《Journal of Xenobiotics》：Plastic-Associated Pollutants and the Paternal Germline: From Reproductive Toxicity and Sperm Molecular Alterations to Potential Offspring Effects
父系孕前健康日益被认为是影响生殖成功和子代发育的重要因素。塑料相关污染物，包括内分泌干扰化学物质、微塑料（microplastics, MPs）和纳米塑料（nanoplastics, NPs），已被越来越多地与男性生殖功能的不良效应相关联。这些暴露的影响可能超越传统精液质量指标，可能诱导父系生殖细胞中的分子变化，进而对胚胎发育和子代健康产生后果。本综述探讨了孕前暴露于塑料相关污染物如何通过氧化应激（oxidative stress, OS）、线粒体功能障碍、内分泌干扰、炎症和表观遗传改变来改变雄性种系。特别关注DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA（non-coding RNAs, ncRNAs）以及其他可能向胚胎传递环境诱导分子信息的表观遗传机制。研究人员将提供关于男性环境暴露及其对生育力、胚胎发育、胎盘功能、不良妊娠结局以及子代在生殖、代谢、神经发育和心血管疾病方面易感性影响的实验和流行病学研究信息。通过整合生殖生物学、毒理学、发育表观遗传学和环境卫生学的证据，本综述提供了一个理解环境暴露如何改变父系种系并可能影响跨代健康的框架。最后，研究人员指出了关键的研究空白和方法学挑战，概述了未来的研究重点，并强调了在孕前期进行综合暴露评估、人类机制研究以及减少环境暴露策略的必要性。
1. 引言
父系对生殖的贡献超越了核基因组。精子携带额外的分子信息，包括DNA甲基化模式、保留的组蛋白和非编码RNA（non-coding RNAs），这些可能调控早期胚胎发育。实验证据表明，父系环境暴露可以在受精前改变这些分子特征。在小鼠中，父系饮食变化会改变精子小RNA谱，而功能研究表明特定精子RNA可调节植入前胚胎的基因表达。这些观察结果使研究人员能够考虑一种生物学机制的可能性，即父系接触外源性物质可能通过种系的变化影响生殖和发育过程。然而，暴露可以改变精子分子特征这一事实并不意味着这些变化在生殖或发育过程或疾病中发挥任何生物学作用。
塑料相关污染物在此背景下代表了一类重要的环境暴露。这些污染物具有独特的物理化学性质，包括双酚类、邻苯二甲酸酯类和微塑料与纳米塑料。双酚A（BPA）是一种广泛使用的塑料相关化学品，其潜在的生殖效应已被广泛研究。同样，邻苯二甲酸酯是已知化合物，因其对人类精子表观遗传学的影响而被研究。微塑料和纳米塑料代表了一类独特的塑料相关污染物，具有特定的毒理学特性，不应从塑料相关化学品的特性中泛化得出。因此，在评估其对生殖健康的影响时，这两类应分开考虑。
人体生物监测研究进一步增加了对塑料相关暴露生殖效应的兴趣。已在人类睾丸组织和精液中检测到微塑料，证明了塑料相关物质存在于男性生殖样本中。最近，一项多中心研究报告了男性生殖样本中微塑料多样性与精液特征（如精子浓度和前向运动力）下降之间的关联。然而，这些发现应谨慎解读。微塑料的检测并不能提供关于暴露途径、剂量或在生殖障碍中因果作用的任何证据。此外，与精液质量的关联并不意味着精子表观遗传信息的改变及其对胚胎的影响。
将塑料相关化学品与精子表观基因组改变联系起来的证据更为确凿，尽管其生理相关性仍不清楚。职业环境中暴露于BPA与精子细胞中长散布核元件-1（LINE-1）DNA甲基化水平降低有关。另一项针对接受体外受精（IVF）男性的研究报告了尿邻苯二甲酸酯代谢物浓度与精子DNA甲基化模式之间的关联。这些发现表明人类种系可能对化学暴露敏感；然而，流行病学研究无法确定观察到的分子变化是否对生殖结果具有功能性后果。实验研究将这些观察结果扩展到后续世代。在小鼠中，父系BPA暴露与精子功能和DNA甲基化的改变以及跨多代的生殖异常相关。
因此，区分种系介导的发育编程与直接的生殖毒性仍然是一个主要挑战。在本综述中，“父系种系编程”指的是暴露相关的父系生殖细胞或精子分子改变可能影响后续发育结果的潜在过程。该术语并不意味单独检测到精子分子改变就构成功能性编程或证明因果性的种系介导传递。DNA损伤、表观遗传改变和精子功能障碍代表了不同的生物学终点，它们可能共存，但对子代的潜在影响不同。同样，父系暴露与子代表型之间的关联不一定表明表观遗传遗传。区分代际效应和跨代效应需要考虑暴露的时间和持续时间、受影响的组织和生殖细胞，以及观察到的效应是否持续超过直接暴露的世代。因此，成年父系孕前暴露、未来父亲的发育期暴露、涉及发育中雄性种系的母体或妊娠期暴露，以及对精子或睾丸细胞的直接实验性暴露，代表了生物学上不同的暴露场景，并在本综述中分别考虑。这些场景在直接暴露的发育阶段和细胞群体上有所不同，因此在解释后续世代中观察到的效应时也不同。与评估孤立结局的研究相比，包含受控父系暴露、与未暴露雌性交配、精子改变的分子表征以及跨后续世代随访的实验设计，为研究这些关联提供了更稳健的框架。即使在这样的实验设计中，也需要功能性证据来确定特定的精子改变是否对观察到的子代表型有因果贡献。
