全氟类化合物在人体与动物体内的生殖毒性

马雪倩，叶英辉

全氟类化合物（polyfluorinated chemicals，PFCs）是一类由氟原子和特定的官能团结合在4～14个碳原子组成碳链骨架上所构成的有机化合物，主要来自于表面活性剂和食品包装袋等工业生产物，并且广泛分布于日常生活中。研究发现，PFCs可以通过不同的途径聚集在人体的不同组织中，具有多种毒性效应，如肝毒性、肾毒性、生殖毒性等[1]。近年国内外关于PFCs生殖毒性的动物实验和临床研究逐渐增多，人们对这类物质的认识也在不断加深，本文对PFCs的特性、污染现状，及其对生殖系统危害进行综述。

1 结构特性

根据PFCs的化学结构可知，其具有高度的稳定性[2]，因此PFCs在生物体内常难以代谢。此外，PFCs同时具有水溶性和脂溶性，很容易在动物的不同组织中聚集，并干扰正常的生理过程，造成毒性作用[2-3]。

PFCs包括多种结构特性相似的有机物，其中全氟辛烷磺酸（perfluorooctane sulfonate，PFOS）和全氟辛酸（perfluorooctanoic acid，PFOA）两种物质在环境中约占据总含量的80%[3]，这两者也具有最强的生物活性。研究表明，PFCs中PFOS和PFOA在人体血液、精液等中所能检测到的含量最高，尤其是PFOA，因此是国内外研究较多的PFCs类物质[4-5]。PFOS和PFOA均含有一个由8个碳原子组成的碳链骨架，其末端分别被1个磺酸基和1个羧酸基所取代（见图1）。他们都具有较长的半衰期，PFOS半衰期约是5年，PFOA为3.5年[6]。此外，含量较高及生殖毒性较强的PFCs类物质还有全氟壬酸盐（perfluorononanoate，PFNA）、全氟辛烷磺酰胺（perfluorooctanesulfonamide，PFOSA）、全氟己烷磺酸（perfluorohexane sulfonic acid，PFHxS）和全氟庚酸（perfluoroheptanoic acid，PFHpA）等。饮食吸收则是PFCs进入动物机体内最重要的途径，经消化道首先在肝脏内富集，随后扩散到如生殖系统的其他组织中[7-9]。

图1 PFOS和PFOA的化学结构

2 污染状况

随着全球工业技术的快速发展，PFCs作为一种易于合成及化学性质稳定的有机化合物，近几十年内在工业生产中被广泛使用。多种工业产品如表面活性剂、润滑剂、纺织品及家具等物中都有PFCs的存在[1]。有学者对不同地区环境进行检测发现，在大气、土壤、水源乃至极地地区，都有PFCs的存在[7]。目前PFCs已作为一种全球性的污染物受到人们的关注。2018年国内研究表明，在长江的水以及沉积物中几乎检测到了所有种类的PFCs，并且其中PFOA占据最高含量[8]。一项包括中国及其他国家的研究发现，自来水和食物均有PFCs的污染[9]。

3 PFCs生殖毒性概述

3.1 PFCs与男性生殖健康 多项证据表明，无论是在雄性动物还是人类，PFCs均表现出对生殖系统的毒害作用，包括对激素水平、精子质量等的影响。Louis等[10]发现包括PFOS和PFOA在内的6种PFCs与17项精液质量指标有相关性，如精子头部面积和周长降低、双头精子和未成熟精子比例升高等。Song等[8]研究表明随着血液中PFOS及PFHxS含量的上升，精子的正常形态率有所下降。有学者分别对成年男性以及青少年男性的抽查发现，成年男性体液中PFOS及PFOA这两种物质的含量具有较强的正相关性，且这二者与血液中黄体生成激素（luteining hormone，LH）的浓度呈正相关[11]，而青少年男性血液PFOS浓度则与卵泡刺激素（follicular stimulating hormone，FSH）呈负相关[12]，与雌激素呈正相关[13]。另有研究显示，健康男性血清中的PFOS与男性睾酮（testosterone，T）水平呈负相关，但对精液质量无明显的影响[14]。此外，还有学者认为，PFCs会影响精子DNA的甲基化水平[15]、染色体整倍体性[16]乃至精子X染色体与Y染色体的比例[17]等。然而利用人类精子所进行的基因层面的研究相对较少，需要进一步的实验探索。但有理由认为PFCs类化合物在血液或精液中的聚集，可以使精液的质量下降，男性生育力下调，甚至可能通过不同的途径影响精子DNA的表观遗传以及染色体数目比例等。

对于PFCs影响男性生殖能力的作用机制，多数是利用雄性动物实验探索的。Emerce等[18]的研究表明PFOS可影响雄性小鼠的下丘脑-垂体-睾丸轴（hypothalamic-pituitary-testicular axis，HPT axis）的功能，从而抑制LH和睾酮的释放，同时促进FSH释放以及该性腺轴中多种生理过程的改变。随后该实验团队进一步发现，PFOS可以通过对HPT轴中部分基因的修饰而发挥作用。在睾丸水平上，PFOS可以抑制FSH受体及睾酮受体基因的表达，同时可促进促性腺激素释放激素（gonadotropin-releasing hormone，GnRH）和LH受体基因的表达[18]。此外，有学者从凋亡途径发现PFOS可以影响小鼠睾丸间质细胞中多种mRNA的水平，并且在高浓度PFOS时可抑制Bcl-2蛋白的表达，并上调Bax蛋白表达水平，促使睾丸间质细胞的凋亡[19]。另有研究发现PFOS可以通过作用于p38丝裂原活化蛋白激酶-激活转录因子2-基质金属蛋白酶9信号通路（p38MAPK-ATF2-MMP9 signalingpathway）而减少连接蛋白的表达，影响血睾屏障的正常功能，对雄性动物的生殖能力造成影响[20]。由此可见，PFOS可以通过多种不同机制在雄性动物体内发挥其生殖毒性。但近年关于PFCs影响男性生殖系统功能的机制探索多停留在PFOS上，关于PFOA等其他化合物的作用机制还有待进一步研究。

