空氣污染對男性生育能力的影響及其機制

胡建英狄 娟曹億會張瑞仙

(1.云南省疾病預(yù)防控制中心 免疫規(guī)劃所,昆明 650022;2.云南省疾病預(yù)防控制中心 環(huán)境衛(wèi)生所,昆明 650022;3.云南省疾病預(yù)防控制中心 急性傳染病防制所,昆明 650022;4.云南省第一人民醫(yī)院/昆明理工大學(xué)附屬醫(yī)院疾病預(yù)防控制科,昆明 650034)

世衛(wèi)組織(world health organization, WHO)報道,2016 年,全球91%的人生活之處,空氣質(zhì)量均未達到WHO 空氣質(zhì)量指南水平[1]。 該指南指出,空氣污染是威脅健康的重要環(huán)境風(fēng)險因素,不僅使中風(fēng)、心臟病、癌癥等多種疾病負(fù)擔(dān)加重,對生殖細(xì)胞的損害,也是近年來生育率下降的重要原因[2],尤其在工業(yè)化國家[3-5]。 本綜述重點關(guān)注空氣污染對男性不育的影響及其發(fā)生機制的研究進展,將從宏觀流行病學(xué)和微觀分子生物學(xué)兩個層次著手,總結(jié)論述空氣污染對男性不育的影響及其分子機制。

1 環(huán)境污染影響男性不育的流行病學(xué)研究

衡量男性生育能力最重要、最直接的指標(biāo)是精子質(zhì)量,也有研究關(guān)注體內(nèi)激素水平、甚或睪丸相關(guān)細(xì)胞等。 精子質(zhì)量參數(shù)主要包括:精子數(shù)量和/或精子濃度(精子濃度=精子數(shù)量/精液量)、總活力、進行性運動(progressive motility,PrM)、非進行性運動(non-progressive motility, NPrM)、正常形態(tài)精子率;也有研究指向精子基因如DNA 碎片指數(shù)(DNA fragmentation index,DFI)、染色質(zhì)變化等。

1.1 PM 污染與精子質(zhì)量

意大利一項為期6 年的研究,將空氣污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)與谷歌地圖程序?qū)ρ芯繉ο蟮牡乩砭幋a相結(jié)合,發(fā)現(xiàn)環(huán)境顆粒物(particulate matter, PM)濃度與精子的PrM 能力呈負(fù)相。 而PM 與精子的NPrM和正常形態(tài)精子比例(normal, Nor)則呈正相[6]。Bosco 等[7]研究發(fā)現(xiàn),職業(yè)性污染PM2.5和PM10環(huán)境中,育齡男性的精子數(shù)量、濃度、線性進行性運動精子比例并未發(fā)現(xiàn)差異,而靜止精子比例則顯著降低。

以上國外研究中,PM 對精子質(zhì)量影響的研究結(jié)論存在爭議,國內(nèi)也類似。 如香港大學(xué)Lao 等[8]利用基于衛(wèi)星導(dǎo)出的氣溶膠光學(xué)深度數(shù)據(jù)的時空模型,對臺灣6475 名15~49 歲男性參與者精子質(zhì)量研究,發(fā)現(xiàn)2 年平均空氣PM2.5每增加5 μg/m3,精子正常形態(tài)率下降1.29%、而精液濃度每毫升提高1.03×106個;3 個月的空氣質(zhì)量變化數(shù)據(jù)結(jié)果類似,精子正常形態(tài)率下降0.91%、精液濃度變化量同前。 因此認(rèn)為,長期和短期PM2.5暴露,均與正常形態(tài)精子數(shù)減少、精液濃度升高相關(guān)。 另外,武漢和淮安所進行的研究均提示,PM2.5和PM10暴露與精子數(shù)量減少、濃度下降均呈負(fù)相關(guān)[9-10];然而,此兩項研究關(guān)于PM 對精子活力的影響則不同,前者認(rèn)為兩者無關(guān)[9],后者則認(rèn)為PM10暴露與精子活力下降有關(guān)[10]。 相反,Zhou 等[11]對不育男性患者的研究發(fā)現(xiàn),PM 暴露對精子濃度有積極影響,然而,PM10暴露與精子正常形態(tài)比例下降、活力下降有關(guān)。 淮安市研究還發(fā)現(xiàn),PM2.5和PM10對精液質(zhì)量不利影響的敏感期在精子形成的早中期;故鑒于空氣污染的普遍存在,為促進生殖健康,提高精液質(zhì)量,提出采取預(yù)防措施應(yīng)于受孕90 d 前就開始,而不僅僅在精子形成階段(如射精前70~90 d)[10]。

