内分泌干扰物对男性生殖功能损伤的研究进展

赵旻晔，滑玮，杨红

(中国人民解放军空军军医大学第一附属医院妇产科,西安 710032)

根据美国环境保护署的定义,内分泌干扰物(endocrine disrupting chemicals,EDCs)是能从合成、分泌、转运、结合、消除等任何途径干扰体内自然激素作用的外源性化学物或化学混合物的统称[1]。近半世纪以来,EDCs对人类生殖健康造成巨大影响,越来越引起研究者们的关注。Levine等[2]于2017年发表的一项荟萃分析中报道,随着生活中与EDCs的接触日益增多,仅在过去的40年间,男性精子数量就下降了约50%。Amir等[3]也发现不育男性血清中EDCs含量较健康人群显著升高。鉴于EDCs对于人类生殖健康愈来愈严重的影响,本文将针对常见EDCs对男性生殖功能的损伤及其机制进行综述。

一、常见EDCs及其分类

目前人们在生活中最常接触到的EDCs主要有双酚A(bisphenol A,BPA)、邻苯二甲酸盐(phthalates)、多氯联苯(polychlorinated biphenyls,PCBs)和杀虫剂等。这些EDCs广泛且稳定的存在于环境中,多数半衰期较长不易降解,人体暴露主要包括食入、吸入或皮肤吸收[4]。

1.BPA:BPA具有雌激素活性,广泛应用于制造业中,如食品包装、玩具等,许多罐装食品和饮料的包装内衬中都含有BPA树脂,在这些食物接触材料中,BPA可能在高温、物理操作或重复使用下迁移至食物或水中,导致广泛的BPA持续暴露,这种普遍性导致研究控制定量过程中完全消除BPA污染非常困难。Liu等[5]的研究表明,高浓度BPA暴露会出现卵巢功能衰竭,导致生殖功能障碍。

2.邻苯二甲酸盐:一大类可用作液体增塑剂的化合物,广泛存在于塑料、涂料、化妆品和医用管材等产品中,因其与塑料之间不通过化学键结合,较易渗入环境中。研究表明,邻苯二甲酸盐具有抗雄激素活性,可以通过呼吸、皮肤吸收等方式进入体内,其中最主要的摄入途径为饮食摄入,占总吸收量的70%[6]。

3.PCBs:是一类具有成对酚环和不同氯化程度的工业化学品,应用范围很广,包括橡胶和树脂中的增塑剂、无碳复写纸、粘合剂、油漆和油墨,其用途的多样性也导致了广泛的环境污染[7]。据报道,这种持久性有机污染物具有生物累积性,可以储存在人体尤其是肥胖人群的脂肪中,对健康产生不利影响[8]。部分PCBs可能通过直接或间接影响甲状腺过氧化物酶抗体(TPOAbs)水平,破坏正常的甲状腺功能,从而被归类为EDCs[9]。

4.杀虫剂:广泛应用于工业、农业生产活动中,且易残留于土壤、植物中。对二氯二苯基三氯乙烷(p,p’-Dichlorodiphenyltrichloroethane,DDT)是常见的工业和家用人工合成杀虫剂,具有半衰期长、用途广泛和亲脂性等特点。据报道,DDT及其代谢产物二氯二苯基二氯乙烯(DDE)和二氯二苯基二氯乙烷(DDD)与内分泌相关疾病有关联,例如甲状腺肿瘤[10]和乳腺癌[11]。

二、常见EDCs对生殖系统的损伤

1.EDCs对精液质量的影响:成年男性生精细胞的损伤通常会影响精子发生,例如癌症化疗和低剂量照射等,如果精原干细胞没有被破坏,可以在几个月或几年后恢复生精功能;而在成长发育过程中的一些关键暴露窗口时期暴露于EDCs则可能导致成年后精液质量的异常。Mocarelli等[12]一项针对EDCs暴露事故中男性的研究表明,母乳喂养导致围产期二恶英暴露与青春期后精子浓度、精子活力及总精子数量的减少有关联;相反,成年后暴露于二恶英则不会对精液质量造成长期影响。造成这一现象的关键似乎是暴露窗口为婴儿期,因为该影响只在母乳喂养时出现,使用配方奶喂养时不出现。婴儿期正是支持细胞快速增殖的时期,可能解释了这一关联。Istvan等[13]进行的横断面研究发现,母亲在怀孕期间职业暴露于潜在的EDCs与子代成人后低精液量和总精子数之间存在关联,特别是暴露于杀虫剂、邻苯二甲酸盐和重金属。这些研究表明,发育中的睾丸暴露于某些化学物质,特别是那些影响精原干细胞或支持细胞的化学物质,将导致睾丸不可逆的变化,成年后精液质量不可逆下降。

