鋁的雄性生殖毒性研究進(jìn)展

元輝雄， 陳文成

(右江民族醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院檢驗科，廣西 百色 533000)

鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，具有良好的理化性質(zhì)，在日常生活中被廣泛使用。人類接觸鋁的方式主要有職業(yè)性接觸、醫(yī)源性接觸和生活性接觸。鋁給人類生產(chǎn)及日常生活帶來諸多便利的同時，也可對機(jī)體產(chǎn)生危害。鋁可對神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生毒性作用，鋁對機(jī)體其他系統(tǒng)的負(fù)面作用的研究仍在進(jìn)行。動物模型實驗研究發(fā)現(xiàn)，鋁暴露可使睪丸組織發(fā)生病理改變，對雄性哺乳動物的生殖系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面作用[1]。精子作為雄性動物生育能力的重要因素，持續(xù)的鋁暴露可使雄性動物的精子數(shù)量減少、精子質(zhì)量減低[2]。Klein等[3]對不育男性患者精液的分析證實，不育男性精子中存在鋁，且部分精子質(zhì)量較差患者精液鋁含量明顯較高，可見精子質(zhì)量低下與精液鋁含量存在一定相關(guān)性。近年來，隨著男性不育癥發(fā)病率的升高，鋁對雄性動物的生殖毒性作用逐漸引起研究者的關(guān)注?，F(xiàn)就鋁對雄性動物的生殖毒性相關(guān)研究進(jìn)展予以綜述。

1 機(jī)體攝取鋁的途徑

1.1飲水 水中鋁的來源可分為自然因素和人為因素。天然水中的鋁主要來自含鋁巖石及礦物的自然風(fēng)化。天然水中鋁的含量與水的酸堿度有關(guān)，一般情況下，中性水的鋁含量為1～50 μg/L，而酸化水的鋁含量則高達(dá)500～1 000 μg/L[4]。自來水主要取自地表水，地表水中含有一定量的微生物、顆粒懸浮物、有害重金屬及難溶有機(jī)物，為使其符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，一般需使用含鋁凈水劑對地表水進(jìn)行凈化及消毒處理，造成飲用水中鋁含量較高。

1.2食品 攝入含鋁食品是鋁暴露的主要途徑。食品中鋁的來源主要可歸類為天然含有、食品制作加工過程中所使用的含鋁食品添加劑、烹飪過程中使用的含鋁調(diào)味品以及從鋁制炊具或容器中遷移出的鋁，其中食品加工過程中使用的含鋁添加劑是人類膳食鋁暴露的重要來源。食品中的鋁含量存在差異較大，主要取決于食品類型、食品加工工藝、含鋁食品添加劑的使用量以及食品原料生長的地理環(huán)境[5-6]。

1.3空氣 鋁的暴露也可來自空氣，通過呼吸吸入的鋁顆粒沉積在肺泡中，通過肺泡呼吸膜進(jìn)入血液，并通過血液循環(huán)轉(zhuǎn)移到全身的器官和組織中。在清潔地區(qū)通過呼吸吸入的鋁約為1.4 μg/d，但對污染地區(qū)或吸煙者，呼吸吸入的鋁約為清潔地區(qū) 1 000倍[7]。此外，鋁的職業(yè)性暴露也主要為空氣吸入，工人主要通過呼吸道吸入鋁煙霧及鋁灰塵。鋁冶煉廠、鑄造廠、焊接場所和重熔廠內(nèi)的空氣中含有相當(dāng)濃度的氧化鋁和氟化鋁[8]。采用石墨爐原子吸收分光光度法測定33名年齡(35.16±2.95)歲、從事電解鋁工作(14.91±6.31)年的職業(yè)性鋁暴露電解鋁車間工人的尿鋁濃度及其工作場所空氣鋁濃度的橫斷面研究發(fā)現(xiàn)，電解鋁車間空氣中的鋁濃度約為6.36 mg/m3，鋁電解工人的尿鋁濃度(40.08±9.36) μg/mg，顯著高于面粉廠工人(26.84±8.93) μg/mg[9]。

