《Journal of Hazardous Materials》：The presence of microplastics in human semen and the protective role of nicotinamide mononucleotide against polystyrene nanoplastics-induced reproductive and early embryonic toxicity
编辑推荐：
纳米微塑料对精子损伤及烟酰胺单核苷酸保护机制研究。使用激光直接红外光谱技术证实人类精子中存在微塑料，尤其是500纳米聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）通过诱导氧化应激破坏线粒体功能，降低精子活力和DNA完整性。动物实验显示PS-NPs暴露导致睾丸转录组紊乱及胚胎发育毒性，而补充NMN可有效逆转上述损伤。
作者：范仁 | 裴敬良 | 李乐 | 王迪远 | 霍凤丹 | 邱鹏云 | 刘英东
中国山东省潍坊市山东第二医科大学附属医院生殖医学科
摘要
纳米（微）塑料（NMPs）是普遍存在的环境污染物，对男性生殖健康构成重大潜在风险。然而，它们对人类精子的尺寸依赖性影响及其潜在机制尚未得到充分研究，有效的干预措施也缺乏。本研究利用人类和小鼠模型评估了聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）的生殖危害，并探讨了烟酰胺单核苷酸（NMN）作为潜在干预措施的保护作用。通过激光直接红外光谱（LDIR）技术，我们在人类精液样本中检测到了微塑料（MPs），其中聚苯乙烯是最常见的聚合物之一。体外实验表明，500纳米的PS-NPs会剂量依赖性地损害精子活力，增加活性氧（ROS）的产生，破坏线粒体膜电位（MMP）和DNA片段化指数（DFI），而NMN通过恢复细胞的抗氧化能力有效逆转了这些效应。体内实验显示，父亲暴露于PS-NPs会导致睾丸中的转录组紊乱——包括炎症和细胞外基质功能障碍通路的富集——并降低精子质量和早期胚胎发育，同时增加胚胎中的ROS水平。重要的是，NMN联合治疗改善了这些变化，显著恢复了与生殖和胚胎发育相关的转录谱。本研究使用LDIR技术提供了人类精液中存在MPs的观察证据。我们的发现表明，500纳米的PS-NPs通过线粒体氧化应激导致精子功能损伤，并确立了NMN作为缓解PS-NPs引起的生殖和早期胚胎毒性的有希望的治疗策略。
引言
塑料是一种在日常生活中广泛使用的关键材料，预计到2025年全球产量将达到4.4525亿吨[1]。然而，塑料在自然界中难以降解，并会逐渐分解成更小的颗粒，加剧全球塑料污染[2]。近几十年来，人类精液质量的全球下降引发了严重的公共卫生问题，越来越多的证据表明纳米（微）塑料（NMPs）是主要原因[3]。在新兴污染物中，微塑料（MPs）——直径小于5毫米的聚合物颗粒——通过摄入、吸入和皮肤接触渗透到生态系统和人体组织中[4]。最近的生物监测研究证实了MPs存在于人体生物液体中，包括血液、胎盘，尤其是精液中，这表明男性生殖系统可能直接暴露于这些颗粒[5]、[6]。直径小于1微米的颗粒被称为纳米塑料（NPs）。较大的MPs主要通过胃肠道排出，而NPs更容易穿过生物屏障并被细胞内化，可能到达睾丸。然而，NPs的有效清除机制尚未明确[7]、[8]。最近的研究证实了NPs存在于人类精液中[9]、[10]，这引发了对其对男性生育能力潜在影响的担忧。研究表明，NPs对生殖系统的毒性大于MPs[11]。然而，NPs与人类精子功能障碍之间的因果关系及其潜在机制仍不充分明确。
聚苯乙烯（PS）是一种常见于一次性塑料中的聚合物，在环境和人体样本中经常被检测到。其纳米形式（PS-NPs）引发了特别的健康担忧[12]。在啮齿动物和斑马鱼中的研究表明，PS-NPs可以穿过血睾屏障并损害精子质量[13]、[14]，但缺乏关于其对人类精子功能的具体尺寸依赖性影响的直接证据。重要的是，尺寸是NPs毒性的关键决定因素，显著影响细胞摄取和生物相互作用[15]。较小的NPs由于体积更小，渗透人体的能力更强，表面积与体积比更高，从而提高了它们吸附污染物的能力[16]。因此，PS-NPs可能通过引发氧化损伤和DNA损伤而构成更大的威胁[17]、[18]。虽然已知氧化应激会导致男性不育，但PS-NPs在引起人类精子损伤中的具体作用尚未探索。
