育龄男性尿液金属浓度与精液质量的关联性研究*

王旺成，孙忠扬，施伊好，闫建桥，郑 丹，王 琳△，刘夏铭

1华中科技大学同济医学院公共卫生学院环境医学研究所，武汉 430030 2华中科技大学同济医学院附属同济医院泌尿外科，武汉 430030

目前，精液质量下降已是全球普遍的现象。环境污染被认为是危害男性生殖健康的关键性因素。重金属作为一类典型的环境污染物，可通过多种途径如工农业生产释放到环境中，对男性生殖健康造成不同程度的危害[1]。环境中多种重金属如铅、镉、钡和铀的暴露均会对男性精子产生不利影响[2]，目前研究多集中于常见有毒金属元素(例如砷、镉和铅)[3]，对于某些非必需金属暴露是否对男性生殖健康造成影响仍有待研究(例如铝、锑、锡、钡、铊、钨和铀)或研究结果存在差异(例如镍、钼、锌、镉和铅)[4]。

电感耦合等离子体质谱联用仪(inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS)是检测尿液中多种痕量金属元素的理想仪器，可批量检测出尿液中含量只有ng/L级别的多种金属离子[5]，在多组分金属元素快速检测领域具有广阔的应用前景。

本研究通过开展成年育龄男性尿液金属浓度与精液质量关联性的横断面研究，探究23种金属元素(铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、砷、硒、铷、锶、钼、镉、锡、锑、钡、钨、铊、铅、铀)的环境暴露水平与精液质量参数之间的关系，为男性生殖健康日常保健和临床治疗提供人群流行病学依据。

1 资料与方法

1.1 精液样本的收集

以2017年10月～2018年2月在华中科技大学同济医学院附属同济医院泌尿外科男科门诊就诊的普通育龄男性为研究对象，排除未留取尿样、精液样本及有泌尿生殖系统相关疾病等情况者，最终394名男性被纳入本研究。394名研究对象年龄在19至50岁之间，平均年龄为(31.2±4.8)岁，其中公司职员122人(31.0%)、工人66人(16.8%)、服务业人员56人(14.2%)。指导研究对象禁欲至少2 d、最多7 d后采集精液样本。精液样本的采集参照《世界卫生组织人类精液检查与处理实验室手册》(2010版)[6]：在独立的房间里通过手淫采集样本，精液收集于广口的玻璃或者塑料容器内，并确保容器对精子无毒性。容器保持在20℃～37℃环境中，以避免精子射入容器后，由于温度变化较大对精子产生影响。取出的精液立即置于37℃恒温细胞培养箱中。本研究获医院医学伦理委员会批准。

1.2 精液质量参数检测

经手淫获得的精液会在很短时间内形成凝胶，常温下30 min内液化即为正常，液化时间超过1 h则为液化不全。同时肉眼观察精液的颜色，精液体积通过透明EP管刻度进行测量。

通过计算机辅助精子分析系统(武汉千屏技术有限公司)自动测定精子质量参数。将10 μL新鲜精液样品滴入精子计数板上，并使用计算机辅助精液分析仪进行评价。分析系统会将样品温度控制在37℃，在每个精子计数板中评估200个精子，之后通过分析系统处理，获取多项精子质量参数：精子密度、精子总活力(A+B+C级精子百分比)、精子前向运动活力(A+B级精子百分比)、精子正常形态率；精子总数为精液体积与精子密度的乘积。

采用伊红-苯胺黑染色法检测精子的存活率。将50 μL伊红-苯胺黑溶液与吸取的50 μL精液在载玻片上充分混匀，静置0.5 min，制成涂片，每张玻片最少计数200个精子，使用1000倍油镜观察精子头部颜色，精子头部呈红色或褐色则界定为死精子，精子头部呈淡粉色或白色则界定为活精子。根据计数结果计算精子存活率。

1.3 金属元素检测

收集研究对象随机尿液样本，使用电感耦合等离子体质谱仪测定尿中23种金属含量，检测结果经尿肌酐校正。

1.4 统计学方法

通过Epidata 3.0软件建立数据库，运用SPSS 23.0软件进行统计学分析。运用Spearman分析方法对尿中23种金属含量与精液质量参数进行相关性分析，对尿金属浓度的四分位数分组与精液质量参数之间进行多重回归分析及趋势性检验。

2 结果

2.1 精液质量参数分布情况

394名男性研究对象的精液质量参数分布详见表1。

表1 研究人群精液质量参数分布情况(n=394)Table 1 Semen quality parameters in the study population(n=394)

