铝的雄性生殖毒性研究进展

元辉雄， 陈文成

(右江民族医学院附属医院检验科，广西 百色 533000)

铝是地壳中含量最丰富的金属元素，具有良好的理化性质，在日常生活中被广泛使用。人类接触铝的方式主要有职业性接触、医源性接触和生活性接触。铝给人类生产及日常生活带来诸多便利的同时，也可对机体产生危害。铝可对神经系统产生毒性作用，铝对机体其他系统的负面作用的研究仍在进行。动物模型实验研究发现，铝暴露可使睾丸组织发生病理改变，对雄性哺乳动物的生殖系统产生负面作用[1]。精子作为雄性动物生育能力的重要因素，持续的铝暴露可使雄性动物的精子数量减少、精子质量减低[2]。Klein等[3]对不育男性患者精液的分析证实，不育男性精子中存在铝，且部分精子质量较差患者精液铝含量明显较高，可见精子质量低下与精液铝含量存在一定相关性。近年来，随着男性不育症发病率的升高，铝对雄性动物的生殖毒性作用逐渐引起研究者的关注。现就铝对雄性动物的生殖毒性相关研究进展予以综述。

1 机体摄取铝的途径

1.1饮水 水中铝的来源可分为自然因素和人为因素。天然水中的铝主要来自含铝岩石及矿物的自然风化。天然水中铝的含量与水的酸碱度有关，一般情况下，中性水的铝含量为1～50 μg/L，而酸化水的铝含量则高达500～1 000 μg/L[4]。自来水主要取自地表水，地表水中含有一定量的微生物、颗粒悬浮物、有害重金属及难溶有机物，为使其符合卫生标准，一般需使用含铝净水剂对地表水进行净化及消毒处理，造成饮用水中铝含量较高。

1.2食品 摄入含铝食品是铝暴露的主要途径。食品中铝的来源主要可归类为天然含有、食品制作加工过程中所使用的含铝食品添加剂、烹饪过程中使用的含铝调味品以及从铝制炊具或容器中迁移出的铝，其中食品加工过程中使用的含铝添加剂是人类膳食铝暴露的重要来源。食品中的铝含量存在差异较大，主要取决于食品类型、食品加工工艺、含铝食品添加剂的使用量以及食品原料生长的地理环境[5-6]。

1.3空气 铝的暴露也可来自空气，通过呼吸吸入的铝颗粒沉积在肺泡中，通过肺泡呼吸膜进入血液，并通过血液循环转移到全身的器官和组织中。在清洁地区通过呼吸吸入的铝约为1.4 μg/d，但对污染地区或吸烟者，呼吸吸入的铝约为清洁地区 1 000倍[7]。此外，铝的职业性暴露也主要为空气吸入，工人主要通过呼吸道吸入铝烟雾及铝灰尘。铝冶炼厂、铸造厂、焊接场所和重熔厂内的空气中含有相当浓度的氧化铝和氟化铝[8]。采用石墨炉原子吸收分光光度法测定33名年龄(35.16±2.95)岁、从事电解铝工作(14.91±6.31)年的职业性铝暴露电解铝车间工人的尿铝浓度及其工作场所空气铝浓度的横断面研究发现，电解铝车间空气中的铝浓度约为6.36 mg/m3，铝电解工人的尿铝浓度(40.08±9.36) μg/mg，显著高于面粉厂工人(26.84±8.93) μg/mg[9]。

1.4药物和皮肤护理产品 含铝药物是临床治疗胃肠道疾病的常用药，其铝成分主要包括氢氧化铝、磷酸铝、硅酸铝、硫酸铝、硫糖铝、海藻酸铝、铝镁司片、铝酸铋等[10]。此外，牙科用义齿修复的人工合成材料碱式碳酸铝钠、铝瓷、多晶氧化铝陶瓷等，以及疫苗中的铝佐剂都含有一定量铝。日常使用的防晒霜、止汗剂等皮肤护理产品亦含有一定量的铝成分[11-12]。