本叙述性综述批判性地评估了表明塑料相关污染物可能影响父系种系、生殖结局和子代健康的证据。先前的综述广泛涵盖了父系环境暴露与精子表观遗传学、特定的表观遗传机制、内分泌干扰化学物质（EDCs）或微塑料和纳米塑料的潜在代际效应。相比之下，本综述整合了关于塑料相关化学品（包括双酚类和邻苯二甲酸酯类）的证据与新出现的关于微塑料和纳米塑料的文献，同时由于这些暴露类别具有不同的毒理学特性而将其分开考虑。特别强调将男性生殖效应和精子分子改变与生殖、胚胎和子代结局联系起来，并将关联性和分子连续性与支持种系介导的代际或跨代效应的证据区分开来。这种方法有助于批判性地评估现有证据的优势和局限性，同时帮助确定未来研究的优先事项。
2. 文献检索策略
本叙述性综述旨在对父系暴露于塑料相关污染物、精子分子和表观遗传改变以及生殖和子代结局之间的关系进行批判性综合。在PubMed/MEDLINE、Scopus和Web of Science中进行了文献检索，检索时间截至2026年10月1日。检索词结合了暴露相关概念，包括“BPA”、“bisphenols”、“phthalates”、“plasticizers”、“microplastics”和“nanoplastics”，以及父系和生殖相关术语，如“paternal exposure”、“preconception”、“male germline”、“sperm”和“spermatogenesis”。附加术语涉及分子机制和发育结局，包括“epigenetics”、“DNA methylation”、“histone modifications”、“chromatin”、“non-coding RNA”、“oxidative stress (OS)”、“mitochondrial dysfunction”、“embryo development”、“offspring”、“intergenerational”和“transgenerational”。使用布尔运算符组合术语，并根据每个数据库的检索功能进行调整。还检查了相关原始研究和综述的参考文献列表，以识别与本综述直接相关的其他出版物。
考虑纳入的文献包括原始人类观察性研究、动物实验和体外研究，这些研究涉及塑料相关暴露以及至少一个相关终点：男性生殖功能、精子分子或表观遗传特征、受精或胚胎发育，或子代结局。综述用于提供背景信息和识别相关的原始研究，而在解释特定的暴露-结局关系时，优先考虑原创研究。涉及母体或妊娠期暴露的研究在提供相关机制或世代背景时被单独考虑，并且不被视为等同于孕前父系暴露的研究。同样，关于塑料相关化学品的发现与关于塑料颗粒的发现被区分开来。只有在需要为父系种系调控提供更广泛的机制背景时，才考虑其他环境暴露的研究。
在综合分析中考虑了暴露类型、时机、途径、剂量或浓度、研究人群和生物学终点。研究根据暴露场景进一步分类，包括成年父系孕前暴露、未来父亲的发育期暴露、影响发育中雄性种系的母体或妊娠期暴露，以及对精子或生殖细胞的直接实验性暴露。在解释代际和跨代发现时，考虑了暴露窗口、实验模型和所检查的世代。证据强度根据研究是否报告了暴露相关的精子分子改变、胚胎或子代表型、精子和后代中相应的分子改变、暗示特定精子携带因子的功能性证据，或通过靶向操作、转移、抑制或拯救实验进行的因果中介直接测试来进一步考虑。这些类别被分开考虑，因为精子分子改变和子代表型的共存本身并不能证明该改变介导了该表型。
作为一篇叙述性综述，本文并非旨在提供详尽的系统性文献清单或合并效应估计。未应用正式的系统性综述筛选程序或标准化的偏倚风险评估。原始研究的选择基于其与综述问题的直接相关性，以及其对代表不同暴露类别、暴露场景、实验模型、分子机制以及生殖或子代结局的贡献。特别强调了那些提供人类证据、描述精子或种系改变、评估发育或子代结局、或包含与潜在种系介导效应相关的功能性实验的研究。在比较和解释不同研究的结果时，考虑了研究设计、暴露剂量和持续时间、实验模型、暴露窗口和结局评估方面的差异。因此，正文中讨论并总结在表格中的证据应被视为对代表性研究的批判性、选择性综合，而非对现有文献的全面或系统性评估目录。
3. 塑料相关污染物与父系暴露
塑料相关暴露不仅包括参与塑料制造或添加到含塑料商品中的化学物质，还包括塑料颗粒。塑料相关暴露在其理化性质、生物归宿和测量方法上各不相同，因此在考虑潜在相互作用之前应分别进行研究。本综述主要关注双酚类、邻苯二甲酸酯类以及微塑料和纳米塑料，同时考虑与父系生殖毒性机制相关的其他塑料相关添加剂和化学物质。术语“塑料相关”并不意味着所有化学物质都仅来源于塑料，也不意味着塑料颗粒的存在必然指示特定添加剂的暴露。
3.1. 双酚类和邻苯二甲酸酯类
BPA用于生产聚碳酸酯塑料和环氧树脂，是生殖毒理学中研究最广泛的塑料相关化学品之一。职业和普通人群中均可发现暴露。在一项比较职业暴露和未暴露男性的研究中，较高的尿液BPA水平与较差的精液参数相关，这支持了进一步研究BPA作为潜在男性生殖毒物的必要性。然而，这种关联本身并不能确定这种联系背后的生物学机制。
用作替代品的BPA类似物，包括双酚S（BPS）和双酚F（BPF），也应予以考虑。人群生物监测研究记录了BPS和BPF的暴露情况，表明仅评估BPA可能不足以充分捕捉其他双酚类的暴露。相似的结构和广泛的检出率不足以假设相似的生殖毒性。
