《Middle East Fertility Society Journal》：Nanotechnology and male reproduction: exploring the benefits and challenges
纳米技术是男性生殖健康领域快速发展的变革性手段，针对与不育相关的严峻挑战提供解决方案。本综述探讨纳米技术在优化精子筛选与处理中的应用，这对改善辅助生殖技术(ART)的生殖结局至关重要。传统方法如上泳法(swim-up assay)与密度梯度离心法常呈现回收率波动，且在处理质量较差的精液样本时效率不足。相比之下，利用纳米颗粒的创新技术，尤其是磁性激活细胞分选(MACS)，通过靶向特定生物标志物，在选择性分离活精子方面展现出更优效能。纳米颗粒的可调控尺寸与表面电荷等独特属性增强了其结合能力，从而提高精子筛选的精准度。
此外，辅助生殖技术的进步彰显了纳米颗粒在精子运输与配子保存方面的潜力。尽管存在潜在获益，仍面临标准化方案缺失及纳米颗粒使用安全性顾虑等挑战。本综述强调未来研究需充分挖掘纳米技术在攻克男性不育中的潜力，最终助力提升ART成功率并改善生殖健康结局。
引言
男性不育是全球范围内日益严峻的问题，约影响15%的夫妇，其中男性因素在近半数病例中被确定为不育主因。男性生育力下降归因于生活方式选择、环境毒素暴露及基础疾病等多重因素。这种下降趋势不仅影响个体夫妇，更构成公共卫生挑战，与不育发生率上升及相关心理困扰密切相关。精子的生理功能在男性生育力中起关键作用，精子质量由浓度、活力、存活率、形态及DNA完整性等参数界定，是有效受精及后续胚胎发育的核心，精子功能受损会增加受精失败、流产、不良妊娠结局及先天畸形的风险。因此，增强精子质量与功能是改善男性生殖健康的针对性干预方向。
近年来，纳米技术已成为改变医疗实践与生殖健康格局的潜在工具。在医学领域，纳米技术已应用于靶向药物递送、疾病诊断生物传感器、高效化疗、组织工程与愈合过程及对抗微生物耐药性等方面。通过操控纳米尺度材料，研究人员开发出增强精子功能、改善生育结局的创新方案。纳米颗粒可被设计用于靶向药物递送，实现治疗剂的精准施用，从而提升精子活力、抵御氧化应激并整体改善精子质量与功能。此外，纳米技术为精子筛选与纯化提供了新路径，这对辅助生殖技术(ART)的实施至关重要。随着生殖医学领域的持续发展，纳米技术的整合为解决男性不育难题提供了令人振奋的机遇，最终将改善全球夫妇的生殖健康与不育治疗结局。
男性不育的病因
影响精子质量、活力与DNA完整性的因素
不育已成为当今公认的社会问题，影响发达国家与发展中国家。精子质量、活力及DNA完整性是男性生育力的核心决定因素，近期研究显示全球精子参数呈下降趋势，1973至2011年间西方国家精子浓度下降52.4%。出生率降低、性功能障碍发生率快速上升、不育问题及其他基础疾病均可能由男性不育引发。男性不育的常见病因包括环境因素（重金属暴露、辐射、热应激）、生物/生理因素（高体重指数、营养状况、氧化应激、遗传因素）及行为/生活方式因素（吸烟、饮酒、性传播疾病、部分药物使用）。
研究表明，接触溶剂、杀虫剂、粘合剂、硅酮及辐射等环境有害物会影响精子计数、活力与DNA完整性。辐射暴露会降低精子生成量，高剂量辐射可导致完全性不育；过度日光浴也可能暂时降低精子计数。需长期久坐（如驾驶）或暴露于高温环境（如烘焙）的职业对男性生育力存在负面影响。空气污染暴露会降低精子活力，二氧化硫等空气污染物会损害精子形态、改变精子自然结构并降低活力。
