張元寶，趙鵬，王煜倩，許志珍，唐仕川,#，常兵

1.北京市勞動保護科學研究所(職業(yè)安全健康北京市重點實驗室)，北京100054

2.中國疾病預防控制中心職業(yè)衛(wèi)生與中毒控制所，北京100050

納米顆粒物對雄性生殖系統(tǒng)影響的研究進展

張元寶1，趙鵬1，王煜倩1，許志珍1，唐仕川1,#，常兵2,*

1.北京市勞動保護科學研究所(職業(yè)安全健康北京市重點實驗室)，北京100054

2.中國疾病預防控制中心職業(yè)衛(wèi)生與中毒控制所，北京100050

納米顆粒物因其獨特的性質(表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應),在化學、力學、電磁、光學以及生物醫(yī)學等方面得到了廣泛的應用。由于納米顆粒物具有特殊的性質,使其更容易進入機體并對機體產(chǎn)生生物學效應,其對人體的潛在危害也已逐漸引起人們的關注。生殖健康作為健康的一個重要部分,關系著人類的繁衍與發(fā)展,因此納米顆粒物對生殖系統(tǒng)的影響也逐漸引起人們的重視。本文主要總結了近幾年來納米顆粒物對雄性生殖系統(tǒng)影響的研究,為進一步的研究提供建議和幫助。

納米顆粒物；雄性；生殖影響

納米顆粒物(nanoparticles,NPs)是指至少在一個維度上粒徑小于100 nm的顆粒物,亦稱為超細顆粒物(ultrafine particles)。由于其粒徑小和比表面積大等特點而表現(xiàn)出獨特的物理化學性質。

近年來有關納米顆粒物毒性研究的文獻中,納米顆粒物對雄性生殖系統(tǒng)的不利影響主要表現(xiàn)在改變生殖器官(睪丸)中細胞的形態(tài)結構、影響精子及其發(fā)育過程以及阻礙雄性激素的生物合成和代謝等方面。因此,本文主要從以上幾個方面綜述納米顆粒物對雄性生殖系統(tǒng)的影響。

1 納米顆粒物對睪丸組織的影響

睪丸中主要有3種細胞:生精細胞(spermatogenic cells)、間質細胞(Leydig cells)和支持細胞(Sertoli cells)。其中生精細胞與精細胞生成有關；間質細胞能分泌雄性激素作用于生殖器官并維持其功能；支持細胞具有支持和營養(yǎng)生殖細胞、維持血睪屏障完整、調節(jié)生殖器官內環(huán)境以及免疫豁免等作用。因此,睪丸中任何一種細胞的損傷都有可能影響生殖器官的微環(huán)境,進而影響生殖功能。

圖1 小鼠睪丸組織切片光學顯微鏡圖(H＆E染色)[3]注:圖中A,5mg·kg-1ZnO-NPs組,出現(xiàn)空泡化(V)和脫離(D)；B,50mg·kg-1ZnO-NPs組,睪丸組織病理學顯示空泡化(V)和脫離(D)；C,300mg·kg-1ZnO-NPs組,睪丸組織病理學顯示明顯的生殖細胞層組織破碎脫落(S)、空泡化(V)和脫離(D)；D,300mg·kg-1ZnO-NPs組,曲細精管中發(fā)現(xiàn)多核巨細胞(M)。Fig.1 Light microscopy of crosssections of H&E stained testis of mice[3]Note:A,ZNP-(5mg·kg-1ZNP)group:vacuoles(V)and detachment(D)are observed in some tubules.B,ZNP-(50mg·kg-1ZNP)group: histopathological changes including detachment and vacuolization are observed.C,ZNP-(300mg·kg-1ZNP)group:disorganization of germ cell layers includind sloughing(S),detachment and vacuolization are markedly increased.D,multinucleated giant cells(M)in the seminiferous tubules are observed in ZNP-(300mg·kg-1ZNP)group.