邻苯二甲酸酯代表了另一组混合暴露。它们的应用范围从增塑剂到各种消费产品的成分，个体化学品之间的暴露途径和来源各不相同。从住宅环境中的空气和灰尘采样以及表面擦拭和手部擦拭获得的数据，举例说明了室内环境中如何发生暴露。饮食是另一个相关的暴露途径。在一项旨在减少罐装和塑料包装食品消费的饮食干预中，尿液中的BPA和邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP）代谢物水平有所下降。
人类生殖研究通常使用尿液代谢物而不是母体化合物来评估邻苯二甲酸酯暴露。一项基于人群的、针对试图怀孕男性的研究报告了特定尿液邻苯二甲酸酯代谢物与精液质量之间的显著关联。然而，需要注意的是对生育力影响的不确定性。因此，解释应考虑检测到的特定代谢物及其对应的母体化合物。人群生物监测研究记录了BPS和BPF的暴露情况，表明仅评估BPA可能不足以充分捕捉其他双酚类的暴露。相似的结构和广泛的检出率不足以假设相似的生殖毒性。
3.2. 微塑料和纳米塑料
微塑料和纳米塑料代表的是颗粒状暴露，而非单独的溶解性化学物质。微塑料通常被定义为小于5毫米的塑料颗粒，而区分微塑料和纳米塑料的尺寸阈值在不同研究中仍不一致。因此，应考虑每项研究报告的颗粒尺寸，而不仅仅依赖“微塑料”和“纳米塑料”这两个术语。
已使用不同的分析方法在睾丸组织和精液中检测到微塑料。这些研究证明了塑料相关颗粒或聚合物存在于男性生殖样本中；然而，其生物学相关性取决于所检查的生物学区室和所使用的分析方法。在睾丸组织或精液中的检测并不一定证明其进入了生精小管区室，也不能确认其在精子内的定位。报告的浓度也因分析方法和样本特征而异。例如，据报道，人类精液中微塑料含量为0.23±0.45颗粒/毫升，睾丸组织中为11.60±15.52颗粒/克，而最近的一项精液研究报告的平均丰度为17.0±42.0颗粒/克，颗粒范围为20.3至189.7微米。这些数值不应被解释为已确定的生物有效剂量，因为颗粒数量、质量、尺寸、形态和聚合物组成在不同研究间不能直接互换。颗粒分辨技术如拉曼显微光谱法、傅里叶变换红外光谱法和激光直接红外光谱法可以表征聚合物类型和颗粒尺寸，而热解-气相色谱-质谱法提供聚合物特异性质量信息，但不保留颗粒级别的特征。因此，标准化采样、污染控制、程序空白以及颗粒丰度、尺寸分布、聚合物组成和分析检测限的一致报告对于人类研究间的比较至关重要。
将量化微塑料暴露与精子功能障碍联系起来的人类证据仍然有限。观察性研究报告了在前向运动力方面的聚合物特异性差异或关联，尽管结果并不完全一致。在105或210微克/毫升浓度下，人精子体外暴露于聚苯乙烯微塑料会降低精子活力和存活率，并增加活性氧产生和精子DNA碎片化。参与精卵融合的精子基因表达改变，包括DCST1、DCST2、IZUMO1、SPACA6、SOF1和TMEM95，也有报道。最近的聚苯乙烯纳米塑料实验证据表明，线粒体氧化应激和线粒体功能受损与人精子功能障碍有关。尽管如此，这些实验浓度不能直接等同于人类精液中测量的颗粒负荷，并且缺乏直接将精液中微塑料暴露与精子代谢特定改变联系起来的人类证据。此外，目前尚无经过验证的基因、蛋白质、表观遗传或代谢特征可被视为人类精子中微塑料暴露的特异性标志物。因此，氧化应激、线粒体功能障碍、DNA损伤和精子功能相关基因的改变应被视为候选机制反应，而非微塑料特异性生物标志物。
实验研究表明，在特定暴露条件下，微塑料和纳米塑料暴露可能对雄性生殖功能产生不利影响。在动物模型中，聚苯乙烯微塑料与睾丸炎症和血睾屏障破坏有关，而口服聚苯乙烯纳米塑料据报道可诱发睾丸和精子损伤。然而，这些发现与人类暴露的相关性取决于多个因素，包括颗粒特性、剂量、暴露持续时间和所采用的实验模型。实验证据也表明对体细胞睾丸环境的影响。微塑料和纳米塑料暴露与Leydig细胞的氧化和线粒体应激、类固醇生成功能受损以及睾酮合成减少有关，而支持细胞功能的破坏和血睾屏障完整性受损可能间接损害生殖细胞发育。在实验模型中，LH/cAMP/PKA/StAR类固醇生成途径和类固醇生成酶的改变已被提出，尽管循环睾酮、LH和FSH的变化因颗粒特性、剂量、暴露持续时间和模型而异。建立可比内分泌效应的人类证据仍然不足。将这些激素和体细胞效应与直接种系效应区分开来很重要，因为暴露后精子质量受损可能是由于睾丸微环境的破坏，而非通过精子传递的分子改变。
物种差异进一步复杂化了这些发现的转化。人类精子发生大约需要74天，生精上皮周期约为16天，而小鼠的相应周期约为8.6天，大鼠为12.8-12.9天；啮齿动物的完整精子发生相应较短。精原细胞的组织结构在不同物种间也存在差异。人类精原细胞传统上分为Adark、Apale和B型群体，而啮齿动物包含未分化的Asingle、Apaired和Aaligned群体，随后是分化的A1-A4、中间型和B型精原细胞。因此，在啮齿动物中覆盖了大部分或整个精子发生的暴露时期，并不代表人类中同等的暂时暴露窗口。实验性微塑料研究进一步表明，其对几种睾丸细胞群体产生影响，包括精原细胞、精母细胞、支持细胞和Leydig细胞。这种细胞异质性使得难以将观察到的精子表型归因于单一的睾丸靶点。在将实验性生殖效应外推到人类时，应考虑这些在精子发生组织、暴露时间和细胞敏感性方面的差异。
