聚苯乙烯微塑料和纳米塑料对日本鹌鹑下丘脑-垂体-性腺轴的影响

《Theriogenology》：Effects of polystyrene microplastics and nanoplastics on the hypothalamic-pituitary-testicular axis of Japanese quail

　　

摘要

塑料污染已成为全球环境问题，微塑料（MPs）和纳塑料（NPs）对动物健康构成了重大风险。因此，我们试图从下丘脑-垂体-睾丸（HPT）轴调节的角度确定MPs和NPs对一种家禽物种——日本鹌鹑（Coturnix japonica）生殖健康的影响。一周龄雏鸟分别暴露于环境相关浓度的0.4 mg/kg和8 mg/kg聚苯乙烯MPs和聚苯乙烯NPs中五周。结果表明，MPs和NPs在脑和睾丸中以剂量依赖的方式积累，与血脑屏障和血睾屏障的破坏相关。此外，MPs和NPs暴露导致下丘脑、垂体和睾丸的组织病理学损伤，引起氧化应激，导致睾丸坏死性凋亡和精子畸形增加，这引起了促性腺激素释放激素（GnRH）、卵泡刺激素（FSH）和睾酮（T）的减少，暗示HPT轴破坏和生殖功能障碍。此外，转录组分析表明，睾丸中的GnRH信号通路和类固醇激素生物合成通路受到干扰。这些发现证实了MPs和NPs对鸟类生殖健康的不良影响，并强调了减轻MPs和NPs影响的紧迫性和必要性。

引言

塑料污染的普遍存在已升级为全球环境和公共卫生危机，微塑料（MPs，<5 mm）和纳塑料（NPs，<1 μm或<100 nm）已成为无处不在的污染物[1], [2], [3]。这些颗粒源自塑料废物降解、工业过程和化妆品和纺织品等消费产品，可以渗入生态系统，渗透到空气、水、土壤和食物链中^[4]。由于尺寸小和环境持久性，它们容易在生物体中生物累积，包括人类和动物，引起了对其潜在毒理学影响的日益担忧[1], [5], [6]。

微塑料和纳塑料都对动物生殖系统有负面影响，大多数研究集中在小鼠和大鼠上[7], [8], [9]。在鸟类中，微塑料会导致鸭子或鸡的睾丸和卵巢结构变化[10], [11], [12], [13]。微塑料可以干扰鸡的内分泌系统，影响与生殖相关的激素如黄体生成素（LH）和卵泡刺激素（FSH）的分泌和平衡[11], [14]。体内微塑料的存在可以引发氧化应激，导致活性氧物种（ROS）水平升高^[15]。过量的ROS可以损害生殖组织，包括卵巢、睾丸和胚胎，从而损害生殖性能并增加胚胎死亡率[11], [16], [17]。尽管有这些发现，但专门针对塑料暴露引起的鸟类生殖毒性的研究仍然很少，其潜在机制仍知之甚少。此外，NPs对鸟类生殖的影响尚未明确，大多数以前的研究集中在下游器官（睾丸或卵巢），对上游调节成分如下丘脑和垂体的关注很少。

鸟类中的下丘脑-垂体-睾丸（HPT）轴是一个调节雄性生殖功能的关键神经内分泌系统^[18]。该轴通过涉及下丘脑、垂体和睾丸的一系列激素相互作用发挥作用。下丘脑通过合成和分泌促性腺激素释放激素（GnRH）启动HPT激活，GnRH释放到垂体门脉系统并运输到腺垂体。腺垂体含有称为性腺细胞的特定细胞，这些细胞受到GnRH的刺激。这些细胞随后合成和分泌两种主要的促性腺激素：黄体生成素（LH）和卵泡刺激素（FSH）。LH和FSH作用于睾丸以调节其功能。LH主要刺激间质莱迪希细胞产生雄激素，如睾酮（T），这对精子发生、雄性第二性征的发展和维持雄性生殖行为至关重要。另一方面，FSH靶向睾丸中的支持细胞以促进精子发生并调节抑制素产生，这可以为HPT轴提供负反馈[19], [20]。HPT轴对正常的雄性鸟类生殖不可或缺，确保及时产生精子和雄性第二性征的发展，这对于吸引配偶和成功繁殖很重要^[21]。HPT轴的破坏，例如由于环境应激或疾病，可导致鸟类生殖障碍和生育力降低。

为了弥补已识别的知识空白，本研究旨在调查微塑料和纳塑料暴露对鸟类生殖的不利影响，特别关注HPT轴的介导作用，使用一种农场动物——日本鹌鹑（Coturnix japonica）。

各部分内容

动物与实验设计

由于体型小、抗病力强、繁殖快、生命周期短和成本低效，日本鹌鹑是一种广泛驯化的家禽物种^[22]。作为一个性别二态性物种，本研究仅选择雄性鹌鹑来专门评估暴露于微塑料（MPs）和纳塑料（NPs）后的雄性生殖毒性。在本实验中，125只雄性家养日本鹌鹑雏鸟经过一周的适应后...

MPs和NPs在睾丸和脑中积累

从小动物体内成像系统可以看出，在MPs和NPs暴露后，鹌鹑睾丸组织中可观察到明显的荧光信号，且信号随浓度增加而增强（图1F-J）。H-MPs组鹌鹑睾丸中的信号最为明显。相比之下，脑中的荧光信号弱得多，但在H-MPs组鹌鹑的脑中发现相对较强的信号（图1A-E）。值得注意的是弱...

讨论

我们的结果表明，MPs（5 μm）和NPs（100 nm）在日本鹌鹑睾丸和脑中以剂量依赖的方式积累。虽然已知NPs通过尺寸依赖的内吞作用穿过生物膜^[36]，但最近的体内研究为MPs的系统性生物分布和屏障破坏提供了直接证据。Garcia等人^[37]报道，口服给药4周后，5 μm聚苯乙烯微球在小鼠的脑、肝和肾中积累，而Liu等人^[38]...

CRediT作者贡献声明

赵宏峰：撰写-审阅和编辑、监督、资金获取、概念化。裴晓清：撰写-初稿、调查、数据整理、概念化。杨俊：软件、方法学。乔涵：可视化、验证

利益声明

所有作者声明无竞争利益。

数据可用性

数据将应要求提供。

竞争利益声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能会影响本文报告的工作。

致谢

我们感谢张雨欣女士的实验协助。本研究得到中国生态环境部生物多样性调查与评估项目（2019HJ2096001006）和国家自然科学基金（编号：33372201）的支持。

裴晓清|杨俊|乔涵|赵宏峰

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