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Andrologie
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Publiziert am: 23.02.2023

Umwelt- und arbeitsplatzbedingte Einflüsse auf die männliche Reproduktion

Verfasst von: Martin Brinkworth und Jorma Toppari
Die ständig wachsende Zahl von Chemikalien, denen der Mensch ausgesetzt ist, und die Erkenntnis, dass einige von ihnen potenziell schädlich für das männliche Fortpflanzungssystem sind, haben die Entwicklung der männlichen Reproduktionstoxikologie vorangetrieben. Diese Entwicklung erhielt 1992 Auftrieb, als über einen Rückgang der Spermienzahl um 50 % in den vorangegangenen 50 Jahren berichtet wurde (Carlsen et al. 1992, Evidence for decreasing quality of semen during past 50 years. Br Med J 305:609–613), was einen enormen Forschungsaufwand für die Erforschung schädlicher Auswirkungen auf das männliche Fortpflanzungssystem auslöste. Die damals umstrittene Behauptung wurde jedoch durch ähnliche, spätere Untersuchungen (Levine et al. 2017, Temporal trends in sperm count: a systematic review and meta-regression analysis. Hum Reprod Update 23:646–659) gestützt, die speziell darauf ausgerichtet waren, die Probleme der früheren Studie zu vermeiden. Dennoch konnte bisher keine eindeutige Ursache für den Rückgang festgestellt werden. Im Allgemeinen wurden bei einer Vielzahl von Chemikalien experimentell schädliche Auswirkungen auf das Fortpflanzungssystem festgestellt, jedoch relativ selten unter Bedingungen, die mit der Exposition des Menschen vergleichbar sind. Die bevölkerungsweite Überwachung bestätigt dies, wobei nur sehr geringe Auswirkungen auf die Fortpflanzungsparameter feststellbar sind. Das Nematozid Dibromchlorpropan ist das klassische Beispiel für eine industrielle Verbindung, die sich auf das männliche Fortpflanzungssystem auswirkt, aber es gibt kaum Hinweise darauf, dass viele andere toxische Stoffe (z. B. Metalle, komplexe chlororganische Verbindungen, Alkohol, elektromagnetische Strahlung, Wärme) bei normaler Exposition und Empfindlichkeit von Erwachsenen vergleichbare Auswirkungen haben. Bestimmte andere Agenzien, insbesondere Rauchen und ionisierende Strahlung, zeigen nur begrenzte vererbbare Auswirkungen bei bestimmten (meist chronischen) Expositionen. Das größte Risiko für die Spermienproduktion geht von Krebstherapien aus, obwohl die verfügbaren (wenn auch begrenzten) Nachweise darauf hindeuten, dass es keine vererbbaren Auswirkungen gibt, vielleicht weil die Exposition hoch dosiert und akut oder subchronisch ist. Dennoch besteht große Besorgnis darüber, dass unbekannte Faktoren in der Umwelt, die möglicherweise endokrin wirksame Eigenschaften haben, eine Reihe von Wirkungen hervorrufen können, die heute manchmal unter dem Begriff testikuläres Dysgenesiesyndrom zusammengefasst werden. Obwohl es zahlreiche experimentelle und umweltbezogene Beweise dafür gibt, dass eine breite Palette spezifischer Toxine, insbesondere endokrin wirksame Verbindungen, derartige Wirkungen hervorrufen können, stehen vergleichbare Beweise beim Menschen noch aus. Infolgedessen hat sich der derzeitige Rechtsrahmen für die Regulierung von Expositionen, die das männliche Fortpflanzungssystem schädigen könnten, in den letzten Jahren nicht wesentlich geändert, mit der einzigen Ausnahme, dass Leitlinien für die Prüfung von endokrin wirksamen Stoffen eingeführt wurden.¬ Dies liegt auch daran, dass die Ursachen der männlichen Fortpflanzungstoxizität beim Menschen noch immer nur unzureichend bekannt sind. Die aufregenden Entwicklungen des letzten Jahrzehnts könnten jedoch den Weg zu einem besseren Verständnis der beteiligten Mechanismen weisen.

Einleitung

Der Mensch ist einer Vielzahl von Chemikalien aus den unterschiedlichsten Quellen ausgesetzt. Unzählige toxische Umweltgefahren, die sich aus der Natur ergeben, hat es schon immer gegeben, aber die zusätzliche Exposition gegenüber vom Menschen hergestellten Chemikalien hat seit der industriellen Revolution immer mehr zugenommen. Die Regulierungsbehörden, die ihrerseits auf die Forderung der Öffentlichkeit nach einer Regulierung von Arzneimitteln nach Contergan und anderen Katastrophen zurückgehen, haben Leitlinien für die Zulassung neuer Chemikalien entwickelt, um die Menschen vor schädlichen Umwelteinflüssen zu schützen und gleichzeitig die Herstellung und Verwendung wichtiger neuer Chemikalien zu ermöglichen, die ein wesentlicher Bestandteil unserer gebauten Umwelt sind. In den letzten drei Jahrzehnten haben sich Umfang und Komplexität der Prüfanforderungen stark erhöht, da die Menge und Vielfalt der chemischen Stoffe, denen der Mensch ausgesetzt sein kann, weiter zunimmt. Die ersten Sicherheitsprüfungen betrafen hauptsächlich die akute Toxizität, die Karzinogenese und die Teratogenese; später wurden die Reproduktionstoxizität und die genetische Toxizität vollständig in die Sicherheitsvorschriften aufgenommen. Obwohl in der Vergangenheit die Auswirkungen auf die Fortpflanzung vor allem bei Frauen untersucht wurden, ist seit einigen Jahrzehnten anerkannt, dass auch die negativen Auswirkungen auf die männliche Fortpflanzungsfunktion von Bedeutung sind. Die 2007 von der Europäischen Union erlassene Verordnung zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe (REACH) (EG 1907/2006) ist eine Anerkennung der unzähligen industriellen chemischen Gefahren, denen der Mensch ausgesetzt ist, und hat die Sicherheitsprüfung von Hunderten von Chemikalien erforderlich gemacht, die zuvor nicht umfassend getestet worden waren. Ironischerweise werden ebenso gefährliche medizinische Verfahren wie Chirurgie und In-vitro-Fertilisation immer noch nicht so streng auf Sicherheit und Wirksamkeit geprüft wie die für sie erforderlichen Arzneimittel. Für all diese Kategorien von Chemikalien gibt es komplexe Regulierungsstandards, wobei die Strenge der Tests und die erforderliche Sicherheitsmarge pragmatisch je nach wahrscheinlicher menschlicher Exposition und Risiko variieren. Die wissenschaftlichen Methoden zur Bewertung der Risiken für die menschliche Gesundheit, einschließlich der Risiken für die Fortpflanzung, stecken noch in den Kinderschuhen, während die Aufgabe an Umfang und Komplexität zunimmt. Im Prinzip basiert die Humantoxikologie auf einer Mischung aus
  • begrenzten Beobachtungsdaten beim Menschen, in der Regel retrospektive epidemiologische Studien, und
  • umfangreicheren experimentellen Studien an Tieren und Zellen.
Ersteren fehlt die strenge Kontrolle durch randomisierte oder kontrollierte prospektive Studien, während letztere nur bedingt auf den Menschen übertragbar sind. Keiner der beiden Ansätze ist völlig zufriedenstellend oder gar ergänzend, da die artspezifische Variabilität zu widersprüchlichen Ergebnissen führen kann. Dennoch sind dies die einzigen Instrumente, die derzeit zur Verfügung stehen, um die Kluft zwischen der wesentlichen Aufgabe, einerseits eine gewisse Sicherheit für die gegenwärtige und künftige Exposition gegenüber chemischen Stoffen zu gewährleisten und andererseits die rechtzeitige Einführung neuer Wirkstoffe in der Medizin, der Industrie und unweigerlich auch in der gemeinsamen Umwelt zu ermöglichen, auf rationale Weise zu überbrücken.
Der Gegensatz zwischen Beobachtungsdaten am Menschen und Daten aus experimentellen Studien veranschaulicht eine wichtige Unterscheidung in der Toxikologie, nämlich die zwischen Gefahr und Risiko.
Bei Experimenten, die lediglich darauf abzielen, festzustellen, ob ein Agens das Potenzial hat, ein biologisches System zu schädigen, geht es um die Gefahr. Das Konzept des Risikos kombiniert die Gefahr und den biologischen Kontext. Es umfasst nicht nur die Höhe der Exposition, sondern auch die Mengen, die das Zielgewebe erreichen, die Auswirkungen von toxifizierenden/entgiftenden Stoffwechselsystemen, Reparaturprozesse und alle anderen Faktoren, die die endgültige Reaktion beeinflussen. Das letztendliche Ziel toxikologischer Untersuchungen besteht also nicht nur darin, bestimmte Verbindungen als theoretisch gefährlich zu identifizieren, sondern die bestmögliche Bewertung der tatsächlichen Risiken zu liefern, die sie für den Menschen darstellen.