另一个问题是，微塑料或纳米塑料诱导的精子改变是否会导致后代的发育异常。实验性父系暴露研究报告了精子分子或功能改变，同时伴有胚胎发育受损或子代表型，并且选定的研究为精子相关途径提供了机制支持。然而，精子表型改变和子代表型的共存本身并不能确立种系介导的传递。目前，尚无人类研究证明从量化的父系微塑料或纳米塑料暴露到精子中明确的分子或代谢改变，再到不良胚胎或子代表型的完整因果序列。需要前瞻性孕前研究，结合标准化颗粒表征、精子多组学、功能性生殖终点和子代的纵向评估，来评估这一途径。
化学物质和颗粒暴露可能是同时发生的，但各自的作用不应混淆。颗粒研究需要考虑可能释放的潜在化学物质或与这些化学物质的共同暴露，而对双酚类或邻苯二甲酸酯代谢物的测量并不是对塑料颗粒暴露的衡量。比较每种暴露的研究可能有助于澄清这些问题。
3.3. 暴露时机与评估
父系暴露的时机是评估潜在生殖效应时的一个重要考虑因素。成年期的暴露可能影响精子发生、睾丸后精子成熟或接近受孕时的精子，而发育期暴露可能干扰生殖功能的建立。在斑马鱼中，精子发生不同阶段的BPA暴露诱导了与不同胚胎结局相关的独特遗传和表观遗传改变。
在人类研究中，暴露评估还应考虑与观察到的效应相关的生物学窗口。尿液中的BPA和邻苯二甲酸酯水平可能在个体内随时间变化，重复采样研究已证明了邻苯二甲酸酯代谢物排泄的时间变异性。因此，在精液采集附近进行的单次测量可能无法完全代表精子发育和成熟期间的暴露。
额外的测量挑战来自标本处理、污染、分析灵敏度、颗粒特性和所使用的暴露度量。所有这些方法学方面将在第8节中更深入地讨论。总之，这些与暴露相关的因素为解释以下章节中讨论的生殖毒性和精子分子改变提供了背景。
4. 父系生殖毒性机制
塑料相关化学物质以及微米和纳米塑料颗粒可能通过几种部分重叠的机制影响男性生殖，包括氧化应激（OS）、线粒体功能障碍、类固醇生成改变、睾丸微环境破坏和精子功能受损。尽管其中一些机制可能重叠，但化学添加剂和塑料颗粒代表不同的暴露类别，不应假定它们通过相同的生物学途径起作用。这些机制可能影响支持精子发生的体细胞、发育中的生殖细胞和成熟的精子。它们的相对贡献取决于暴露条件、剂量、发育阶段和实验模型。
4.1. 氧化应激与细胞损伤
实验证据经常指出氧化应激（OS）是塑料相关暴露生殖毒性的潜在机制。增加的活性氧（ROS）产生、受损的抗氧化防御，或两者兼而有之，可能破坏氧化还原稳态并导致生殖损伤。在小鼠中，聚苯乙烯微塑料暴露已被证明可通过氧化应激（OS）和p38 MAPK信号通路的激活诱导生殖毒性。氧化还原失衡也被认为与邻苯二甲酸酯诱导的生殖毒性有关。例如，DEHP诱导的睾丸损伤与氧化应激（OS）和生殖细胞凋亡有关，而其代谢物MEHP在实验性生殖细胞模型中产生了类似的氧化还原改变。然而，对这些暴露的反应可能因生殖细胞类型而异。
涉及人精子直接暴露的研究进一步提供了氧化损伤的证据。体外暴露于BPA与氧化应激（OS）、线粒体功能障碍和凋亡改变有关。这些发现表明BPA可能独立于内分泌介导的机制直接影响成熟精子，尽管这些效应的程度和性质可能取决于暴露水平。
氧化应激（OS）可以影响与精子功能相关的膜、脂质、蛋白质、DNA完整性和信号通路。然而，氧化应激（OS）常伴随线粒体、内分泌和炎症紊乱；因此，这些系统不能被视为独立的生物学途径。
4.2. 线粒体功能障碍
线粒体损伤可能通过改变ROS产生、能量代谢和细胞损伤途径对生殖功能产生不利影响。这些变化可能与成熟精子的运动力和活力降低有关。另一个实验性精子模型显示，在较高BPA浓度下，运动力、活力、线粒体功能和细胞内ATP水平降低，而人精子暴露于BPA则与促氧化剂线粒体损伤有关。这些发现表明线粒体损伤可能导致BPA诱导的精子毒性。
氧化应激（OS）和线粒体功能障碍可能相互作用并相互加强。通过评估ATP水平、ROS产生、活力和线粒体膜电位，可以获得精子损伤的补充信息。然而，由于精子可以通过多种代谢途径产生ATP，ATP水平降低并不一定表明线粒体功能障碍。
在父系暴露模型中，线粒体功能障碍应在精子功能和生殖细胞环境的更广泛背景下进行解释。环境诱导的精子线粒体损伤不应被解释为父系线粒体功能障碍的直接传递证据，因为在哺乳动物中，父系线粒体通常在受精后被消除。
4.3. 内分泌信号与类固醇生成
类固醇生成改变是塑料相关污染物暴露可能破坏精子发生所需激素环境的另一种机制。在体外成人人类睾丸组织培养物中暴露于DEHP和MEHP破坏了睾酮的产生，这提供了邻苯二甲酸酯可以在人类睾丸模型中破坏类固醇生成的直接实验证据。MEHP通过破坏胆固醇转运减少了MA-10 Leydig细胞中的cAMP产生并损害了类固醇生成，氧化应激（OS）也对这些效应有贡献。这些发现说明了氧化还原失衡与内分泌干扰之间的机制相互作用。
颗粒暴露与类固醇生成信号的破坏有关。小鼠长期暴露于聚苯乙烯微塑料降低了睾酮浓度并改变了LH受体-cAMP-蛋白激酶A-类固醇生成急性调节蛋白途径。这些发现表明颗粒可能干扰类固醇生成和激素途径，尽管其作用机制可能与传统的EDCs不同。
