铜通过铁死亡（ferroptosis）介导的方式破坏血-睾丸屏障，从而导致雄性生殖毒性

《Journal of Environmental Sciences》：Copper-induced male reproductive toxicity through ferroptosis-mediated blood–testis barrier disruption

　　

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  铜过量通过破坏血-睾丸屏障干扰精子发生。
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  铜过量通过铁死亡（ferroptosis）诱导塞托利细胞（Sertoli cells）损伤。
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  铜引起的血-睾丸屏障（BTB）损伤涉及NRF2/SLC7A11/GPX4轴的抑制。
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  tBHQ介导的NRF2激活可以减轻铜引起的铁死亡和血-睾丸屏障损伤。
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  褪黑素通过抑制铁死亡减轻铜引起的血-睾丸屏障损伤。

引言

铜（Cu）是动物和人类生长、发育和生理功能不可或缺的微量元素。然而，铜污染已被广泛记录，并已成为一个多方面的全球公共卫生问题。在环境中，铜以元素或离子形式存在，并表现出氧化还原活性（Bevan和Levy，2024年）。铜在工业和农业领域的广泛应用包括建筑材料、电气设备、水管以及含铜杀菌剂（Li等人，2020年）。据估计，人类活动每年向淡水系统释放约8000吨铜（Chen等人，2023年；Comber等人，2023年）。因此，某些水体和土壤中的铜浓度超过了环境质量标准。由于铜不可生物降解且在环境中持久存在，过度铜污染对生态系统、食品安全和人类健康构成长期风险（Alkhanjaf等人，2024年）。

铜可以通过胃肠道、呼吸系统和皮肤吸收，随后进入全身循环并在各种器官和组织中积累（Kang等人，2019年）。普通人群可能由于摄入受污染的水源和食物而暴露于铜（Guo等人，2021年）。成年人体内的铜含量约为1.4-2.1毫克/千克体重，几乎40%的铜储存在骨骼肌中（Bevan和Levy，2024年）。尽管铜对生理过程至关重要，但过量积累会对消化系统、免疫系统、泌尿系统和神经系统造成严重损害。最近的研究越来越多地揭示了铜失调对生殖健康的负面影响。铜对精子活力的影响具有剂量依赖性：低浓度（1.0-7.5微摩尔/升）可增强活力，而高浓度则具有抑制作用（Zhou等人，2025年）。长期接触铜会导致铜在睾丸内的积累，从而损害精子发生（Chen等人，2020年）。铜过量还加剧了与lncRNA CR43306相关的精子细胞分化缺陷，导致睾丸衰老和男性不育（Huang等人，2024a）。铜暴露通过改变下丘脑-垂体-性腺（HPG）轴基因表达、性激素水平和代谢途径来扰乱生殖内分泌信号传导，此外还会引起直接的性腺毒性（Cao等人，2019年；Zhao等人，2023a）。然而，铜诱导的男性生殖毒性的确切机制仍有待阐明。

铁死亡是一种受调控的细胞死亡过程，由致命的铁依赖性活性氧积累和过度脂质过氧化引起（Wu等人，2024年）。越来越多的证据表明，铁死亡参与了多种疾病的发病机制和发展，包括神经退行性疾病、心血管疾病、肺部疾病以及癌症。在生殖系统中，铁代谢与精子发生和精子成熟密切相关（Shi等人，2024年）。在精子发生的微环境中，塞托利细胞作为核心协调者，提供精子发生所需的结构支持和代谢支持（Jiang等人，2024年）。因此，塞托利细胞的功能障碍可能破坏血-睾丸屏障的完整性，最终影响精子发生。先前的研究表明，环境毒素可以靶向塞托利细胞并干扰血-睾丸屏障的稳态。例如，镉暴露以剂量依赖的方式损害塞托利细胞功能，表现为细胞活力下降、紧密连接结构破坏和p38 MAPK信号通路抑制（Bhardwaj等人，2024年）。此外，铁死亡最近也被认为与毒素引起的男性生殖损伤有关。微塑料和镉的共同暴露会诱导小鼠睾丸中的铁死亡和血-睾丸屏障破坏（Lan等人，2024年），而邻苯二甲酸二丁酯会触发小鼠莱迪希细胞（Leydig cells）的铁死亡（Yang等人，2024年）。然而，铜暴露是否会在塞托利细胞中诱导铁死亡以及这种铁死亡是否会导致铜引起的睾丸损伤尚不清楚。

