有毒金屬對妊娠結局的影響研究及氧化應激作用機制綜述

歐婕，劉欣燕

(中國醫學科學院 北京協和醫學院 北京協和醫院婦產科，北京 100730)

有毒金屬，如鉛(Pb)、砷(As，因其具有金屬特性，故納入有毒金屬中進行研究)、鎘(Cd)、汞(Hg)等，廣泛存在于我們周圍環境中，我們通過接觸被污染的空氣、水、土壤和食物而暴露。本文總結分析了4種有毒金屬暴露途徑、對妊娠結局的影響及可能機制。

一、有毒金屬及其暴露途徑

1.鉛：是目前人類應用最普遍的金屬之一，被廣泛用于各種領域。如今鉛的應用超過50%是在蓄電池的生產方面，其他用途主要包括焊料、電氣和電話線包裹和涂料[1]。對于普通百姓來說，主要通過受污染的食物和飲用水造成鉛暴露，比如公共供水系統、家庭中鉛焊接接頭或者含鉛管道中的鉛滲透進入飲用水；其次，通過不合格的釉面陶器或陶瓷碟碗中的鉛滲到食物中；另外，某些類型的染發劑和化妝品中的鉛化物通過皮膚、頭發進入人體造成鉛暴露。對于某些特殊的職業如：鉛冶煉、鉛礦、煉油、蓄電池制造、鋼焊接或切割作業、建筑、靶場、散熱器修理等可能發生高水平的職業鉛暴露。

2.鎘：雖然在自然界中以低濃度存在，但是人類活動增加了環境中鎘的負荷，包括化石燃料的燃燒、垃圾填埋場、采礦殘留物等會產生鎘，防止鋼腐蝕的電鍍、生產鎳鎘電池、穩定劑和合金也作為副產品產生鎘。作為一種全球關注的污染物，鎘已經被美國國家環境規劃署(United Nations Environment Program，UNEP)國際潛在有毒化學品登記中心登記在案，并列入在全球范圍內有潛在危險的化學物質名單。食用受鎘污染的食物是人類和動物鎘暴露的最主要的非職業途徑。土壤中的鎘被植物吸收，植物的鎘含量往往高于動物食品，被鎘污染的植物進入動物體內，鎘元素累積在肝臟和腎臟中，而受污染水體中的貝類也會積累大量鎘。食物中鎘含量最高的通常是多葉蔬菜(如生菜和菠菜)，其他含鎘較多的食物為土豆、谷物、花生以及動物肝、腎組織等。香煙煙霧也是人類吸入鎘的主要非職業來源之一，對于每天吸1包煙的人而言，鎘的吸入量估計為1～3 μg/d[2]。職業性接觸鎘主要發生在加熱含鎘產品的作業中，暴露可能性最高的職業包括合金生產、電池生產、顏料生產和使用、塑料生產、鎘冶煉和鎘精煉。

3.砷：因其具有金屬特性和有毒性特點納入有毒金屬中進行研究。一般人群可能暴露于空氣、飲用水和食物中的砷。其中，經口是人類攝入砷的主要途徑，飲用水及含砷水源污染的動植物食物均是一般人群中砷暴露的主要來源。其他暴露途徑也是無處不在，美國一些地區的巖石中含有異常高的天然砷，這可能導致土壤或水域中砷含量異常高。2003年以前，砷被用于生產木材防腐劑，主要是砷酸銅(copper chromated arsenate，CCA)；2003年開始某些品牌木制品才逐步停止使用含砷木材防腐劑。用含砷防腐劑處理的鋸木或磨木會產生受砷污染的鋸末。同樣，燃燒經過砷處理的木材會導致煙霧中的砷含量升高。各種有機砷被用作除草劑和動物和家禽飼料的抗菌添加劑。可能接觸砷的一些職業包括銅或鉛冶煉和木材處理工作，參與生產或使用含有有機砷的殺蟲劑的工人也可能暴露于較高的水平。

