空气污染对精子质量影响的研究进展

陈蓉蓉，徐步芳

（上海交通大学医学院附属瑞金医院生殖医学中心，上海 200025）

研究数据显示，1973 年至2011 年间世界各地男性的精子质量呈下降趋势，精子浓度和精子数量下降50%～60%[1]，对男性生育力造成严重影响，引起了人们的担忧。精子质量的下降与饮食结构、生活习惯及生活环境有关。随着现代工业、交通运输业、农业飞速发展，空气污染愈发严重，这不仅对人类的呼吸系统、心血管系统造成不利影响[2]，对男性的生殖系统也有着不容忽视的危害。目前，空气污染与男性精子质量间的关系受到了越来越多国内外学者的关注。大量研究表明，空气污染可影响精子DNA 碎片指数（DNA fragmentation index,DFI）、精子数量、精子活力以及精子形态，从而降低精子质量。本文将就国内外关于空气污染对男性精子质量的影响及影响机制进行综述，为研究空气污染危害男性生殖健康提供参考资料。

各类空气污染物对精子质量的影响

空气污染，是指因自然因素或人类活动导致不良物质进入大气的过程。空气污染物包括颗粒物（particulate matter，PM）、臭氧（O3）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）和二氧化硫（SO2）等。不同种类的空气污染物对精子质量各项参数的影响不同。

一、大气PM 对精子质量的影响

1.PM10：PM10为空气动力学直径小于10 μm 的大气悬浮颗粒，又称可吸入颗粒物，其可经多种途径进入人体，导致人体生理功能、免疫功能逐渐下降[3]。一项前瞻性队列研究分析了2013 年至2015 年于武汉大学生殖医学中心就诊的1 827 名男性精子质量与PM10暴露间的关系，结果显示，在取精前70～90 d 的空气PM10浓度与精液浓度呈负相关（β=-0.319，95%CI 为-0.529～-0.046）；取精前0～90 d 的PM10浓度与精子前向运动百分比（β=-0.312，95%CI 为-0.527～-0.097）以及精子总活力（β=-0.347；95%CI 为-0.636～-0.059）也呈负相关；PM10浓度与精液量以及精子总数间无相关性[4]。但另2 项回顾性研究却显示，PM10的暴露与精液量呈正相关（P＜0.001），与正常形态精子百分比呈负相关（P＜0.001），而与精子浓度（P=0.430）及精子活力（P=0.290）无关[5-6]。

2.PM2.5：PM2.5是空气动力学直径小于2.5 μm 的可吸入颗粒物，又称可入肺颗粒物，其可以被吸入肺泡或进入血液中，不经过肝脏的解毒作用而直接被吸收，从而快速地进入血液循环，迅速在全身进行分布，在很大程度上影响了血红蛋白对氧的输送[3]。一项横断面研究选取了1 759 名男性，分析取精前0～90 d 的PM2.5暴露情况与精液各参数之间的相关性。研究结果显示，PM2.5的暴露与精子浓度及精子数量呈负相关，取精前70～90 d 暴露，这种相关性更为显著[7]，表明PM2.5的短期暴露对精子质量有不良影响。在另一项评估PM2.5长期暴露对精子质量影响的研究中，调整年龄、体质量指数、民族、吸烟等潜在混杂因素后，结果显示，取精前2年、5 年、10 年和15 年，环境PM2.5平均浓度每升高10 μg/m3，精子总活力分别下降1.81%、1.97%、1.91%和1.96%，精子前向运动力分别下降1.49%、1.63%、1.53%和1.59%，而精子浓度无下降趋势[8]。从而得出结论，男性长期暴露于大气PM2.5，精子总活力和前向运动力受到影响。而我国台湾地区进行的一项横断面研究，观察了6 475 名育龄男性的精子质量与其居住地PM2.5短期暴露（3 个月）及长期暴露（2 年）的关系，得出不同结果，无论长期暴露或短期暴露，随着平均PM2.5浓度的增加，精子浓度也相应增加，精子正常形态率则相应降低[9]。最近一项研究对PM2.5超标的钢铁厂男性工人进行分析，发现男性工人平均精子DFI＞30%，明显高于对照组，差异有统计学意义[10]。

