新烟碱类杀虫剂暴露对美国儿童青少年性激素水平的影响

余晋霞，吕铖，汪子夏，田英,2，高宇

1.上海交通大学医学院公共卫生学院环境与健康系，上海 200025

2.上海交通大学医学院附属新华医院环境与儿童健康重点实验室，上海 200092

新烟碱类杀虫剂是在烟碱结构基础上开发出来的一类新型杀虫剂，用于农业［1］、园林业［2］以及畜牧业［3］的害虫防治。因其具有高效性、广谱性且对哺乳动物低毒等优点，新烟碱类杀虫剂迅速在世界各地区被广泛使用［4］，主要使用地区覆盖亚洲、北美洲、拉丁美洲和欧洲，其中北美洲使用量占75%［5］。全球新烟碱类杀虫剂年销售额超过35 亿美元，2014年新烟碱类杀虫剂占全球杀虫剂市场的25%［6］，是传统杀虫剂有机磷和拟除虫菊酯杀虫剂等的优良替代品［7］。人们可通过食物、灰尘、花粉和土壤等多途径接触新烟碱类杀虫剂，其中食物摄入是主要暴露途径［8］。1999—2015年美国食物和水中新烟碱类杀虫剂水平呈现增加趋势［9］。2016年美国农业部数据显示水果和蔬菜中残留大量新烟碱类杀虫剂［10］。除了环境介质和食物，一般人群的尿液和头发中也检出新烟碱类杀虫剂，尿液是其最普遍检出的生物样本［11-12］。一项横断面研究［13］发现1994—2011年日本95 名45～75 岁成年女性尿中新烟碱类杀虫剂水平逐年增加，Li 等［14］在19 名美国成人尿中也检出了7种新烟碱类杀虫剂。目前世界各国已对该类杀虫剂制订最大农残限值，然而因个体对其可接受水平的差异性，可能使部分易感人群因暴露于较高浓度的该类杀虫剂而存在一定的健康风险［15］。

虽然新烟碱类杀虫剂对哺乳动物的毒性较低［16］，但有研究表明该类杀虫剂暴露对其血清性激素及生殖内分泌功能存在干扰作用［17-18］。Bal等［19-20］使用0.5、2、8 mg·kg-1新烟碱类杀虫剂吡虫啉（imidacloprid，IMI）灌胃染毒未成年雄性大鼠和成年雄性大鼠，发现在2、8 mg·kg-1组中，血清睾酮（testosterone，T）水平下降，精子活力下降，精子畸形率增加以及精原细胞DNA 断裂等。Abdel-Rahman Mohamed 等［21］发现每天1 mg·kg-1（以体重计）的IMI 暴露组小鼠3β 类固醇脱氢酶的mRNA 表达水平降低，其附睾精子数量减少以及血清T 水平降低。一项细胞实验结果表明，低浓度（0.1～1.0 μmol·L-1）新烟碱类杀虫剂噻虫嗪（thiamethoxam，THM）和噻虫啉（thiacloprid，THD）暴露可增强H295R 人肾上腺皮质癌细胞中CYP19 芳香酶和CYP3A7 甾体16a-羟化酶活性，致其雌二醇（estradiol，E2）、雌酮（estrone，E1）、雌三醇（estriol，E3）等性激素失衡［22-23］。然而，目前尚未见新烟碱类杀虫剂暴露对性激素影响的人群研究报道。性激素水平对儿童青少年生长发育和第二性征的成熟发挥至关重要的作用［24］。因此，儿童青少年新烟碱类杀虫剂暴露水平及其对性激素的影响值得关注。本研究基于2015—2016年美国国家健康与营养调查（National Health and Nutrition Examination Survey，NHANES）数据，评价儿童青少年新烟碱类杀虫剂暴露水平及其对性激素的影响。

1 对象与方法

1.1 研究对象

本研究利用NHANES 的公开数据。NHANES 是一项横断面调查，收集全美国有关非军事人口居民的健康和营养状况代表性数据［25-26］。本研究分析了2015—2016年NHANES 数据，纳入标准为同时具有尿液新烟碱类杀虫剂、T、E2及性激素结合蛋白（sex hormone binding globulin，SHBG）检测数据的6～20 岁儿童青少年。所有成年参与者均已签署知情同意书；NHANES已通过美国国家卫生统计中心伦理审查委员会的批准。

