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编号:10287653
4种金属化合物对小鼠生殖细胞DNA损伤的研究
http://www.100md.com 《毒理学杂志》 2000年第4期
     作者:张遵真 衡正昌 廖艳 赵蓉

    单位:张遵真 衡正昌(华西医科大学环境卫生教研室,成都 610041);廖艳 赵蓉(2.95级预防医学学生)

    关键词:

    卫生毒理学杂志000414 随着工业化的发展和矿资源的开发利用,重金属对环境的污染越来越严重。其中镉、铬、铅、汞是常见的环境和工业毒物,有关其遗传毒性的报道较多。研究已证明[1,2]:镉和铬是确定的人类致癌物,汞对真核细胞具有致裂作用,铅可诱发实验动物肾脏肿瘤,属人类可疑致癌物,但有关其是否能够直接诱导生殖细胞的DNA损伤未见报道。彗星试验(Comet assay)是近年来发展起来的检测单个哺乳动物细胞DNA链断裂的新技术,具有敏感、简便、所需样品少等优点,已广泛应用于毒理学[3]。我们采用彗星试验检测了4种金属化合物对雄性小鼠生殖细胞的DNA损伤,为全面评价重金属的遗传毒性和雄性生殖毒性提供科学依据。
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    1 材料与方法

    1.1 受试物 硫酸镉(CdSO4)、重铬酸钾(K2Cr2O7)、硝酸铅(Pb(NO3)2)、氯化汞(HgCl2)均为成都化学试剂厂生产的分析纯试剂(纯度>98%),临用前以灭菌双蒸水配置。

    1.2 实验动物 昆明种雄性小鼠,体重25 g左右,由华西医科大学实验动物中心提供。常规喂养,观察1周后,健康者供实验用。

    1.3 小鼠精原细胞的制备:颈椎锐臼处死小鼠,取出两侧睾丸,放于35 mm玻璃平皿内,用预温的37 ℃Hanks液冲洗2次,小心除去被膜和血管,然后转移至小烧杯内,加少许Hanks液,用眼科剪尽量剪碎曲细精管,以一定量Hanks液稀释后,通过110目不锈钢筛网过滤,收集细胞悬液,离心后用Hanks液将细胞浓度调整为106~107个/ml,4 ℃贮存备用,并以苔盼蓝染色观察细胞存活率。
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    1.4 细胞处理 将上述制得的小鼠精原细胞按每管105~106个细胞分装于5 ml刻度离心管,再用无血清的Dubico改良的基础培养基配制的培养液将体积加至3 ml,然后于每管中分别加入不同浓度的受试物30 μl,同时以30 μl双蒸水作阴性对照,30 μl过氧化氢(H2O2)作阳性对照,混匀后置37 ℃恒温水浴震荡(震荡频率为100次/min)箱孵育1.5 h(H2O2只孵育30 min)。染毒完毕,离心去上清液,以100 μl Hanks液重悬细胞,用于彗星试验,并以苔盼蓝排斥法观察染毒后的细胞存活率,以反映受试物对细胞的细胞毒性。

    1.5 彗星试验[4]

    1.5.1 制片 将110 μl质量浓度为0.8%的正常熔点琼脂糖浇注在毛玻片上作为第1层;凝固后,加入75 μl含有103~104个细胞的低熔点琼脂糖(质量浓度为0.8%)作为第2层,并加盖玻片置4 ℃固化10 min。
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    1.5.2 裂解 待第2层胶凝固后取下盖玻片,将载玻片放入新配制的细胞裂解液(pH=10)中,置4 ℃冰箱避光裂解至少1 h。

    1.5.3 解旋(碱变性) 裂解完毕,用磷酸缓冲液(PBS,pH=7)浸泡片子,以洗去裂解液中高浓度的盐。然后将玻片水平放于电泳盒,倒入新配制的电泳缓冲液(pH=12),使液面高于凝胶约2 mm,避光解旋30 min。

    1.5.4 电泳 调节电压为20 V,电流200 mA,电泳30 min。电泳时带负电荷的DNA断片将离开主核向阳极迁移,形成一个象彗星样的拖尾,尾的长短与DNA损伤的程度相关。

    1.5.5 染色和结果观察 电泳完毕取出玻片,用PBS浸泡2次,以中和碱性。每片用40 μl溴乙锭染色,荧光显微镜下观察结果。每张片子随机计数200个细胞,求出拖尾细胞百分率,并用目镜测微尺测量30个拖尾细胞的尾长,计算出每组的DNA迁移长度。
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    1.5.6 统计分析 与双蒸水组比较,分别用χ2检验和t检验对各组的拖尾细胞百分率及DNA迁移长度(尾长)进行显著性检验。上述实验独立重复3次以上。