Komatsu等[1]將0～1 000μg·mL-1的二氧化鈦納米顆粒(TiO2-NPs,25～70 nm)、炭黑納米顆粒物(CB-NPs,14 nm)、柴油機廢氣納米顆粒物(NRDENPs)分別作用于小鼠睪丸Leydig TM3細胞,觀察到3種納米顆粒物均可進入TM3細胞質內,降低細胞活性,降低程度與暴露劑量有關,其中TiO2-NPs的細胞毒性大于CB-NPs和DE-NPs；同時Zhang等[2]的研究表明納米銀顆粒的粒徑越小,其細胞毒性越大(10 nm Ag-NPs對Leydig(TM3)和Sertoli(TM4)細胞的毒性較20 nm Ag-NPs大)；Ali等[3]連續(xù)給予小鼠(6～8周齡,25～30 g)納米氧化鋅(ZnO-NPs)35d后(1次/天),發(fā)現(xiàn)小鼠睪丸組織損傷及細胞凋亡(如生精管空泡化、生精層厚度減少、睪丸細胞排列不規(guī)則及支持細胞空泡化等,如圖1所示)；類似的,高國棟[4]用TiO2-NPs(10mg·kg-1)對雄性小鼠連續(xù)灌胃90 d后,在小鼠睪丸組織中發(fā)現(xiàn)類似的損傷；Slc: ICR母鼠在孕期通過皮下注射100μL(1mg·mL-1, 4次)暴露于TiO2-NPs,在4天和6周的子代鼠的睪丸間質細胞、支持細胞和精子(6周小鼠)中發(fā)現(xiàn)了TiO2-NPs,TiO2-NPs的暴露導致子代(6周幼崽)曲細精管的破壞和支持細胞的減少[5]。然而,Li等[6]將45mg·kg-1和225mg·kg-1聚乙二醇包被的金納米顆粒(Au-NPs,14 nm,mPEG@Au-NP and PEG-NH2@ Au-NP)分別注射于ICR小鼠靜脈,結果顯示顆粒物可以透過血睪屏障進入睪丸,并在睪丸內積累(其中PEG-NH2@Au-NP更易進入),但并沒有引起睪丸形態(tài)學變化或生殖細胞的損傷；靜脈注射方式給BALB/ c小鼠注入0.8mg非晶體硅納米顆粒物,雖然硅納米顆粒能穿透血睪丸屏障并進入精母細胞的細胞質和細胞核,但沒有發(fā)現(xiàn)可觀察到的睪丸損傷[7]；Jo等[8]給SD雄性大鼠連續(xù)6周灌胃35 nm納米氧化鋅(ZnONPs,500mg·kg-1),并未發(fā)現(xiàn)睪丸和附睪的形態(tài)變化和損傷。因此,納米顆粒物(NPs)可以進入睪丸組織,但具體途徑尚不清楚；進入睪丸的NPs能否產(chǎn)生影響或毒性作用,可能與NPs本身的粒徑、劑量、化學組成及被作用細胞的種類和敏感度有關。

納米顆粒物產(chǎn)生的影響或損傷可能存在一個共同的機制:即誘導氧化應激效應。研究發(fā)現(xiàn),雖然納米顆粒不同、顆粒粒徑不同、給藥途徑及給藥量不同,但納米顆?？梢砸鹣嗨频牟±韺W改變。如Yoshida等[9]的研究表明,ICR小鼠氣管給予碳納米顆粒物(0.1mg·kg-1每次×10次),可引起小鼠曲細精管局部的空泡化。多次靜脈注射胺基或羧基化的多壁碳納米管,BALB/c小鼠的睪丸內出現(xiàn)類似的病理學改變(生精上皮的厚度減少、低精原細胞數(shù)、支持細胞的局部消失或空泡化、血管舒張和充血,但睪丸臟器系數(shù)無統(tǒng)計學變化)[10]；柴油機尾氣納米顆粒物等同樣可以引起類似的損傷[11-13]。