褪黑素（N-乙酰-5-甲氧基色胺，MLT）是一种吲哚胺类神经激素，参与多种关键生理过程，包括血压调节、昼夜节律调节和延缓衰老（Deng等人，2022年）。褪黑素不仅通过调节类固醇激素分泌和精子发生细胞增殖影响男性生殖，还因其强抗氧化和抗炎特性而受到广泛关注（Jia等人，2025年；Zhao等人，2024年）。的确，先前的研究强调了褪黑素治疗在病理条件下对生殖细胞的有益效果。然而，褪黑素是否能够预防铜引起的男性生殖毒性仍不明确。

尽管人们越来越认识到环境中的铜对生殖健康的危害，但其具体机制，尤其是通过损害塞托利细胞来影响睾丸功能的机制仍不清楚。在本研究中，我们使用了铜暴露的小鼠模型和正常的鼠睾丸塞托利细胞（TM4细胞）来探究铜诱导的男性生殖毒性的分子机制。本研究重点利用药理学铁死亡抑制剂阐明了铁死亡在铜诱导的睾丸损伤中的作用。为了进一步验证这些发现，网络毒理学方法提示了铁死亡的潜在参与及其保护机制。总体而言，我们的结果不仅提供了关于铜对男性生殖健康负面影响的新见解，还揭示了缓解铜相关生殖功能障碍的潜在治疗靶点。

章节摘录

化学试剂

CuSO₄·5H₂O从Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）购买。Liproxstatin-1（Lip-1）、褪黑素、叔丁基对苯二酚（tBHQ）和Ferrostatin-1（Fer-1）由MedChemExpress（美国新泽西州蒙茅斯 junction）提供。

动物和实验设计

从Vital River Laboratory Animal Technology Co., Ltd.（中国浙江）获得了六周大的雄性C57BL/6J小鼠（20-22克）。这些小鼠被饲养在无特定病原体的环境中，光照/黑暗周期为12小时，温度控制在25±2°C，湿度为45%。

铜暴露导致的睾丸损伤和精子质量下降

为了研究长期铜暴露是否会导致睾丸功能障碍，我们建立了铜暴露的小鼠模型，并评估了小鼠睾丸的结构和功能（图1a）。三个月后，铜导致睾丸萎缩并显著降低了睾丸系数（图1b）。ICP-MS分析证实铜暴露后睾丸中铜的积累显著增加，H-Cu组的铜含量最高（图S1）。CASA分析

讨论

男性不育是一个日益严重的全球健康问题，环境毒素是导致男性生殖能力下降的重要因素（Agarwal等人，2021年；Levine等人，2023年）。铜是必需的微量元素，但过量铜暴露已被报道会损害哺乳动物的睾丸结构和生殖功能（Chen等人，2020年；Liu等人，2016年）。然而，铜积累与塞托利细胞之间的细胞靶点和分子机制尚不清楚

结论

总之，我们的研究结果建立了一个机制框架，即铜暴露诱导铁死亡相关的塞托利细胞损伤，破坏血-睾丸屏障相关连接蛋白，进而影响血-睾丸屏障的完整性和精子发生。这些效应伴随着NRF2/SLC7A11/GPX4轴的抑制，表明铜诱导的铁死亡与血-睾丸屏障功能障碍之间存在先前未被充分认识的关联。重要的是，褪黑素减轻了铜诱导的铁死亡和屏障功能障碍

数据可用性

本研究中包含的所有数据均可根据要求提供。

CRediT作者贡献声明

魏毅：撰写——初稿。刘科佳：正式分析。卢璐：数据管理。周倩：软件操作。张若：方法学设计。周向和：项目管理。蒲月普：验证。张颖：撰写——审稿与编辑。尹丽红：资金申请。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（编号：82373541、82404224和82574046）、苏州大学博士生创新能力提升计划（编号：CXJH_SEU 24211）、江苏省研究生研究与实践创新计划（编号：KYCX24_0485）以及江苏省自然科学基金（编号：BK20241307）的支持。

魏毅|刘科佳|卢璐|周倩|张若|周向和|蒲月普|张颖|尹丽红