中华预防医学杂志    2018年01期 武汉市大气PM10暴露对精液质量的影响    PDF     文章点击量:894    
中华预防医学杂志2018年01期
中华医学会主办。
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王笑臣 田晓佳 叶波 马露 张怡 杨菁
WangXiaochen,TianXiaojia,YeBo,MaLu,ZhangYi,YangJing
武汉市大气PM10暴露对精液质量的影响
The effect of ambient PM10 on sperm quality in Wuhan
中华预防医学杂志, 2018,52(1)
http://dx.doi.org/10.3760/cma.j.issn.0253-9624.2018.01.014

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投稿日期: 2017-07-15
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武汉市大气PM10暴露对精液质量的影响
王笑臣 田晓佳 叶波 马露 张怡 杨菁     
王笑臣 430060 武汉大学人民医院生殖医学中心
田晓佳 430060 武汉大学人民医院健康学院
叶波 430060 武汉大学人民医院健康学院
马露 430060 武汉大学人民医院健康学院
张怡 430060 武汉大学人民医院生殖医学中心
杨菁 430060 武汉大学人民医院生殖医学中心
摘要: 目的  探索PM10暴露在精子生成的不同阶段对精液质量的影响。方法  以2013年4月至2015年1月赴武汉大学人民医院生殖医学中心就诊的1 827名武汉籍男性作为研究对象。收集武汉市污染物的浓度和气象数据,控制年龄、BMI等混杂因素后,建立广义线性模型,研究PM10暴露与取精前(lag)0~9、10~14、15~69、70~90 d以及0~90 d对精液质量的影响。结果  2013年1月至2015年1月,PM10的日平均浓度为(116.2±71.6)μg/m3。研究对象的精液浓度为(75.4±49.1)×106个/ml,前向运动的精子比例为(29.4±16.2)%,精子总活力为(51.8±21.6)%。PM10暴露在lag70~90 d与精液浓度呈负相关(β:-0.319; 95%CI:-0.529,-0.046),在lag0~90 d的暴露区间,PM10暴露与前向运动精子比例(β:-0.312; 95%CI:-0.527,-0.097)以及精子的总活力(β:-0.347; 95%CI:-0.636,-0.059)亦呈负相关。结论  武汉市大气PM10暴露可能与精液浓度和精子活力下降有关,且对于精子浓度的影响在精子发生的前期更为显著。
关键词 :颗粒物;精子计数;PM10;精子发生;横断面研究
The effect of ambient PM10 on sperm quality in Wuhan
WangXiaochen,TianXiaojia,YeBo,MaLu,ZhangYi,YangJing     
Reproductive Medicine Center, Renmin Hospital of Wuhan University, Wuhan 430060, China
Corresponding author: Yang Jing, Email: dryangqing@hotmail.com
Abstract:Objective  To investigate the effect of exposure to particulate matter ≤10 μm in aerodynamic diameter (PM10) on sperm quality in different stages of sperm development.Methods  This cross-sectional study included 1 827 patients attending the reproductive medicine center in Renmin Hospital of Wuhan University during April 2013 to January 2015. Air pollution data from January 2013 to January 2015 was obtained from the database of Wuhan Municipal Environmental Protection Bureau. The generalized linear model was employed to assess the association between each exposure variables and sperm parameters for several exposure windows (0-9, 10-14, 15-69, 70-90, 0-90 days before sampling) .Results  The average levels of PM10 was (116.2±71.6) μg/m3 during the research period. Sperm volume was (75.4±49.1) ×106/ml in sample population, (29.4±16.2) % in progressive motility and (51.8±21.6) % in total motility. Exposure to PM10 was inversely associated with sperm concentration (β:-0.319; 95%CI:-0.529,-0.046) during 70-90 lag days. PM10 exposure during the 0-90 lag days was significantly associated with progressive motility (β:-0.312; 95%CI:-0.527,-0.097) and total motility (β:-0.347; 95%CI:-0.636,-0.059) after adjusted for age, education level, BMI, smoking, abstinence time, temperature, humidity and season.Conclusion  Exposure to PM10 was associated with statistically significant decrements in sperm concentration and motility, and the adverse impact on sperm concentration was significantly in early phases of spermatogenesis.
Key words :Particulate matter;Sperm count;PM10;Spermatogenesis;Cross-sectional study
全文