2 納米顆粒物對精子及其發(fā)生過程的影響

精子的質量和數(shù)量是雄性生殖健康最重要的指標。因此,任何可以直接影響精子的物質,均可能會對正常的雄性生殖造成一定的影響。

研究表明納米顆粒物可以進入精子或精原干細胞內,并對其造成一定影響[14]。Wiwanitkit等[15]將人精子暴露于Au-NPs(9 nm,44mg·L-1)溶液中,在精子的頭部和尾部中發(fā)現(xiàn)Au-NPs的存在并且導致精子碎片產(chǎn)生。C18-4精原干細胞暴露于0～100μg·mL-1的納米銀顆粒(Ag-NPs,15 nm)、納米三氧化鉬顆粒(MoO3-NPs,30 nm)和納米鋁顆粒(Al-NPs,30 nm),結果顯示3種納米顆粒物均可對精原干細胞產(chǎn)生毒性效應,且毒性效應隨納米顆粒暴露濃度升高而增大[16]。白預弘[10]研究發(fā)現(xiàn)多壁碳納米管使睪丸產(chǎn)生一定的病理學變化,但并沒有觀察到其對精子的毒性作用。然而,Rafeeqi等[17-18]將成年山羊的精子暴露于納米富勒烯溶液(1、10和100μmol,3 h, 32℃)中,并沒有觀察到納米顆粒物對生殖細胞的毒性作用,相反,納米富勒烯增加了抗氧化酶的活性、降低了脂質過氧化作用,對山羊精子起到了抗氧化作用。

Gopalan等[19]的研究表明不同濃度 TiO2-NPs (3.73～59.7μg·mL-1)和ZnO-NPs(11.5～93.2μg·mL-1)可以誘導人類精子DNA的損傷,且納米顆粒濃度越大,引起的DNA損傷越大；雄性雜交小鼠(CBA×C57BL/6)附睪中的精子暴露于0.5×1015或1. 0×1015粒/mL Au-NPs中,配子中染色質解凝過程受到抑制[20]；然而在他們后續(xù)的研究中,在成熟的配子中并未觀察到納米顆粒對精子的不利影響[21]。

金屬納米顆粒物可影響精子的活力。Terzuoli等[22]研究發(fā)現(xiàn)隨著Ag-NPs濃度的增加,人精子的活力顯著降低。暴露于Eu2O3-NPs(30 nm±10 nm, 24 h,39℃,2.5mg·mL-1),牛精子的活力完全喪失[23]。Au-NPs(5～65 nm,0.5～50μmol·L-1,2 h)可導致牛精子活力喪失22%[24-25]。Wiwanitkit等[15]研究發(fā)現(xiàn)Au-NPs(9 nm)導致人新鮮精液中25%的精子活力喪失；然而暴露于表面涂有聚乙烯醇的四氧化三鐵納米顆粒(Fe3O4-NPs,7.35 mmol·L-1)[26]或與聚乙烯醇/聚烯吡酮共軛的氫氧化銪納米顆粒(Eu(OH)3-NPs,2.5mg·mL-1)[23],牛精子的活力和頂體反應并沒有受到影響；白預弘[10]和Mona等[14]的研究也未觀察到所研究納米顆粒對小鼠精子的活力及頂體完整性造成不良影響。

研究表明雄性小鼠無論是出生前還是出生后暴露于納米顆粒物,均可對每日精子生成量(DSP)產(chǎn)生影響。如Takeda等[5]觀察到雄性Slc:ICR小鼠出生前暴露于TiO2-NPs,導致DSP和附睪中精子的運動性降低。C57BL/6J母鼠孕期暴露于42mg·m-3的TiO2-NPs或氣管內給入67μg的CB-NPs,導致產(chǎn)下的F1代雄性小鼠的DSP減少[27]。ICR母鼠孕期通過氣管內給入0.2mg·kg-1(2次,在孕期第7和14天)的CB-NPs,出生后的雄性小鼠在5周時DSP減少量為47%,10周齡時減少34%,15周時減少32%[11]。ICR小鼠氣管內注射0.1mg·kg-1的 CBNPs,DSP也顯著降低(14 nm組降低33%,56 nm組降低33%,95 nm組降低23%)[9]。然而,也有研究表明納米顆粒物對精子生成量沒有影響。Kyjovska[27]研究發(fā)現(xiàn)C57BL/6J小鼠出生前暴露于TiO2-NPs和CB-NPs并沒有觀察到DSP減少；也有研究表明多壁碳納米管(MWCNTs)和其他的碳基NPs作用于實驗動物,并沒有確切地觀察到精子形成和精子質量的改變[10]；類似的,Tang等通過靜脈給藥的方式,給昆明小鼠注入100μg·kg-1(體重)的多壁碳納米管(50～200 nm,s-MWCNTs)和聚乙二醇包被的多壁碳納米管(PEG-s-MWCNTs)來觀察長期效應,結果并沒有觀察到精子數(shù)量、細胞毒性和形態(tài)學的改變[28]。