1.2 多種空氣污染物與精子質(zhì)量

國內(nèi)外均有部分研究將時空結(jié)合,較為真實地反應(yīng)了空氣污染與精子質(zhì)量的相關(guān)性;從研究設(shè)計來看,前瞻性研究可提高因果關(guān)系的可靠性,如一項在健康捐精者中進行的研究,發(fā)現(xiàn)4 種空氣污染物(O3、NO2、CO 和PM10)中,只有O3暴露對精子參數(shù)有顯著影響,且暴露的不同階段,對精子的影響也不同:精液收集前0~9 d,若空氣O3濃度增加,則精子濃度下降;若10~14 d 或70~90 d 時,O3與精子濃度變化關(guān)系不明顯[12]。 同樣是多種空氣污染物與精子質(zhì)量參數(shù)的相關(guān)報道,Radwan 等[13]在波蘭進行的研究認(rèn)為,暴露于空氣污染物PM10、PM2.5、SO2、NOX、CO 均與精子形態(tài)異常相關(guān),但對精子濃度和活力卻均無影響[13]。 捷克學(xué)者則認(rèn)為與非產(chǎn)煤地區(qū)相比,產(chǎn)煤地區(qū)空氣對男性精子活動性有顯著的負(fù)面影響,而且,空氣污染與精子及其頭部形態(tài)異常比例增高顯著相關(guān),但并未發(fā)現(xiàn)其對精子總數(shù)有影響[14]。

我國有學(xué)者也持續(xù)關(guān)注該領(lǐng)域,多年來從不同維度報道了空氣污染與精子質(zhì)量的關(guān)系,首先比較了空氣污染程度較輕的農(nóng)村與污染較重的城市,發(fā)現(xiàn)農(nóng)村居民精液質(zhì)量較城市者更好,特別是精子形態(tài);其次,不僅外暴露的PM10、SO2、NO2濃度與研究對象正常精子形態(tài)百分比分別顯著負(fù)相關(guān),而且,PM10和NO2均與精子運動速率顯著負(fù)相關(guān),提示PM10、SO2、NO2可能是城市男性精液質(zhì)量較差的重要影響因素[11]。 近年在同一地區(qū)的深入研究發(fā)現(xiàn),較差的空氣質(zhì)量可能與精子氧化損傷有關(guān),特別是在精子發(fā)育的特定時期暴露于SO2中[15]。 對此,如果能夠持續(xù)追蹤,并觀察研究對象的生育能力,則可得出更有意義的結(jié)論。

1.3 特定空氣污染與精子質(zhì)量

空氣污染的一個主要來源是汽車尾氣,已有不少研究關(guān)注暴露于尾氣中的職業(yè)人員,如高速公路上的收費員(暴露于汽車尾氣中),與同一公司在室內(nèi)工作的同事相比,前者在精子數(shù)量、活動性和形態(tài)(尤其是頭部缺陷)方面均有顯著下降或異常[16-17]。 類似研究De Rosa 等[18]報道,暴露于空氣污染環(huán)境的收費員與年齡匹配的隨機招募對照男性相比,其精子能動性、活力、核DNA 完整性、宮頸粘液穿透能力均顯著降低,但精子數(shù)量和濃度則無差異。

