貧鈾對嚙齒類動物和人類生殖毒性研究進展

潘澤軒， 尹晶晶， 高潔， 劉歡， 李建國

(中國輻射防護研究院放射醫(yī)學與環(huán)境醫(yī)學研究所藥物毒理與放射損傷藥物山西省重點實驗室，太原，030006)

0 引言

235U含量在0.3%以下稱為貧鈾(國防標準)。貧鈾是低水平放射性重金屬，用貧鈾金屬制備的合金強度高，硬度大，機械加工性能好，且成本低廉，具有廣泛的軍事和商業(yè)用途。鈾既可以作為鈾酰離子單獨存在，也可以與醋酸鹽、硝酸鹽等形成復(fù)合物進而被人體吸收[1]。貧鈾對于生物體的健康影響，是多種復(fù)雜因素綜合作用的結(jié)果，既有化學毒性又有放射損傷，化學毒性是貧鈾的主要危害因素[2]。

從人類流行病學調(diào)查分析、動物體內(nèi)毒性實驗、體外細胞實驗等多方面證實，貧鈾可以影響并降低生物體的生殖和遺傳功能。本文主要介紹了貧鈾對嚙齒類動物和人類生殖毒性的研究進展。貧鈾對嚙齒類動物的毒理學研究主要集中在四個方面：體內(nèi)激素水平、病理生理學、遺傳性狀、基因蛋白表達水平；對人的毒理學研究主要集中在生殖功能和遺傳功能。

1 貧鈾對嚙齒類動物的生殖毒性

1.1 動物體內(nèi)激素水平改變

Legendre等[3]研究長期低劑量貧鈾暴露對大鼠睪丸的影響，實驗大鼠分為兩組，整個生命周期攝入濃度為40 mg/L、120 mg/L的貧鈾水源。結(jié)果顯示，在120 mg/L長期貧鈾暴露組，貧鈾很可能蓄積在大鼠睪丸鞘液，且隨鞘液通過血睪屏障和血副睪屏障來發(fā)揮毒理作用，破壞血睪屏障結(jié)構(gòu)，擾亂血睪屏障的正常屏障功能；貧鈾暴露通過誘導(dǎo)下丘腦—垂體—腎上腺軸發(fā)生變化，影響雄鼠的精子生成。大鼠血漿中的卵泡刺激素(FSH)和黃體生成激素(LH)水平升高, LH 能夠刺激睪丸間質(zhì)細胞合成分泌睪酮, 并能協(xié)同促卵泡生成素促進精子的成熟。促卵泡生成素由垂體前葉嗜堿性細胞分泌, 具有增強 LH 刺激睪酮分泌, 促進生精細胞的發(fā)育和精子成熟的作用；大鼠睪丸內(nèi)睪酮和雌二醇水平與對照組相比明顯下降，睪酮的主要作用是維持雄性第二性征和正常性腺功能。

Hao等[4]研究貧鈾經(jīng)口腔慢性低劑量暴露對大鼠生殖系統(tǒng)的損傷，實驗組大鼠分別攝入40 mg/L、120 mg/L水源9個月。結(jié)果表明，不同濃度的貧鈾水源攝入，貧鈾在大鼠睪丸內(nèi)均大量富集，SOD、LH含量升高；CAT、GSH含量降低，雌鼠受孕率降低。

1.2 動物體內(nèi)病理生理學改變

白楊等[5]研究貧鈾對小鼠睪丸細胞損傷，實驗組小鼠吸入(731.52± 35.99)和(877.83± 43.19)ng/g的貧鈾氣溶膠30 min。結(jié)果表明，貧鈾暴露后雄性小鼠生殖系統(tǒng)主要的病理學改變?yōu)椋翰G丸曲細精管萎縮, 生精細胞層次減少。出現(xiàn)無精或少精狀態(tài)、睪丸間質(zhì)細胞的空泡化、曲細精管的萎縮以及睪丸、附睪平均重量降低, 體積縮小。

