钆对精子发生（精子生成过程）的毒性作用与炎症、氧化应激、细胞凋亡和自噬有关

《Toxicology》：Toxic effects of gadolinium on spermatogenesis are associated with inflammation, oxidative stress, apoptosis and autophagy

镝（Gd）在工业和医疗中的广泛应用引发了对其生殖毒性的担忧。本研究通过口服给予GdCl?和Gd?O?，发现两种镝形式均显著诱导大鼠睾丸炎症反应（NF-κB、TNFα、IL-6升高），并伴随氧化应激（TBARS水平上升）和自噬/凋亡途径激活。组织学分析显示精子发生相关蛋白（PCNA、p-H3、SYCP3、PRM2）表达下调，精子质量（形态、DNA完整性）受损，且通过体外GC-1细胞实验证实镝通过抑制ERK/AKT通路诱导细胞凋亡和自噬。该研究首次系统揭示了口服镝对精子生成的多机制毒性，提示镝作为环境污染物可能威胁男性生殖健康。

　　### 稀土元素钆的环境影响及其对男性生殖健康的潜在威胁

在现代工业和医疗领域，钆（Gd）作为一种重要的稀土元素，因其独特的磁性特性而被广泛应用于磁共振成像（MRI）中的造影剂（钆基造影剂，GBCAs）。随着其使用频率的增加，人们对钆在环境中的持久性和对生物体的潜在影响开始关注。特别是，钆可能通过饮水和食物链进入人体，对生殖系统造成影响。然而，目前关于钆对男性生殖健康的具体影响仍缺乏深入研究。这一研究通过实验方法，探讨了口服钆氯化物（GdCl?）和氧化钆（Gd?O?）对成年雄性大鼠精子生成和精子质量的影响，揭示了其可能的分子机制。

### 实验设计与方法

本研究使用了35只8周龄、体重在265-325克之间的成年雄性Wistar大鼠。这些大鼠被随机分为7个实验组，每组5只，分别给予不同剂量的GdCl?或Gd?O?溶液（10-20-40 mg/kg b.w.），持续4周。对照组仅接受超纯水。实验过程中，所有大鼠在标准温度（24±2°C）和光照条件下（12小时光照和12小时黑暗周期）饲养，并定期称重以监测其体重变化。所有实验均遵循动物实验伦理规范，并通过大学和意大利卫生部的批准。

为了评估钆对睾丸的影响，研究人员对大鼠的血液和睾丸组织进行了分析。通过酶联免疫吸附测定（ELISA）检测了血清中肿瘤坏死因子α（TNFα）和白细胞介素6（IL-6）的水平。同时，通过Aniline Blue（AB）染色、Acridine Orange（AO）染色和TUNEL染色方法评估了精子的形态学、染色质异常和DNA完整性。在组织学分析方面，使用苏木精-伊红（H&E）染色对睾丸切片进行了观察，并利用ImageJ软件测量了睾丸的形态参数，包括精原细胞管的直径、生精上皮厚度以及空管比例。

此外，研究人员还通过免疫荧光（IF）技术分析了LC3B蛋白的表达，LC3B是自噬过程中的关键标记物。在细胞实验中，使用了来自B型精原细胞的GC-1细胞系，评估了不同浓度的GdCl?和Gd?O?对细胞存活率、增殖能力、自噬和凋亡的影响。通过CCK-8试剂盒测定细胞活性，并使用Western blot分析了p-ERK1/2、PCNA、BAX和CYT C等蛋白的表达水平，以进一步揭示自噬和凋亡的分子机制。

### 实验结果

#### 1. 钆诱导睾丸炎症反应

在实验过程中，研究人员观察到GdCl?和Gd?O?处理组大鼠的睾丸中，p-NF-κB、TNFα和IL-6的表达水平显著增加。NF-κB是一种关键的转录因子，调控炎症反应。其磷酸化后会进入细胞核，启动炎症相关基因的转录，如TNFα和IL-6。结果显示，随着剂量的增加，这些炎症因子的水平呈现剂量依赖性上升，表明钆的摄入可能引发睾丸的炎症反应。

#### 2. 钆诱导氧化应激

实验还发现，GdCl?和Gd?O?处理组的睾丸组织中，TBARS（丙二醛）水平显著升高。TBARS是脂质过氧化的标志物，其浓度的增加表明细胞内氧化应激的增强。氧化应激不仅影响细胞的正常功能，还可能通过干扰细胞内的信号通路，如AKT通路，引发自噬和凋亡反应。

