PM2.5对男性生殖功能的影响

陈子龙，管斯琪，李海松，董雷，王彬

(1.北京中医药大学东直门医院男科，北京 100700； 2.首都医科大学附属北京妇产医院中医科，北京 100006；3.北京中医药大学中医学院，北京 100029)

随着中国经济的持续增长，环境污染问题伴随而来，其中大气污染尤为严重。目前，大气污染已经是一个全球性的问题，大气中包含各种工业排放物气体及颗粒、汽车尾气、生活废气等。诸多研究表明，大气污染对于人体的心血管系统及呼吸系统均有明显的损害作用[1-4]。其中，雾霾已成为最重要的大气污染形式之一，也是最受关注的大气污染研究对象。雾霾是雾和霾的统称，其主要成分和起主要污染致病作用的均为霾，而霾的主要成分为大气细颗粒物(particulate matter 2.5，PM2.5)。近年来，男性不育症的发病率不断升高，发病的危险因素多种多样，由于学科发展相对较晚以及生殖系统本身的特性，有关PM2.5对男性生殖系统危害作用的报道较少，人们对PM2.5的生殖毒性作用知之甚少，但越来越多的流行病学调查和动物实验证实了PM2.5对雄性生殖功能的影响[5-7]，并已从多个方面探索了其中可能的作用机制。同时，研究发现暴露于PM2.5是男性精液质量恶化的一个危险因素[8-9]。现就PM2.5的组成及概念、对男性生殖功能的危害作用及目前可能的作用机制的相关研究予以综述，以为防治男性不育症提供新思路。

1 PM2.5概念及成分

悬浮颗粒物(particulate matter，PM)是大气污染物中的一个重要成分，近几年全国各地雾霾天气的增多，空气能见度的下降均与PM有关，根据空气动力学直径其可以划分为以下4种：PM10(直径≤10 μm的颗粒物)、PM2.5(直径≤2.5 μm的颗粒物)、PM1(直径≤1 μm的颗粒物)和PM0.1(直径≤100 nm的颗粒物)。2010年以前，国际上大多数国家还只是对PM10进行常规监测，但随着对空气细颗粒物研究的不断深入，科学家们了解到空气动力学直径<2.5 μm的颗粒物，因其特殊的物理特性可能危害更大，故更需要作为常规空气监测项目。

PM2.5的成分复杂多样，具有地域差异性和时间差异性，即不同地域、时间、季节的空气中PM2.5成分相差较大。PM2.5是一种复杂的混合物，具有很强的聚集效应，可作为多种有害物质的载体，如多环芳烃、硫酸盐、硝酸盐、铵、颗粒结合水、无机离子和有机元素碳[10]。虽然大气中PM2.5含量极低，但由于其粒径小、比表面积大，更容易携带空气中的有毒有害物质，在空气中悬浮时间长，播散距离远，因此较大颗粒物产生更严重的危害，吸入人体内更容易穿透人体的保护屏障，进入呼吸系统、循环系统、生殖系统等。长期暴露于PM2.5环境中，动脉粥样硬化和缺血性心脏病及死亡的发生风险增加[11]，PM2.5甚至可以通过破坏血睾屏障(blood-testis barrier，BTB)的完整性进入生殖系统，进而影响精子质量，这是目前关于PM2.5的生殖毒性机制的一个重要研究方向。

2 PM2.5对生殖系统的影响

PM2.5暴露对男性生殖功能的影响全面而直观，睾丸、附睾等精子产生、储存和成熟的器官目前被证实会因PM2.5的暴露而出现组织结构的水肿、萎缩甚至细胞凋亡等严重后果，同时下丘脑-垂体-性腺轴(hypothalamus-pituitary-gonadal axis，HPG轴)也会受到较大影响，继而使男性内分泌激素(如睾酮)水平出现不同程度的下降。睾酮是男性体内最重要的激素之一，参与了精子形成的调控过程。PM2.5不仅可以通过影响睾丸、附睾和HPG轴的功能影响生殖功能，甚至可以直接作用于精子本身而导致精子细胞损害。