Mögliche schädliche Auswirkungen auf die Spermatogenese

Die Spermatogenese beinhaltet die kontinuierliche Replikation und komplexe Metamorphose von relativ undifferenzierten, diploiden Stammzellen in hochspezialisierte, bewegliche, haploide Zellen (siehe Kap. 3). Dies beinhaltet einen Entwicklungsverlauf durch eine Reihe verschiedener Zelltypen, die sich alle durch bestimmte biochemische, zellbiologische und molekulare Prozesse in ihnen unterscheiden. Daher hat jeder Zelltyp spezifische Eigenschaften und infolgedessen auch potenziell unterschiedliche Reaktionen auf Toxine. Daher müssen detaillierte toxikologische Untersuchungen zur genauen Charakterisierung der Keimzellentoxizität diesen Unterschieden Rechnung tragen. Da es sich bei der Spermatogenese um einen abschließenden Differenzierungsprozess handelt, bei dem die vollständig ausdifferenzierten Zellen schließlich aus dem Körper ausgeschieden werden, hat jede Keimzellentoxizität, die andere Zellen als die Stammzellen betrifft, möglicherweise nur eine vorübergehende Wirkung.
Die obigen Überlegungen führen zu zwei Arten von Studien zur männlichen Keimzellentoxikologie: akut/subakut und chronisch/subchronisch. Bei ersteren wird eine kurzzeitige Exposition, in der Regel an einem einzigen Tag (akut) oder an bis zu fünf aufeinanderfolgenden Tagen (subakut), verwendet und kann auf einen bestimmten Keimzellentyp oder bestimmte Keimzellentypen abzielen. Dabei machen sie sich die Tatsache zunutze, dass die Spermatogenese ein streng regulierter Prozess ist und die Zeit, die jeder Zelltyp braucht, um sich zum nächsten zu entwickeln, unter den meisten Umständen nicht variiert. Daher ist es möglich, genau zu wissen, wie lange es dauert, bis jeder Keimzellentyp seine Entwicklung und Differenzierung zu einem reifen Spermium in den Nebenhoden abgeschlossen hat. Wenn man also zwischen der Exposition und der Probenahme (die sowohl die Paarung als auch die Messung der Endpunkte in den Spermien selbst umfassen kann) die gleiche Zeitspanne abwartet, weiß man genau, welcher Keimzellentyp betroffen war, wenn Auswirkungen festgestellt werden. Bei chronischen Studien hingegen werden alle verschiedenen Zelltypen gemeinsam getestet. Obwohl sie nicht feststellen können, bei welchem Zelltyp eine Wirkung auftritt, sind chronische Studien nützlich, um festzustellen, ob die Spermatogenese an sich beeinträchtigt werden kann. „Chronisch“ bezieht sich in Studien zur männlichen Reproduktionstoxikologie auf Expositionen, die mindestens so lange andauern wie die Spermatogenese, d. h. die Entwicklung einer spermatogone Stammzelle zu einem reifen Spermium in den Nebenhoden. (Dies ist etwas kürzer als die Zeit, die der Begriff „chronisch“ in anderen Arten von toxikologischen Studien impliziert).
Diese haploiden Keimzellen müssen außerdem in der Lage sein, den weiblichen Fortpflanzungstrakt zu durchlaufen und eine Eizelle zu befruchten (siehe Kap. 4). Dieser hochkomplexe Prozess im Fortpflanzungstrakt wird von Hypothalamus-Hypophysen- und Hodenhormonen gesteuert und ist daher auch anfällig für Einflüsse auf endokrine Organe, insbesondere das Gehirn. Es ist daher nicht verwunderlich, dass Umwelteinflüsse die Keimzellenentwicklung in vielen verschiedenen Stadien und auf unterschiedliche Weise beeinträchtigen können. Dies könnte in der Tat erklären, warum eine riesige Anzahl von Spermien produziert wird (etwa 2 × 108 pro Tag [siehe Kap. 2] und 2 × 1012 in einem ganzen Leben), während für die Befruchtung einer Eizelle nur ein einziges Spermium erforderlich ist, ein Vorgang, der normalerweise weniger als zehn Mal im Leben stattfindet.
Chemikalien können die Spermatogenese in jedem Stadium schädigen, von den wuchernden Spermatogonien bis zu den reifen Spermatozoen. Es sind mindestens drei verschiedene, sich nicht gegenseitig ausschließende toxische Wirkungen möglich: Zelltod, genetische Veränderung oder epigenetische Veränderung.

Zelltod

Letal geschädigte Zellen sterben entweder innerhalb des Epithels ab oder werden in das Lumen des Hodentubulus ausgeschieden. Die in situ absterbenden Zellen können durch Nekrose oder Apoptose absterben.
  • Nekrose: unkontrollierte Lyse und unspezifische Freisetzung von Zellinhalt, die eine lokale Entzündungsreaktion hervorrufen und zu einer weitreichenden Schädigung der umliegenden Zellen führen kann.
  • Apoptose: ein physiologischer Prozess des programmierten Zelltods, bei dem eine todgeweihte Zelle in kleinere apoptotische Körper zerfällt, die dann von Sertoli-Zellen phagozytiert werden, ohne dass andere Zellen Schaden nehmen (Kerr et al. 1972). Im Hoden ist dies der geordnete Mechanismus, durch den die spermatogenen Zellen innerhalb des Keimepithels absterben, ohne dass benachbarte Sertoli- oder Keimzellen geschädigt werden.
Da die Apoptose ein wichtiger Mechanismus zur Beseitigung geschädigter Zellen aus der Keimbahn ist, hat man sich für die Folgen einer Beeinträchtigung der Apoptose auf die Persistenz genetischer Schäden in der Keimbahn und deren Auswirkungen auf die Übertragung von Mutationen auf die nächste Generation interessiert. Bei der Entwicklung eines Modellsystems für die Induktion männlicher vererbbarer Anomalien wurde beispielsweise festgestellt, dass die Verabreichung eines Cyclophosphamid-Behandlungsschemas an männliche Ratten, das zur Induktion fötaler Anomalien bei einem Teil ihrer Nachkommen führt (niedrig dosierte, chronische Verabreichung) (Trasler et al. 1985; Jenkinson und Anderson 1990), auch das Ausmaß der Apoptose in ihren Keimzellen verringert (Brinkworth und Nieschlag 2000). Apoptose kann also nicht nur eine Reaktion auf männliche Reproduktionstoxizität sein, sondern Störungen der Apoptose könnten auch die vertikale Übertragung von Mutationen beeinflussen (Brinkworth 2000).
Nicht tödliche Keimzellenschäden werden entweder repariert oder hinterlassen dauerhafte Auswirkungen auf die Struktur oder Funktion der reifen Spermatozoen, einschließlich der Möglichkeit transgenerationaler genetischer Auswirkungen.

Genetische Veränderung

Genetische Schäden in der männlichen Keimbahn können entweder die Spermien unfruchtbar machen, Präimplantationsverluste und Postimplantationsverluste (Spontanabort) verursachen, den Tod des Fötus herbeiführen oder zu einer Art vererbbarer genetischer Anomalie führen. Es wurde vermutet, dass chronische, niedrig dosierte chemische Expositionen bei den Nachkommen wirksamere väterlich vermittelte Wirkungen hervorrufen können (Brinkworth 2000; Anderson et al. 2014) als hohe, akute Expositionen. Ursprünglich handelte es sich bei den am häufigsten beobachteten Wirkungen um grobe morphologische Anomalien bei den Föten, die oft mit groben Chromosomenanomalien in Verbindung gebracht werden konnten (Jenkinson und Anderson 1990), aber es gibt Hinweise darauf, dass bestimmte, spezifische Dosierungsschemata bei den Nachkommen Krebs auslösen können (Lord et al. 1998). Damit diese Wirkungen experimentell nachweisbar sind, müsste vermutlich ein relativ hoher Anteil der Spermien die notwendigen genetischen Veränderungen tragen. Es wurde daher vorgeschlagen, dass diese genetischen Ergebnisse entweder durch eine Unterdrückung der Apoptose in genetisch geschädigten Keimzellen (siehe oben) oder durch die Induktion genomischer Instabilität (das Auftreten zusätzlicher Mutationen in der nicht exponierten Generation) gefördert werden könnten (Brinkworth 2000). In der Folge hat sich gezeigt, dass auch epigenetische Mechanismen beteiligt sein können, zum Beispiel die Übertragung bestimmter RNA-Spezies (Paris et al. 2015). Die klinischen Auswirkungen sind bei weitem nicht klar, da es keine Beweise für ähnliche Auswirkungen in menschlichen Populationen gibt.

DNA-Reparatur in der Keimbahn

Über die Reparatur nicht-genetischer Schäden in Keimzellen ist sehr wenig bekannt. Die DNA-Reparatur hingegen ist Gegenstand enormer Forschungsanstrengungen, darunter auch ein beträchtlicher Teil in den Hoden (Übersicht in Marjault und Allemand 2016). DNA-Reparaturenzyme sind während der gesamten Spermatogenese äußerst wichtig und nehmen an einer Vielzahl von Funktionen teil, die nicht nur der Verteidigung gegen exogen induzierte Schäden dienen. Verschiedene Enzyme werden in verschiedenen Keimzellen exprimiert, aber viele Typen überschneiden sich auch während der Keimzellenentwicklung. Daher ist es schwierig, den Status einer bestimmten Art von Reparatursystem in bestimmten Zelltypen zu verallgemeinern. Im Großen und Ganzen lässt sich jedoch sagen, dass Basen-Exzisionsreparatur- und Mismatch-Reparatursysteme in allen mitotischen und meiotischen Stadien vorhanden sind, während Nukleotid-Exzisionsreparatur- und transkriptionsgekoppelte Reparatursysteme in den Spermatogonien am wichtigsten sind. Diese Systeme sind wahrscheinlich besonders wichtig für die Reparatur von Schäden, die nicht nur durch exogene, sondern auch durch endogene Agenzien verursacht werden, zu denen auch freie Radikale gehören, die durch zelluläre Prozesse wie die Atmungsoxidation entstehen. Während der Meiose gibt es eine Reihe weiterer Systeme, insbesondere homologe Reparatur- und nicht-homologe Endjoining-Enzyme. Diese helfen wahrscheinlich bei den für die Meiose charakteristischen Rekombinationsvorgängen. Es wird angenommen, dass die DNA-Reparaturkapazität während der Spermatidenelongation abnimmt und in den Spermatozoen praktisch nicht mehr vorhanden ist. Dies kann sie anfälliger für die Auswirkungen von Gefahren wie Strahlung und alkylierenden Medikamenten machen, obwohl ein gewisser Schutz durch die fortschreitende Chromatinkondensation, die mit der Spermatidenelongation einhergeht, gegeben sein könnte. Es gibt auch zunehmend Hinweise darauf, dass sich die DNA-Reparaturaktivität in den Hoden mit dem Alter verändert, was die Anhäufung von Mutationen in der Keimbahn mit dem Alter beeinflussen kann (Aitken 2022).

