空气污染对男性生育能力的影响及其机制

胡建英狄 娟曹亿会张瑞仙

(1.云南省疾病预防控制中心 免疫规划所,昆明 650022;2.云南省疾病预防控制中心 环境卫生所,昆明 650022;3.云南省疾病预防控制中心 急性传染病防制所,昆明 650022;4.云南省第一人民医院/昆明理工大学附属医院疾病预防控制科,昆明 650034)

世卫组织(world health organization, WHO)报道,2016 年,全球91%的人生活之处,空气质量均未达到WHO 空气质量指南水平[1]。 该指南指出,空气污染是威胁健康的重要环境风险因素,不仅使中风、心脏病、癌症等多种疾病负担加重,对生殖细胞的损害,也是近年来生育率下降的重要原因[2],尤其在工业化国家[3-5]。 本综述重点关注空气污染对男性不育的影响及其发生机制的研究进展,将从宏观流行病学和微观分子生物学两个层次着手,总结论述空气污染对男性不育的影响及其分子机制。

1 环境污染影响男性不育的流行病学研究

衡量男性生育能力最重要、最直接的指标是精子质量,也有研究关注体内激素水平、甚或睾丸相关细胞等。 精子质量参数主要包括:精子数量和/或精子浓度(精子浓度=精子数量/精液量)、总活力、进行性运动(progressive motility,PrM)、非进行性运动(non-progressive motility, NPrM)、正常形态精子率;也有研究指向精子基因如DNA 碎片指数(DNA fragmentation index,DFI)、染色质变化等。

1.1 PM 污染与精子质量

意大利一项为期6 年的研究,将空气污染物监测数据与谷歌地图程序对研究对象的地理编码相结合,发现环境颗粒物(particulate matter, PM)浓度与精子的PrM 能力呈负相。 而PM 与精子的NPrM和正常形态精子比例(normal, Nor)则呈正相[6]。Bosco 等[7]研究发现,职业性污染PM2.5和PM10环境中,育龄男性的精子数量、浓度、线性进行性运动精子比例并未发现差异,而静止精子比例则显著降低。

以上国外研究中,PM 对精子质量影响的研究结论存在争议,国内也类似。 如香港大学Lao 等[8]利用基于卫星导出的气溶胶光学深度数据的时空模型,对台湾6475 名15~49 岁男性参与者精子质量研究,发现2 年平均空气PM2.5每增加5 μg/m3,精子正常形态率下降1.29%、而精液浓度每毫升提高1.03×106个;3 个月的空气质量变化数据结果类似,精子正常形态率下降0.91%、精液浓度变化量同前。 因此认为,长期和短期PM2.5暴露,均与正常形态精子数减少、精液浓度升高相关。 另外,武汉和淮安所进行的研究均提示,PM2.5和PM10暴露与精子数量减少、浓度下降均呈负相关[9-10];然而,此两项研究关于PM 对精子活力的影响则不同,前者认为两者无关[9],后者则认为PM10暴露与精子活力下降有关[10]。 相反,Zhou 等[11]对不育男性患者的研究发现,PM 暴露对精子浓度有积极影响,然而,PM10暴露与精子正常形态比例下降、活力下降有关。 淮安市研究还发现,PM2.5和PM10对精液质量不利影响的敏感期在精子形成的早中期;故鉴于空气污染的普遍存在,为促进生殖健康,提高精液质量,提出采取预防措施应于受孕90 d 前就开始,而不仅仅在精子形成阶段(如射精前70~90 d)[10]。

1.2 多种空气污染物与精子质量

国内外均有部分研究将时空结合,较为真实地反应了空气污染与精子质量的相关性;从研究设计来看,前瞻性研究可提高因果关系的可靠性,如一项在健康捐精者中进行的研究,发现4 种空气污染物(O3、NO2、CO 和PM10)中,只有O3暴露对精子参数有显著影响,且暴露的不同阶段,对精子的影响也不同:精液收集前0~9 d,若空气O3浓度增加,则精子浓度下降;若10~14 d 或70~90 d 时,O3与精子浓度变化关系不明显[12]。 同样是多种空气污染物与精子质量参数的相关报道,Radwan 等[13]在波兰进行的研究认为,暴露于空气污染物PM10、PM2.5、SO2、NOX、CO 均与精子形态异常相关,但对精子浓度和活力却均无影响[13]。 捷克学者则认为与非产煤地区相比,产煤地区空气对男性精子活动性有显著的负面影响,而且,空气污染与精子及其头部形态异常比例增高显著相关,但并未发现其对精子总数有影响[14]。

我国有学者也持续关注该领域,多年来从不同维度报道了空气污染与精子质量的关系,首先比较了空气污染程度较轻的农村与污染较重的城市,发现农村居民精液质量较城市者更好,特别是精子形态;其次,不仅外暴露的PM10、SO2、NO2浓度与研究对象正常精子形态百分比分别显著负相关,而且,PM10和NO2均与精子运动速率显著负相关,提示PM10、SO2、NO2可能是城市男性精液质量较差的重要影响因素[11]。 近年在同一地区的深入研究发现,较差的空气质量可能与精子氧化损伤有关,特别是在精子发育的特定时期暴露于SO2中[15]。 对此,如果能够持续追踪,并观察研究对象的生育能力,则可得出更有意义的结论。

