探究砷诱导雄性生殖毒性的机制：从生物学角度的研究

砷是一种广泛存在于自然界的元素，砷及其化合物都具有一定的毒性，如果人体摄入量过多会造成砷中毒。生殖毒性试验研究发现，砷不仅对生殖细胞有直接的损害作用，还可以造成染色体的破坏，而且砷对不同阶段胚胎的影响也有很多种,会造成多种器官的发育障碍以至产生畸型胎儿。动物实验研究发现，砷可使动物的繁殖能力降低并对后代产生诸多不良影响。本文从分子生物学角度来探究砷对雄性的生殖毒性的影响。

砷是一种致癌物，并且其生殖、发育毒性较强

砷（As）是一种天然存在的有毒类金属，具有无臭、无色和无味的特性。最常见的砷形式包括无机As、有机As和砷气。砷在陆地上排名第20位，在海洋中排名第14位，在人类生态系统中排名第12位。由于其无处不在，火山和工业活动排放到环境中，因此具有严重的健康问题。

人类在饮用水、食品和工业来源中的砷暴露量不断增加。国际癌症研究机构（IARC）将其指定为I族致癌物，会增加膀胱癌、肺癌、肾癌和肝癌的风险。

据报道，大多数国家的饮用水中砷含量较高，高于WHO和EPA的规定限值。饮用水污染与癌症（皮肤、肺癌、膀胱和肝脏）以及其他疾病（如糖尿病和心血管、胃肠道、神经和发育损伤）的发展有关。根据流行病学研究，As会导致男性不育，性功能障碍，精子质量差以及发育后果，例如低出生体重，自然流产和小于胎龄儿（SGA）等。

在受砷污染的土壤中种植水稻和使用受砷污染的水煮米饭是造成米饭接触砷的主要原因。 鱼类、贝类和海藻是人类通过海产品接触砷的最常见来源，分布在阿根廷、乌拉圭、印度、巴基斯坦和西班牙砷污染地区的儿童和成人身上采集的尿液、头发和饮用水样本显示砷含量较高。

而且砷是一种元素杂质，药品中的元素杂质可能来自于制药工艺中所使用的设备、原料、辅料、溶剂及包材等。药物制剂在原料药、生产等过程中可能会引入过量或有毒形态的元素杂质，会对生命体产生重大影响。因此在药物制剂研发中，需要控制药物制剂中砷元素杂质，保证药品质量安全。

砷对睾酮生物合成的抑制作用

砷的作用机制表明，它会改变下丘脑-垂体-性腺（HPG）轴，导致睾酮生物合成、支持细胞活性和精子发生减少，如下图所示：

砷对睾酮生物合成的抑制作用

StAR：类固醇生成急性调节蛋白；3HSD：3-β(β)-羟基类固醇脱氢酶；CYP17A1：细胞色素 P450 17A1；17HSD：17-β(β)-羟基类固醇脱氢酶；DHT：二氢睾酮

砷对动物雄性生殖系统的影响

流行病学研究表明，砷是环境中最危险的生殖毒物之一，在睾丸、附睾、精囊和前列腺等生殖组织中大量积累。科学家们进行了如下实验：小鼠在交配前五周开始接触 As2O3（0、0.2、2 和 20 ppm），一直持续到雄性幼鼠进入青春期。

实验结果显示，暴露期后（HPG）轴经历了氧化应激和自噬增加，特别是在较高的 As2O3 剂量（2 和 20 ppm）下。暴露于较高As2O3剂量的青春期F1雄性小鼠HPG轴中MDC标记的自噬泡数量和MDA/GSH比值增加，而平均体重、总抗氧化能力和体视学指标下降。同时，在青春期F1期雄性HPG组织中，除了ATG3、ATG5、Beclin 基因表达和 P62、ATG12和Beclin蛋白表达呈剂量依赖性增加外，还观察到PI3K和mTOR 基因表达呈剂量依赖性降低。较高剂量的As2O3似乎会通过增加 MDA/GSH 比率、自噬细胞死亡相关基因和蛋白质以及降低总抗氧化能力来损害青春期雄性小鼠后代的HPG轴功能。