可見,空氣污染可能改變精子數(shù)量、活力、形態(tài)等物理特性,究其原因,可能在精子DNA 水平已發(fā)生可逆或不可逆性變化。 這點在以上部分研究中已有報道:空氣污染可能影響精子基因組[13,19];Jurewicz 等[20]在不育咨詢者的精子研究中,發(fā)現(xiàn)其精子濃度正常,而PM10、PM2.5暴露與精子某些染色體非整倍體率顯著正相關(guān):r(PM10vs. 21 號染色體畸形)= 0.58;r(PM2.5vs. Y 染色體畸形)= 0.68;類似的,PM10、PM2.5與不成熟精子(精子不成熟表現(xiàn)在染色質(zhì)濃縮不全)比例增高相關(guān)[13];捷克學(xué)者則發(fā)現(xiàn),暴露于空氣污染嚴(yán)重的男性,其染色質(zhì)異常的精子比例顯著增加,DFI 增高[19](DFI 是公認(rèn)的臨床不育和自然流產(chǎn)的重要直接原因);類似的,意大利學(xué)者在研究PM 污染環(huán)境中的職業(yè)男性時,發(fā)現(xiàn)其平均DFI 顯著高于對照[7]。

1.4 空氣污染與雄性激素

有研究報道了空氣污染對體內(nèi)性腺軸中激素循環(huán)水平的影響。 Radwan 等[13]發(fā)現(xiàn),空氣中PM10、PM2.5、NOx、CO 含量與男性睪酮水平呈負(fù)相關(guān);多種可揮發(fā)性化學(xué)污染物,如雙酚A、鄰苯二甲酸酯等殘留,可直接導(dǎo)致睪酮生成紊亂[21];然而,暴露于汽車尾氣的高速站收費工人,睪酮水平卻與對照組無差異[18]。 對于形成并分泌睪酮的睪丸組織,主要在動物體內(nèi)進行觀察研究。

可見,從流行病學(xué)水平對人群進行研究時,空氣污染對精子質(zhì)量不同指標(biāo)影響的程度不同,甚至截然相反。 可能因為現(xiàn)有研究可比性局限,且各項研究的污染物來源或成分有差異,而且往往在研究對象、研究持續(xù)時間和暴露時間等方面有所不同。為此,進一步的研究需更為嚴(yán)格的課題設(shè)計,數(shù)據(jù)處理時需進行多因素統(tǒng)計分析、逐步尋找影響因素、并通過構(gòu)建不同模型進行預(yù)測,以定量衡量其對精子質(zhì)量的影響程度。

2 環(huán)境污染影響男性不育的實驗室研究

由于倫理問題,對于更深入的體內(nèi)研究,則需要在動物中進行。 與在男性精子變化中觀察到的結(jié)果類似,暴露于汽車尾氣(尤其是柴油車尾氣)的小鼠和大鼠中,精子的每日產(chǎn)生量顯著下降,形態(tài)異常率也有所增加[22-25];而且,空氣污染對精子核質(zhì)量的深入影響也有研究,如加拿大科學(xué)家于本世紀(jì)初報道,暴露于兩家綜合鋼鐵廠下風(fēng)1 公里處的小鼠,其串聯(lián)重復(fù)DNA 位點比30 公里外小鼠相應(yīng)基因位點的遺傳突變頻率高1.5~2.0 倍[26]。 Yauk等[27]進一步發(fā)現(xiàn),暴露于環(huán)境污染空氣中的小鼠,其精子DNA 斷裂和精子DNA 高甲基化顯著增加,這些均與精子DNA 突變率顯著增加相關(guān),特別是在DNA 序列重復(fù)位點上,后者又增加了精子DNA 發(fā)生基因突變的可能性,并遺傳給后代。

