PM2.5对男性生殖系统的影响研究进展

赵银银 邱娴娴 肖跃海 江克华 罗大金 孙发

1贵州医科大学（贵阳550004）；2贵州省人民医院（贵阳550002）

环境细颗粒物（PM2.5）污染已经是全球公共卫生需要挑战的一个巨大问题，它是一种对人类健康有不利影响的物质，并成为了全球热门话题。PM2.5 会导致心肺紊乱及多种脏器损伤［1-4］。环境污染物可能导致人类的不良生殖结果和生育障碍。空气污染尤其与男性DNA 损伤、精子形态异常和精子性能下降有关。近年来多项研究表明大气环境污染对男性生殖系统有不利影响［5-7］，而环境颗粒物PM2.5 是大气污染的一种重要形式，也是检测的重要指标。微粒物质（PM）是男性精液质量恶化的一个危险因素。流行病学研究将PM2.5 导致的环境污染与男性生殖系统的异常进行分析并联系起来，这些研究说明了污染的水平对精子形态、精子数量、活力和睾酮水平等都有一定的影响［8-9］。总体而言，暴露在PM2.5环境中会影响男性生殖系统，并且一些研究者开始注意其影响机制，通过研究其中的机制来解释对男性生殖系统损伤的原因，但目前机制的研究尚不完善。本文就近年来PM2.5 影响男性生殖系统的研究进展进行总结。

1 环境PM2.5 水平对精子质量的影响

关于PM2.5 水平对于精子质量的影响，国内外均有报道。早期HAMMOUD 等［10］为了探讨空气污染指标与精子参数设计的相关性，由于冬季前后PM2.5 浓度不同，收集了暴露于各个期间总共1 699 例精液和877 例人工授精样品，对精液进行分析后认为：空气污染与精子活力降低有关。WU 等［11］调查了来自中国武汉接受辅助生殖技术的女性伴侣共1 759 例男性，评估了PM 暴露与精子浓度、数量和活动力的关系，结果表明精子发育过程中暴露于环境中的PM 会对精液质量产生不利影响，尤其是精子的浓度和数量。胡富宇等［12］收集了2014-2017年的3 456 例成年男性体检者资料，结果显示暴露于浓度升高的PM2.5 中，可能导致成年男性的精子质量下降，如精子密度、精子活力和精子活率降低。此外，吴黎等［13］收集了湖北省2013-2016年间的2 857 例研究对象精液检查等资料，通过大样本量环境流行病学调查发现，大气PM2.5 的长期暴露与精子活力下降之间存在着明显相关性，提示PM2.5 长期暴露可以降低精子质量。同期，LAO 等［14］选取2001-2014年间年龄在15 ～49 岁之间的6 475 例男性进行研究分析，评估精液质量包括精子浓度、总运动力、进行性运动和形态，结果显示暴露于PM2.5 空气污染与较低水平的精子正常形态和较高水平的精子浓度有关。上述研究的结果都说明了环境PM2.5 与男性精子质量的关系。

动物实验方面，也有多项研究对PM2.5 水平与雄性动物的精子质量关系进行探讨。QIU 等［15］用小鼠模型来分析PM2.5 暴露对精子形成以及下丘脑⁃垂体⁃性腺轴的影响，将雄性小鼠暴露于PM2.5（CAP）或过滤空气中4 个月后，对其生精参数、精子计数、HPG 轴和睾丸组织学的主要成分进行了评估分析，数据表明在小鼠模型中暴露于环境PM2.5 会损害精子形成。也有研究者选用雄性SD大鼠建立PM2.5 暴露的动物模型，随后检测交配成功率、精子质量、附睾形态、睾丸组织超氧化物歧化酶（SOD）活性和表达、精子发生标记物表达和BTB 连接蛋白表达；体外实验中，对经过PM2.5处理后的支持细胞活性氧（ROS）的产生和凋亡情况进行分析。结果显示：暴露于PM2.5 后，雄性大鼠睾丸质量和精子质量较差，精子发生标志物表达下降，SOD 活性和表达水平升高，睾丸组织中紧密连接蛋白、黏附连接蛋白和缝隙连接蛋白表达降低；经PM2.5 处理的支持细胞显示出SOD 的产生和凋亡增加；血睾屏障（BTB）为精子的发生提供了适宜的微环境，然而PM2.5 的暴露破坏了它的完整性，导致男性生殖功能损伤，精子质量下降［16-17］。以上实验数据表明PM2.5 确实对男性精子质量产生了不利影响。

2 环境PM2.5 水平对精子基因及染色体的影响研究

大气污染会潜在影响精子基因完整性，生殖系统也会因为染色体结构或数量的异常而受到影响［18］。JUREWICZ 等［19］研究波兰诊断为不孕不育的212 例男性后表示，性染色体二体、Y 染色体二体、21 号染色体二体与PM2.5 之间具有显著相关性，这提示空气污染（PM2.5）可能是精子非整倍性的一个重要风险因素。

