环境化学与生态毒理学国家重点实验室胡立刚课题组在人群精子中外源金属赋存研究方面取得进展。相关成果以“Exogenous Metals Atlas in Spermatozoa at Single-Cell Resolution in Relation to Human Semen Quality”为题于2023年5月7日在ES&T上正式上线。

　　精液质量下降是全球性的健康问题。研究表明，在西方国家健康育龄男性中，精子浓度在1973至2011年间下降了52.4%。国内学者在武汉等城市育龄健康男性中也发现了类似的下降趋势。过去几十年间环境污染的不断加剧可能是导致男性精液质量短期急剧下降的重要原因之一。大量毒理学和人群研究证据表明，外源毒性金属如镉（Cd）、Pb、钒（V）和镍（Ni）等与精子前向运动活力、总活力、精子正常形态率下降有关。与此同时，必需微量元素钼（Mo）、锌（Zn）、锶（Sr）等与精子浓度、活力、总数等升高有关。但既往人群研究大多使用血、尿、精浆中的金属评估个体暴露水平，尚无研究直接测定精子细胞中的金属含量，因此均无法精准评估精子细胞中的金属含量对精液质量的影响。精子具有高度异质性，即使是同一个体的精子形态和大小也存在很大变异。在单个细胞水平上，外源金属在细胞之间极有可能也具有较大差异。为了更精确地确定金属暴露与精液质量之间的关联，建立能够检测单精子中含量极低的金属含量极具挑战，但至关重要。

　　图1 人群精子中外源金属赋存特征与精液质量关联性分析策略图

　　本研究利用倾向评分法纳入了84名在湖北省人类精子库行捐精筛查的育龄男性，基于质谱流式细胞仪（CyTOF）技术建立了单细胞水平的外源金属细胞图谱，识别并测定了5万多个单精子中的18种金属。在发现阶段先利用聚类分析、多变量线性回归等模型，探讨了捐精筛查男性基线（第0天）单细胞精子中外源金属的异质性特征及其与精液质量的关联，发现单细胞水平上外源金属在精子中的赋存具有异质性和多样性，且铅（Pb）、锡（Sn）、铱（Y）、和镐（Zr）的异质性指数和分布广泛性指数与精子密度和总数显著相关；在验证阶段对该研究人群进行为期90天的随访（第1~90天），重复采集其精液样本，并利用混合模型进一步验证了上述关联。本研究首次全面深入地分析了单细胞分辨率下育龄男性精子中外源金属的异质性特征与精液质量的关联。发现单细胞水平上外源金属在精子中的赋存具有异质性和多样性，发现阶段和验证阶段的关联性分析均显示Pb、 Sn、Y、和 Zr的异质性指数和分布广泛性指数与精子密度和总数显著相关，提示精子中外源金属的异质性特征与精液质量密切相关，外源金属的异质性特征有望用于精准评估金属暴露的男性生殖健康效应。

　　国科大杭州高等研究院博士后刘念与福建医科大学附属第一医院副研究员陈亨贵为共同第一作者，胡立刚研究员与哈佛大学博士后汪一心为共同通讯作者。该项目得到了国家自然科学基金委和中国博士后科学基金会的资助

　　论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.2c08838