镉暴露对雄性小鼠垂体促性腺激素细胞钙信号与分泌的时间依赖性影响及其生殖毒性机制

本研究探讨了环境污染物镉（Cd）通过干扰垂体促性腺激素细胞的钙（Ca2+）信号通路导致生殖内分泌紊乱的时程机制。研究人员通过单次腹腔注射镉（1.0 mg/kg）建立小鼠模型，发现镉在垂体中长期蓄积，诱发促性腺激素细胞增生，并随时间推移（21/35/56天）呈现动态的Ca2+信号模式转变：从初期应答抑制（GnRH响应性降低、振荡模式消失）转为后期异常激活（双相响应、持久性振荡）。研究证实镉通过破坏膜振荡器（L型Ca2+通道）和胞内信号（PLCβ持续活化）的双重机制，导致促性腺激素（LH/FSH）分泌亢进与睾丸功能障碍。该研究为重金属内分泌干扰机制提供了关键病理生理学证据，对环境污染相关的生殖健康风险预警具有重要意义。

　　

镉（Cadmium, Cd）作为一种广泛存在于环境中的重金属污染物，源于工业排放、采矿活动、磷肥使用和烟草烟雾等多重来源。其生物半衰期长达数十年，能够在生物体内持续累积，尤其对内分泌系统构成严重威胁。镉的生殖毒性已被大量研究证实：它通过模拟钙（Ca²⁺）和锌等必需金属，干扰激素信号传导，导致促性腺激素调节紊乱和睾丸功能损伤。然而，镉如何具体影响垂体促性腺激素细胞（gonadotrophs）的Ca²⁺信号机制——这一调控黄体生成素（Luteinizing Hormone, LH）和卵泡刺激素（Follicle-Stimulating Hormone, FSH）分泌的核心环节——至今尚未明确。更复杂的是，既往研究中关于镉对促性腺激素水平的影响存在矛盾结论：有些报告指出其抑制LH分泌，另一些则显示无变化甚至升高，这种分歧可能与暴露时间、剂量及模型差异密切相关。因此，揭示镉对促性腺激素细胞功能的时程依赖性效应，对于理解其生殖毒性的完整机制具有关键科学意义。

针对这一挑战，墨西哥国立自治大学的研究团队在《Journal of Endocrinology》上发表了一项深入研究。他们通过建立雄性小鼠镉暴露模型（单次腹腔注射1.0 mg/kg氯化镉），系统评估了镉在垂体中的蓄积动力学、促性腺激素细胞对促性腺激素释放激素（Gonadotropin-Releasing Hormone, GnRH）的应答特性、Ca²⁺动员模式转变以及下游生殖功能指标的变化。研究发现，镉暴露不仅导致垂体中长期蓄积（56天后仍维持高浓度），还引发促性腺激素细胞增生和GnRH受体（Gnrhr）表达上调。尤为重要的是，Ca²⁺信号模式呈现显著时间依赖性演变：早期（21天）表现为GnRH响应性降低、振荡模式消失和同步性丧失；而后期（35-56天）则转为异常激活状态，包括双相Ca²⁺响应、持久性振荡和自发性活动增强。机制上，这种信号紊乱源于镉对膜振荡器（L型电压门控钙通道）和胞内振荡器（磷脂酶Cβ, PLCβ）的双重破坏——后者体现为持续磷酸化激活。最终，这些变化导致促性腺激素分泌亢进（LH和FSH水平升高），但与睾丸萎缩、凋亡增加、精子计数减少和睾酮水平下降等生殖功能障碍并存，提示垂体-性腺轴反馈调节的彻底失衡。

本研究综合运用了多种关键技术方法：通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）定量垂体、睾丸和血清中的镉蓄积水平；采用免疫荧光染色和图像分析评估促性腺激素细胞密度、大小及PLCβ磷酸化状态；利用实时定量PCR（RT-qPCR）检测垂体组织中Gnrhr、Lhb、Fshb和Cga等基因表达；通过离体垂体灌流系统和钙成像技术（Fluo-4 AM标记）记录GnRH刺激下的Ca²⁺动员动力学（包括振荡模式、最大荧光强度MIF和曲线下面积AUC）；结合组织学（H&E染色）、凋亡标志物（活化的caspase-3）检测和精子计数分析睾丸形态与功能；并采用多重免疫磁珠 assay（Milliplex）定量血清中LH、FSH、睾酮和雌二醇水平。

