高碘摄入对男性(雄性)生精能力的影响

李亚东 综述 张树成 谷翊群* 审校

1.中国医学科学院北京协和医学院(100730) 2.国家卫生计生委科学技术研究所

碘元素是人体必须的微量元素之一，参与甲状腺激素(TH)合成。具有生物活性的TH包括甲状腺素(T4)和三碘甲状腺原氨酸(T3)。在血清中以总三碘甲状腺原氨酸(TT3)、总甲状腺素(TT4)、游离三碘甲状腺原氨酸(FT3)、游离甲状腺素(FT4)存在。TH在体内广泛参与调解生长发育、物质代谢及神经系统功能等生理过程[1-2]。在人类所生活的自然环境中，由于地壳碘元素分布不均，造成大部分地区处于碘缺乏状态；同时人体内储存的碘总量有限，在这些碘缺乏地区外源性补碘必然成为一个持续的、贯穿生命各个阶段的有效方法。碘元素缺乏导致一系列疾病影响甲状腺机能和正常的生长发育、智力发育等。基于补碘能有效改善和预防碘缺乏疾病的发生，世界卫生组织、联合国儿童基金、国际碘缺乏理事会(WHO/UNICEF/ICCIDD)提出基于尿碘中位数(MUI)的人群碘营养状况评估标准，并建议在食物中加碘[3]。随着补碘时间的延长，人们日常生活中可能同时摄入多种含碘食物，居住于环境富碘地区的居民可能同样摄取含碘食物，造成部分人群面临潜在高碘营养状态风险。这一现象已引起人们的重视，提出应加强对高碘的认识[4-5]。近年来，高碘对甲状腺疾病影响的研究受到重视，但对生殖系统和生精能力影响的认识尚显不足。

1 碘元素在体内代谢

绝大多数碘化合物在摄入体内后在胃和十二指肠以碘离子形式被很快吸收(>90%)[6]，少数碘化合物以完整分子结构被吸收。血清碘进入循环系统后主要被甲状腺和肾脏摄取。在甲状腺中，甲状腺细胞根据血清碘离子浓度摄取碘离子合成一定量TH，未被利用的碘离子通过肾脏排泄；唾液腺、乳腺、脉络丛以及胃肠道黏膜等组织器官可以吸收小部分碘离子。在甲状腺细胞基底膜上的钠碘泵(NIS)是碘离子进入细胞内主要离子通道，NIS使甲状腺细胞内碘离子浓度高于血清20～50倍，以保证TH的正常合成。根据WHO/UNICEF/ICCIDD的推荐[3]，成年人每天的摄碘量为150mg(孕妇和哺乳期妇女除外)，但实际临床中无法准确计算食物中碘摄取量，故多以尿碘浓度(UIC)代替，当UIC≥300μg时被认为是碘过量。人体摄入过多碘后甲状腺细胞对碘摄入会有“自我调节”机制。Wolff和Chaikoff[7]在1948年就报道,血碘浓度超过一定范围后碘离子合成甲状腺素将会被抑制，这种现象被称为Wolff-Chaikoff效应。碘离子浓度继续长期维持在高值时，碘抑制甲状腺素合成释放作用消失，甲状腺素随即大量释放并恢复合成，称之为脱逸效应。在补碘撤退后，碘持续抑制甲状腺素碘化，脱逸效应消失，则导致甲状腺功能减退；长期碘过量状态，甲状腺大量合成TH导致碘源性甲状腺功能亢进[8]。当甲状腺自我调节机制缺陷，正常甲状腺功能将受到影响。此外，血清高碘离子浓度除了直接影响TH合成、紊乱下丘脑-垂体-甲状腺激素轴外，在唾液腺、乳腺、脉络丛以及胃肠道黏膜等组织匀浆内也可以测出高碘离子水平[6]；精子暴露于自由碘(5～10ppm)中很快便失去活动性[9]，其机制至今尚不明晰。

