PM2.5對男性生殖系統(tǒng)的影響研究進(jìn)展

趙銀銀 邱嫻嫻 肖躍海 江克華 羅大金 孫發(fā)

1貴州醫(yī)科大學(xué)（貴陽550004）；2貴州省人民醫(yī)院（貴陽550002）

環(huán)境細(xì)顆粒物（PM2.5）污染已經(jīng)是全球公共衛(wèi)生需要挑戰(zhàn)的一個巨大問題，它是一種對人類健康有不利影響的物質(zhì)，并成為了全球熱門話題。PM2.5 會導(dǎo)致心肺紊亂及多種臟器損傷［1-4］。環(huán)境污染物可能導(dǎo)致人類的不良生殖結(jié)果和生育障礙。空氣污染尤其與男性DNA 損傷、精子形態(tài)異常和精子性能下降有關(guān)。近年來多項研究表明大氣環(huán)境污染對男性生殖系統(tǒng)有不利影響［5-7］，而環(huán)境顆粒物PM2.5 是大氣污染的一種重要形式，也是檢測的重要指標(biāo)。微粒物質(zhì)（PM）是男性精液質(zhì)量惡化的一個危險因素。流行病學(xué)研究將PM2.5 導(dǎo)致的環(huán)境污染與男性生殖系統(tǒng)的異常進(jìn)行分析并聯(lián)系起來，這些研究說明了污染的水平對精子形態(tài)、精子數(shù)量、活力和睪酮水平等都有一定的影響［8-9］。總體而言，暴露在PM2.5環(huán)境中會影響男性生殖系統(tǒng)，并且一些研究者開始注意其影響機制，通過研究其中的機制來解釋對男性生殖系統(tǒng)損傷的原因，但目前機制的研究尚不完善。本文就近年來PM2.5 影響男性生殖系統(tǒng)的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。

1 環(huán)境PM2.5 水平對精子質(zhì)量的影響

關(guān)于PM2.5 水平對于精子質(zhì)量的影響，國內(nèi)外均有報道。早期HAMMOUD 等［10］為了探討空氣污染指標(biāo)與精子參數(shù)設(shè)計的相關(guān)性，由于冬季前后PM2.5 濃度不同，收集了暴露于各個期間總共1 699 例精液和877 例人工授精樣品，對精液進(jìn)行分析后認(rèn)為：空氣污染與精子活力降低有關(guān)。WU 等［11］調(diào)查了來自中國武漢接受輔助生殖技術(shù)的女性伴侶共1 759 例男性，評估了PM 暴露與精子濃度、數(shù)量和活動力的關(guān)系，結(jié)果表明精子發(fā)育過程中暴露于環(huán)境中的PM 會對精液質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，尤其是精子的濃度和數(shù)量。胡富宇等［12］收集了2014-2017年的3 456 例成年男性體檢者資料，結(jié)果顯示暴露于濃度升高的PM2.5 中，可能導(dǎo)致成年男性的精子質(zhì)量下降，如精子密度、精子活力和精子活率降低。此外，吳黎等［13］收集了湖北省2013-2016年間的2 857 例研究對象精液檢查等資料，通過大樣本量環(huán)境流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大氣PM2.5 的長期暴露與精子活力下降之間存在著明顯相關(guān)性，提示PM2.5 長期暴露可以降低精子質(zhì)量。同期，LAO 等［14］選取2001-2014年間年齡在15 ～49 歲之間的6 475 例男性進(jìn)行研究分析，評估精液質(zhì)量包括精子濃度、總運動力、進(jìn)行性運動和形態(tài)，結(jié)果顯示暴露于PM2.5 空氣污染與較低水平的精子正常形態(tài)和較高水平的精子濃度有關(guān)。上述研究的結(jié)果都說明了環(huán)境PM2.5 與男性精子質(zhì)量的關(guān)系。