Epigenetik in spermatogenen Zellen

Epigenetik, ein Begriff, der erstmals in den 1950er-Jahren geprägt wurde, aber in der männlichen Reproduktionsbiologie erst in den letzten Jahrzehnten an Bedeutung gewonnen hat, bezieht sich auf die permanente oder semipermanente, vererbbare Veränderung der Genaktivität ohne Veränderung der DNA-Sequenz. Ihre Auswirkungen werden durch epigenetische „Markierungen“ oder Signale vermittelt, die die Art und Weise verändern, wie das Gen mit der zellulären Maschinerie, insbesondere der Transkriptionsmaschinerie, interagieren kann. Die häufigsten und am besten untersuchten epigenetischen Signale sind: DNA-Methylierung (Hinzufügung einer Methylgruppe an den fünften Kohlenstoff im Kohlenstoffring der DNA-Base Cytosin, um 5-Methylcytosin zu bilden); Histonmodifikation (Hinzufügung einer Vielzahl chemischer Komponenten, einschließlich Methyl- und Acetylgruppen, an Empfängerstellen auf Histonmolekülen im Chromatin); nichtcodierende RNAs (die im Allgemeinen einzelsträngig sind und an die doppelsträngige DNA binden können, wodurch eine Triplexstruktur entsteht, die dann von DNA-interagierenden Proteinen nicht erkannt wird). Ein klassisches Beispiel für das Gen-Silencing durch epigenetische Mechanismen ist die Abschaltung eines der beiden X-Chromosomen in fast allen Zellen des weiblichen Körpers. (Dadurch wird die „doppelte Dosis“ von X-Chromosom-Genprodukten vermieden, die in weiblichen Zellen im Vergleich zu männlichen Zellen, die nur ein X-Chromosom enthalten, auftreten würde). Entlang der gesamten Länge des Chromosoms finden umfangreiche DNA-Methylierungen, Histonmodifikationen und die Bindung langer nichtkodierender RNAs an die DNA statt, wodurch das Chromosom transkriptionell still wird. Diese epigenetischen Veränderungen bleiben auch nach der Replikation der Zelle erhalten, so dass die Inaktivierung während der gesamten Lebenszeit des Individuums dauerhaft ist.
Es gibt noch weitere epigenetische Mechanismen, die bei der männlichen Fortpflanzung eine wichtige Rolle zu spielen scheinen. Das Phänomen der Paramutation, das erstmals bei Mais erkannt wurde, ist die Übertragung von RNA-Molekülen über das Sperma auf den Embryo und die Beeinflussung des Phänotyps der Nachkommen (nützliche Übersichtsartikel siehe Rassoulzadegan und Cuzin 2015; Cullen et al. 2021). Bei Säugetieren wurde dies erstmals bei einem Mäusestamm festgestellt, der ein Allel des c-myc-Gens trägt, das eine weiße Schwanzspitze erzeugt, die bei Wildtyp-Mäusen nicht vorhanden ist. Durch sorgfältige Zuchtstudien konnte gezeigt werden, dass die weiße Schwanzspitze bei den Nachkommen erhalten blieb, selbst nachdem das verantwortliche Allel aus der Linie herausgezüchtet worden war. Genotypisch waren Wildtyp-Mäuse also phänotypisch weiß schwanzspitzig (Rassoulzadegan et al. 2006).
Ein weiterer vorgeschlagener epigenetischer Mechanismus ist das Phänomen der Histonretention im Spermachromatin. Während des Prozesses der Spermiogenese, bei dem sich Spermatiden morphologisch in Spermien verwandeln, werden Histone aus dem Chromatin entfernt und durch Protamine ersetzt, kleinere Moleküle als Histone, die die DNA auf ganz andere Weise verpacken, was zu einer tiefgreifenden Kondensation des Chromatins führt und so den Spermienkern auf eine Größe reduziert, die mit einer effizienten Beweglichkeit vereinbar ist. Ein kleiner Teil der Histone bleibt jedoch erhalten, und es hat sich gezeigt, dass sie immer an denselben genomischen Stellen verbleiben (Hammoud et al. 2009; Arpanahi et al. 2009). Dies deutet darauf hin, dass sie funktionell sind, und führte zu dem Vorschlag, dass sie ein epigenetisches Signal darstellen, das die Genexpression vom väterlichen Genom im sehr frühen Embryo reguliert (Miller et al. 2010; Jenkins und Carrell 2012).
Eine Schlüsseleigenschaft epigenetischer Signale ist, dass sie von der Umwelt beeinflusst werden können. Ein klassisches Beispiel hierfür, das in Jirtle und Skinner (2007) erörtert wird, ist die Variante der Agouti-Maus, die eine zusätzliche Promotorregion stromaufwärts des Agouti-Gens aufweist, die eine gelbe Fellfarbe verursacht. Durch Methylierung dieses zusätzlichen Promotors wird dieser zum Schweigen gebracht und die Fellfarbe wird braun. Eine Nahrungsergänzung trächtiger Weibchen mit Methylspendern wie Cholin oder Betain führt dazu, dass dieser zusätzliche Promotor in den Embryonen methyliert wird, was bei ihnen eine Veränderung der Fellfarbe im Vergleich zur Mutter bewirkt.
So kann ein Umweltstimulus eine vererbbare Wirkung auf den Phänotyp der Nachkommen haben, ohne deren Genotyp zu beeinflussen.
Die genomweite DNA-Methylierung wird sowohl in den somatischen Zellen als auch in den Keimzellen des frühen Embryos umfassend umgestaltet, und man geht davon aus, dass dadurch Fenster der Anfälligkeit entstehen, in denen Umwelteinflüsse die Methylierungsmuster verändern können. Eine Veränderung der DNA-Methylierung in den Keimzellen hat Auswirkungen, die über die F1 hinaus auf nachfolgende Generationen übertragbar sind.
Im Jahr 2005 wurde berichtet, dass die Verabreichung bestimmter endokrin wirksamer Verbindungen (Vinclozolin oder Methoxychlor) an trächtige Ratten zu nachteiligen Auswirkungen auf das männliche Fortpflanzungssystem führte, und zwar nicht nur bei der F1, sondern auch bei den nachfolgenden Generationen bis zur vierten Generation (Anway et al. 2005). Diese Erkenntnisse wurden inzwischen auf ein breites Spektrum toxischer Einwirkungen und anderer Arten von pathologischen Ergebnissen ausgedehnt (Nilsson et al. 2022). Analysen dieser Art von Daten zeigen einen Zusammenhang mit DNA-Methylierungsveränderungen, und in der Tat wurden spezifische Muster veränderter Methylierung (differentiell methylierte Regionen) kürzlich mit spezifischen Pathologien in Verbindung gebracht (Beck et al. 2022).

Allgemeine Bedrohungen der männlichen Fortpflanzung

Die Hodenfunktion kann durch eine Vielzahl von Faktoren beeinträchtigt werden, aber es ist wichtig zu bedenken, dass der Zeitpunkt der Exposition ebenso wichtig sein kann wie die Art der Exposition. Dies liegt daran, dass in vielen Fällen das sich entwickelnde Fortpflanzungssystem des männlichen Embryos/Fötus anfälliger ist als das System des Erwachsenen.
Die folgenden Mechanismen müssen nicht notwendigerweise für die gesamte Bevölkerung gleichermaßen gelten, sondern könnten stattdessen besonders auf anfällige Untergruppen zutreffen, die möglicherweise genetische Polymorphismen aufweisen, die die individuelle oder gruppenbezogene Anfälligkeit für toxikologische Prozesse erhöhen oder verringern. Eine solche systematische Variation in der Anfälligkeit kann zu einer offensichtlichen Verstärkung der Wirkungen in kleinen, aber anfälligen Teilpopulationen führen. Weitere toxikologische Studien über genetische Polymorphismen in Bezug auf die Anfälligkeit für Umweltstoffe sind erforderlich.

Übersicht

Die Verschmutzung der Umwelt durch Schadstoffe stammt aus einer Vielzahl von Quellen, darunter die Verbrennung von Brennstoffen und Abfällen, der weit verbreitete Einsatz von Pestiziden, die Freisetzung von Produkten aus industriellen Prozessen, das Auslaugen von Chemikalien aus Industrieprodukten und Lebensmitteln, die Ausscheidung von Arzneimitteln und Metaboliten in die Wasserversorgung usw. Zu den Bemühungen um eine Verringerung der Expositionsrisiken gehören nicht nur strenge Sicherheitsprüfungen und eine strenge Regulierung und Überwachung der Expositionswerte während der Herstellung, sondern auch eine Verfeinerung der Anwendung, z. B. der Sprühtechniken für Pestizide. Eine Analyse des Zusammenhangs zwischen Umweltschadstoffen und Trends bei der Fruchtbarkeit/Unfruchtbarkeit ergab lediglich einen schwachen Zusammenhang zwischen Exposition und Fruchtbarkeit (Foster et al. 2008). Auch eine Übersicht über die Daten zu den häufigsten Umweltschadstoffen, für die es experimentelle Belege für Auswirkungen auf Spermaparameter gibt, zeigte, dass diese relativ gering und in einigen Fällen widersprüchlich sind (Phillips und Tanphaichitr 2008).
Auf den ersten Blick scheint es also, dass die verschiedenen Regulierungsverfahren zur Begrenzung der Risiken für die menschliche Fortpflanzung aufgrund von Umweltexpositionen einigermaßen erfolgreich sind. Es ist jedoch anzumerken, dass erstens, wie später gezeigt wird, in einigen Studien Korrelationen zwischen Exposition und Wirkung festgestellt werden, und jede noch so kleine echte Wirkung Anlass zur Sorge gibt. Zweitens gibt es weltweit große Unterschiede im Umfang des angewandten Umweltschutzes. Drittens stammen diese Nachweise hauptsächlich aus Studien über die tatsächliche oder potenzielle Exposition von Erwachsenen, während seit langem bekannt ist, dass die embryonale und fötale Entwicklungsphase viel anfälliger für Schäden sein kann. Wenn Kinder mit einer eingeschränkten Fortpflanzungsfähigkeit geboren werden, könnte sich dies außerdem auf die Ausgangsniveaus, beispielsweise der Spermienproduktion, auswirken. Langfristig könnte sich dies für die Forschung als problematisch erweisen, wenn es zu einer Veränderung der so genannten normalen Werte in der Bevölkerung führt. (Siehe Abschnitt über die Spermienzahl weiter unten.)
Im Folgenden werden die häufigsten Gefahren beschrieben, die ein potenzielles Risiko für die reproduktive Gesundheit von Männern darstellen, und es wird auf die einschlägigen Erkenntnisse eingegangen. Eine große Herausforderung für die Zukunft wird die Identifizierung neuer, bisher noch nicht berücksichtigter Gefahren für die menschliche Gesundheit sein.

