母体镉（Cd）暴露损害小鼠泌乳性能与乳质

《Biology》：Maternal Cadmium Exposure Impairs Lactational Performance and Milk Quality in Mice Meiqian Kuang, Haigang Xu, Yujian Chen, Ziyang Lai, Caifang Ren, Pan Huang and Hongjun Huang

　　

镉（Cadmium, Cd）是一种普遍存在的重金属环境毒物，由于其生物蓄积性，其暴露构成了一个持续存在的公共卫生问题。然而，母体镉暴露对哺乳期乳腺功能的影响仍不甚明了。在本研究中，研究人员利用饮水暴露模型，探究了妊娠期和哺乳期镉暴露对乳腺发育、激素稳态和泌乳性能的影响。将7周龄怀孕的ICR小鼠随机分为对照组和镉暴露组。对照组接受标准饮用水，而镉暴露组从妊娠第5天（PD 5）到哺乳第13天（LD 13）给予补充了镉（12 mg/L）的饮用水。结果表明，母体镉暴露分别显著降低了母鼠和子代的体重。组织学分析显示，镉暴露导致乳腺腺泡数量减少、间质空间增宽，表明乳腺发育受损。此外，镉暴露显著损害了泌乳性能，表现为多个泌乳阶段的产奶量减少以及乳汁中蛋白质、脂肪和乳糖水平降低。整合的代谢组学和转录组学分析进一步揭示了与乳腺功能相关的激素谱和代谢通路发生显著改变。值得注意的是，在乳腺组织和乳汁中均检测到镉的蓄积，并伴随着与乳合成和脂质代谢相关基因的转录变化。总之，这些发现表明，妊娠期和哺乳期母体镉暴露与乳腺结构和功能改变相关，导致泌乳性能下降和子代生长受损。该研究有助于更好地理解环境镉暴露带来的风险，强调了采取有效的公共卫生策略以减轻其对母婴健康影响的必要性。

研究背景、问题与目的

镉（Cd）是一种广泛分布于环境中的有毒重金属，主要通过工业排放、农业活动以及土壤和水源污染进入生态系统。作为一种已知的内分泌干扰物，镉可干扰激素代谢，影响正常发育与分泌功能。既往研究表明，镉暴露可扰乱母体内分泌调节，影响胎盘功能。哺乳期乳腺是女性的关键内分泌与泌乳器官，其正常发育和功能依赖于多种激素（如雌激素E₂、孕酮、催乳素PRL、促卵泡激素FSH）的精密调控。然而，妊娠期间镉暴露对乳腺代谢调控、泌乳性能及激素稳态的具体影响尚未明确。饮水是人类镉暴露的主要途径之一。为了系统评估镉对乳腺发育和泌乳功能的影响，并阐明其潜在的分子机制，研究人员在本研究中建立了饮水镉暴露的妊娠小鼠模型，并整合了多组学分析手段。该研究旨在阐明镉作为环境内分泌干扰物对乳腺功能的不利影响，评估其对母婴健康的潜在风险，为环境健康风险评估和公共卫生干预提供科学依据。本论文发表于《Biology》期刊。

主要研究方法

本研究采用饮水暴露模型，对妊娠期和哺乳期ICR母鼠进行慢性镉（12 mg/L）暴露。研究结合了网络毒理学预测、生理指标监测、组织病理学分析、乳汁产量与成分测定、激素水平酶联免疫吸附测定（ELISA）、血清镉浓度检测、非靶向代谢组学（LC-MS/MS）和转录组学（RNA-seq）分析，系统评估了镉暴露对母体、乳腺及子代的多层面影响。

研究结果

3.1. 网络毒理学预测镉暴露通过内分泌和神经内分泌通路关联泌乳损伤

研究人员通过检索比较毒物基因组学数据库（CTD）和GeneCards数据库，筛选出43个镉暴露与延迟泌乳启动的共同相关基因。京都基因与基因组百科全书（KEGG）和基因本体论（GO）富集分析表明，这些基因显著富集于催乳素信号、生长激素合成与分泌、JAK-STAT信号、PI3K-Akt信号、cAMP信号及神经活性配体-受体相互作用等通路。蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络分析显示这些靶点间连接紧密。预测表明，镉暴露可能主要通过干扰调节乳腺发育和功能的内分泌及神经内分泌信号通路来损害泌乳。

3.2. 镉暴露导致子代体重减轻

镉暴露组母鼠在哺乳期体重显著低于对照组，但其食物和水摄入量无显著差异。镉暴露组母鼠血清中镉浓度显著升高。同时，镉暴露组母鼠的子代体重也显著降低。

3.3. 镉暴露导致母鼠乳腺形态异常

虽然两组间母鼠乳腺绝对重量无显著差异，但镉暴露组乳腺重量指数（相对重量）显著改变。苏木精-伊红（HE）染色显示，镉暴露组乳腺组织腺泡密度降低、排列紊乱、上皮衬里变薄且分泌减少，表明正常乳腺结构遭到破坏。

3.4. 镉暴露导致母鼠激素稳态紊乱

与对照组相比，镉暴露组母鼠血清中孕酮和FSH水平显著降低，而PRL浓度显著升高。E₂水平在两组间无显著变化。这表明慢性镉暴露扰乱了与泌乳相关的关键生殖激素的内分泌稳态。