1.2 尿中肌酐和新烟碱类杀虫剂浓度

人群尿样经处理、存储并运送到美国疾病预防控制中心进行分析。NHANES采用酶法测定尿肌酐浓度，采用高效液相色谱法测定了尿中6种新烟碱类杀虫剂［包括IMI、THD、啶虫脒（acetamiprid，ACE）、噻虫胺（clothiandin，CLO）、5-羟基吡虫啉（5-hydroxy imidacloprid，5-OH-IMI）、N-去甲基啶虫脒（n-desmethylacetamiprid，N-DMA）］质量浓度（简称浓度），质控回收率为91.2%～116%［27-29］。IMI、ACE、CLO、THD、5-OH-IMI和N-DMA 检出限（limit of detection，LOD）分别为0.4、0.3、0.2、0.03、0.4和0.2 μg·L-1。低于LOD的检测值使用LOD/替换。

1.3 血清性激素浓度

NHANES 项目测定了血清中3 种性激素水平，包括T、E2 和SHBG。采用同位素稀释液相色谱质谱串联法测量血清T 和E2 总量［30］。采用电化学发光免疫法测定血清SHBG 总量［30］。血清T、E2 和SHBG 的检出限分别为0.75 μg·L-1、2.994 ng·L-1和0.800 nmol·L-1。

1.4 统计学分析

采用SPSS 19.0 进行合并及分析数据。连续变量用均数±标准差进行描述，并进行t检验；分类变量用构成比或率表示，并采用χ2检验。研究对象新烟碱类杀虫剂浓度为偏态分布，用四分位数（P25、P50、P75、P95）描述其分布特征，并进行肌酐校正。除N-DMA检出率较高外（40.7%），其余杀虫剂检出率均较低（0.3%～17.9%），故本研究仅分析N-DMA对儿童青少年性激素的影响。N-DMA 和性激素浓度均为偏态分布，故先经对数（log10）转化后再进行后续分析。将研究对象分为三组（Q1～Q3），即N-DMA 浓度值低于或等于LOD 分为Q1 组，高于LOD 者由低到高均分为Q2 和Q3 组。采用广义线性模型分析不同N-DMA 水平对儿童青少年性激素的影响，并检验是否存在剂量-反应关系，并进一步研究N-DMA 对不同性别儿童青少年性激素的影响。依据既往研究［4］选取儿童青少年的年龄、性别、种族、年龄别体重指数（body mass index，BMI）、贫困指数比（poverty index ratio，PIR）和出生国作为混杂因素纳入模型。考虑其他因素可能会干扰儿童青少年N-DMA 暴露对性激素的影响，进一步对样本采集时间、研究对象年龄以及女性月经初潮进行敏感性分析。检验水准α=0.05（双侧）。

2 结果

2.1 基本特征

本研究共分析NHANES 中1 839 例6～20 岁儿童青少年，剔除1 240例新烟碱类杀虫剂数据缺失者，最终599 例纳入本研究。敏感性分析显示仅PIR 在纳入与未纳入组间差异具有统计学意义（P＜0.001），其余变量差异均无统计学意义（P＞0.05）。

599例研究对象中，151例（46.0%）男性和134例（49.4%）女性年龄范围为6～11岁，177例（54.0%）男性和137例（50.6%）女性年龄范围为12～20岁。对数转化后的男性和女性血清T浓度为（16.80±10.10）和（10.90±4.60）ng·L-1，E2浓度为（0.83±0.49）和（1.25± 0.72）ng·L-1，SHBG 浓度为（1.71±0.32）和（1.78± 0.26）nmol·L-1。其他特征详见表1。

2.2 尿中新烟碱类杀虫剂浓度及季节性差异

6 种新烟碱类杀虫剂检出率［N-DMA（40.7%）、5-OH-IMI（17.9%）、CLO（7.7%）、IMI（4.3%）、ACE（0.5%）、THD（0.3%）］均低于50%。N-DMA浓度仅P75（0.39 μg·L-1）和P95（1.15 μg·L-1）高于其检出限（0.2 μg·L-1）；5-OH-IMI浓度仅P95（1.10 μg·L-1）高于其检出限（0.4 μg·L-1）；CLO浓度仅P95（0.40 μg·L-1）高于其检出限（0.2 μg·L-1）；MI、ACE 和THD 浓度四分位数均低于检出限（0.4、0.3、0.03 μg·L-1）。见表2。鉴于IMI、ACE、THD检出率不高，故肌酐校正后只对其余杀虫剂进行季节性差异分析，结果发现P95数值夏秋季均高于冬春季［N-DMA（1.85 μg·g-1vs 1.33 μg·g-1）、5-OH-IMI（1.81 μg·g-1vs 1.66 μg·g-1）、CLO（0.81 μg·g-1vs 0.59 μg·g-1）］（P＜0.05）。