Rauchen

Eingeatmeter Zigarettenrauch enthält viele gefährliche Verbindungen, von denen einige (wie Acrolein) Reproduktionstoxine sind. Darüber hinaus kann er oxidative Schäden an Makromolekülen hervorrufen, die in den Hoden nachweisbar sind. Humanstudien über die Auswirkungen des Rauchens auf die Fortpflanzung werden häufig durch psychologische Selbstselektion beeinträchtigt, d. h. Raucher sind wahrscheinlich stärker anderen Gefahren ausgesetzt, die die festgestellten schädlichen Auswirkungen verursachen könnten (Vogt et al. 1984). Dennoch wurden in einer Reihe von Human- und Tierstudien Chromatinstörungen (Potts et al. 1999), DNA-Addukte im Sperma (Fraga et al. 1996), DNA-Addukte im Embryo (Zenzes et al. 1999), Disomie (z. B. Robbins et al. 2005) und Mutationen des Simple Tandem Repeat (STR)-Locus (Marchetti et al. 2011) im Sperma sowie genomische Instabilität (Laubenthal et al. 2012) festgestellt.
Die letztgenannte Studie (Laubenthal et al. 2012 ) ist insofern von Bedeutung, als sie zum ersten Mal zeigte, dass durch väterliches Rauchen verursachte genetische Schäden an die Nachkommen weitergegeben werden können.
Dies könnte dazu beitragen, frühere Befunde eines positiven Zusammenhangs zwischen väterlichem Rauchen und dem Auftreten von Krebs, insbesondere Leukämie, bei den Nachkommen zu erklären (Ji et al. 1997; Sorahan et al. 1997a, b).

Ionisierende Strahlung

Die Auswirkungen ionisierender Strahlung auf die Spermatogenese wurden über mehrere Jahrzehnte hinweg gründlich untersucht. Die Röntgenstrahlung hat direkte toxische Wirkungen auf die spermatogenen Zellen, insbesondere auf die sich ausdifferenzierenden und sich vermehrenden Spermatogonien. Genaue Daten beim Menschen sind rar, aber einige akzeptierte Parameter sind in Tab. 1 aufgeführt. Eine testikuläre Exposition von mehr als 4–6 Gy kann zu einer permanenten Azoospermie führen, während die Erholung nach niedrigeren Dosen mehrere Jahre dauern kann. Die Erholungszeit steht in umgekehrter Beziehung zur Dosis (Rowley et al. 1974). Bei niedrigeren Bestrahlungsdosen (bis zu 0,15 Gy) kann es zu einem vorübergehenden Rückgang der Spermienproduktion kommen.
Tab. 1
Zusammenfassung der Effekte ionisierender Strahlung auf dem menschlichen Hoden in Abhängigkeit von der Dosis. Daten aus Rowley et al. (1974) u. Jockenhövel (1993)
Dosis (cG)
Effekt
Reversibiltät
10
Geringer Effekt
10–50
Leichte Oligozoospermie
6 Monate
50–75
Schwere Oligozoospermie
6 Monate
75–100
Azoospermie
6 Monate
200–300
Azoospermie
1–2,5 Jahre
300
Azoospermie
5 Jahre oder keine
Eine fraktionierte Bestrahlung verursacht mehr Schäden als die gleiche Gesamtdosis, die als einmalige Exposition verabreicht wird.
Es gibt Hinweise darauf, dass Bestrahlung beim Menschen vererbbare Veränderungen in der Keimbahn verursachen kann. Minisatelliten sind eine Form von Short tandem repeat (STR) und sind DNA-Abschnitte mit tandemartig wiederholten Sequenzmotiven, die scheinbar zufällig über das menschliche Genom verteilt sind. Es wird angenommen, dass sie während der Meiose besonders anfällig für Umlagerungen sind (Dubrova et al. 1998) und Spontanmutationsraten aufweisen, die bis zu 1000-mal höher sind als bei proteinkodierenden Sequenzen. Daher eignen sie sich möglicherweise als Sentinel-Sequenzen für die Bestimmung der Exposition gegenüber Keimzellmutagenen und von Veränderungen der Mutationsraten. Bei Kindern von Männern, die in Tschernobyl verstrahlt wurden, wurde eine erhöhte Anzahl von Minisatelliten-Mutationen in ihren Spermien festgestellt, was die Vererbung genomischer Instabilität belegt (Dubrova et al. 1996, 2002), und ähnliche Ergebnisse gibt es auch bei Nagetieren (Barber et al. 2002). Eine groß angelegte Studie zur Untersuchung vererbbarer Mutationen bei den Nachkommen von Menschen, die nach der Explosion in Tschernobyl einer niedrigen Dosis ausgesetzt waren, ist derzeit im Gange (Bazyka et al. 2020). Interessanterweise zeigen jedoch Daten aus dem Sperma von Männern vor und nach einer Chemo- oder Strahlentherapie keine Anzeichen für einen behandlungsbedingten Anstieg der Keimbahn-Minisatellitenmutationsrate (Armour et al. 1999; Zheng et al. 2000). Diese Daten stimmen mit dem Fehlen von Auswirkungen auf die Nachkommenschaft nach einer Krebsbehandlung überein, stehen jedoch im Widerspruch zu den Ergebnissen von Tschernobyl und weisen möglicherweise auf einen Unterschied zwischen Umwelt- und Therapieexposition hin. Studien an Mäusen deuten nicht nur auf eine Dosis-Wirkungs-Beziehung zwischen schädlichen Strahlenbelastungen und genomischer Instabilität bei F1-Mäusen hin, sondern auch darauf, dass es einen Schwellenwert geben könnte, unterhalb dessen keine genomische Instabilität induziert wird. Möglicherweise erreichen therapeutische Expositionen beim Menschen diesen Schwellenwert nie (Mughal et al. 2012).

Elektromagnetische Strahlung

Elektromagnetische Felder (EMF) werden durch elektrische Haushalts- und Industriegeräte erzeugt und variieren in Frequenz, Intensität und Wellenform. Die Frequenz der Stromübertragung beträgt 50 Hertz (Hz) in Europa und 60 Hz in Nordamerika, die beide in den Bereich der extrem niedrigen Frequenzen (ELF) fallen. Die Intensität der magnetischen Komponente dieser Felder wird in Tesla (T) gemessen und ist eine Funktion der Entfernung und der Stärke des elektrischen Stroms. Es ist bekannt, dass hochintensive, niederfrequente Magnetfelder (10 mTesla bei 50–60 Hz) schädlich sein können, aber die normale Umweltexposition durch ELF überschreitet normalerweise nicht 0,3 mT. Besonders besorgniserregend sind jedoch tragbare (Mobil-)Telefone, die Magnetfelder von mäßiger Intensität, aber hoher Frequenz im GHz-Bereich erzeugen können. Die WHO hat eine Reihe von systematischen Übersichten (SR) zur Bewertung der gesundheitlichen Auswirkungen der EMF-Exposition initiiert, und vor kurzem wurden Protokolle für die Bewertung des Risikos für die männliche Fruchtbarkeit, die Schwangerschaft und die Geburtsergebnisse durch EMF veröffentlicht (Pacchierotti et al. 2021). Die Literatur in diesem Bereich umfasst Hunderte von Artikeln, und diese Sonderberichtserstattung ist noch nicht abgeschlossen und veröffentlicht. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass bei allen Schlussfolgerungen die unterschiedliche Qualität der Studien in Bezug auf Design, Durchführung oder Interpretation der Arbeit angemessen berücksichtigt werden muss. Aus diesem Grund ist die vorherige Veröffentlichung von Peer-Review-Protokollen für die Durchführung der Sonderberichte so wichtig, damit diese objektiv durchgeführt werden können.

Krebstherapien

Die Krebschemotherapie umfasst viele Medikamente, die für Keimzellen toxisch sind. Alkylierende Mittel wie Cyclophosphamid können eine dauerhafte Azoospermie verursachen, während nicht-alkylierende Mittel wie Vincristin und Methotrexat langfristig weniger schädlich für die Spermatogenese sind. In diesem Jahrhundert wurden mehrere neue Krebsmedikamente eingeführt. Viele von ihnen wirken auf Rezeptorkinasen und greifen dadurch auch in die parakrine Signalübertragung im Hoden ein und können die Spermatogenese beeinflussen. Es gibt jedoch nur wenige Studien am Menschen über ihre Auswirkungen auf die Hodenfunktion.
Wie bereits erwähnt (Abschn. 3.3), gibt es nur sehr wenige Hinweise auf die Induktion vererbbarer Mutationen in den Keimzellen männlicher Patienten nach einer Chemo- oder Strahlentherapie, im Gegensatz zu Strahlenexpositionen in der Umwelt nach Nuklearkatastrophen. Dies scheint sich darin widerzuspiegeln, dass es keine vererbbaren Effekte bei Kindern von Krebsüberlebenden gibt (z. B. Sankila et al. 1998 und eine Reihe kleinerer Studien. Siehe Tab. 2 für die Daten von Byrne 1999, die typisch für solche Studien sind, was den bescheidenen Umfang und das Fehlen eines nachweisbaren Effekts betrifft). Wenn die männliche Keimbahn in irgendeiner Weise relativ unempfindlich gegenüber den vererbbaren Folgen einer Krebsbehandlung ist, könnte es von großem Nutzen sein, die Mechanismen zu verstehen. Es sind jedoch in jedem Fall mehr Daten zu diesem Thema erforderlich, und die laufende Überwachung ist noch nicht abgeschlossen (siehe z. B. Sommerhäuser et al. 2021).
Tab. 2
Inzidenz genetischer Erkrankungen bei Kindern von Eltern nach Krebstherapie und von Geschwistern (nach Byrne 1999)
 
Angeborene Fehlbildungen bei Kindern
Kinder der Krebspatienten
Geschwister
Kinder mit Fehlbildungen
74
142
Gesamtzahl der Kinder
2198
4544
Prozentsatz
3,4
3,1

Hitze

Hitze kann die spermatogenen Zellen schädigen. In nicht abgestiegenen Hoden ist die Temperatur höher als in der skrotalen Keimdrüse. Spermatogonien unterliegen in einem nicht abgestiegenen Hoden im Laufe der Zeit der Apoptose (Kollin et al. 2012). Das Baden in einer heißen Wanne bei >36 °C für mehr als 15 Minuten oder langes Arbeiten in sehr heißer Umgebung kann die Spermatogenese stören (Procopé 1965; Jung und Schuppe 2007). Die Ergebnisse zum Saunabaden bei hohen Temperaturen sind nicht eindeutig (Jung und Schuppe 2007; Garolla et al. 2015). Zu den Auswirkungen von enger Unterwäsche wurden unterschiedliche Ergebnisse berichtet (Wang et al. 1997; Jung und Schuppe 2007; Minguez-Alarcon et al. 2018). Fettleibigkeit und sitzende Arbeit wurden mit einer erhöhten Skrotaltemperatur und einer beeinträchtigten Spermienproduktion in Verbindung gebracht, allerdings können viele andere Faktoren diese Ergebnisse verfälscht haben (Jung und Schuppe 2007).