根据中国人口协会的统计,我国大约有10%~15%的家庭受到不孕不育的困扰,其中与男性相关的因素约占50%[1]。精液质量是反映男性生殖能力的重要指标之一。有研究提示,在过去的几十年间,我国正常男性的精液质量呈现下降的趋势[2]。影响男性精液质量的因素多种多样,除去遗传和心理因素外,还受到生活习惯和环境污染物暴露的影响[3,4]。武汉市作为华中地区人口超过1 000万的传统工业城市,由于城区改造和机动车数量的增长,面临着严峻的大气污染[5]。有研究表明,大气污染物中的多种物理化学因素可能影响男性的生殖能力[6,7,8]。因此,大气污染与精液质量的相关关系成为研究的热点。PM10这种粒径≤10 μm的可吸入颗粒物,由于其表面积大,吸附力强[9],与心血管系统、呼吸系统等疾病的发生发展密切相关,甚至会引起死亡率的上升[10]。但目前空气PM10浓度与精液质量的流行病学研究尚鲜见报道。
        精子是在生精小管内发生的有序过程,经过干细胞增殖、减数分裂等过程形成精子细胞,共需约74 d。精子细胞形成之后存储于附睾中大概14~16 d,而刚进入附睾的5~6 d,其在附睾液的浸润作用下获得前向运动的能力发育成熟,因此90 d是公认的研究精子生成全程的时间[11]。既往的研究往往着眼于精子发生的全程,而本研究在此基础上,探讨PM10在精子发生的关键阶段的作用,从而为研究大气污染与精液质量的关系以及男性生育力的保护提供新的思路。

对象与方法  

一、对象  以2013年4月至2015年1月赴武汉大学人民医院生殖医学中心行精液分析的就诊者作为研究对象。数据均来源于医院的数据库,数据依据编码识别,不涉及患者隐私。所有患者通过详细的问卷调查和体格检查,以获得基本资料,包含身体状况、教育水平、居留地、吸烟水平等,并经过分级评分后纳入分析体系。研究对象的纳入标准为:武汉籍20~40岁的健康男性,取样前至少3个月居留武汉市;排除标准为:勃起障碍或射精障碍者,精液不液化者,由于遗传或生理因素导致的无精症患者,可能的职业暴露人群以及有不孕症的危险因素病史或在进行不孕症的治疗的患者。本研究通过了武汉大学伦理委员会审批,所有调查对象签署知情同意。

二、方法  

1.精液数据的采集:  研究对象被要求在禁欲2~7 d后,通过手淫的方式获取精液样本。通过对禁欲时间的限制,使取样的精子生精过程相对同步,从而评估污染物对精子生成不同阶段的影响。所有的精液样本被收集在无菌的广口玻璃瓶中,并在1 h内进行分析。精液样本需在37 ℃液化20 min,以避免脱水、pH以及温度变化带来的影响。而后通过北京伟力新世纪科技发展有限公司的WLJY-9000型伟力彩色精子质量检测系统(computer assisted semen analysis software,CASA)对精液浓度、精子总数、前向运动精子比例、精子总活力以及精液体积进行分析。所有的操作均按照WHO实验室标准化操作指南执行,并仅由一名受过专业训练的技术人员进行,同时对实验室定期进行质控[12]

2.环境污染物暴露水平与气象数据:  环境污染物(PM10、NO2、SO2)的数据来源于武汉市环保局,提取数据的时间区间为2013年1月至2015年1月,同时通过中国气象数据共享服务系统提取了同期的每日平均温度和相对湿度数据。武汉市环保局下辖10个监测站点,覆盖武汉全市,数据每日更新,取10个站点的日值作为当日污染物的暴露水平。所有的站点依据政府规定,与交通路口,燃煤以及垃圾堆等污染源保持充足的距离。为了评估精子发生的不同阶段(包括精子在附睾中的储存,精子前向运动能力的获得,减数分裂,精原细胞的发生以及全程)PM10暴露对精子质量的影响,分别对应选取取精前0~9、10~14、15~69、70~90 d以及0~90 d的PM10的累计平均浓度作为暴露的指标,气象数据以及其他污染物选取同区间的平均值纳入分析体系。

三、统计学分析  

1.一般统计描述:  研究对象的年龄、身高、BMI、精液浓度、精子总数、前向运动精子比例、精子总活力、精液体积以及PM10、NO2、SO2浓度符合正态分布,采用±s进行描述。

