铅（lead,Pb）多以铅烟和铅尘形式通过呼吸道或消化道进入人体。毒理学研究表明，骨代谢对重金属高度敏感，铅可直接降低骨密度和皮质骨宽度，增加骨折易感性，破坏骨稳态并影响骨折愈合。众所周知，铅会影响成骨细胞、破骨细胞和软骨细胞，与骨骼发育畸形、骨质疏松、骨关节炎等密切相关。然而，铅暴露导致成骨损伤的分子机制仍不完全清楚。本文主要综述了铅通过氧化应激、钙稳态失调、线粒体结构和功能障碍，以及成骨相关激素改变等直接或间接作用导致骨骼毒性的机制，以期为铅暴露引起的骨损伤研究提供新的思路。

1、铅对骨组织的损伤作用

1.1 人群研究

铅在骨中的半衰期长达5～20年，作用于成骨细胞等多种骨细胞，可以引起骨代谢紊乱，导致骨质疏松[1]。骨骼系统中铅的宏观分布不均匀，明显取决于骨骼类型、年龄和性别。在活跃的骨生长过程中，铅多沉积于骨松质，在成年期，铅更易在骨密质中积累[2]。近期，一项人群研究对平均年龄为（76±8）岁绝经后妇女的胫骨远端部位进行外周定量计算机断层扫描图像，获得其骨密度和结构参数，发现绝经后妇女胫骨骨铅含量与胫骨远端皮质变薄和体积骨密度降低有关[3]。Cui等[4]研究13 951名8～19岁儿童和青少年血铅水平与骨矿物质密度之间的关系，发现受试者腰椎骨密度随着血铅水平的升高而降低，肢体骨密度在血铅水平达到20μg/L的转折点前升高。这代表不同水平的铅对不同年龄、不同骨点的骨密度有不同的影响。

1.2 动物研究

郭李萌等[5]连续60 d分别给予大鼠质量分数为0.1%和0.3%的乙酸铅的饮用水，研究结果显示，与对照组相比，低浓度乙酸铅组的大鼠骨小梁变薄变细。高浓度乙酸铅组的大鼠，其骨小梁体积变小、结构稀疏，骨髓腔有所增大。各实验组大鼠骨胶原纤维出现疏松破裂，电镜下成骨细胞器数量显著减少，细胞内出现溶解灶，羟基磷灰石晶体数量显著减少且排列紊乱。kong等[6]研究发现暴露于铅的小鼠3个月大时，股骨-胫骨骨量意外增加，高铅暴露使其破骨细胞数量增加，但活性不足。铅激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferatoractivated receptor,PPAR-γ）通路，导致间充质干细胞优先分化为脂肪细胞而非骨细胞[7]。Abbas等[8]研究妊娠第五天到出生后第六十天的雌性大鼠暴露于砷、镉和铅混合物后的骨骼改变，结果发现混合物暴露组大鼠生长板缩短，骨矿化程度降低。上述研究表明，铅可在不同程度上导致动物骨组织损伤。

1.3 体外研究

Ryan等[9]研究发现，铅暴露上调了成骨细胞芳烃受体m RNA和蛋白质的表达，这提示骨骼中的铅可以增加骨细胞对有毒物质暴露的敏感性。低浓度铅暴露降低成骨标志物（如碱性磷酸酶、1型胶原蛋白、骨钙素和RUNX2）的表达水平，提示低浓度铅抑制MC3T3-E1细胞成骨分化[10]。Paisrisarn等[11]用乙酸铅处理MC3T3-E1细胞，发现铅以剂量依赖性方式上调二价金属转运蛋白1的表达。Monir等[12]研究中的超微结构分析结果显示，矿化成骨细胞的钙化囊泡中发现了铅。囊泡富含能与钙离子紧密结合的丝氨酸磷酯，故囊泡能有效摄取周围基质中的钙离子，而铅的沉积或许会破坏囊泡摄取钙的能力进而导致骨钙化受损。上述研究表明，铅可通过减少新骨矿物质的形成改变骨重塑，骨质量改变可作为暴露于铅污染的敏感性指标。