Alterung

Ein Anstieg der Mutationsrate in den Spermien älterer Männer ist seit vielen Jahren bekannt (Crow 1997, 2000; Kong et al. 2012). Es ist bekannt, dass die Spermien älterer Männer ein erhöhtes Maß an genetischen Schäden aufweisen (Sloter et al. 2007), und es besteht ein enger Zusammenhang zwischen dem Alter des Vaters und dem Auftreten bestimmter genetischer Krankheiten bei seinen Kindern wie Achondroplasie, Apert-Syndrom und anderer (siehe Crow 1997, 2000; Kühnert und Nieschlag 2004). Die Mechanismen, durch die diese Phänomene entstehen, sind jedoch nicht nur eine Funktion der erhöhten Mutationsraten (Tiemann-Boege et al. 2002; Choi et al. 2008).
Es wurde festgestellt, dass eine Mutation im FGFR2-Gen in Spermien älterer Männer signifikant häufiger vorkommt als in denen jüngerer Männer und offenbar einen Überlebensvorteil für die Keimzellen der Hoden darstellt (Übersicht in Maher et al. 2019). Dieser Mechanismus könnte im Laufe des Lebens eines Mannes zu einer signifikanten Anreicherung des Anteils der Spermien führen, die die entsprechende Mutation tragen, ohne dass eine Erhöhung der De-novo-Mutationsrate erforderlich ist.
Solche so genannten „selbstsüchtigen Mutationen“ sind inzwischen auch in mehreren anderen Genen gefunden worden. Die Duplex-Sequenzierung hat vor kurzem den direkten Beweis erbracht, dass De-novo-Mutationen in Regionen, die mit angeborenen Störungen assoziiert sind, im Sperma älterer Männer viel häufiger vorkommen als bei jüngeren Männern (Salazar et al. 2022). Die Beweise für eine erhöhte genetische Schädigung und die Vielzahl von Krankheiten, die mit dem fortgeschrittenen Alter des Vaters in Verbindung gebracht werden, könnten jedoch darauf hindeuten, dass auch andere, noch unbekannte Mechanismen am Werk sein könnten.

Berufliche Expositionen

Beruflich bedingte chemische Belastungen können ein viel größeres Risiko darstellen als in der Allgemeinbevölkerung. Die Exposition gegenüber 1,2,Dibrom-3-Chloropan (DBCP) in einem chemischen Produktionsbetrieb wurde dosisabhängig mit der Unfruchtbarkeit von Arbeitern in Verbindung gebracht (Whorton et al. 1977; Potashnik et al. 1978). Die Spermienproduktion erholte sich bei vielen Männern, die an einen Arbeitsplatz versetzt wurden, an dem sie nicht mehr DBCP ausgesetzt waren, aber einige Männer blieben azoospermisch (Eaton et al. 1986). Über die Reproduktionstoxizität dieser Verbindung bei Tieren war schon viel früher berichtet worden (Torkelson et al. 1961). Viele andere Pestizide wie Chlordecon, Carbaryl und Ethylendibromid wurden ebenfalls mit Reproduktionstoxizität in Verbindung gebracht (Giwercman und Bonde 1998).

Toxische Mischungen

Die chemische Toxizität wird in der Regel an einzelnen Verbindungen getestet, und jede Chemikalie wird durch eine Expositionskonzentration charakterisiert, die dem Tier keinen Schaden zufügt (No Adverse Effect Level, NOAEL). In der Regel verursachen nur berufsbedingte oder zufällige Expositionen gegenüber einzelnen Chemikalien- Konzentrationen, die den NOAEL-Wert überschreiten. Im wirklichen Leben sind wir immer mehreren Chemikalien gleichzeitig ausgesetzt. Chemikalien in Gemischen können additiv, synergistisch oder gegensätzlich wirken. Additive Mischungseffekte sind typisch, wenn mehrere Antiandrogene zusammen getestet werden (Rider et al. 2008). Die Kombination von Chemikalien in Mengen unterhalb ihres NOAEL kann bei 100 % der exponierten Tiere Wirkungen hervorrufen (Christiansen et al. 2008). Der Wirkmechanismus der Antiandrogene muss nicht derselbe sein (z. B. Androgenrezeptor-Antagonismus), um eine additive Wirkung zu verursachen. Darüber hinaus können Chemikalien mit einem anderen Signalisierungsziel, wie z. B. Arylkohlenwasserstoffrezeptoren für Dioxine, Bestandteile der schädlichen Mischungen sein (Rider et al. 2010). Mischungseffekte stellen eine Herausforderung für epidemiologische Studien und für die Regulierungsbehörden dar. In die zulässigen Tagesdosen von Chemikalien sind Sicherheitsmargen eingebaut, aber es bleiben Unsicherheiten, da die Zahl der Chemikalien sehr hoch ist und ihr NOAEL tendenziell sinkt, wenn neue Forschungsergebnisse vorliegen. Daher sind die derzeitigen Sicherheitsmargen möglicherweise nicht groß genug, da Chemikaliengemische auch dann schädliche Wirkungen hervorrufen können, wenn einzelne Chemikalien in dem Cocktail in niedrigeren Konzentrationen vorliegen als ihren NOAEL-Werten, die zur Bestimmung der zulässigen Tagesdosen für die Exposition verwendet werden (Kortenkamp und Faust 2018). Da männliche Fortpflanzungsdefekte wie Kryptorchismus und Hypospadie einen relativ großen Anteil der Männer (mehrere Prozent) betreffen und antiandrogene Chemikalien diese Störungen verursachen können, sollte die Erkennung schädlicher Expositionen in der Umwelt eine hohe Priorität haben, um reproduktive Gesundheitsprobleme in der Zukunft zu verhindern.

Reproduktionstoxizität in der Entwicklung

Durch die Untersuchung genetischer Störungen haben wir viel über die Entwicklung und Funktion des männlichen Fortpflanzungssystems gelernt. Gonadotropine und Hodenhormone regulieren die männerspezifische Differenzierung der Geschlechtsorgane. Androgene spielen eine zentrale Rolle bei der Entwicklung der äußeren Genitalien. Defekte in der Androgen-Biosynthese oder -Wirkung führen zu einer weiblichen sexuellen Differenzierung der äußeren Genitalien oder zu einer Unter-Maskulinisierung. Diese Erkrankungen sind mit einer gestörten Spermatogenese und einem erhöhten Risiko für Keimzellneoplasien im Hoden verbunden. Hypospadie und Kryptorchismus sind häufige milde Formen der Untermännlichkeit und treten meist ohne erkennbare Gendefekte auf. Das gemeinsame Auftreten von Hypospadie, Kryptorchismus, schlechter Samenqualität und Hodenkeimzellkrebs veranlasste Skakkebaek et al. (2001, 2016), den Begriff Testikuläres Dysgenesiesyndrom (TDS) zu prägen, der die entwicklungsbedingte Grundlage dieser Fortpflanzungsstörungen und die Ähnlichkeit der zugrunde liegenden Risikofaktoren hervorhebt. Während wir mehrere genetische Ursachen für TDS kennen, wie z. B. Androgeninsensitivität und Defekte der steroidogenen Enzyme, ist über mögliche Umweltursachen viel weniger bekannt. Die Entwicklungsbiologie leitet uns jedoch an, nach Giftstoffen zu suchen, die die Steroidsynthese hemmen oder die Androgenwirkung blockieren könnten. In der Tat kennen wir derzeit Hunderte von Chemikalien, die solche Eigenschaften haben. In Tierversuchen führen Antiandrogene zu Hypospadie, Kryptorchismus, verkürztem Anogenitalabstand, strukturellen Veränderungen der Hodenhistologie und beeinträchtigter Spermienproduktion (Sharpe 2020). Die Effekte sind additiv, d. h. mehrere Antiandrogene wirken in ihrer Summe (Rider et al. 2008, 2010). Die Bewertung der Exposition des Menschen wurde meist für jeweils eine einzelne Chemikalie vorgenommen, und die damit einhergehende Unsicherheit wurde mit Sicherheitsmargen behandelt.