冷言冰等[6]研究貧鈾對大鼠生殖系統(tǒng)的損傷，通過手術(shù)植入大鼠后腿(0.2 ±0.02) g的貧鈾片，并在3、6、12、18 個月進行睪丸病理組織觀察。結(jié)果表明，精子頭部畸形細胞周圍均有空泡變, 胞質(zhì)內(nèi)吞噬體和溶酶體增多, 線粒體腫脹, 出現(xiàn)不同程度的變性壞死；間質(zhì)細胞中可見致密顆粒沉積，支持細胞和生精細胞的變性壞死最終導(dǎo)致大鼠曲細精管的萎縮。大鼠睪丸中生精細胞與支持細胞中吞噬顆粒與溶酶體的增多說明貧鈾可以通過血睪屏障, 進入曲細精管中造成睪丸細胞損傷。

Holmes等[7]研究貧鈾對倉鼠卵巢細胞DNA損傷，倉鼠卵巢細胞在100、300 mM貧鈾暴露條件下24 h。結(jié)果表明，不同濃度貧鈾染毒倉鼠卵巢細胞出現(xiàn)了42%和50%的多倍體、40%和30%亞二倍體以及17%和21%的超二倍體；中國倉鼠卵巢細胞DNA的雙鏈和單鏈斷裂、DNA交聯(lián)、DNA加合物。乙酸鈾酰主要通過形成UA-DNA-AD損傷通道來誘導(dǎo)DNA損傷，還可能誘導(dǎo)SSB損傷發(fā)生。

Angenard等[8]研究貧鈾對大鼠生殖細胞損傷，通過10 μg/cm2貧鈾暴露大鼠生殖細胞24 h。結(jié)果表明，貧鈾可以影響大鼠睪丸細胞的核內(nèi)染色體復(fù)制和細胞質(zhì)分裂，貧鈾的毒性損傷作用于初級精母細胞的有絲分裂期，影響了紡錘體的功能。貧鈾致大鼠睪丸生殖細胞的染色體組畸變包括染色體斷裂、破碎、缺陷、互補；包括染色單體斷裂和缺口6.7%、異染色單體斷裂和缺口7.3%、無中心性碎片0.2%、染色單體交換1.0%、染色體環(huán)0.2%、雙著絲粒及染色體碎片41%，以及微核形成均與暴露劑量密切相關(guān)。

1.3 動物體內(nèi)遺傳性狀改變

Legrand等[9]研究貧鈾暴露對大鼠大腦細胞的損傷，建立從大鼠妊娠第1天至大鼠子代2個月時40 mg/L貧鈾水源攝入模型，結(jié)果表明，子代大鼠表現(xiàn)出特殊記憶障礙和顯著的抑郁樣表型，具體表現(xiàn)為行為遲鈍、思維凍結(jié)、靜止時間增多。

Legendre等[10]研究貧鈾多代暴露對大鼠生殖細胞的影響，貧鈾暴露實驗中將大鼠分為三代進行實驗，F(xiàn)0代產(chǎn)后和終生暴露、F1代子宮內(nèi)和產(chǎn)后暴露和F2代生殖細胞攝入濃度為40 mg/L的貧鈾水源。結(jié)果表明，貧鈾誘導(dǎo)的精子形態(tài)異常均發(fā)生在頭部和中部，每一代大鼠均觀察到這些異常，在F1代中更為嚴重，且F1代的附睪體重比與對照組相比下降了15.6%，可知貧鈾暴露誘發(fā)多代大鼠精子形態(tài)缺陷，睪丸比重下降，F(xiàn)1代損傷明顯。

Kundt等[11]研究貧鈾毒性對小鼠胚胎的影響，硝酸鈾酰溶液(26、52、104、208 g/mL)植入小鼠胚胎后在24、72、96和120 h分別記錄早期胚泡、胚泡和孵化的胚泡階段的觀察結(jié)果。結(jié)果表明，各貧鈾暴露組胚胎發(fā)育延遲，并且暴露組細胞數(shù)量低于對照組的細胞數(shù)量。植入6個月或更長時間104 g/mL、208 g/mL貧鈾可導(dǎo)致子體的體型減小。貧鈾暴露在相同的實驗條件下，人類胎兒生殖細胞對貧鈾的敏感性比小鼠生殖細胞高，出現(xiàn)的遺傳損傷更多；人類胎兒卵巢中，0.05 mM貧鈾通過細胞凋亡而顯著降低生殖細胞密度；人類胎兒睪丸中，0.1 mM貧鈾暴露導(dǎo)致生殖細胞數(shù)量減少[8]。

