论文标题：Effects of maternal inhalation of carbon black nanoparticles on reproductive and fertility parameters in a four-generation study of male mice

期刊：Particle and Fibre Toxicology

作者：Astrid Skovmand, Alexander C. Ø. Jensen, Clotilde Maurice, Francesco Marchetti, Anna J. Lauvås, Ismo K. Koponen, Keld A. Jensen, Sandra Goericke-Pesch, Ulla Vogel and Karin S. Hougaard

发表时间：2019/03/18

数字识别码：10.1186/s12989-019-0295-3

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炭黑纳米颗粒（carbon black nanoparticles）被广泛应用于橡胶制品中，它是塑料、油漆和油墨中的一种常见颜料，同时也被用于模拟空气污染颗粒的研究。以往的研究已经证实这些颗粒具有毒性作用，如小鼠研究表明，母体暴露于炭黑纳米颗粒会影响雄性小鼠后代的精子数量。在接下来的分享中，Karin Sørig Hougaard博士和他的博士生Astrid Skovmand讨论了他们近期发表在Particle and Fibre Toxicology上的一篇文章。这篇论文中报告的研究结果与先前的研究不同，指出母体暴露于炭黑纳米颗粒并不会影响雄性小鼠后代（第四代）的精子数量。

汽车尾气。图片来源：flickr/Simone Ramella

是什么促使您想要研究这一问题？

我们研究小组已经针对孕妇职业暴露对胎儿编程（fetal programming）的影响开展了20多年的相关研究，以探究这些职业暴露是否会对怀孕期间工作的妇女构成风险。胎儿编程假说认为环境因素可能影响胎儿的发育，从而使孩子为出生后的生存条件做好准备。自2006年以来，我们开展的大部分研究都集中在通过吸入纳米级颗粒对胎儿编程的潜在影响上。

在过去十年中，显而易见的是，许多后代胎儿的器官（例如中枢神经、心血管和免疫系统）可能受到母体在颗粒物环境中暴露的影响。由于生殖功能是个体生命中非常重要的一部分，因此我们想了解母体呼吸道暴露于颗粒物是否也会影响男性后代的生殖功能。在丹麦，育龄期女性的就业率很高，因此，产前职业暴露的不利影响是我们特别感兴趣的一个研究领域。

您能否谈谈该领域之前的相关研究，以及您的这项研究是如何在此基础上开展的?

此前只有少数研究调查了颗粒物暴露的结果。该领域的第一项研究是在妊娠期间将妊娠小鼠暴露于纳米炭黑颗粒中两次。结果在雄性后代中观察到睾丸结构变化和每日精子生成量减少。

随后，我们研究小组发现，在母体暴露于炭黑颗粒后，后代的精子生成量减少，但这是发生在雄性生殖系的第二代后代中，而不是在第一代雄性后代中。这让我们不得不思考，母体接触是否不仅会影响第一代，也会影响之后的后代。因此，我们设计了这项四代研究。

这种模型在多大程度上可反映人类中的情况？

一些监管指南建议使用啮齿类动物研究来调查母体接触化学物质对后代生殖能力的潜在影响。在这项研究中，我们使用了职业相关暴露水平下与人类最相关的暴露途径，即吸入。

工程纳米颗粒的职业性暴露可能发生在生产、精炼、装袋和运输过程中。某些职业，如消防员和焊接工，也可能接触到高浓度的纳米颗粒。然而，炭黑颗粒通常用于模拟空气污染颗粒的暴露，例如来自柴油燃烧的污染颗粒。接触后者可能发生在工作和私人生活中。

在我们的研究中，暴露开始于妊娠第4天，但在职业暴露的妇女中，暴露可能早在怀孕前就开始了，因此颗粒可能在肺组织中蓄积，并可能在受精时移位到生殖器官中。人类和啮齿类动物胎盘之间的差异，即构成母体与胎儿之间的界面并负责营养物质交换的器官，也可能暗示人体内有更多的颗粒可以转移到胎儿体内。最后，人类可能比小鼠更容易受到有毒物质的伤害。我们确实缺乏关于生殖毒性颗粒测试的标准测试方案和模型适用性的相关知识。

