PM2.5對男性生殖系統的影響研究進展

趙銀銀 邱嫻嫻 肖躍海 江克華 羅大金 孫發

1貴州醫科大學（貴陽550004）；2貴州省人民醫院（貴陽550002）

環境細顆粒物（PM2.5）污染已經是全球公共衛生需要挑戰的一個巨大問題，它是一種對人類健康有不利影響的物質，并成為了全球熱門話題。PM2.5 會導致心肺紊亂及多種臟器損傷［1-4］。環境污染物可能導致人類的不良生殖結果和生育障礙。空氣污染尤其與男性DNA 損傷、精子形態異常和精子性能下降有關。近年來多項研究表明大氣環境污染對男性生殖系統有不利影響［5-7］，而環境顆粒物PM2.5 是大氣污染的一種重要形式，也是檢測的重要指標。微粒物質（PM）是男性精液質量惡化的一個危險因素。流行病學研究將PM2.5 導致的環境污染與男性生殖系統的異常進行分析并聯系起來，這些研究說明了污染的水平對精子形態、精子數量、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環境中會影響男性生殖系統，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 影響男性生殖系統的研究進展進行總結。

1 環境PM2.5 水平對精子質量的影響

關于PM2.5 水平對于精子質量的影響，國內外均有報道。早期HAMMOUD 等［10］為了探討空氣污染指標與精子參數設計的相關性，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，對精液進行分析后認為：空氣污染與精子活力降低有關。WU 等［11］調查了來自中國武漢接受輔助生殖技術的女性伴侶共1 759 例男性，評估了PM 暴露與精子濃度、數量和活動力的關系，結果表明精子發育過程中暴露于環境中的PM 會對精液質量產生不利影響，尤其是精子的濃度和數量。胡富宇等［12］收集了2014-2017年的3 456 例成年男性體檢者資料，結果顯示暴露于濃度升高的PM2.5 中，可能導致成年男性的精子質量下降，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，通過大樣本量環境流行病學調查發現，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性，提示PM2.5 長期暴露可以降低精子質量。同期，LAO 等［14］選取2001-2014年間年齡在15 ～49 歲之間的6 475 例男性進行研究分析，評估精液質量包括精子濃度、總運動力、進行性運動和形態，結果顯示暴露于PM2.5 空氣污染與較低水平的精子正常形態和較高水平的精子濃度有關。上述研究的結果都說明了環境PM2.5 與男性精子質量的關系。

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量關系進行探討。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、精子計數、HPG 軸和睪丸組織學的主要成分進行了評估分析，數據表明在小鼠模型中暴露于環境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、精子質量、附睪形態、睪丸組織超氧化物歧化酶（SOD）活性和表達、精子發生標記物表達和BTB 連接蛋白表達；體外實驗中，對經過PM2.5處理后的支持細胞活性氧（ROS）的產生和凋亡情況進行分析。結果顯示：暴露于PM2.5 后，雄性大鼠睪丸質量和精子質量較差，精子發生標志物表達下降，SOD 活性和表達水平升高，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降低；經PM2.5 處理的支持細胞顯示出SOD 的產生和凋亡增加；血睪屏障（BTB）為精子的發生提供了適宜的微環境，然而PM2.5 的暴露破壞了它的完整性，導致男性生殖功能損傷，精子質量下降［16-17］。以上實驗數據表明PM2.5 確實對男性精子質量產生了不利影響。

2 環境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，生殖系統也會因為染色體結構或數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 表達水平，暴露組Rpe 基因和Aldh7a1 相對表達量是減少的；而子代雄鼠睪丸細胞的基因組中有35 個基因甲基化表達水平降低，23 個基因甲基化表達水平升高，這些基因對主要的生精過程起到重要作用。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生DNA 甲基化，進而導致男性生殖功能的損害。

張琳等［21］關于大氣細顆粒物（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 倍體及細胞周期發現，PM2.5 可使二倍體細胞數明顯降低，以二倍體細胞為主的G0/G1 期細胞比例顯著降低，而G2/M 期的細胞比例和細胞增殖指數有明顯升高。這說明PM2.5 可以透過BTB 來干擾細胞周期進程，從而對生殖系統產生一定毒性作用。

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

3 環境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芳烴，而多環芳烴能對內分泌起干擾作用，影響性腺軸及睪丸組織精子的發生［23-24］。RADWAN 等［25］通過對波蘭327 例男性精液樣本的檢測發現，包括PM2.5 在內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/質譜的代謝組學的技術進行分析，研究結果表明大鼠睪丸的整體代謝網絡在PM2.5 暴露下產生了顯著影響，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現，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、循環睪酮和卵泡刺激素、17hwrhsd 和StAR的mRNA 表達、促黃體生成素靶基因P450scc 有顯著影響。