剂量和发育阶段也可能影响类固醇生成反应。使用不同分化阶段的大鼠Leydig细胞进行的研究表明，MEHP的效果受这两个参数的影响。因此，在解释来自胎儿、未成熟和成年生殖模型的发现时，应考虑正在调查的发育阶段。
4.4. 炎症与睾丸微环境破坏
睾丸的微环境是塑料相关生殖毒性可能发生的另一个部位。暴露于聚苯乙烯微塑料已导致小鼠睾丸炎症和血睾屏障的破坏。在口服暴露90天的大鼠中，证据包括生精小管损伤、精子参数受损、生精细胞凋亡以及屏障相关蛋白表达减少。其他发现包括氧化应激（OS）、p38 MAPK通路的激活以及核因子E2相关因子2（Nrf2）的减少。
邻苯二甲酸酯也可能对生殖细胞发育所需的细胞相互作用有害。对DEHP及其代谢物的研究表明，MEHP在原代支持细胞-生殖细胞共培养物中诱导了生殖细胞脱离。因此，生殖毒性可能不仅源于对生殖细胞或精子的直接损伤，也源于对正常精子发生所需细胞相互作用的破坏。
血睾屏障破坏尤其相关，因为生精微环境的改变会损害生殖细胞发育。尽管如此，血睾屏障蛋白或屏障完整性的改变并不能提供完整的塑料颗粒到达生殖细胞的直接证据。
4.5. 精子功能受损及向种系编程的过渡
塑料相关污染物的影响可能延伸到成熟精子及其受精能力。人精子体外暴露于BPA改变了精子功能并降低了蛋白质酪氨酸磷酸化。然而，具有相似结构的化学物质可能产生不同的生物学效应。在一项人精子体外研究中，与先前报道的BPA效应相反，BPS和BPF在所测试的条件下并未显著损害线粒体功能、运动力或活力。这些结果表明BPA的后果不能直接应用于其他双酚类，但这并不意味着这些化合物是无害的。
塑料相关污染物的生殖效应涉及氧化应激（OS）、线粒体功能障碍、内分泌干扰和炎症，以及睾丸微环境和精子信号传导的变化。然而，这些过程的参与并不一定意味着父系种系编程。DNA损伤以及精子染色质、DNA甲基化或RNA谱的改变可能与细胞损伤共存，但它们不一定反映相同的生物学过程。种系编程的证据需要证明暴露诱导的效应与精子分子改变相关，而发育编程还需要额外证据表明这些改变导致了观察到的胚胎或子代结局。潜在的父系种系编程的表观遗传机制将在下一节讨论。
连接父系暴露于塑料相关污染物与男性生殖毒性、精子分子改变以及潜在发育和子代结局的拟议途径在图1中进行了总结。
5. 精子表观遗传改变与潜在传递
精子表观基因组代表了父系暴露与胚胎发育之间可能的相互作用途径之一。在这方面，一些关键要素是DNA甲基化、组蛋白及其相关的染色质修饰，以及非编码RNA。这些要素在其形成于精子发生过程中的时间、对环境响应的敏感性以及受精后的命运方面各不相同。因此，评估它们在父系编程中的作用不仅需要检测环境诱导的改变，还需要建立它们与早期发育或表型的联系。
5.1. DNA甲基化和羟甲基化
DNA甲基化是塑料相关暴露和精子研究中调查最广泛的表观遗传终点之一。人类研究已将BPA暴露与精子中LINE-1甲基化降低以及职业暴露男性中精子DNA羟甲基化的全基因组改变联系起来。这些测量捕捉了精子表观基因组的独特方面：LINE-1甲基化反映了特定重复元件处的甲基化，而非整个精子甲基化组，而DNA羟甲基化代表了一种独特的表观遗传修饰。
来自邻苯二甲酸酯研究的证据进一步支持了塑料相关暴露与精子DNA甲基化位点特异性改变之间的关联。在接受IVF的男性中，尿液中邻苯二甲酸酯代谢物的浓度与精子中差异甲基化区域（DMRs）相关，其中一些也与囊胚质量相关。尽管这些发现并未确定观察到的甲基化差异是否介导了父系暴露与囊胚质量之间的关系，但它们提供了父系暴露、精子甲基化组改变与早期发育结局之间的联系。
受控的动物研究可能为进一步了解父系暴露、精子表观遗传改变和胚胎发育之间的关系提供见解。成年雄性小鼠暴露于DEHP 67天，随后与未暴露的雌性交配，在精子和胚胎组织中均表现出改变的DNA甲基化模式，同时在胚胎第7.5天伴随着胚胎基因表达的变化。然而，只有有限数量的差异甲基化区域（DMRs）在精子和F1组织之间共享，并且在约一半的重叠区域中保留了甲基化变化的方向。
对甲基化组数据的解读还应考虑观察到的改变的功能相关性。在发育相关基因附近存在差异甲基化区域并不一定意味着对相应发育途径的功能性调控。同样，仅凭通路富集分析不足以确定因果性的发育效应。
5.2. 组蛋白保留与染色质组织
尽管大部分精子基因组由鱼精蛋白包装，但仍有一小部分与组蛋白保持关联。在人精子中，保留的核小体和组蛋白修饰已在特定的发育相关位点被鉴定出来，包括印记区域和发育基因的启动子。这些发现表明精子染色质保留了超出DNA序列的调控特征，这些特征可能易受环境影响。
塑料相关暴露也可能改变精子染色质组织。在斑马鱼中，精子发生不同阶段的BPA暴露与组蛋白乙酰化和染色质完整性的改变有关，同时也伴随着胚胎发育和存活率的改变。然而，由于组蛋白改变与DNA损伤同时发生，观察到的发育效应不能特异性地归因于染色质修饰。
进一步的斑马鱼研究检查了来自BPA暴露雄性的胚胎中的组蛋白乙酰化。在特定调控区域，组蛋白H3赖氨酸9乙酰化（H3K9ac）的增加伴随着参与心脏发生的基因表达的改变。用表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）处理胚胎，该物质可以抑制组蛋白乙酰转移酶活性，恢复了乙酰化水平和基因表达。尽管这些发现并未证明精子组蛋白修饰的直接遗传，但它们支持了乙酰化依赖性调控在观察到的发育效应中的潜在作用。