除上述指標(biāo),動物實驗更便于觀察和檢測睪丸組織相關(guān)細(xì)胞和性激素水平的變化。 Yoshida 等[23]發(fā)現(xiàn),暴露于柴油廢氣中的小鼠,睪丸間質(zhì)細(xì)胞上黃體生成素(luteinizing hormone, LH)受體轉(zhuǎn)錄水平顯著降低、間質(zhì)細(xì)胞和生精細(xì)胞形態(tài)改變;同樣條件下的大鼠,Watanabe[22]發(fā)現(xiàn)其睪丸支持細(xì)胞數(shù)量減少(P<0.05)。 關(guān)于激素的變化,Jeng 等[24]已經(jīng)證明,長期接觸多環(huán)芳烴會導(dǎo)致血液睪酮水平下降,LH 水平上升,以上變化均有統(tǒng)計學(xué)意義;暴露于苯并(a)芘的大鼠,血液睪酮和LH 變化同上[28]。然而,Tsukue 等[29]則觀察到,暴露于不同濃度梯度柴油尾氣的小鼠,血液睪酮和LH 均較對照組顯著升高,而這可能與副性腺(前列腺、精囊)的重量變化有關(guān)。 另一組研究,同樣暴露于柴油廢氣條件下,大鼠的雌激素和睪酮水平顯著升高,LH 和卵泡刺激素則顯著降低,此外,精母細(xì)胞和精子細(xì)胞間,變性細(xì)胞數(shù)量顯著增加[25]。 近年,我國有學(xué)者發(fā)現(xiàn),汽油尾氣可使大鼠睪丸生精小管上皮細(xì)胞疏松、數(shù)量減少、生精小管內(nèi)精子數(shù)量顯著減少,附睪精子數(shù)減少、精子畸形率顯著升高;分子水平上,α6-整合素和β1-整合素(鼠精原干細(xì)胞表面標(biāo)記物)的mRNA 和蛋白表達水平均顯著降低[30-31];另一方面,汽車尾氣衍生的PM2.5,可通過激活ROS-MAPKNrf2 通路,誘導(dǎo)大鼠支持細(xì)胞凋亡、破壞血睪屏障、損傷其生育能力[32]。

可見,不同形式空氣污染在動物體內(nèi)研究的結(jié)論,與流行病學(xué)在人群中所進行的研究結(jié)論基本一致,均給雄性生育能力帶來不利影響。

3 環(huán)境污染影響男性不育的分子機制研究

近年,在空氣污染對男性生育能力影響的發(fā)生機制研究中,環(huán)境、生物、醫(yī)學(xué)等不同領(lǐng)域?qū)W者均進行了多角度深入探討。 本文將機制研究分為4 類,然而,不同機制間也交互滲透,此處簡要概述如下:

3.1 干擾內(nèi)分泌

空氣污染物,尤其是附著于PM 上的多環(huán)芳烴,是具有雌激素、抗雌激素或抗雄激素活性的內(nèi)分泌干擾物[33],多環(huán)芳烴通過結(jié)合雌激素受體或雄激素受體,發(fā)揮激動或拮抗作用;也可能進一步激活芳香烴受體下游通路,參與許多細(xì)胞過程,最終影響精子的生成、活力、形態(tài)等[34]。

3.2 誘導(dǎo)產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species,ROS)

大多數(shù)空氣污染物(如NO2、PM)是ROS 誘導(dǎo)劑,或者通過其(如O3或PM)所含的重金屬和多環(huán)芳烴,誘導(dǎo)ROS 產(chǎn)生[16,32,35]。 雖然正常受精需要一定量的ROS,而過量則會對精子造成損傷[35]:因為精子膜含有大量多不飽和脂肪酸,以維持胞膜流動性,使其對氧化應(yīng)激高度敏感,然而,這些脂肪酸的過氧化作用會導(dǎo)致其流動性喪失、膜表面酶和離子通道活性降低,從而改變精子的活動能力和精卵融合能力。 ROS 誘導(dǎo)的蛋白氧化,也可能通過分裂多肽鏈和聚合蛋白的積累,在精子分化的最后階段,染色質(zhì)重塑受損和精化不良,使精子功能改變。 最后,ROS 可能引發(fā)導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的連鎖反應(yīng),尤其是通過改變線粒體膜的完整性。 近年也有報道稱,PM2.5通過PI3K/Akt 信號通路引發(fā)氧化應(yīng)激,導(dǎo)致雄性大鼠生殖功能障礙[36]。 以上這些錯誤還可能同時或續(xù)慣發(fā)生、使損害疊加,最終導(dǎo)致精子數(shù)量、活性異常,影響男性生育能力[35,37]。

