探究砷誘導雄性生殖毒性的機製：從生物學角度的研究

砷是一種廣泛存在於自然界的元素，砷及其化合物都具有一定的毒性，如果人體攝入量過多會造成砷中毒。生殖毒性試驗研究發現，砷不僅對生殖細胞有直接的損害作用，還可以造成染色體的破壞，而且砷對不同階段胚胎的影響也有很多種,會造成多種器官的發育障礙以至產生畸型胎兒。動物實驗研究發現，砷可使動物的繁殖能力降低並對後代產生諸多不良影響。本文從分子生物學角度來探究砷對雄性的生殖毒性的影響。

砷是一種致癌物，並且其生殖、發育毒性較強

砷（As）是一種天然存在的有毒類金屬，具有無臭、無色和無味的特性。最常見的砷形式包括無機As、有機As和砷氣。砷在陸地上排名第20位，在海洋中排名第14位，在人類生態係統中排名第12位。由於其無處不在，火山和工業活動排放到環境中，因此具有嚴重的健康問題。

人類在飲用水、食品和工業來源中的砷暴露量不斷增加。國際癌症研究機構（IARC）將其指定為I族致癌物，會增加膀胱癌、肺癌、腎癌和肝癌的風險。

據報道，大多數國家的飲用水中砷含量較高，高於WHO和EPA的規定限值。飲用水汙染與癌症（皮膚、肺癌、膀胱和肝髒）以及其他疾病（如糖尿病和心血管、胃腸道、神經和發育損傷）的發展有關。根據流行病學研究，As會導致男性不育，性功能障礙，精子質量差以及發育後果，例如低出生體重，自然流產和小於胎齡兒（SGA）等。

在受砷汙染的土壤中種植水稻和使用受砷汙染的水煮米飯是造成米飯接觸砷的主要原因。 魚類、貝類和海藻是人類通過海產品接觸砷的最常見來源，分布在阿根廷、烏拉圭、印度、巴基斯坦和西班牙砷汙染地區的兒童和成人身上采集的尿液、頭發和飲用水樣本顯示砷含量較高。

而且砷是一種元素雜質，藥品中的元素雜質可能來自於製藥工藝中所使用的設備、原料、輔料、溶劑及包材等。藥物製劑在原料藥、生產等過程中可能會引入過量或有毒形態的元素雜質，會對生命體產生重大影響。因此在藥物製劑研發中，需要控製藥物製劑中砷元素雜質，保證藥品質量安全。

砷對睾酮生物合成的抑製作用

砷的作用機製表明，它會改變下丘腦-垂體-性腺（HPG）軸，導致睾酮生物合成、支持細胞活性和精子發生減少，如下圖所示：

砷對睾酮生物合成的抑製作用

StAR：類固醇生成急性調節蛋白；3HSD：3-β(β)-羥基類固醇脫氫酶；CYP17A1：細胞色素 P450 17A1；17HSD：17-β(β)-羥基類固醇脫氫酶；DHT：二氫睾酮

砷對動物雄性生殖係統的影響

流行病學研究表明，砷是環境中最危險的生殖毒物之一，在睾丸、附睾、精囊和前列腺等生殖組織中大量積累。科學家們進行了如下實驗：小鼠在交配前五周開始接觸 As2O3（0、0.2、2 和 20 ppm），一直持續到雄性幼鼠進入青春期。

實驗結果顯示，暴露期後（HPG）軸經曆了氧化應激和自噬增加，特別是在較高的 As2O3 劑量（2 和 20 ppm）下。暴露於較高As2O3劑量的青春期F1雄性小鼠HPG軸中MDC標記的自噬泡數量和MDA/GSH比值增加，而平均體重、總抗氧化能力和體視學指標下降。同時，在青春期F1期雄性HPG組織中，除了ATG3、ATG5、Beclin 基因表達和 P62、ATG12和Beclin蛋白表達呈劑量依賴性增加外，還觀察到PI3K和mTOR 基因表達呈劑量依賴性降低。較高劑量的As2O3似乎會通過增加 MDA/GSH 比率、自噬細胞死亡相關基因和蛋白質以及降低總抗氧化能力來損害青春期雄性小鼠後代的HPG軸功能。