PM2.5暴露对生殖功能最重要的影响为破坏BTB的完整性。BTB是哺乳动物中最紧密的血液组织屏障之一，主要由相邻的支持细胞与周围结构相互作用组成，是精子产生过程中各种信号通路、精子形态和细胞极性维持的基础。它由紧密连接、黏附连接、缝隙连接构成。BTB的完整性对于男性生殖系统的保护作用至关重要，可以防止环境毒物和机体自身产生的内源性毒素进入睾丸组织，保护精子的形成和成熟过程。Cao等[12-13]的研究已发现，PM2.5的暴露可以导致睾丸Sertoli细胞的凋亡损伤及破坏BTB的完整性。

PM2.5暴露对精子质量的影响也被不少研究证实。Cao等[13]的研究显示，高剂量PM2.5暴露下早幼粒细胞白血病锌指基因、Stra8(stimulated by retinoic acid gene 8)、减数分裂同源蛋白DMC1(dosage suppressor of mck1)和联会复合体蛋白3四种重要的生精标志物在大鼠睾丸中的表达均显著下调，说明PM2.5暴露干扰了精子产生。另有研究发现，PM2.5暴露对于精子浓度和活力均有不同程度影响[14]。Radwan等[15]的流行病学调查发现，PM2.5、PM10、二氧化硫等空气污染物暴露与男性精子形态异常具有显著相关性，且增加了含有不成熟染色质细胞的百分比。上述研究结果提示，PM2.5的长期暴露主要影响精子的数量、浓度及精子细胞的活力，甚至会升高异常精子和不成熟精子的百分比。

此外，PM2.5暴露还可能会影响HPG轴的功能[16-17]。下丘脑弓状核肽能神经元分泌的促性腺激素释放激素直接作用于腺垂体，促进促性腺细胞合成与分泌卵泡刺激素和黄体生成素，进而促进睾丸分泌睾酮，当血中睾酮浓度达到一定水平后，睾丸又通过负反馈机制抑制促性腺激素释放激素和卵泡刺激素、黄体生成素的分泌。HPG轴的功能失衡可导致睾酮分泌的紊乱，而睾酮水平的维持是精子产生的一个重要条件，所以PM2.5通过影响HPG轴的功能间接损害精子的产生。Radwan等[15]的研究显示，包括PM2.5在内的空气污染物的暴露与男性睾酮水平呈负相关。

在更微观层面，PM2.5不仅可以损伤生殖内分泌系统和精子细胞，还可能损伤精子DNA[14]。PM2.5的长期暴露可能会引起男性精子DNA碎片化，精子DNA碎片化异常与不育、流产及后代发育不良之间的密切关系被越来越多的研究证实。这可能是很多不明原因男性不育的潜在因素，也是今后研究的一个重要方向。

3 PM2.5生殖毒性的机制研究

PM2.5生殖毒性的机制研究目前仍处于起步阶段，相关的BTB、细胞线粒体破坏等学说均是建立在氧化应激基础上，可能与体内氧化与抗氧化平衡被打破有关。

3.1氧化应激 氧化应激是一种组织和细胞内大量氧化中间产物[如活性氧类(reactive oxygen species，ROS)]与体内抗氧化剂(如超氧化物歧化酶)之间的平衡失调状态。ROS是指生物体在有氧代谢条件下产生的含氧自由基。在正常状态下，ROS和抗氧化物质在体内处于一个动态平衡的状态，但在病理条件下，如人体长期暴露于一定浓度的PM2.5环境中，机体就会产生大量的ROS，当体内ROS含量超过机体抗氧化防御能力时，平衡被打破，导致机体产生氧化应激状态。