2.相关性分析:  构建PM10在研究区间内的时间浓度趋势图。Person相关性分析被用来分析污染物和气象数据间的相关性。

3.建立广义线性模型:  构建广义线性模型用以进行污染物的暴露和精液质量相关关系的评估。为了建立稳定的模型进行分析,在赤池信息准则(Akaike information criterion,AIC)的指导下,于广义线性模型中逐步加入研究对象的人口学资料以及气象数据作为控制因素,以对模型进行质量评估。在最终确定的模型中控制的潜在混杂因素有:BMI、年龄、教育水平、吸烟情况、禁欲时间、季节、日平均温度和湿度。在单污染物模型中,本研究分析了PM10累计滞后0~9 d(lag 0~9 d)、10~14 d(lag 10~14 d)、15~69 d(lag 15~69 d)、70~90 d(lag 70~90 d)、以及0~90 d(lag 0~90 d)对精液质量的影响。同时在单污染物模型的基础上将NO2及SO2纳入模型,以评价污染物作用的稳定性。本研究所有的统计学分析采用SPSS 17.0以及R 3.4.1软件进行。所有的检验为双侧,以P<0.05为差异有统计学意义。

结果  

一、基本情况  研究对象的人口学特征如表1所示。在研究期间,共有1 827份研究对象的精液资料被纳入了分析体系。研究对象的身高为(172.3±5.4)cm,体重为(70.6±11.2)kg,BMI为(23.7±3.3)kg/m2。研究人群中年龄≥35岁的有569名(31.14%),本科及以上学历的有621名(33.99%)。1 160名(63.49%)调查对象从不抽烟,每日抽烟10支及以上的为395名(21.62%)。患者取精的季节分布,以春季最多(568名,31.09%),冬季最少(326名,17.85%)。

表1研究对象的基本情况

二、精液质量  如表2所示,研究人群的精液浓度为(75.4±49.1)×106个/ml,精子总数为(163.2±131.9)×106个,前向运动的精子比例为(29.4±16.2)%,精子总活力为(51.8±21.6)%,精液体积为(2.2±0.8)ml。根据WHO的标准[12],研究对象的平均精液浓度以及精液体积均属正常,仅前向运动精子比例略低于标准(≥32%)。

表22013年1月至2015年1月武汉市的气象情况和研究对象的精液质量

三、污染物的暴露水平以及气象数据  研究期间的PM10的日均浓度为(116.2±71.6)μg/m3,NO2的日均浓度为(56.7±23.8)μg/m3,SO2的日均浓度为(26.5±20.2)μg/m3。根据WHO标准[13],在为期两年研究区间中PM10日均浓度高于推荐值的天数高达520 d。研究期间PM10的时间趋势图1所示,以秋冬季节污染较重,春夏较轻。研究期间相对湿度为(77.9±10.2)%,日平均温度为(18.1±8.6)℃。Person相关性分析提示,PM10、NO2、SO2污染物间呈现正相关关系(P<0.01)。平均温度与各个污染物以及相对湿度间呈现负相关(P<0.01),相对湿度与NO2的相关性系数为-0.064(P<0.01)(表3)。

表32013年1月至2015年1月武汉市大气污染物与气象数据的相关系数
图12013年1月至2015年1月武汉市PM10日均浓度趋势图

四、不同暴露窗PM10对精液质量的影响  如表4所示,在单污染物模型中,控制混杂因素之后,PM10暴露在lag70~90 d的研究区间,与精液浓度呈负相关(β:-0.319; 95%CI:-0.529,-0.046);在lag0~90 d的暴露区间,PM10暴露对前向运动精子比例(β:-0.312; 95%CI:-0.527,-0.097)以及精子的总活力(β: 0.347; 95%CI:-0.636,-0.059)亦呈负相关。在各个暴露区间,PM10与精液体积以及精子总数变化的差异均无统计学意义(P>0.05)。

表4不同滞后天数下武汉市PM10浓度与调查男性精液质量关系的广义线性回归结果

五、敏感性分析  双污染物模型下不同暴露区间PM10对精液质量的影响如图2所示。在控制了NO2的影响后,PM10同样显示出与单污染模型类似的效应,PM10在lag15~69 d, lag70~90 d, lag0~90 d的暴露区间与精液浓度呈负相关(P<0.05),提示了其对精液质量影响的稳定性;而在控制SO2的影响后,PM10暴露在lag0~9 d的暴露区间与精液浓度、精子活力和精子总数存在正相关性,但差异没有统计学意义。在双污染模型中,同样未发现PM10对精液体积和精子总数的变化有影响。