2.2 尿液金属含量分布情况

对394名研究对象的尿液金属含量检测结果进行分析，由于尿液中金属浓度易受单日尿量影响，故一般将金属含量通过尿肌酐校正的方法消除干扰。经过肌酐校正后，394名研究对象尿液中的金属含量的分布情况如表2所示。由于发现研究对象尿液的23种金属中有近一半的金属含量分布呈偏峰分布，故以中位数(上下四分位数间距)表示其分布情况。23种金属中，以铷的尿液中位数浓度最高，其中位数(上下四分位数间距)为1039.39(775.90～1331.21)μg/g肌酐；其次是尿锌，达到了333.52(242.40～534.69)μg/g肌酐；其他尿液中位数浓度高于10 μg/g肌酐的金属按浓度从高到低依次为钛161.70(102.08～243.46)μg/g肌酐、锶91.44(58.30～129.06)μg/g肌酐、钼37.32(27.13～57.42)μg/g肌酐、砷15.27(12.12～20.57)μg/g肌酐、硒11.50(9.50～13.73)μg/g肌酐。尿液中位数浓度最低的3种金属由低到高依次是铀0.0075(0.0048～0.0130)μg/g肌酐、锑0.0518(0.0388～0.0698)μg/g肌酐、钨0.1526(0.0880～0.2883)μg/g肌酐。

表2 尿液中金属含量分布情况(n=394，μg/g肌酐)Table 2 Distribution of urinary metal concentrations(n=394，μg/g creatinine)

2.3 尿金属浓度与精液质量参数的Spearman相关分析

对394名研究对象的尿金属浓度和精液质量参数进行Spearman相关分析，结果显示尿液金属浓度跟精液质量参数整体上呈现弱负相关(表3)。尿钒、尿铬浓度与精液体积均呈弱正相关；尿锰浓度与前向运动活力、精子总活力、精子存活率均呈弱负相关；尿铜浓度与精子正常形态率、精子总活力、精子存活率均呈弱负相关；尿锌浓度与前向运动活力、精子总活力、精子存活率均呈弱负相关；尿砷浓度与精液体积呈弱正相关；尿铷浓度与精液体积呈弱正相关；尿锑与精子正常形态率呈弱负相关；尿铊浓度与前向运动活力、精子总活力、精子存活率均呈弱负相关；尿铅浓度与前向运动活力、精子总活力、精子存活率均呈弱负相关(均P<0.05)。

表3 尿液金属浓度与精液质量参数的Spearman相关分析(秩相关系数rs)Table 3 Spearman correlation analysis between urinary metal concentration and semen quality parameters(rank correlation coefficient rs)

2.4 尿金属浓度与精液质量参数之间的多重回归分析

依据研究对象每种尿金属浓度(经自然对数转换)的四分位数将所有对象分为4组(

尿锑浓度与精子正常形态率降低之间存在显著的剂量-反应关系(Ptrend<0.05)。与尿锑浓度第一分位数组相比，精子正常形态率(%)的自然对数在第四分位数组平均降低了0.093(95%CI：-0.150，-0.035)。

尿铅浓度与前向运动活力、精子总活力、精子存活率的降低之间均存在显著的剂量-反应关系(均Ptrend<0.05)。与尿铅浓度第一分位数组相比，前向运动活力(%)的平方根反正弦、精子总活力、精子存活率(%)的平方根反正弦分别在第四分位数组平均降低了0.073(95%CI：-0.127，-0.020)和7.060%(95%CI：-11.876%，-2.244%)、0.085(95%CI：-0.140，-0.030)。

尿锌浓度与前向运动活力、精子总活力、精子存活率的降低之间均存在显著的剂量-反应关系(均Ptrend<0.05)。与尿锌浓度第一分位数组相比，前向运动活力(%)的平方根反正弦、精子总活力、精子存活率(%)的平方根反正弦分别在第四分位数组平均降低了0.062(95%CI：-0.116，-0.008)和6.429%(95%CI：-11.262%，-1.590%)、0.069(95%CI：-0.124，-0.014)。