很多研究证明，PM2.5暴露是氧化应激状态形成的一个重要影响因素[18-20]。氧化应激状态对于细胞的损害作用巨大，是触发细胞病理过程的主要因素，引起细胞炎症反应、导致细胞凋亡等，这与氧化还原敏感信号转导通路的激活有关[21-22]。研究显示，ROS在一定范围内的升高会激活抗氧化系统，提高包括超氧化物歧化酶在内的抗氧化酶水平[23]，超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶及过氧化氢酶等抗氧化酶水平应激性升高，可抵消ROS水平升高产生的不利影响[24]，但是随着ROS水平不断升高，抗氧化物酶会被耗尽，进而导致正常细胞和组织的氧化损伤[25]。一方面，睾丸中的高水平氧化应激可使得脂质过氧化物、异前列烷不断累积，抗氧化酶以及睾丸谷胱甘肽的消耗增加，生精细胞凋亡率升高，影响精子的产生。另一方面，睾丸间质细胞凋亡，雄激素合成与分泌减少，可影响生殖器官的正常发育和精子的生成。

3.2破坏BTB完整性 基于体内氧化应激的状态，可继发相关生殖系统细胞损伤甚至凋亡以及精子细胞本身的损伤，其中对于BTB完整性的破坏作用最先出现。

BTB是血管与输精管之间的重要屏障，在保护生殖细胞免受外界有害物质侵害方面起着至关重要的作用，从而保护精子生成和男性生殖功能[26]。持续严重的氧化应激可引起细胞凋亡或坏死，从而进一步导致BTB完整性的破坏，已被证明是男性生殖功能损伤的重要原因[27]。其机制为过量PM2.5刺激睾丸组织产生大量ROS，形成局部氧化应激状态，睾丸组织过氧化，进而损伤BTB的紧密连接以及睾丸Sertoli细胞黏附功能，破坏BTB的完整性，使BTB原有的屏障功能丧失，毒性物质易于进入睾丸影响精子的正常生成，造成生殖功能下降。

另外，检测BTB连接结构的相关蛋白表达水平也能证实PM2.5暴露对BTB的损伤作用。Occludin蛋白是BTB紧密连接的重要组成部分[28-29]，紧密连接蛋白1与Occludin蛋白共同定位于生精小管基部，形成紧密连接，是维持BTB完整性的重要物质[28,30]。大鼠睾丸细胞黏附复合体的重要成分β联蛋白[31]可作为黏附连接的代表蛋白。连接蛋白43是缝隙连接的代表蛋白[32]。研究发现，暴露于PM2.5后，BTB超微结构改变，Occludin蛋白、紧密连接蛋白1、β联蛋白和连接蛋白43四种连接蛋白在睾丸中的水平均显著降低，表明PM2.5暴露后，BTB的紧密连接、黏附连接和缝隙连接的完整性受到破坏[33]。

3.3损伤细胞线粒体 过量的ROS不仅可以影响生精微环境，也可以直接作用于精子细胞，导致生殖功能下降。细胞最直接的能量供体是线粒体，ATP水平直接反映线粒体功能状态[34]。研究显示，ROS可诱导线粒体功能障碍，导致ATP耗尽，最终导致细胞死亡[35]。文献报道，吸入PM2.5可通过破坏三羧酸循环和氧化磷酸化导致线粒体损伤，减少ATP的产生[36-37]。Zhang等[14]研究发现，暴露于PM2.5 24 h后可观察到小鼠精母细胞系(GC-2spd)的超微结构，GC-2spd细胞胞质内可见明显的液泡变细和线粒体肿胀。线粒体结构受损会影响细胞能量的产生，而能量不足影响精子的成熟[38]。因此，氧化应激引起线粒体损伤导致的能量代谢障碍可能是PM2.5导致精子活力降低的原因之一。临床基于这一原理使用左卡尼汀治疗弱精子症，为精子细胞线粒体供能，提升精子活力。

