通过功能组织学和多组学研究评估雄性 BALB/c 小鼠中双酚 S 的生殖风险

《Food and Chemical Toxicology》：Assessment of Reproductive Risks of Bisphenol S in male BALB/c mice through functional histological and multi-omics investigations

　　

摘要
双酚 S（BPS）已逐渐取代双酚 A，但其对男性生育力低剂量危害的分子机制尚不完全明确。本研究通过让雄性 BALB/c 小鼠暴露于环境相关剂量（0、10、100 和 1000 μg/kg/天）14 天或 35 天，利用整合了从表型到多组学的工作流程，系统地调查了 BPS 诱导的生殖毒性。值得注意的是，表型和功能损伤表现出明显的时间依赖性模式；虽然 14 天暴露未诱导显著改变，但长期（35 天）100 μg/kg 的 BPS 暴露损害了整体精子活力，降低了平均角位移（MAD），并诱导睾丸生殖细胞凋亡，而未引起可测量的系统性毒性，揭示了一种选择性生殖腺毒性表型。在机制上，对睾丸组织进行 RNA 测序和对附睾精子进行非靶向代谢组学分析，揭示了一个协调的“基因 - 通路 - 代谢物 - 表型”调控轴。BPS 在转录上抑制了类固醇生成途径的组分，这一作用通过所有处理组中睾丸内睾酮（T）的剂量依赖性下降以及黄体生成素（LH）和卵泡刺激素（FSH）的代偿性升高得到了证实，其中 LH 在最低剂量下显示出更高的敏感性。精子代谢组学进一步在花生四烯酸代谢网络中鉴定出前列腺素 F2α（PGF2α）二甲胺的统计特异性上调，而所有相邻的前列腺素分支均保持不变。这种扰动通过上游 I 相和 II 相生物转化转录本 Cyp2e1 和 Ugt1a1 的一致性失调得到了交叉验证，这两个转录本被确定为两个组学平台共有的调控节点。总之，这些发现提供了关于 BPS 如何通过靶向破坏类固醇生成 - 前列腺素信号轴损害精子活力的机制见解，并为重新评估作为双酚 A 替代品的 BPS 安全边际提供了跨组学证据。