1.4 動物體內(nèi)基因蛋白表達的改變

Legendre等[10]研究貧鈾多代暴露對大鼠生殖細胞的影響，大鼠暴露實驗中將大鼠分為三代進行實驗，F(xiàn)0代產(chǎn)后和終生暴露、F1代子宮內(nèi)和產(chǎn)后暴露、F2代生殖細胞攝入濃度為40 mg/L的貧鈾水源。結(jié)果表明，貧鈾致生殖系統(tǒng)損傷可能與性腺DNA的甲基化修飾有關(guān)，貧鈾對大鼠精子的毒性影響可能是基因表觀遺傳改變的可遺傳性質(zhì)所致。

Elmhiri[12]研究貧鈾多代暴露致大鼠性腺DNA甲基化，大鼠暴露實驗中將大鼠分為三代進行實驗，F(xiàn)0代產(chǎn)后和終生暴露、F1代子宮內(nèi)和產(chǎn)后暴露、F2代生殖細胞攝入濃度為40 mg/L的貧鈾水源。結(jié)果表明，在F1和F2代大鼠睪丸組織中，分別觀察到DNA超甲基化(41%)和(32%)；在F1和F2代大鼠卵巢組織中，DNA低甲基化(分別為41%和21%)。兩個組織的qPCR結(jié)果也暗示DNA甲基轉(zhuǎn)移酶基因的表達也發(fā)生了顯著變化。從各代貧鈾暴露雄性大鼠睪丸中提取DNA與對照組相比，在終生暴露于貧鈾的F0代大鼠中，甲基化酶DNMT3L的基因表達降低35%；子宮內(nèi)和產(chǎn)后暴露的F1代大鼠DNMT3a表達增高40%；僅生殖細胞暴露的F2代大鼠DNMT3a表達增高150%，DNMT1表達增高50%。從各代貧鈾暴露雌性大鼠卵巢中提取DNA發(fā)現(xiàn)在子宮內(nèi)和產(chǎn)后暴露的F1代大鼠中DNMT3b和DNMT3l與對照組相比表達增高分別為80%和20%。DNA甲基化能引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA構(gòu)象、DNA穩(wěn)定性及DNA與蛋白質(zhì)相互作用方式的改變，從而控制基因表達。在大鼠睪丸和卵巢中多種DNA甲基化酶的表達發(fā)生改變，可以解釋貧鈾致大鼠生殖系統(tǒng)的甲基化損傷。

Wang等[13]對不同貧鈾染毒濃度40 mg/L、120 mg/L嚙齒類動物毒理學研究發(fā)現(xiàn)，類固醇生成過程中所包含的酶和相關(guān)信號通路STAR, cyp11a1,TGFb1, AR等表達發(fā)生改變。STAR是一種作用于線粒體膜的膽固醇轉(zhuǎn)運蛋白，將類固醇底物和膽固醇通過線粒體外膜運輸?shù)骄€粒體內(nèi)膜；通過細胞色素P450逐漸轉(zhuǎn)化為其他類固醇激素。

Legendre等[3]研究長期低劑量貧鈾暴露對大鼠睪丸的影響，在大鼠整個生命周期攝入濃度為40 mg/L、120 mg/L的貧鈾水源。結(jié)果表明，貧鈾暴露組STAR和類固醇生成酶(cyp11a1和cyp17a1)在睪丸表達明顯低于對照組，表明貧鈾致大鼠雄性激素生成減少。在貧鈾40 mg/L和貧鈾120 mg/L的大鼠睪丸細胞中β-catenin的mRNA表達水平均被抑制；與對照組相比，貧鈾暴露組中參與細胞連接動力學和類固醇生成調(diào)節(jié)的TGFβ1的表達水平顯著降低；貧鈾染毒組的緊密連接蛋白occludin的基因表達增高且劑量依賴性顯著，貧鈾致大鼠睪丸細胞的緊密連接蛋白功能發(fā)生改變。緊密連接是上皮細胞、內(nèi)皮細胞間的重要連接方式，是一種動態(tài)的由多種蛋白組成的功能復(fù)合體，能使相鄰的細胞緊密貼合，起到柵欄、屏障的作用，緊密連接蛋白是保持緊密連接結(jié)構(gòu)與功能非常重要的調(diào)節(jié)蛋白。