尼日利亚南部的一项病例对照研究显示，不育男性的精子浓度、活力及活精子比例显著低于可育男性。多项研究证实泌尿生殖道感染、睾丸或前列腺炎性病变、激素失衡、合并内科疾病及疝修补术等手术操作均为影响因素。对贝宁地区接受辅助生殖治疗男性的精液质量与沙眼衣原体血清阳性率检测发现，24%的患者沙眼衣原体血清学阳性，这是可能影响精子质量与DNA完整性的独立危险因素。
男性的多种生活方式风险因素，包括饮酒、健康求助行为匮乏、未治疗或治疗不充分的性传播感染(STIs)、性滥交、肥胖、药物滥用及吸烟，均与男性不育风险升高存在统计学关联。吸烟时长增加、重度及长期饮酒被证实是男性不育的正向预测因子，而偶尔饮酒则无此关联。研究还显示低体重指数(BMI)与高BMI均是男性不育的重要风险因素，肥胖男性的精子计数更低、活力更差。其他生活方式风险因素包括过量摄入抗氧化剂、使用本土药物、心理压力、不健康饮食，以及既往接触大麻、可卡因、合成代谢雄激素类固醇、阿片类药物（麻醉剂）与甲基苯丙胺等非法药物。此外，双酚A、邻苯二甲酸盐及部分农药等内分泌干扰化学物质(EDCs)也被证实会导致男性生育力下降。
干预改善男性生育力的必要性
男性生殖健康结局的持续下降趋势构成了重大挑战，亟需采取多层面策略提升男性生育力。Levine等人的一项全面荟萃分析指出，1973至2011年间北美、欧洲、澳大利亚与新西兰男性的精子浓度下降52.4%，凸显全球精子质量与数量下降的严峻态势，进一步印证了开展男性不育干预的紧迫性。
创新医疗干预措施中，促性腺激素疗法等激素治疗已被证实可改善精子参数，尤其适用于低促性腺激素性性腺功能减退症男性。抗氧化治疗与补充也被认为可提高亚生育男性的活产率与临床妊娠率。
纳米技术在男性生殖中的应用
纳米技术正快速发展，成为包括男性不育管理在内的医疗实践的实用工具。纳米颗粒可通过提升冷冻保存效率、向精子细胞递送抗氧化剂来增强精子功能，还可通过抑制氧化应激助力精子筛选与质量提升。
纳米技术增强精子功能
近期纳米技术在生殖生物学领域获得认可，尤其在增强精子功能与生育力方面。纳米材料与纳米颗粒的使用为改善精子质量与活力提供了创新方案。凭借独特的理化属性，纳米颗粒在精子冷冻保存领域发挥作用，例如氧化锌纳米颗粒可减少红鹿精子细胞的冻融损伤，提升解冻后存活率。此外，负载维生素E等抗氧化剂的纳米乳液可保护精子免受氧化应激，通过减少活性氧(ROS)生成、增强顶体完整性来提升整体功能与活力，从而降低红鹿的不育风险。
纳米颗粒还被用于向精子细胞靶向递送药物生物分子，提升生育问题的治疗效能。研究发现生物偶联纳米颗粒可靶向牛精子中的Y染色体序列，辅助性别选择。新型“组学”研究的进展已识别出与精子质量相关的生物标志物，将这些生物标志物与纳米技术整合，可使研究人员精准评估精子活力、顶体完整性及凋亡率，实现对男性生殖潜能的更精确生育力评价。
用于靶向递送药物以提升精子活力与存活率的纳米颗粒
在各类创新应用中，纳米颗粒已被用于靶向药物递送系统，尤其旨在提升精子活力与存活率。纳米载体通过可控模式向精子递送抗氧化剂、生长因子及治疗剂，保护精子免受氧化应激影响，提升冷冻保存期间的活力。例如，二氧化铈纳米颗粒可有效清除活性氧(ROS)，延长精子存活期，大鼠实验中伴随睾酮水平升高2.5倍。另一项创新应用是精子杂交微型马达，以运动精子为载体实现局部药物递送治疗，如抗癌治疗，可显著减少体外全身副作用。
磁性纳米颗粒还被用于精子纯化的选择性方法，以清除异常精子。动物研究中，磁性纳米纯化已成功应用，与传统纯化方法相比受孕率显著提升。这些方法作为独特策略，依托改善的精子活力与质量，评估纳米颗粒提升生殖治疗效果的潜力。氧化锌与二氧化铈纳米颗粒通过降低精液中ROS水平、维持大鼠精子完整性，展现出显著的抗氧化特性。硒纳米颗粒也被证实可改善公猪精子功能，体现为提升精子活力与存活率。纳米颗粒介导的药物递送与纯化策略还与受精率提升相关，动物研究中采用先进纳米技术筛选的高质量精子后，受孕率显著增加。