Lageanomalien der Hoden

Lageanomalien der Hoden können angeboren oder erworben sein, was in vielen Studien nicht berücksichtigt wurde, und die beiden Formen werden oft miteinander vermischt. Der angeborene Kryptorchismus ist per Definition eine fetale Störung, während der erworbene Kryptorchismus auch postnatale Ursachen haben kann. Die Feststellung der Diagnose ist unterschiedlich, was ebenfalls zur Unsicherheit bei der Klassifizierung des Ergebnisses beiträgt. Die Bewertung der Exposition ist ebenfalls variabel. Die Probenmatrix kann mütterliches Serum, Urin, Fruchtwasser oder Muttermilch, Plazenta oder Serum, Urin, Fettgewebe, Haare, Zähne, Nägel oder fast jedes andere Gewebe des Kindes sein. Berufliche und epidemiologische Studien können sich auf die Analyse der Arbeitsplatzmatrix oder auf regionale Daten über die Expositionshöhe stützen. Kein Wunder, dass auch die Ergebnisse der Studien unterschiedlich ausfallen.
In einigen Studien wurde ein positiver Zusammenhang zwischen dem Gehalt an chlororganischen Pestiziden, polybromierten Diphenylethern (PBDEs) werden als Flammschutzmittel verwendet), polychlorierten Biphenylen (PCBs) werden als Flammschutzmittel und Isolatoren verwendet) und Dioxinen (Schadstoffe z. B. aus der Müllverbrennung) in der Muttermilch oder im Fettgewebe des Kindes und dem Risiko von Kryptorchismus festgestellt (Damgaard et al. 2006; Brucker-Davis et al. 2008; Koskenniemi et al. 2015; Main et al. 2007). Auch einige berufsbezogene und epidemiologische Studien haben einen Zusammenhang zwischen Pestizidexposition in utero und dem Risiko für Kryptorchismus gezeigt (z. B. García et al. 2017; Weidner et al. 1998; Andersen et al. 2008), während einige andere Studien diesen Zusammenhang nicht bestätigt haben (Übersicht in Virtanen et al. 2019). In Studien, in denen die Pestizidkonzentrationen im mütterlichen Serum oder im Nabelschnurserum gemessen wurden, wurde kein signifikanter Zusammenhang mit Kryptorchismus festgestellt (Longnecker et al. 2002; Trabert et al. 2012; Bhatia et al. 2005; Pierik et al. 2007; Brucker-Davis et al. 2008). Die PCB-Konzentrationen in verschiedenen Matrices wurden in den meisten Studien nicht mit dem Risiko von Kryptorchismus in Verbindung gebracht (Virtanen et al. 2019). In einer kombinierten Analyse von 106 Umweltchemikalien in der Muttermilch wurden PBDEs und Dioxine als Risikofaktoren für Kryptorchismus identifiziert (Krysiak-Baltyn et al. 2012). Der Gehalt an perfluorierten Verbindungen (die in Oberflächenmaterialien wie Kochgeschirr verwendet werden) im Fruchtwasser oder Nabelschnurblut wurde nicht mit dem Risiko von Kryptorchismus in Verbindung gebracht (Vesterholm Jensen et al. 2014; Toft et al. 2016). Die meisten der oben genannten Chemikalien wurden aufgrund ihrer Persistenz, Bioakkumulation und Toxizität verboten. Die europäischen Länder haben sich verpflichtet, die in der Stockholmer Konvention aufgeführten giftigen Chemikalien schrittweise aus dem Verkehr zu ziehen. Daher ist ihr Gehalt in der Umwelt in den letzten Jahrzehnten zurückgegangen. Aufgrund ihrer Persistenz bilden sie jedoch nach wie vor eine „Hintergrundbelastung“, die bei uns allen messbar ist.
Die Bewertung der Exposition gegenüber nicht persistenten Chemikalien ist sehr viel schwieriger als die von persistenten Verbindungen. Dies hat die Studien über nicht persistente Chemikalien eingeschränkt, obwohl es viele experimentelle Belege für ihre mögliche Reproduktionstoxizität gibt. Die Unterschiede zwischen den Arten erschweren die Interpretation der Ergebnisse und die Schlussfolgerungen, die daraus gezogen werden können, zusätzlich. Phthalate (die als Weichmacher verwendet werden) sind in Studien an Ratten als Antiandrogene gut charakterisiert und wurden daher in Studien zum Kryptorchismus getestet. Die Phthalatkonzentrationen im Urin der Mutter während der Schwangerschaft wurden positiv mit dem Risiko von Kryptorchismus in Verbindung gebracht (Swan 2008), während kein positiver Zusammenhang festgestellt wurde, wenn Phthalate im Fruchtwasser, im Serum der Nabelschnur oder in der Muttermilch gemessen wurden (Jensen et al. 2015; Main et al. 2006; Brucker-Davis et al. 2008). Serumspiegel von Bisphenol-A (das in Kunststoffen verwendet wird) waren in einer Studie positiv mit dem Risiko von Kryptorchismus verbunden (Komrowska et al. 2015), während bei der Messung von BPA im Nabelschnurblut kein Zusammenhang festgestellt wurde (Fénichel et al. 2012; Chevalier et al. 2015).
Eine kürzlich durchgeführte Meta-Analyse von Fall-Kontroll-Studien, die zwischen 1990 und 2020 veröffentlicht wurden, berichtete über ein erhöhtes Risiko für Kryptorchismus in Verbindung mit pränataler Exposition gegenüber Phenol-Substanzen (Yu et al. 2021).

Hypospadie

Hypospadie tritt in der Regel als isolierter Geburtsfehler auf, aber Kryptorchismus kann damit einhergehen (Thankamony et al. 2014; van der Horst und de Wall 2017). Die Exposition gegenüber Pestiziden wurde in ökologischen und beruflichen Studien mit dem Risiko einer Hypospadie in Verbindung gebracht. In einer Meta-Analyse betrug das Risikoverhältnis 1,36 (95 %CI 1,04–1,77) nach mütterlicher Exposition gegenüber Pestiziden und 1,19 (95 %CI 1,00–1,41) nach väterlicher Exposition (Rocheleau et al. 2009). Ein positiver Zusammenhang zwischen fetaler Exposition gegenüber Pestiziden und Hypospadie wurde auch in zwei späteren Studien berichtet (Garcia et al. 2017; Kalfa et al. 2015), während in vier anderen Studien kein Zusammenhang gefunden wurde (Nassar et al. 2010; Morales-Suarez-Varela et al. 2011; Rocheleau et al. 2011; Carmichael et al. 2013).
Unterschiedliche Ergebnisse von Fall-Kontroll-Studien wurden für Assoziationen zwischen Hypospadie und Pestiziden oder der Summe von PCBs im mütterlichen Serum oder im Serum des Jungen berichtet (Übersicht in Virtanen et al. 2019). Bei der Kombination von Kryptorchismus und Hypospadie wurde ein positiver Zusammenhang zwischen den Plazentakonzentrationen von Pestiziden, BPA und Benzophenon (UV-Schutz) und Hypospadie beobachtet (Fernandez et al. 2007, 2016). Eine neuere Meta-Analyse zeigte einen Zusammenhang zwischen der Exposition gegenüber endokrin wirksamen Chemikalien und Hypospadie (Wang et al. 2021), während eine ältere Meta-Analyse keinen Zusammenhang ergab (Bonde et al. 2016).

Hodenkrebs

Hodenkrebs hat in mehr als 90 % der Fälle einen Keimzellenursprung, und daher spiegeln Krebsstatistiken die Inzidenz von Hodenkeimzelltumoren (TGCT) wider, wenn von Hodenkrebs die Rede ist (Rajpert-De Meyts et al. 2016). Die Inzidenz von Hodenkrebs erreicht ihren Höhepunkt im jungen Erwachsenenalter nach der Pubertät, was sich auch auf die Fruchtbarkeit auswirkt. Die Inzidenz hat weltweit rapide zugenommen, und TGCT sind in den westlichen Ländern die häufigsten Krebsarten bei jungen Männern (Znaor et al. 2014). Die Keimzellneoplasie in situ (GCNIS) geht den TGCT voraus. Da GCNIS-Zellen viele Merkmale mit fötalen Gonozyten gemeinsam haben, ist es wahrscheinlich, dass die TGCTs einen fötalen Ursprung haben (Rajpert-De Meyts et al. 2016). Polymorphismen in einigen Genen, wie z. B. KIT und CDC27, werden mit einem erhöhten Hodenkrebsrisiko in Verbindung gebracht (Litchfield et al. 2015). Kryptorchismus und Hypospadie sind sogar noch bekanntere Risikofaktoren für Hodenkrebs (Trabert et al. 2013).
Die meisten Studien über Umwelteinflüsse auf Hodenkrebs haben die Exposition von Erwachsenen analysiert. In Anbetracht des fötalen Ursprungs der Krankheit war dies jedoch eindeutig kein relevanter Expositionszeitpunkt, und die meisten Studien haben negative Ergebnisse berichtet. Einige Fall-Kontroll-Studien haben jedoch über einen Zusammenhang zwischen Hodenkrebs und der Exposition gegenüber chlororganischen Pestiziden berichtet, während die Ergebnisse des Zusammenhangs mit der Exposition gegenüber PCB widersprüchlich sind (Giannandrea et al. 2011; McGlynn et al. 2008, 2009; Purdue et al. 2009).
Die fetale Exposition wurde aus Messungen persistenter Chemikalien in Serumproben der Mütter, die Jahre nach der Schwangerschaft entnommen wurden, extrapoliert. In Fall-Kontroll-Studien bei Männern mit Hodenkrebs wurden die Chemikalienwerte im Serum der Männer mit denen der Mütter verglichen. Dabei zeigte sich, dass die Mütter der Erkrankten signifikant höhere Serumwerte von PCB, Hexachlorbenzol, PBDE sowie cis- und trans-Nonachlordanen aufwiesen als die Mütter der Kontrollpersonen, während nur die cis-Nonachlordan-Konzentration im Serum der Erkrankten selbst höher war als bei den Kontrollpersonen (Hardell et al. 2003, 2004, 2006).

Spermienqualität

Die Spermakonzentrationen sind in den Industrieländern seit den 1940er-Jahren zurückgegangen, wie zahlreiche Meta-Analysen zeigen (Carlsen et al. 1992; Swan et al. 1997, 2000; Levine et al. 2017). Die Spermaqualität in der Allgemeinbevölkerung scheint in verschiedenen Teilen der Welt sehr ähnlich zu sein (Virtanen et al. 2017). Der Zusammenhang zwischen der gegenwärtig eher schlechten Samenqualität und ihrem Rückgang mit Umwelteinflüssen ist umstritten (Fisch 2008; Levine et al. 2017; Ravanos et al. 2018).
Die Spermatogenese hängt von der normalen Funktion der Sertoli-Zellen ab, die ihre Proliferation in der Pubertät einstellen, wenn sie für die Entwicklung der Keimzellen benötigt werden. Die Anzahl der Sertoli-Zellen bestimmt die maximale Spermienproduktionskapazität. Daher wird die Spermienproduktionskapazität bereits vor der Pubertät festgelegt, und die Anzahl der einzelnen Spermien bleibt im Erwachsenenalter relativ konstant (Perheentupa et al. 2016). Sertoli-Zellen proliferieren in mindestens drei Entwicklungsphasen, zuerst während des fötalen Stadiums, dann während der „Mini-Pubertät“ in den ersten Monaten nach der Geburt und schließlich während der Vorpubertät kurz vor dem Beginn der Spermatogenese (Mäkelä et al. 2018). Bei hypogonadotropem Hypogonadismus kann eine Hormonbehandlung mit Gonadotropinen oder Gonadotropin-Releasing-Hormon die Spermienproduktion anregen und verbessern, aber ansonsten haben wir keine Möglichkeit, die Spermienproduktionskapazität von erwachsenen Männern zu beeinflussen. Wir kennen jedoch mehrere Faktoren, die die Spermienproduktion hemmen können, und die Erholung nach einer solchen Beeinträchtigung kann wieder zu einer normalen Spermatogenese führen. Hitze, Bestrahlung, Krankheiten, viele Arzneimittel und Giftstoffe können die Spermienproduktion verringern. Die Spermienqualität spiegelt die fötale und kindliche Hodenentwicklung wider, und diese Lebensabschnitte sind auch Zeitfenster für mögliche Schäden, die die lebenslange Spermienproduktionskapazität beeinträchtigen.
Die Exposition gegenüber 2,3,7,8,-Tetrachlordibenzo-p-dioxin TC(DD) in den drei Phasen der Sertoli-Zellproliferation (Fötus, neonataler Säugling, 8–9-jähriger Junge) wurde mit einer verminderten Spermienqualität in Verbindung gebracht (Mocarelli et al. 2008, 2011; Mínguez-Alarcón et al. 2017).
Die fötale Exposition gegenüber Hintergrundwerten von Perfluoroctansäure (PFOA) war umgekehrt mit der Samenqualität (Spermienkonzentration, Gesamtspermienzahl) verbunden, während kein Zusammenhang mit Perfluoroctansulfonat (PFOS), polychlorierten Biphenylen (PCB) oder p,p′-DDE beobachtet wurde (Vested et al. 2013, 2014b). PFOA kann die Testosteronproduktion hemmen (Eggert et al. 2019). Während es sich sowohl bei Dioxinen als auch bei PFOA um persistente Giftstoffe handelt, die eine lange Halbwertszeit in unserem Körper haben, haben Phthalate eine kurze Lebensdauer, aber die Exposition gegenüber ihnen kann allgegenwärtig sein. Es wurde berichtet, dass die Exposition gegenüber Phthalaten bei Erwachsenen die Samenqualität beeinträchtigt (Cai et al. 2015; Axelsson et al. 2015a; Thurston et al. 2015), während die Ergebnisse zu Bisphenol A nicht schlüssig sind (Minguez-Alarcon et al. 2016).