2 甲状腺激素及其受体对睾丸组织的影响

TH在许多器官组织的发育、生长和维持正常功能方面都发挥着作用。在睾丸，TH结合不同种类甲状腺激素受体(TR)影响着睾丸早期发育、成熟和功能维持[10]。大量研究证实TH对生殖系统具有重要作用，其失调最终能够影响雄性性功能和导致不育[11]。TH与TR结合通过经典基因组途径发挥作用。TR由两个基因(THRA/THRB)分别编码两个亚型受体TRα和TRβ，分别分为α1～α3和β1～β4[12]。TR在睾丸组织中的精子、发育中的各级生殖细胞、支持细胞、间质细胞和管周细胞均有表达[10]。能在支持细胞中检测到TRα2和TRα3的mRNA，这些受体没有同T3相结合的能力[13]，但它们可能与甲状腺激素抑制受体结合发挥负向作用抑制基因转录。在TR的亚型中，α1和β1是同T3、T4结合发挥主要生理作用的两种受体，并且在小鼠睾丸发育过程中支持细胞和精原细胞都有表达的受体[14]；在支持细胞的发育过程，大量的α1和β1受体的表达提示该细胞即是在睾丸发育中T3作用的靶点。事实上，TRα也是支持细胞成熟的标志物。

2.1 甲状腺激素与间质细胞

TH和TR在间质细胞分化、合成雄性激素的过程中发挥作用。在啮齿动物中发现，T3是启动间充质细胞分化为间质细胞的必要因素，并与其他激素共同作用下促进间质细胞的发育[15-16]。TRα/T3信号转导可以影响类固醇合成酶基因的表达。类固醇激素合成过程中有多种重要的酶和蛋白质参与，包括类固醇合成快速调节蛋白(StAR)、细胞色素P450侧链酶(P450scc)、17α羧化酶(P450c17)、3β羟化类固醇脱氢酶(3β-HSD)等。在睾酮合成过程中，StAR促进胆固醇进入线粒体内膜，P450scc将胆固醇转化为孕酮，孕酮转运至滑面内质网合成睾酮。Eunsook Park证实TRα结合T3后能直接调控编码P450c17基因的启动子，提高其翻译产物；间接通过蛋白质-基因作用反式激活类Nur77，调控类固醇合成酶编码基因的启动子，调控表达产物(如StAR、3β-HSD)；在未结合T3状态下降解Nur77组蛋白反式激活基因表达。Nur77属于孤儿核受体，也是在间质细胞内调控类固醇激素合成酶重要的转录因子。结合配体的TRα对于Nur77基因的抑制作用，被认为是TRα/T3募集的共同因子对Nur77基因作用的结果。T3下调支持细胞中芳香化酶基因表达，降低生殖相关激素间生物转化，进而影响生殖激素合成。这些结果表明支持细胞内合成类固醇激素受到TH的调控和影响[16]。

2.2 甲状腺激素与支持细胞

睾丸支持细胞为精子生成提供物质保障和构建封闭环境，调控精原干细胞的增殖和分化[17]。T3在睾丸内与受体结合能力直接影响支持细胞的增殖水平，表明T3能促使支持细胞成熟。实验证明TH通过PI3K信号通路抑制支持细胞的增殖[18]。观察发现幼鼠阶段的甲减鼠，在成年后睾丸和附睾重量明显增加，精子数目明显增多。同样甲减新生儿患者，青春期前睾丸明显增大。分析显示T3增加了支持细胞内细胞周期抑制蛋白p27和p21，后两者为细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子家族成员，对细胞周期调控起负向作用[19]。TH亦可通过结合支持细胞TRα1，调控Cdk4/JunD/c-myc mRNA水平来影响细胞增殖[20]。