1.4藥物和皮膚護(hù)理產(chǎn)品 含鋁藥物是臨床治療胃腸道疾病的常用藥，其鋁成分主要包括氫氧化鋁、磷酸鋁、硅酸鋁、硫酸鋁、硫糖鋁、海藻酸鋁、鋁鎂司片、鋁酸鉍等[10]。此外，牙科用義齒修復(fù)的人工合成材料堿式碳酸鋁鈉、鋁瓷、多晶氧化鋁陶瓷等，以及疫苗中的鋁佐劑都含有一定量鋁。日常使用的防曬霜、止汗劑等皮膚護(hù)理產(chǎn)品亦含有一定量的鋁成分[11-12]。

2 鋁的雄性生殖毒性

2.1對雄性動物性行為的影響 性行為是動物種群自然繁衍的必要過程，雄性動物正常的性行為是生殖能力的重要表現(xiàn)。Bataineh等[13]對持續(xù)攝入12周三氯化鋁濃度為1 000 ppm飲用水的成年雄性大鼠的研究發(fā)現(xiàn)，實驗雄性大鼠的領(lǐng)土侵略行為消失，性行為被抑制，射精潛伏期明顯延長，交配效率降低，且大鼠體重以及絕對或相對睪丸、精囊重量均下降。對連續(xù)30 d飲用三氯化鋁100 mg/(kg·d)的雄性小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，其交配能力降至20%左右[14]。

2.2鋁對性激素的影響 性激素在生殖系統(tǒng)發(fā)育中具有重要作用。生理條件下，下丘腦的神經(jīng)分泌細(xì)胞合成的促性腺激素釋放激素可刺激垂體合成黃體生成素和卵泡刺激素，兩者作用于睪丸使其產(chǎn)生精子和雄性激素。雄性激素是維持精子發(fā)生的關(guān)鍵因素之一，卵泡刺激素作用于睪丸支持細(xì)胞，并與雄性激素共同作用促進(jìn)精子成熟。鋁對雄性動物生殖毒性影響的研究認(rèn)為，鋁可降低血清睪酮、卵泡刺激素、黃體生成素的水平[15-16]。但也有研究顯示，鋁對動物血清卵泡刺激素的影響不明顯，而鋁急性暴露96 h后，睪酮水平反而增高[17]。

2.3鋁對睪丸微量元素的影響 睪丸微量元素包括鋅、銅、鐵、鎂、鈣等，其對維持睪丸間質(zhì)細(xì)胞正常功能具有不可替代的作用，其中鋅和銅是研究最多的微量元素。鋅是機(jī)體必需的微量元素，是體內(nèi)多種酶的輔助因子，與生殖系統(tǒng)的代謝功能密切相關(guān)。缺鋅可影響睪丸酶活性，進(jìn)而影響睪丸代謝及精子生成，并對精子的代謝有重要影響[18]。鋅元素直接參與精子的生成、成熟、激活、獲能等過程[19]。此外，鋅還參與保持精子細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性[20]。由此可見，睪丸鋅缺乏可使睪丸萎縮、精子質(zhì)量下降，導(dǎo)致少精、弱精、死精，嚴(yán)重缺鋅者還可致睪丸生精功能停止。銅是機(jī)體多種酶的輔助因子，在有絲分裂及減數(shù)分裂過程中發(fā)揮重要作用，是雄配子產(chǎn)生的必需元素[21]。睪丸中銅含量增加和銅代謝紊亂可對精子活力、頭部形態(tài)、尾部胞膜完整性及活精子數(shù)量產(chǎn)生負(fù)面影響[22]。銅含量過高可直接殺死精子，并干擾受精卵著床，導(dǎo)致不育。Guo等[23]對連續(xù)14 d腹腔鋁暴露分別為13 mg/(kg·d)、35 mg/(kg·d)的小鼠以及無鋁暴露小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，染鋁小鼠血清和睪丸中鋁含量顯著高于無鋁暴露小鼠，各染鋁組小鼠睪丸中銅含量明顯升高，高劑量鋁暴露小鼠的鋅含量明顯降低，提示鋅等礦物質(zhì)元素的代謝異?？赡軐?dǎo)致鋁所致的睪丸毒性。Zhu等[24]的研究也發(fā)現(xiàn)，隨著大鼠鋁暴露劑量的增加，其睪丸組織的銅含量增加，鋅含量下降。