表 1 2015—2016 NHANES中6～20岁儿童青少年的基本特征和性激素水平［n（%）或±s］Table 1 Basic characteristics and sex hormone levels of children and adolescents aged 6-20 years in NHANES 2015-2016 [n (%) or ±s]

表 1 2015—2016 NHANES中6～20岁儿童青少年的基本特征和性激素水平［n（%）或±s］Table 1 Basic characteristics and sex hormone levels of children and adolescents aged 6-20 years in NHANES 2015-2016 [n (%) or ±s]

［注］*：NHANES 根据美国疾病预防控制中心的特定性别生长图将参与者分为过轻体重（≤P5）、正常体重（＞P5～P85）、超重（＞P85～P95）和肥胖（＞P95）。**：冬春季（11月1日—4月30日），夏秋季（5月1日—10月31日）。***：血清睾酮、雌二醇和性激素结合蛋白浓度经log 转换。［Note］*:According to the gender-specific growth chart of CDC in NHANES,the participants are classified as underweight (≤P5),normal weight (＞P5-P85),overweight (＞P85-P95),and obese (＞P95).**:Winter and spring (November 1 to April 30),summer and autumn (May 1 to October 31).***:Log transformation of serum testosterone,estradiol,and SHBG levels.

变量Variable新烟碱类杀虫剂数据Neonicotinoid insecticides data set（n=599） t/χ2 P男性（Male）（n=941）美国国家健康与营养调查数据All data of NHANES（n=1 839）女性（Female）（n=271）年龄/岁（Age/years） 1.400 0.237 6～11 418（44.4） 406（45.2） 151（46.0） 134（49.4）12～20 523（55.6） 492（54.8） 177（54.0） 137（50.6）种族（Race） 3.867 0.276非西班牙裔白（Non-Hispanic White） 270（28.7） 241（26.8） 90（27.4） 76（28.1）墨西哥裔美国人（Mexican American） 210（22.3） 220（24.5） 89（27.1） 70（25.8）非西班牙裔黑（Non-Hispanic Black） 195（20.7） 169（18.8） 66（20.1） 55（20.3）其他（Other） 266（28.3） 268（29.8） 83（25.3） 70（25.8）出生国（Country of birth） 1.115 0.291美国50个州/华盛顿特区（50 U.S.states/Washington DC） 862（91.6） 816（90.9） 294（89.6） 244（90.0）其他（Other） 79（8.4） 82（9.1） 34（10.4） 27（10.0）年龄别BMI（BMI-for-age）* 0.073 0.995过轻体重（Underweight） 22（2.3） 13（1.4） 8（2.4） 3（1.1）正常体重（Normal weight） 530（56.3） 485（54.0） 189（57.6） 139（51.3）超重（Overweight） 150（15.9） 192（21.4） 53（16.2） 61（22.5）肥胖（Obese） 239（25.4） 208（23.2） 78（23.8） 68（25.1）贫困指数比（Poverty index ratio） 13.941＜0.001贫困线以下（Below poverty level）（＜1.85） 530（56.3） 515（57.3） 157（47.9） 131（48.3）贫困线以上（Above poverty level）（1.85～5） 411（43.7） 383（42.7） 171（52.1） 140（51.7）样本采集时间（Time of sample collection）** 0.007 0.935冬春季（Winter and spring） 481（51.1） 418（46.5） 168（51.2） 124（45.8）夏秋季（Summer and autumn） 460（48.9） 480（53.5） 160（48.8） 147（54.2）睾酮质量浓度（Testosterone levels）/（ng·L-1）*** 16.80±10.30 10.80±4.50 16.80±10.10 10.90±4.60 0.647 0.518雌二醇质量浓度（Estradiol levels）/（ng·L-1）*** 0.84±0.49 1.27±0.71 0.83±0.49 1.25±0.72 0.967 0.334性激素结合蛋白浓度（SHBG levels）/（nmol·L-1）*** 1.71±0.32 1.79±0.28 1.71±0.32 1.78±0.26 0.328 0.743女性（Female）（n=898）男性（Male）（n=328）