支持细胞作为血睾屏障的重要组成部分影响着血睾屏障功能作用，TH也参与其中。缝隙连接是相邻细胞进行直接信息沟通的细胞间通道，参与多种细胞生理过程，如细胞生长、凋亡和分化[21-22]；联接蛋白43(Cx43)是睾丸内主要的缝隙连接蛋白，在支持细胞、精原细胞、间质细胞之间均存在[21,23]。敲除Cx43基因后的小鼠睾丸缩小，精曲小管中有丝分裂活跃的支持细胞和早期精原细胞均存在的情况下，但并未找到精子，可能是由于精原细胞分化为精母细胞时发生了障碍[24]。在支持细胞Cx43基因敲除小鼠的实验中发现TRα1mRNA表达上升，证实敲除或失活Cx43可上调TRα表达[25]。上述实验表明，Cx43在精子生成和睾丸发育过程中具有重要作用，TH通过直接和(或)间接途径发挥作用。

3 高碘对垂体、甲状腺功能影响

碘过量出现脱逸效应后，下丘脑-垂体-甲状腺激素轴的正常分泌受到影响。首先，慢性碘过量会影响垂体甲状腺轴功能。生理状态下，下丘脑释放促甲状腺释放激素(TRH)作用在垂体，垂体分泌甲状腺刺激素(TSH)通过调节甲状腺细胞合成分泌T3、T4，使机体TH水平保持稳定。下丘脑分泌促性腺释放激素(GnRH)作用于垂体，使之分泌黄体生成素(LH)和卵泡刺激素(FSH)，LH和FSH共同调节睾丸类固醇激素促进精子生成，并负反馈抑制GnRH合成和分泌，以保持机体激素水平。在短时间内超生理剂量的碘使血浆TSH浓度上升，但并不影响T3、T4水平；当慢性碘过量时，垂体内促TH的β-亚单位 mRNA水平上升，表明外界过量碘使TSH在mRNA水平增加；与此同时，碘离子会抑制垂体内2型脱碘酶的活性，降低T4转化为T3能力，有生物活性的甲状腺素下降，从而导致血清TSH增加。最终慢性碘过量表现为TSH增高，T3、T4水平下降。因此，可以说明在碘过量的情况下垂体分泌TSH增加[26-27]。其次，丘脑-垂体-甲状腺和丘脑-垂体-性腺这两个激素轴在垂体内相互影响[28]，垂体-甲状腺激素轴的紊乱最终导致垂体-性腺轴的分泌出现异常。高碘状态对甲状腺细胞功能也存在影响，而TH对睾丸组织细胞发育和分化产生重要作用。Hussein Ael-A[29]发现，当给予大鼠10倍和20倍生理剂量碘剂时，血浆TSH水平上升， T3、T4水平下降。甲状腺细胞NIS1型脱碘酶、甲状腺过氧化物酶(TPO)基因表达明显下降。短时间内高碘对于甲状腺细胞的作用只体现在激素水平，可以通过机体代偿机制得到调节。长时间高浓度碘离子的累积，超过机体代偿能力，继而发生临床或亚临床甲亢、甲减和自身免疫性甲状腺疾病[30]。一项对中国4省2147名成年人碘缺乏、碘过量与甲状腺功能紊乱和甲状腺疾病的调查中发现，临床甲减在碘过量、碘足量和碘缺乏的人群的发病率分别是2.56%、 1.18% 和1.05%；亚临床甲亢、临床甲亢在碘过量、碘足量和碘缺乏的人群的发病率分别是1.16%、 0.98% 和 3.44%[31]。