2.4鋁對睪丸組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響 細(xì)胞結(jié)構(gòu)、亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)(如細(xì)胞器等)的完整性和數(shù)量保持相對穩(wěn)定，是發(fā)揮細(xì)胞功能的重要前提。鋁可使大鼠睪丸組織的生精上皮變性、生發(fā)上皮細(xì)胞質(zhì)空泡化、生殖細(xì)胞數(shù)量減少、曲細(xì)精管的平均直徑變小以及睪丸間質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生萎縮性變化[1]。Kutlubay等[25]給予成年雄性白化Wistar大鼠腹腔每周注射5 mg/(kg·d)的硫酸鋁3次，持續(xù)兩周后對睪丸進(jìn)行組織學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，成年雄性Wistar大鼠曲精管的生精上皮明顯變薄，且?guī)缀醪淮嬖诰蛹?xì)胞；電子顯微鏡下，睪丸支持細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，核膜不規(guī)則，核糖體數(shù)量減少，線粒體受損，溶酶體數(shù)量增多；而初級精母細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中的粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)增多。我國對染鋁120 d大鼠的研究發(fā)現(xiàn)，其附睪組織細(xì)胞線粒體發(fā)生腫脹或空泡變性，部分粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)發(fā)生結(jié)構(gòu)融合[26]。Abdel-Moneim[27]用光學(xué)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，單次腹腔注射三氯化鋁[25 mg/(kg·d)]可導(dǎo)致腎小管上皮萎縮和脫落，生精細(xì)胞變性；并通過透射電子顯微鏡檢查發(fā)現(xiàn)，支持細(xì)胞間細(xì)胞緊密連接被破壞，精原細(xì)胞和初級精母細(xì)胞部分凋亡或死亡；并觀察到發(fā)育過程中精子細(xì)胞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)多種畸變，睪丸間質(zhì)細(xì)胞出現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)脂滴蓄積、滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)減少以及線粒體減少和損傷。

2.5鋁對精子質(zhì)量和數(shù)量的影響 不孕不育給眾多家庭帶來困擾，全球15%～30%的夫妻受不育癥相關(guān)問題的影響，其中大部分是男性生育力問題，而精子質(zhì)量是男性生育力的重要組成部分。精子質(zhì)量減低與多種因素有關(guān)，有害物質(zhì)暴露過量是其重要原因之一[28]。動物實驗研究表明，鋁可顯著降低精子質(zhì)量和精子細(xì)胞數(shù)量，不僅可導(dǎo)致睪丸重量下降，還可致不動精子比例和畸形精子比例增加[2,13]。另有實驗發(fā)現(xiàn)，正常人類飲食水平的鋁濃度暴露就可對大鼠的精子質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響[29]。在對精液的研究分析中，Klein等[3]對62例男性不育患者的精液樣本進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，其中12例為少精癥、14例為弱精癥、5例死精癥、15例畸形精子癥、7例精子計數(shù)極低(無法進(jìn)行活力和形態(tài)分析)，并用熒光顯微鏡與鋁特異性染色測定其鋁含量顯示，62份精液樣本鋁含量的平均值非常高，約為339 μg/L，其中少量精液樣本的鋁含量已經(jīng)超過500 μg/L，提示人類男性的鋁暴露量與精子質(zhì)量和數(shù)量下降密切相關(guān)。

