纳米塑料内化通过损害线粒体功能降低马精子活力与存活率的新机制

本研究聚焦全球塑料污染背景下纳米塑料（NP）对雄性生殖功能的潜在威胁。研究人员通过体外实验证实30 nm聚苯乙烯NP能被马活精子内化，定位于顶体后区/中段，导致精子存活率下降、线粒体膜电位（HMP）降低、超氧阴离子（O2-·）水平升高，并显著削弱精子运动能力。该研究为NP生殖毒性机制提供了直接证据，对评估环境污染物对哺乳动物生育力影响具有重要意义。

　　

随着全球塑料污染的日益严重，微塑料（MP）和纳米塑料（NP）对生态系统和人类健康的潜在威胁已成为国际关注的焦点。这些直径小于5毫米的塑料颗粒可通过生物、物理或化学作用进一步分解为更小的纳米级碎片（1-100 nm），并通过 ingestion（摄入）、inhalation（吸入）和dermal contact（皮肤接触）进入生物体。近年研究发现，NP因其微小尺寸和强细胞亲和力，能够穿越生物屏障进入血液循环，并积聚在多种组织和器官中，引发氧化应激、炎症反应和细胞功能障碍。特别值得关注的是，NP在生殖系统中的积累可能对生育能力造成严重影响——已有研究在人类、犬类和小鼠睾丸组织中检测到NP存在，并与精子质量下降存在关联。

尽管已有研究报道NP暴露可导致小鼠睾丸结构损伤、血-睾屏障破坏和精子发生异常，但关于NP对成熟配子（尤其是精子）的直接作用机制仍知之甚少。马作为繁殖生理学研究的重要模型动物，其精子功能高度依赖线粒体代谢，这为研究NP对能量代谢的影响提供了理想体系。在此背景下，来自意大利博洛尼亚大学兽医科学系的Sofia Dindo、Laura Tovar-Pascual、Vito Antonio Baldassarro、Diego Bucci、Beatrice Mislei、Marcella Spinaci和Jose Manuel Ortiz-Rodriguez团队在《Theriogenology》发表了突破性研究成果，首次证实NP能够被马活精子直接内化，并通过损害线粒体功能引发氧化应激，最终导致精子质量和运动能力下降。

研究人员采用多学科技术方法开展系统研究：通过计算机辅助精子分析（CASA）系统定量评估精子运动参数；利用流式细胞术（Flow Cytometry）同步检测精子存活率（基于DRAQ7/SYTOX Green染色）、线粒体膜电位（使用JC-1探针）、超氧阴离子（DHE染色）和过氧化氢（CM-H₂DCFDA染色）水平；采用共聚焦显微镜（Confocal Microscopy）结合三维重建技术直观观察NP在精子内的定位分布。实验选用5匹生育力正常种马的冷冻精液，解冻后分别用0（对照）、10、50、100和200 μg/mL的30 nm荧光标记聚苯乙烯NP处理，在38°C下培养1小时和3小时后进行分析。

研究结果揭示了一系列重要发现：

3.1. 成熟马精子内化纳米塑料

流式细胞检测显示，活精子群体中绿色荧光强度随NP浓度增加而右移，表明NP内化呈剂量依赖性。共聚焦显微镜三维成像清晰显示，NP主要积聚在精子顶体后区和/或中段区域，该区域正是线粒体富集部位。

3.2. NP损害精子存活率

NP暴露显著降低精子存活率。200 μg/mL NP处理1小时后，活精子比例从对照组的50.7±14.0%降至36.6±11.8%（p<0.05）；处理3小时后，100NP组存活率也从49.3±11.8%降至44.0±11.2%（p<0.05）。最高浓度组在1小时到3小时期间出现进一步下降（从36.6±11.8%降至27.0±7.1%），表明NP毒性具有时间累积效应。

3.3. NP降低活精子线粒体活性并增加细胞内超氧化物水平

线粒体功能检测发现，NP处理显著减少了具有高线粒体膜电位（HMP）的活精子比例。处理1小时后，100NP和200NP组的HMP精子分别从对照组的35.4±15.8%降至28.0±17.2%（p<0.05）和16.3±14.0%（p<0.001）；3小时后仍保持显著差异。活性氧检测显示，200NP组活精子中高超氧阴离子（O₂^-·）水平从对照组的39.0±10.1%升至47.3±11.0%（p<0.05），3小时后进一步升至55.9±16.7%。值得注意的是，过氧化氢（H₂O₂）水平未出现显著变化，研究者推测可能与马精子内高 catalase（过氧化氢酶）活性有关。

3.4. NP内化影响精子运动力

运动参数分析表明，200NP处理1小时后，总运动精子（TM）和前进运动精子（PM）比例显著降低。处理3小时后，200NP组的直线速度（VSL）、直线性（LIN）和前向性（STR）也显著下降，表明NP暴露不仅减少运动精子数量，还影响运动质量。

讨论部分深入分析了NP毒性的潜在机制。研究者指出，NP可能通过内吞作用或被动膜扩散进入精子细胞，其在小尺寸（30 nm）特性使其能够穿透细胞器膜结构，直接作用于线粒体。NP在线粒体富集区域的特异性积累可能干扰电子传递链（ETC）功能，导致超氧阴离子在复合物I和III处过量产生。由于马精子能量代谢主要依赖氧化磷酸化（OXPHOS）而非糖酵解，线粒体功能受损会直接影响ATP合成，进而削弱精子运动能力。超氧阴离子水平升高而过氧化氢未同步增加的现象，可能与马精子强大的抗氧化防御系统（特别是过氧化氢酶活性）有关，也可能反映了超氧化物歧化酶（SOD）活性受到NP代谢物的变构抑制。

该研究的结论强调，NP内化通过损害线粒体功能、诱发氧化应激和促进细胞凋亡等多重机制，最终导致精子质量和运动能力下降。这些发现不仅为理解NP的生殖毒性机制提供了重要实验证据，也为评估环境污染物对哺乳动物（包括人类）生育力的潜在影响提供了科学依据。研究者建议未来应进一步探究NP对精子抗氧化酶系统的具体影响，以及不同塑料聚合物的毒性差异，为制定相关防护策略提供理论支持。