4.汞：是一種天然存在的金屬，主要包括金屬汞、無機汞和有機汞化合物3種形態。金屬汞常溫常壓下是一種銀白色無味液體。汞與其他元素結合，如氯、硫或氧，形成無機汞化合物或“鹽”，通常是白色粉末或晶體。汞還可與碳結合形成有機汞化合物，最常見的有機汞是甲基汞，主要通過水和土壤中的微生物產生。金屬汞用于生產氯氣和燒堿，也用于溫度計、一些牙科填充物和電池。汞鹽有時用于皮膚美白霜、防腐霜和藥膏。日常生活中，由于魚類等海產品有能力在其組織中積聚汞，因此減少自然或人為對淡水和咸水造成的汞污染是令人關注的問題。這種生物積累是由于一些海洋生物能夠在細胞內形成不溶性汞硒絡合物，導致組織中汞含量相對較高，最終進入食物鏈。食用被甲基汞污染的魚類或貝類是有機汞常見的暴露形式。早在2001年，美國食品藥品監督處(Federal Drug Administration，FDA)就對孕產婦食用魚類食品進行了限制，禁止孕產婦食用鯊魚、劍魚、大西洋馬鮫、方頭魚等魚類食品[3]，選擇含汞量較低的魚類，比如三文魚、蝦、鱈魚、金槍魚(輕罐裝)、羅非魚、鯰魚，而且每周使用量建議在8～12盎司，并呼吁不要一味地追求魚類的其他益處而忽略了汞暴露問題[4]。無機汞用于制造電子儀器、溫度計和電池，并作為殺菌劑。汞還用于制藥和牙科工業，曾作為利尿劑在臨床上應用，從事特定工作人群主要的汞暴露來自吸入焚化爐和燃燒含汞燃料產生的含汞蒸汽，從事牙科工作和其他醫療工作的醫務人員通過吸入或者皮膚接觸金屬汞。

二、有毒金屬對妊娠結局的影響

1.鉛暴露對妊娠結局的影響：Chen等[5]通過動物模型建立和觀察，發現斑馬魚胚胎暴露于低劑量鉛，可導致胚胎毒性、行為改變和成年學習/記憶障礙。暴露于>2 000 mg/kg(干重)的鉛水平中，蚯蚓死亡率升高，體重顯著下降，繁殖受到抑制[6]。Gargouri等[7]于體外將HEK293腎細胞暴露于鉛環境中，導致細胞活力下降、細胞畸變、內聚丟失、產生超氧陰離子和脂質過氧化，對于鉛的胚胎毒性機制有了初步探索。

通過全血鉛水平(BLL)來評估近期鉛暴露情況，比測量頭發或者尿液中鉛水平更穩定，比測量血清鉛水平更能反應真實暴露情況，這些觀點已經逐漸被大家認可。Borja等[8]通過對1994年至1996年期間墨西哥孕婦的一項巢式病例對照研究發現，流產組平均BLL為12.03 μg/dl，對照組平均BLL為10.09 μg/dl(P=0.02)，并且孕婦BLL在(5～9)μg/dl、(10～14)μg/dl和≥15 μg/dl的不同區間，流產的OR值分別是2.3、5.4和12.2，BLL每升高5 μg/dl，自然流產的OR值為1.8，95%CI(1.1，3.1)，提示低-中水平的鉛暴露可能使自然流產的風險增加。而Vigeh等[9]通過對351例鉛低水平暴露的孕婦[平均BLL(3.83±1.99)μg/dl]進行前瞻隊列研究發現孕婦低血鉛水平(BLL<5 μg/dl)可能不是自然流產的危險因素。