貧鈾暴露于嚙齒類動物的毒理學研究已從多個方面證實了貧鈾的生殖毒性和遺傳毒性。但貧鈾大劑量暴露的急性損傷研究不夠充分，沒有明確的損傷后生物標志物，貧鈾暴露于生殖系統(tǒng)后對細胞分子層面的損傷機制有待進一步探索。

2 貧鈾對人的生殖毒性研究

2.1 貧鈾對人生殖功能的影響

McDiarmid等[14]研究海灣戰(zhàn)爭期間受到友軍貧鈾火力暴露出現(xiàn)古爾夫戰(zhàn)爭綜合征的士兵。結(jié)果表明，受到友軍貧鈾彈火力誤傷的退伍軍人(n=50)，在8年間的定期隨訪獲得數(shù)據(jù)顯示尿鈾含量持續(xù)性升高，在首次暴露8年后尿中鈾含量為在每克肌酐中0.018～39.1 μg；表明貧鈾不能完全排出體外且在體內(nèi)運動導(dǎo)致慢性全身性暴露；與未受貧鈾暴露的健康伊拉克受試者相比，海灣戰(zhàn)爭受到貧鈾暴露后出現(xiàn)白血病的伊拉克患者中表現(xiàn)出更高的鈾血清水平。

Jumaah等[16]研究在高劑量貧鈾暴露區(qū)，PTEN基因的差異表達。結(jié)果表明，生活在伊拉克戰(zhàn)爭貧鈾暴露地區(qū)的子宮內(nèi)膜癌患者與來自伊拉克的貧鈾低暴露風險患者相比，PTEN基因表達顯著增加，PTEN蛋白通過使細胞膜上的PIP3磷酸化，在控制PI3K/AKT途徑中起著至關(guān)重要的作用。功能性PTEN蛋白的丟失導(dǎo)致致瘤性產(chǎn)生，可以認為，戰(zhàn)爭、環(huán)境污染物貧鈾影響子宮內(nèi)膜癌PTEN基因的表達。

Greene等[17]研究貧鈾的社區(qū)暴露事件導(dǎo)致的子宮內(nèi)膜異位癥和血清趨化因子升高。結(jié)果表明，暴露組女性終生鈾累積暴露范圍在0.342～4.085 μg/(m3·a)，未暴露女性的鈾終生暴露值在0.007～0.072 μg/(m3·a)；兩組間相比較暴露組女性血清中5種與子宮內(nèi)膜異位癥相關(guān)的趨化因子CCL1、CCL11、CCL22、CXCL9、CXCL13和1種細胞因子IL-10均顯著增加，增加濃度均在100～1 000 pg/mL間。說明鈾暴露與子宮內(nèi)膜異位癥炎癥趨化因子和細胞因子的增加相關(guān)。

廖燕慶、趙其文[18-19]等在退役鈾礦輻射環(huán)境調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，退役鈾礦水中鈾的濃度維持在一個很高的水平約為2.15～21.67 μg/L、氡子體析出率在17～5 543 mBq/(m2·s)。貧鈾暴露持續(xù)時間長、涉及人群廣、對人毒性危害大，應(yīng)引起人們高度重視。

Domingo[20]研究貧鈾自然本底的生殖毒性。結(jié)果表明，對終生暴露劑量不超過16 mSv接觸鈾作業(yè)的職業(yè)性工作人員調(diào)查，鈾的致癌效應(yīng)可造成染色體畸變、姐妹染色體互換和微核檢出率的增加，但并沒有明顯的生殖能力下降、出現(xiàn)流產(chǎn)或出生缺陷增多的情況。

