shù)量都明顯增多。

這些數(shù)據(jù)表明Cd能夠直接影響破骨細胞的分化和骨吸收過程，引起骨吸收異常增強。盡管如此，Cd直接影響破骨細胞分化和骨吸收的分子機理尚未明確。

5 總結(jié)

鎘被動物攝入后在動物體內(nèi)逐漸蓄積，會引起鎘中毒，導(dǎo)致成骨細胞和軟骨細胞的損傷，從而影響骨代謝過程。骨代謝是處于骨重建與骨吸收兩個過程之間的動態(tài)平衡過程，是維持骨骼發(fā)育的一個重要代謝過程。骨重建是骨代謝過程的一個重要環(huán)節(jié)，同時也是維持骨骼正常發(fā)育所必需的一個過程，其失衡可能嚴重影響骨骼的形成和功能。破骨細胞在骨重建中起著決定性作用，其數(shù)量的增多或活性的增強，會造成骨質(zhì)的大量丟失，引發(fā)軟骨癥、骨質(zhì)疏松和骨折等骨骼疾病。RANKL、M-CSF和OPG是破骨細胞分化和骨吸收必需的關(guān)鍵調(diào)控因子，鎘能引起RANKL分泌減少和OPG分泌增加，從而使得骨吸收過程受到抑制，進而使得骨質(zhì)代謝過程發(fā)生紊亂。此外，鎘經(jīng)成骨細胞影響破骨細胞的分化和骨吸收，并且鎘能夠直接影響破骨細胞的分化和骨吸收過程，引起骨吸收異常增強。

【參考文獻】

[1]Xie D，Sheng Z.Low-Level Cadmium Exposure and Bone Health.J Bone Miner Res.2017.32（2）：419.

[2]周寧，李旺，俎國，何萬領(lǐng).飼料鎘污染現(xiàn)狀及其對動物危害的研究進展[J].飼料與畜牧，2012（08）：49-52.

[3]楊自軍.鎘的污染及對動物的危害與防治[J].中國動物保健，2008（05）：55-60.

[4]盧紅玲，肖光輝，劉青山，彭新德.土壤鎘污染現(xiàn)狀及其治理措施研究進展[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報，2014，45（11）：1986-1993.

[5]Tomaszewska E，Dobrowolski P，Winiarska-Mieczan A， Kwiecień M，Tomczyk A，Muszyński S.The effect of tannic acid on the bone tissue of adult male Wistar rats exposed to cadmium and lead.Exp Toxicol Pathol.2017.69（3）：131-141.

[6]Scimeca M，F(xiàn)eola M，Romano L，et al.Heavy metals accumulation affects bone microarchitecture in osteoporotic patients.Environ Toxicol.2017，32（4）：1333-1342.

[7]Lim HS，Lee HH，Kim TH，Lee BR.Relationship between Heavy Metal Exposure and Bone Mineral Density in Korean Adult.J Bone Metab.2016.23（4）：223-231.

[8]Liao Y，Cao H，Xia B，et al.Changes in Trace Element Contents and Morphology in Bones of Duck Exposed to Molybdenum or/and Cadmium.Biol Trace Elem Res.2017.175（2）：449-457.

[9]劉宗平，馬卓，魏明理.等.白銀礦區(qū)環(huán)境污染對動物健康影響的流行病學(xué)研究[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1994（02）：162-165+167-168.

[10]Rodríguez J，Mandalunis PM.Effect of cadmium on bone tissue in growing animals.Exp Toxicol Pathol.2016，68（7）：391-7.

[11]Chen X，Wang G，Li X，et al.Environmental level of cadmium exposure stimulates osteoclasts formation in male rats.Food Chem Toxicol.2013.60：530-5.

[12]Chen X，Zhu G，Jin T，et al.Cadmium stimulates the osteoclastic differentiation of RAW264.7 cells in presence of osteoblasts.Biol Trace Elem Res.2012.146（3）：349-53.

[13]Wang Y，F(xiàn)u YX，Gu JH，et al.Cadmium induces the differentiation of duck embryonic bone marrow cells into osteoclasts in vitro.Vet J.2014.200（1）：181-5.