镉和γ射线对骨的联合效应及其机制

发布时间：2020-07-21 19:30

【摘要】：随着工业及核技术的迅猛发展,全球范围内都不同程度地出现了环境污染问题,如重金属、多环芳香烃碳氢化合物和放射性污染等,不仅表现在职业接触人群中,而且可因环境污染,通过食物链途径进入人体。有关环境因子的骨效应研究,以往关注并不多。但近年,环境因子尤其是重金属包括非放射性重金属(如镉、铅等)和放射性重金属(如铀、锶-90等),一旦进入机体后将主要蓄积在骨骼和肾脏,可能通过对骨骼的直接作用,或通过对肾脏-骨骼的间接作用,引起骨损伤效应,美国、欧盟和发展中国家均对此问题引起了较广泛的关注,尤其是多种环境污染因子同时存在时的联合生物效应研究更是一个难点问题,至今尚无相应评价标准。目前,有关环境镉污杂致肾-骨损伤效应已引起了广泛关注,而大剂量电离辐射可引起放射性骨坏死等并发症,但有关镉与电离辐射联合作用对骨代谢和骨矿盐损伤效应研究尚未深入开展,本研究探讨了镉与电离辐射联合作用致骨损伤效应的病理生理特点及相关作用机制。本研究从动物实验及体外实验两个层面,观察镉联合电离辐射暴露对骨的生物效应以及可能机制,为评价镉与电离辐射复合污染对人体健康危害提供理论依据。本研究通过皮下注射对大鼠染镉,并给予大鼠体外单次Y射线照射,从骨量、骨生物力学、骨形态、骨代谢标志物等,探讨镉联合Y射线对骨和肾脏的生物效应；同时,结合体外细胞实验,研究镉联合Y射线对体外培养成骨细胞和破骨细胞生物学功能及相关基因表达的影响,以探讨镉联合γ射线所致骨损伤效应的可能机制。动物整体研究结果表明：血镉含量与染镉剂量呈线性关系,可较好反映染镉剂量的变化,而γ射线单次全身照射并不改变血镉含量的变化趋势。骨镉蓄积量也随染镉剂量呈线性上升,γ射线照射未改变低、中剂量染镉大鼠骨镉蓄积量的变化趋势,但高剂量染镉+照射组的骨镉蓄积量较单纯染镉组明显升高。染镉后12周,大鼠腰椎BMD呈下降趋势,尤其是中剂量和高剂量染镉大鼠腰椎BMD下降明显(P0.01),而2Gy的γ射线单次全身照射对镉致骨密度的下降幅度并无明显影响。此外,大鼠骨生物力学性能包括腰椎压缩最大载荷、抗压强度和屈服强度以及股骨三点弯最大载荷等指标均随染镉剂量逐渐下降,且高剂量镉联合Y射线照射时骨生物力学指标下降更为明显,其中腰椎力学性能指标变化较股骨更为敏感。对骨形成和骨吸收功能指标的分析结果表明,染镉大鼠的骨形成功能抑制(ALP和OC随染镉剂量而呈线性下降)、骨吸收功能亢进(血清TRACP5b随染镉剂量而呈线性增加),而镉与γ射线联合暴露对骨代谢功能的影响表现为联合作用,且明显早于对骨密度和骨生物力学性能的影响作用。对肾脏相关指标分析表明,染镉组、染镉+照射组大鼠的尿总蛋白及UNAG(尿N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶)均明显升高,且染镉+照射组大鼠的尿总蛋白、UNAG水平明显高于单纯染镉组；此外,染镉大鼠近端肾小管上皮细胞空泡化、坏死,而镉联合γ射线后对近端肾小管损伤更明显。因此,镉暴露对大鼠骨量、骨机械性能、骨形态及骨代谢指标等均产生明显的损伤作用,而电离辐射联合镉暴露对大鼠骨量、骨机械性能、骨形态及骨代谢的损伤呈一定程度的复合相加作用。同时,镉暴露对肾脏的损伤及其与电离辐射的联合作用可进一步加剧骨代谢及其骨矿盐的损伤效应,可能是镉联合丫射线暴露致骨损伤协同效应的重要机制,而联合暴露时镉在骨骼蓄积量的增加,也可进一步加剧其对骨组织的损伤效应。细胞体外研究结果表明,低剂量镉作用后成骨细胞的增殖能力、ALP活性及凋亡率并无明显变化,而联合γ射线照射后,低剂量镉即能明显降低成骨细胞的增殖能力和ALP活性,并增加细胞凋亡率；中剂量和高剂量镉联合γ射线作用于成骨细胞后,对成骨细胞增殖能力、ALP活性及矿化能力下降的协同作用更加明显。同时,镉和电离辐射联合暴露组成骨细胞OC和ALP基因表达较对照组、单纯照射组及单纯染镉组明显下调；成骨细胞染镉后caspase3基因表达明显上调,而照射联合染镉暴露后成骨细胞caspase3基因表达上调作用更加明显。因此,电离辐射与重金属离子镉联合暴露后可加剧镉对成骨细胞的损伤效应。此外,镉作用可致RAW264.7细胞经RANKL诱导的TRACP(+)破骨细胞数量明显增加,而电离辐射联合镉作用后TRACP(+)破骨细胞数量增加明显多于单独染镉组。综上所述,镉和γ射线可对骨骼产生一定的损伤作用,表现为骨量和骨生物力学性能下降,骨形态改变,并可致骨形成功能抑制、骨吸收功能亢进,而镉联合γ射线对镉在靶器官(骨骼)蓄积量、肾结构和功能损伤,以及骨损伤效应均表现为协同损伤效应。进一步的体外研究结果证明,镉和γ射线均可对骨细胞产生直接作用,表现为成骨细胞凋亡增加、体外成骨能力下降以及破骨细胞功能的过度活跃,并同样表现为协同损伤效应,可能是镉联合电离辐射致骨损伤协同效应的重要机制之一。
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：R818
【图文】：