关于成人PCBs暴露与精液质量之间关系的研究报道,结果差异很大。有一项研究表明精子DNA完整性受损与PCBs暴露有关[14];而另一项研究则报告没有相关性,但胎儿时期暴露于低氯多氯联苯与精子总数降低、小睾丸风险增加有关[15]。还有研究发现,精子细胞直接暴露于PCBs,对精子活动率、受精率、胚胎发生和孵化均有负面影响[16]。动物实验显示,小鼠青春期PCBs暴露会通过增加睾丸氧化应激导致精子畸形率上升、数量减少、睾丸细胞凋亡[17]。综上,PCBs暴露可能会影响精子DNA的完整性和运动性,但其潜在机制尚不清楚。

在研究BPA暴露的研究中,Adoamnei等[18]关于尿液中BPA水平与精液参数和性激素水平之间关系的横断面研究表明,LH水平与尿液BPA浓度呈显著正相关,精子浓度和总精子数呈显著负相关。相反,Castellini等[19]最近一项关于尿液中BPA水平与精液质量之间关系的Meta分析总共纳入了9项研究共计2 399名男性,结果显示只有精子活力参数与尿中BPA水平呈统计学负相关,且在针对发表偏倚进行调整后失去意义。Dere等[20]研究了从妊娠早期开始持续暴露于BPA对雄性生殖的影响,发现仅在最高给药剂量为25万μg/kg/d时子代SD大鼠出现体重、睾丸和附睾重量显著下降,而全基因组转录组学和表观基因组学分析未能检测到精子mRNA和DNA甲基化水平的显著变化。Forner-Piquer等[21]进行了类似的研究,使用高、低浓度两种不同浓度的BPA饲喂成年雄性鳙鱼21 d后发现,高浓度组(4 000 μg BPA/kg/d)会降低精子活力、改变直线速度(VSL)和线性度(LIN)、同时下调11-酮睾酮,但两组均有睾酮上调,且雌二醇水平均未受影响。Axelstad等[22]通过给予大鼠子宫内、哺乳期止痛药扑热息痛和人类相关EDCs混合物暴露,发现与对照组相比,扑热息痛和高剂量抗雄激素混合物组的雄性睾丸重量显著增加,且附睾精子数量均减少。还有两项研究发现,青春期BPA暴露将会导致氧化应激反应显著升高和内分泌紊乱,并导致睾丸细胞凋亡和自噬,最终损害精子发生、精子活力[23-24]。综上,关键时期的BPA暴露似乎更易导致生精功能异常。

目前研究表明邻苯二甲酸盐对哺乳动物睾丸发育有危害,但其影响精子质量和功能的具体机制尚不清楚。Wang等[25]最近一项关于邻苯二甲酸盐及其衍生物对精液质量影响的Meta分析显示,尿中邻苯二甲酸一丁酯(MBP)、邻苯二甲酸一苯酯(MBzP)和精液中邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)水平与精子浓度呈负相关,与精子活力、精子形态等其他精液参数并无关联。而在Ramsay等[26]的研究中发现,暴露于工业排放污气中的邻苯二甲酸盐与精子活力下降有关联。Zhao等[27]则通过体内和体外实验证明了DEHP引起睾丸间质细胞睾酮合成减少和睾丸支持细胞分泌功能紊乱,从而导致生精功能障碍。

曾有来自疟疾流行地区的研究报告发现,DDT及其衍生物的高频率使用对男性生殖存在负面作用。Aneck-Hahn等[28]于南非的研究表明,DDE暴露与精子活力和精子总数呈负相关。在Giulioni等[29]的Meta分析中,研究了拟除虫菊酯和有机磷杀虫剂与人类精液参数的相关性,发现拟除虫菊酯暴露仅对精子形态造成影响,而有机磷杀虫剂则与射精量、精子浓度、精子总数、精子活性显著减少有关。Ghafouri-Khosrowshahi等[30]亦报道农村人口(长期接触有机磷杀虫剂)的精子数量和活力都较城市人口显著降低。Erthal等[31]发现被认为无害的低剂量杀虫剂马拉硫磷能够通过下调睾丸相关基因表达来损害精子顶体完整性,从而影响精液质量和功能。