動物實驗方面，也有多項研究對PM2.5 水平與雄性動物的精子質(zhì)量關(guān)系進(jìn)行探討。QIU 等［15］用小鼠模型來分析PM2.5 暴露對精子形成以及下丘腦?垂體?性腺軸的影響，將雄性小鼠暴露于PM2.5（CAP）或過濾空氣中4 個月后，對其生精參數(shù)、精子計數(shù)、HPG 軸和睪丸組織學(xué)的主要成分進(jìn)行了評估分析，數(shù)據(jù)表明在小鼠模型中暴露于環(huán)境PM2.5 會損害精子形成。也有研究者選用雄性SD大鼠建立PM2.5 暴露的動物模型，隨后檢測交配成功率、精子質(zhì)量、附睪形態(tài)、睪丸組織超氧化物歧化酶（SOD）活性和表達(dá)、精子發(fā)生標(biāo)記物表達(dá)和BTB 連接蛋白表達(dá)；體外實驗中，對經(jīng)過PM2.5處理后的支持細(xì)胞活性氧（ROS）的產(chǎn)生和凋亡情況進(jìn)行分析。結(jié)果顯示：暴露于PM2.5 后，雄性大鼠睪丸質(zhì)量和精子質(zhì)量較差，精子發(fā)生標(biāo)志物表達(dá)下降，SOD 活性和表達(dá)水平升高，睪丸組織中緊密連接蛋白、黏附連接蛋白和縫隙連接蛋白表達(dá)降低；經(jīng)PM2.5 處理的支持細(xì)胞顯示出SOD 的產(chǎn)生和凋亡增加；血睪屏障（BTB）為精子的發(fā)生提供了適宜的微環(huán)境，然而PM2.5 的暴露破壞了它的完整性，導(dǎo)致男性生殖功能損傷，精子質(zhì)量下降［16-17］。以上實驗數(shù)據(jù)表明PM2.5 確實對男性精子質(zhì)量產(chǎn)生了不利影響。

2 環(huán)境PM2.5 水平對精子基因及染色體的影響研究

大氣污染會潛在影響精子基因完整性，生殖系統(tǒng)也會因為染色體結(jié)構(gòu)或數(shù)量的異常而受到影響［18］。JUREWICZ 等［19］研究波蘭診斷為不孕不育的212 例男性后表示，性染色體二體、Y 染色體二體、21 號染色體二體與PM2.5 之間具有顯著相關(guān)性，這提示空氣污染（PM2.5）可能是精子非整倍性的一個重要風(fēng)險因素。

在唐旭等［20］的實驗研究中，將孕期孕鼠在交通性污染物（包括PM2.5）中暴露后，檢測目的基因Rpe 的mRNA 和Aldh7a1 表達(dá)水平，暴露組Rpe 基因和Aldh7a1 相對表達(dá)量是減少的；而子代雄鼠睪丸細(xì)胞的基因組中有35 個基因甲基化表達(dá)水平降低，23 個基因甲基化表達(dá)水平升高，這些基因?qū)χ饕纳^程起到重要作用。這項研究表明交通性污染物（包括PM2.5）可以使子代雄性睪丸發(fā)生DNA 甲基化，進(jìn)而導(dǎo)致男性生殖功能的損害。

張琳等［21］關(guān)于大氣細(xì)顆粒物（PM2.5）對雄性大鼠生殖毒性作用的研究中，用PM2.5 懸濁液氣管滴注暴露小鼠后，檢測分析小鼠睪丸組織DNA 倍體及細(xì)胞周期發(fā)現(xiàn)，PM2.5 可使二倍體細(xì)胞數(shù)明顯降低，以二倍體細(xì)胞為主的G0/G1 期細(xì)胞比例顯著降低，而G2/M 期的細(xì)胞比例和細(xì)胞增殖指數(shù)有明顯升高。這說明PM2.5 可以透過BTB 來干擾細(xì)胞周期進(jìn)程，從而對生殖系統(tǒng)產(chǎn)生一定毒性作用。

ZHANG 等［22］的研究數(shù)據(jù)顯示，PM 通過增加ROS 水平，抑制了細(xì)胞活力，增加了乳酸脫氫酶（LDH）的釋放。ROS 誘導(dǎo)的DNA 損傷導(dǎo)致生殖細(xì)胞周期阻滯在G0/G1 期和增殖抑制，來影響精子的生發(fā)。

3 環(huán)境PM2.5 水平對雄性激素的影響

可吸入的空氣顆粒物（PM2.5）可以吸附多種金屬及多環(huán)芳烴，而多環(huán)芳烴能對內(nèi)分泌起干擾作用，影響性腺軸及睪丸組織精子的發(fā)生［23-24］。RADWAN 等［25］通過對波蘭327 例男性精液樣本的檢測發(fā)現(xiàn)，包括PM2.5 在內(nèi)的各類空氣污染物的暴露降低了睪丸激素水平。一項研究將成年雄性大鼠用氣管滴注法暴露于PM2.5 懸混液，并利用基于液相色譜/質(zhì)譜的代謝組學(xué)的技術(shù)進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明大鼠睪丸的整體代謝網(wǎng)絡(luò)在PM2.5 暴露下產(chǎn)生了顯著影響，PM2.5 引起大鼠睪丸的類固醇激素代謝失衡、氨基酸和核苷酸代謝紊亂以及脂類代謝的異常［26］。李懷康等［27］也使用氣管滴注的方法給SD 雄鼠進(jìn)行PM2.5 染毒，通過檢測黃體生成素、血清睪酮、卵泡刺激素的水平，觀察PM2.5水平對雄性激素的影響情況后發(fā)現(xiàn)，高劑量PM2.5雄鼠的血清卵泡刺激素和黃體生成素濃度升高，血清睪酮的濃度下降。QIU 等［15］的小鼠實驗也顯示，CAP 暴露對于降低睪丸睪酮和促卵泡刺激素靶基因SHBG、循環(huán)睪酮和卵泡刺激素、17hwrhsd 和StAR的mRNA 表達(dá)、促黃體生成素靶基因P450scc 有顯著影響。