1.3 特定空气污染与精子质量

空气污染的一个主要来源是汽车尾气,已有不少研究关注暴露于尾气中的职业人员,如高速公路上的收费员(暴露于汽车尾气中),与同一公司在室内工作的同事相比,前者在精子数量、活动性和形态(尤其是头部缺陷)方面均有显著下降或异常[16-17]。 类似研究De Rosa 等[18]报道,暴露于空气污染环境的收费员与年龄匹配的随机招募对照男性相比,其精子能动性、活力、核DNA 完整性、宫颈粘液穿透能力均显著降低,但精子数量和浓度则无差异。

可见,空气污染可能改变精子数量、活力、形态等物理特性,究其原因,可能在精子DNA 水平已发生可逆或不可逆性变化。 这点在以上部分研究中已有报道:空气污染可能影响精子基因组[13,19];Jurewicz 等[20]在不育咨询者的精子研究中,发现其精子浓度正常,而PM10、PM2.5暴露与精子某些染色体非整倍体率显著正相关:r(PM10vs. 21 号染色体畸形)= 0.58;r(PM2.5vs. Y 染色体畸形)= 0.68;类似的,PM10、PM2.5与不成熟精子(精子不成熟表现在染色质浓缩不全)比例增高相关[13];捷克学者则发现,暴露于空气污染严重的男性,其染色质异常的精子比例显著增加,DFI 增高[19](DFI 是公认的临床不育和自然流产的重要直接原因);类似的,意大利学者在研究PM 污染环境中的职业男性时,发现其平均DFI 显著高于对照[7]。

1.4 空气污染与雄性激素

有研究报道了空气污染对体内性腺轴中激素循环水平的影响。 Radwan 等[13]发现,空气中PM10、PM2.5、NOx、CO 含量与男性睾酮水平呈负相关;多种可挥发性化学污染物,如双酚A、邻苯二甲酸酯等残留,可直接导致睾酮生成紊乱[21];然而,暴露于汽车尾气的高速站收费工人,睾酮水平却与对照组无差异[18]。 对于形成并分泌睾酮的睾丸组织,主要在动物体内进行观察研究。

可见,从流行病学水平对人群进行研究时,空气污染对精子质量不同指标影响的程度不同,甚至截然相反。 可能因为现有研究可比性局限,且各项研究的污染物来源或成分有差异,而且往往在研究对象、研究持续时间和暴露时间等方面有所不同。为此,进一步的研究需更为严格的课题设计,数据处理时需进行多因素统计分析、逐步寻找影响因素、并通过构建不同模型进行预测,以定量衡量其对精子质量的影响程度。

2 环境污染影响男性不育的实验室研究

由于伦理问题,对于更深入的体内研究,则需要在动物中进行。 与在男性精子变化中观察到的结果类似,暴露于汽车尾气(尤其是柴油车尾气)的小鼠和大鼠中,精子的每日产生量显著下降,形态异常率也有所增加[22-25];而且,空气污染对精子核质量的深入影响也有研究,如加拿大科学家于本世纪初报道,暴露于两家综合钢铁厂下风1 公里处的小鼠,其串联重复DNA 位点比30 公里外小鼠相应基因位点的遗传突变频率高1.5~2.0 倍[26]。 Yauk等[27]进一步发现,暴露于环境污染空气中的小鼠,其精子DNA 断裂和精子DNA 高甲基化显著增加,这些均与精子DNA 突变率显著增加相关,特别是在DNA 序列重复位点上,后者又增加了精子DNA 发生基因突变的可能性,并遗传给后代。

除上述指标,动物实验更便于观察和检测睾丸组织相关细胞和性激素水平的变化。 Yoshida 等[23]发现,暴露于柴油废气中的小鼠,睾丸间质细胞上黄体生成素(luteinizing hormone, LH)受体转录水平显著降低、间质细胞和生精细胞形态改变;同样条件下的大鼠,Watanabe[22]发现其睾丸支持细胞数量减少(P<0.05)。 关于激素的变化,Jeng 等[24]已经证明,长期接触多环芳烃会导致血液睾酮水平下降,LH 水平上升,以上变化均有统计学意义;暴露于苯并(a)芘的大鼠,血液睾酮和LH 变化同上[28]。然而,Tsukue 等[29]则观察到,暴露于不同浓度梯度柴油尾气的小鼠,血液睾酮和LH 均较对照组显著升高,而这可能与副性腺(前列腺、精囊)的重量变化有关。 另一组研究,同样暴露于柴油废气条件下,大鼠的雌激素和睾酮水平显著升高,LH 和卵泡刺激素则显著降低,此外,精母细胞和精子细胞间,变性细胞数量显著增加[25]。 近年,我国有学者发现,汽油尾气可使大鼠睾丸生精小管上皮细胞疏松、数量减少、生精小管内精子数量显著减少,附睾精子数减少、精子畸形率显著升高;分子水平上,α6-整合素和β1-整合素(鼠精原干细胞表面标记物)的mRNA 和蛋白表达水平均显著降低[30-31];另一方面,汽车尾气衍生的PM2.5,可通过激活ROS-MAPKNrf2 通路,诱导大鼠支持细胞凋亡、破坏血睾屏障、损伤其生育能力[32]。

