內分泌干擾物對男性生殖功能損傷的研究進展

趙旻曄，滑瑋，楊紅

(中國人民解放軍空軍軍醫大學第一附屬醫院婦產科,西安 710032)

根據美國環境保護署的定義,內分泌干擾物(endocrine disrupting chemicals,EDCs)是能從合成、分泌、轉運、結合、消除等任何途徑干擾體內自然激素作用的外源性化學物或化學混合物的統稱[1]。近半世紀以來,EDCs對人類生殖健康造成巨大影響,越來越引起研究者們的關注。Levine等[2]于2017年發表的一項薈萃分析中報道,隨著生活中與EDCs的接觸日益增多,僅在過去的40年間,男性精子數量就下降了約50%。Amir等[3]也發現不育男性血清中EDCs含量較健康人群顯著升高。鑒于EDCs對于人類生殖健康愈來愈嚴重的影響,本文將針對常見EDCs對男性生殖功能的損傷及其機制進行綜述。

一、常見EDCs及其分類

目前人們在生活中最常接觸到的EDCs主要有雙酚A(bisphenol A,BPA)、鄰苯二甲酸鹽(phthalates)、多氯聯苯(polychlorinated biphenyls,PCBs)和殺蟲劑等。這些EDCs廣泛且穩定的存在于環境中,多數半衰期較長不易降解,人體暴露主要包括食入、吸入或皮膚吸收[4]。

1.BPA:BPA具有雌激素活性,廣泛應用于制造業中,如食品包裝、玩具等,許多罐裝食品和飲料的包裝內襯中都含有BPA樹脂,在這些食物接觸材料中,BPA可能在高溫、物理操作或重復使用下遷移至食物或水中,導致廣泛的BPA持續暴露,這種普遍性導致研究控制定量過程中完全消除BPA污染非常困難。Liu等[5]的研究表明,高濃度BPA暴露會出現卵巢功能衰竭,導致生殖功能障礙。

2.鄰苯二甲酸鹽:一大類可用作液體增塑劑的化合物,廣泛存在于塑料、涂料、化妝品和醫用管材等產品中,因其與塑料之間不通過化學鍵結合,較易滲入環境中。研究表明,鄰苯二甲酸鹽具有抗雄激素活性,可以通過呼吸、皮膚吸收等方式進入體內,其中最主要的攝入途徑為飲食攝入,占總吸收量的70%[6]。

3.PCBs:是一類具有成對酚環和不同氯化程度的工業化學品,應用范圍很廣,包括橡膠和樹脂中的增塑劑、無碳復寫紙、粘合劑、油漆和油墨,其用途的多樣性也導致了廣泛的環境污染[7]。據報道,這種持久性有機污染物具有生物累積性,可以儲存在人體尤其是肥胖人群的脂肪中,對健康產生不利影響[8]。部分PCBs可能通過直接或間接影響甲狀腺過氧化物酶抗體(TPOAbs)水平,破壞正常的甲狀腺功能,從而被歸類為EDCs[9]。

4.殺蟲劑:廣泛應用于工業、農業生產活動中,且易殘留于土壤、植物中。對二氯二苯基三氯乙烷(p,p’-Dichlorodiphenyltrichloroethane,DDT)是常見的工業和家用人工合成殺蟲劑,具有半衰期長、用途廣泛和親脂性等特點。據報道,DDT及其代謝產物二氯二苯基二氯乙烯(DDE)和二氯二苯基二氯乙烷(DDD)與內分泌相關疾病有關聯,例如甲狀腺腫瘤[10]和乳腺癌[11]。

二、常見EDCs對生殖系統的損傷

1.EDCs對精液質量的影響:成年男性生精細胞的損傷通常會影響精子發生,例如癌癥化療和低劑量照射等,如果精原干細胞沒有被破壞,可以在幾個月或幾年后恢復生精功能;而在成長發育過程中的一些關鍵暴露窗口時期暴露于EDCs則可能導致成年后精液質量的異常。Mocarelli等[12]一項針對EDCs暴露事故中男性的研究表明,母乳喂養導致圍產期二惡英暴露與青春期后精子濃度、精子活力及總精子數量的減少有關聯;相反,成年后暴露于二惡英則不會對精液質量造成長期影響。造成這一現象的關鍵似乎是暴露窗口為嬰兒期,因為該影響只在母乳喂養時出現,使用配方奶喂養時不出現。嬰兒期正是支持細胞快速增殖的時期,可能解釋了這一關聯。Istvan等[13]進行的橫斷面研究發現,母親在懷孕期間職業暴露于潛在的EDCs與子代成人后低精液量和總精子數之間存在關聯,特別是暴露于殺蟲劑、鄰苯二甲酸鹽和重金屬。這些研究表明,發育中的睪丸暴露于某些化學物質,特別是那些影響精原干細胞或支持細胞的化學物質,將導致睪丸不可逆的變化,成年后精液質量不可逆下降。