基于纳米技术的抗氧化策略以保护精子免受氧化应激
基于纳米技术的抗氧化策略在保护精子免受氧化应激方面的应用日益广泛。其核心是通过负载抗氧化剂的纳米颗粒提升抗氧化剂的稳定性与生物利用度，从而增强其对精子功能的保护作用。例如，维生素E纳米乳液可通过减少活性氧(ROS)与脂质过氧化，在氧化应激下维持红鹿精子的存活率与活力。这类纳米制剂可实现控释，相较于游离形式的抗氧化剂效能更优。值得注意的是，二氧化铈纳米颗粒(CeO2NPs)的优异抗氧化特性使其成为ROS清除剂，通过储存与释放氧气保护精子细胞免受氧化损伤。此外，硒纳米颗粒(SeNPs)可有效缓解氧化损伤，提升精子解冻后质量与DNA完整性，作为膳食补充剂摄入时同样具有抗氧化损伤的保护作用。
负载抗氧化剂的纳米颗粒对精子功能的影响主要体现在减少氧化损伤、维持线粒体活性及预防精子脂质过氧化。动物试验显示，负载维生素E的纳米乳液相较于游离维生素E处理，可显著提升绵羊精子的活力。在红鹿模型中，负载抗氧化剂的纳米颗粒通过包裹抗氧化剂，可保护精子DNA免受损伤，这对成功受精至关重要。
小细胞外囊泡与精子功能
小细胞外囊泡(sEVs)在精子功能中发挥关键作用，充当“货物载体”，将生殖 tract 细胞产生的必需生物分子转运至发育中的精子。这种细胞间通讯对精子离开睾丸后获得必要的活力与受精能力至关重要，因为精子细胞无法进行从头蛋白质合成，依赖外部信号传递。附睾与其他附属腺体的sEVs通过将内容物转移至精子来提供这些信号，该过程涉及sEV膜与精子膜的融合，直接将脂质、蛋白质与核酸等内容物释放到精子细胞质中；精子也可通过内吞作用内化sEVs，即精子细胞膜包裹囊泡；此外，sEVs还可仅结合于精子细胞表面，在不发生完全内化的情况下交换货物。
sEVs递送的货物可调控精子功能的多个核心维度。sEVs调控精子成熟与活力：精子离开睾丸时尚无运动能力，附睾来源的sEVs（常被称为“附睾体”）通过转移蛋白质与RNAs，激活CatSper介导的钙信号通路，促使钙离子内流，从而促进精子活力，尤其是超激活活力，这对精子在女性生殖道中迁移至关重要。sEVs还调控受精能力：通过递送蛋白质与其他分子，为精子获能与顶体反应做准备，这两个过程是精子穿透卵母细胞的关键。此外，sEVs发挥抗氧化活性：携带抗氧化酶与分子，保护精子免受氧化应激与DNA损伤。
纳米技术赋能的精子筛选与分选
尽管多种因素（包括常规操作与存储流程）可能对精子质量产生负面影响，研究人员已制定多种策略克服这些局限，以实现男性生殖中更高的体内与体外受精率。除其他纳米技术应用外，靶向包括精子细胞在内的特定细胞群具有创新性与实用性。精子纯化与分选被视为筛选射精液中优质精子亚群（依据活力与形态）、清除异常细胞、污染物与碎片的理想技术。
现有文献已设计并评估多种技术以实现上述目标，包括上泳法、密度梯度离心法、柱过滤法与单层离心法(SLC)。尽管这些方法已被广泛应用，但存在回收率波动导致活动精子产量低、耗时久、成本高，且需要经适当培训的精液操作与存储人员等局限。