在唐旭等［20］的实验研究中，将孕期孕鼠在交通性污染物（包括PM2.5）中暴露后，检测目的基因Rpe 的mRNA 和Aldh7a1 表达水平，暴露组Rpe 基因和Aldh7a1 相对表达量是减少的；而子代雄鼠睾丸细胞的基因组中有35 个基因甲基化表达水平降低，23 个基因甲基化表达水平升高，这些基因对主要的生精过程起到重要作用。这项研究表明交通性污染物（包括PM2.5）可以使子代雄性睾丸发生DNA 甲基化，进而导致男性生殖功能的损害。

张琳等［21］关于大气细颗粒物（PM2.5）对雄性大鼠生殖毒性作用的研究中，用PM2.5 悬浊液气管滴注暴露小鼠后，检测分析小鼠睾丸组织DNA 倍体及细胞周期发现，PM2.5 可使二倍体细胞数明显降低，以二倍体细胞为主的G0/G1 期细胞比例显著降低，而G2/M 期的细胞比例和细胞增殖指数有明显升高。这说明PM2.5 可以透过BTB 来干扰细胞周期进程，从而对生殖系统产生一定毒性作用。

ZHANG 等［22］的研究数据显示，PM 通过增加ROS 水平，抑制了细胞活力，增加了乳酸脱氢酶（LDH）的释放。ROS 诱导的DNA 损伤导致生殖细胞周期阻滞在G0/G1 期和增殖抑制，来影响精子的生发。

3 环境PM2.5 水平对雄性激素的影响

可吸入的空气颗粒物（PM2.5）可以吸附多种金属及多环芳烃，而多环芳烃能对内分泌起干扰作用，影响性腺轴及睾丸组织精子的发生［23-24］。RADWAN 等［25］通过对波兰327 例男性精液样本的检测发现，包括PM2.5 在内的各类空气污染物的暴露降低了睾丸激素水平。一项研究将成年雄性大鼠用气管滴注法暴露于PM2.5 悬混液，并利用基于液相色谱/质谱的代谢组学的技术进行分析，研究结果表明大鼠睾丸的整体代谢网络在PM2.5 暴露下产生了显著影响，PM2.5 引起大鼠睾丸的类固醇激素代谢失衡、氨基酸和核苷酸代谢紊乱以及脂类代谢的异常［26］。李怀康等［27］也使用气管滴注的方法给SD 雄鼠进行PM2.5 染毒，通过检测黄体生成素、血清睾酮、卵泡刺激素的水平，观察PM2.5水平对雄性激素的影响情况后发现，高剂量PM2.5雄鼠的血清卵泡刺激素和黄体生成素浓度升高，血清睾酮的浓度下降。QIU 等［15］的小鼠实验也显示，CAP 暴露对于降低睾丸睾酮和促卵泡刺激素靶基因SHBG、循环睾酮和卵泡刺激素、17hwrhsd 和StAR的mRNA 表达、促黄体生成素靶基因P450scc 有显著影响。

4 环境PM2.5 水平对精子质量损害的机制

4.1 PI3K/AKT 信号通路目前PM2.5 暴露导致精子发生损伤的机制尚不明确。正常的精子生成是维持男性生殖功能的条件，在这个过程中起着至关重要作用的是支持细胞。严超等［28］用SD 小鼠进行实验，将其长期暴露于PM2.5，先是证明了PM2.5 可致生殖功能受损，并通过进一步实验研究雄性生殖功能损伤的分子机制，结果表明PM2.5长期暴露致使大鼠睾丸组织中PI3K、p⁃AKT 表达上调。p⁃AKT 主要位于Sertoli 细胞。在PM2.5 致细胞毒性的关键分子机制中，认为是PM2.5 暴露导致了氧化应激损伤，而P13K/AKT 信号通路是氧化应激损伤中的一条重要通路，其破坏细胞内氧化还原平衡是通过增加ROS 的生成。因此，研究者认为PM2.5 是通过激活PI3K/AKT 信号通路来增加Sertoli 细胞的氧化压力，再破坏BTB 的完整性，以致精子生成减少，最终损害雄性生殖的功能。CAO 等［29］通过大鼠实验检测大鼠生殖功能，收集睾丸来评估组织形态学的改变，并检测生物标志物［包括连接蛋白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：生育能力明显下降，精子数量明显减少，精子畸形率增高，睾丸组织形态学严重受损；Cx43水平显著下调，SOD水平分别随不同剂量显著上调和下调；PI3K 和p⁃Akt 蛋白表达显著升高。研究结果发现，PM2.5 的长期暴露可通过PI3K/AKT 信号通路增加支持细胞内活性氧的生成，从而影响支持细胞的存活和功能。Cx43 表达水平降低，主要通过损伤缝隙连接影响BTB 的完整性，进而导致男性生殖系统损伤。上述研究都提示PM2.5 通过PI3K/AKT 信号通路是致BTB 破坏而影响精子质量一种机制。