4 環(huán)境PM2.5 水平對精子質(zhì)量損害的機制

4.1 PI3K/AKT 信號通路目前PM2.5 暴露導(dǎo)致精子發(fā)生損傷的機制尚不明確。正常的精子生成是維持男性生殖功能的條件，在這個過程中起著至關(guān)重要作用的是支持細(xì)胞。嚴(yán)超等［28］用SD 小鼠進(jìn)行實驗，將其長期暴露于PM2.5，先是證明了PM2.5 可致生殖功能受損，并通過進(jìn)一步實驗研究雄性生殖功能損傷的分子機制，結(jié)果表明PM2.5長期暴露致使大鼠睪丸組織中PI3K、p?AKT 表達(dá)上調(diào)。p?AKT 主要位于Sertoli 細(xì)胞。在PM2.5 致細(xì)胞毒性的關(guān)鍵分子機制中，認(rèn)為是PM2.5 暴露導(dǎo)致了氧化應(yīng)激損傷，而P13K/AKT 信號通路是氧化應(yīng)激損傷中的一條重要通路，其破壞細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡是通過增加ROS 的生成。因此，研究者認(rèn)為PM2.5 是通過激活PI3K/AKT 信號通路來增加Sertoli 細(xì)胞的氧化壓力，再破壞BTB 的完整性，以致精子生成減少，最終損害雄性生殖的功能。CAO 等［29］通過大鼠實驗檢測大鼠生殖功能，收集睪丸來評估組織形態(tài)學(xué)的改變，并檢測生物標(biāo)志物［包括連接蛋白43（Cx43）、超氧化物歧化酶（SOD）、磷酸化蛋白激酶B（p?Akt）和磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）］。暴露于PM2.5 的雄性大鼠生殖功能下降：生育能力明顯下降，精子數(shù)量明顯減少，精子畸形率增高，睪丸組織形態(tài)學(xué)嚴(yán)重受損；Cx43水平顯著下調(diào)，SOD水平分別隨不同劑量顯著上調(diào)和下調(diào)；PI3K 和p?Akt 蛋白表達(dá)顯著升高。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PM2.5 的長期暴露可通過PI3K/AKT 信號通路增加支持細(xì)胞內(nèi)活性氧的生成，從而影響支持細(xì)胞的存活和功能。Cx43 表達(dá)水平降低，主要通過損傷縫隙連接影響B(tài)TB 的完整性，進(jìn)而導(dǎo)致男性生殖系統(tǒng)損傷。上述研究都提示PM2.5 通過PI3K/AKT 信號通路是致BTB 破壞而影響精子質(zhì)量一種機制。

4.2 TGF?β3/p38 MAPK 通路研究顯示PM 與男性生殖功能障礙有關(guān)。為了研究PM 的毒性機制，LIU 等［30］將雄性SD 大鼠分別以不同劑量暴露于生理鹽水或PM2.5 中。而后檢測絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路表達(dá)、BTB 相關(guān)蛋白、轉(zhuǎn)化生長因子β3、腫瘤壞死因子α的水平。結(jié)果顯示暴露于PM2.5 后大鼠睪丸中BTB 超微結(jié)構(gòu)改變；睪丸中N?Cadherin、Occludin、Claudin?11、Connexin?43蛋白水平顯著降低；TGF?b3 含量增加，p?p38/p38 MAPK 比值增加。上述結(jié)果說明PM2.5 抑制BTB?associated 蛋白質(zhì)的表達(dá)是通過激活TGF?β3/p38 MAPK 通路，從而導(dǎo)致BTB 受到損害而導(dǎo)致精子質(zhì)量的下降，這可能是其負(fù)面影響精子發(fā)生和男性生殖系統(tǒng)的潛在原因。