您能给我们讲讲实验是如何设计的？特别是所使用的剂量代表什么吗？

妊娠小鼠从妊娠第4天至第18天（即小鼠妊娠20天中的15天）每天暴露45分钟。在丹麦，炭黑颗粒的加权平均职业暴露极限为3.5 mg/m3，暴露时间约8小时。本研究中，低剂量组小鼠平均暴露于4.6 mg/m3颗粒物，高剂量组暴露于37 mg/m3颗粒物，暴露时间为45分钟。这分别相当于1小时和8小时的平均职业暴露。因此，我们以职业相关暴露水平为标准研究了小鼠暴露于炭黑颗粒物的情况。

这项研究带来哪些启示？下一步的研究计划是什么?

结果令人欣慰，因为我们在四代雄性小鼠中的任何一代中均未观察到母体暴露于炭黑颗粒后对雄性动物生育力的不良影响。但是，现在就得出“丹麦人群在职业暴露限度内暴露于碳颗粒不会对男性后代的生殖能力造成危害”这一结论还为时过早。这是因为人类可能比小鼠更容易受到有毒物质的伤害，而且如上所述，人类可能在妊娠前就已经开始接触有毒物质了。

有趣的是，在我们研究的第一代雄性和雌性小鼠中，我们观察到了中枢神经系统的变化，这表明炭黑颗粒对其他器官系统的毒性作用可能低于雄性生殖发育毒性的水平。关于我们下一步的工作，我们已经收集了几代后代的样本，并非常有兴趣与相关研究人员建立联系，来探索由母体暴露于颗粒而引起的四代小鼠的表观遗传学变化。

Karin Sørig Hougaard博士是丹麦纳米安全中心、国家工作环境研究中心的高级研究员，也是哥本哈根大学生殖毒理学兼职教授。她利用实验动物模型以及流行病学研究方法来研究工作环境中接触有害物质对生殖的潜在影响。

Astrid Skovmand是哥本哈根大学、丹麦纳米安全中心、国家工作环境研究中心的博士研究生。她对环境如何影响人类健康和毒理学有着浓厚的兴趣。她拥有健康科学学士学位和环境化学与健康科学硕士学位。

摘要：

Background

Previous findings indicate that in utero exposure to nanoparticles may affect the reproductive system in male offspring. Effects such as decreased sperm counts and testicular structural changes in F1 males have been reported following maternal airway exposure to carbon black during gestation. In addition, a previous study in our laboratory suggested that the effects of in utero exposure of nanoparticles may span further than the first generation, as sperm content per gram of testis was significantly lowered in F2 males. In the present study we assessed male fertility parameters following in utero inhalation exposure to carbon black in four generations of mice.

Results

Filter measurements demonstrated that the time-mated females were exposed to a mean total suspended particle mass concentration of 4.79 ± 1.86 or 33.87 ± 14.77 mg/m3 for the low and high exposure, respectively. The control exposure was below the detection limit (LOD 0.08 mg/m3). Exposure did not affect gestation and litter parameters in any generation. No significant changes were observed in body and reproductive organ weights, epididymal sperm parameters, daily sperm production, plasma testosterone or fertility.

Conclusion

In utero exposure to carbon black nanoparticles, at occupationally relevant exposure levels, via maternal whole body inhalation did not affect male-specific reproductive, fertility and litter parameters in four generations of mice.

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期刊介绍:

Particle and Fibre Toxicology(https://particleandfibretoxicology.biomedcentral.com/,6.105 - 2-year Impact Factor, 8.889 - 5-year Impact Factor) is an open access, peer-reviewed, online multi-disciplinary journal for new scientific data, hypotheses and reviews on the toxicological effects of particles and fibres; it functions as a forum for scientific debate and communication among toxicologists as well as scientists from other disciplines that produce and develop particle and fibre materials, including material sciences, biomaterials and nanomedicine.

（来源：科学网）