3.4损伤精子质膜和核内DNA 精子质膜中高浓度的多不饱和脂肪酸极易受到氧化损伤，导致精子细胞膜完整性破坏[39]。氧化应激作用降解脂质、蛋白质等物质，破坏细胞膜完整性，引起不可逆的变化，而白细胞和未成熟精子产生的过量ROS则会损害精子细胞核DNA的完整性[40]。Simon和Carrell[41]的研究也显示，精子细胞核对氧化应激缺乏抵抗力，容易受到氧化应激引起的DNA损伤。因此，氧化应激可能在PM2.5诱导的雄性精子损伤中起重要作用，既会损伤精子细胞的线粒体，导致线粒体供能障碍，也能直接损伤细胞膜和细胞核DNA。

4 PM2.5生殖毒性机制相关通路研究

在分子水平上，与PM2.5诱导的生殖毒性相关的分子和通路研究较少，其中研究较多的为磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol-3-kinase/protein kinase B，PI3K/Akt)信号通路和转化生长因子-β3(transforming growth factor-β3，TGF-β3)/p38促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信号通路。

4.1PI3K/Akt信号通路 PI3K/Akt信号通路在机体细胞生长过程中起重要作用，参与维持细胞的生物学特性，是目前研究最多，也是公认的与PM2.5诱导细胞凋亡相关的信号通路。PI3K/Akt通路是一个调节细胞生存和死亡的重要通路，营养不足、缺氧、外界压力等应激条件均会抑制PI3K的活性，从而使下游Akt活化减少，抑制细胞增殖，细胞自噬水平上调，最终导致细胞死亡[42]。体外研究发现，ROS可通过PI3K/Akt信号通路产生，磷酸化的Akt具有促进ROS产生的作用[43-44]。PM2.5暴露后PI3K和磷酸化的Akt的表达水平显著升高，而磷酸化的Akt主要位于Sertoli细胞中。PM2.5诱导的氧化应激被认为是PM2.5介导的细胞毒性的关键分子机制[45]。由此推断，PM2.5通过上调PI3K/Akt信号通路，升高体内ROS水平，引起Sertoli细胞氧化应激[36]或细胞过度自噬，破坏精子生成的过程。

4.2TGF-β3/p38 MAPK信号通路 TGF-β3/p38 MAPK信号通路在PM2.5诱导过程中也发挥重要作用。TGF-β3在睾丸Sertoli细胞的重构中起重要作用[46-47]。有研究发现，PM2.5暴露后大鼠睾丸中TGF-β3的水平明显升高[48]，表明TGF-β3可能是PM2.5大鼠睾丸损伤的重要介质，介导睾丸损伤的MAPK信号通路主要包括p38 MAPK、c-Jun氨基端激酶和胞外信号调节激酶三个信号分子[49-50]，同时p38 MAPK是细胞因子TGF-β3的下游分子[51-52]。研究发现PM2.5暴露后，p38 MAPK蛋白水平和磷酸化的p38/p38 MAPK比例均升高，Bcl-2相关X蛋白/Bcl-2蛋白比例也增加，从而促进了细胞凋亡[48]。所以推测，PM2.5暴露通过产生ROS激活TGF-β3/p38 MAPK信号通路介导的睾丸损伤，导致BTB完整性破坏和细胞凋亡增加，造成生殖损伤。

5 小 结

PM2.5是当今世界面临的不可忽视的大气污染问题，严重危害人类健康。国内外研究明确显示，PM2.5暴露能够引起男性精子质量损害[8,53]，然而其机制仍不十分明确。PM2.5暴露引起睾丸组织氧化应激，睾丸内细胞发生氧化损伤，支持细胞、生精细胞和间质细胞等凋亡增加，BTB完整性破坏，生精微环境破坏，精子质量下降，导致男性不育。由于精子发生是一个相当复杂的过程，而目前国内外对PM2.5的生殖毒性的研究尚处于起步阶段，相关研究尚不够充分，对于PM2.5暴露破坏BTB完整性后如何造成生精损伤的具体机制有待进一步研究。