關于成人PCBs暴露與精液質量之間關系的研究報道,結果差異很大。有一項研究表明精子DNA完整性受損與PCBs暴露有關[14];而另一項研究則報告沒有相關性,但胎兒時期暴露于低氯多氯聯苯與精子總數降低、小睪丸風險增加有關[15]。還有研究發現,精子細胞直接暴露于PCBs,對精子活動率、受精率、胚胎發生和孵化均有負面影響[16]。動物實驗顯示,小鼠青春期PCBs暴露會通過增加睪丸氧化應激導致精子畸形率上升、數量減少、睪丸細胞凋亡[17]。綜上,PCBs暴露可能會影響精子DNA的完整性和運動性,但其潛在機制尚不清楚。

在研究BPA暴露的研究中,Adoamnei等[18]關于尿液中BPA水平與精液參數和性激素水平之間關系的橫斷面研究表明,LH水平與尿液BPA濃度呈顯著正相關,精子濃度和總精子數呈顯著負相關。相反,Castellini等[19]最近一項關于尿液中BPA水平與精液質量之間關系的Meta分析總共納入了9項研究共計2 399名男性,結果顯示只有精子活力參數與尿中BPA水平呈統計學負相關,且在針對發表偏倚進行調整后失去意義。Dere等[20]研究了從妊娠早期開始持續暴露于BPA對雄性生殖的影響,發現僅在最高給藥劑量為25萬μg/kg/d時子代SD大鼠出現體重、睪丸和附睪重量顯著下降,而全基因組轉錄組學和表觀基因組學分析未能檢測到精子mRNA和DNA甲基化水平的顯著變化。Forner-Piquer等[21]進行了類似的研究,使用高、低濃度兩種不同濃度的BPA飼喂成年雄性鳙魚21 d后發現,高濃度組(4 000 μg BPA/kg/d)會降低精子活力、改變直線速度(VSL)和線性度(LIN)、同時下調11-酮睪酮,但兩組均有睪酮上調,且雌二醇水平均未受影響。Axelstad等[22]通過給予大鼠子宮內、哺乳期止痛藥撲熱息痛和人類相關EDCs混合物暴露,發現與對照組相比,撲熱息痛和高劑量抗雄激素混合物組的雄性睪丸重量顯著增加,且附睪精子數量均減少。還有兩項研究發現,青春期BPA暴露將會導致氧化應激反應顯著升高和內分泌紊亂,并導致睪丸細胞凋亡和自噬,最終損害精子發生、精子活力[23-24]。綜上,關鍵時期的BPA暴露似乎更易導致生精功能異常。

目前研究表明鄰苯二甲酸鹽對哺乳動物睪丸發育有危害,但其影響精子質量和功能的具體機制尚不清楚。Wang等[25]最近一項關于鄰苯二甲酸鹽及其衍生物對精液質量影響的Meta分析顯示,尿中鄰苯二甲酸一丁酯(MBP)、鄰苯二甲酸一苯酯(MBzP)和精液中鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)水平與精子濃度呈負相關,與精子活力、精子形態等其他精液參數并無關聯。而在Ramsay等[26]的研究中發現,暴露于工業排放污氣中的鄰苯二甲酸鹽與精子活力下降有關聯。Zhao等[27]則通過體內和體外實驗證明了DEHP引起睪丸間質細胞睪酮合成減少和睪丸支持細胞分泌功能紊亂,從而導致生精功能障礙。

