農(nóng)藥殺蟲劑的雄性生殖毒性作用機制研究進展

郭茂，韓勇，徐陶，陳琰，李興元，孔德營 遵義醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院，貴州遵義563000

殺蟲劑是農(nóng)藥的一個重要組成部分，目前常見的農(nóng)藥殺蟲劑主要有4大類，包括有機氯類、有機磷類、擬除蟲菊酯類和氨基甲酸酯類。有機氯類目前應用較少，主要包括滴滴涕、六六六和硫丹等；該類殺蟲劑結構較穩(wěn)定，難以氧化和分解，具有高毒、高效、高殘留的特點，因而目前絕大部分國家已經(jīng)逐漸禁用該類殺蟲劑。但有機氯類殺蟲劑化學性質穩(wěn)定，可長期殘留在土壤和生物體內達數(shù)十年，因此有機氯農(nóng)藥的雄性生殖毒性仍是目前的研究熱點。有機磷類殺蟲劑具有經(jīng)濟、高效、殺蟲譜廣等特點，至今仍廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，該類殺蟲劑主要包括敵百蟲、敵敵畏、馬拉硫磷和毒死蜱等。擬除蟲菊酯類殺蟲劑具有高效、低毒、廣譜、擊倒快、殘留少等特點，被廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和家庭生活中，常用的有氰戊菊酯、氯氰菊酯和溴氰菊酯等。氨基甲酸酯類殺蟲劑除少數(shù)品種，如呋喃丹等毒性較高外，大多數(shù)屬中、低毒性，且殺蟲活效強、殺蟲譜廣，被廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，常用的有西維因、滅多威和呋喃丹等。隨著殺蟲劑使用的增加，人類接觸殺蟲劑的機會也愈來愈多，其引起的生殖健康危害也引起了世界各國學者的廣泛關注，越來越多的研究致力于揭示殺蟲劑的雄性生殖毒性的作用機制。本文將目前使用和研究較為廣泛的幾類農(nóng)藥殺蟲劑的雄性生殖毒性作用機制作一綜述。

1 干擾生殖內分泌功能

雄性的精子發(fā)生主要受卵泡刺激素(FSH)和黃體生成素(LH)介導的睪酮(T)調控，因此雄性體內生殖激素T、FSH、LH水平對維持精子發(fā)生的微環(huán)境具有重要作用。此外，雌激素(E2)也是調控雄性生殖的重要因素，這主要與E2能夠刺激生精干細胞的增殖有關。研究顯示，多種農(nóng)藥殺蟲劑可干擾雄性的生殖內分泌功能，影響其性激素水平，而導致生殖障礙[1,2]。

1.1 有機氯農(nóng)藥的生殖內分泌干擾作用 研究表明，有機氯農(nóng)藥硫丹可通過影響雄激素合成相關的蛋白和酶，如類固醇激素合成急性調控蛋白(StAR)、細胞色素P450膽固醇側鏈裂解酶(P450scc)、17β-羥化類固醇脫氫酶(17β-HSD)和3β-羥化類固醇脫氫酶(3β-HSD)等的表達和活性來干擾T生成[1]。此外，Zhou等[3]發(fā)現(xiàn)，有機氯殺蟲劑可通過類固醇外源性受體(SXR)介導CYP3A和CYP7A1表達，干擾膽固醇和類固醇的代謝而影響類固醇激素水平。

1.2 有機磷農(nóng)藥的生殖內分泌干擾作用 類似于有機氯農(nóng)藥，有機磷農(nóng)藥也具有干擾雄性激素合成相關酶和蛋白基因表達的作用[2]。進一步發(fā)現(xiàn)，有機磷農(nóng)藥毒死蜱是通過LH/LHR/PKA/CREB通路干擾雄性激素合成關鍵蛋白StAR表達[4]。同時，有機磷農(nóng)藥可影響下丘腦和垂體功能，干擾下丘腦促性腺激素釋放激素和垂體促性腺激素分泌，從而間接影響雄性激素水平[5]。此外，有機磷農(nóng)藥馬拉硫磷還可降低睪丸中支持細胞和間質細胞的數(shù)量，而降低T水平[6]。

1.3 擬除蟲菊酯類殺蟲劑的生殖內分泌干擾作用 擬除蟲菊酯類殺蟲劑也可通過下調T合成相關基因(如StAR、P450scc等)的表達而降低T水平。瞿建華[7]發(fā)現(xiàn)，擬除蟲菊酯類殺蟲劑氰戊菊酯抑制類固醇激素合成涉及cAMP/PKA信號通路和IGF信號通路，其機制可能是氰戊菊酯通過抑制cAMP的合成和干擾IGF1表達，繼而抑制StAR和P450scc基因表達。研究顯示，氰戊菊酯還可通過上調下丘腦-垂體-性腺軸中多個基因(如下丘腦GnRH1、垂體AR以及睪丸中AR、ERα等)表達和下調垂體ERβ mRNA表達，從而干擾性腺軸功能[8]。氯氰菊酯可通過激活L型Ca2+通道及抑制內質網(wǎng)Ca2+-ATP酶活性，使細胞質內Ca2+濃度升高，誘導轉錄因子c-Fos、c-Jun、Egr-1表達，繼而上調垂體細胞LH、FSH和CgH基因的表達，最終促進LH、FSH分泌[9]。

