农药杀虫剂的雄性生殖毒性作用机制研究进展

郭茂，韩勇，徐陶，陈琰，李兴元，孔德营 遵义医科大学基础医学院，贵州遵义563000

杀虫剂是农药的一个重要组成部分，目前常见的农药杀虫剂主要有4大类，包括有机氯类、有机磷类、拟除虫菊酯类和氨基甲酸酯类。有机氯类目前应用较少，主要包括滴滴涕、六六六和硫丹等；该类杀虫剂结构较稳定，难以氧化和分解，具有高毒、高效、高残留的特点，因而目前绝大部分国家已经逐渐禁用该类杀虫剂。但有机氯类杀虫剂化学性质稳定，可长期残留在土壤和生物体内达数十年，因此有机氯农药的雄性生殖毒性仍是目前的研究热点。有机磷类杀虫剂具有经济、高效、杀虫谱广等特点，至今仍广泛应用于农业生产，该类杀虫剂主要包括敌百虫、敌敌畏、马拉硫磷和毒死蜱等。拟除虫菊酯类杀虫剂具有高效、低毒、广谱、击倒快、残留少等特点，被广泛应用于农业生产和家庭生活中，常用的有氰戊菊酯、氯氰菊酯和溴氰菊酯等。氨基甲酸酯类杀虫剂除少数品种，如呋喃丹等毒性较高外，大多数属中、低毒性，且杀虫活效强、杀虫谱广，被广泛应用于农业生产，常用的有西维因、灭多威和呋喃丹等。随着杀虫剂使用的增加，人类接触杀虫剂的机会也愈来愈多，其引起的生殖健康危害也引起了世界各国学者的广泛关注，越来越多的研究致力于揭示杀虫剂的雄性生殖毒性的作用机制。本文将目前使用和研究较为广泛的几类农药杀虫剂的雄性生殖毒性作用机制作一综述。

1 干扰生殖内分泌功能

雄性的精子发生主要受卵泡刺激素(FSH)和黄体生成素(LH)介导的睾酮(T)调控，因此雄性体内生殖激素T、FSH、LH水平对维持精子发生的微环境具有重要作用。此外，雌激素(E2)也是调控雄性生殖的重要因素，这主要与E2能够刺激生精干细胞的增殖有关。研究显示，多种农药杀虫剂可干扰雄性的生殖内分泌功能，影响其性激素水平，而导致生殖障碍[1,2]。

1.1 有机氯农药的生殖内分泌干扰作用 研究表明，有机氯农药硫丹可通过影响雄激素合成相关的蛋白和酶，如类固醇激素合成急性调控蛋白(StAR)、细胞色素P450胆固醇侧链裂解酶(P450scc)、17β-羟化类固醇脱氢酶(17β-HSD)和3β-羟化类固醇脱氢酶(3β-HSD)等的表达和活性来干扰T生成[1]。此外，Zhou等[3]发现，有机氯杀虫剂可通过类固醇外源性受体(SXR)介导CYP3A和CYP7A1表达，干扰胆固醇和类固醇的代谢而影响类固醇激素水平。

1.2 有机磷农药的生殖内分泌干扰作用 类似于有机氯农药，有机磷农药也具有干扰雄性激素合成相关酶和蛋白基因表达的作用[2]。进一步发现，有机磷农药毒死蜱是通过LH/LHR/PKA/CREB通路干扰雄性激素合成关键蛋白StAR表达[4]。同时，有机磷农药可影响下丘脑和垂体功能，干扰下丘脑促性腺激素释放激素和垂体促性腺激素分泌，从而间接影响雄性激素水平[5]。此外，有机磷农药马拉硫磷还可降低睾丸中支持细胞和间质细胞的数量，而降低T水平[6]。

1.3 拟除虫菊酯类杀虫剂的生殖内分泌干扰作用 拟除虫菊酯类杀虫剂也可通过下调T合成相关基因(如StAR、P450scc等)的表达而降低T水平。瞿建华[7]发现，拟除虫菊酯类杀虫剂氰戊菊酯抑制类固醇激素合成涉及cAMP/PKA信号通路和IGF信号通路，其机制可能是氰戊菊酯通过抑制cAMP的合成和干扰IGF1表达，继而抑制StAR和P450scc基因表达。研究显示，氰戊菊酯还可通过上调下丘脑-垂体-性腺轴中多个基因(如下丘脑GnRH1、垂体AR以及睾丸中AR、ERα等)表达和下调垂体ERβ mRNA表达，从而干扰性腺轴功能[8]。氯氰菊酯可通过激活L型Ca2+通道及抑制内质网Ca2+-ATP酶活性，使细胞质内Ca2+浓度升高，诱导转录因子c-Fos、c-Jun、Egr-1表达，继而上调垂体细胞LH、FSH和CgH基因的表达，最终促进LH、FSH分泌[9]。