综上,目前EDCs对精液质量影响的研究大多指向了一种假说,即早期暴露窗口是决定影响结果的关键,因为不良关联最常在早期暴露的人群中发现。这意味着现阶段研究面临的主要问题是:从暴露到不良结果显现之间有很长的时间滞后。介于有机污染物的持久性,虽然可以在接触多年后进行研究,但很难在暴露起始阶段研究精液质量与代谢快速的化合物之间的相关性,在今后的研究中,如何将早期暴露与未来精液质量不良结果紧密联系起来是亟需解决的问题。

2.EDCs与尿道下裂:尿道下裂(Hypospadias)是一种常见的外生殖道先天畸形,为胚胎发育过程中尿道沟闭合异常导致。尿道下裂发病率在全球不同地区各不相同,但近年来多个国家均出现发病率增高的报道[32]。

在流行病学调查中,Estors Sastre等[33]的一项病例对照研究发现,父母的EDCs职业暴露与子代尿道下裂和隐睾症的发病率上升有关联。同样,Das等[34]研究发现,母亲怀孕初期(前3个月)接触邻苯二甲酸盐、农药、烷基酚类化合物等干扰激素化学品会增加孩子患病风险,最高可达对照组3.8倍,而父亲暴露则会增加至少2倍的患病风险,因农药成分复杂,目前尚无法明确具体作用成分。然而,Mahboubi等[35]于加拿大某省对尿道下裂患病率进行地理空间分布分析研究,结果却没有发现高患病聚集区与有毒工厂分布之间存在显著空间相关性。血清、尿液内EDCs代谢物含量是反应人体暴露程度的良好指标,多项研究在评估环境化学物质在发病中作用时通过收集孕期母亲血清、尿液样本进行研究:Bornman等[36]报道孕期母亲尿中氯氰菊酯和其他拟除虫菊酯的代谢物浓度与尿道下裂的风险增加有关。但也有一些阴性结果被报道:Bhatia等[37]没有发现尿道下裂与孕期母亲血清DDT、DDE水平之间的关联;Tysman等[38]检测了母乳中二恶英、PCBs、阻燃剂和全氟烷基化合物(PFAS)的浓度水平,并没有发现与尿道下裂发病之间的关联;Blaauwendraad等[39]没有发现母亲妊娠期尿液中邻苯二甲酸盐或双酚浓度水平与后代隐睾和尿道下裂的关系。这些研究结果互相矛盾,流行病学差异很可能会是受到环境的影响,但尿道下裂发病罕见,且畸形程度多变,病例对照研究数量较少,说服力不够充分。因此,人类暴露于EDCs是否可能导致尿道下裂仍需更为强力的证明。

在动物研究中,宫内暴露于抗雄激素物质的雄性幼崽,常罹患尿道下裂。常见的抗雄激素物质的作用途径主要分为两种,一类为抑制睾酮的产生(如邻苯二甲酸盐)[40],另一类则会阻断雄激素受体(AR)(如多溴二苯醚)[41]。有两项实验进行了除草剂类ECDs阿特拉津(Atrazine,ATR)对子宫内小鼠影响的研究,Govers等[42]发现暴露ATR后导致阴茎结构缩短、尿道下裂发生率增加;Tan等[43]则发现暴露于ATR影响阴茎形态、导致尿道位置和睾丸下降,并减少了肛殖距,但这些影响可能不是通过拮抗AR产生的。尽管抗雄激素物质的作用机制不同,但均以剂量累加的方式发挥作用,这增加了混合物中低剂量个别化学品物质不良影响的可能性。