從這些研究結果可以看出,納米顆粒物可以進入精子及生精細胞,并對其產(chǎn)生毒性效應,影響精子的活力和每日生成量等。但研究結論還存在爭議,納米顆粒物的類型、理化性質和濃度等可能是影響納米顆粒物對生殖細胞產(chǎn)生毒性效應的重要因素。因此,納米顆粒物對精子產(chǎn)生的影響,還需進一步系統(tǒng)深入研究。

3 對雄性激素的影響

雄性激素又稱男性激素,以睪丸間質細胞分泌的睪酮(T)為主,能促進男性性器官成熟及第二性征出現(xiàn)、維持正常的性功能和提供精子生存的適宜環(huán)境,發(fā)揮著十分重要的作用。目前,學者們認為外源性物質對雄性激素的干擾可以從2種途徑進行:一是直接對睪丸間質細胞等分泌細胞作用；另一種是通過影響下丘腦-垂體-睪丸性腺軸來影響睪酮的分泌量。

文獻報道,雄性F344大鼠吸入低劑量和中劑量的富含納米顆粒物的柴油機廢氣(NRDE-NPs)可導致睪酮(T)水平的升高,黃體生成素(LH)和卵泡刺激素(FSH)并沒有明顯變化[12]；同時該研究組將F344孕期母鼠暴露于NRDE-NPs,出生的雄性小鼠體內的FSH和睪酮含量較低,可能是由于NRDE-NPs影響分泌這些激素的器官的發(fā)育[13]。高國棟將10mg·kg-1TiO2-NPs(5 nm,銳鈦型)對雄性小鼠(CD-1, ICR,20 g±2g)連續(xù)灌胃處理90 d,研究其對雄性生殖系統(tǒng)的毒性,結果表明,TiO2-NPs暴露導致雌二醇(E2)和孕酮(P4)顯著增加,而FSH、LH和T水平降低(P＜0.05或0.01),表明TiO2-NPs破壞了雄性小鼠的性激素的平衡[4]。白預弘[10]的研究結果表明多壁碳納米管靜脈暴露后小鼠的睪酮、LH以及FSH并沒有發(fā)生明顯的變化。

雖然有研究報道關于對雄性激素影響的機制,但具體機制尚不確定。如Yamagishi等[29]研究表明暴露于NRDE-NPs的大鼠睪酮水平升高,可能是由于NRDE-NPs導致類固醇激素合成急性調節(jié)蛋白(steroidogenic acute regulatory protein,StAR)相關的mRNA的表達增加,以及睪丸內StAR含量增加；Li等[30]和Ramdhan等[32]同樣發(fā)現(xiàn)睪酮水平的升高可能與StAR-mRNA和P450 scc-mRNA(P450scc:細胞色素P450膽固醇側鏈裂解酶)等睪酮生物合成酶相關基因的表達增加有關。Thomas等[33]的研究提示小鼠睪酮水平的增加與Leydig細胞大小的改變存在相關性(該研究中Ag-NPs的暴露可階段性的導致Leydig細胞尺寸增大)。高國棟[4]的研究表明納米TiO2顆粒破壞了雄性小鼠的性激素的平衡,但具體的機制尚不明確,可能與相關基因的上調或下調有關。因此,納米顆粒物對雄性激素影響的機制還需加強研究和探討。