另外，一项研究发现大气PM2.5暴露与男性Y 染色体二倍体、21 号染色体二倍体率呈显著正相关[11]。还有研究证实，空气污染物PM2.5暴露会影响精子总数[5]以及睾酮水平，还会增加精子高DNA 可染性指数，即增加了不成熟精子的比例[12]。

二、NO2 对精子质量的影响

人为产生的NO2主要来自高温燃烧过程的释放，比如机动车尾气、锅炉废气的排放等，故常被作为交通污染的标志物。Boggia 等[13]对高速公路工作人员暴露于环境氮氧化物情况进行研究，发现在职业暴露于NO2的受试者中，精子总活力（37.04%）明显低于未暴露者（56.88%，P＜0.000 1）。Zhou 等[6]的研究也指出，NO2浓度与正常精子形态百分比（β=-0.381，95%CI 为-0.920～-0.009，P＜0.001）以及精子动态参数中的平均曲线速度（β=-0.160，95%CI 为-0.721～-0.001，P＜0.001）、平均直线速度（β=-0.210，95%CI 为-0.827～-0.004，P＜0.001）呈显著负相关。还有研究认为，男性暴露于NO2将影响其精子总数、精子浓度[14]。但也有相关研究证明，NO2对精子浓度、精子总数以及精子染色体非整倍体率等无影响[11,15]。

三、O3 对精子质量的影响

O3是一种典型的光化学反应物，大气光化学烟雾产生以及上层大气向底层的输送是O3的主要来源。Sokol 等[15]选取48 名捐赠精液者，研究精子质量参数与取精前0～9 d、10～14 d、70～90 d 空气质量间的关系。结果显示，在调整了潜在年龄、环境温度和季节因素之后，环境O3水平在研究的3 个时间段均与精子浓度呈负相关，即O3浓度每增加30.6 μg/m3，精子浓度的四分位距分别下降4.22%、2.92%、3.9%。另有2 项研究也发现，随着O3浓度增加，男性精子浓度和精子数量相应减少，尤其在取精前0～9 d，O3的暴露效应更为显著，O3浓度每升高1 μg/m3，精子浓度和精子数量分别下降0.098×106个/mL 和0.244×106个/次[16-17]。

四、SO2 对精子质量的影响

SO2是大气主要污染物之一。在大气中，SO2会被氧化成硫酸雾或硫酸盐气溶胶，是环境酸化的重要前驱物。在我国武汉进行的一项纳入了2 184 个样本的研究发现，男性在取精前0～90 d 暴露于SO2，其精子浓度将显著降低（β=-0.14，95%CI 为-0.23～-0.05）、精子数量（β=-0.21，95%CI 为-0.30～-0.12）以 及活动 精子总数（β=-0.16，95%CI 为-0.25～-0.08）[18]。Zhou 等[6]的研究发现，城市地区大气污染物SO2的空间分布明显高于农村地区，与此相应，城市男性精子质量明显比农村男性差，尤其在精子形态和精子动力学参数方面。此外，还发现环境SO2浓度与正常精子形态百分比及精子曲线速度、直线速度、线性值（线性值=精子直线速度/精子曲线速度×100）呈显著负相关。Rubes 等[19]在一项研究中发现，暴露于较严重的空气污染（SO2、氮氧化物及PM10达到或超过美国空气质量标准上限），污染物浓度与精子DFI 之间存在显著相关性（β=0.19，95%CI 为0.02～0.36）。Selevan 等[20]发现，暴露于SO2浓度较高的年轻男性，其精子细胞成熟过程中出现异常，包括精子总活力减少（β=-0.16，95%CI 为-0.32～-0.01，P＜0.05），形态正常精子的百分比（β=-0.84，95%CI为-1.15～-0.53，P＜0.05）或头部形态正常精子的百分比（β=-0.30，95%CI 为-0.56～-0.04，P＜0.05）下降，异常染色质的精子比例增加（β=0.30，95%CI 为0.08～0.52，P＜0.05），但精子数量不会发生变化。