1.4 氨基甲酸酯類殺蟲劑的生殖內分泌干擾作用 Meng等[10]研究發(fā)現(xiàn)，滅多威可通過影響雄性羅非魚下丘腦-垂體-性腺軸多個性激素相關基因的表達，如上調下丘腦GnRH2、GnRH3和垂體GnRHR、FSHβ mRNA表達，下調垂體LHβ、精巢AR、3-βHSD mRNA表達，而干擾雄性羅非魚的生殖內分泌功能。岳晴晴[11]研究發(fā)現(xiàn)，呋喃丹可升高雄性斑馬魚機體E2含量，并上調肝臟及性腺雌激素受體(ERs)基因表達，誘導雄性斑馬魚產(chǎn)生卵黃蛋白原，導致其生殖功能損傷。

2 損傷生殖細胞遺傳物質

精子由精原細胞經(jīng)分裂、增殖、分化、成熟而來。在精子發(fā)生過程中，若生精細胞的遺傳物質受到外源性化學物質干擾，精子的形態(tài)和功能將會受到影響，而這也必然會導致雄性生殖功能的損傷。

2.1 引起雄性生殖細胞DNA損傷 研究顯示，毒死蜱能夠嵌入DNA的螺旋雙鏈，與DNA分子的堿基作用形成嵌合物，使堿基化學結構改變，進而造成DNA損傷[12]。有機磷農(nóng)藥還可使DNA色素酶A3的嵌入率、核魚精蛋白磷酸化水平和精子頭部磷酸化水平增加，而DNA色素酶A3可與魚精蛋白競爭性結合DNA；同時核魚精蛋白的磷酸化水平增加，使得魚精蛋白與DNA的結合減少，從而引起雄性生殖細胞染色質固縮以及DNA結構完整性的改變[13]。

2.2 引起染色體異常 農(nóng)藥殺蟲劑也可通過影響雄性生殖細胞染色體的結構和數(shù)量而產(chǎn)生雄性生殖毒性。研究表明，有機氯農(nóng)藥可導致男性精子染色質濃縮以及精液中含Y染色體的精子比例升高[14]。氰戊菊酯能夠增加男性染色體非整倍性頻率和染色體畸變數(shù)目，同時提升X、Y染色體和18號染色體二倍性頻率，使精子畸形率升高[15]。因此，農(nóng)藥殺蟲劑誘導的染色體異常也是其引起雄性生殖障礙的重要機制。

2.3 干擾F0代雄性生殖相關基因的甲基化水平 研究表明，有機氯農(nóng)藥雙對氯苯基三氯乙烷(DDT)的主要代謝產(chǎn)物p, p′-DDE可引起雄鼠精子細胞Igf2 DMR2基因低甲基化，使雄性仔鼠精子細胞印記基因H19表達上調、Igf2表達下調，導致子代雄性生殖功能損傷[16]。氰戊菊酯可通過干擾F0代精子基因組DNA功能基因CP17A1、NR5A1、PGRC1及生殖相關基因Ace、Foxo3a、Ptgfrn等的甲基化程度，從而影響F1代生殖激素水平及生殖相關指標，對子代的生殖發(fā)育產(chǎn)生負面作用[17]。

3 促進生殖細胞凋亡

細胞凋亡指由一系列基因激活、表達以及調控等作用主導的，為維持內環(huán)境穩(wěn)定的細胞自主有序的死亡。多種蛋白分子和凋亡途徑參與了細胞凋亡，其中主要的蛋白分子家族有4種：Caspase、Bcl-2、adapterproteins和IAPs，凋亡途徑主要有3種：死亡受體途徑、線粒體途徑和內質網(wǎng)途徑。在精子發(fā)生各個階段均存在自發(fā)性的生精細胞凋亡，但過度生殖細胞凋亡會阻礙精子發(fā)生，降低雄性生殖功能。

Guo等[18]發(fā)現(xiàn)，有機氯類殺蟲劑硫丹可通過上調小鼠精原細胞(GC-1spg細胞)p21cip1、p27kip1、p53基因表達，繼而啟動E2F-1介導的細胞凋亡；同時還通過增加Fas/FasL表達，活化Caspase-8、Caspase-3，導致GC-1spg細胞凋亡。任南琪等[19]研究發(fā)現(xiàn)，硫丹還可能通過抑制Ca2+-Mg2+-ATPase和Na+-K+-ATPase的活性而升高細胞內Ca2+濃度，導致細胞內Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡，從而誘導生精細胞凋亡。此外，有機氯類殺蟲劑硫丹也可通過上調睪丸組織CytC表達和下調bcl-2表達來調控生精細胞凋亡[20]。有機磷類殺蟲劑的相關研究顯示，馬拉硫磷可通過影響凋亡調控蛋白bax、bcl-2表達，而促進大鼠睪丸生殖細胞凋亡[21]。對擬除蟲菊酯類殺蟲劑的研究顯示，氰戊菊酯可通過調控Caspase、Phlda1基因、bcl-2基因家族，而誘導雄性大鼠睪丸中生精細胞的凋亡[22,23]。氨基甲酸酯類殺蟲劑滅多威可上調JNK途徑中MAP3K、MKK4、JNK表達，增強轉錄因子AP-1的作用，促進p53、Bax等促凋亡蛋白表達，從而促使生殖細胞凋亡[24]。

