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第九节 卵巢毒理学简介
一、组织结构和功能
卵巢( ovary)左右各一个,啮齿类动物及犬卵巢位于后腰部,而猴卵巢位于骨盆部。大小鼠卵巢完全被脂肪性卵巢囊包围,兔卵巢部分被卵巢囊包围,而猴和人卵巢没有卵巢囊。卵巢表面覆有来自腹膜的间皮,其下为菲薄的结缔组织即为白膜,膜下的周边部为卵巢皮质,在其细胞密集的结缔组织中含有发育各阶段的卵泡、黄体和间质腺,卵巢中心部为髓质,疏松结缔组织内含有血管、神经及间质。实际上,皮髓质交界并不清楚。
卵巢表面可反映出生殖周期,肉眼可见卵泡和黄体。在啮齿类动物和犬,每个生殖周期产生几个卵泡。这些卵泡经常突出于卵巢表面,这使得卵巢像葡萄串一样。在灵长类动物中,每个生殖周期产生多个卵泡,但常常只有一个被选作排卵前的卵泡。
卵泡中心部有一个卵子,被大量卵泡细胞(颗粒细胞)及其周围的间质所包围,间质中有内膜和外膜,前者是上皮样结缔组织,容易受激素的影响,后者由纤维和梭形细胞构成。卵泡由原始卵泡、初级卵泡、次级卵泡,直至格雷夫卵泡( Graafian卵泡)逐渐达到成熟细胞。在这个阶段包被有颗粒细胞的次级卵母细胞偏向卵泡的一边,大部分包被着次级卵母细胞的颗粒细胞伸进卵泡腔,形成卵丘,包被着次级卵母细胞的颗粒细胞称为辐射冠,卵泡腔内液体称为卵泡液。“Graafian卵泡”或称排卵前卵泡,指排卵前的三级卵泡。卵泡的间质也随之变化,初级卵泡时形成同心圆层,次级卵泡以后形成内膜和外膜,前者细胞为多形性,有脂质空泡,后者为成纤维细胞样细胞呈同心圆样排列。排卵时颗粒细胞肥大,有脂肪颗粒,成为颗粒黄体细胞,内膜细胞也增大,变成卵泡膜黄体细胞,最后共同形成黄体。如果无孕卵着床,黄体即退化形成白体。间质腺是富有脂质发亮的细胞群,主要来自闭锁卵泡或妊娠黄体的内荚膜。
只有有限的几个发育好的卵泡能形成排卵前卵泡并排卵。排卵后,卵泡内膜细胞和余下的颗粒细胞可通过黄体生成作用形成新的黄体细胞。组织学上,黄体的生成是通过黄体细胞增生及肥大和血管组织的增殖来完成,这常导致生成的黄体比成熟卵泡还大,犬的黄体生成是通过排卵前颗粒细胞的重叠来完成。常见的胞浆变化是胞浆出现嗜酸性,接着出现泡沫状物。在一些性周期很短的种属如大鼠,生殖周期的各个阶段并不能简单地用卵泡的大体变化来确定。不过,黄体的形成、发育及退化与生殖周期各个阶段大体同步发生,一般主张依据这些黄体的变化来判断性周期的各个阶段。
排卵是由于垂体释放出的黄体生成素,血中LH浓度急剧上升而致卵泡破裂将卵排出。大鼠、小鼠、犬卵巢成熟即可自然排卵,而兔、猫卵泡成熟不能自然排卵,受到交尾刺激后方能排卵,如不交尾卵泡很快闭锁退化。黄体退化导致黄体酮分泌减少,又引起新的卵泡发育,进入下一个性周期。
大鼠卵巢性周期变化如下:
1.发情期
黄体形成才几个小时,它由一些嗜碱性细胞组成,囊状核,胞浆少,核丝分裂较多,黄体中间部位有一些嗜酸性液体,可见个别的红细胞或坏死细胞,黄体周围小血管较多。
2.发情后期
黄体数量略增多,核仁清楚,常见核丝分裂。纤维组织明显增多,黄体中间部变小,充满嗜酸性液体。
3.发情间期