五、CO 对精子质量的影响

CO 是大气中分布最广和最多的污染物，也是燃烧过程中生成的重要污染物之一。在冶金、化学、石墨电极制造以及家用煤气或煤炉、汽车尾气中均有CO 存在。一项前瞻性队列研究发现，男性取精前90 天暴露于CO，会增加异常形态精子数量 （coef=24.86，95%CI 为17.24～2.49，P=0.000 1），降低睾酮水平 （coef=-0.61，95%CI 为-1.17～-0.05，P=0.03）[12]。但Sokol 等[15]的研究却显示，CO 暴露与精子质量间无统计学相关性。

目前关于空气污染是否影响精子质量也存在相反观点，如Nobles 等[21]研究发现，空气污染除了对精子头部参数有影响外，对精子质量参数如精子体积、浓度、活力、形态等均无明显影响，因此认为，暴露于空气污染并不是男性精子质量降低的主要原因。但大部分研究都表明，空气污染物对精子质量的各项指标均有不同程度的负面影响，可能是造成男性不育的重要原因，需要引起重视及加强防护。

空气污染影响男性精子质量的机制

一、通过炎症反应和氧化应激影响精子质量

Kelly[22]认为，空气污染物（如PM10、PM2.5、O3、NO2）的吸入会引起大量的炎症细胞涌入肺部产生炎症反应，从而促进氧化应激，并促进全身氧化应激和炎症，这一机制为大多数研究者认同。Kampfrath 等[23]在小鼠模型中证实，长期暴露于PM2.5会引发肺部氧化磷脂的出现，进而通过Toll 样受体4 （Toll-like receptor 4，TLR4）/还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶依赖机制介导全身炎症反应，促进Ly6Chigh炎症单核细胞从骨髓中释放出来，介导进入组织壁龛，产生活性氧。活性氧是一种含氧的活性成分，是氧正常代谢的自然副产品，在细胞信号转导和稳态方面具有重要作用[24]。Azenabor 等[25]认为，全身性炎症可能通过阻碍精子运输、损害附属腺功能和精子生成失调等直接导致精子质量下降，但将炎症与精子质量下降联系起来的一个关键机制是白细胞产生自由基，从而导致氧化应激。氧化应激可破坏睾丸和精子功能，因白细胞和未成熟精子产生的过量活性氧会损害成熟精子，并破坏精子细胞核内DNA 的完整性[26]。

研究表明，低浓度和控制浓度的活性氧在正常的精子生理过程中发挥重要作用，如获能、超活化、顶体反应和信号转导等过程，以确保受精成功。但是氧化应激的增加会显著损害精子功能。这些损伤通过诱导精细胞膜过氧化损伤、DNA 损伤和细胞凋亡、酶系统改变等机制导致精子质量下降，男性不育。因此活性氧必须维持在适当的水平，以保证适当的生理功能，同时防止精子的病理损伤[27]。

二、通过金属离子及多环芳烃影响精子质量

1.金属离子：PM2.5可能携带多种微量元素和多环芳烃。如镉、钴、铜、铁、铅、汞、镁、锰、镍、硒等多种微量元素是可吸入颗粒物的常见成分。金属离子铅和镉对精子的毒性作用已在动物模型中得到充分证实，并在人类研究中得到证实。有文献报道，金属离子可以造成男性精子浓度及精子活力下降，精子尾部长度增加及精子DNA 受损，从而降低精子质量[28-29]。

