NLRP3炎症小体/IL-1β/AR通路在多壁碳纳米管致睾丸毒性中的作用研究

The testicular toxicity of multi-walled carbon nanotube（MWCNTs）in animals has been proved previously. However, the toxic mechanism has not been clear. We observed hindered spermatogenesis as well as elevation of IL-1β and decreased AR protein expression after MWCNTs exposure in the 3D mouse testicular cell co-culture model, which indicated the testicular toxicity of MWCNTs may be associated with inflammation and decreased AR protein expression. Based on the previously work, we hypothesized that under the action of MWCNTs, the NLRP3 inflammasome is activated and then enhance IL-1β release which acts on the AR pathway, then results in testicular toxicity. The aim of this study is to observe the role and relationship of NLRP3 inflammasome, IL-1β and AR in testicular toxicity induced by MWCNTs using NLRP3 inflammasome associated knockout mice and 3D mouse testis cells co-cultured model. The results can clarify the toxic mechanism of MWCNTs on male reproductive system, and provide scientific basis for the safety evaluation and discovery of novel biomarkers of MWCNTs products.

多壁碳纳米管（MWCNTs）存在一定的睾丸毒性，但其毒作用机制尚不明确。申请者前期研究结果表明：MWCNTs暴露于小鼠睾丸细胞三维共培养体系后可引起精子发生受阻，并伴随IL-1β含量升高和雄激素受体（AR）蛋白表达下降；提示其睾丸毒性可能与炎症发生和AR表达下降有关。基于以上工作，提出假设：在多壁碳纳米管作用下，睾丸组织中NLRP3炎症小体分子通路被激活，释放IL-1β；随后，IL-1β作用于睾丸细胞中的雄激素受体，导致毒性的发生。本研究拟通过基因敲除小鼠和小鼠睾丸细胞三维共培养模型，从整体水平和细胞水平观察NLRP3炎症小体、IL-1β和AR在MWCNTs致睾丸毒性中的作用及相互关系。通过以上研究，可望明确MWCNTs对雄性生殖系统的毒作用机制，为MWCNTs类产品的安全性评价及发现其雄性生殖毒性早期生物标志提供科学依据。

已有研究表明多壁碳纳米管（MWCNTs）有明确的睾丸毒性，但毒作用机制尚不明确。本试验通过体外建立小鼠睾丸-巨噬细胞共培养模型及体内转基因小鼠模型，从细胞水平和整体水平观察MWCNTs对睾丸的毒性作用及NLRP3炎症小体、IL-1β和AR在MWCNTs致睾丸毒性的作用及机制。体外实验结果表明MWCNTs可进入睾丸细胞内，引起细胞的损伤性变化，使细胞活力下降。同时MWCNTs能够激活NLRP3炎性通路相关蛋白NLRP3及IL-1β的表达，抑制AR蛋白表达，使睾酮水平下降。在体外用SiRNA抑制NLRP3基因及蛋白表达后，与未干扰的细胞相比，细胞内IL-1β表达下降，而AR的表达及睾酮水平升高。此部分实验表明MWCNTs致睾丸毒性可能与NLRP3炎症小体/IL-1β/AR通路有关。在体内实验中，小鼠给予MWCNTs后可损伤睾丸血睾屏障、生精小管及生精细胞，诱导睾丸细胞核DNA损伤，导致精子数量的减少。MWCNTs还可激活小鼠睾丸中NLRP3炎症通路，上调NLRP3及其下游蛋白Caspase-1的表达水平，但对IL-1β及AR的表达影响不明显。NLRP3基因敲除后，睾丸的病理变化减轻，但IL-1β的表达未见下调，Caspase 1及AR的表达变化不明显。遗传试验显示MWCNTs对细胞及动物未见遗传毒性。综上所述， MWCNTs可能通过激活NLRP3炎性通路进而引起睾丸细胞损伤，但其在体内的作用机制还需进一步的研究。