4 環境PM2.5 水平對精子質量損害的機制

4.1 PI3K/AKT 信號通路目前PM2.5 暴露導致精子發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重要作用的是支持細胞。嚴超等［28］用SD 小鼠進行實驗，將其長期暴露于PM2.5，先是證明了PM2.5 可致生殖功能受損，并通過進一步實驗研究雄性生殖功能損傷的分子機制，結果表明PM2.5長期暴露致使大鼠睪丸組織中PI3K、p?AKT 表達上調。p?AKT 主要位于Sertoli 細胞。在PM2.5 致細胞毒性的關鍵分子機制中，認為是PM2.5 暴露導致了氧化應激損傷，而P13K/AKT 信號通路是氧化應激損傷中的一條重要通路，其破壞細胞內氧化還原平衡是通過增加ROS 的生成。因此，研究者認為PM2.5 是通過激活PI3K/AKT 信號通路來增加Sertoli 細胞的氧化壓力，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學的改變，并檢測生物標志物［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，精子數量明顯減少，精子畸形率增高，睪丸組織形態學嚴重受損；Cx43水平顯著下調，SOD水平分別隨不同劑量顯著上調和下調；PI3K 和p?Akt 蛋白表達顯著升高。研究結果發現，PM2.5 的長期暴露可通過PI3K/AKT 信號通路增加支持細胞內活性氧的生成，從而影響支持細胞的存活和功能。Cx43 表達水平降低，主要通過損傷縫隙連接影響BTB 的完整性，進而導致男性生殖系統損傷。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。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、BTB 相關蛋白、轉化生長因子β3、腫瘤壞死因子α的水平。結果顯示暴露于PM2.5 后大鼠睪丸中BTB 超微結構改變；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。上述結果說明PM2.5 抑制BTB?associated 蛋白質的表達是通過激活TGF?β3/p38 MAPK 通路，從而導致BTB 受到損害而導致精子質量的下降，這可能是其負面影響精子發生和男性生殖系統的潛在原因。

4.3 ROS介導的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 進行試驗后，數據表示雄性大鼠生育能力明顯下降，精子質量下降；SOD和Nrf2表達明顯降低，MDA 表達明顯升高；血睪丸屏障相關蛋白ZO?1、occludin、connexin 43、catenin 表達明顯降低，Bc1?2/Bax 比值下調，cleaved caspase?3 水平升高。MAPKs的磷酸化，包括ERKs、JNICs 和p38 上調。結果表明PM2.5 通過降低BTB 相關蛋白的表達而破壞BTB 完整性，BTB 完整性與ROS 介導的MAPK 信號通路密切相關［31］。

4.4 內質網應激另一項試驗是研究夏季和冬季PM2.5 對生殖細胞和組織的毒性作用，并以內質網應激（ERS）為重點，闡明其可能的分子機制。LIU等［32］通過SD 大鼠在兩個季節的PM2.5 氣管內灌注暴露后，收集動物精子和生殖器官（睪丸和附睪）進行毒性評價和機制分析，數據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，促進睪丸生殖細胞凋亡，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，內質網的生物標志物XBP?1和GRP78 表達增強，通過上調附睪和睪丸中的Caspase?12 和CHOP 來激活內質網介導的睪丸生精小管凋亡。結果發現PM2.5 通過內質網對精子質量產生影響，但其所檢測指標較少，關于內質網應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胞可能被激活并分泌促炎細胞因子［33］，巨噬細胞是先天性免疫系統的重要應答者，也是睪丸組織中的關鍵成員。慢性暴露于PM2.5 后，在不同組織中觸發的促炎細胞因子顯著增加，導致全身炎癥［34-35］。男性生殖道產生炎癥會有不利影響，大多表現為精子數量減少、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，是細胞損傷的全局傳感器；叉頭盒蛋白O1（FOXO1）是一種重要轉錄因子，可以協調多種細胞反應，調控氧化應激是通過調節多種抗氧化酶來的［37］。ZHOU 等［38］建立全身PM 暴露小鼠模型，檢測精子質量、睪丸組織學、睪丸睪酮水平、NALP3 炎性小體表達、FOXO1 及其上游調控mi?croRNAs、miR?183/96/182 的表達。研究結果表明，PM2.5 暴露與精子質量下降的關系呈時間依賴性和劑量依賴性。精子質量下降的部分原因可能是由PM2.5 引發的全身炎癥引起的睪丸炎癥反應。睪丸損傷的機制可能是通過NALP3 炎癥小體途徑，精子發育失敗依賴于靶向FOXO1 的miR?183/96/182 簇。ZHANG 等［22］關于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，但尚不十分明確，也提供了今后可繼續研究深入的方向。

5 總結

綜上所述，環境PM2.5 的水平對于男性生殖系統有不利影響。無論是對精子質量、雄性激素內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，據各項研究顯示其是致使男性精液質量下降的危險因素。但是，目前它對生殖系統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行探究，但也只是有了一些較淺的結論，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果。所以還需行更多的實驗和進一步研究來明確PM2.5 造成男性生殖系統損傷的機制，從而給以后的臨床診療中提供治療靶點。