曾有來自瘧疾流行地區的研究報告發現,DDT及其衍生物的高頻率使用對男性生殖存在負面作用。Aneck-Hahn等[28]于南非的研究表明,DDE暴露與精子活力和精子總數呈負相關。在Giulioni等[29]的Meta分析中,研究了擬除蟲菊酯和有機磷殺蟲劑與人類精液參數的相關性,發現擬除蟲菊酯暴露僅對精子形態造成影響,而有機磷殺蟲劑則與射精量、精子濃度、精子總數、精子活性顯著減少有關。Ghafouri-Khosrowshahi等[30]亦報道農村人口(長期接觸有機磷殺蟲劑)的精子數量和活力都較城市人口顯著降低。Erthal等[31]發現被認為無害的低劑量殺蟲劑馬拉硫磷能夠通過下調睪丸相關基因表達來損害精子頂體完整性,從而影響精液質量和功能。

綜上,目前EDCs對精液質量影響的研究大多指向了一種假說,即早期暴露窗口是決定影響結果的關鍵,因為不良關聯最常在早期暴露的人群中發現。這意味著現階段研究面臨的主要問題是:從暴露到不良結果顯現之間有很長的時間滯后。介于有機污染物的持久性,雖然可以在接觸多年后進行研究,但很難在暴露起始階段研究精液質量與代謝快速的化合物之間的相關性,在今后的研究中,如何將早期暴露與未來精液質量不良結果緊密聯系起來是亟需解決的問題。

2.EDCs與尿道下裂:尿道下裂(Hypospadias)是一種常見的外生殖道先天畸形,為胚胎發育過程中尿道溝閉合異常導致。尿道下裂發病率在全球不同地區各不相同,但近年來多個國家均出現發病率增高的報道[32]。

在流行病學調查中,Estors Sastre等[33]的一項病例對照研究發現,父母的EDCs職業暴露與子代尿道下裂和隱睪癥的發病率上升有關聯。同樣,Das等[34]研究發現,母親懷孕初期(前3個月)接觸鄰苯二甲酸鹽、農藥、烷基酚類化合物等干擾激素化學品會增加孩子患病風險,最高可達對照組3.8倍,而父親暴露則會增加至少2倍的患病風險,因農藥成分復雜,目前尚無法明確具體作用成分。然而,Mahboubi等[35]于加拿大某省對尿道下裂患病率進行地理空間分布分析研究,結果卻沒有發現高患病聚集區與有毒工廠分布之間存在顯著空間相關性。血清、尿液內EDCs代謝物含量是反應人體暴露程度的良好指標,多項研究在評估環境化學物質在發病中作用時通過收集孕期母親血清、尿液樣本進行研究:Bornman等[36]報道孕期母親尿中氯氰菊酯和其他擬除蟲菊酯的代謝物濃度與尿道下裂的風險增加有關。但也有一些陰性結果被報道:Bhatia等[37]沒有發現尿道下裂與孕期母親血清DDT、DDE水平之間的關聯;Tysman等[38]檢測了母乳中二惡英、PCBs、阻燃劑和全氟烷基化合物(PFAS)的濃度水平,并沒有發現與尿道下裂發病之間的關聯;Blaauwendraad等[39]沒有發現母親妊娠期尿液中鄰苯二甲酸鹽或雙酚濃度水平與后代隱睪和尿道下裂的關系。這些研究結果互相矛盾,流行病學差異很可能會是受到環境的影響,但尿道下裂發病罕見,且畸形程度多變,病例對照研究數量較少,說服力不夠充分。因此,人類暴露于EDCs是否可能導致尿道下裂仍需更為強力的證明。

在動物研究中,宮內暴露于抗雄激素物質的雄性幼崽,常罹患尿道下裂。常見的抗雄激素物質的作用途徑主要分為兩種,一類為抑制睪酮的產生(如鄰苯二甲酸鹽)[40],另一類則會阻斷雄激素受體(AR)(如多溴二苯醚)[41]。有兩項實驗進行了除草劑類ECDs阿特拉津(Atrazine,ATR)對子宮內小鼠影響的研究,Govers等[42]發現暴露ATR后導致陰莖結構縮短、尿道下裂發生率增加;Tan等[43]則發現暴露于ATR影響陰莖形態、導致尿道位置和睪丸下降,并減少了肛殖距,但這些影響可能不是通過拮抗AR產生的。盡管抗雄激素物質的作用機制不同,但均以劑量累加的方式發揮作用,這增加了混合物中低劑量個別化學品物質不良影響的可能性。