2.6鋁對睪丸內(nèi)細(xì)胞DNA的影響 DNA作為遺傳信息的載體，其結(jié)構(gòu)損傷將會引起細(xì)胞功能的改變。Moselhy等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，鋁可降低血清睪酮水平，還可使睪丸細(xì)胞DNA碎片增加。崔慧慧等[31]給予昆明種雄性實驗小鼠腹腔注射不同劑量[50、75、100 mg/(kg·d)]三氯化鋁，觀察小鼠睪丸細(xì)胞的單細(xì)胞凝膠電泳實驗(彗星實驗)發(fā)現(xiàn)，與0.9%氯化鈉注射液對照組相比，三氯化鋁實驗組的Olive尾矩較長，且Olive尾矩長度隨腹腔三氯化鋁濃度的升高而增加；并行精子核熒光染色發(fā)現(xiàn)，三氯化鋁實驗組小鼠的未成熟精子率較高，且未成熟精子率隨腹腔三氯化鋁濃度的升高而增高，表明鋁可損傷睪丸細(xì)胞DNA，并降低精子核DNA的成熟度，從而損傷生殖系統(tǒng)。

3 鋁對雄性動物的生殖毒性作用機(jī)制

3.1鋁與氧化損傷 氧化損傷指細(xì)胞內(nèi)活性氧類(reactive oxygen species，ROS)的生成與內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)之間失去平衡，細(xì)胞內(nèi)ROS相對增加，抗氧化能力相對不足，生物大分子受到ROS攻擊而引起的細(xì)胞和組織損傷。

氯化鋁能夠誘導(dǎo)睪丸組織產(chǎn)生活性氧ROS。Guo等[32]發(fā)現(xiàn)，鋁能顯著增加一氧化氮(ROS成員之一)的生成，過量的一氧化氮產(chǎn)物可激活誘導(dǎo)型一氧化氮合酶，并可能參與鋁的生殖毒性。有研究發(fā)現(xiàn)，弱精子癥患者精液ROS產(chǎn)生增加，ROS可介導(dǎo)精子細(xì)胞膜的損傷，并通過改變細(xì)胞膜的完整性損害精子的活動力和存活力[33]。鋁積累可引起睪丸組織氧化應(yīng)激，睪丸組織中ROS水平升高可導(dǎo)致睪丸發(fā)生生理學(xué)改變，并可誘導(dǎo)DNA的氧化損傷，對生殖功能具有潛在影響[34-35]。

鋁可降低雄性大鼠超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性，而作為脂質(zhì)過氧化指標(biāo)的丙二醛則顯著增加[36]。三氯化鋁可通過誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激顯著升高硫代巴比妥酸反應(yīng)物質(zhì)的水平[37-38]。進(jìn)一步的研究表明，鋁可顯著升高睪丸丙二醛和一氧化氮水平，降低還原型谷胱甘肽、3′,5′-環(huán)腺苷酸的水平，并降低抗氧化酶基因表達(dá)[39]。由此可見，鋁可能通過誘導(dǎo)氧化損傷、抑制抗氧化作用對生精功能產(chǎn)生負(fù)面影響，進(jìn)而導(dǎo)致精子數(shù)量的減少和精子畸形率的增加。

3.2鋁與線粒體 除成熟紅細(xì)胞外，線粒體幾乎普遍存在于哺乳動物的有核細(xì)胞中，其基質(zhì)中含有催化和合成ATP的各種酶系統(tǒng)，在細(xì)胞能量代謝中起關(guān)鍵作用，可提供80%的細(xì)胞生命活動能量[40]。