2、铅致骨损伤的直接作用机制

2.1 氧化应激

氧化应激在调节骨重塑的平衡中起着关键作用，其中包括影响骨形成和骨吸收[13,14]。活性氧（reactive oxygen species,ROS）作为信号分子参与细胞增殖、分化、凋亡、自噬和氧化还原等过程[15]。在骨稳态的调节中，ROS具有双重作用。生理状态下，细胞中的ROS以较低的频率产生，并且很容易被抗氧化防御系统中和。NF-κB受体活化因子配体（receptor activator of nuclear factor-κB ligand,RANKL）诱导破骨细胞分化期间，ROS作为第二信使在这一分化过程中起着重要作用。过量ROS使得破骨细胞增加，加剧骨质流失和骨质疏松症的进展[16]。同时，过量ROS能够诱导DNA损伤、增殖下降、细胞周期阻滞，使得细胞衰老、凋亡。上述均为骨组织功能障碍和骨稳态失衡的诱因[17]。

Al-Ghafari等[18]使用铅处理人成骨细胞24 h,ROS水平显著升高，醛类等不饱和脂肪酸氧化产物增多，抗氧化指标超氧化物歧化酶（superoxide dismutase,SOD）活性下降，成骨标志物碱性磷酸酶、骨钙素和胶原蛋白的表达水平显著降低。使用还原型谷胱甘肽预孵育成骨细胞，可降低铅的细胞毒性并改善成骨标志物的表达抑制。由于铅对巯基（-SH）具有高度亲和力，与-SH形成的硫醇盐能抑制氧化还原体系中酶的活性，进一步破坏机体调节氧化还原稳态的能力。这一过程加剧了氧化应激的程度，从而严重影响细胞的生理活动[19]。越来越多的证据表明，铅中毒患者通常伴有细胞内ROS和促炎细胞因子的增加，形成不利于骨形成的微环境[20,21]。白细胞介素6(interleukin 6,IL-6）和肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor-α,TNF-α）由促炎M1型巨噬细胞分泌并抑制成骨功能[22]。核因子红细胞2相关因子2 (nuclear factor erythroid 2-related factor 2,NRF2）是一种转录因子，在感知内源性或外源性氧化应激后，维持氧化还原稳态的主要诱导系统是NRF2-KEAP1信号[23]。Pellegrini等[24]发现NRF2根据性别和年龄的不同，对骨骼中的质量累积和抗氧化内源性反应的调节不同。有研究发现转录因子NRF2作为氧化应激的主要传感器，在骨细胞生成过程中被激活，并直接激活许多骨细胞特异性基因（如Dmp1、Mepe和Sost)[25]。最新的研究[26]表明，NRF2具有双重作用。一方面，NRF2在金属诱导毒性中可能是潜在的关键保护机制。另一方面，在长时间金属暴露的情况下，NRF2持续激活，此时NRF2可能成为金属暴露导致癌症发生的原因。

已有研究表明，铅诱导的NRF2持续活化可能造成肾损伤，NRF2下调缓解了铅触发的自噬阻滞[27]，但未见有关NRF2持续激活导致骨损伤作用机制的报道。因此，铅暴露影响成骨细胞分泌功能与ROS增多以及抗氧化酶相关蛋白表达下调密切相关，但其深入的毒作用机制仍有待进一步研究。

2.2 钙稳态失调

钙（calcium,Ca）是骨骼矿物质的主要成分，是细胞内关键的第二信使[28]。细胞内钙含量由细胞内储存的钙的释放和细胞外通过钙离子通道流入的钙而决定，胞内钙离子失衡会导致细胞凋亡[29]。铅能够直接或间接地扰乱几乎所有细胞中正常的钙运输和作为第二信使发挥的功能[30]。