黄体细胞变大,核仁明显,有的胞浆中出现空泡,并有一些坏死的黄体细胞,纤维组织向黄体中间部伸入,黄体细胞之间纤维组织也增多。
4.发情前期
黄体细胞变小,胞浆浓缩,崩溃,中间部出现一些坏死的细胞。这期间常见有大的排卵前的卵泡。
二、性激素
雌激素、孕激素和雄激素均为胆固醇(如图9-23)的衍生物,所以在结构上与胆固醇相似,都以亲脂性的四环含碳化合物为基本骨架,故此类激素统称为类固醇激素或甾体类激素。各种类固醇激素的合成有着共同的途径(图9-24)。
图9-23 胆固醇结构模式图
1.雌激素的合成和代谢
动物体内的雌激素主要包括雌二醇( estradiol,E 2)、雌酮( estrone)、雌三醇( estriol)、马烯雌酮( equiline)和马奈雌酮( equilenin)等。
动物体内雌激素的生物活性以17β-雌二醇最高,雌二醇主要由卵巢分泌;雌三醇最低,仅为雌二醇的1%左右。雌酮主要在外周组织(皮肤、脑、脂肪和骨骼肌等)由雄烯二酮转化而来,雌二醇和雌酮在脱氢酶和还原酶的作用下可相互转化,雌二醇、雌酮和雌三醇的结构见图9-25。雌三醇由妊娠期胎盘的合体滋养层细胞分泌。
图9-24 类固醇激素合成途径示意图
图9-25 雌激素结构模式图
卵巢内雌激素的合成主要是以胆固醇为原料,首先在内膜细胞内由P450侧链裂解酶( P450 SCC)作用产生孕烯醇酮,再在17α-羟化酶以及裂解酶的的作用下转化为脱氢表雄酮,进而合成睾酮,然后在颗粒细胞内通过P450芳香化酶的作用,转化为雌二醇和少量雌酮,因此脱氢表雄酮和睾酮是合成雌激素的重要中间产物。外周组织主要是使循环血液中的雄烯二酮转化为雌酮,这是男性和绝经后女性体内雌激素的主要来源,在一些脏器内,雌二醇和雌酮可以相互转化。
血液中的雌二醇以结合和游离两种形式存在,其中结合型占97%~99%,游离型的占1%~3%,但只有游离型的雌激素才有生物活性。结合型的雌激素又可分为非特异性结合和特异性结合,前者主要是与清蛋白结合,约占40%,这种结合的亲和力低,易于分离而形成游离的雌激素。后者主要是与血液中的性激素结合蛋白结合,约占58%,这种结合是特异性的,因此较为牢固。由于性激素结合蛋白同时又能与睾酮结合,因此两种激素与性激素结合蛋白的结合具有竞争性。血液中的雌激素主要在肝脏中代谢,通过羟化和甲基化等转化为生物活性低的代谢产物,然后从尿中排出,少数代谢产物也可从胆汁中排出。
2.雌激素分泌的调控
雌激素的分泌受下丘脑-腺垂体的调节(图9-26)。腺垂体分泌卵泡刺激素,FSH刺激卵泡生长发育,促使雌激素的产生及分泌。当雌激素增加到一定水平时,它又通过负反馈机制抑制垂体分泌FSH,同时又促使腺垂体释放黄体生成素,促使卵泡成熟并排卵,形成黄体,黄体又分泌孕激素。雌激素也可反馈抑制下丘脑分泌促性腺激素释放激素,并能对抗雄激素的作用。
图9-26 下丘脑-腺垂体对卵巢活动的调节
3.雌激素的生理功能 ( 1)对女性生殖系统的影响:
①对子宫的作用:促进子宫的发育;在月经周期中使子宫内膜呈现增生期变化;促进子宫肌的增生,增强子宫平滑肌的收缩,提高子宫平滑肌对缩宫素的敏感性;使子宫颈腺分泌量增加,分泌物稀薄,有利于精于穿过。②对阴道的作用:使阴道复层扁平上皮增生,细胞角化增加。③对输卵管的作用:增加输卵管的蠕动,促进卵子的运行。④对卵巢的作用:小剂量促进卵泡发育,大剂量通过抑制GnRH和FSH的分泌而抑制卵泡的发育。⑤对乳腺的作用:通过刺激腺垂体分泌催乳素而促进乳腺导管和腺泡的生长和发育,但大剂量的雌激素会抑制泌乳。
