聚苯乙烯纳米颗粒通过CISD1下调引发小鼠精母细胞铁死亡导致睾丸损伤的机制研究

本研究针对纳米塑料(PS-NPs)的雄性生殖毒性机制不明问题，通过体内外实验揭示了50 nm PS-NPs通过核受体辅激活因子4(NCOA4)介导的铁蛋白自噬(ferritinophagy)和线粒体铁硫结构域蛋白1(CISD1)下调途径，促进铁离子从胞质向线粒体流动，最终导致精母细胞铁死亡(ferroptosis)的分子机制，为纳米塑料的生殖风险评估提供了新靶点。

　　

塑料制品因其优异的耐用性和低成本被广泛应用于食品、饲料和医药等领域，但塑料垃圾的不当处理导致微塑料(MPs)和纳米塑料(NPs)在全球生态系统中广泛分布。更令人担忧的是，这些微小塑料颗粒已被证实能够通过吸入、摄入和皮肤接触等途径进入生物体，并在胎盘、血液和卵泡液等多种组织中被检出。其中，生殖系统对这类颗粒物尤为敏感，而纳米塑料因其更大的比表面积和更强的生物渗透性，可能具有更高的生物风险。特别值得注意的是，聚苯乙烯(PS)是人类睾丸中最主要的塑料污染物类型，已有研究发现其会破坏血睾屏障、损害生精细胞并降低雄性生育能力。然而，关于聚苯乙烯纳米塑料(PS-NPs)影响雄性生殖功能的具体毒性机制仍存在重大认知空白。

西北农林大学的研究人员针对这一科学问题开展了深入研究，发现50 nm PS-NPs会在小鼠睾丸中积累并导致精子质量下降和精母细胞损伤。机制上，PS-NPs通过下调CISD1表达和激活NCOA4介导的铁蛋白自噬，加剧铁离子从胞质向线粒体的流动，最终引发精母细胞铁死亡。这项发表于《Journal of Nanobiotechnology》的研究为理解纳米塑料的雄性生殖毒性机制提供了新见解。

研究采用了多种关键技术方法：通过透射电镜(TEM)和动态光散射(DLS)表征PS-NPs的理化性质；建立PS-NPs经口暴露的小鼠模型；采用计算机辅助精液分析(CASA)评估精子质量；利用蛋白质组学分析差异表达蛋白；通过免疫荧光和Western blotting检测关键蛋白表达；采用铁离子荧光探针(FerroOrange)和线粒体特异性探针(Mito-FerroGreen)追踪亚细胞铁分布；使用透射电镜观察细胞超微结构变化；并应用siRNA干扰和过表达技术验证关键基因功能。

【PS-NPs诱导小鼠睾丸损伤和生精障碍】
研究发现连续35天经口暴露50 mg/kg的50 nm PS-NPs后，小鼠睾丸中PS-NPs累积量达12.08 μg/g。虽然对睾丸重量无显著影响，但组织学观察显示生精小管管腔扩大、精母细胞排列紊乱和精子数量明显减少。精液分析显示精子活力、活率和正常形态率显著降低，同时血清睾酮和促卵泡激素(FSH)水平下降。这些结果证实PS-NPs确实会导致睾丸损伤，特别是对精母细胞的损害。

【PS-NPs引发睾丸铁死亡】
生化检测显示PS-NPs暴露组睾丸中总铁和丙二醛(MDA)含量显著升高，而谷胱甘肽(GSH)水平降低。Western blotting和免疫荧光证实铁死亡关键蛋白GPX4和SLC7A11表达下调。在体外实验中，PS-NPs处理GC-2细胞(小鼠精母细胞系)后，同样观察到脂质过氧化水平升高、铁离子积累和线粒体功能紊乱等铁死亡特征性变化。透射电镜可见线粒体膜破裂和嵴减少等超微结构损伤。铁螯合剂去铁胺(DFP)可显著缓解这些变化，证实铁死亡在PS-NPs毒性中的核心作用。

【PS-NPs激活NCOA4介导的铁蛋白自噬】
蛋白质组学分析发现差异表达蛋白主要富集于自噬和铁离子稳态等通路。虽然FTH1蛋白水平下降，但其mRNA表达反而上调，提示存在转录后调控机制。免疫荧光显示PS-NPs促进NCOA4与FTH1的结合，导致铁蛋白通过自噬途径降解。自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤(3-MA)和NCOA4 siRNA均能有效减轻PS-NPs诱导的铁死亡，证实NCOA4介导的铁蛋白自噬是PS-NPs毒性的关键机制。

【内化PS-NPs在线粒体积累导致功能障碍】
荧光标记和电镜观察显示PS-NPs被GC-2细胞内化后，先聚集在溶酶体，随后转移至线粒体。这一过程伴随着线粒体铁离子和活性氧(mtROS)水平升高。值得注意的是，PS-NPs显著下调线粒体外膜蛋白CISD1的表达，该蛋白正常情况下可抑制铁离子向线粒体基质的摄取和转运。CISD1过表达可减轻PS-NPs诱导的铁死亡，而CISD1稳定剂吡格列酮(pioglitazone)也能缓解NCOA4过表达细胞的铁死亡表型。

这项研究首次系统阐明了PS-NPs通过NCOA4/CISD1轴引发精母细胞铁死亡的分子机制，不仅填补了纳米塑料雄性生殖毒性机制的认识空白，也为相关生殖障碍的防治提供了潜在干预靶点。研究发现CISD1下调会加剧铁蛋白自噬释放的铁离子向线粒体流动，这一发现拓展了对铁死亡调控网络的理解。从公共卫生角度看，研究提示需要重视环境纳米塑料污染对男性生殖健康的潜在风险，并为制定相关防护策略提供了科学依据。值得注意的是，虽然研究聚焦于精母细胞，但睾丸中其他细胞类型如支持细胞和间质细胞可能也存在类似的损伤机制，这有待后续研究进一步验证。