由Ca2+控制的调节过程包括钙调蛋白依赖性磷酸二酯酶、钙调蛋白依赖性蛋白激酶、钙调蛋白抑制剂敏感钾通道和钙调蛋白非依赖性蛋白激酶C(protein kinase C,PKC）活化[31]。就成骨样细胞培养模型而言，Pb2+从以下几个方面干扰Ca2+稳态。（1)Ca2+释放激活钙通道（Ca2+release activated Ca2+,CRAC）：当内质网腔内的Ca2+耗尽时，CRAC通道打开，允许Ca2+通过钙池调控进入，随着Pb2+浓度的增加，观察到CRAC表现出逐渐抑制的趋势[32]。研究[33]表明除了对CRAC的直接作用外，5 mmol和12.5 mmol的铅可将由CRAC释放的Ca2+分别减少到41%和22%。由此推测，Pb2+可能与CRAC通道内的Ca2+结合位点具有高亲和力，从而在Ca2+经过通道孔时，在较小程度上抑制了Ca2+通量。因此，Pb2+部分损害了CRAC期间的Ca2+内流，并通过损害CRAC来抑制内质网内钙的再填充。（2)PKC:PKC是Pb2+在成骨样细胞中具有高度亲和力的作用靶点，Pb2+通过竞争性取代Ca2+，激活PKC异构体导致细胞内Ca2+升高[34]。甲状旁腺激素Ⅰ受体通过激活肾素-血管紧张素系统和丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase,MAPK）进而激活PKC，从而促进骨髓间充质细胞成骨性增值[35]。Pb2+取代Ca2+后可扰乱PKC的正常激活，进而扰乱PKC在细胞中的表达量。

2.3 线粒体结构和功能障碍

线粒体是细胞生命活动的重要控制中心，它不仅是控制细胞呼吸链和氧化-磷酸化的核心，还是控制细胞凋亡的核心。线粒体功能障碍主要表现为ROS增加、线粒体膜电位去极化和线粒体自噬增加，进而导致各种骨代谢紊乱，如骨质疏松症和骨关节炎[36]。在特定的细胞凋亡信号（如ROS、DNA损伤等）诱导下，线粒体膜完整性受到损坏，导致可溶细胞色素C、核酸内切酶G和其他膜间空间蛋白的释放。这些蛋白不可逆地激活下游半胱氨酸酶，从而诱导细胞凋亡的发生[34]。

线粒体是铅诱导ROS产生的重要源头，也是其重要的毒性靶标。铅在线粒体中大量积聚，又将导致线粒体功能障碍[37]。Vašková等[38]用乙酸铅三水合物以5.155 mg/kg的日剂量染毒大鼠，在染毒第1周和第5周的骨细胞线粒体中检测到铅含量增加。辜洁等[39]研究发现，铅暴露引起MC3T3-E1细胞内细胞色素C从线粒体到胞浆的释放增加，同时伴随线粒体膜电位的降低、线粒体呼吸酶复合体Ⅰ和Ⅲ的活性以及ATP合成的显著减少，导致ROS合成的增加。此外，细胞内抗氧化防御系统被抑制，进而引起线粒体氧化应激，呈现明显的剂量依赖性。铅暴露不仅破坏线粒体膜电位，还影响线粒体的融合和裂变[39]。有研究发现，铅暴露后线粒体裂变蛋白（dynamin-related protein 1,Drp1）的表达及其与热休克蛋白-60（线粒体标记物）的结合显著增加，而线粒体融合蛋白Mfn2和Opa1的表达显著减少，同时共济失调-毛细血管扩张突变蛋白ATM被激活，与Drp1一同参与铅诱导的线粒体裂变[40]。国内外对于铅诱导骨细胞线粒体凋亡的报道尚少，由于线粒体是铅的重要靶标，对其进行更深入的研究，可为铅诱导的骨质疏松提供新的治疗靶点。

3、铅致骨损伤的间接作用机制

铅能够损伤甲状旁腺、肝、肾等脏器，从而影响甲状旁腺激素的分泌和维生素D3(vitamin D3,VD3）在肝脏中的羟化。铅通过竞争并抑制胃肠道对钙的吸收，引起低钙血症，干扰钙磷代谢[41]。细胞外钙和磷酸盐浓度是软骨内成骨和骨骼矿化的必要条件，铅对钙磷代谢的影响必然会干扰正常的骨化过程。