3.2 PFCs与女性生殖健康 研究发现非妊娠期女性血液中与卵泡液中多种PFCs类物质的含量相互之间呈正相关关系，且PFCs的高暴露可能降低卵子的体外受精率及可移植胚胎数[21]。加拿大一项研究表明女性生育力的下调与血液PFOA及PFHxS浓度的上升有关，但与PFOS无关[22]。Lu等[23]发现PFOA与PFNA可通过影响甲状腺的功能而间接降低女性生殖能力，但对血液中抗苗勒管激素（anti-mullerian hormone，AMH）无明显影响。在青少年中，PFCs的血液检出率仍很高，且研究发现PFUA会促进FSH的增加，PFOS及全氟癸酸（PFDoA）与女性青少年血液中睾酮水平呈负相关，并且可能下调性激素结合蛋白（sexhormone-bindingglobulin，SHBG）[12-13]。另一项对正常妊娠女性及其新生儿的研究发现，母血中高水平的PFOS及PFOA与男性新生儿体内雌孕激素水平呈正相关，与女性新生儿血中孕激素和泌乳素（prolactin，PRL）呈负相关[24]。然而也有相反的研究结果，López-Arellano等[25]的小规模数据分析认为卵泡液中PFCs水平与卵子受精率及优质胚胎率呈正相关。值得一提的是，尽管相对于男性，目前关于PFCs对女性生殖能力的研究更为有限，但女性血液中或卵泡液中的PFCs会在一定程度上对女性生育能力（包括激素水平，卵子及胚胎发育过程等）造成影响，并可能进一步影响胎儿的健康。

体外实验表明，PFCs可以对性激素蛋白的功能造成影响，PFHxS、PFOS及PFOA可以显著诱导雌激素受体的活性，并拮抗雄激素受体，这些作用都是浓度依赖性的[26-27]。此外，在高浓度时PFDA还可以抑制芳香化酶的活性，影响甾体类激素的合成[27]，动物实验还进一步发现PFOS及PFOA可以抑制猪卵泡颗粒细胞及卵泡膜细胞合成甾体类激素的能力[28]。利用雌性小鼠行进一步探究，发现PFOS可以通过下调甾体生成急性调节蛋白（steroidogenic acute regulatory，StAR）基因组蛋白的乙酰化，从而抑制雌激素的生物合成[29]。除影响甾体激素合成外，还有学者发现血液中的PFCs可以诱导肝细胞系生成活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）以及降低其抗氧化能力，从而造成细胞DNA的损伤，且这种作用呈现浓度依赖性[30]。此后，Chen等[31]利用孕鼠进行实验，发现PFOA可以促进黄体细胞中过氧化氢和丙二醛等ROS的生成并抑制超氧化物歧化酶与过氧化氢酶的活性而降低黄体功能，降低孕激素的浓度，并可以上调黄体中p53及Bax蛋白、下调Bcl蛋白而促进黄体的凋亡。另有实验表明PFOS可影响卵子与周围细胞间的连接蛋白的活性而对卵丘-卵子复合体（cumulus-oocyte complexes，COC）的功能造成影响，阻碍卵子成熟与排卵[32]。

总之，PFCs对雄性与雌性动物生殖能力的影响并不是通过某一种途径造成的，而是有多种不同的分子机制共同作用。由于目前在世界范围内对此类物质毒性认知的相对缺乏，其在体液中发挥毒性作用的阈值也并没有明确的界定（包括PFOA及PFOS两种研究最多的PFCs类物质）。已有的体外实验与动物实验也基本都是参考其他类生殖内分泌干扰物浓度或使用常规毒性试验常用浓度进行研究的。因此，对PFCs的探索存在一定的局限性。尽管PFCs影响人类生殖能力的分子机制研究非常有限，但根据临床试验以及动物实验结果，有理由认为PFCs具有生殖毒性，应该引起人们更多的关注。

4 结语

随着对PFCs生殖毒性研究的逐渐深入，人们对这类污染物的重视程度也在不断提高。近年部分发达国家也针对PFCs出台了相关法规，控制其在工业中的应用以及生活环境中的浓度。2008年，欧盟立法禁止PFOS在制造业与进口行业中的应用[2]，日本也在2010年出台类似的法规[33]。2016年，美国国家环境保护局（U.S.Environmental Protection Agency，USEPA）出台政策，建议居民饮用水中PFOS[34]及PFOA[35]的浓度应低于0.07μg/L。然而我国不同地区生活环境中PFCs的监测数据还非常有限，并且目前还没有针对PFCs类物质出台相关的限制法规。因此，加强关于PFCs危害性的研究和公共认知十分重要。另一方面，包括PFCs在内的多种环境中的内分泌干扰物，也可能对许多原因不明的不孕不育患者的病因进行解释，对其的研究与预防有望进一步改善临床上不孕不育患者的治疗。