2 铝的雄性生殖毒性

2.1对雄性动物性行为的影响 性行为是动物种群自然繁衍的必要过程，雄性动物正常的性行为是生殖能力的重要表现。Bataineh等[13]对持续摄入12周三氯化铝浓度为1 000 ppm饮用水的成年雄性大鼠的研究发现，实验雄性大鼠的领土侵略行为消失，性行为被抑制，射精潜伏期明显延长，交配效率降低，且大鼠体重以及绝对或相对睾丸、精囊重量均下降。对连续30 d饮用三氯化铝100 mg/(kg·d)的雄性小鼠的研究发现，其交配能力降至20%左右[14]。

2.2铝对性激素的影响 性激素在生殖系统发育中具有重要作用。生理条件下，下丘脑的神经分泌细胞合成的促性腺激素释放激素可刺激垂体合成黄体生成素和卵泡刺激素，两者作用于睾丸使其产生精子和雄性激素。雄性激素是维持精子发生的关键因素之一，卵泡刺激素作用于睾丸支持细胞，并与雄性激素共同作用促进精子成熟。铝对雄性动物生殖毒性影响的研究认为，铝可降低血清睾酮、卵泡刺激素、黄体生成素的水平[15-16]。但也有研究显示，铝对动物血清卵泡刺激素的影响不明显，而铝急性暴露96 h后，睾酮水平反而增高[17]。

2.3铝对睾丸微量元素的影响 睾丸微量元素包括锌、铜、铁、镁、钙等，其对维持睾丸间质细胞正常功能具有不可替代的作用，其中锌和铜是研究最多的微量元素。锌是机体必需的微量元素，是体内多种酶的辅助因子，与生殖系统的代谢功能密切相关。缺锌可影响睾丸酶活性，进而影响睾丸代谢及精子生成，并对精子的代谢有重要影响[18]。锌元素直接参与精子的生成、成熟、激活、获能等过程[19]。此外，锌还参与保持精子细胞膜结构的完整性[20]。由此可见，睾丸锌缺乏可使睾丸萎缩、精子质量下降，导致少精、弱精、死精，严重缺锌者还可致睾丸生精功能停止。铜是机体多种酶的辅助因子，在有丝分裂及减数分裂过程中发挥重要作用，是雄配子产生的必需元素[21]。睾丸中铜含量增加和铜代谢紊乱可对精子活力、头部形态、尾部胞膜完整性及活精子数量产生负面影响[22]。铜含量过高可直接杀死精子，并干扰受精卵着床，导致不育。Guo等[23]对连续14 d腹腔铝暴露分别为13 mg/(kg·d)、35 mg/(kg·d)的小鼠以及无铝暴露小鼠的研究发现，染铝小鼠血清和睾丸中铝含量显著高于无铝暴露小鼠，各染铝组小鼠睾丸中铜含量明显升高，高剂量铝暴露小鼠的锌含量明显降低，提示锌等矿物质元素的代谢异常可能导致铝所致的睾丸毒性。Zhu等[24]的研究也发现，随着大鼠铝暴露剂量的增加，其睾丸组织的铜含量增加，锌含量下降。

2.4铝对睾丸组织细胞结构的影响 细胞结构、亚细胞结构(如细胞器等)的完整性和数量保持相对稳定，是发挥细胞功能的重要前提。铝可使大鼠睾丸组织的生精上皮变性、生发上皮细胞质空泡化、生殖细胞数量减少、曲细精管的平均直径变小以及睾丸间质细胞产生萎缩性变化[1]。Kutlubay等[25]给予成年雄性白化Wistar大鼠腹腔每周注射5 mg/(kg·d)的硫酸铝3次，持续两周后对睾丸进行组织学分析发现，成年雄性Wistar大鼠曲精管的生精上皮明显变薄，且几乎不存在精子细胞；电子显微镜下，睾丸支持细胞的细胞质中，核膜不规则，核糖体数量减少，线粒体受损，溶酶体数量增多；而初级精母细胞的细胞质中的粗面内质网增多。我国对染铝120 d大鼠的研究发现，其附睾组织细胞线粒体发生肿胀或空泡变性，部分粗面内质网发生结构融合[26]。Abdel-Moneim[27]用光学显微镜观察发现，单次腹腔注射三氯化铝[25 mg/(kg·d)]可导致肾小管上皮萎缩和脱落，生精细胞变性；并通过透射电子显微镜检查发现，支持细胞间细胞紧密连接被破坏，精原细胞和初级精母细胞部分凋亡或死亡；并观察到发育过程中精子细胞其内部结构出现多种畸变，睾丸间质细胞出现细胞内脂滴蓄积、滑面内质网减少以及线粒体减少和损伤。