1.4 氨基甲酸酯类杀虫剂的生殖内分泌干扰作用 Meng等[10]研究发现，灭多威可通过影响雄性罗非鱼下丘脑-垂体-性腺轴多个性激素相关基因的表达，如上调下丘脑GnRH2、GnRH3和垂体GnRHR、FSHβ mRNA表达，下调垂体LHβ、精巢AR、3-βHSD mRNA表达，而干扰雄性罗非鱼的生殖内分泌功能。岳晴晴[11]研究发现，呋喃丹可升高雄性斑马鱼机体E2含量，并上调肝脏及性腺雌激素受体(ERs)基因表达，诱导雄性斑马鱼产生卵黄蛋白原，导致其生殖功能损伤。

2 损伤生殖细胞遗传物质

精子由精原细胞经分裂、增殖、分化、成熟而来。在精子发生过程中，若生精细胞的遗传物质受到外源性化学物质干扰，精子的形态和功能将会受到影响，而这也必然会导致雄性生殖功能的损伤。

2.1 引起雄性生殖细胞DNA损伤 研究显示，毒死蜱能够嵌入DNA的螺旋双链，与DNA分子的碱基作用形成嵌合物，使碱基化学结构改变，进而造成DNA损伤[12]。有机磷农药还可使DNA色素酶A3的嵌入率、核鱼精蛋白磷酸化水平和精子头部磷酸化水平增加，而DNA色素酶A3可与鱼精蛋白竞争性结合DNA；同时核鱼精蛋白的磷酸化水平增加，使得鱼精蛋白与DNA的结合减少，从而引起雄性生殖细胞染色质固缩以及DNA结构完整性的改变[13]。

2.2 引起染色体异常 农药杀虫剂也可通过影响雄性生殖细胞染色体的结构和数量而产生雄性生殖毒性。研究表明，有机氯农药可导致男性精子染色质浓缩以及精液中含Y染色体的精子比例升高[14]。氰戊菊酯能够增加男性染色体非整倍性频率和染色体畸变数目，同时提升X、Y染色体和18号染色体二倍性频率，使精子畸形率升高[15]。因此，农药杀虫剂诱导的染色体异常也是其引起雄性生殖障碍的重要机制。

2.3 干扰F0代雄性生殖相关基因的甲基化水平 研究表明，有机氯农药双对氯苯基三氯乙烷(DDT)的主要代谢产物p, p′-DDE可引起雄鼠精子细胞Igf2 DMR2基因低甲基化，使雄性仔鼠精子细胞印记基因H19表达上调、Igf2表达下调，导致子代雄性生殖功能损伤[16]。氰戊菊酯可通过干扰F0代精子基因组DNA功能基因CP17A1、NR5A1、PGRC1及生殖相关基因Ace、Foxo3a、Ptgfrn等的甲基化程度，从而影响F1代生殖激素水平及生殖相关指标，对子代的生殖发育产生负面作用[17]。

3 促进生殖细胞凋亡

细胞凋亡指由一系列基因激活、表达以及调控等作用主导的，为维持内环境稳定的细胞自主有序的死亡。多种蛋白分子和凋亡途径参与了细胞凋亡，其中主要的蛋白分子家族有4种：Caspase、Bcl-2、adapterproteins和IAPs，凋亡途径主要有3种：死亡受体途径、线粒体途径和内质网途径。在精子发生各个阶段均存在自发性的生精细胞凋亡，但过度生殖细胞凋亡会阻碍精子发生，降低雄性生殖功能。

Guo等[18]发现，有机氯类杀虫剂硫丹可通过上调小鼠精原细胞(GC-1spg细胞)p21cip1、p27kip1、p53基因表达，继而启动E2F-1介导的细胞凋亡；同时还通过增加Fas/FasL表达，活化Caspase-8、Caspase-3，导致GC-1spg细胞凋亡。任南琪等[19]研究发现，硫丹还可能通过抑制Ca2+-Mg2+-ATPase和Na+-K+-ATPase的活性而升高细胞内Ca2+浓度，导致细胞内Ca2+稳态失衡，从而诱导生精细胞凋亡。此外，有机氯类杀虫剂硫丹也可通过上调睾丸组织CytC表达和下调bcl-2表达来调控生精细胞凋亡[20]。有机磷类杀虫剂的相关研究显示，马拉硫磷可通过影响凋亡调控蛋白bax、bcl-2表达，而促进大鼠睾丸生殖细胞凋亡[21]。对拟除虫菊酯类杀虫剂的研究显示，氰戊菊酯可通过调控Caspase、Phlda1基因、bcl-2基因家族，而诱导雄性大鼠睾丸中生精细胞的凋亡[22,23]。氨基甲酸酯类杀虫剂灭多威可上调JNK途径中MAP3K、MKK4、JNK表达，增强转录因子AP-1的作用，促进p53、Bax等促凋亡蛋白表达，从而促使生殖细胞凋亡[24]。