4.3 ROS介導(dǎo)的MAPK信號通路長期暴露于汽車尾氣顆粒物2.5（PM2.5）可通過氧化應(yīng)激損傷來損害精子形成。LIU 等［31］用雄性SD 大鼠暴露于PM2.5 進(jìn)行試驗后，數(shù)據(jù)表示雄性大鼠生育能力明顯下降，精子質(zhì)量下降；SOD和Nrf2表達(dá)明顯降低，MDA 表達(dá)明顯升高；血睪丸屏障相關(guān)蛋白ZO?1、occludin、connexin 43、catenin 表達(dá)明顯降低，Bc1?2/Bax 比值下調(diào)，cleaved caspase?3 水平升高。MAPKs的磷酸化，包括ERKs、JNICs 和p38 上調(diào)。結(jié)果表明PM2.5 通過降低BTB 相關(guān)蛋白的表達(dá)而破壞BTB 完整性，BTB 完整性與ROS 介導(dǎo)的MAPK 信號通路密切相關(guān)［31］。

4.4 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激另一項試驗是研究夏季和冬季PM2.5 對生殖細(xì)胞和組織的毒性作用，并以內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（ERS）為重點，闡明其可能的分子機制。LIU等［32］通過SD 大鼠在兩個季節(jié)的PM2.5 氣管內(nèi)灌注暴露后，收集動物精子和生殖器官（睪丸和附睪）進(jìn)行毒性評價和機制分析，數(shù)據(jù)顯示隨著夏季和冬季PM2.5 的暴露，精子相對能動性顯著下降，而精子畸形率顯著增加，促進(jìn)睪丸生殖細(xì)胞凋亡，特別是冬季PM2.5 最高劑量組的生殖毒性顯著大于其他PM2.5 暴露組，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的生物標(biāo)志物XBP?1和GRP78 表達(dá)增強，通過上調(diào)附睪和睪丸中的Caspase?12 和CHOP 來激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)介導(dǎo)的睪丸生精小管凋亡。結(jié)果發(fā)現(xiàn)PM2.5 通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)對精子質(zhì)量產(chǎn)生影響，但其所檢測指標(biāo)較少，關(guān)于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激過程的提示是不完全的。

4.5 NALP3 炎癥小體途徑有研究證實巨噬細(xì)胞可能被激活并分泌促炎細(xì)胞因子［33］，巨噬細(xì)胞是先天性免疫系統(tǒng)的重要應(yīng)答者，也是睪丸組織中的關(guān)鍵成員。慢性暴露于PM2.5 后，在不同組織中觸發(fā)的促炎細(xì)胞因子顯著增加，導(dǎo)致全身炎癥［34-35］。男性生殖道產(chǎn)生炎癥會有不利影響，大多表現(xiàn)為精子數(shù)量減少、雄性激素分泌減少和暫時喪失生育能力［36］。NALP3 作為先天免疫的重要組成部分，是細(xì)胞損傷的全局傳感器；叉頭盒蛋白O1（FOXO1）是一種重要轉(zhuǎn)錄因子，可以協(xié)調(diào)多種細(xì)胞反應(yīng)，調(diào)控氧化應(yīng)激是通過調(diào)節(jié)多種抗氧化酶來的［37］。ZHOU 等［38］建立全身PM 暴露小鼠模型，檢測精子質(zhì)量、睪丸組織學(xué)、睪丸睪酮水平、NALP3 炎性小體表達(dá)、FOXO1 及其上游調(diào)控mi?croRNAs、miR?183/96/182 的表達(dá)。研究結(jié)果表明，PM2.5 暴露與精子質(zhì)量下降的關(guān)系呈時間依賴性和劑量依賴性。精子質(zhì)量下降的部分原因可能是由PM2.5 引發(fā)的全身炎癥引起的睪丸炎癥反應(yīng)。睪丸損傷的機制可能是通過NALP3 炎癥小體途徑，精子發(fā)育失敗依賴于靶向FOXO1 的miR?183/96/182 簇。ZHANG 等［22］關(guān)于ROS 水平和線粒體方面機制的研究提供了幾種PM2.5 致雄性生殖毒性機制的依據(jù)，但尚不十分明確，也提供了今后可繼續(xù)研究深入的方向。

5 總結(jié)

綜上所述，環(huán)境PM2.5 的水平對于男性生殖系統(tǒng)有不利影響。無論是對精子質(zhì)量、雄性激素內(nèi)分泌還是精子基因染色體，都有各項實驗研究表明PM2.5 對其有損害作用。近些年來，空氣污染越來越嚴(yán)重，已是一個世界性問題，而PM2.5 作為主要的一種空氣顆粒污染物，據(jù)各項研究顯示其是致使男性精液質(zhì)量下降的危險因素。但是，目前它對生殖系統(tǒng)損害作用的機制還不夠深入，雖然已有研究者開始對機制作用進(jìn)行探究，但也只是有了一些較淺的結(jié)論，其中實驗的影響因素比較多，這會造成難以獲得確定性的結(jié)果。所以還需行更多的實驗和進(jìn)一步研究來明確PM2.5 造成男性生殖系統(tǒng)損傷的機制，從而給以后的臨床診療中提供治療靶點。