4 總結與展望

綜上所述,雖有研究表明納米顆粒物可以進入到雄性生殖細胞內,并對生殖細胞結構的完整性、活力等產(chǎn)生影響,以及影響雄性激素的分泌,但結論尚存在爭議,研究結果并不一致。目前關于納米顆粒物對雄性生殖系統(tǒng)的影響主要存在以下2個問題: (1)缺乏納米顆粒物對雄性生殖影響的系統(tǒng)研究。雖然國內外已有很多學者對納米顆粒物生殖影響進行了報道,但可能是由于所用的納米顆粒、實驗條件以及實驗動物不同,導致部分結果存在爭議,尚缺乏系統(tǒng)深入的研究。(2)具體的毒性作用特征及機制尚不明確。雖已有部分研究探討了納米顆粒物對雄性生殖系統(tǒng)的毒性效應及作用機制,但具體的作用機制還不明確,還需深入分析。因此,后續(xù)的研究中,應在系統(tǒng)研究的基礎上,著重研究不同暴露途徑接觸納米顆粒物進入機體器官的方式、作用的靶器官、毒性作用機理以及代謝途徑等內容,以便了解納米顆粒物對健康的影響,為保護人群健康、制定相關法律法規(guī)及職業(yè)接觸限值提供科學依據(jù)。

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#共同通訊作者(Co-),E-mail:tsc3496@sina.com

Research Progress of Nanoparticles Impact on Male Reproductive System

Zhang Yuanbao1,Zhao Peng1,Wang Yuqian1,Xu Zhizhen1,Tang Shichuan1,#,Chang Bing2,*
1.Beijing Municipal Institute of Labour Protection(Beijing Key Laboratory of Occupational Health and Safety),Beijing 100054,China
2.Chinese Center for Disease Control and Prevention,National Institute of Occupational Health and Poison Control,Beijing 100050,China

23 March 2015 accepted 17 August 2015

With their unique properties(the surface effect,the quantum size effect and the macroscopic quantum tunneling effect),nanoparticles have been widely used in the chemical,mechanical,magnetic,optical and biomedical fields.Nanoparticles have a special nature,so it is easier to enter the human body and exert biological effects to the body.Its potential harms to human body have gradually aroused people's concern.Reproductive health as an important part of human health isclosely related to human reproduction and development,so the effect of nanoparticles on the reproductive system has aroused people's attention.This article mainly summarized the recent researcheson the effects of nanoparticles in male reproductive system,aiming to provide a reference for further researches.

nanoparticles;male;reproductive effect

2015-03-23 錄用日期:2015-08-17

1673-5897(2016)1-111-06

X171.5

A

10.7524/AJE.1673-5897.20150323020

張元寶,趙鵬,王煜倩,等.納米顆粒物對雄性生殖系統(tǒng)影響的研究進展[J].生態(tài)毒理學報,2016,11(1):111-116

Zhang Y B,Zhao P,Wang Y Q,et al.Research progress of nanoparticles impact on male reproductive system[J].Asian Journal of Ecotoxicology,2016, 11(1):111-116(in Chinese)

國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局2016年安全生產(chǎn)重大事故防治關鍵技術科技項目《納米材料生產(chǎn)和使用場所個體防塵關鍵技術及裝備》(2014_3123)；北京市科學技術研究院2016創(chuàng)新團隊計劃課題；北京市科學技術研究院萌芽計劃《粒徑對微細顆粒三種濃度指標相關性影響研究》；2015年北京市勞動保護科學研究所改革與發(fā)展項目；國家自然科學基金(No.51308008)

張元寶(1989-),男,研究實習員,研究方向為職業(yè)衛(wèi)生,E-mail:840070653@qq.com

),E-mail:1305293162@qq.com

簡介:唐仕川(1963-)，男，研究生學歷，研究員，主要研究方向為職業(yè)衛(wèi)生。

常兵(1961-)，男，博士，研究員，主要研究方向為生殖毒理學。