精子筛选技术可识别精子质量的负向生物标志物，包括顶体与细胞质膜缺陷、以及精子表面泛素的存在。研究重点关注包被探针的磁珠，可特异性结合花生凝集素(PNA)与豌豆凝集素(PSA)、膜联蛋白V及抗泛素抗体等生物标志物，已在人类与动物模型中成功用于通过磁性激活细胞分选(MACS)过程清除受损精子。纳米颗粒的可调控尺寸、表面电荷与结合特性，近期为优化MACS方案提供了支持，例如四氧化三铁纳米颗粒(Fe3O4NPs)的磁响应性及其与PNA/PSA凝集素、抗泛素抗体的生物相容性和生物功能性，可提升其与已发生顶体反应的精子表面聚糖的选择性结合，调控精子获能。
用于优化精子筛选的纳米级装置与微流控平台
纳米级装置凭借其稳健性、远程作用能力、对恶性细胞的固有亲和力及额外主动靶向的潜力，在高精度药物递送领域具有重要价值，可降低小分子与基因治疗剂（DNA、mRNA、microRNA、小干扰RNA与反义寡核苷酸）的系统毒性。此外，它们可作为对比剂用于靶向早期病理病灶检测、优化药物递送，还可通过精子介导的基因转移(SMGT)方法实现配子内递送、精子外源蛋白装载、用于分选的精子标记、植入前胚胎标记、促进胚胎生长发育及精子生物成像。
近年来报道了一系列基于微流控的精子筛选装置，可直接处理新鲜射出精液而无需离心，且能较好地保护精子完整性。微流控精子分选还可筛选出无DNA碎片化的精子，优化筛选流程。Pujol等人证实，使用Fertile芯片处理后，人类精子双链DNA碎片化(dsSDF)比例较配对未处理样本显著降低（46% vs 65%）。Shirota及其同事使用环烯烃聚合物基微流控装置，可在30-45分钟内完成精液样本制备且无需离心，但该装置需要样本过滤与稀释。Yildiz与Yuksel比较了Fertile Plus芯片与标准方法处理的人类精液样本，发现微流控装置的精子DNA碎片化(SDF)水平显著降低（微芯片组为22.3%，梯度离心组为29.5%）。Parrella等人同样发现，微流控装置处理的人类样本SDF指数显著低于密度梯度离心组（密度梯度组为20.7%，微流控组为1.8%）。
利用纳米颗粒的物理与化学性质
纳米颗粒(NPs)是尺寸小于100 nm的颗粒，根据整体形状可分为0维、1维、2维与3维。这一物理属性独特，使研究人员能推动其在临床实践中通过皮肤吸收、吸入、摄入与静脉注射等方式便捷进入人体，适配不同纳米颗粒的应用场景。纳米颗粒还可通过自由穿透或受体介导的内吞作用进入细胞，最终与脂质、蛋白质及基因组DNA等细胞组分相互作用。纳米颗粒的化学性质同样支撑了其工业与生物医学应用。
纳米颗粒独特的物理与化学性质，提升了对其潜在风险进行充分评估的需求，需明确其生态毒性、持久性与反应性。研究显示二氧化钛纳米颗粒(TiO2-NPs)可穿过血-睾屏障(BTB)，引发炎症、细胞毒性并破坏基因表达，损害男性生殖系统。不过，部分纳米颗粒诱导活性氧生成、凋亡与DNA损伤的能力，在抗菌剂与抗癌治疗药物的应用中具有积极意义。
分离健康功能精子与异常受损精子
人类男性配子发生过程可产生数百万具备正常受孕能力的健康精子。精液样本的生殖潜能依据世界卫生组织(WHO)推荐的浓度、活力与形态参考值进行评估。男性不育病例的增加，推动了研发有效诊断与分析方法以识别和分离功能精子的需求，最终目标是显著提升体内与体外受孕率。
Branch等人指出，精子染色体异常发生率相对较低，需分析大量细胞才能准确判定非整倍体发生情况，最大限度减少误分类。遗憾的是，人工评分细胞既繁重又耗时，需耗费10-20小时工作量。为解决这一问题，点计数与荧光原位杂交评分等自动化系统被证实可有效加快大量细胞的分析速度，同时保持筛选过程所需的精度与一致性。
纳米技术在辅助生殖技术(ART)中的优势