    2 结果

    2.1 精原细胞的分离及细胞存活率 按照方法中描述的程序分离小鼠精原细胞,可以得到足够数量的单个细胞进行彗星试验。镜下可见:细胞呈圆形,形态较均一,且分散良好。经苔盼蓝排斥法染色,其细胞存活率均在95%以上。显示出该法分离小鼠精原细胞,快速简便,而且细胞存活率高。

    2.2 受试物对精原细胞的细胞毒性 细胞与受试物作用1.5 h后,发现HgCl2的细胞毒性最强,0.016 mmol/L组仅有40%细胞存活,而其他受试物在这一浓度下完全没有细胞毒性。其次是CdSO4,0.2 mmol/L组细胞存活率为50%,而Pb(NO3)2浓度达1 mmol/L时也未表现出明显细胞毒性。因此,4种受试物细胞毒性的顺序从大到小依次为HgCl2、CdSO4、K2Cr2O\-7、Pb(NO4)2
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    2.3 4种金属化合物对精原细胞DNA的损伤作用(表1) H2O2染毒30 min,其余受试物染毒1.5 h。

    表1 4种金属化合物对精原细胞的DNA损伤(+s) 受试物

    浓度(mmol/L)

    拖尾率(%)

    尾长(μm)

    双蒸水

    -

    0

    0
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    H2Oa2

    0.025

    100#

    138.6±12.8*

    K2Cr2O7

    0.005

    26#

    20.4±2.3*

    0.025

    84#
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    47.2±5.6*

    0.125

    100

    80.5±7.8*

    0.725

    100#

    112.0±10*

    CbSO4

    0.025

    32#

    13.2±2.5*
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    0.05

    51#

    30.6±4.8*

    0.1

    86#

    67.4±6.6*

    0.2

    100#

    Pb(NO3)2

    0.125

    22#
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    25.3±2.8*

    0.25

    40#

    52.4±5.0*

    0.5

    78#

    64.5±6.0*

    1.0

    100#

    88.7±9.0*

    HgCl2
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    0.002

    28#

    15.6±2.7*

    0.004

    40#

    32.1±3.2*

    0.008

    75#

    54.2±5.8*

    0.016

    88#
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    —

    χ2检验,与双蒸水组比较,#P<0.01;t检验,与双蒸水组比较,*P<0.01

    从表1可见:在本实验条件下,阴性对照组细胞没有发生DNA迁移,拖尾率为零。阳性对照H2O2仅染毒30 min,所有细胞均出现拖尾,其尾长达(138.6±12.8) μm。在相同条件下,4种受试物均可在一定浓度范围内引起小鼠精原细胞的DNA单链断裂,形成彗形细胞,而且,拖尾细胞百分率和各组尾长均随受试物浓度的增加而增加。此外,结果还显示出各受试物诱导DNA损伤的浓度范围相差很大。如HgCl2仅在一个较小的浓度范围内(0.002~0.008 mmol/L)具有DNA损伤作用,小于0.002 mmol/L这一浓度时,不能引起DNA断裂,大于0.008 mmol/L时,则表现出明显细胞毒性。而Pb(NO3)2则要在较高浓度时(0.125~1.0 mmol/L)才具有DNA损伤作用。
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    3 讨论

    3.1 彗星试验及其细胞毒性测量的意义 彗星试验常以拖尾细胞百分率和DNA迁移长度作为评价指标,在电压、电流和电泳时间一定时,DNA迁移长度与DNA损伤的多少及断片的大小有关,然而,任何原因造成的细胞死亡也会发生DNA崩解,在电场作用下形成特殊的彗星。因此,在实验染毒期间,如果受试物具有很大的细胞毒性,引起细胞死亡,这种情况所致的彗星细胞及尾长并非受试物遗传毒性所致,而是细胞毒性引起的细胞死亡造成,是假阳性。所以,彗星试验中测量受试物的细胞毒性非常必要。一般认为,细胞存活率要高于80%才能进行遗传毒性的检测[5]。本实验中,0.016 mmol/L HgCl2和0.2 mmol/L CdSO4染毒后细胞存活率分别为40%和50%,故该组DNA迁移长度没有测量。