在精母細(xì)胞分化為精子的過程中，大量的細(xì)胞質(zhì)及細(xì)胞器被舍棄，而線粒體則被保留。成熟精子的線粒體位于尾部中段，呈螺旋狀排列。在正常情況下，線粒體內(nèi)膜持續(xù)電子傳遞形成的內(nèi)膜兩側(cè)質(zhì)子濃度差與穿過內(nèi)膜聚集在線粒體中的親脂性陽離子共同形成的內(nèi)膜電勢差，即線粒體膜電位[41]。正常線粒體膜電位是線粒體進(jìn)行氧化磷酸化并產(chǎn)生ATP的基礎(chǔ)，線粒體膜電位的改變將對細(xì)胞的生理功能產(chǎn)生影響。有研究表明，鋁可使大鼠脾臟淋巴細(xì)胞線粒體膜電位下降，且線粒體膜電位可隨鋁濃度的升高而降低，兩者呈劑量-效應(yīng)關(guān)系；鋁還可通過線粒體胱天蛋白酶依賴通路誘導(dǎo)大鼠淋巴細(xì)胞凋亡[42-43]。人們對鋁神經(jīng)系統(tǒng)毒性作用的研究較早，張勤麗等[44]的研究發(fā)現(xiàn)，鋁可降低體外培養(yǎng)大鼠的神經(jīng)元線粒體膜電位。有研究證實，精子質(zhì)量與精子線粒體膜電位存在相關(guān)性，鋁可使精子細(xì)胞線粒體膜電位下降，造成精子質(zhì)量下降，從而引起生殖損傷[45]。

此外，鋁的雄性生殖毒性作用可能涉及線粒體的其他指標(biāo)。三羧酸循環(huán)是葡萄糖徹底氧化供能的重要環(huán)節(jié)，主要在線粒體內(nèi)進(jìn)行。異檸檬酸脫氫酶是三羧酸循環(huán)中的關(guān)鍵酶之一，而鋁可抑制異檸檬酸脫氫酶的活性[46]。Yousef等[37]認(rèn)為，線粒體酶的變化所致的線粒體功能改變可反映為精子活力的變化。睪丸產(chǎn)生的類固醇激素對精子發(fā)生至關(guān)重要，而主要在線粒體內(nèi)膜進(jìn)行的膽固醇生物轉(zhuǎn)化為孕烯醇酮類是固醇激素生物合成必不可少的步驟，其中類固醇激素合成急性調(diào)節(jié)蛋白及P450膽固醇側(cè)鏈裂解酶發(fā)揮重要作用。在類固醇激素合成急性調(diào)節(jié)蛋白的介導(dǎo)下，膽固醇從線粒體外膜轉(zhuǎn)移到線粒體內(nèi)膜；隨后經(jīng)P450膽固醇側(cè)鏈裂解酶的催化，膽固醇裂解并轉(zhuǎn)化為孕烯醇酮，而鋁可顯著減少類固醇激素合成急性調(diào)節(jié)蛋白、P450膽固醇側(cè)鏈裂解酶的信使RNA水平[47]。最近，另有研究表明，鋁的雄性生殖毒性作用與精子線粒體早老素相關(guān)菱形樣蛋白相關(guān)，鋁暴露可使精子線粒體早老素相關(guān)菱形樣蛋白水平顯著降低，精子活力、精子存活率與精子線粒體早老素相關(guān)菱形樣蛋白水平呈正相關(guān)，而精子畸形率與精子線粒早老素相關(guān)菱形樣蛋白水平呈負(fù)相關(guān)[48]。

4 小 結(jié)

隨著我國二孩政策的開放，男性不育導(dǎo)致的生育問題給家庭和社會帶來了很大的困擾。鋁對雄性生殖功能的負(fù)面影響逐漸引起男科生育研究者的關(guān)注。鋁引起的雄性生殖毒性可能涉及諸多因素，目前關(guān)于鋁的雄性生殖毒性作用機(jī)制的研究仍不透徹，線粒體作為細(xì)胞的能量供應(yīng)單位，是成熟精子具有的唯一細(xì)胞器，鋁的雄性生殖毒性可能與線粒體有關(guān)。鑒于人們對鋁接觸的廣泛性以及鋁對雄性生殖確切的毒性作用，有必要對鋁的生殖毒性及作用機(jī)制進(jìn)行深入研究。