自1978年首次临床应用以来的40年间，已有1000万至1300多万婴儿通过辅助生殖技术(ART)出生，目前常用方法包括体外受精(IVF)、宫内人工授精(IUI)与卵胞浆内单精子注射(ICSI)，被认为是提升不育夫妇受孕前景的有效治疗方案。美国疾病控制与预防中心(CDC)数据显示，约三分之一的ART周期可实现活产，但多次授精尝试仍未受精的原因尚不清晰。
纳米颗粒在ART中的应用包括精子装载、配子与胚胎保存及预防早产。尽管ART技术不断革新，现有技术的局限性仍为潜在干预提供了空间。例如，复发性胚胎植入失败常需额外操作（如胚胎检测与多胚胎移植），给患者带来额外心理与经济负担，而借助磁力控制微型机器人可将早期胚胎无创送回子宫着床部位，有望解决这一问题。
用于修饰精子DNA的纳米遗传学
表观遗传改变可能与包括男性不育在内的病理生理过程相关。编码抗氧化缓冲能力酶（NRF2、SOD、GST、CAT与GPx）的基因突变，会促进氧化应激(OS)的发生发展，进而导致男性不育。
目前临床针对严重少精子症、复发性植入失败、非梗阻性与梗阻性无精子症等病症，常规开展核型分析、AZF微缺失筛查与CFTR基因突变检测。而纳米基因编辑药物递送系统等新方法，可用于解析与不育表型相关的分子基础及致病基因变异。基因编辑是一种基因工程技术，通过在生物体基因组的靶位点插入、删除、修饰或替换DNA序列，其原理是将单一向导RNA(sgRNA)递送至预定位点，由Cas核酸内切酶靶向切割DNA，可能导致靶基因或脱靶基因发生DNA双链断裂(DSBs)而产生基因毒性。目前疾病研究中广泛使用的基因编辑类型包括锌指核酸酶(ZFNs)、转录激活因子样效应物核酸酶(TALENs)、成簇规律间隔短回文重复序列(CRISPR)及CRISPR相关蛋白(CRISPR/Cas)，其中CRISPR/Cas尤为受关注。
理想的基因编辑需要高效的递送工具以限制基因组的非预期编辑，因此研究人员开发了纳米颗粒载体介导的基因编辑递送系统，用于疾病的特异性基因靶向，包括脂质纳米颗粒、聚合物纳米颗粒、金纳米棒、超顺磁性氧化铁纳米颗粒(SPIONs)、固体脂质纳米颗粒及外泌体载体。但尽管该技术具备诸多优势，递送效率、特异性和安全性仍是待解决的技术挑战。
基于纳米技术的基因递送至精子细胞
快速发展的纳米技术领域已被证实可通过应用纳米基因编辑递送系统，显著提升精子细胞活力、改善男性生育结局。但不容忽视的是，纳米技术的应用存在潜在固有挑战，例如SPIONs与固体脂质纳米颗粒(SLNs)的使用具有较高的毒性易感性，二者混合会通过干扰细胞分裂过程中染色体分离或纺锤体组件的相关蛋白，或直接作用于靶遗传物质，产生断裂剂效应与诱裂剂效应。
此外，由于尺寸较小，部分纳米颗粒可直接穿透膜结构进入细胞核，与DNA相互作用，构成潜在的遗传毒性危害。小鼠模型显示，SPIONs、SLNs及其混合物的毒性可导致点突变，以及精子形态异常，包括双尾、无定形、头部过小或双头、尾部附着错误、钩过长或过短、远端滴液、中段伸出丝状突起、钩角度异常、精子折叠、头部肿胀或无钩、颈部与尾部融合及尾部环状弯曲。
Alabi等人的小鼠模型研究证实，SPIONs与SLNs的混合物使处理组的平均精子计数显著降低，进一步表明该纳米颗粒混合物会对精子生成产生不良影响，改变精子发生过程中的精子质量与产出数量。处理组精子数量的减少还可能反映该纳米颗粒混合物会影响支持细胞功能，因为支持细胞决定了精子生成的数量，而这是男性生育力的核心参数。
靶向修饰精子DNA有助于克服导致男性不育的遗传异常
男性不育已被证实由多种致病因素引起，包括遗传性疾病、精子发生障碍、精子DNA碎片化与精子质量低下。大量探究精子DNA完整性与男性因素不育关系的研究表明，不育男性的精子DNA损伤水平高于可育男性。
