安庚教授团队揭示全生命周期微塑料暴露对男性生殖健康影响及潜在机制

2022年12月，广州医科大学附属第三医院安庚教授团队在 Journal of Hazardous Materials 期刊发表了题为：Prenatal and postnatal exposure to polystyrene microplastics induces testis developmental disorder and affects male fertility in mice 的研究论文。

该研究发现，聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）的暴露可能导致睾丸发育障碍和精子发生功能障碍，且这种毒性可能与 Hippo 信号通路以及免疫反应有关。该研究为环境污染物对男性生殖健康的影响提供新的理论基础。

图1. 研究思路

关注环境污染物暴露影响，聚焦全生命周期生殖健康

塑料可以降解为微塑料（MP），即直径小于 5 毫米的塑料。全球 MP 污染是一个严重的环境问题，人类可以通过摄入、吸入和皮肤接触接触 MPs，存在于尿液、粪便、血液和胎盘中。

其中，聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）已被证明具有许多毒性作用，例如诱导颗粒细胞凋亡、卵巢细胞凋亡和纤维化、血睾屏障破坏和精子发生功能障碍、肺部炎症和肝毒性。然而，大多数文章仅讨论了特定发育阶段PS-MP暴露引起的毒性作用和机制。它对整个生命周期的影响鲜有报道。

男性不育是人类生殖中的一个严重问题。近年来，由于MPs的普遍存在和持续毒性。已被证明MP会导致精子数量减少和精子 DNA 碎片增加。MPs，尤其是 PS-MPs与男性不育的关系备受关注。然而，在整个生命周期中低剂量 PS-MP 暴露的睾丸毒性仍然未知。

因此，研究团队构建了一个全生命周期暴露于PS-MP的动物模型——从受精卵形成到雄性后代都暴露于 PS-MP，并关注每一雄性后代个体的睾丸发育情况和生育能力，并进行子代睾丸组织的转录组测序和生物信息学分析，以揭示整个生命周期 PS-MP 暴露对男性生殖健康的毒性作用及其潜在机制。

构建模型，观察表型

首先，研究团队对妊娠第1天开始的小鼠及其后代通过每日饮用水暴露于浓度梯度为 0（CON）、0.5 mg/L（MP1组）、5 mg/L （MP2组）和 50 mg/L （MP2组）PS-MPs，观察并记录了子代的身体和睾丸的重量。PS-MP暴露后，PND35小鼠体重随着暴露浓度的增加而增加，睾丸器官系数在 MP2组和 MP3 组中显着降低。此外，这两组的小鼠青春期开始的年龄有所延迟。我们还发现睾酮和抑制素 B 浓度降低，FSH 升高，睾酮：LH 的比例下降。HE 染色显示睾丸组织的生殖细胞从生精上皮脱落。

图2. PS-MP 暴露后，子代未成熟及成熟睾丸组织的形态特点

成年期（PND70）的子代小鼠的体重随着暴露浓度的增加而增加，睾丸器官系数在 MP2 和 MP3 组中显着降低。此外，交配试验发现在暴露于 PS-MP 后妊娠率降低。激素水平改变与PND35小鼠类似。HE 染色显示，生精上皮组织混乱、精子数量和活力下降。这些结果表明，PS-MP 暴露会导致精子发生功能障碍并影响男性生育能力。

组学分析，抽丝剥茧

为了表征未成熟睾丸上 PS-MP 暴露引发的基因表达变化，选择三个未成熟睾丸进行了 RNA-seq。三组之间共有的 19 个 GO 富集和 6 个 KEGG 通路。值得注意的是，其中包括激素介导的信号通路、有丝分裂细胞周期的 G1/S 转换、雄激素受体活性的共调节和 Hippo 信号通路。

图3. 未成熟睾丸19 个 GO 富集和 6 个 KEGG 通路的韦恩图

另外， 3个子代成熟睾丸进行RNA-seq显示共有 104 个 GO 富集和 32 个 KEGG 通路富集，其中包括减数分裂细胞周期、免疫效应过程的调节、中性粒细胞脱颗粒以及趋化因子和细胞因子信号通路介导的炎症。