#### 3. 钆对睾丸组织结构的影响

通过组织学分析，研究人员发现Gd处理组的大鼠睾丸组织结构发生了显著变化。对照组的大鼠睾丸显示出正常的生精上皮结构，而Gd处理组的睾丸则出现了生精小管组织紊乱、空管比例增加以及精子成熟度下降的现象。这些结果表明，钆的摄入可能对睾丸的正常功能产生干扰。

#### 4. 钆对精子质量的影响

在精子质量评估方面，AB染色和AO染色结果显示，Gd处理组的精子头部出现了更多的染色质异常和DNA损伤。TUNEL染色进一步证实了Gd处理组中精子的凋亡率显著增加，表明钆可能对精子的存活和功能产生负面影响。

#### 5. 钆对精原细胞增殖的影响

通过检测PCNA（增殖细胞核抗原）和p-H3（磷酸化组蛋白）等增殖相关蛋白的表达水平，研究人员发现Gd处理组的精原细胞增殖能力显著下降。PCNA是细胞周期S期的标志物，而p-H3是细胞分裂过程中的关键蛋白。这些结果表明，钆可能通过干扰细胞周期调控，影响精原细胞的正常增殖。

#### 6. 钆对自噬和凋亡的影响

在细胞实验中，研究人员发现Gd处理组的GC-1细胞中，自噬相关蛋白如LC3B和TFEB的表达水平显著增加，而自噬抑制蛋白p62的水平则下降。这些结果表明，钆可能通过诱导自噬和凋亡，进一步影响精子的生成和质量。此外，AKT通路的抑制可能加剧这些效应，导致细胞凋亡和自噬的激活。

### 讨论

#### 环境中的钆暴露与健康风险

钆在环境中广泛存在，特别是在水体中，其自然背景浓度约为1-4 ng/L，而由于人类活动的影响，某些地区的水体中甚至检测到高达181 ng/L的钆浓度。此外，钆可能通过食物链进入人体，影响生殖系统。因此，研究其对生殖健康的影响具有重要意义。

#### 睾丸炎症与氧化应激的机制

睾丸炎症和氧化应激是钆影响生殖健康的重要机制。NF-κB的激活可能导致炎症因子的释放，进而引发细胞损伤。同时，氧化应激可能通过干扰细胞内的信号通路，如AKT通路，导致自噬和凋亡的激活。这些过程可能对精子的生成和质量产生负面影响。

#### 钆对精子生成和质量的影响

通过检测PCNA、p-H3、SYCP3和PRM2等与精子生成相关的蛋白，研究人员发现这些蛋白的表达水平在Gd处理组中显著下降。PCNA和p-H3的减少可能表明精原细胞的增殖受到抑制，而SYCP3和PRM2的减少则可能影响精子的成熟和染色质结构。这些结果进一步支持了钆对精子生成的负面影响。

#### 自噬和凋亡的分子机制

自噬和凋亡是细胞应对各种应激反应的重要机制。在本研究中，研究人员发现Gd处理组的自噬相关蛋白如LC3B和TFEB的表达水平显著增加，而p62的水平则下降。这些变化可能与自噬的激活有关，进而影响精子的生成和质量。同时，AKT通路的抑制可能加剧这些效应，导致细胞凋亡的增加。

#### 钆对睾丸组织的影响

睾丸组织的结构和功能受到钆的影响。生精小管的直径和生精上皮的厚度在Gd处理组中显著减少，而空管的比例增加。这些变化可能与细胞凋亡和自噬的增加有关，进一步影响精子的生成和成熟过程。

### 结论

本研究首次证实了口服钆氯化物和氧化钆对雄性大鼠睾丸组织的负面影响，包括炎症反应、氧化应激、自噬和凋亡的激活，以及与精子生成相关的蛋白表达的下降。这些结果表明，钆可能是一种潜在的环境污染物，对男性生殖健康构成威胁。通过体外实验，研究人员进一步揭示了其对精原细胞增殖和功能的影响，以及其通过抑制AKT通路引发自噬和凋亡的分子机制。因此，有必要进一步研究钆在环境中的分布和其对人类生殖健康的潜在影响，以制定相应的防护措施。