图2不同滞后天数下武汉市PM10浓度对调查男性精液质量影响的敏感性分析

讨论  本研究通过分析武汉市成年男性的精液数据,探索大气中PM10暴露对精子生成各个阶段的影响。结果发现,PM10暴露与精液浓度的下降和精子活力的降低相关,既往也有研究在不同的地域和暴露时间下,发现PM10对精液质量相似的作用[6,14,15]。然而在重庆进行的一项研究中,对比了空气污染对精液质量影响的城乡差异后,却提示PM10暴露与精液浓度呈现正相关[6]。由于该研究的取精时间多为晚冬和早春季节,而寒冷季节取精常伴随精液浓度的上升[16,17],因此其结果差异可能是因季节因素导致的。本研究中并未发现PM10的暴露与精液体积的改变有关,而意大利的一项回顾性队列研究提示,PM10在lag0~90 d的暴露区间内与精液体积呈现正相关,但与精子的正常形态率呈负相关[14]。目前大多数研究提示污染物的暴露会影响精液质量中的至少一项指标,然而由于研究设计不同、地区污染物组分差异、以及精液测定手段的不同,导致结果缺乏统一性。而进一步完善前瞻性队列研究设计,是判断二者因果关系所必需的。
        本研究重点关注了PM10暴露对精子发生的关键阶段的影响。无论是在单污染模型(lag70~90 d)中还是在排除NO2的影响(lag15~90 d)之后,均提示PM10暴露在精子发生的前期对精液浓度负面影响更为显著,可能与此阶段细胞分裂活跃,染色体自修复机制不强,易受到周围环境污染物的影响有关[18]。而在控制了SO2的影响后,PM10在lag0~9 d的暴露区间与精液浓度和精子活力呈现正相关,但无统计学意义(P>0.05)。既往的研究中提示SO2暴露会影响精子活力和精液浓度[15],因此在控制SO2的影响后可能会监测到PM10作用的变化。然而空气污染对健康的影响是多种污染物复合作用的结果,并且本研究中各污染物浓度之间存在较强相关性,因此难以判断各污染物对精液质量具体影响和程度。但有研究指出颗粒物的环境浓度与颗粒物的个体暴露水平相关,气态污染物的环境浓度与气态污染物的个体暴露水平却不相关,而与颗粒物的个体暴露水平存在紧密的联系,这提示气态污染物对人体健康的影响很有可能归功于颗粒物的作用[19]
        关于PM10暴露影响精子质量的机制目前尚无定论,有研究指出,PM10可能引起精子非整倍的产生,进而导致精液质量的下降[20]。Rubes等[21]认为PM10进入人体后会引起反应性的代谢物,这些代谢物可以到达睾丸,从而与精子的DNA发生反应形成复合物,引起DNA碎片增加。而DNA的片段化则可能引起精子形态和运动性改变。同时一些研究表明,附着在颗粒物上的过渡金属元素(铁、铜等)可以导致脂质的过氧化催化氧自由基的产生,同时颗粒物刺激自身的免疫系统可以导致大量活性氧的产生,体内过多的ROS容易损伤DNA合成,催化蛋白的氧化水解,从而影响精子的发生,引起精液质量的下降[22]。此外颗粒物进入体内所可能引起的炎症反应、细胞凋亡等亦可能是精液质量下降的影响因素[10]
        本研究尝试探索PM10在生精周期的不同阶段对精液质量的影响,而鉴于我国广泛存在的大气颗粒物污染以及日益严峻的生殖健康挑战,本研究警示了颗粒物污染与精液质量下滑可能的相关性,进一步突出了污染防治的迫切需要,为男性生殖健康的基础研究提供了新思路。同时我们的研究也具有一定的局限性,由于污染物水平的测定是在室外进行的,但受限于调查问卷,我们无法明确个体的活动范围和强度,同时个体暴露水平也受到室内污染物浓度、经济社会地位的影响,因此以地区的污染物的平均水平作为暴露的估计值,不能准确反映个体的真实暴露水平。单研究中心的设计可能是我们研究的潜在缺陷,同时尽管制定了严格的纳入排除标准并调整了混杂因素,主要参与者来源于医院使得研究结果不能良好地反映普通人群的情况。
        综上所述,本研究提示PM10暴露与精液质量下降有关,且对于精子浓度的影响在精子发生的前期更为显著。在进一步的研究中需要建立更为优秀的表征污染物暴露的模型,以充分反映颗粒物暴露对男性生育健康的影响,从而验证本研究的结果。

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