2.多环芳烃：多环芳烃是一组化合物，包括多种内分泌干扰物，可以通过影响下丘脑-垂体轴及睾丸精子发生而降低精子质量。在1999 年发表的一篇文章中，小鼠实验数据支持多环芳烃在降低男性生育力方面的作用[30]。Jeng 等[31]的研究显示，多环芳烃暴露组小鼠的每日产精量及精子活力明显低于对照组，且多环芳烃暴露组小鼠的血浆睾酮水平明显降低，血浆黄体生成素（luteinizing hormone,LH）水平明显增加，但在停止暴露后的72 h 内，小鼠血浆睾酮水平持续升高，最终超过对照组。由此可见，多环芳烃不仅可以直接影响精子质量参数，还可以通过改变性激素水平影响精子发生。

三、通过生殖激素影响精子发生

1.生殖激素与精子生成：正常精子的发生有赖于下丘脑-垂体-性腺轴系统功能的完整，下丘脑分泌的促性腺激素释放激素、垂体分泌的促卵泡激素（follicle-stimulating hormone，FSH）和LH 以及睾丸分泌的睾酮相互影响，构成负反馈调节轴系，维持生理平衡。LH 和FSH 是直接调节睾丸精子发生的激素，LH 的主要作用是促进Leydig 细胞合成和分泌睾酮，FSH 的主要作用是刺激Sertoli 细胞增殖和分化，睾酮的主要作用则是促进附睾的发育和功能，促进生精细胞在Sertoli 细胞的附着和分化，参与精子的发生[32]。

2.空气污染影响激素水平：空气污染导致男性生殖激素水平出现异常，就有可能影响男性精子的发生，造成精子质量下降，影响男性的生育力。Radwan 等[12]的研究显示，在去除年龄、吸烟、禁欲时间、温度、季节和既往史等混杂因素后，PM10、PM2.5、CO、氮氧化物的暴露与睾酮水平呈负相关。但也有研究显示，暴露于一定浓度的空气污染物，会导致男性FSH 和LH 水平上升[33-34]，从而增强精子生成，增加精子浓度。这与另二项实验结果相吻合，即精子浓度与PM10、PM2.5的暴露呈正相关[6,9]。目前就空气污染物影响生殖激素水平导致精子发生异常从而降低精子质量这一结论还存在争议，需进一步研究。

四、改变精子DNA 影响精子质量

大量文献显示，空气污染引起精子质量改变的病理生理机制，其中之一就是诱导精细胞DNA 的改变。Yauk 等[35]的小鼠实验证明，暴露于空气颗粒物污染使小鼠精子DNA 断裂和精子DNA 高甲基化显著增加。这一结果与显著增加的精子DNA 突变率有关，特别是增加在DNA 位点上的序列重复。这一现象增加了精子DNA 发生遗传突变的可能性，而且这种突变可遗传给后代[36]。

捷克特普利斯地区的1 项研究发现，暴露于高浓度空气污染的男性中，存在精子染色质异常（DNA 压缩和断裂异常）者的百分比显著增加，差异有统计学意义[19]。另有2 项研究结果也与以上观点一致，即暴露于空气污染，会导致精子DNA 损伤和突变[37-38]。综上研究表明，空气污染可能改变精子的DNA，进而导致生育力的降低。

结 语

目前关于空气污染对精子质量影响的流行病学调查仍旧存在缺陷，实验研究中的测量方法、计算方法及测量时间等都存在不同，各实验结果以及所推导的结论均有差异，还需要进行大样本前瞻性研究，甚至利用大数据分析以得到更为准确的结论。但有越来越多的证据表明，空气污染会降低精子质量，影响男性生育力甚至子代健康。因此，控制空气污染、改善精子质量，降低男性不育率迫在眉睫。

育龄男性也需要作出相应举措，比如改善饮食、规律作息、适当运动等。大量文献都证明，糖类、高脂乳制品、反式脂肪酸、饱和脂肪酸类饮食及饮酒、吸烟、熬夜、久坐等不良生活习惯对男性精子质量具有不良影响[39]。

男性不育给个人及家庭带来了极大的负担和压力，也是家庭及社会不和谐、不稳定的主要因素之一。男性精子质量逐年下降，原因仍有待进一步研究证实，相信随着相关研究的深入，可以为改善精子质量、治疗男性不育症提供新思路。