引言
双酚化合物（BPs）是一类广泛使用的工业化学品，由于其对人类健康的潜在威胁而引起了全球关注（Gallart-Ayala 等，2011；Liao 等，2012a；Liao 等，2012b）。典型代表双酚 A（BPA）已被确定为一种内分泌干扰化学物，与肥胖、糖尿病和生殖障碍等多种疾病有关（Calcaterra 等，2024；Cohen 等，2021；Li 等，2025；Wang 等，2025）。然而，随着全球范围内对 BPA 使用的限制增加（例如，欧盟（EU）禁止在奶瓶中使用 BPA），双酚 S（BPS）和双酚 F（BPF）等结构类似物已被广泛采用作为替代品，导致人类暴露模式发生重大转变（Lehmler 等，2018；Ticiani 等，2021）。尽管 BPS 常被作为“低风险”替代品进行推广，但其毒理学特征和长期健康影响仍知之甚少。
作为热敏纸、食品包装和环氧树脂的关键成分，BPS 在环境中被越来越频繁地检测到，人类暴露水平正在迅速上升（Banaderakhshan 等，2022；Kovacic 等，2019；Xu 等，2023）。美国国家健康和营养检查调查（NHANES）在超过 80% 的尿液样本中检测到了 BPS，其浓度与 BPA 相当甚至更高（Moreno-Gomez-Toledano 等，2022）。为了准确评估与此类广泛污染相关的人类健康风险，毒理学体内研究必须利用环境和临床上现实的暴露剂量。人类生物监测调查和流行病学评估提供了 BPS 暴露的定量估计。例如，第六届中国全食物研究（2016–2019）报告了一般成年人群的膳食 BPS 暴露量为 22.2 ng/kg/天（Zhang 等，2022）。一项基于广州的汇总尿液生物监测研究（N=1,440）回溯计算出 BPS 的中位每日摄入量为 7.37 ng/kg/天，第 95 百分位数为 18.19 ng/kg/天（Wang 等，2022a）。NHANES（2013–2014）在 89.4% 的尿液样本中检测到了 BPS，成人尿液中位浓度为 0.37 μg/L（Lehmler 等，2018）。相比之下，职业暴露个体——如处理热敏收据纸的收银员——估计每天可通过皮肤转移吸收 15.6 到 52.1 μg BPS，对于 70 公斤的成年人，这大约对应于 0.2–0.7 μg/kg/天，最坏情况下的场景达到低 μg/kg/天范围（Ndaw 等，2018；Ndaw 等，2016）。基于这些真实的人类暴露概况，我们设定了 10、100 和 1000 μg/kg/天的剂量范围。在本研究中，这些剂量被定义为“环境相关”，因为它们涵盖了人类生物监测光谱——从一般暴露的上百分位（10 μg/kg/天）到职业场景（100 μg/kg/天）以及保守的监管基准（1000 μg/kg/天）。具体而言，选择 10 μg/kg/天的剂量是为了模拟一般人群暴露的上百分位，使用约 550 倍于 95 百分位估计每日摄入量（EDI）18.19 ng/kg/天的标准毒理学安全边际，以考虑个体间变异和累积暴露。100 μg/kg/天的剂量模拟职业暴露场景，而 1000 μg/kg/天的剂量作为保守的监管毒理学标准来评估生物蓄积临界点，这与之前发表的 BPS 生殖毒性框架一致（Li 等，2026）。动物研究表明，BPS 可能通过模拟雌激素活性破坏生殖系统，例如，诱导大鼠间质细胞凋亡和降低精子活力（Harnett 等，2021）。此外，流行病学证据表明，母亲尿液中的 BPS 水平与妊娠期糖尿病风险呈正相关（Tang 等，2023；Zhang 等，2019），尽管关于其对男性生殖功能影响的系统性数据，特别是剂量 - 反应特征和潜在的代谢机制仍然缺乏。
男性生殖系统对环境毒素高度敏感。血睾屏障（BTB）的完整性和睾丸细胞（例如，精原细胞、间质细胞）的功能稳态对于精子发生和生育力至关重要（Wu 等，2019）。在全球男性生殖健康日益增长的背景下，这种脆弱性尤为相关，其中大约 15% 的夫妇受到男性不育的影响，且全球精子质量（包括活力、运动学参数和功能指标）的渐进性下降与环境内分泌干扰化学物的暴露密切相关（Boivin 等，2007；Irvine, 1998；IyIgUndoGdu 等，2020）。虽然已知 BPA 等经典干扰物可以穿透 BTB 并诱导睾丸氧化应激（Chianese 等，2018），但其主流替代品（如 BPS）的生殖毒性机制仍然是重要的知识空白。具体而言，BPS 是否可破坏 BTB 完整性和睾丸细胞功能仍不清楚，关于 BPS 对精子活力参数的剂量 - 反应关系也存在持续争议。虽然现有研究表明高剂量的 BPS 可降低精子活力（Benson 等，2021），但特定阈值、长期暴露效应和潜在的生理机制（例如，氧化应激、凋亡途径）急需通过标准化模型进行验证。鉴于 BPS 在消费品中的普遍暴露及其潜在的“遗憾替代”风险，阐明其对男性生殖健康的具体危害是解决不育危机中的一个关键科学需求。
本研究旨在系统评估 BPS 在雄性小鼠中的生殖毒性，重点关注以下科学问题：1）不同剂量 BPS 对精子质量的影响（包括活力、直线度（STR）、线性度（LIN）和其他运动学参数）；2）睾丸组织病理学和细胞凋亡的动态变化；以及 3）潜在的毒性机制是否涉及对花生四烯酸 - 前列腺素和类固醇激素生物合成途径的靶向破坏。为了捕捉转录起源（睾丸）和功能代谢终点（精子），我们对睾丸组织进行了转录组学分析，对附睾精子进行了代谢组学分析。睾丸组织是类固醇生成和精子发生的主要部位，使其成为捕捉类固醇生成和前列腺素途径转录调控的理想来源。附睾精子反过来代表了与观察到的活力表型最直接相关的功能终点，其代谢组提供了睾丸功能障碍对成熟配子累积效应的读出。本研究采用非靶向和整合的多组学工作流程来表征内在的“基因 - 代谢物”调控轴，而不是依赖往往引入混杂系统性效应的非特异性化学抑制剂。同时，通过 ELISA 定量测定睾丸内睾酮（T）、黄体生成素（LH）和卵泡刺激素（FSH），以生化方式验证转录组学预测的内分泌干扰。通过整合睾丸组织的转录组数据与附睾精子的代谢组学谱，我们在环境相关暴露条件下提供了一个内源验证的分子框架，将类固醇生成酶的转录失调与特定的前列腺素代谢物改变联系起来。这项研究为 BPS 的安全性评估提供了机制数据，并为双酚替代化合物的监管政策提供了科学依据。