2.5铝对精子质量和数量的影响 不孕不育给众多家庭带来困扰，全球15%～30%的夫妻受不育症相关问题的影响，其中大部分是男性生育力问题，而精子质量是男性生育力的重要组成部分。精子质量减低与多种因素有关，有害物质暴露过量是其重要原因之一[28]。动物实验研究表明，铝可显著降低精子质量和精子细胞数量，不仅可导致睾丸重量下降，还可致不动精子比例和畸形精子比例增加[2,13]。另有实验发现，正常人类饮食水平的铝浓度暴露就可对大鼠的精子质量产生负面影响[29]。在对精液的研究分析中，Klein等[3]对62例男性不育患者的精液样本进行研究发现，其中12例为少精症、14例为弱精症、5例死精症、15例畸形精子症、7例精子计数极低(无法进行活力和形态分析)，并用荧光显微镜与铝特异性染色测定其铝含量显示，62份精液样本铝含量的平均值非常高，约为339 μg/L，其中少量精液样本的铝含量已经超过500 μg/L，提示人类男性的铝暴露量与精子质量和数量下降密切相关。

2.6铝对睾丸内细胞DNA的影响 DNA作为遗传信息的载体，其结构损伤将会引起细胞功能的改变。Moselhy等[30]的研究发现，铝可降低血清睾酮水平，还可使睾丸细胞DNA碎片增加。崔慧慧等[31]给予昆明种雄性实验小鼠腹腔注射不同剂量[50、75、100 mg/(kg·d)]三氯化铝，观察小鼠睾丸细胞的单细胞凝胶电泳实验(彗星实验)发现，与0.9%氯化钠注射液对照组相比，三氯化铝实验组的Olive尾矩较长，且Olive尾矩长度随腹腔三氯化铝浓度的升高而增加；并行精子核荧光染色发现，三氯化铝实验组小鼠的未成熟精子率较高，且未成熟精子率随腹腔三氯化铝浓度的升高而增高，表明铝可损伤睾丸细胞DNA，并降低精子核DNA的成熟度，从而损伤生殖系统。

3 铝对雄性动物的生殖毒性作用机制

3.1铝与氧化损伤 氧化损伤指细胞内活性氧类(reactive oxygen species，ROS)的生成与内源性抗氧化系统之间失去平衡，细胞内ROS相对增加，抗氧化能力相对不足，生物大分子受到ROS攻击而引起的细胞和组织损伤。

氯化铝能够诱导睾丸组织产生活性氧ROS。Guo等[32]发现，铝能显著增加一氧化氮(ROS成员之一)的生成，过量的一氧化氮产物可激活诱导型一氧化氮合酶，并可能参与铝的生殖毒性。有研究发现，弱精子症患者精液ROS产生增加，ROS可介导精子细胞膜的损伤，并通过改变细胞膜的完整性损害精子的活动力和存活力[33]。铝积累可引起睾丸组织氧化应激，睾丸组织中ROS水平升高可导致睾丸发生生理学改变，并可诱导DNA的氧化损伤，对生殖功能具有潜在影响[34-35]。