4 誘發(fā)氧化應激反應

在生殖系統(tǒng)各種器官組織中，活性氧(ROS)的產(chǎn)生是一種正常的生理現(xiàn)象，但若ROS生成過多，或者抗氧化酶活性降低，就會引起機體氧化應激反應，進而損害生殖細胞，導致精子產(chǎn)生和成熟障礙。研究發(fā)現(xiàn)，p, p′-DDE可降低超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶的活力，從而誘發(fā)氧化應激，抑制雄鼠睪丸磷脂氫谷胱甘肽過氧化物酶的表達，激活雄鼠睪丸內生精細胞的線粒體凋亡途徑，阻礙正常精子發(fā)生[25]。Albasher等[26]發(fā)現(xiàn)，有機磷農(nóng)藥毒死蜱可通過下調Nrf2/ARE通路，而下調超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶等的mRNA表達。擬除蟲菊酯類農(nóng)藥氰戊菊酯可使雄鼠睪丸超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶等活力下降，丙二醛含量升高，而導致雄鼠睪丸組織發(fā)生氧化損傷[27]。溴氰菊酯可通過降低雄性睪丸組織抗氧化酶活性、提高NOS活性，導致氧自由基、丙二醛、一氧化氮大量蓄積[28]。

5 干擾生殖系統(tǒng)相關酶的活性

雄性睪丸組織中存在多種與精子發(fā)生相關的酶，如酸性磷酸酶(ACP)、乳酸脫氫酶(LDH)和γ-谷氨酰轉肽酶(γ-GT)等。研究發(fā)現(xiàn)，有機磷殺蟲劑馬拉硫磷可通過抑制睪丸組織LDH、γ-GT和ACP活性，繼而影響睪丸營養(yǎng)物質的運輸、能量供給、T合成以及損傷支持細胞，最終影響精子發(fā)生，導致精子畸形率升高以及精子數(shù)量、活力降低[21]。此外，擬除蟲菊酯類農(nóng)藥及氨基甲酸酯類農(nóng)藥均可通過影響睪丸組織標志酶ACP、γ-GT、LDH活性，導致雄性生殖功能障礙[29,30]。

6 其他相關機制

除上述作用機制外，農(nóng)藥殺蟲劑還可以通過擾亂人和動物的生物鐘、干擾雄性生殖細胞的細胞周期以及干擾精子的頂體反應等機制產(chǎn)生雄性生殖毒性。研究顯示，擬除蟲菊酯農(nóng)藥氰戊菊酯可通過干擾雄性大鼠生殖晝夜節(jié)律性而影響其生殖功能。沈歐璽[31]研究發(fā)現(xiàn)，氰戊菊酯可通過影響microRNA對時鐘基因Bmal1表達的調節(jié)，來干擾Bmal1基因下游的T代謝關鍵酶基因表達，從而表現(xiàn)出對T合成的晝夜時間毒性。路珊珊[32]研究認為，氰戊菊酯可能通過升高Leydig細胞內Ca2+水平，而影響時鐘基因Bmal1、REV-erbα、RORa等的表達和節(jié)律，并最終影響T分泌。

研究發(fā)現(xiàn)，硫丹通過抑制睪丸組織中Sohlh1、Cyclin A1、CDK1、CDK2表達，而引起生殖細胞周期阻滯，導致精子數(shù)目下降。進一步研究發(fā)現(xiàn)，PKC-α信號途徑是介導硫丹干擾正常細胞周期的重要機制[33]。此外，農(nóng)藥殺蟲劑還可干擾精子的頂體反應。研究顯示，氰戊菊酯能夠通過降低精子細胞膜的脂質流動性和抑制T型Ca2+通道電流，從而抑制精子的頂體反應和受精能力[34]。

綜上所述，農(nóng)藥殺蟲劑對雄性生殖毒性的作用機制是多因素、多途徑的，并且各作用因素、作用途徑之間相互聯(lián)系、相互影響。關于農(nóng)藥殺蟲劑對雄性生殖毒性作用機制的研究，目前主要限于動物實驗，由于實驗動物生殖功能與人類并不完全相同，加之農(nóng)藥在動物體內的生物轉化及動物實驗暴露劑量、暴露途徑等與人類均有差異，致使動物實驗結果具有很大局限性。同時，隨著農(nóng)藥配伍使用和混配農(nóng)藥的大量生產(chǎn)和使用，往往使得接觸農(nóng)藥的人群體內同時具有多種農(nóng)藥殘留，而目前就多種農(nóng)藥殘留對人類生殖健康影響的交互作用的研究還相對較少。因此，農(nóng)藥殺蟲劑對雄性產(chǎn)生生殖毒性的作用機制還有待進一步全面而深入的研究。