精子质量对线粒体功能和氧化还原平衡非常敏感。活性氧（ROS）的过量积累和线粒体功能障碍会直接损害精子活力和DNA完整性[19]。为了减轻这种损伤，我们研究了烟酰胺单核苷酸（NMN），它是重要的线粒体辅因子NAD+的前体，也是一种已知的ROS清除剂[20]。NMN通过两种机制发挥作用：（I）通过增强内源性抗氧化能力直接中和自由基；（II）通过补充NAD+维持线粒体膜完整性和生物能量功能，从而恢复精子活力所需的ATP供应[21]、[22]。最近的研究表明，NMN可以通过缓解氧化应激来改善精子发生功能障碍的小鼠的精子生成[23]。然而，关于NMN对人类精子影响的证据仍然有限，其对抗PS-NPs引起的精子功能障碍的潜力尚未得到系统评估。
尽管动物研究表明PS-NPs对精子具有毒性[24]，但关于PS-NPs对人类精子的尺寸依赖性毒性及其在细胞水平上的潜在机制的直接证据仍然有限。为了解决这些空白，本研究旨在：（1）确定人类精液中MPs的存在和聚合物组成；（2）比较500纳米PS-NPs与2-10微米PS-MPs对人类精子功能的尺寸依赖性毒性，并阐明线粒体氧化应激的核心作用；（3）使用父亲暴露于PS-NPs的小鼠模型来评估其对精子生成和早期胚胎发育的影响，并评估NMN作为干预措施的保护潜力。通过整合临床精液MPs分析、体外人类精子毒理学、小鼠父亲暴露模型和转录组分析，本研究提供了关于PS-NPs对精子危害的机制见解，并评估了NMN作为潜在干预策略的效果。
参与者
所有涉及人类精子样本的实验均获得了参与者的知情同意，他们签署了知情同意书。这些研究得到了山东第二医科大学附属医院伦理委员会的批准，批准号为2024YX166。本研究选取了48名健康男性和3名根据世界卫生组织（WHO）第六版标准诊断为少精症的男性作为精液样本收集对象（年龄
人类精液中MPs的检测
为了确定人类精液中MPs的存在和特征，本研究对六个精液样本进行了LDIR分析，包括三个正常样本和三个诊断为少精症的患者的样本（表S1）。LDIR技术能够自动分类颗粒大小和聚合物组成。通过LDIR获得的电子显微镜图像显示了精液样本中存在的各种类型、形状和大小的MPs碎片（图1A）。由于样本量较小，
讨论
NMPs在环境中的普遍存在引发了对其对男性生殖健康潜在威胁的紧迫关注[8]。先前的研究主要发现了PS-NPs对动物模型中精子质量的不良影响[14]。我们在人类精液中检测到了多种MPs，其中PS是检测率最高的聚合物之一，这与最近的大规模研究结果一致[37]、[38]。因此，我们选择了PS-NPs进行进一步深入研究
结论
总之，我们的研究表明，暴露于PS-NPs会损害人类精子功能并诱导早期胚胎毒性，主要是通过引起线粒体氧化应激和破坏转录组。重要的是要认识到NMN作为一种有效的干预措施，它通过恢复氧化还原稳态和启动父亲睾丸及早期胚胎的系统性转录重编程来缓解这些缺陷。然而，使用高浓度的外
环境影响
NMPs对男性生育能力构成重大威胁。我们证实了NMPs在人类精液中的普遍存在。本研究表明，暴露于PS-NPs不仅会损害精子质量，还会引起睾丸转录组紊乱，从而导致代际毒性，影响早期胚胎发育。重要的是，我们发现NMN是一种有希望的治疗剂，可以缓解这种生殖和代际损害。本研究的结果可能提供有价值的
资助
本工作得到了山东省自然科学基金（编号ZR2022QC080）、潍坊市卫生健康委员会项目（WFWSJK-2023-369）和山东省中医药科技项目（编号M-2023223）的支持。
CRediT作者贡献声明
李乐：验证。 王迪远：验证。 范仁：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资源获取，项目管理，资金筹集，概念构思。 裴敬良：验证。 邱鹏云：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金筹集，概念构思。 刘英东：撰写 – 审稿与编辑，验证，软件使用，方法学，研究，正式分析，数据管理。 霍凤丹：撰写 – 审稿与利益冲突声明
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
我们衷心感谢本研究的所有捐赠者，以及医院的医生和护士。图形摘要是用BioRender.com创建的。
