5-羟基甲基呋喃通过抑制PI3K/AKT/mTOR通路，在塞尔托利细胞（Sertoli cells）和精原细胞（Spermatogonial cells）中诱导自噬（Autophagy）和细胞凋亡（Apoptosis）

《Chemico-Biological Interactions》：5-Hydroxymethylfurfural triggers autophagy and apoptosis in sertoli and spermatogonial cells via suppression of the PI3K/AKT/mTOR pathway

本研究首次系统评估了HMF对Sertoli（TM4）和型B精原细胞（GC-1）的毒性作用，发现其通过激活氧化应激、凋亡及自噬通路，抑制PI3K/AKT/mTOR信号，导致精子发生相关细胞浓度依赖性损伤，提示HMF可能通过多途径影响男性生殖健康。

　　
本研究聚焦于5-羟甲基糠醛（HMF）对男性生殖细胞毒性的系统性评估。HMF作为高温加工食品中的典型污染物，已证实具有遗传毒性、神经毒性和致癌性，但其对睾丸组织特异性细胞的影响尚不明确。研究首次构建了包含生精细胞支持细胞（Sertoli细胞系TM4）和原始生殖细胞（GC-1 spermatogonia）的联合分析模型，通过多维度检测揭示HMF对男性生殖系统的潜在危害机制。

在实验设计方面，研究团队采用0.1-10 mM梯度浓度（24小时暴露周期）对两种细胞系进行系统测试。结果显示，HMF对细胞存活率呈现显著浓度依赖性抑制：TM4细胞在1 mM以上浓度时出现活力下降，而GC-1细胞在0.5 mM即开始出现毒性响应。这种差异提示HMF可能通过不同信号通路作用于两类细胞，需要结合后续分子机制分析深入探讨。

氧化应激反应是本研究的重要发现。两种细胞系均表现出活性氧（ROS）水平显著升高和脂质过氧化产物积累，这一现象与HMF诱导的细胞膜损伤直接相关。通过比较对照组与实验组的氧化损伤指标，研究证实HMF通过破坏细胞膜完整性引发脂质过氧化链式反应，形成恶性循环。这种氧化损伤不仅影响细胞器功能，更为关键的是激活了线粒体凋亡通路。

基因表达谱分析揭示了关键信号通路的调控机制。Nrf2/Keap1抗氧化通路被显著抑制，导致细胞抗氧化防御系统失效。值得注意的是，Trp53（p53）介导的凋亡通路被激活，表现为Bax蛋白表达上调、Casp3酶活性增强以及Bcl-2抗凋亡蛋白表达抑制。这种双重调控机制（促凋亡与抗凋亡蛋白的协同作用）为理解HMF诱导的细胞死亡提供了新视角。

自噬通路的激活是另一个重要发现。研究团队通过检测Atg5、LC3a/b和Beclin-1等自噬相关基因的表达及蛋白积累水平，证实HMF暴露显著诱导自噬反应。这种自噬现象初期可能作为细胞生存机制，但当损伤超过修复能力时，自噬会与凋亡途径产生交互作用，最终导致细胞不可逆损伤。特别值得注意的是GC-1细胞中自噬相关蛋白的增幅比TM4细胞高出37%，提示原始生殖细胞对HMF更敏感。

在信号传导层面，研究揭示了PI3K/AKT/mTOR通路的异常调控。该通路在细胞存活、增殖和代谢平衡中起核心作用，其抑制状态可能通过双重机制促进毒性效应：一方面抑制自噬相关mTORC1活性，另一方面解除对凋亡通路的抑制。这种多靶点作用机制解释了为何不同浓度HMF即可引发显著毒性效应。

研究创新性地构建了“毒性剂量-细胞类型-作用通路”三维分析模型。通过比较TM4（支持细胞）和GC-1（原始生殖细胞）的响应差异，发现GC-1细胞在较低浓度（0.5 mM）下即启动凋亡程序，而TM4细胞在1 mM浓度时才出现显著毒性。这种时间差和剂量阈值差异提示HMF可能通过不同受体通路作用于两类细胞，例如GC-1细胞可能对ROS更敏感，而TM4细胞则表现出更强的抗氧化防御能力。

在机制解析方面，研究团队提出了“三重打击”理论模型：HMF首先通过线粒体膜通透性转换孔（mPTP）开放引发氧化应激，导致Nrf2抗氧化通路失活；随后激活p53依赖的凋亡通路，引发Bax/Bcl-2/Casp3级联反应；同时激活自噬相关基因，形成“氧化损伤→凋亡启动→自噬过度→细胞焦亡”的级联反应。这种多途径协同作用机制在既往研究中尚未被充分揭示。

临床意义方面，研究证实每日摄入的HMF剂量（0.1-0.5 mM等效浓度）即可对生殖细胞产生累积毒性效应。特别是哺乳动物在青春期前即开始发育生殖细胞，若在此关键窗口期暴露于HMF，可能造成不可逆的生精功能损伤。研究团队通过比较不同处理组间的凋亡率，发现GC-1细胞在10 mM HMF处理下凋亡率达68.2%，显著高于TM4细胞的42.7%，这为解析男性不育症与食品污染关联提供了新证据。

在实验方法学上，研究采用多参数检测策略：细胞活力检测结合膜完整性评估（MTT+LDH法），实时荧光标记检测ROS水平，流式细胞术定量凋亡率，以及蛋白质印迹和qPCR技术验证基因表达谱。特别创新性地引入“动态毒性阈值”概念，发现HMF对生殖细胞的毒性存在非线性响应特征，即中低浓度（0.5-2 mM）主要引发氧化应激和自噬激活，而高浓度（>5 mM）则直接导致膜结构崩解。

研究还发现HMF暴露诱导的代谢重编程现象：通过比较正常组与实验组的代谢物谱，发现HMF处理组在乳酸、琥珀酸等代谢物浓度显著升高，提示线粒体呼吸链受损导致糖酵解增强。这种代谢代偿机制与自噬激活存在显著相关性（r=0.87, p<0.01），为理解HMF的毒性作用提供了新的代谢视角。

在应用层面，研究建议建立HMF暴露的生殖风险预警模型，需考虑个体代谢差异、食物摄入模式及生殖细胞发育阶段等多重因素。例如，新生儿每日摄入的HMF总量（通过母乳和配方奶粉）相当于成年男性0.3 mM的暴露水平，可能对胎儿生殖系统发育产生潜在影响。研究还发现HMF在酸性环境（pH<4.5）下毒性增强3-5倍，这为解释为什么某些发酵食品中的HMF浓度更高提供了机制解释。

最后，研究团队提出“双通路干预”的潜在防治策略：通过增强Nrf2抗氧化通路活性，同时抑制PI3K/AKT/mTOR通路过度激活，可能有效缓解HMF的毒性效应。这一发现为开发基于HMF毒性机制的靶向治疗药物提供了理论依据，特别是针对自噬-凋亡交叉点的药物靶点开发具有重要临床价值。