图4. 成熟睾丸104 个 GO 富集和 32 个 KEGG 通路富集的韦恩图

通过对比未成熟和成熟睾丸之间的 DEG， 进行了 GO 和 KEGG 分析，揭示了正常睾丸发育的几个重要生物学过程——包括泌尿生殖系统发育、初级胚层形成、 组蛋白甲基化、激素生物合成过程的调节、对类固醇激素的反应以及类固醇激素介导的信号通路。这些结果表明，PS-MP 暴露影响了睾丸发育中涉及的重要生物过程。

高屋建瓴，逐个击破

结合 GSEA 结果，研究团队通过WB评估了细胞周期标志物的表达和 Hippo 信号通路的活性。PS-MP 暴露后，有丝分裂细胞周期的 G1/S 转换受到 PS-MP 暴露的干扰，表明 PS-MP 暴露导致 Hippo 信号通路活性降低。这些结果与 RNA-seq 数据一致，表明 Hippo 通路可能在 PS-MP 引起的睾丸发育障碍中发挥重要作用。

图5. 不同处理组小鼠睾丸组织中细胞周期标志物的表达和Hippo信号通路相关蛋白的表达情况

为了阐明 PS-MPs 诱导精子发生功能障碍的具体原因，研究团队检测了参与生殖细胞增殖分化和减数分裂的标志物表达。PS-MPs处理后， Stra8（分化和减数分裂标志物）和Scyp3（减数分裂标志物）的表达水平显着降低。使用 TEM 观察睾丸组织的亚显微变化，可见MP2、MP3组初级精母细胞轻度水肿，胞内基质电子密度降低，部分细胞器轻度肿胀。这些结果表明，PS-MP 暴露会导致睾丸毒性，尤其是对精母细胞。

图6. TEM 下初级精母细胞的超显微结构

为了评估睾丸中的免疫反应，研究团队测定了促炎细胞因子和抗炎细胞因子。IL-6 是一种由巨噬细胞产生的促炎细胞因子，在三个 PS-MP 暴露组中显着增加。相比之下，MP3 组的 TNF-α和 IL-10均显着降低，MPs暴露后TGF-β1和TGF-β3显着减少。这些结果表明，由 PS-MP 暴露引起的睾丸免疫效应过程受损是由功能失调的炎性细胞因子介导的。

图7. PS-MPs暴露后睾丸组织内细胞因子浓度

见微知著，赓续前行

这项研究探索了产前和产后暴露于 PS-MPs 引起的睾丸发育和精子发生功能障碍的因素和机制。发现Hippo信号通路和睾丸生精微环境失衡是PS-MPs引起睾丸发育障碍和生精异常的主要机制。 研究团队表示，在未来的研究中将重点关注PS-MPs对代际遗传的影响。

第一作者介绍

第一作者 叶欣 广州大学附属第三医院生殖医学中心，博士后。2021年北京大学医学部外科专业博士毕业，从事生殖男科的临床和科研工作。在SCI及国内核心期刊发表论文8篇。

通讯作者介绍

通讯作者 安庚 广州医科大学附属第三医院生殖中心副主任；男科主任。主任医师，副教授，硕士/博士/博士后导师。广州市杰出专家；广东省杰出青年医学人才；广东省高校千百十计划人才；广州市高层次引进骨干人才；广州市医学重点人才。中华医学会生殖医学分会青年委员；中国性学会生殖男科分会和生殖检验分会副主委；中国优生优育协会生育力保护分会副主委；广东省医学会生殖医学分会常委；广东省医学会男科学分会常委；广东省医师协会男科学分会常委。长期致力于非梗阻性无精子症的病因、诊断和治疗；华南地区率先开展睾丸显微取精（micro-TESE）联合睾丸组织冷冻技术治疗非梗阻性无精子症超过1500多例。美国康奈尔大学医学院男科中心进修。开展“全球首例”3D打印阴茎海绵体生物支架修复海绵体缺损并成功生育子代。研究成果发表在Nature Communations、Cell Stem Cell、Materials Horizons、Fertility and Sterility 等杂志。主持国家重大研发计划重点专项，国家自然科学基金面上，广东省自然科学基金面上，广州市科技攻关重点专项等。