大气细颗粒物暴露致雄性生殖功能损伤研究进展

王二辉，王 亚，翟德胜，刘晓丹，吴卫东

(新乡医学院公共卫生学院，河南 新乡 453003)

近年来，大气细颗粒物(fine particulate matters，PM2.5)逐渐成为影响我国空气质量的主要因素之一。PM2.5指环境空气中空气动力学直径<2.5 μm的颗粒物[1]，它能较长时间悬浮于空气中。与直径>2.5 μm的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质(如重金属、微生物等)，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大[2-3]。大量的人群流行病学证据提示，大气PM2.5可以导致暴露人群心脑血管和呼吸系统疾病的病死率明显增加[4-6]。有研究发现，PM2.5可以深入机体肺泡并沉积，对机体的呼吸系统造成损伤；进而进入血液循环，对机体造成全身性的健康危害[7-8]。人类活动是大气PM2.5的主要来源，我国能源消耗(包括煤炭、石油) 的持续增加及机动车保有量的快速上升等多种因素共同作用导致了PM2.5污染，将在我国大部分地区长期存在。因此，PM2.5的不良健康效应引起了各界的广泛关注，开展PM2.5健康损害效应及其相关机制研究具有重要意义。随着研究的不断深入，近年人群流行病学研究发现，PM2.5高污染地区的居民出现男性生殖功能受损的现象[9-12]。动物实验也发现PM2.5与雄性生殖功能下降有关[13-14]。但其具体调控机制却知之甚少。关于PM2.5健康损害效应的研究，目前国内外主要集中在其对心脑血管和呼吸系统毒性作用和母源性出生缺陷的影响[15-19]，鲜见对雄性生殖毒性机制的研究。本文就PM2.5对雄性生殖功能的影响及其相关机制的研究进展进行综述。

1 PM2.5对雄性生殖功能的影响

人群流行病学研究和动物实验结果均显示PM2.5会对雄性生殖健康产生不良影响，PM2.5低污染地区男性精子质量好于高污染地区，如ZHOU等[9]通过对429名重庆城区和917名重庆农村地区20～40岁健康成年男性的研究发现，农村地区男性精液质量明显好于城市地区；HAMMOUD等[10]研究发现，男性PM2.5暴露2～3个月后精子活力下降；SELEVAN等[11]研究发现，空气颗粒物可致人类精子活力下降和精子畸形率增加；PIRES等[12]研究发现，出生前后暴露于PM2.5会影响小鼠精子生成；SOMERS等[13]研究发现，雄性小鼠因空气中颗粒污染物所造成的基因变异可遗传给下一代；CAO等[14]研究发现，雄性大鼠PM2.5暴露7周后使雌鼠受孕能力下降、精子畸形率增高、睾丸生精细胞凋亡增多。

2 PM2.5致雄性生殖功能损伤的机制

雄性生殖毒性主要表现为内在或外在因素对睾丸和精子造成的结构损伤和功能影响。随着生殖毒理学和生殖流行病学等学科的发展，近年来，雄性生殖的毒性作用及其作用机制的研究日益受到重视。研究表明，精子质量下降引起的男性生育力降低与氧化应激有关[20]。生精细胞凋亡是机体清除过量及缺陷生精细胞的正常生理机制，病理状态下的过度凋亡会导致少、弱精子症发生，异常的睾丸生精细胞凋亡是雄性生殖损伤发生的重要原因[21]。目前的研究结果表明，PM2.5影响雄性生殖功能的机制主要涉及氧化应激和睾丸生精细胞凋亡。

2.1氧化应激活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)是指生物体在有氧代谢条件下产生的含氧自由基。在正常状态下，ROS和抗氧化物质在体内处于一个动态平衡的状态。但在病理条件下，机体会产生大量ROS打破这种平衡。当ROS含量超过机体抗氧化防御能力时，会导致机体产生氧化应激[10]。研究表明，PM2.5所致雄性生殖功能低下与氧化应激密切相关[14，22-24]。PM2.5可诱导睾丸组织产生过量ROS，破坏正常的抗氧化防御系统，减少超氧化物歧化酶等的含量，增加脂质过氧化产物丙二醛含量，导致睾丸氧化应激[14，22-25]。精子中过多的ROS产物能够抑制抗氧化剂对精子和精子膜的保护作用。精子膜上含有大量的多不饱和脂肪酸，这一特殊结构使精子膜对ROS的水平变化极其敏感，极易受到ROS的攻击而发生氧化应激损伤，从而损伤精子的结构和功能，成为雄性不育的原因之一[26]。