章节片段
动物与饲养
从广东省医学实验动物中心（广东，中国）获得 4 至 6 周龄雄性 BALB/c 小鼠（n = 24，18–22 g），并在受控条件下适应 7 天：22 ± 2°C，湿度 50% ± 10%，12 小时光/暗循环，随意摄食标准啮齿动物饲料和过滤水。所有程序均经南方医科大学机构动物护理和使用委员会（IACUC）批准，批准号 SMUL2021029。为确保最高标准

长期 BPS 暴露显示无明显全身毒性
为了调查长期双酚 S（BPS）暴露的生理影响，雄性小鼠接受不同浓度 BPS（0、10、100 和 1000 μg/kg）处理 35 天，并每周监测体重、器官指数、血液学参数和血浆生化标志物（图 1A）。在所有处理组中均未观察到总体健康或系统性毒性的显著改变（图 1B–E）。BPS 暴露组与对照组之间的体重轨迹保持一致

讨论
本研究通过口服灌胃在环境相关剂量下暴露 14 天或 35 天，系统评估了 BPS 在雄性 BALB/c 小鼠中的生殖毒性。我们的研究结果表明，长期（35 天）BPS 暴露损害精子活力并诱导睾丸细胞凋亡，而未引起可测量的系统性毒性，揭示了一种选择性生殖腺毒性表型。通过整合转录组学、代谢组学和激素分析，我们进一步阐明了协调的分子

CRediT 作者贡献声明
马伟：方法学。卢硕：调查。刘欢：数据整理，概念化。林小坦：方法学。李宁：写作 – 审查与编辑。陈婷婷：写作 – 初稿，调查，概念化。李博：监督。张文：资源

利益冲突
作者声明无利益冲突。

数据可用性
本研究生成的原始和处理后的转录组学和代谢组学数据集已存入 Mendeley 数据仓库，并通过以下网址公开访问 http://dx.doi.org/10.17632/pvt2m2c2z3.1。所有数据集在发表后完全可用于同行评审和公众访问。

利益冲突声明
? 作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能被视为影响了本文报告的工作。

致谢
本工作得到了广东省医学科技研究基金项目（B2025218）、广东医科大学博士研究启动基金（4SG25273G, 4SG24298G 和 4SG23235G）、辽宁省科技部门（024-MSLH-12）、辽宁振兴人才计划（JXYC230106）、辽宁省教育委员会基金（LJ212410160083）的支持。

林小坦 | 刘欢 | 马伟 | 卢硕 | 李博 | 张文 | 李宁 | 陈婷婷