3.3 血睪屏障破壞和DNA 突變

多種環(huán)境污染物(如多氯聯(lián)苯、二氯化鉻等)均可引起睪丸免疫微環(huán)境變化,如IL-6、TNF-α、IL-1β等致炎因子升高,NALP3 炎癥小體形成,從而直接或間接破壞血睪屏障[38-39];或通過誘導(dǎo)ROS 的產(chǎn)生,經(jīng)多種信號通路(如上述動物觀察研究部分)引起血睪屏障損傷[32,38];炎癥微環(huán)境還可致精子DNA鏈斷裂和基因突變,受精潛能下降,進而改變隨后的胚胎發(fā)育[2]。 類似的,不同空氣污染成分同時或先后使DNA 位點遺傳突變頻率顯著增高[26],并增加細(xì)胞凋亡風(fēng)險。 其次,在生殖細(xì)胞中,一些空氣污染物分子(尤其是PM 中含有的多環(huán)芳烴)可通過共價鍵與DNA 堿基結(jié)合,形成DNA 加合物,從而改變基因表達[24,40]。

3.4 表觀遺傳修飾

表觀遺傳修飾,如DNA 甲基化的改變、RNA和/或組蛋白修飾等,均可能在精子發(fā)育的不同階段引起基因表達異常[2]。 暴露于交通相關(guān)空氣污染的小鼠,其基因甲基化狀態(tài)會發(fā)生變化[41];長期暴露于對羥基苯甲酸丁酯,可致成年大鼠睪丸從有絲分裂到減數(shù)分裂后DNA 高甲基化[42];PM2.5污染可影響線粒體(mt)DNA 甲基化[43];附著于PM 的重金屬污染物影響體內(nèi)多種miRNAs 的表達水平,進而影響精子RNA 的表達及其潛在功能,如依賴于靶向FOXO1 的miR-183/96/182 簇表達增加,均可誘發(fā)胎兒生長發(fā)育異常[39,44];動物研究也表明,新生兒接觸PM 時,StAR(產(chǎn)生睪酮所必需的)蛋白H3K14 乙酰化減少,降低了其精子數(shù)量和質(zhì)量[44]。可見,空氣污染擾亂了參與不同表觀遺傳過程的細(xì)胞代謝物水平,更甚者認(rèn)為,表觀遺傳學(xué)改變與精子發(fā)生失敗有關(guān)[2]。

4 小結(jié)

綜上,盡管不同國家學(xué)者的研究中,空氣污染物種類、生育能力相關(guān)檢測指標(biāo)并不完全一致,但所取得的結(jié)果基本一致,即空氣污染可影響男性生育能力。 通過機制研究,近年也有學(xué)者提出,維生素C 和維生素E 可通過減輕氧化應(yīng)激損傷,部分恢復(fù)精子的發(fā)生[32];如果聯(lián)合限制熱量攝入,可提高精子數(shù)量和質(zhì)量[45];姜黃素也可通過抗氧化作用,對苯并芘引起的精子運動和形態(tài)損傷具有保護作用[46]。 然而,對抗空氣污染所致?lián)p傷的保護方法,雖然一定程度上奏效,但根本措施仍是保護環(huán)境、改善空氣質(zhì)量。