其他金属虽与精液质量参数无剂量-反应关系(均Ptrend>0.05)，其不同浓度四分位数分组之间的差异仍具有统计学意义(均P<0.05)或建议性的统计学意义(P<0.10)。多重线性回归分析结果显示，尿液中钛浓度第三分位数组与第一分位数组相比，其精子存活率(%)的平方根反正弦平均减少0.056(95%CI：-0.111，-0.002)(P<0.05)、精子总活力平均减少5.191%(95%CI：-9.985%，-0.397%)(P<0.05)。尿液中铁浓度第三分位数组与第一分位数组相比，其精子存活率(%)的平方根反正弦平均降低0.071(95%CI：-0.125，-0.016)(P<0.05)。尿液中铜浓度第四分位数组与第一分位数组相比，其精子正常形态率(%)的自然对数平均降低0.064(95%CI：-0.122，-0.007)(P<0.05)。尿液中硒浓度第四分位数组与第一分位数组相比，其精子正常形态率(%)的自然对数平均降低0.055(95%CI：-0.113，0.003)(P<0.10)。尿液中铷浓度第四分位数组、第三分位数组、第二分位数组与第一分位数组相比，分别有精液体积平均增加0.487 mL(95%CI：0.048 mL，0.925 mL)、精子总数(106个)的自然对数平均增加0.322(95%CI：0.024，0.619)、精子总数(106个)的自然对数平均增加0.311(95%CI：0.021，0.619)，均有统计学意义(P<0.05)。尿液中锡浓度第三分位数组与第一分位数组相比，其前向运动活力(%)的自然对数增加0.166(95%CI：0.003，0.329)(P<0.05)。

n=394；Ptrend：趋势性P值；●：回归系数β；————：95%CI；a经自然对数转换图1 尿液金属浓度与精液体积、精子密度、精子总数、精子正常形态率的多重回归分析Fig.1 Multiple regression analysis between urine metal concentration and semen volume, sperm density, sperm number，normal sperm morphology rate

n=394；Ptrend：趋势性P值；●：回归系数β；————：95%CI；b平方根反正弦变换；图2 尿液金属浓度与精子存活率、前向运动活力、总活力的多重回归分析Fig.2 Multiple regression analysis between urine metal concentration and sperm survival rate, forward motility，total motility

3 讨论

精子的受精与精液质量密切相关。本研究检测的23种金属元素中与精液质量有显著剂量-反应关系的是铅、锑和锌。

本次研究显示，尿铅浓度的上升与前向运动活力、精子总活力、精子存活率的降低有显著的剂量-反应关系。有研究发现铅水平升高与工作场所铅暴露工人性欲下降和精液质量的异常有关[7]。还有研究表明，即使是中等水平的精液铅暴露(52.9～72.5 μg/L)和镉暴露(40.7～59.2 μg/L)也可能降低精子密度、精子总活力和精子正常形态率[8]。一项前瞻性病例对照研究显示，受高浓度汽车尾气污染的高速公路工作人员其体内铅含量与精子存活率、精子总数呈显著负相关[9]。本次研究的结果与已有的数据相一致。毒理学研究发现，铅可通过诱导氧化应激导致精子畸形率的升高以及精子数量的异常减少[10]，这可能是导致精液质量下降的原因。

锑在交通繁忙的地区污染较重，其浓度与男性精液质量的降低有很强的相关性[11]。毒理学研究发现对大鼠进行长达数月的高水平锑暴露会造成生殖障碍和染色体损伤，认为锑化合物对生殖具有潜在毒性[12]。本研究发现锑元素的上升与精子正常形态率的降低有显著的剂量-反应关系，提示锑对精液质量可能存在关联性。

锌对精子的生成至关重要，锌缺乏与人类性腺功能减退和第二性征发育不足有关[13]。实验研究发现锌缺乏可导致大鼠生精小管萎缩，从而导致无法生成精子。高浓度锌对精子的前向运动活力和精子活力有抑制作用；在无精子症和弱精子症患者中发现精液中游离锌浓度的升高与精子活力的降低相关[14]。本研究发现尿液中锌浓度与前向运动活力、精子总活力、精子存活率的降低有剂量-反应关系。锌对精子质量的影响可能是因为高浓度的游离锌干扰质膜通透性介导的细胞毒性，导致患者精子活力受损，高浓度锌也可能抑制精子细胞中的氧摄取以及白蛋白诱导的顶体反应，使精子的生长发育受到影响。

综上所述，本研究以尿液中23种金属的浓度作为人体金属暴露的生物标志物，全面探讨了尿液金属浓度与精液质量的关系，结果表明尿液中锌和铅浓度与精子前向运动活力、精子总活力和精子存活率的下降相关，尿液中锑浓度与精子正常形态率的下降相关。