Taylor等[10]則對英國布里斯托爾埃文地區4 285名孕婦進行前瞻隊列研究，結果提示BLL≥5 μg/dl增加早產風險[OR=2.0，95%CI(1.35， 3.00)]，還可能增加低出生體重風險。血鉛水平對于新生兒神經系統影響的研究得到了比較一致的結論，通過前瞻性隊列研究，對母體早孕期BLL測量和新生兒隨訪過程中進行新生兒行為神經系統評分(neonatal behavior neurological assessment，NBNA)，發現BLL≥5 μg/dl可能對神經系統造成不良影響，飲用牛奶、補鈣、補鋅、補鐵則可能是神經系統發育的保護因素[11-12]。

以上的臨床研究表明鉛暴露對妊娠結局的影響包括造成流產[8-9，11]、早產[10-12]、低出生體重[12-14]、胎兒神經系統異常[15-16]、胎兒神經系統畸形[17-18]等(表1)。2017年WHO提出妊娠期鉛水平升高會導致流產、胎死宮內、早產、低出生體重、出生缺陷等不良妊娠結局[19]，因此美國CDC目前推薦的育齡期婦女安全血鉛水平為BLL≤5 μg/dl。

表1 不同水平鉛暴露對妊娠結局的影響

2.鎘暴露對妊娠結局的影響：在實驗動物中，鎘對很多物種有致畸作用和胚胎毒性。Hen等[21]注意到斑馬魚妊娠期暴露于Cd的胚胎存在結構缺陷。斑馬魚在懷孕期間接觸鎘導致胎兒體重下降和胎兒死亡率增加[22]。在體外胚胎組織中，鎘可能破壞正常的細胞內信號通路或干擾鋅的代謝。多項觀察性臨床研究表明孕婦鎘水平升高時，流產[23-26]、低出生體重兒[13，27-28]風險明顯增高。

3.砷暴露對妊娠結局的影響：通過給雌性大鼠每天含4 μg/ml砷的飲用水，建立動物模型，發現砷降低了促性腺激素和雌二醇的水平，導致大鼠子宮內膜細胞、間質細胞和肌細胞變性，并下調了雌激素信號通路的下游成分。通過下調雌激素受體和雌激素反應基因，抑制女性生殖功能[29]。

對于砷暴露的影響的研究主要分為兩個方面：對于砷高分布地區的流行病學研究和其他地區的臨床觀察性研究。比如在智利、孟加拉國、印度和內蒙古等無機砷高分布地區的孕婦進行的流行病學研究結果顯示飲用水無機砷暴露>10 μg/L會增加妊娠相關風險[30-33]。一項包括16項研究的Meta分析結果提示當地下水含有較高水平砷時(≥50 μg/L)，自然流產的風險增加[包含6項研究：OR=1.98；95%CI(1.27，3.10)]，胎死宮內風險增加[包含9研究：OR=1.77；95%CI(1.32，2.36)][34]；同樣在孟加拉國砷高分布地區的隊列研究中[30]，尿砷水平>555 μg/g肌酐，自然流產和胎死宮內的風險均明顯增加。臨床觀察性研究中，Jie等[35]將北京協和醫院建檔的孕婦進行病例對照研究，發現尿砷水平升高增加流產風險；Shih等[36]和Mullin等[37]的隊列研究中也得到相似的結論。當然也有一些研究得到了陰性的結論：Rahman等[38]進行的前瞻隊列研究中，納入2 924名孕婦，分析發現與尿砷濃度位于五分位第一個區間相比較，尿砷濃度位于第五個區間時，自然流產風險的OR=1.4[95%CI(0.96，2.2)]，認為在這個地區受試者的尿砷濃度增加并未增加流產風險，研究也指出結論只能代表研究所在地區的砷暴露情況下，未增加流產風險，并未進行流行病學相關調查。砷暴露對于胎兒結構的影響同樣有研究，2018年一項納入435名生育唇腭裂患兒的孕婦的病例對照研究發現，職業性砷暴露可能增加腭裂的風險[39]。