2.3 N-DMA水平与儿童青少年性激素水平的相关性

调整混杂因素后，以Q1组为参照，N-DMA在Q3组中与血清T 呈负相关（b=-0.12，95%CI：-0.22～-0.02），在Q2 和Q3 组中与血清SHBG 均呈正相关（b=0.05，95%CI：0～0.09；b=0.08，95%CI：0.04～0.13），且均存在剂量-反应关系（P趋势=0.023、＜0.001）。见表3。

2.4 N-DMA 水平与不同性别儿童青少年性激素水平的相关性

性别分层后，N-DMA 在男性Q3 组中与血清T 呈负相关（b=-0.15，95%CI：-0.29～0），与血清E2 呈负相关（b=-0.07，95%CI：-0.13～0），且均存在剂量-反应关系（P趋势=0.042、0.032）。N-DMA 在男性Q2 和Q3 组中与血清SHBG 均呈正相关（b=0.06，95%CI：0.01～0.11；b=0.07，95%CI：0.02～0.13），且存在剂量-反应关系（P趋势=0.010）。在女性中未观察到这些关联。见表4。

表2 2015—2016年NHANES中6～20 岁儿童青少年尿中新烟碱类杀虫剂浓度（n=599）Table 2 Urinary concentrations of neonicotinoid insecticides in children and adolescents aged 6-20 years in NHANES 2015-2016 (n=599)

表3 2015—2016年NHANES 中6～20岁儿童青少年尿N-去甲基啶虫脒与性激素的相关性Table 3 The association between the urinary N-desmethyl-acetamiprid and sex hormones in children and adolescents aged 6-20 years in NHANES 2015-2016

表4 2015—2016年NHANES 中6～20 岁儿童青少年的尿N-去甲基啶虫脒与性激素的相关性（性别分层）Table 4 The association between the urinary N-desmethyl-acetamiprid and sex hormones in children and adolescents aged 6-20 years in NHANES 2015-2016 (gender stratification)

2.5 敏感性分析

进一步对样本采集时间、研究对象年龄以及女性月经初潮进行敏感性分析后发现，儿童青少年尿N-DMA 与血清性激素之间的关联结果均无明显改变（补充材料：http://www.jeom.org/article/cn/10.13213/j.cnki.jeom.2021.20482）。

3 讨论

本研究基于2015—2016年美国NHANES，分析6～20 岁儿童青少年6 种新烟碱类杀虫剂暴露情况，发现除N-DMA 检出率较高（40.7%）外，其他新烟碱类杀虫剂检出率均较低（0.3%～17.9%）；2种代谢物（N-DMA和5-OH-IMI）的检出率高于4 种新烟碱原物（CLO、IMI、ACE 和THD）；新烟碱类杀虫剂检出浓度存在季节性差异。此外，本研究评估了检出率最高的N-DMA对儿童青少年性激素的影响，发现N-DMA 暴露可能与儿童青少年血清T 水平下降、SHBG 水平上升有相关性，且存在性别差异。

本研究发现6 种新烟碱类杀虫剂检出率均低于50%，这与其他研究检出率相似。Ospina 等［4］分析2015—2016年美国3 岁以上人群6 种新烟碱杀虫剂暴露状况，其中N-DMA、5-OH-IMI、IMI、CLO、ACE 和THD 检出率分别为35%、19.7%、4.3%、7.7%、＜0.5%和＜0.5%。此外，Osaka 等［31］在日本爱知县223 名3 岁儿童尿液中检出7种新烟碱类杀虫剂，其中IMI、ACE、CLO 和THD 检出率分别为15.2%、12.1%、8.1%和0%。Zhang 等［32］在中国13 个城市324 名1～97 岁志愿者尿中检出6种新烟碱类杀虫剂，其中IMI、ACE、CLO、THD检出率（97%、96%、99%、92%）均高于本研究（4.3%、0.5%、7.7%、0.3%），其原因可能与所用分析仪器不同有关（超高效液相串联质谱法，CLO、IMI、ACE、THD的检出限分别为0.002、0.006、0.000 7 和0.000 2 μg·L-1）。Kabata 等［33］检测了来自斯里兰卡北部地区普通健康农民的40 份尿样，其结果表明N-DMA 的P75和P95数值分别为0.47 μg·L-1和1.5 μg·L-1。另一项研究［14］显示美国纽约515 份普通成人志愿者尿N-DMA 的P75和P95数值分别为0.61 μg·L-1和1.77 μg·L-1。本研究检出N-DMA的P75和P95数值分别为0.39 μg·L-1和1.15 μg·L-1，均低于上述两项研究报道的N-DMA 水平，这可能与暴露人群的地域、年龄和职业存在差异性有关［34］。本研究发现代谢物N-DMA 检出率最高，这可能与母体化合物ACE 在美国农业中广泛使用有关［35］。此外，新烟碱类杀虫剂在人体内的半衰期较短，大部ACE 代谢转化为N-DMA［36］，提示尿N-DMA 浓度是评价ACE 暴露的一项良好的生物监测指标。本研究观察到新烟碱类杀虫剂检出浓度存在季节性差异，夏秋季高于冬春季，这可能与该类杀虫剂的使用条件以及人群的饮食习惯有关［31，37］。