3.1 甲状旁腺激素

甲状旁腺激素是由甲状旁腺主细胞合成分泌的含有84个氨基酸的碱性单链多肽，是调节血钙、磷水平的主要激素之一，能促使血钙水平升高，血磷水平下降，可精细调节骨的合成、分解代谢，对成骨细胞和破骨细胞的分化、成熟、凋亡发挥着重要作用。PTH对骨形成和骨吸收具有双重效应，持续大剂量的PTH可促进骨吸收，间歇性小剂量PTH可促进骨形成。Li等[42]研究发现，铅暴露后血液中钙含量降低，甲状旁腺激素代偿性增加，其中幼龄大鼠的甲状旁腺激素增加最显著，这可能与该时期骨周转率较高有关。尽管甲状旁腺激素的代偿性增加有助于维持血清钙稳态，但铅暴露引起的过量的甲状旁腺激素将导致骨脱钙和骨质疏松样变化。

3.2 维生素D

维生素D是调节骨骼代谢，确保新沉积的骨和肥大软骨基质矿化的重要激素[43]。骨化三醇是维生素D在体内的主要活性代谢物，骨化三醇刺激成骨细胞产生多种非胶原基质蛋白（例如，激活素A、骨桥蛋白和骨钙素）促进骨矿化[44]。骨化三醇也可以通过与Wnt信号相互作用，调节成骨细胞的分化和功能[45]。已有研究证明，低浓度铅可抑制骨化三醇从而减少骨钙素合成[46]。维生素D的补充能够减少大鼠体内的铅潴留，这提示维生素D含量低与铅吸收增加之间可能存在联系[47]。Potula等[48]检测铅制造厂工人的血清发现，高血铅组工人血清中骨化三醇的含量为25.12 g/m L，而低血铅组其含量为45.75 g/m L。动物实验也证明，铅暴露降低了大鼠血清中骨化三醇浓度，阻断了维生素D依赖性肠道钙运输，导致肠道对钙的吸收减少[49]。

4、其他机制

成骨相关过程受多个信号通路调节，如转化生长因子（transforming growth factor-β,TGF-β）超家族信号通路、Wnt信号通路、成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor,FGF）信号通路和Indian hedgehog/甲状旁腺激素相关多肽（Indian hedgehog/parathyroid hormone-related peptide,IHH/PTHr P）信号轴等[50]。Cortina等[49]在生长板和胸骨软骨细胞模型中检测到铅暴露增强了TGF-β信号，抑制BMP-2信号，并剂量依赖性抑制NF-κB信号和活化蛋白（activator protein-1,AP-1）信号传导，从而影响软骨细胞成熟的正常进展。Khalid等[51]发现，染铅干预在体内体外均可抑制Wnt/β-catenin通路内Wnt3a、低密度脂蛋白受体相关蛋白5、磷酸化丝氨酸/苏氨酸激酶等通路标志蛋白表达，并抑制成骨细胞分化。此外，Beier等[52]通过对硬化蛋白敲除小鼠进行研究，确定了铅对Wnt3α的抑制作用依赖于硬化蛋白表达的上调。

5、总结与展望

铅暴露可直接或间接地改变骨骼各细胞的功能，其机制主要为铅能够诱导骨细胞产生大量ROS，降低抗氧化酶活性，影响钙稳态，破坏线粒体结构和功能，以及通过干扰甲状旁腺素分泌、维生素D3水平间接影响骨化过程。然而铅诱导骨损伤的研究大部分仅停留在毒性效应层面，具体机制需深入探索。孕期铅暴露对子代骨骼发育的影响、铅致骨损伤的早期生物标志物研究等，有待进一步明确。

参考文献:

[5]郭李萌,冯翠萍,云少君,等.铅对大鼠骨组织代谢影响[J].中国公共卫生,2017,33(4):592-595.

[39]辜洁,高瑞,周薇,等.铅暴露对成骨细胞MC3T3-E1细胞线粒体的影响[J].局解手术学杂志,2018,27(5):318-321.

基金资助:山东省重点研发计划(2021SFGC0502);

文章来源:谢思雯,马晓霞,相梦婷等.铅暴露致骨损伤机制的研究进展[J].职业卫生与应急救援,2024,42(01):132-136.