大鼠,统计学意义,浓度,线性关系

大鼠的血镉浓度随着染镉剂量的增加而明显升高，呈线性关系，而染镉+照射联合暴露组大鼠的血镉浓度与单纯染镉组大鼠比较并无明显差异（图1-1)。30001■ Cd2500- ? Cd+2.0Gy2000- ,1500-■0m 1000-500-■入0-— . , , r0.0 0.5 1.0 1.5Cd concentration (mg/kg bw)图1-1镉联合Y射线与血镉的关系Figure 1-1 BCd of rats after Cd combined with y-irradiation exposure3.2.2尿镉随着染镉剂量的增加，大鼠的尿镉含量明显升高，差异有统计学意义（P<0.05)：尤其是高剂量染镉和高剂量染镉+照射联合暴露大鼠的尿镉含量急剧升高，可能是由于高剂量染镉时大鼠的肾功能损伤可致尿镉排泄加剧（图1-2)。但染镉+照射联合暴露组与单纯染镉组比较，尿镉含量无明显差异。2500]2000 - ■ Cd1500- ? Cd+2.0Gy j1000- y"a? ^ J500- Z1 ZI 10: /〕5-0.0 0.5 1.0 1.5Cd concentration (mg/kg bw)16

镉含量,肾脏,大鼠,骨组织

随染镉剂量增加而上升。同样的，染镉+照射联合暴露组大鼠的肾脏镉含量与单纯染镉大鼠比较无差异（图1-3)。300「 -■-Cd? Cd+2 .OGy^ 15 200 - 二0 ‘ ‘ ‘0.0 0.5 1.0 1.5Cd concentration {ing/kg bw)\图1-3镉联合Y射线与肾脏镉含量的关系Figure 1-3 Cd in kidney of rats after Cd combined with y-irradiation exposure3.2.4骨组织镉含量对大鼠骨组织中镉含量进行了测定（图1-4)。结果表明：各实验组大鼠骨组织镉含量均明显高于对照组，并随染镉剂量增加而上升。低、中剂量染镉+照射联合暴露大鼠的骨组织镉含量与单纯染镉组比较无明显差异，但高剂量染镉+照射联合暴露大鼠的骨组织镉含量明显高于单纯染镉大鼠（P=0.003)，提示电离福射暴露可能改变镉在骨组织中的分布和蓄积。17

镉含量,骨组织,大鼠

3.2.4骨组织镉含量对大鼠骨组织中镉含量进行了测定（图1-4)。结果表明：各实验组大鼠骨组织镉含量均明显高于对照组，并随染镉剂量增加而上升。低、中剂量染镉+照射联合暴露大鼠的骨组织镉含量与单纯染镉组比较无明显差异，但高剂量染镉+照射联合暴露大鼠的骨组织镉含量明显高于单纯染镉大鼠（P=0.003)，提示电离福射暴露可能改变镉在骨组织中的分布和蓄积。17

【参考文献】