本研究发现N-DMA 暴露与儿童青少年T 水平呈负相关，但与SHBG 水平呈正相关，且存在剂量–反应关系。T 是雄激素的主要成分，低浓度T 与性腺功能减退、染色体畸变（如克氏综合征）和肝硬化有关［38］。E2 是活性最高的雌激素，低浓度E2 与卵巢肿瘤、睾丸肿瘤和下丘脑肿瘤有关［39］。SHBG 是一种由肝脏产生的糖蛋白，主要生理功能为特异性结合并转运性激素，从而调控血液中具有生物活性的性激素浓度，临床用于多毛症、多囊卵巢综合征、肥胖和甲状腺疾病诊断［40］，血清T 水平降低会导致SHBG 水平升高［41］。本研究的确也发现了N-DMA 与血清T 的负相关关系具有统计学意义。一项基于小鼠饮水染毒的实验［42］显示，每天给予每只小鼠2.6 和21.4 mg 的ACE，180 d后其T 的合成和代谢相关基因（LHR、StAR、CYP11A1、CYP17A1和HSD17B1）的表达均减少，这可能是N-DMA暴露引起SHBG 水平升高的原因之一。此外，研究显示新烟碱类杀虫剂暴露会引起甲状腺功能紊乱［43］，而甲状腺激素分泌增加又可促进SHBG 合成［44］，这也可能是N-DMA 暴露引起SHBG 水平升高的原因之一。本研究仅在男性中发现N-DMA暴露与T和E2水平下降、SHBG水平上升的关联性。虽然暂无相关的人群研究报道，但一项动物实验显示［45］，10、30 mg·kg-1的ACE连续5周灌胃染毒成年雄性小鼠，其血清T水平下降，与本研究结果有相似性。这项实验研究表明血清T水平下降是由于ACE抑制了类固醇生成酶的关键基因（CYP11A1、StAR和HSD3B）表达。Zhang等［46］发现30 mg·kg-1的ACE连续36 d灌胃染毒成年雄性小鼠，其体内T水平下降，这可能是由于ACE 增加了氧化应激水平（丙二醛水平增加，谷胱甘肽过氧化物酶活性降低和超氧化物歧化酶活性降低）。另一项关于IMI 的研究也发现了类似结果，Hafez 等［47］用5、90 mg·kg-1的IMI 灌胃染毒成年雄性小鼠15 d 后，发现其血清T 和E2 水平均下降。N-DMA暴露对性激素的影响仅在男性中发现，这种性别差异可能源于两性生殖系统和新陈代谢特点等差异性［48-49］，其相关机制有待深入研究。

本研究丰富了不同年龄段人群的新烟碱类杀虫剂暴露及其对激素影响的研究。本研究基于2015—2016年美国全国性大规模健康调查，具有样本量大、代表性好的优势，但也存在一定的局限性：①某些新烟碱类杀虫剂的检出率不高，分层研究可能影响了结果的稳健性；②本研究不能排除新烟碱类杀虫剂共暴露所致不良效应或与其他环境污染物复合暴露对性激素的影响；③本研究是一项横断面研究，无法论证因果关系。尽管本研究中儿童青少年暴露新烟碱类杀虫剂的检出率不高，但仍揭示在该研究人群暴露新烟碱类杀虫剂与其性激素水平存在一定的相关性，且呈现性别差异，此研究结果可为今后进一步探讨新烟碱类杀虫剂暴露对儿童青少年生殖内分泌系统的影响，保护其生殖内分泌健康提供理论依据。