组蛋白相关分析应区分总组蛋白保留、核小体组织和翻译后组蛋白修饰，因为这些代表了精子染色质的不同但相互关联的特征。同样，直接从成熟精子获得的发现应与从整个睾丸组织中获得的发现区分开来。
5.3. 非编码RNA与附睾重塑
父系环境信息影响发育过程的另一种可能途径是通过精子非编码RNA。这类RNA在精子发生和附睾转运过程中经历重编程。在小鼠中，组织特异性代谢标记表明成熟精子含有源自附睾上皮的RNA，支持了从体细胞到精子的睾丸后RNA转移。
功能研究已经证明了特定精子RNA的发育相关性。在小鼠中，对来自附睾不同区域的精子进行分析，鉴定了由精子递送的小RNA介导的胚胎基因表达变化，并且通过补充富含尾部的小RNA挽救了这些分子和发育异常。然而，进一步的研究表明，在其他品系小鼠和不同实验条件下，头部和尾部的精子都能维持完整的发育。
污染物特异性效应的证据来自一项小鼠研究，其中父系DCHP暴露与精子小RNA谱的改变和子代的代谢异常有关。使用PANDORA-seq，作者鉴定了通过常规RNA测序方法无法检测到的转移RNA和核糖体RNA衍生的小RNA的改变。这个例子说明了RNA修饰和RNA文库制备对检测精子RNA特征的影响。所鉴定的RNA变化的因果作用需要得到证实。
至关重要的是，RNA介导的效应不一定需要原始父系RNA的持续存在。父系传递的RNA可能在早期发育过程中短暂作用，启动下游调控事件，从而可能产生更持久的影响。在测试潜在的RNA介导过程时，生理上适当的RNA量尤为重要。
5.4. 表观遗传重编程与传递证据
受精后发生的广泛表观遗传重编程是解释暴露诱导的精子表观基因组改变的一个主要挑战。在小鼠中，受精后重编程涉及通过TET3介导的5-甲基胞嘧啶氧化，随后是复制依赖性去甲基化，对父系DNA甲基化进行实质性重塑。然而，这个过程在整个基因组中并不均匀，因为某些区域，包括印记位点，在表观遗传重编程期间受到保护免于去甲基化。因此，不应期望在精子中检测到的暴露相关DNA甲基化模式会不变地传递给后代。
因此，种系介导的发育效应的证据可以在几个层面上进行评估。精子中暴露相关的分子改变表明了种系反应，但不能确定发育后果；而父系暴露后的胚胎或子代表型则显示了发育关联，但没有确定中介机制。在精子和后代中检测到相应的分子改变加强了生物学连续性的证据，但不能确立中介作用。更强的证据需要对候选精子携带因子进行功能测试，而直接操作、转移、抑制或拯救实验可以提供更具体的证据，证明候选改变导致了发育表型。正如第7节所讨论的，对代际效应的解释需要额外的考虑。暴露场景对此解释也至关重要。成年父系孕前暴露直接涉及父系生物体和种系，而发育期或妊娠期暴露可能涉及生殖细胞发育的不同阶段和额外的直接暴露世代。精子或生殖细胞的直接体外暴露可以提供机制信息，但不应被视为等同于体内父系暴露模型。
总之，几种精子携带的分子机制可能有助于父系暴露的发育效应，包括DNA甲基化改变、组蛋白相关染色质调控和非编码RNA谱的改变。对于塑料相关暴露，关于暴露诱导的精子分子改变及其在实验模型中的潜在机制相关性的证据，比关于精子携带信号对人类后代健康结果因果贡献的证据更强。此外，目前支持微米和纳米塑料颗粒生殖毒性的证据倾向于细胞和组织水平的机制，而双酚类和邻苯二甲酸酯类研究则提供了关于暴露相关精子表观基因组改变的更丰富的文献。
表1总结了代表性的原始研究，这些研究调查了暴露于塑料相关化学物质和颗粒后父系种系中的分子和表观遗传改变。总的来说，这些研究报告了精子DNA甲基化和羟甲基化、组蛋白修饰、染色质组织和短链非编码RNA的改变。然而，将这些分子改变与子代表型传递联系起来的功能证据的强度在研究之间存在很大差异。
6. 胚胎、妊娠和子代结局的证据
父系暴露的发育相关性取决于生殖或精子分子改变是否与胚胎、妊娠或子代结局相关。所有这三个终点代表了生殖过程中的不同阶段，需要独立评估。人类研究拥有实地条件下的数据，而实验模型允许对暴露和发育评估进行更多控制。
6.1. 受精与胚胎发育
对接受辅助生殖的夫妇的研究为检查父系暴露与临床相关生殖结局（包括受精、胚胎质量、着床和活产）之间的关系提供了机会。在环境与生殖健康（EARTH）研究中，评估了父系尿液邻苯二甲酸酯代谢物浓度与生殖结局的关系，某些代谢物与不太有利的结局相关。然而，关联在不同代谢物和生殖终点之间存在差异，限制了这些发现在邻苯二甲酸酯作为一个化学类别中的推广程度。
精子DNA甲基化可能为父系邻苯二甲酸酯暴露与早期发育结局之间提供一个生物学上合理的联系。如第5节所述，尿液邻苯二甲酸酯代谢物浓度与精子中的差异甲基化区域（DMRs）相关，其中一些也与囊胚质量相关。然而，胚胎形态是一个中间生殖终点，并不能确定后续的发育或后代健康效应。
实验证据进一步表明，暴露诱导的分子改变不一定伴随可测量的发育表型。在小鼠中，父系DEHP暴露诱导了精子和胚胎中的分子改变，但在原肠胚形成期间并未影响整体发育结局。相比之下，斑马鱼中父系BPA暴露与精子改变以及胚胎发育受损和胚胎存活率降低相关。总之，这些发现表明父系种系中的分子改变并不总是转化为可检测的发育效应。
6.2. 妊娠结局与胚外发育
