揭示多级毒性链：氧化应激、内分泌紊乱以及微塑料和纳米塑料引发的睾丸损伤中的表观遗传效应

《Reproductive Toxicology》：Unraveling the Multi-Level Toxicity Cascade: Oxidative Stress, Endocrine Disruption, and Epigenetic Inheritance in Micro- and Nanoplastic-Induced Testicular Injury

摘要

在人类精液血浆和睾丸组织中广泛检测到微塑料和纳米塑料（MNPs），这使得这种污染物成为男性生殖毒理学研究的重点。本文整合了现有证据，阐述了MNPs导致睾丸损伤的多级毒性作用机制——从早期的分子紊乱和内分泌失调，到最终的生殖细胞凋亡，以及可能的跨代影响。第一级（氧化应激作为起始因素）：动物和细胞系研究一致认为氧化应激是引发这一过程的关键因素；活性氧（ROS）的积累会导致线粒体DNA损伤和脂质过氧化，为后续的功能障碍提供上游信号。第二级（内分泌失调作为放大因素）：ROS介导的信号传导会干扰下丘脑-垂体-性腺（HPG）轴，而莱迪格细胞（Leydig cells）类固醇生成的异常和塞托利细胞（Sertoli cells）连接蛋白的降解会加剧最初的氧化损伤。第三级（表观遗传继承作为最终结果）：累积的细胞损伤最终会导致生殖细胞凋亡和血睾屏障（BTB）的破坏。值得注意的是，目前尚不清楚这种毒性反应是否通过生殖细胞的表观遗传重编程（包括异常的DNA甲基化和组蛋白修饰）在代际间传递，这在哺乳动物中的验证仍然是一个关键的科学空白，直接证据表明其能否通过父系生殖细胞传递到F2或F3代也尚不充分。将睾丸损伤视为一个相互关联的多级毒性过程，而非孤立的病理事件，我们认为未来的治疗和监管政策需要采取分层的缓解策略。针对氧化应激的初始阶段进行干预可能有效阻止下游的内分泌和遗传不良影响。

引言

近几十年来，全球塑料产量的指数级增长导致塑料垃圾在陆地、淡水和海洋生态系统中普遍积累[1]。由于传统聚合物的顽固性和废物管理基础设施的系统性缺陷，大型塑料碎片逐渐分解为微塑料（MPs；通常小于5毫米）和纳米塑料（NPs；通常在1-1000纳米之间）[2][3]。这些颗粒因其微小的尺寸而成为重要的毒理学问题，它们具有高环境迁移性和较大的表面积与体积比，从而易于吸附其他污染物，包括重金属、持久性有机污染物和病原体[4][5]。此外，它们的疏水性和抗降解性延长了在环境中的存在时间，并提高了生物可利用性，使其能够穿越生物屏障并在重要组织中积累[6]。

人类接触微塑料和纳米塑料（MNPs）现已成为普遍现象，途径包括摄入、吸入、皮肤接触以及使用消费品或医疗产品[7]。在血液、粪便、肺组织、肝脏、胎盘和母乳中的检测表明，内部污染已超越环境限制，成为人体生理学的一个普遍特征[8][9]。尤其值得关注的是，在人类睾丸和精液中发现了MNPs，这表明它们能够进入男性生殖系统并可能影响生理功能[9]。越来越多的流行病学和实验证据表明，这种积累与精子质量下降和精子生成障碍有关[10]。

这种生物积累与近几十年来男性生殖健康状况的下降相吻合，表现为精子质量的下降和不孕率的上升[11]。尽管精子浓度、活动力、形态和活力的异常仍然是男性不育的主要临床指标，但其病因越来越受到环境毒理学的关注[11][12]。这些暴露因素现在被认为是重要的影响因素，它们可能独立或与遗传、代谢和生活方式因素共同作用，导致生殖缺陷[12]。

尽管相关文献大量涌现，但该领域仍然存在碎片化现象——许多研究仅报告了孤立的氧化指标、单一激素失衡或屏障蛋白的损失，未能描绘出连贯的病理过程[8][13]。为了综合这些分散的研究，我们提出了一个基于三级毒性作用机制的统一概念框架。

第一级作用发生在分子层面，纳米颗粒的内化会压倒线粒体的呼吸链，从而迅速产生活性氧（ROS）[12]。这一过程不是终点，而是后续更高阶病理变化的动力源泉[12]。第二级代表系统的放大效应，氧化环境会扰乱精细平衡的下丘脑-垂体-性腺（HPG）轴[13][14]。第三级超越了即时的暴露效应，探讨了短暂的化学损伤是否会在生殖细胞上留下永久性的表型改变——这是该领域最紧迫的未解问题[15][16]。通过明确区分这些不同但相互依赖的层次，本文旨在将观察结果转化为可用于未来机制研究和流行病学调查的模型。

部分摘录

暴露来源和途径

人类接触MNPs的来源复杂，包括环境和人为因素。除了大型塑料碎片的破碎外，还来自食品包装、饮用水系统、合成纺织品、家居灰尘、个人护理产品、医疗设备和职业环境[17][18]。饮食摄入是主要暴露途径，现在海鲜、食盐、瓶装水、新鲜农产品和加工食品中普遍存在MNPs

纳米颗粒的内化和亚细胞分布

MNPs引起的睾丸损伤始于细胞的内化过程。由于纳米颗粒尺寸小且表面积与体积比高，它们能通过内吞作用被睾丸细胞有效摄取[38]。在动物模型和体外系统中进行的机制研究表明，纳米颗粒会在线粒体内扰动电子传递链复合体，导致过量ROS的产生[38][39]。值得注意的是，在内吞作用之后，

当前实验模式的局限性

大多数关于MNPs诱导的睾丸毒性的机制研究依赖于对纯净的单个聚合物颗粒（通常是均匀的PS球体）的急性高剂量暴露，在传统的二维体外单培养系统或非灵长类动物模型中进行[9][37]。尽管这些方法在确定因果关系和阐明分子途径方面发挥了重要作用，但它们的环境和生理相关性仍然有限[37]。

人类生物监测数据显示

结论与未来方向

本文综合了当前的证据，将MNPs暴露与男性生殖损伤联系起来，提出了一个三级毒性作用机制。我们认为氧化应激是关键的起始事件，其分子损伤通过内分泌放大效应传递，最终导致生殖细胞凋亡和潜在的跨代表观遗传继承。这一模型整合了此前分散的文献内容——以前这些现象仅被描述为孤立的氧化效应

伦理批准和参与同意

不适用。

作者贡献

魏嘉璐、张玉晓和董家乐负责文献检索、整理研究框架并起草初稿。谢美娜、刘雪霞和刘富军提出了多级毒性作用机制的概念框架，并对稿件进行了重要的学术内容修订。刘雪霞参与了表格和缩写的整理，并补充了部分机制描述。所有作者都阅读并参与了审稿过程

数据可用性

不适用。

CRediT作者贡献声明

张玉晓：撰写——初稿。魏嘉璐：撰写——初稿。董家乐：撰写——初稿。谢美娜：撰写——审稿与编辑。刘雪霞：撰写——审稿与编辑。刘富军：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的利益冲突或个人关系。

致谢

不适用

出版同意

不适用。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突

JiaLu Wei|张玉晓|董家乐|谢美娜|刘雪霞|刘富军

中国潍坊市山东第二医科大学生物科学与技术学院