近期，包括纳米级分辨率成像、生物传感方法及设计中采用纳米材料的检测在内的纳米技术相关分析方法，已被用于男性生育力评估。随着纳米技术工具在精子筛选、受精过程关键蛋白检测、DNA完整性测试或卵母细胞质量评估中的临床应用，将为提升精子受精潜能评估水平、实现成功受精提供独特机遇。
纳米颗粒对细胞与精子的负面效应：毒性与意外后果
尽管纳米颗粒具有巨大的诊断与治疗潜力，但其小尺寸与高反应性也可能增强负面影响，引发毒性与意外后果。这些效应通常取决于纳米颗粒的尺寸、形状、浓度与表面涂层。
纳米颗粒可通过多种机制造成直接细胞损伤。纳米颗粒可穿过血-睾屏障并在生殖器官中蓄积，损伤支持细胞与间质细胞，而这两类细胞对精子生成与类固醇生成至关重要，最终导致精子质量下降。带正电的纳米颗粒可能通过结合带负电的细胞膜破坏精子细胞膜，改变膜完整性与功能，导致细胞活力丧失。纳米颗粒还可能因其大比表面积与高化学反应性，促进活性氧(ROS)过度生成，造成蛋白质、脂质与DNA等必需细胞组分的氧化损伤，进而引发细胞死亡。此外，当纳米颗粒进入细胞核后，可能诱导基因毒性，导致DNA突变与损伤，扰乱细胞周期，潜在增加癌症风险。当巨噬细胞等免疫细胞内化纳米颗粒时，可触发炎症反应，伴随炎性细胞因子释放，引发炎症与组织损伤，这些事件会损害精子的受精能力，导致不育。
值得注意的是，纳米颗粒可在生殖器官中蓄积而不造成即时直接伤害，但仍可作为内分泌干扰物。部分研究表明纳米颗粒可改变激素水平，尤其是睾酮浓度，长期可能负面影响生育力与生殖功能，其长期效应尚未完全明确，需进一步研究。
挑战与未来展望
转化壁垒与监管障碍
将纳米医学转化为不育管理的临床实践面临监管障碍。这些挑战源于纳米颗粒的独特属性，使其无法完全适配现有的药物与医疗器械监管框架。美国食品药品监督管理局(FDA)与欧洲药品管理局(EMA)等监管机构尚未针对纳米医学的临床应用建立清晰全面的指南。此外，“纳米材料”的定义尚无共识，导致分类与安全评估不一致。纳米颗粒独特的理化性质（如尺寸、形状、稳定性与表面电荷）在不同生物环境中可能发生变化，确保多批次生产的一致性是一大挑战，因为微小变化即可改变纳米颗粒的行为、效能与安全性。
潜在毒性
另一项担忧是其长期潜在毒性。这些新兴材料可能在非靶组织中蓄积，包括生殖器官，对细胞功能、遗传学甚至后代产生短期与长期影响，目前这些影响尚未被充分认知。纳米颗粒穿过血-睾屏障及作为内分泌干扰物的能力，对生育力构成特定风险。
通过研究与临床试验验证纳米技术相关方法
目前可用的动物与体外模型可能无法准确预测纳米颗粒的药代动力学与药效学特征。月经周期与妊娠期间的生理变化可能显著调节纳米颗粒的分布、生物利用度与效能，使得临床试验的设计尤为复杂。研究与临床试验中用于验证纳米技术相关方法的流程包含多步骤，以确保这些方法在临床实践中的效能与安全性。过去数年，已开展多项涉及纳米颗粒在男性生殖健康中应用的临床试验，聚焦于靶向药物递送与细胞治疗，报告显示其对精子细胞功能的影响存在差异，且引发了更多环境关切。值得注意的是，部分使用金、银等纳米颗粒对成熟精子开展的研究证实，其会导致精子活力丧失增加，进而限制人类精子与牛精子细胞的受精能力。但体内纳米颗粒应用临床试验的主要局限在于：克服药物递送的生物屏障、消除非特异性分布与靶向、减少口服或静脉给药后的调理作用与免疫系统清除。
验证纳米技术应用需遵循以下关键步骤：
临床前研究
纳米颗粒增强的药物递送与成像技术助力初始验证，通常始于体外（细胞培养）实验，评估纳米材料的生物相互作用、细胞毒性、药物释放谱与靶向能力，多通过临床前研究的体外实验与动物模型完成