药物的生殖毒性研究是非临床安全性评价的重要内容，它与急性毒性、长期毒性、遗传毒性等毒理学研究有着密切的联系，是药物进入临床研究及上市的重要环节。拟用于人体的药物，应根据受试物拟用适应证和作用特点等因素考虑进行生殖毒性试验。

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砷诱导动物雄性生殖毒性的机制

1.    氧化应激

在小鼠睾丸的Leydig和Sertoli细胞中，暴露于浓度为50和1000ppb的亚砷酸钠24、48和72小时会引起细胞毒性和抗氧化系统受损。用亚砷酸钠处理浓度为1、10、50和100μM的啮齿动物睾丸和附睾的体外细胞培养物2和24小时，增加ROS、TBARS和精子DNA损伤，降低过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶，降低血清睾酮。通过饮用水以10mg/L的剂量使用亚砷酸钠可诱导大鼠睾丸和附睾中SOD1、CAT、GSTK1和MT1的过表达。

2.    细胞凋亡

在暴露于亚砷酸钠和二氧化硫的小鼠中观察到精子数量减少，半胱天冬酶-3活性增加，TUNEL阳性细胞增加，Bax和Bcl-2的mRNA水平的变化降低血清睾酮水平，以及类固醇基因（LHR，StAR和ABP）表达下调，剂量为5mg / L和5mg / m³，分别通过双蒸水口服60日。

在小鼠中，通过胃内给药4个月，剂量为15和1mg/kg的三氧化二砷和锑导致血清睾酮水平降低，精原和精子数量减少，T-AOC、SOD和MsrB 1水平降低，Beclin-5、Atg-3、LC3B/LC8A、半胱天冬酶-3、Cytc、裂解半胱天冬酶-53和p159升高。

砷诱导内在和外在凋亡途径的方法

3.    自噬

自噬是一种主要的细胞机制，它允许细胞分解和重复使用旧的细胞部分，使它们更有效地运作。一些研究表明，砷诱导的自噬机制破坏会导致多种疾病，如癌症、代谢紊乱和生殖毒性。

将浓度为3、6和9μM的亚砷酸钠暴露24小时导致自噬体积累，小鼠睾丸间质肿瘤细胞系（MLTC-3）中LC7β、Atg1、Beclin-34和Vps1自噬标志物表达上调。在GC-1精原（spg）细胞系中，浓度为10和20μM的三氧化二砷导致GSH下降，丙二醛（MDA）水平升高，以及ATG3、p62、LC3I和LC3II mRNA表达升高，提示线粒体功能障碍。从亲本小鼠交配前0周和出生后几天到成年期，在蒸馏水中浓度为2.2、20和3ppm的三氧化氢暴露导致F5雄性下丘脑-垂体-性腺轴（HPG轴）中PI12K、Atg1、Atg3基因表达和Beclin-62、LC-1I、II和P41蛋白表达增加。

人类产前接触砷的影响

a)         706 名孕妇在子宫内暴露于砷，结果显示出生时长增加、头围减小、婴儿肥胖减少。

b)        墨西哥城的一项队列研究表明，经胎盘接触砷会增加 SGA 和大于胎龄儿(LGA)的风险，并会增加母体血液中的砷水平。

c)         一项关于母体砷暴露的系统评价和计量分析显示，妊娠期暴露增加了活性反转录转座子长穿插核元件（LINE）和长末端重复（LTR）中的低甲基化胞嘧啶，从而降低了出生体重、头围和出生长度。

总结

砷污染的主要来源包括饮用水、食品和工业废物。砷损害精子质量，降低精子数量，精子活力，诱导精子凋亡，以及睾丸和附睾组织和精子DNA受损。砷的生殖毒性知之甚少，砷诱导的男性生殖毒性的分子机制尚不清楚。炎症反应、氧化应激、自噬和细胞凋亡是一些可能的砷介导的毒性途径。未来的研究需要确定更多的植物成分并了解它们的分子机制，以完全减轻或逆转砷中毒的有害影响。

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