4.汞暴露對妊娠結局的影響：近年來，關于女性汞職業暴露影響妊娠結局的研究不斷出現。一項研究納入64名牙科工作人員孕婦(暴露組)和60名非牙科工作人員孕婦(未暴露組)，測定尿汞水平和血液抗氧化活性并對研究對象進行了妊娠結局評估，與未暴露組相比，暴露組在妊娠早期三個月期間尿汞平均水平較高，血液抗氧化活性較低(P<0.001)，暴露組的自然流產率、先兆子癇發生率較高(P<0.05)；在分娩周數方面，暴露組所生嬰兒與未暴露組相比體重較輕(P<0.001)。Rahime等[40]對28名有含汞合金牙齒填充物的孕婦(暴露組)和32名正常孕婦(非暴露組)進行前瞻性研究，發現暴露組中臍血和胎盤中汞濃度顯著高于非暴露組，認為此類牙齒填充物確實增加了胚胎及胎兒的汞暴露風險，但是對妊娠結局是否造成影響，對于新生兒神經系統是否有影響仍需要進一步隨診。同年一項更大樣本量的隊列研究，包含64 747名孕婦，其中78%孕婦含有至少一個填充物，結果同樣發現填充物雖然造成無機汞暴露但是對妊娠未造成不良影響[41]。日本研究團隊對于1950年至1974年水俁地區甲基汞暴露的孕婦和同時期熊本縣孕婦進行妊娠結局對比分析，發現甲基汞的暴露可能增加流產和胎死宮內的風險[42]，但是由于相關數據的缺失，不能準確提供血汞水平和環境甲基汞水平相關數值。

三、有毒金屬對機體氧化應激作用的機制

鎘主要通過影響細胞內硫醇氧化還原平衡而導致氧化應激。大部分人認為鎘本身不產生自由基，但可以通過占據細胞質和膜蛋白中與鐵和銅結合的位點，導致游離銅、鐵增加，進一步通過芬頓反應，即催化H2O2氧化作用，間接產生ROS，參與氧化應激，最終導致細胞中的蛋白質、脂質和DNA氧化，導致DNA損傷[47-49]。Waisberg等[50]則發現鎘可以促進細胞內生成一氧化氮、超氧化物和HO-。還有研究認為鎘對細胞的損傷還通過干擾細胞膜的轉運上皮細胞最終影響細胞功能和穩態[51]。

砷具有較強的氧化性，最主要的形式是三價砷，主要通過產生氧化產物，抑制抗氧化酶，造成氧化應激的平衡失調狀態[52]。還可通過與巰基結合抑制各種細胞酶，包括丙酮酸脫氫酶，導致丙酮酸向乙酰輔酶的轉化減少；通過抑制葡萄糖進入細胞，抑制脂肪酸氧化和糖異生，進一步抑制乙酰輔酶a生成；砷還可以抑制最強的抗氧化劑——谷胱甘肽的合成。砷的存在產生活性氧和氮，這是砷一個重要的毒性作用模式[53-54]。

汞的毒性機制，是通過親離子性使其具有與親核試劑(一些帶有未共享電子對的分子或負離子，即一種電子對供體)相互作用的能力。汞通常與巰基(-SH)或硒水基(-SeH)反應，形成穩定的復合物，造成巰基蛋白的缺失，導致ROS的生成[55]。同時汞可通過造成線粒體損傷，促進自由基的產生，還可以耗竭谷胱甘肽，減少抗氧化作用。由于生物分子中抗氧化劑的消耗和活性氧的增加，引發氧化應激，導致酶、核酸和脂質的損傷，最終導致細胞死亡[43]。還有一部分研究認為汞能直接與親核基團(如蛋白質)結合，使蛋白轉運等功能被破壞[56-57]。

四、小結

在工業化不斷發展的今天，環境對于妊娠的影響越來越受到廣泛關注，有毒金屬無處不在，其對于妊娠結局的影響更是不容忽視，雖然目前有了很多的研究支持有毒金屬通過氧化應激等機制影響妊娠結局，仍然需要更多更好的證據支持，對于推進通過抗氧化來促進婦女生殖健康、優生優育有重要意義。