3.EDCs与睾丸肿瘤:睾丸恶性肿瘤中睾丸生殖细胞癌(testicular germ cell cancer,TGCC)发病率占比最高,约为95%,是年轻男性中最常见的实体恶性肿瘤[44]。基础研究表明,TGCC起源于胎儿,从青春期开始的激素刺激会刺激肿瘤的发展,在年轻男性中发病率最高,不同地区和人群之间的发病率差异很大[45]。全基因组关联研究已经确定了TGCC易感性的遗传多态性,但同时环境因素也起着重要作用。瑞典移民研究表明,第一代移民患TGCC风险遵循其母国的模式,而第二代移民(出生在瑞典)患病风险则为瑞典模式[46]。

由于TGCC可能起源于子宫内胎儿时期,一些研究报道了母亲EDCs暴露与后代发病率之间的关系。Bräuner等[47]的研究表明,母亲EDCs暴露与男性后代患睾丸肿瘤的风险较高相关,风险比为2.16。Danjou等[48]进行的一项病例对照研究通过调查问卷收集母亲妊娠期、哺乳期家庭使用杀虫剂和除草剂的情况发现,虽然杀虫剂或除草剂的使用与睾丸生殖细胞肿瘤(Testicular germ cell tumours,TGCT)总体和非精原细胞瘤亚型的发病率没有关联,但任何杀菌剂的使用都使得TGCT的总体风险升高。目前许多针对成人后EDCs暴露与发病之间的关联研究,结果报道多数为阴性结果,即肿瘤与职业或环境暴露无关。在Cheng等[49]的一项病例对照研究中,仅有一类具有潜在雌激素作用的PCBs暴露组发现精原细胞瘤/非精原细胞瘤发病风险增加,其他结果均无关联性。Hardell等[50-52]同时研究了产前和产后暴露对TCGG发病的影响,通过收集入组者成年后本人和母亲的血清研究发现,TGCC组母亲血清中的多溴二苯醚和PCBs同系物的浓度高于对照组,而在本人的血清中没有发现这种关联。目前仍需要更多的研究来评估胎儿暴露于EDCs与TGCC发病之间的关系,但由于子宫内暴露与成年结果之间有很长的滞后性,这方面的研究较为困难。

虽然TGCC没有良好的动物模型,但睾丸组织学的超微结构变化已被用作癌症风险的替代指标。例如,在Fisher等[53]的研究中,大鼠胎儿接触邻苯二甲酸盐后,睾丸会产生结构异常;而有趣的是Nava-Castro等[54]发现,与对照组相比,母鼠妊娠期BPA暴露促进了雄性子代小鼠的肿瘤生长约75%。

综上所述,子宫内胚胎期的EDCs暴露与TGCC发病率表现出更紧密的联系。然而由于缺乏人类睾丸癌的动物模型,关于EDCs和TGCC的研究目前仅限于流行病学研究。建立一个成熟的TGCC模型将会为我们提供一种新的研究方向。

三、小结与展望

近年来,社会工业化迅速发展,EDCs使用大量增加,同时伴随男性生殖能力的下降,人们对EDCs的潜在健康风险的研究兴趣日益浓厚。许多实验室研究结果支持EDCs暴露在男性生殖健康问题发生中的作用,而流行病学的研究结果也表明了EDCs暴露与男性生殖疾病之间存在联系。总体而言,母亲孕期暴露与一系列疾病之间存在联系,包括发育异常(如隐睾症和尿道下裂)、精液质量差以及患TGCC的风险增加。

由于多种原因,EDCs暴露与男性生殖健康之间关系的研究目前仍旧具有挑战性。首先,人体会不断接触不同化学物质混合物,很难像动物实验一样进行单一化学物质效果评估;其次,有的暴露在胚胎时期,甚至更早阶段,已有研究证实父亲暴露改变精子表观基因组学可能与后代健康之间存在关联;最后,一般横断面研究仅检查化学物质暴露与精液质量或生殖激素在某个时间点之间的关系,对于半衰期短的化学品,单点化学测量可能无法反映长期暴露的真实水平。

通过现阶段的研究我们已经了解到EDCs可能通过多种不同的机制起作用,但这些机制尚未在人体研究中得到充分阐明,需要进一步的研究来确定EDC发挥其病理生理作用的机制。另外,EDCs的影响也需要在不同的地理人群中进行良好的、纵向的、多中心的研究,也需要调查EDCs的全面跨代影响,以确定EDCs在连续几代人中对男性生殖健康造成累积不利影响的可能性。