2.2 貧鈾對人遺傳功能的影響

Faa等[21]研究貧鈾致人體損傷。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2004年伊拉克戰(zhàn)爭期間，貧鈾武器在巴士拉省大量使用，巴士拉省2006—2009嬰幼兒死亡率為80‰，同期埃及為19.8‰、約旦17‰、科威特9.7‰，新生兒死亡率顯著增加；巴士拉省新生兒男女比例出現(xiàn)了變化；在巴士拉省居住的兒童中，發(fā)現(xiàn)有出生缺陷的兒童數(shù)量增多；發(fā)現(xiàn)父母和新生兒體內(nèi)鈾平均含量增高，表明該地區(qū)戰(zhàn)爭期間貧鈾的暴露對人生殖遺傳功能產(chǎn)生巨大影響。

V?nsk?等[22]研究重金屬毒性對人的損傷。結(jié)果表明，在對2014年加沙戰(zhàn)爭期間處于懷孕前三個月的502名巴勒斯坦母親進行分析，在母親體內(nèi)鈾的累積與兒童早期情感發(fā)展有關(guān)，表現(xiàn)為積極情感下降、負面情感增加，貧鈾在母親體內(nèi)的累積濃度與兒童的定向/調(diào)節(jié)能力呈負相關(guān)。表明母親子宮內(nèi)的貧鈾污染可通過多種機制傳遞給后代并對兒童的發(fā)育生長、性格和壓力調(diào)節(jié)產(chǎn)生長期負面的影響。

Wei等[23]研究鈾、釷暴露對后代的影響。結(jié)果表明，在受孕前三個月至受孕后三個月這段時間內(nèi)接觸過鈾等重金屬，可在頭發(fā)中可檢測到貧鈾濃度均在28.5 ng/g以上鈾的孕產(chǎn)婦，會導(dǎo)致后代發(fā)生口面部裂痕的風險增高。

以上研究表明，貧鈾暴露于人體后鈾在生殖系統(tǒng)內(nèi)的含量增高，可能會誘發(fā)生殖系統(tǒng)相關(guān)癌癥，會誘導(dǎo)炎癥趨化因子和細胞因子表達變化，會導(dǎo)致基因表觀遺傳的改變，但目前沒有確切的研究結(jié)果表明貧鈾會對人體生殖系統(tǒng)產(chǎn)生明確的損傷。但生殖系統(tǒng)對于鈾暴露的敏感性高，鈾在生殖系統(tǒng)代謝速度慢，長時間暴露于生殖系統(tǒng)內(nèi)，對人的生殖遺傳功能會產(chǎn)生嚴重影響。

3 結(jié)語

貧鈾對健康的短期影響主要是重金屬的化學毒性，而長期影響是放射損傷與化學毒性的聯(lián)合效應(yīng)，特別是貧鈾釋放的α粒子，致癌性不容忽視。現(xiàn)階段鈾生殖毒性的產(chǎn)生機制尚未明確，毒理損傷和毒性作用機制之間聯(lián)系尚不清楚，實驗數(shù)據(jù)有限、實驗樣本小、實驗結(jié)果不一致。迫切需要進一步的研究，在未來的研究中應(yīng)更注意以下方面：

(1)對貧鈾暴露的放射毒性進行研究。鈾在體內(nèi)長期滯留，化學毒性會對人體造成嚴重傷害，晚期以放射毒性為主，雖然放射性很低，但毒性機理研究尚不清楚，與化學毒性之間的相互作用，是否會對人體造成進一步損害，尚待研究。

(2)篩選合適的生物標記物。現(xiàn)階段的流行病學調(diào)查和貧鈾毒理研究，著重分析貧鈾的毒理損傷，貧鈾暴露后潛伏期及早期損傷研究不夠充分。分子生物學以及分子流行病學研究有助于貧鈾生殖損傷生物標志物的發(fā)現(xiàn)和篩選，選擇特異性強，靈敏度高的生物標志物，是接下來貧鈾生殖毒性研究的重點。

(3)短期大劑量暴露和長期低劑量暴露對生殖系統(tǒng)的損傷是否一致，貧鈾暴露放射毒性的深入研究，損傷生物標志物的篩查等多個方面還需要進一步研究。