实锤：LC-MS代谢组学助力男性不育与环境污染物相关性研究

2020年7月11日，南开大学环境污染过程与基准教育部重点实验室姚义鸣等在Sci Total Environ 发表了题为“Phthalate exposure and semen quality in infertile male population from Tianjin, China: Associations and potential mediation by reproductive hormones”的研究文章，通过邻苯二甲酸酯类物质的暴露与中国天津市不育男性人群精子质量的相关性研究发现血清mPAE水平是男性不育问题的良好预测指标。

研究背景

邻苯二甲酸酯（Phthalate Esters，PAEs）被广泛用作各种商业和工业产品的增塑剂，如食品包装、玩具、建筑用品、医疗器械和个人护理产品等。由于PAEs不与聚合物共价结合，因此它们可以很容易地释放并进入环境中，目前在农业土壤、地表水、室内空气、室内灰尘和纺织品等多种环境基质中检测到。

PAEs的普遍存在导致其易于通过皮肤吸收、空气吸入和饮食摄入而暴露在人体中。尽管PAEs被认为不具有生物累积性，且消除半衰期短，小于3小时，但暴露是连续的。PAEs能被快速代谢成邻苯二甲酸单酯（mPAEs），以便进一步从人体排出。PAEs和mPAEs都被认为是对动物和人类健康有不良影响的内分泌干扰物（EDC），它们可能通过激活雌激素受体ERα和ERβ以及抑制雄激素受体（AR）结合而产生不良影响。

由于mPAEs具有很高的水溶性，很可能通过尿液从人体内排出。因此，尿液中的mPAEs经常被用作PAE暴露及其与某些健康原因相关的敏感性生物标志物。在西方国家，1973年至2011年间，普通男性人口的精子数量下降了50-60%。这些研究一致推断环境毒素对男性生育能力的潜在影响。尽管在实验研究中已经提出了PAEs暴露与男性生殖功能受损之间的关联，但流行病学研究的证据仍然很少且存在争议，尤其是mPAEs与精子质量和生殖激素之间的关联方面。

因此，本文对一个中国男性人群进行了个案研究，以探讨PAEs暴露与精子质量和激素水平之间的关系。本研究旨在阐明男性不育人群血清和尿液中mPAEs水平的差异及其与生殖激素的关系，以及它们对精子质量诊断的潜在指示作用。

研究思路

本研究思路清晰，如下图所示，通过对88名不育男性志愿者精子质量、睾酮T、卵泡刺激素FSH和促黄体生成素LH及其血清/尿液PAEs浓度水平分析，研究PAEs对男性不育的影响。

1.血清/尿液mPAEs浓度水平分析

通过LC-MS代谢组学技术分别分析了尿液及血液样本中mPAEs的浓度水平，发现尿液样本中85%以上的mPAEs可以测到，而MEOHP仅在研究人群约30%的尿液样本中检测到，∑LMWP显著高于∑HMWP，如图1（尿液）所示，尿液中mPAEs水平在不同年龄组和BMI组无明显差异。

而研究人群血清中mPAEs的检出率为15.9%-93.2%，大多数mPAEs的平均水平比尿液中的低1-2个数量级。MCMHP、MECPP和MEHP的检出率最高，为84.1%～93.2%。血清中MEOHP检出率为55.7%，高于尿标本，而MMP在血清中检出率较低（15.9%）。如图1（血清）所示，通过比较BMI组和年龄组的mPAE浓度发现，“BMI＜24”中的MECPP、MEHHP、MEHP和∑mPAE低于“BMI≥24”（P＜0.05），“年龄≤30”组的MECPP、∑mDEHP和∑HMWP高于“年龄＞30”组（P＜0.05）。尿液mPAEs与血清mPAEs呈正相关，表明尿液mPAEs可作为PAEs暴露的生物标志物。