父系暴露与着床后发生的事件之间可能存在联系。在EARTH研究中，一项因子分析将富含DEHP代谢物的父系暴露模式与活产前治疗失败的风险增加相关联，尤其是在着床后观察到更强的关联。由于PCA衍生的因子代表了相关生物标志物的模式，因此无法从该分析中区分单个代谢物的贡献。
关于妊娠期长度的证据更加矛盾。EARTH研究发现，在控制了母亲孕前邻苯二甲酸酯和邻苯二甲酸酯替代物暴露后，父系DEHP代谢物浓度与早产之间的关系减弱至无意义。另一项混合物分析表明，父系MEHP暴露可能有助于观察到的父母联合暴露模式的关联。这些发现说明了区分父系暴露效应与相关母系暴露的困难。
实验同样表明胚外组织可以对父系暴露做出反应。在小鼠中，父系DEHP暴露与早期发育过程中胚外组织的DNA甲基化和基因表达改变有关。这些分子改变表明了对暴露的生物学反应，但并不一定意味着胎盘功能障碍。
6.3. 子代生殖健康
来自实验模型的证据表明，父系暴露可能影响后代的生殖功能。成年父系小鼠暴露于BPA导致数代后代的精子发生异常、精子功能和生育力改变，以及精子DNA甲基化变化。个体效应的持续性和幅度因终点、暴露剂量和世代而异。
生殖表型也应根据它们是代表组织或分子改变、生殖功能还是生育结局来解释。睾丸组织学、生殖激素浓度和精液参数可以指示生殖生理学的改变。相比之下，交配表现、成功受孕和后代的产生提供了更直接的生殖能力衡量标准。这些效应的世代解释在第7节中讨论。
6.4. 代谢结局
父系暴露也与子代的代谢表型相关。如第5节所述，小鼠中父系DCHP暴露与精子小RNA谱的改变和子代的代谢异常有关。尽管这些发现之间的机制关系尚不清楚，但它们的共存为研究精子携带RNA在介导发育效应中的潜在作用提供了基础。
来自颗粒特异性研究的证据进一步将这些观察扩展到聚苯乙烯微塑料。Park等人将雄性小鼠以10毫克/公斤体重/天的剂量通过口服灌胃暴露于1.1微米的聚苯乙烯微塑料，持续四周，然后与未暴露的雌性交配。父系暴露与高脂饮食挑战后子代身体组成的性别依赖性改变相关，而雌性后代观察到胰岛素耐受性受损；葡萄糖耐量未受到显著影响。暴露还改变了精子小RNA谱，包括转移RNA和核糖体RNA衍生的小RNA。在小鼠胚胎干细胞中，选定的RNA种类影响了特定基因的表达，提供了暴露相关的精子RNA改变可能具有调控效应的功能证据。因此，尽管这项研究并未确定所鉴定RNA的体内中介作用，但它将父系颗粒暴露与子代代谢表型和候选精子RNA的改变联系起来。至关重要的是，这些代谢效应是在营养挑战而非基线代谢条件下评估的。
未来男性亲本的发育期代表了一个独特的环境暴露易感窗口。在大鼠模型中，未来父亲通过母体暴露在妊娠期和哺乳期接触BPA。随后在这些雄性中检测到精子Igf2甲基化的改变，而在其后代中观察到胰腺功能障碍和Igf2相关的表观遗传改变。因此，该实验设计涉及未来父系种系的发育编程，而非成年期发生的暴露。
6.5. 神经行为与心脏发育结局
父系BPA暴露的行为影响已在实验中评估。在啮齿动物中，孕前父系BPA暴露与行为反应性、空间记忆和相关结果的变化有关。这些效应的方向和幅度可能取决于性别、年龄、实验范式和暴露条件等因素，而动物模型中的行为变化不应等同于临床神经发育障碍。
人类队列研究也检查了父母孕前暴露于邻苯二甲酸酯和BPA与儿童行为结局之间的关联，其中暴露在父母双方中都进行了评估。尽管基于问卷的行为测量不同于临床诊断，并且可能受到共同的父母和环境因素的影响，但这些发现将现有证据扩展到了人类后代。
实验研究也检查了斑马鱼的心脏发育。如第5节所述，父系BPA暴露与胚胎心脏发育受损以及参与心脏发生的基因调控区域组蛋白乙酰化的改变有关。区分此类机制证据与人类后代临床明显的心血管疾病的证据非常重要。
表2总结了代表性的原始研究，这些研究检查了父系暴露于塑料相关化学物质和颗粒与胚胎、妊娠和子代结局之间的关联。现有的研究包括生殖、代谢、神经发育、心肺和早期发育表型，以及在研究的情况下，精子携带的潜在介质。
6.6. 总体解读
然而，实验和人类研究提供的证据表明，父系塑料相关暴露可能与改变的胚胎发育、妊娠结局和子代表型相关。分子改变、中间生殖终点和临床相关表型的证据意义因所调查的暴露、实验设计和评估的结局而异。
一个主要的未解决问题是精子中的分子改变在多大程度上直接导致了发育结局。父系暴露、精子分子改变和子代表型的共存本身不足以建立因果关系；还需要证明这些事件之间存在机制联系的证据。这个问题将在下一节中探讨。
7. 代际与跨代效应
塑料相关暴露在几代人之间的潜在效应引起了相当大的兴趣，但其解释需要仔细区分直接暴露和未暴露的世代。在后代中观察到的效应并不一定表明世代遗传，跨代的持续性本身也不能确立表观遗传机制。世代的分类必须由暴露和繁殖计划决定。
7.1. 暴露窗口与世代定义
当成年雄性在受孕前暴露时，F0雄性和产生F1代的精子都直接暴露。在F1后代中注意到的效应因此将被视为代际效应。如果暴露已停止且未来世代不再暴露，那么F2是可以测试跨代效应的第一个世代。这种区分确定了表型发生的世代，但并未确立观察到的效应背后的机制。