Cadmium bioaccumulation in the reproductive axis

通过质谱分析发现，镉在垂体中的蓄积浓度显著高于睾丸、大脑皮质和下丘脑，且清除速率缓慢——至56天时仍维持高浓度，而其他组织已显著下降。这提示垂体是镉蓄积的关键靶器官，其持久滞留可能介导长期内分泌干扰。

Reproductive consequences of cadmium

睾丸组织学显示镉暴露导致生精小管结构破坏、细胞凋亡增加和出血性损伤。同时，睾丸重量、精子计数和睾酮水平均显著下降，但雌二醇无变化，证实镉直接损害睾丸功能且独立于雌激素通路。

Modifications in number and size of LH- and FSH-containing gonadotrophs

免疫荧光结果显示，镉暴露后促性腺激素细胞密度显著增加（尤其在第21天），其中LH阳性细胞数量约为FSH细胞的2倍。细胞大小在早期（Cd21）减小，后期部分恢复，表明镉诱发细胞增生与肥大。

Changes in gonadotropin secretion and gene expression

血清激素检测发现，LH和FSH水平在后期（Cd35和Cd56）显著升高，与细胞增生趋势一致。基因表达分析显示Lhb和Fshb呈现动态波动：Lhb在Cd35时上调4倍，而Fshb在Cd21和Cd56升高但在Cd35下降，提示转录与分泌调控存在复杂时程差异。

Intracellular calcium response to GnRH in gonadotrophs

钙成像表明，GnRH响应性细胞比例在Cd21时降低（7.44% vs 对照27%），但在后期恢复甚至超过对照。Ca²⁺动员模式从正常的振荡型主导转变为双相型主导（Cd21时达99.7%），且自发性Ca²⁺活动随时间增强。

Perturbation of the gonadotroph population

交叉相关分析显示，镉暴露破坏细胞群体应答的同步性（Cd21时相关性降低）。最大荧光强度（MIF）和曲线下面积（AUC）在早期抑制，后期部分恢复。值得注意的是，部分细胞在后期出现持久性Ca²⁺振荡（最高达140次峰），且在高钾刺激下仍持续活动。

The extracellular origin of long-lasting oscillations of Ca²⁺ mobilization

通过无钙灌流和L型通道阻滞剂（尼非地平）实验证实，持久性振荡依赖细胞外Ca²⁺内流，但尼非地平仅部分抑制，提示其他电压门控通道或胞内机制参与。

Changes of intracellular signaling in gonadotrophs

免疫荧光显示，镉暴露后促性腺激素细胞中磷酸化PLCβ水平显著升高，表明GnRHR下游信号持续激活，这可能驱动Ca²⁺释放和基因表达紊乱。

本研究揭示，镉对垂体促性腺激素细胞的功能干扰具有显著时间依赖性：早期以信号抑制为主（GnRH应答性降低、Ca²⁺振荡消失），后期则转为异常激活（持久性振荡、分泌亢进）。这种转变源于镉在垂体中的长期蓄积及其对Ca²⁺信号通路的多重破坏：一方面通过干扰膜振荡器（电压门控钙通道）影响Ca²⁺内流；另一方面通过持续激活PLCβ-PKC-IP₃通路扰乱胞内Ca²⁺稳态。尽管促性腺激素分泌增加，但睾丸功能并未恢复，表明垂体-性腺轴反馈调节已失效，镉的直接睾丸毒性亦不可忽视。这些发现不仅澄清了既往研究中关于镉效应矛盾结论的时程原因，更深化了对重金属内分泌干扰机制的理解——镉通过颠覆Ca²⁺信号的核心调控逻辑，导致生殖系统不可逆损伤。该研究为环境污染相关的生殖健康风险评估提供了关键实验依据，并对开发靶向干预策略（如钙信号调节剂）具有重要启示价值。