4 诱发氧化应激反应

在生殖系统各种器官组织中，活性氧(ROS)的产生是一种正常的生理现象，但若ROS生成过多，或者抗氧化酶活性降低，就会引起机体氧化应激反应，进而损害生殖细胞，导致精子产生和成熟障碍。研究发现，p, p′-DDE可降低超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶的活力，从而诱发氧化应激，抑制雄鼠睾丸磷脂氢谷胱甘肽过氧化物酶的表达，激活雄鼠睾丸内生精细胞的线粒体凋亡途径，阻碍正常精子发生[25]。Albasher等[26]发现，有机磷农药毒死蜱可通过下调Nrf2/ARE通路，而下调超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶等的mRNA表达。拟除虫菊酯类农药氰戊菊酯可使雄鼠睾丸超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶等活力下降，丙二醛含量升高，而导致雄鼠睾丸组织发生氧化损伤[27]。溴氰菊酯可通过降低雄性睾丸组织抗氧化酶活性、提高NOS活性，导致氧自由基、丙二醛、一氧化氮大量蓄积[28]。

5 干扰生殖系统相关酶的活性

雄性睾丸组织中存在多种与精子发生相关的酶，如酸性磷酸酶(ACP)、乳酸脱氢酶(LDH)和γ-谷氨酰转肽酶(γ-GT)等。研究发现，有机磷杀虫剂马拉硫磷可通过抑制睾丸组织LDH、γ-GT和ACP活性，继而影响睾丸营养物质的运输、能量供给、T合成以及损伤支持细胞，最终影响精子发生，导致精子畸形率升高以及精子数量、活力降低[21]。此外，拟除虫菊酯类农药及氨基甲酸酯类农药均可通过影响睾丸组织标志酶ACP、γ-GT、LDH活性，导致雄性生殖功能障碍[29,30]。

6 其他相关机制

除上述作用机制外，农药杀虫剂还可以通过扰乱人和动物的生物钟、干扰雄性生殖细胞的细胞周期以及干扰精子的顶体反应等机制产生雄性生殖毒性。研究显示，拟除虫菊酯农药氰戊菊酯可通过干扰雄性大鼠生殖昼夜节律性而影响其生殖功能。沈欧玺[31]研究发现，氰戊菊酯可通过影响microRNA对时钟基因Bmal1表达的调节，来干扰Bmal1基因下游的T代谢关键酶基因表达，从而表现出对T合成的昼夜时间毒性。路珊珊[32]研究认为，氰戊菊酯可能通过升高Leydig细胞内Ca2+水平，而影响时钟基因Bmal1、REV-erbα、RORa等的表达和节律，并最终影响T分泌。

研究发现，硫丹通过抑制睾丸组织中Sohlh1、Cyclin A1、CDK1、CDK2表达，而引起生殖细胞周期阻滞，导致精子数目下降。进一步研究发现，PKC-α信号途径是介导硫丹干扰正常细胞周期的重要机制[33]。此外，农药杀虫剂还可干扰精子的顶体反应。研究显示，氰戊菊酯能够通过降低精子细胞膜的脂质流动性和抑制T型Ca2+通道电流，从而抑制精子的顶体反应和受精能力[34]。

综上所述，农药杀虫剂对雄性生殖毒性的作用机制是多因素、多途径的，并且各作用因素、作用途径之间相互联系、相互影响。关于农药杀虫剂对雄性生殖毒性作用机制的研究，目前主要限于动物实验，由于实验动物生殖功能与人类并不完全相同，加之农药在动物体内的生物转化及动物实验暴露剂量、暴露途径等与人类均有差异，致使动物实验结果具有很大局限性。同时，随着农药配伍使用和混配农药的大量生产和使用，往往使得接触农药的人群体内同时具有多种农药残留，而目前就多种农药残留对人类生殖健康影响的交互作用的研究还相对较少。因此，农药杀虫剂对雄性产生生殖毒性的作用机制还有待进一步全面而深入的研究。