3.5. 镉损害泌乳性能与乳汁营养品质

在所有检测的泌乳阶段，镉暴露组母鼠乳汁中的镉浓度均显著高于对照组，证实了镉向乳汁的转移。镉暴露组母鼠在整个泌乳期的产奶量均显著减少。同时，乳汁中蛋白质和脂肪含量在所有检测阶段均一致下降。乳糖水平在泌乳晚期也显著降低。分子分析显示，关键的乳蛋白合成基因（如Csn1s1, Csn2, Stat5a/b）和乳脂合成调控基因（如Srebf1, Fasn, Pparg）的表达在镉暴露后受到抑制。

3.6. 镉诱导乳腺全局代谢重编程

非靶向代谢组学分析显示，镉暴露组与对照组乳腺组织的代谢谱存在明显分离，共鉴定出130种显著改变的代谢物。KEGG通路富集分析表明，这些差异代谢物主要富集于氨基酸代谢、神经活性配体-受体相互作用、矿物质吸收、酪氨酸代谢、能量代谢和激素相关信号等通路，表明镉暴露在乳腺中引发了广泛的代谢紊乱。

3.7. 镉破坏与泌乳相关的类固醇激素、神经内分泌和氨基酸代谢

整合代谢组学分析发现，镉暴露显著改变了与激素合成、神经内分泌信号和氨基酸代谢相关的关键代谢物水平。例如，雌二醇、1-花生四烯酰甘油、5α-孕烷-3,20-二酮等类固醇激素代谢物水平下降，而氢醌升高。神经递质多巴胺、L-色氨酸、去甲肾上腺素和L-肉碱水平下调，鞘氨醇上调。氨基酸如L-苏氨酸、L-亮氨酸和L-谷氨酰胺水平升高。三羧酸（TCA）循环中间体如琥珀酸和酮戊二酸水平升高，同时ADP水平增加，表明TCA循环部分受阻和氧化磷酸化效率低下。

3.8. 镉在乳腺中诱导以炎症为主的转录谱

转录组学（RNA-seq）分析显示，镉暴露诱导了乳腺中显著的转录组改变，共鉴定出441个显著上调和114个下调的基因。基因集富集分析（GSEA）和KEGG通路富集分析均显示，免疫激活相关通路（如造血细胞谱系、T细胞受体信号、核因子κB（NF-κB）信号）显著上调，而氧化磷酸化和核糖体生物合成等代谢通路下调。GO分析进一步证实了淋巴细胞活化和免疫反应调节相关术语的富集，以及线粒体ATP合成和蛋白质修饰的抑制。

3.9. 镉破坏乳腺中的激素信号

对差异表达基因（DEGs）的分析显示，镉暴露导致乳腺中关键激素应答和泌乳相关基因表达失调。FSH相关的Hsd17b1基因显著下调。PRL信号通路基因（如Esr1和Oxtr）被抑制。孕酮相关基因普遍下调。相反，凋亡相关基因（Casp3, Casp8, Bcl2）被显著激活。相关性热图分析显示，血清镉水平与泌乳参数（产奶量、乳蛋白、乳脂、乳糖含量）及子代体重呈负相关聚类，而孕酮和FSH与泌乳指标呈正相关聚类。

讨论总结

研究人员建立了一个模拟环境暴露的妊娠哺乳期小鼠镉暴露模型。研究发现，母体镉暴露导致母鼠和子代体重降低、乳腺发育受损、泌乳相关激素稳态紊乱，并显著损害了产奶量和乳汁营养组成。这些改变伴随着乳腺组织协调的代谢和转录紊乱。本研究的一个主要优势在于整合了生理测量、组织学评估以及转录组和代谢组学分析，从系统层面揭示了镉暴露如何影响泌乳功能。镉暴露引发了乳腺中强烈的炎症转录程序及伴随的线粒体能量代谢障碍，这种能量剥夺与哺乳期高生物合成需求不相容，并最终导致乳腺上皮细胞凋亡信号增强，直接损害了乳合成。同时，乳汁中检测到镉浓度升高，提示了镉从母体向子代转移的直接途径。整合的多组学分析还表明，镉可能通过干扰下丘脑-垂体-乳腺轴的神经内分泌调节来损害泌乳性能。这些病理改变共同导致了STAT5依赖性信号传导的抑制，而该通路是乳腺分化和乳蛋白合成的核心转录驱动因子。

研究结论翻译

本研究表明，妊娠期通过饮水途径的镉暴露显著扰乱了母体内分泌平衡，损害了乳腺发育，并降低了产奶量及其关键营养成分。观察到的妊娠相关激素抑制，结合乳腺组织的病理损伤，表明镉作为一种环境内分泌干扰物，损害了泌乳能力。多组学分析进一步揭示了炎症、代谢和激素相关信号通路的协同改变，这些改变可能导致乳腺功能紊乱。本研究的发现为镉对泌乳的不利影响提供了新的实验证据，并强调需要加强环境健康风险评估、预防策略和针对性干预措施，以保障乳腺发育和母婴健康。