Hormonspiegel

Toxische Wirkungen können mehrere endokrine Organe betreffen, die Fortpflanzungshormone produzieren. Hypothalamus, Hypophyse und Hoden arbeiten über funktionelle Rückkopplungs- und Feedforward-Schaltkreise gut zusammen. Daher müssen Veränderungen im Spiegel der Fortpflanzungshormone immer im Zusammenhang mit den anderen Organen betrachtet werden. So deuten beispielsweise niedrige Inhibin-B-Spiegel zusammen mit hohen FSH-Spiegeln bei erwachsenen Männern, die in Seveso im frühen Leben hohen Dioxinwerten ausgesetzt waren, auf eine direkte Hodentoxizität von Dioxinen hin (Mocarelli et al. 2011). In ähnlicher Weise war die foetale Exposition gegenüber PFOA positiv mit den FSH- und LH-Spiegeln von Erwachsenen assoziiert, während für PFOS, PCB und p,p-DDE keine signifikanten Assoziationen mit den Gonadotropinspiegeln beobachtet wurden (Vested et al. 2013; Vested et al. 2014a). Eine fötale Phthalat-Exposition wurde auch mit einer erhöhten Serumkonzentration von Gonadotropinen bei erwachsenen Männern in Verbindung gebracht (Axelsson et al. 2015b). Die Phthalat- und PBDE-Konzentrationen in der Muttermilch waren positiv mit dem Verhältnis von LH und LH-freiem Testosteron bei Jungen im Alter von drei Monaten verbunden (Main et al. 2006, 2007).

Design und Interpretation von toxikologischen Studien

Design von nicht-humanen Studien

Der Wert nicht-humaner Studien beruht auf dem Gleichgewicht zwischen den Stärken der experimentellen Toxikologie: der Möglichkeit, sorgfältig kontrollierte, reproduzierbare Beobachtungen zu allen relevanten physiologischen Variablen zu machen, und ihren Schwächen – einschließlich der Unsicherheit der Extrapolation von einem Testsystem auf den Menschen. Die Randomisierung ist unerlässlich, um ein Gleichgewicht zwischen bekannten und unbekannten Kovariablen in den Kontroll- und Behandlungsgruppen zu gewährleisten. Die Durchführung der Arbeiten sollte gemäß den Protokollen validierter Tests erfolgen, bei denen die Prüfer hinsichtlich der Identität der Kontroll- und der Testgruppe verblindet sind, die eine angemessene Größe aufweisen und mit geeigneten statistischen Methoden analysiert werden sollten. Präzision, Reproduzierbarkeit und Replizierbarkeit sind weitere Schlüsselelemente eines optimalen Versuchsplans, der in solchen Studien erwartet wird. Bei der Auswertung muss die Möglichkeit von Unterschieden zwischen den Tierarten in Bezug auf relevante Faktoren wie Verabreichungsweg, Verteilung, Metabolismus, Ausscheidung und Wirkungsweise der betreffenden Chemikalie sorgfältig berücksichtigt werden.

Aufbau von Humanstudien

Humantoxikologische Studien liefern in der Regel retrospektive epidemiologische oder klinische Daten, die sich auf unkontrollierte Expositionen beziehen, so dass die Kontrolle von Kovariablen schwierig oder unmöglich sein kann. Eine wichtige Quelle für Verzerrungen bei Humanstudien, insbesondere bei Studien, die die Entnahme von Samenproben erfordern, ist die Teilnahmequote. Obwohl die soziale Akzeptanz der Abgabe von Samenproben in den letzten Jahren zugenommen haben mag, sind die meisten Männer nicht bereit, daran teilzunehmen, es sei denn, sie sind gleichzeitig um ihre Fruchtbarkeit besorgt (Eintrittsverzerrung [die reproduktive Analogie des ‚gesunden Arbeitnehmers‘]), und die Teilnahmequoten bleiben sehr niedrig. Dies bedeutet zwangsläufig, dass die Teilnehmer an solchen Studien selbst ausgewählt werden, was zu einer systematischen Verzerrung führt, die nur schwer zu beseitigen und nicht zu korrigieren ist.
Da die Spermienzahl nur ein Surrogat für die männliche Fruchtbarkeit ist, können sich andere Surrogatmaße für die männliche Fruchtbarkeit, die eine Spermaanalyse überflüssig machen (z. B. Zeit bis zur Schwangerschaft [Joffe et al. 1993, siehe Abschn. 6.1.2, unten], Hodengröße, Hormonspiegel) in der Praxis für Bevölkerungsstudien als nützlicher erweisen. Typische Endpunkte, die in Humanstudien gemessen werden, ergeben sich aus einer Anamnese, einer körperlichen Untersuchung und Blut- und Spermaproben. Diese liefern Informationen über das Hodenvolumen, die Spermaparameter (Spermienzahl, Beweglichkeit, Morphologie, Samenvolumen, andere spezielle Tests der Spermienfunktion) und die FSH-Konzentration im Blut. Serienbeobachtungen sind besonders nützlich, um die Variabilität zwischen den Probanden bei vielen dieser Parameter auszugleichen. Normalbereichswerte können einen gewissen Hinweis darauf geben, ob eine Person möglicherweise berauscht war, insbesondere wenn keine Serienbeobachtungen verfügbar sind.

Vorschriftsmäßige Tests auf Reproduktionstoxizität

Regulatorische Strategien für die Reproduktionsforschung

In der Gesetzgebung werden Chemikalien als Lebensmittelchemikalien, Arzneimittel oder Verbindungen zur Verwendung in der Umwelt betrachtet. Zur ersten Kategorie gehören Lebensmittelzusatzstoffe und Verpackungsbestandteile, die mit Lebensmitteln in Berührung kommen. Die zweite Kategorie umfasst Arzneimittel und Verbindungen, die in der Human- und Veterinärmedizin verwendet werden, während die dritte Kategorie alle Chemikalien umfasst, die aufgrund ihrer Verwendung in die Umwelt freigesetzt werden. Diese enorme Bandbreite an Chemikalien und Verwendungszwecken, die von unabhängigen Regulierungsbehörden behandelt werden, hat zu einer weiteren Diversifizierung der Prüfanforderungen geführt, je nach der vorgeschlagenen Verwendung der Verbindung und dem Land, in dem der Antrag gestellt wird. Die Notwendigkeit, die Anforderungen an die Sicherheitsprüfung von chemischen Stoffen, die international verwendet werden sollen, zu vereinheitlichen, hat dazu geführt, dass sich die Europäische Gemeinschaft, die Vereinigten Staaten und Japan auf gemeinsame Strategien für die Prüfung der Toxizität von Arzneimitteln geeinigt haben. Durch die gemeinsame Einrichtung des Internationalen Ausschusses zur Harmonisierung der technischen Anforderungen für die Zulassung von Humanarzneimitteln wurden Empfehlungen für die Bewertung der Reproduktionstoxizität vorgelegt und von den Regulierungsbehörden in jedem Bereich angenommen. (Angenommen als „ICH Harmonised Tripartite Guideline: Detection of Toxicity to Reproduction for Medicinal Products, June 1993“; und auch als Addendum: „… Detection of Toxicity to Reproduction for Medicinal Products and Toxicity to Male Fertility, November 2005“). Sie basieren auf dem „3-Segment“-Design, das erstmals 1966 von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) eingeführt wurde (siehe Sullivan 1988), und umfassen eine Fertilitätsstudie an männlichen und weiblichen Ratten, eine prä- und postnatale Studie an trächtigen weiblichen Ratten und eine Teratologie-Studie an der Ratte und einer anderen Säugetierart. Das Addendum empfiehlt eine mindestens zweiwöchige Dosierungsphase vor der Paarung für männliche Tiere, die in den Zulassungsstudien behandelt werden, da die alleinige Betrachtung der Paarung ein unempfindliches Mittel zur Feststellung von Auswirkungen auf die Spermatogenese ist. Da außerdem fast alle Verbindungen, die sich in solchen Tests als positiv erwiesen haben, nachweislich post-meiotische Zellen beeinträchtigen, ist eine zweiwöchige Dosierung vor der Paarung ausreichend (Sakai et al. 2000). Nur die ersten können direkte Auswirkungen auf die männliche Fortpflanzung feststellen, obwohl alle Vorstudien, die zur Festlegung von Dosiswerten durchgeführt werden, Daten zur Hodenhistologie, Spermienmotilität und -lebensfähigkeit liefern sollten. Wenn aus solchen Studien gute Daten vorliegen, sind für die Fruchtbarkeitsstudie keine seminologischen Daten erforderlich.
Die Regulierung von Lebensmittel- und Umweltchemikalien wird in den USA von der FDA bzw. der Environmental Protection Agency, in Europa von der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OCDE) und in Japan vom japanischen Ministerium für Landwirtschaft, Fischerei und Ernährung beaufsichtigt. Alle diese Behörden verlangen im Wesentlichen die gleichen Tests für diese Chemikalien, die Folgendes umfassen
  • Teratologie-Studie an zwei Arten;
    eine Studie zur Toxizität in einer Generation und
  • Zwei-Generationen-Toxizitätsstudie;
    oder
  • erweiterte Toxizitätsstudie mit einer Generation.
Daten zur Hodenpathologie und -seminologie sind für alle Generationen erforderlich.
Die wichtigste neue Entwicklung der letzten Jahre ist die Anerkennung der potenziellen Bedeutung von endokrinen Disruptoren in der männlichen Reproduktionstoxikologie, was sich in der umfangreichen Literatur widerspiegelt, die derzeit zu diesem Thema gesammelt wird. Die OECD hat Richtlinien (OECD 2018) für die Durchführung und Interpretation aller wichtigen Assays veröffentlicht, die für die toxikologische Prüfung von endokrinen Disruptoren in Reproduktionssystemen bei einer Vielzahl von Spezies sowohl bei männlichen als auch bei weiblichen Tieren verwendet wurden. Das Dokument konzentriert sich nicht nur auf die Verfahren selbst, sondern reflektiert auch über die Assays und die Interpretation der Daten, die sich aus ihrer Verwendung ergeben.