当父系暴露发生在父亲自身的产前发育期时，解释则不同。F0雌性在怀孕期间的处理将暴露发育中的F1后代以及最终将产生F2后代的生殖细胞。在这种情况下，F3通常是第一个没有直接暴露的世代。当通过F1雄性传递时，此分类保持不变，因为在F0雌性妊娠暴露后，无论父系传递路线如何，F2世代仍然是代际的。在胎儿发育期间暴露的父亲的研究应与成年期暴露的父亲的研究区分开来。对分离的精子、生殖细胞或睾丸细胞的直接实验性暴露代表了另一个独特的场景。此类研究可以提供关于细胞对暴露反应的机制信息，但不能重现体内父系暴露，或者在缺乏后续受精和后代评估的情况下，提供代际或跨代效应的证据。
术语“多代”可以描述在多代中观察到的效应，而不指定它们是代际的还是跨代的。出于本综述的目的，分类因此基于实验繁殖设计和暴露时机，而与个别研究中使用的术语无关。特别关注发生在妊娠期、哺乳期或交配前的暴露，因为它们的时间决定了哪些世代和生殖细胞被直接暴露。
7.2. 来自塑料相关化学物质暴露的证据
几项实验研究报告了通过父系谱系延伸至直接暴露个体之外的表型效应。在第6节讨论的小鼠研究中，成年F0雄性在交配前暴露于BPA，其后代不再有BPA暴露。在F2代中观察到生殖异常，而在F3中也检测到精子生育力和DNA甲基化的一些改变。精子DNA甲基化模式也在各代之间变化，而不是保持一致。由于暴露仅限于成年F0雄性，在F2和F3中观察到的表型改变与跨代效应一致。
父系DCHP暴露提供了与潜在跨代效应一致的证据。在F0雄性暴露于DCHP后，通过未暴露的F1雄性进行后续繁殖，导致F2雌性后代在高脂饮食挑战后出现葡萄糖耐量受损。由于F2表型发生在没有直接暴露的后代中，它与此实验模型中的跨代效应一致。尽管精子RNA谱的改变提示了潜在的RNA介导机制，但其在跨代传递表型中的因果作用尚未确定。
发育期暴露代表了一种不同的世代暴露范式。在大鼠中，F0雌性妊娠期暴露于BPA、DEHP和邻苯二甲酸二丁酯的混合物与F3代的生殖和代谢疾病表型以及精子DNA甲基化改变相关。在此暴露模型中，F0雌性、发育中的F1后代以及将产生F2代的F1生殖细胞都直接暴露；因此，F3代表第一个没有直接暴露的世代。这些发现因此提供了祖先发育期暴露后跨代效应的证据，而非成年父系孕前暴露。然而，由于该研究使用了化学混合物，观察到的效应不能归因于任何单一组分。
7.3. 表型与表观遗传信息的持续性
表型在几代间的持续存在并不一定需要相关分子特征的完全保守。如第5节所述，受精后和生殖细胞发育期间会发生广泛的表观遗传重编程。任何提出的跨代传递机制都必须解释暴露相关信息是如何在这种重编程中存续的，或者如何在后续世代中促成调控状态的重建。
在后续世代的精子或体细胞组织中检测到的分子改变可能通过多种机制产生。分子信号可能在特定位点持续存在，作为后代生理改变的结果而继发性出现，或在早期发育过程中短暂作用以启动调控过程，随后重新建立类似的分子状态。因此，在后代精子中检测到类似的分子状态本身并不能证明原始的暴露诱导信号是从暴露的祖先直接传递的。
因此，表型持续性和分子持续性应独立评估。在后来的世代中检测到分子改变并不能证明原始分子机制的持续性，就像表型的复发本身并不能确定传递机制一样。在两者之间建立因果联系需要直接的机制证据。
7.4. 建立种系介导遗传的要求
证明跨代效应需要一个实验设计，该设计能清楚识别第一个没有直接暴露的世代，确认暴露已停止，并最小化残留暴露或再次暴露的可能性。建立种系介导的遗传需要额外的机制证据。将暴露的雄性与非暴露的雌性交配可以加强观察到的效应归因于父系谱系；然而，自然交配本身不能排除来自除精子以外的父系因素的贡献。
建立机制因果关系需要额外的证据。当伴随适当的对照时，辅助受精和胚胎移植方法可以帮助确定观察到的效应是否通过精子而非其他父系或母系对交配的反应来介导。对候选精子携带成分进行功能操作，包括靶向抑制、转移或拯救实验，可以提供更强的证据，证明特定的分子改变导致了产生的表型。在解释潜在的种系介导效应时，区分遗传和表观遗传机制也至关重要。
确认暴露停止对于塑料颗粒尤其重要，因为颗粒在生物体内的持续存在或无意的持续暴露可能会使对跨代效应的解释复杂化。在成年父系暴露之后，F1表型，例如在小鼠中暴露于聚苯乙烯微塑料后报道的表型，与代际效应一致。证明跨代效应需要在第一个和/或后续未直接暴露的世代中表型的持续性。
7.5. 人类相关性
本综述中包含的关于父系暴露、生殖结局和第一代后代的人类研究并未确立跨代表观遗传遗传。在人类中证明跨代效应需要能够区分生物遗传与反复暴露以及共享的环境、社会经济、生活方式和遗传因素的多代证据。人类观察性研究也受到潜在残余混杂和暴露错误分类的限制，特别是当生物标志物反映相对较短的暴露窗口时。这种区分对于塑料相关暴露尤其具有挑战性，因为它们的广泛和反复性质使得难以识别真正未暴露的后代世代。
实验性动物和体外研究对暴露条件提供了更大的控制，并可以支持机制研究，但暴露水平、途径、持续时间、实验条件和生物学背景的差异限制了对人类生殖健康的直接外推。重要的是，人类中父系暴露、精子分子改变和子代结局之间的关联并未建立连接这些事件的因果序列。
现有证据为代际发育效应、特定实验模型中的跨代表型传递以及候选种系介导机制提供了不同程度的支持。然而，现有证据不足以建立人类中因果性的父系表观遗传传递或跨代遗传。在这些证据水平之间保持清晰的区别对于解释父系暴露的含义至关重要，而不会得出超出可用数据支持的结论。
8. 人类相关性与方法论局限
对检查