3.EDCs與睪丸腫瘤:睪丸惡性腫瘤中睪丸生殖細胞癌(testicular germ cell cancer,TGCC)發病率占比最高,約為95%,是年輕男性中最常見的實體惡性腫瘤[44]。基礎研究表明,TGCC起源于胎兒,從青春期開始的激素刺激會刺激腫瘤的發展,在年輕男性中發病率最高,不同地區和人群之間的發病率差異很大[45]。全基因組關聯研究已經確定了TGCC易感性的遺傳多態性,但同時環境因素也起著重要作用。瑞典移民研究表明,第一代移民患TGCC風險遵循其母國的模式,而第二代移民(出生在瑞典)患病風險則為瑞典模式[46]。

由于TGCC可能起源于子宮內胎兒時期,一些研究報道了母親EDCs暴露與后代發病率之間的關系。Br?uner等[47]的研究表明,母親EDCs暴露與男性后代患睪丸腫瘤的風險較高相關,風險比為2.16。Danjou等[48]進行的一項病例對照研究通過調查問卷收集母親妊娠期、哺乳期家庭使用殺蟲劑和除草劑的情況發現,雖然殺蟲劑或除草劑的使用與睪丸生殖細胞腫瘤(Testicular germ cell tumours,TGCT)總體和非精原細胞瘤亞型的發病率沒有關聯,但任何殺菌劑的使用都使得TGCT的總體風險升高。目前許多針對成人后EDCs暴露與發病之間的關聯研究,結果報道多數為陰性結果,即腫瘤與職業或環境暴露無關。在Cheng等[49]的一項病例對照研究中,僅有一類具有潛在雌激素作用的PCBs暴露組發現精原細胞瘤/非精原細胞瘤發病風險增加,其他結果均無關聯性。Hardell等[50-52]同時研究了產前和產后暴露對TCGG發病的影響,通過收集入組者成年后本人和母親的血清研究發現,TGCC組母親血清中的多溴二苯醚和PCBs同系物的濃度高于對照組,而在本人的血清中沒有發現這種關聯。目前仍需要更多的研究來評估胎兒暴露于EDCs與TGCC發病之間的關系,但由于子宮內暴露與成年結果之間有很長的滯后性,這方面的研究較為困難。

雖然TGCC沒有良好的動物模型,但睪丸組織學的超微結構變化已被用作癌癥風險的替代指標。例如,在Fisher等[53]的研究中,大鼠胎兒接觸鄰苯二甲酸鹽后,睪丸會產生結構異常;而有趣的是Nava-Castro等[54]發現,與對照組相比,母鼠妊娠期BPA暴露促進了雄性子代小鼠的腫瘤生長約75%。

綜上所述,子宮內胚胎期的EDCs暴露與TGCC發病率表現出更緊密的聯系。然而由于缺乏人類睪丸癌的動物模型,關于EDCs和TGCC的研究目前僅限于流行病學研究。建立一個成熟的TGCC模型將會為我們提供一種新的研究方向。

三、小結與展望

近年來,社會工業化迅速發展,EDCs使用大量增加,同時伴隨男性生殖能力的下降,人們對EDCs的潛在健康風險的研究興趣日益濃厚。許多實驗室研究結果支持EDCs暴露在男性生殖健康問題發生中的作用,而流行病學的研究結果也表明了EDCs暴露與男性生殖疾病之間存在聯系。總體而言,母親孕期暴露與一系列疾病之間存在聯系,包括發育異常(如隱睪癥和尿道下裂)、精液質量差以及患TGCC的風險增加。

由于多種原因,EDCs暴露與男性生殖健康之間關系的研究目前仍舊具有挑戰性。首先,人體會不斷接觸不同化學物質混合物,很難像動物實驗一樣進行單一化學物質效果評估;其次,有的暴露在胚胎時期,甚至更早階段,已有研究證實父親暴露改變精子表觀基因組學可能與后代健康之間存在關聯;最后,一般橫斷面研究僅檢查化學物質暴露與精液質量或生殖激素在某個時間點之間的關系,對于半衰期短的化學品,單點化學測量可能無法反映長期暴露的真實水平。

通過現階段的研究我們已經了解到EDCs可能通過多種不同的機制起作用,但這些機制尚未在人體研究中得到充分闡明,需要進一步的研究來確定EDC發揮其病理生理作用的機制。另外,EDCs的影響也需要在不同的地理人群中進行良好的、縱向的、多中心的研究,也需要調查EDCs的全面跨代影響,以確定EDCs在連續幾代人中對男性生殖健康造成累積不利影響的可能性。