可见,不同形式空气污染在动物体内研究的结论,与流行病学在人群中所进行的研究结论基本一致,均给雄性生育能力带来不利影响。

3 环境污染影响男性不育的分子机制研究

近年,在空气污染对男性生育能力影响的发生机制研究中,环境、生物、医学等不同领域学者均进行了多角度深入探讨。 本文将机制研究分为4 类,然而,不同机制间也交互渗透,此处简要概述如下:

3.1 干扰内分泌

空气污染物,尤其是附着于PM 上的多环芳烃,是具有雌激素、抗雌激素或抗雄激素活性的内分泌干扰物[33],多环芳烃通过结合雌激素受体或雄激素受体,发挥激动或拮抗作用;也可能进一步激活芳香烃受体下游通路,参与许多细胞过程,最终影响精子的生成、活力、形态等[34]。

3.2 诱导产生活性氧(reactive oxygen species,ROS)

大多数空气污染物(如NO2、PM)是ROS 诱导剂,或者通过其(如O3或PM)所含的重金属和多环芳烃,诱导ROS 产生[16,32,35]。 虽然正常受精需要一定量的ROS,而过量则会对精子造成损伤[35]:因为精子膜含有大量多不饱和脂肪酸,以维持胞膜流动性,使其对氧化应激高度敏感,然而,这些脂肪酸的过氧化作用会导致其流动性丧失、膜表面酶和离子通道活性降低,从而改变精子的活动能力和精卵融合能力。 ROS 诱导的蛋白氧化,也可能通过分裂多肽链和聚合蛋白的积累,在精子分化的最后阶段,染色质重塑受损和精化不良,使精子功能改变。 最后,ROS 可能引发导致细胞凋亡的连锁反应,尤其是通过改变线粒体膜的完整性。 近年也有报道称,PM2.5通过PI3K/Akt 信号通路引发氧化应激,导致雄性大鼠生殖功能障碍[36]。 以上这些错误还可能同时或续惯发生、使损害叠加,最终导致精子数量、活性异常,影响男性生育能力[35,37]。

3.3 血睾屏障破坏和DNA 突变

多种环境污染物(如多氯联苯、二氯化铬等)均可引起睾丸免疫微环境变化,如IL-6、TNF-α、IL-1β等致炎因子升高,NALP3 炎症小体形成,从而直接或间接破坏血睾屏障[38-39];或通过诱导ROS 的产生,经多种信号通路(如上述动物观察研究部分)引起血睾屏障损伤[32,38];炎症微环境还可致精子DNA链断裂和基因突变,受精潜能下降,进而改变随后的胚胎发育[2]。 类似的,不同空气污染成分同时或先后使DNA 位点遗传突变频率显著增高[26],并增加细胞凋亡风险。 其次,在生殖细胞中,一些空气污染物分子(尤其是PM 中含有的多环芳烃)可通过共价键与DNA 碱基结合,形成DNA 加合物,从而改变基因表达[24,40]。

3.4 表观遗传修饰

表观遗传修饰,如DNA 甲基化的改变、RNA和/或组蛋白修饰等,均可能在精子发育的不同阶段引起基因表达异常[2]。 暴露于交通相关空气污染的小鼠,其基因甲基化状态会发生变化[41];长期暴露于对羟基苯甲酸丁酯,可致成年大鼠睾丸从有丝分裂到减数分裂后DNA 高甲基化[42];PM2.5污染可影响线粒体(mt)DNA 甲基化[43];附着于PM 的重金属污染物影响体内多种miRNAs 的表达水平,进而影响精子RNA 的表达及其潜在功能,如依赖于靶向FOXO1 的miR-183/96/182 簇表达增加,均可诱发胎儿生长发育异常[39,44];动物研究也表明,新生儿接触PM 时,StAR(产生睾酮所必需的)蛋白H3K14 乙酰化减少,降低了其精子数量和质量[44]。可见,空气污染扰乱了参与不同表观遗传过程的细胞代谢物水平,更甚者认为,表观遗传学改变与精子发生失败有关[2]。

4 小结

综上,尽管不同国家学者的研究中,空气污染物种类、生育能力相关检测指标并不完全一致,但所取得的结果基本一致,即空气污染可影响男性生育能力。 通过机制研究,近年也有学者提出,维生素C 和维生素E 可通过减轻氧化应激损伤,部分恢复精子的发生[32];如果联合限制热量摄入,可提高精子数量和质量[45];姜黄素也可通过抗氧化作用,对苯并芘引起的精子运动和形态损伤具有保护作用[46]。 然而,对抗空气污染所致损伤的保护方法,虽然一定程度上奏效,但根本措施仍是保护环境、改善空气质量。