铝可降低雄性大鼠超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性，而作为脂质过氧化指标的丙二醛则显著增加[36]。三氯化铝可通过诱导的氧化应激显著升高硫代巴比妥酸反应物质的水平[37-38]。进一步的研究表明，铝可显著升高睾丸丙二醛和一氧化氮水平，降低还原型谷胱甘肽、3′,5′-环腺苷酸的水平，并降低抗氧化酶基因表达[39]。由此可见，铝可能通过诱导氧化损伤、抑制抗氧化作用对生精功能产生负面影响，进而导致精子数量的减少和精子畸形率的增加。

3.2铝与线粒体 除成熟红细胞外，线粒体几乎普遍存在于哺乳动物的有核细胞中，其基质中含有催化和合成ATP的各种酶系统，在细胞能量代谢中起关键作用，可提供80%的细胞生命活动能量[40]。

在精母细胞分化为精子的过程中，大量的细胞质及细胞器被舍弃，而线粒体则被保留。成熟精子的线粒体位于尾部中段，呈螺旋状排列。在正常情况下，线粒体内膜持续电子传递形成的内膜两侧质子浓度差与穿过内膜聚集在线粒体中的亲脂性阳离子共同形成的内膜电势差，即线粒体膜电位[41]。正常线粒体膜电位是线粒体进行氧化磷酸化并产生ATP的基础，线粒体膜电位的改变将对细胞的生理功能产生影响。有研究表明，铝可使大鼠脾脏淋巴细胞线粒体膜电位下降，且线粒体膜电位可随铝浓度的升高而降低，两者呈剂量-效应关系；铝还可通过线粒体胱天蛋白酶依赖通路诱导大鼠淋巴细胞凋亡[42-43]。人们对铝神经系统毒性作用的研究较早，张勤丽等[44]的研究发现，铝可降低体外培养大鼠的神经元线粒体膜电位。有研究证实，精子质量与精子线粒体膜电位存在相关性，铝可使精子细胞线粒体膜电位下降，造成精子质量下降，从而引起生殖损伤[45]。

此外，铝的雄性生殖毒性作用可能涉及线粒体的其他指标。三羧酸循环是葡萄糖彻底氧化供能的重要环节，主要在线粒体内进行。异柠檬酸脱氢酶是三羧酸循环中的关键酶之一，而铝可抑制异柠檬酸脱氢酶的活性[46]。Yousef等[37]认为，线粒体酶的变化所致的线粒体功能改变可反映为精子活力的变化。睾丸产生的类固醇激素对精子发生至关重要，而主要在线粒体内膜进行的胆固醇生物转化为孕烯醇酮类是固醇激素生物合成必不可少的步骤，其中类固醇激素合成急性调节蛋白及P450胆固醇侧链裂解酶发挥重要作用。在类固醇激素合成急性调节蛋白的介导下，胆固醇从线粒体外膜转移到线粒体内膜；随后经P450胆固醇侧链裂解酶的催化，胆固醇裂解并转化为孕烯醇酮，而铝可显著减少类固醇激素合成急性调节蛋白、P450胆固醇侧链裂解酶的信使RNA水平[47]。最近，另有研究表明，铝的雄性生殖毒性作用与精子线粒体早老素相关菱形样蛋白相关，铝暴露可使精子线粒体早老素相关菱形样蛋白水平显著降低，精子活力、精子存活率与精子线粒体早老素相关菱形样蛋白水平呈正相关，而精子畸形率与精子线粒早老素相关菱形样蛋白水平呈负相关[48]。

4 小 结

随着我国二孩政策的开放，男性不育导致的生育问题给家庭和社会带来了很大的困扰。铝对雄性生殖功能的负面影响逐渐引起男科生育研究者的关注。铝引起的雄性生殖毒性可能涉及诸多因素，目前关于铝的雄性生殖毒性作用机制的研究仍不透彻，线粒体作为细胞的能量供应单位，是成熟精子具有的唯一细胞器，铝的雄性生殖毒性可能与线粒体有关。鉴于人们对铝接触的广泛性以及铝对雄性生殖确切的毒性作用，有必要对铝的生殖毒性及作用机制进行深入研究。