2.2睾丸生精细胞凋亡异常的睾丸生精细胞凋亡是雄性生殖损伤发生的重要原因，近年人们从细胞凋亡角度研究雄性生殖功能损伤的分子机制。细胞凋亡的通路主要有死亡受体活化、线粒体损伤途径和内质网应激(endoplasmic reticulum stress，ERS)启动的凋亡途径。其中死亡受体活化、线粒体损伤途径是经典凋亡途径，ERS途径是近年才发现的一种新的凋亡途径[27]。研究表明，ERS对哺乳动物雄性生殖有重要的调节作用，包括对精母细胞、睾丸结构及精子发生的影响[28]。内质网是真核细胞中一类重要的亚细胞器，其主要功能是负责大部分跨膜蛋白和分泌蛋白的合成、折叠、组装和修饰[29]。多种生理状态和环境刺激如氧化应激均可扰乱内质网稳态，导致未折叠蛋白/错误折叠蛋白在内质网积聚，引起ERS。为减轻ERS的有害作用，机体会激活一种自我保护机制即未折叠蛋白反应(unfolded protein response，UPR)，一方面通过对蛋白质翻译的反馈抑制而减少内质网的蛋白质折叠压力，另一方面激活内质网分子伴侣基因的表达以增强内质网对蛋白质的折叠能力。在哺乳动物中，UPR由位于内质网上的3个跨膜感应分子蛋白激酶R样内质网激酶、需肌醇酶1和活化转录因子6介导，通过抑制新生蛋白质的翻译，加速错误折叠蛋白质的降解以及增强未折叠蛋白的折叠，旨在恢复内质网稳态平衡并促进细胞存活[28-29]。非应激状态下，这3种转录蛋白的N-端与免疫球蛋白重链结合蛋白(immunoglobulin heavy chain binding protein，Bip)/葡萄糖调节蛋白-78(immunoglobulin heavy chain binding protein/glucose regulated protein，GRP78)耦合形成不具有活性的二聚体，能沉默UPR信号。当内质网集聚大量未折叠蛋白或者错误折叠蛋白时，这3种转录因子蛋白与Bip/GRP78解离被活化，启动UPR信号通路。然而，当ERS持续时间过长或UPR适应功能不足，严重或慢性的UPR活化则可调节相关分子介导细胞凋亡[30-31]。

血-睾屏障作为哺乳动物睾丸内限制各种内源性和外源性有毒化学物质扩散的物理屏障，其功能障碍被认为是参与化学物质诱导的生殖毒性中的一个重要途径[32]。PIRES等[12]研究发现，PM2.5可进入血-睾屏障破坏正常的生精过程。LIU等[33]进一步研究发现，PM2.5诱导雄性生殖毒性的机制是通过上调增强子结合蛋白同源蛋白和半胱胺酸蛋白酶蛋白-12表达水平，激活ERS的UPR信号通路，导致睾丸生精细胞过度凋亡而实现的。至于死亡受体活化和线粒体凋亡途径在PM2.5诱导的雄性生殖毒性中是否起调控的作用尚未见文献报道。

3 问题与展望

当前PM2.5对雄性生殖健康影响的研究已经引起广泛关注，相关研究逐渐增多，但大多数研究主要涉及一般生殖毒性指标的观察。有研究证实，ERS诱导的睾丸生精细胞过度凋亡是其毒性机制之一[33]，但死亡受体活化和线粒体凋亡途径是否也参与上述调控过程有待进一步研究。此外，雄性生殖涉及激素分泌和精子生成等一系列复杂的生理过程，其中任何一个环节受到影响都有可能导致雄性生殖毒性的发生。目前，对PM2.5所致雄性生殖毒性调控机制的研究尚不充分，很多方面如PM2.5对下丘脑-垂体-睾丸轴的影响，对Steroli、Leydig细胞功能、生精微环境的影响及机制，对生精细胞有丝分裂增殖和减数分裂过程有何影响等，均有待进一步研究。此外，相关的临床干预保护措施如服用抗氧化剂和ERS抑制剂等对PM2.5所致雄性生殖毒性的保护作用等研究也比较缺乏，这些都是以后研究的方向。