图1 | 尿液中mPAEs的浓度水平（ng/mL）/血清中mPAEs的浓度水平（ng/mL）

2.mPAEs与精子质量相关性分析

精子质量参数包括：精液量、精子浓度、精子总数、精子活动率和性活动。

通过采用Spearman秩相关分析来估计研究人群尿液和血清中mPAEs与精子质量的相关性，如表5所示，在血清中发现PAE暴露与精子质量之间存在一些关联。

其中，∑mPAE与精子浓度（β=0.027，95%CI:0.003，0.051）、精子活动率（β=0.019，95%CI:0.001，0.038）和进行性活动（β=0.057，95%CI:0.002，0.112）呈正相关。MECPP与精液量（β=0.027，95% CI:0.003，0.051）和精子总数（β=0.069，95% CI:0.007，0.132）呈正相关。

此外，MCMHP与进行性运动呈显著正相关（β=0.027，95% CI:0.009，0.046）。与∑mPAE和MCMHP相比，MEOHP与进行性运动呈负相关（β=−0.025，95% CI：−0.050，0.000）。

表5 | 天津地区男性不育患者血清mPAEs与精液参数相关性的多元线性回归分析（n=88）（统计学意义上的关联用粗体表示）。

总的来说，虽然血清mPAEs的检出率低于尿液，但本文发现血清mPAEs水平与精液和生殖激素参数之间的相关性更大，这表明血清mPAEs可以更准确地预测流行病学研究中潜在的不良反应。

3.mPAEs与生殖激素相关性分析

通过采用Spearman秩相关分析来估计研究人群尿液和血清中mPAEs与生殖激素的相关性，分析发现尿液中只有MiBP与FSH呈负相关（β=−0.661，95% CI：−1.22，−0.104）。mPAEs和生殖激素之间没有发现其他关联。如表7所示，在血清中∑mPAE与T（β=-0.044，95% CI:-0.084，−0.004）和LH（β=-0.017，95% CI:-0.031，−0.004）呈负相关。此外，MCMHP与FSH呈负相关（β=−0.040，95% CI:−0.077，−0.003），∑mDEHP与T呈正相关（β=0.048，95% CI:0.006，0.090）。这个结果表明PAEs暴露对HPG轴和男性生育有潜在影响。

表7 | 天津市不孕男性人群血清mPAEs与生殖激素的线性关系（n=88）（统计学意义上的关联用粗体表示）。

4.中介分析

根据mPAEs与精液参数、mPAEs与血清生殖激素的关系，推测激素在PAEs暴露与精子质量之间的中介作用。如表8所示，本文首次发现激素在精子质量和血清mPAEs水平之间起中介作用。在本研究中，FSH介导的进行性运动与血清MCMHP呈正相关，中介率为41.6%；LH介导血清∑mPAE与精子浓度（45.7%）和精子活动率（29.0%）呈正相关。

表8 | 生殖激素是否介导PAE暴露与精液参数关系的中介效应（n=88）。

本文为天津地区不育男性主要接触DiBP、DBP和DEHP，导致血清和尿液中MiBP、MnBP和∑mDEHP水平升高提供了证据。血清mPAEs浓度与血清生殖激素呈负相关，提示PAEs暴露对HPG轴和男性生育有潜在影响。血清mPAEs浓度与精液参数呈正相关。虽然血清中检测到低水平的mPAEs，但血清mPAEs和预后之间的关联表明了血清生物标志物的重要性。

从男性生育角度探讨了PAE暴露的内分泌破坏机制，探讨并验证了生殖激素对精子质量的中介作用。然而，不同mPAEs与精液参数之间的关系需要在更大的人群基础上进一步验证。此外，通过毒理学研究系统地阐述其内在机制是有必要的。

目前，大量研究表明环境污染物邻苯二甲酸酯（PAEs）、双酚类（BPs）具有明显的雌激素作用，不仅会对内分泌系统、生殖系统及免疫系统等造成危害，还会导致儿童性早熟、男性不育、女性内分泌失调等疾病，而且这类物质目前广泛存在在人类生活环境中，通过皮肤吸收、空气吸入和饮食摄入等方式进入人体，对人体健康存在潜在风险。鹿明生物为您提供PAEs等环境雌激素检测及无创代谢组（血清/血浆/全血代谢组、尿液代谢组、粪便代谢组、细胞代谢组）的整合分析服务，为环境与健康相关研究提供技术支持。

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zoe  撰文

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