( 2)对下丘脑-垂体-性腺轴的作用:
少量雌激素能增加垂体对GnRH的敏感性,但大量的雌激素则可抑制GnRH的释放;排卵期时,高浓度的雌激素能刺激下丘脑大量分泌LH,从而诱发排卵;排卵后黄体分泌的雌激素和孕激素共同作用抑制下丘脑和垂体激素的分泌。
( 3)对生长发育的影响:
青春期开始,雌激素的分泌可使女性第二性征出现,包括皮下脂肪沉积;阴毛和体毛生长并呈女性分布;通过刺激生长激素的释放而促进身体的长高。
( 4)对代谢的影响:
雌激素能促进蛋白质的分解,同时又刺激肝脏合成多种血浆蛋白质;雌激素能提高血清甘油三酯的浓度,降低总胆固醇的含量,提高HDL-C水平,降低LDLC水平;提高血浆胰岛素的水平。
( 5)对心血管系统的影响:
通过降低总胆固醇的含量,提高HDL-C水平和降低LDL-C水平,降低动脉粥样硬化的可能性。同时可以使血管扩张。
( 6)对骨骼的影响:
促进骨的生成,减少骨的吸收。所以绝经期妇女出于雌激素水平下降而致骨质疏松,故易于发生骨折。
( 7)对中枢神经系统的作用:
雌激素能抑制下丘脑的体温调节中枢,降低基础体温;雌激素能促进神经元生长,诱导形成突触,维持神经通路,促进神经递质乙酰胆碱的功能,从而改善记忆能力。
雌激素在女性体内发挥重要作用,在围绝经期(指绝经前和绝经后1年),由于妇女体内雌激素水平的下降,导致一系列因雌激素低下而产生的临床症状,称围绝经期综合征。主要表现为:①血管舒张症状:如潮红、血压改变等。②精神神经症状:包括抑郁、情绪不稳、记忆力下降等。③心血管症状:早期出现冠状动脉供血不足,晚期出现动脉粥样硬化等。④骨质疏松。⑤泌尿生殖系统萎缩。
4.孕激素的合成和代谢
孕激素的主要成分是孕酮(图9-27),成年卵巢的黄体是体内孕激素的主要来源,此外肾上腺和男性的睾丸也能分泌少量的孕激素,在妊娠妇女,胎盘也能分泌大量的孕激素以维持妊娠。卵巢内孕激素的合成同样是以胆固醇为原料,首先转化为孕烯醇酮,再在3β-羟类固醇脱氢酶( 3β-HSD)和异构酶的作用下转化为孕酮。血浆中的孕酮多为结合型,游离型的仅占3%,但具有生物活性。孕酮主要在肝脏内转化为孕二醇,然后大部分由尿中排出( 60%),部分由胆汁排出( 30%)。孕激素的重要作用是当卵子和精子结合时,使子宫分泌,准备孕卵的着床;还可以加速卵子或胚胎向子宫方向运动。孕酮协同雌二醇、生长素和催乳素促进乳腺的增生发育。
图9-27 孕酮结构模式图
5.孕酮的生理功能 ( 1)对女性生殖系统的作用:
①对子宫的作用:在雌激素的作用基础上,使子宫内膜呈现分泌期变化,表现为内膜增厚,子宫腺增生、扩张、糖原合成增加,为胚胎的植入提供条件;抑制子宫平滑肌的收缩,有利于胚胎的植入。②对阴道上皮的作用:促进阴道上皮的脱落。③对乳腺的作用:促进乳腺的发育成熟。
( 2)其他作用:
孕酮可作用于中枢神经系统,使基础体温升高;竞争性地抑制醛固酮功能,起利尿作用。
6.抑制素