藥物的生殖毒性研究是非臨床安全性評價的重要內容，它與急性毒性、長期毒性、遺傳毒性等毒理學研究有著密切的聯係，是藥物進入臨床研究及上市的重要環節。擬用於人體的藥物，應根據受試物擬用適應證和作用特點等因素考慮進行生殖毒性試驗。

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砷誘導動物雄性生殖毒性的機製

1.    氧化應激

在小鼠睾丸的Leydig和Sertoli細胞中，暴露於濃度為50和1000ppb的亞砷酸鈉24、48和72小時會引起細胞毒性和抗氧化係統受損。用亞砷酸鈉處理濃度為1、10、50和100μM的齧齒動物睾丸和附睾的體外細胞培養物2和24小時，增加ROS、TBARS和精子DNA損傷，降低過氧化氫酶、過氧化物酶和超氧化物歧化酶，降低血清睾酮。通過飲用水以10mg/L的劑量使用亞砷酸鈉可誘導大鼠睾丸和附睾中SOD1、CAT、GSTK1和MT1的過表達。

2.    細胞凋亡

在暴露於亞砷酸鈉和二氧化硫的小鼠中觀察到精子數量減少，半胱天冬酶-3活性增加，TUNEL陽性細胞增加，Bax和Bcl-2的mRNA水平的變化降低血清睾酮水平，以及類固醇基因（LHR，StAR和ABP）表達下調，劑量為5mg / L和5mg / m³，分別通過雙蒸水口服60日。

在小鼠中，通過胃內給藥4個月，劑量為15和1mg/kg的三氧化二砷和銻導致血清睾酮水平降低，精原和精子數量減少，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。

砷誘導內在和外在凋亡途徑的方法

3.    自噬

自噬是一種主要的細胞機製，它允許細胞分解和重複使用舊的細胞部分，使它們更有效地運作。一些研究表明，砷誘導的自噬機製破壞會導致多種疾病，如癌症、代謝紊亂和生殖毒性。

將濃度為3、6和9μM的亞砷酸鈉暴露24小時導致自噬體積累，小鼠睾丸間質腫瘤細胞係（MLTC-3）中LC7β、Atg1、Beclin-34和Vps1自噬標誌物表達上調。在GC-1精原（spg）細胞係中，濃度為10和20μM的三氧化二砷導致GSH下降，丙二醛（MDA）水平升高，以及ATG3、p62、LC3I和LC3II mRNA表達升高，提示線粒體功能障礙。從親本小鼠交配前0周和出生後幾天到成年期，在蒸餾水中濃度為2.2、20和3ppm的三氧化氫暴露導致F5雄性下丘腦-垂體-性腺軸（HPG軸）中PI12K、Atg1、Atg3基因表達和Beclin-62、LC-1I、II和P41蛋白表達增加。

人類產前接觸砷的影響

a)         706 名孕婦在子宮內暴露於砷，結果顯示出生時長增加、頭圍減小、嬰兒肥胖減少。

b)        墨西哥城的一項隊列研究表明，經胎盤接觸砷會增加 SGA 和大於胎齡兒(LGA)的風險，並會增加母體血液中的砷水平。

c)         一項關於母體砷暴露的係統評價和計量分析顯示，妊娠期暴露增加了活性反轉錄轉座子長穿插核元件（LINE）和長末端重複（LTR）中的低甲基化胞嘧啶，從而降低了出生體重、頭圍和出生長度。

總結

砷汙染的主要來源包括飲用水、食品和工業廢物。砷損害精子質量，降低精子數量，精子活力，誘導精子凋亡，以及睾丸和附睾組織和精子DNA受損。砷的生殖毒性知之甚少，砷誘導的男性生殖毒性的分子機製尚不清楚。炎症反應、氧化應激、自噬和細胞凋亡是一些可能的砷介導的毒性途徑。未來的研究需要確定更多的植物成分並了解它們的分子機製，以完全減輕或逆轉砷中毒的有害影響。

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