    3.2 4种金属化合物对小鼠生殖细胞的DNA损伤 经多次重复实验,结果均显示,4种金属化合物可在无明显细胞毒性的浓度下诱导小鼠精原细胞的DNA损伤,说明受试物具有雄性生殖毒性,可能是潜在的雄性生殖毒物。
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    铬及其化合物是已证实的人类致癌物,近10年来对铬的致癌机制研究十分活跃,主要集中在铬化合物导致DNA损伤及其有关机制方面[6]。而关于铬的生殖毒性报道甚少,有研究显示[7],小鼠受孕后7~9 d,腹腔注射三氯化铬19.52 mg/kg,于妊娠第18天宰杀,即可见到胎儿有明显的畸形。本研究显示重铬酸钾具有很强的致生殖细胞DNA损伤的作用,在0.125 mmol/L时可诱导实验组细胞全部拖尾,尾长达(80.5±7.8)μm,提示铬可能具有潜在生殖毒性。至于铬致DNA损伤的机制,认为与铬的单电子氧化还原循环有关,且羟自由基(*OH)是导致DNA断裂的主要因素。

    镉也是确证的人类致癌物,可引起多器官系统毒性。大量实验研究已证明,睾丸和附睾对镉的毒作用最敏感,但对其雄性生殖毒作用机制尚不完全清楚。目前认为镉首先损害睾丸和附睾的血管系统,进而导致曲细精管和附睾管的改变,从而引起一系列形态和组织学的变化。有研究报道,用氯化镉处理睾丸细胞,发现睾丸细胞呈簇脱落,次级精母细胞呈空泡状变形坏死,并伴随着多种酶活性的改变,支持镉对睾丸具有直接性腺毒性的结论。也有报道,镉还可引起人外周血淋巴细胞产生DNA单链断裂,是一种DNA损伤剂。本研究结果表明,镉对睾丸细胞既具有较强的细胞毒性也具有遗传毒性。
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    目前,汞化合物的一般毒性主要表现在神经系统,无机汞是否具有生殖毒性未见报道。已知汞对染色体具有致裂作用(clastogenesis),并可抑制DNA合成和修复。汞的许多毒性与Hg2+和体内或细胞内的巯基(-SH)、二巯基(-S-S)具有很强的亲和力有关。本研究表明在4种受试物中,氯化汞的细胞毒性最强,而且很低剂量(0.002 mmol/L)即可诱导精原细胞DNA单链断裂,说明氯化汞是一种DNA损伤剂。

    铅属人类可疑致癌物,同时具有明显的性腺、胚胎毒性和致畸作用。小剂量(0.002~0.2 mg/kg)和短时间(10 d中作用6次)的作用不能引起大鼠的一般状态、血液及神经系统改变,但可见大鼠的睾丸和前列腺增重,精子生成受到破坏,有丝分裂异常,性细胞中RNA的合成和分解降低。也有报道交尾前或怀胎期体内注入铅的大鼠,经常流产或多为死产,胎鼠发育不全[7]。本实验铅在0.125~1.0 mmol/L范围内可引起小鼠精原细胞DNA迁移,并且具有明显剂量反应关系,说明铅能直接造成DNA损伤,这与前人用碱洗脱法研究所得的结果一致。
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    综上所述,彗星试验能检测出较低剂量的CdSO4、K2Cr2O7、Pb(NO4)2、HgCl2诱导的小鼠精原细胞DNA单链断裂,说明这4种金属化合物都是DNA损伤剂,具有潜在的雄性生殖毒性,同时也反映出彗星试验在检测金属遗传毒性方面的敏感性。

    本课题受国家自然科学基金资助(39670625)

    参考文献

    [1] Friberg L,Elinder CG,Kjellstrom T.Environmental health criteria 134 cadimum.Geneva:UNEPILO WHO,1992.97-129.

    [2] 夏世均.铬极其化合物.见:吴执中,主编.职业病.北京:人民卫生出版社,1981.62-74.
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    [3] Fairbaim DW,Olive PL,O'Neill KL.Comet assay,a comprehensive review.Mutat Res,1995,339:37-59.

    [4] 张遵真,衡正昌.用单细胞凝胶电泳试验检测铬和砷化合物的DNA损伤作用.中华预防医学杂志,1997,31:356-357.

    [5] Kirkland DJ,Gallloway SM,Sofuni T.Summay of major conclusions.Mutat Res,1994,312:205-209.

    [6] 刘翔,刘世杰.铬化合物的DNA损伤作用及其机制.癌变.畸变.突变,1998.60-62.

    [7] 张尤恩.铅污染与健康.见:蔡宏道,主编.现代环境卫生学.北京:人民卫生出版社,1995.731-743.

    (收稿日期:1999-06-17), http://www.100md.com