卵泡刺激素还能刺激卵泡细胞分泌抑制素,后者通过负反馈机制,抑制卵泡刺激素的分泌。男性也是如此。
卵巢分泌的激素见表9-9。
表9-9 雌性生殖系统激素
三、卵巢的毒理学表现及其机制
诱发性肿瘤:啮齿类动物卵巢肿瘤可分为5种类型,包括上皮细胞瘤、性索间质瘤、生殖细胞瘤、来源于卵巢非特异性软组织的肿瘤和从其他部位转移到卵巢的肿瘤。
卵巢上皮细胞瘤包括囊腺瘤、囊腺癌、管状基质腺瘤和间皮瘤。管状腺瘤或管状基质腺瘤是最重要的小鼠卵巢肿瘤,其发生率常受因暴露于外源性化学物、衰老或者遗传缺陷而引起的各种内分泌紊乱的影响而上升。
另外的卵巢肿瘤来自于性索或卵巢基质,包括粒层细胞肿瘤、黄体瘤、塞尔托利( Sertoli)细胞肿瘤、管状腺瘤(包括来源于卵巢基质的细胞)和未分化的性索间质肿瘤。其中粒层细胞肿瘤是最常见的,因功能紊乱、辐射、卵细胞毒性化学物或初生期胸腺切除等因素造成的长期内分泌功能紊乱,可促使粒层细胞肿瘤在管状或管状基质腺瘤中发生。
对于变异小鼠研究及NTP研究工作的回顾,支持以下的解释,早期胸腺切除而引起的卵母细胞自身抗体产生等,均会减弱卵巢类固醇性激素的分泌,这样就减少了雌激素或者囊状卵泡产生的其他激素样因子对下丘脑-垂体轴激素分泌的抑制作用,导致血中促性腺激素,特别是黄体生成素增加。长期刺激带有黄体生成素受体的基质细胞,可间接促使表层上皮增生,从而使小鼠卵巢增加了发生特殊的管状腺瘤或管状基质瘤的风险。
暴露于外源性化学物与未暴露于外源性化学物的遗传变异的不育小鼠都会产生相同的卵巢管状腺瘤,说明卵巢肿瘤是继发于激素失衡的机制。卵巢肿瘤只发生在垂体、下丘脑功能正常的不孕小鼠,早期给予雌激素可阻止肿瘤的发展;不孕小鼠由于表层上皮和基质过度增生而引起的典型管状腺瘤,但人类并没有相应的情况发生。
对试验所致的卵巢肿瘤已在纯系和杂交系小鼠进行研究表明,在实验室条件下有许多因素可通过不同机制诱发卵巢肿瘤,它包括X线照射、卵细胞毒性化学物、卵巢的异位或正位移植、新生小鼠胸腺切除、造成生殖细胞减少的基因突变和衰老等(图9-28)。这些因素可以引起囊状卵巢功能的丧失从而导致各种卵巢增生性损伤,包括产生肿瘤。在突变小鼠的研究支持不孕小鼠卵巢肿瘤发生的继发性激素介导机制。多种病理遗传因素可以损害或减少囊状卵泡的数量,使得性激素分泌下降,尤其是17β-雌二醇,从而导致垂体促性腺激素代偿性过度产生(尤其是黄体生成素),增加了卵巢发生肿瘤的危险(图9-29)。
卵巢功能低下:营养不良时FSH、LH分泌都减少,或大鼠24小时接受照明则性周期停止,这些都属于非毒性的卵巢功能低下。化学物质引起的卵巢功能低下有:①垂体促性腺激素( FSH、LH)分泌减少或消失;②卵泡形成障碍;③雌激素或黄体酮合成障碍。作用于神经系统的药物,破坏了促性腺激素调节机制,导致血中FSH、LH减少,无机汞等重金属也是通过这个机制引起卵巢功能障碍。射线、某些抗肿瘤药和重金属都能损伤卵母细胞,抑制颗粒细胞、内膜细胞增殖,导致类固醇激素合成障碍。3-羟类固醇脱氢酶抑制剂能够抑制雌激素的合成,抗雌激素或抗黄体酮等药物都能影响生殖系统。
图9-28 小鼠卵巢肿瘤发生过程中由于固醇类激素,特别是雌激素减少引起的负反馈减弱的多种病理机制
图9-29 血中雌激素水平降低解除了对下丘脑垂体的负反馈抑制