4.2 TGF⁃β3/p38 MAPK 通路研究显示PM 与男性生殖功能障碍有关。为了研究PM 的毒性机制，LIU 等［30］将雄性SD 大鼠分别以不同剂量暴露于生理盐水或PM2.5 中。而后检测丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路表达、BTB 相关蛋白、转化生长因子β3、肿瘤坏死因子α的水平。结果显示暴露于PM2.5 后大鼠睾丸中BTB 超微结构改变；睾丸中N⁃Cadherin、Occludin、Claudin⁃11、Connexin⁃43蛋白水平显著降低；TGF⁃b3 含量增加，p⁃p38/p38 MAPK 比值增加。上述结果说明PM2.5 抑制BTB⁃associated 蛋白质的表达是通过激活TGF⁃β3/p38 MAPK 通路，从而导致BTB 受到损害而导致精子质量的下降，这可能是其负面影响精子发生和男性生殖系统的潜在原因。

4.3 ROS介导的MAPK信号通路长期暴露于汽车尾气颗粒物2.5（PM2.5）可通过氧化应激损伤来损害精子形成。LIU 等［31］用雄性SD 大鼠暴露于PM2.5 进行试验后，数据表示雄性大鼠生育能力明显下降，精子质量下降；SOD和Nrf2表达明显降低，MDA 表达明显升高；血睾丸屏障相关蛋白ZO⁃1、occludin、connexin 43、catenin 表达明显降低，Bc1⁃2/Bax 比值下调，cleaved caspase⁃3 水平升高。MAPKs的磷酸化，包括ERKs、JNICs 和p38 上调。结果表明PM2.5 通过降低BTB 相关蛋白的表达而破坏BTB 完整性，BTB 完整性与ROS 介导的MAPK 信号通路密切相关［31］。

4.4 内质网应激另一项试验是研究夏季和冬季PM2.5 对生殖细胞和组织的毒性作用，并以内质网应激（ERS）为重点，阐明其可能的分子机制。LIU等［32］通过SD 大鼠在两个季节的PM2.5 气管内灌注暴露后，收集动物精子和生殖器官（睾丸和附睾）进行毒性评价和机制分析，数据显示随着夏季和冬季PM2.5 的暴露，精子相对能动性显著下降，而精子畸形率显著增加，促进睾丸生殖细胞凋亡，特别是冬季PM2.5 最高剂量组的生殖毒性显著大于其他PM2.5 暴露组，内质网的生物标志物XBP⁃1和GRP78 表达增强，通过上调附睾和睾丸中的Caspase⁃12 和CHOP 来激活内质网介导的睾丸生精小管凋亡。结果发现PM2.5 通过内质网对精子质量产生影响，但其所检测指标较少，关于内质网应激过程的提示是不完全的。

4.5 NALP3 炎症小体途径有研究证实巨噬细胞可能被激活并分泌促炎细胞因子［33］，巨噬细胞是先天性免疫系统的重要应答者，也是睾丸组织中的关键成员。慢性暴露于PM2.5 后，在不同组织中触发的促炎细胞因子显著增加，导致全身炎症［34-35］。男性生殖道产生炎症会有不利影响，大多表现为精子数量减少、雄性激素分泌减少和暂时丧失生育能力［36］。NALP3 作为先天免疫的重要组成部分，是细胞损伤的全局传感器；叉头盒蛋白O1（FOXO1）是一种重要转录因子，可以协调多种细胞反应，调控氧化应激是通过调节多种抗氧化酶来的［37］。ZHOU 等［38］建立全身PM 暴露小鼠模型，检测精子质量、睾丸组织学、睾丸睾酮水平、NALP3 炎性小体表达、FOXO1 及其上游调控mi⁃croRNAs、miR⁃183/96/182 的表达。研究结果表明，PM2.5 暴露与精子质量下降的关系呈时间依赖性和剂量依赖性。精子质量下降的部分原因可能是由PM2.5 引发的全身炎症引起的睾丸炎症反应。睾丸损伤的机制可能是通过NALP3 炎症小体途径，精子发育失败依赖于靶向FOXO1 的miR⁃183/96/182 簇。ZHANG 等［22］关于ROS 水平和线粒体方面机制的研究提供了几种PM2.5 致雄性生殖毒性机制的依据，但尚不十分明确，也提供了今后可继续研究深入的方向。

5 总结

综上所述，环境PM2.5 的水平对于男性生殖系统有不利影响。无论是对精子质量、雄性激素内分泌还是精子基因染色体，都有各项实验研究表明PM2.5 对其有损害作用。近些年来，空气污染越来越严重，已是一个世界性问题，而PM2.5 作为主要的一种空气颗粒污染物，据各项研究显示其是致使男性精液质量下降的危险因素。但是，目前它对生殖系统损害作用的机制还不够深入，虽然已有研究者开始对机制作用进行探究，但也只是有了一些较浅的结论，其中实验的影响因素比较多，这会造成难以获得确定性的结果。所以还需行更多的实验和进一步研究来明确PM2.5 造成男性生殖系统损伤的机制，从而给以后的临床诊疗中提供治疗靶点。