4 高碘对睾丸氧化还原反应的影响

睾丸内氧化与抗氧化平衡是睾丸细胞功能调控的重要环节。线粒体氧化产能，转化产物ATP供其他生命活动利用，同样它在调节生精过程中也起着重要作用。睾丸内氧化还原反应主要包括：活性氧(ROS)调节的信号通路，内质网内氧化蛋白折叠和在精子染色质凝聚中的精蛋白磺化氧化。其中外界因素影响ROS干扰生精能力研究最为深入。ROS不仅可以对睾丸组织产生直接损伤，也能调节信号通路调控生精细胞生理过程。在睾丸组织细胞中，由于细胞膜含有大量多不饱和脂肪酸(PUFA)，使得这些细胞成为ROS攻击的主要对象。生精细胞在氧化应激情况下启动P53依赖和非依赖途径损伤DNA致使细胞凋亡[10]，当这种情况过多存在时，影响生精能力导致男性不育[32]。在精子形成过程中，ROS信号通路转导被认为是生精干细胞有丝分裂的控制信号，并且ROS是使精子获能、获得运动和活动能力的关键信号介质[33]。ROS的启动由细胞外刺激引起。Wang[34]等将FRTL-5(一种细胞系)经100μM碘化钾处理2h后发现，线粒体内过氧化物显著增多、硫氧还蛋白过氧化物酶3(Prx 3)蛋白表达、半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶3和9表达增多，说明碘离子能迅速刺激线粒体呼吸链产生ROS，并且也刺激增加抗氧化酶表达。在氧化应激的状态下，ROS会持续刺激生精增殖，从而导致生精细胞向不可控方式转变，即致瘤性增生[35]。一方面高碘能直接刺激细胞产生ROS，过多ROS产生细胞毒性和抗增殖的作用；另一方面高碘会抑制NIS[36]和启动PI3K/Akt信号[37]通路，对其下游产生影响。Chakraborty[38]发现高碘喂养150天的大鼠睾丸内氧化物质增多，抗氧化酶失衡，ROS增加，最终损伤大鼠生殖能力，证实了长期高碘对雄性生育力的负面影响。

5 高碘对脱碘酶的影响

碘作为TH合成的重要原料，机体长期暴露于高剂量的碘剂下，势必会对TH及其调节产生影响，从而影响生精能力。各组织和细胞中均有甲状腺激素激活酶，碘化甲腺氨酸脱碘酶具有细胞特异性和受体前调解TH信号途径。它将生物效应较低的T4通过脱碘作用转化为生物活性高效的T3，在不同靶器官结合甲状腺激素结合受体发挥作用。碘化甲腺氨酸脱碘酶分为D1、D2、D3三型，D1、D2将T4脱碘转化为T3，D3则失活T3、T4[39]。Wajner[40]等在成年大鼠睾丸组织中发现D2的高表达，证实了睾丸生精过程中TH的参与和重要性。此外，长期高碘摄入下，高碘营养状态抑制垂体D2。实验中，对照组摄入10倍和50倍于正常组(200μg/kg)碘元素的wistar大鼠，在饲养8～24周后垂体D2活性受到显著抑制，血清TSH较正常组增高。说明高碘状态能直接抑制D2，使组织内TH水平下降，从而影响其生物效应[26]。

6 小结与展望

碘对TH代谢必不可少，TH对下丘脑-垂体-睾丸性腺轴的调控具有重要作用。适宜水平的碘摄入是男性(雄性)TH和性激素正常代谢必要的条件。睾丸作为男性(雄性)机体精子发生和雄激素合成的重要器官，碘对睾丸组织功能、精子生成、雄激素合成与分泌等过程的影响目前尚仍未明确，现有实验证据有限。虽然碘对甲状腺影响的研究充分且深入，但不能因此而推理碘对睾丸存在相同或相似影响。诚然碘缺乏病对人类的危害比碘过量更严重，食物中加碘所带来的益处也极为重要，但在采取补碘策略时不能“宁多勿少”，更应注意微量碘过量(高碘)长期应用对生殖带来的不良影响，应针对不同特性的人群采取不同的补碘策略。目前，高碘对生殖的损害和对生精能力影响的报告，多集中在动物实验和现象报道，对机体生精能力的分子机制、作用途径了解尚不全面。对于正常人群的碘摄入与精液质量关系的评价更应引起重视，这将会开启对机体必须微量元素认识的新思路。

良好的男性(雄性)生精功能是在一系列激素协同调控下的“合奏曲”，所有相关的激素水平在一个稳态下才能达有良好的生精能力。睾丸组织存在特殊的屏障，睾丸组织特异性与碘离子的关系认识尚不明确，血清高碘离子如何进入睾丸组织，睾丸组织内高碘浓度对于影响睾丸生精过程中减数分裂、细胞凋亡和氧化还原等问题仍需进一步探索。

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