Experimentelle Methoden in der männlichen Reproduktionsforschung

Die regulative männliche Reproduktionstoxikologie übernimmt zunehmend Techniken aus der Grundlagenforschung. Zusätzlich zu den bereits weit verbreiteten Basistechniken sind dies unter anderem:
  • die detaillierte histologische Beurteilung des Keimepithels;
  • die Erkennung der charakteristischen Verbände und Stadien (Hess 1990);
  • Durchflusszytometrie, die sowohl die Gesamtzahl der Spermien als auch die Anteile der haploiden, diploiden und tetraploiden Zellen im Hoden quantifiziert;
  • Vitalfarbstofffärbung zur Bestimmung der Anzahl der Zellen mit intakten Membranen als Schätzung der Lebensfähigkeit;
  • computergestützte Techniken zur objektiven Bewertung der Spermienbewegung (Seed et al. 1996);
  • transgene Tiere;
  • neuartige In-vitro-Tests;
  • und eine Vielzahl von „omics“-Ansätzen, einschließlich Genomik, Toxikogenomik, Epigenomik, Proteomik, Transkriptomik, Exposomik, Metabolomik usw.
    Mit diesen Ansätzen wird versucht, die Gesamtheit oder einen repräsentativen Anteil der Daten zu erfassen, die in einem biologischen System für eine bestimmte Art von Endpunkt verfügbar sind. Eine der größten Herausforderungen für die Zukunft ist die Integration von Kombinationen dieser Datensätze, um ein umfassenderes Verständnis der Auswirkungen von Expositionen auf biologische Systeme zu erhalten
Es wurde auch eine Reihe von In-vivo-Genotoxizitätstests entwickelt, um potenziell übertragbare genetische Mutationen in der Keimzellen-DNA nachzuweisen. Dazu gehören Tests für dominante tödliche Mutationen, locus-spezifische Mutationen, dominante Skelettmutationen, vererbbare Translokationen und Aneuploidie. Andere Forschungstechniken, wie die stereologische Quantifizierung der Keimzellenzahl und die genetische Bewertung des Keimepithels, haben sich noch nicht durchgesetzt. Dies ist zum Teil auf die Kosten und den Zeitaufwand für die Durchführung von Tierversuchen zurückzuführen. Angesichts des zunehmenden Bedarfs an Toxizitätstests (siehe Einleitung zu diesem Kapitel) wird zunehmend Wert auf die Entwicklung von In-vitro-Tests gelegt (Gura 2008). Es ist jedoch anzumerken, dass die im Rahmen von REACH geforderten Tests keine In-vitro-Tests beinhalten.
Kritisch anzumerken ist jedoch, dass kein einziger Test eine umfassende Vorhersage der Toxizität für das männliche Fortpflanzungssystem ermöglicht.

Zukunftsperspektiven

Experimentelle Studien

Nicht-humane Studien

Die Vermutung, dass eine intrauterine Exposition gegenüber endokrin wirksamen oder anderen Chemikalien das künftige Fortpflanzungspotenzial beeinflussen kann, ist eine Hypothese, die nur an Versuchstieren getestet werden kann. In einer Reihe von Studien wurde berichtet, dass sowohl starke als auch relativ schwache Xenoestrogene das Fortpflanzungssystem männlicher Nagetiere nach prä-/neonataler Exposition beeinträchtigen können, ebenso wie in einigen Studien über negative Auswirkungen berichtet wurde. Es wird zunehmend erkannt, dass der Zeitpunkt der Exposition von entscheidender Bedeutung ist: Es scheint Zeitfenster der Empfindlichkeit während der frühen Entwicklung zu geben, die sowohl darüber entscheiden, ob eine Wirkung induziert wird, als auch über die Art der Wirkung. Dies könnte eine Erklärung für die unterschiedlichen Ergebnisse zahlreicher Studien sein. Es sind auch Studien erforderlich, um die offensichtlich größere Empfindlichkeit des sich entwickelnden Embryos/Fötus gegenüber Reproduktionstoxinen im Vergleich zum Erwachsenen zu klären, was sich auf die regulatorischen Teststrategien auswirken könnte. Die Suche nach besseren Prädiktoren für die Reproduktionstoxizität beim Menschen gewinnt an Dringlichkeit, da sich die öffentliche Aufmerksamkeit zunehmend auf mögliche schädliche Umwelteinflüsse auf die Fortpflanzung richtet. In dieser Hinsicht müssen Studien mit chronischen, niedrig dosierten Schemata, die die tatsächliche Exposition des Menschen besser nachahmen als die herkömmliche akute Dosierung, weiterentwickelt und validiert werden, zusammen mit besser verwendbaren Ersatzmaßen für die männliche Fruchtbarkeit.
Jüngste Fortschritte beim Verständnis, wie die Mutationsrate in Spermien mit dem Alter ansteigt, sollten dazu anregen zu untersuchen, ob Umweltexpositionen diese Prozesse ebenfalls beeinflussen können. In einer der ersten Studien dieser Art wurde keine Auswirkung von Krebsbehandlungen auf das Auftreten bestimmter „selbstsüchtiger Mutationen“ festgestellt, obwohl die höchste Behandlungsstufe die Menge einer der Mutationen zu senken schien (Maher et al. 2019). Obwohl dies beruhigend ist, sind ähnliche Untersuchungen für andere Arten von Expositionen erforderlich. Ebenso sollte in den kommenden Jahren die Rolle epigenetischer Faktoren in der Keimbahn bei der Vererbung, einschließlich DNA-Methylierungsmustern, Histonmodifikationen und RNA, viel stärker gewürdigt werden. Sobald mehr über die grundlegende Biologie all dieser Phänomene und ihre Bedeutung für die Reproduktionstoxikologie bekannt ist, können maßgeschneiderte Teststrategien entwickelt werden, die zum Schutz der Öffentlichkeit beitragen.

Studien mit Menschen

Das zunehmende Bewusstsein, dass viele Chemikalien die männliche Fortpflanzungsfunktion beeinträchtigen können, ist ein wichtiger Ausgangspunkt für die künftige Entwicklung der Reproduktionstoxikologie beim Menschen. Eine systematischere Sammlung von Informationen über die Fortpflanzungsfähigkeit von exponierten und nicht exponierten Arbeitnehmern sowie eine größere öffentliche Verfügbarkeit von Vorregistrierungstests für neue Arzneimittel würden die frühzeitige und empfindliche Erkennung von bisher unerkannten Gefahren für die männliche Fortpflanzung erheblich erleichtern. Dies könnte dazu beitragen, den hohen Anteil der unfruchtbaren Männer zu verringern, bei denen die Diagnose der männlichen Unfruchtbarkeit ungeklärt bleibt, aber umweltbedingte Ursachen vermutet werden. In den letzten zwei Jahrzehnten ist es nicht gelungen, Klarheit über die Rolle von Umwelteinflüssen oder Lebensstilfaktoren zu schaffen, während gleichzeitig die biologischen Faktoren, die toxische Reaktionen vermitteln können, viel komplexer geworden sind. So sind die Fortschritte bei der Identifizierung umweltbedingter Ursachen der männlichen Unfruchtbarkeit hinter den enormen Fortschritten beim Verständnis der genetischen und epigenetischen Grundlagen der Spermatogenese und ihrer Defekte bei der Entstehung männlicher Unfruchtbarkeit zurückgeblieben.
Die Analyse von Spermaproben sowohl für klinische als auch für Forschungszwecke sollte durch die allgemeine Übernahme des WHO-Laborhandbuchs für die Untersuchung und Aufbereitung von menschlichem Samen (2021) standardisiert werden. Die Variabilität zwischen und innerhalb von Laboratorien bei der Beurteilung von Sperma wird zunehmend durch Qualitätskontrollprogramme für die Spermaanalyse verringert. Die Festlegung von Normalbereichen bleibt jedoch eine schwierige Aufgabe. Daten, die bei einer beliebigen Population erhoben werden, sei es zur Kinderzahl oder zur Spermienzahl, können schwer zu interpretieren sein, wenn keine geeignete Kontrollgruppe ermittelt werden kann.
Die Erhebung von Spermadaten aus „Risikopopulationen“ ist mit praktischen Schwierigkeiten behaftet, einschließlich niedriger und verzerrter Teilnahmequoten je nach wahrgenommenem Risiko sowie deterministischer Interpretationen sporadischer Fallgruppen. Die begrenzte Akzeptanz von Samenentnahmen macht es wünschenswert, dass andere Überwachungssysteme zur Verfügung stehen, die weniger von der sexuellen Funktion abhängen. Eine wirksame Alternative ist das von Joffe et al. (1993) entwickelte, auf Fragebögen basierende Datenerfassungssystem Time-To-Pregnancy (TTP), das eine quantitative Schätzung der Fruchtbarkeitsleistung von Männergruppen als Mittel zur Überwachung der Fruchtbarkeit im beruflichen oder anderen Umfeld ermöglicht. Die routinemäßige Erfassung von Reproduktionsdaten am Arbeitsplatz, sei es anhand von Fragebögen oder Spermaproben, würde somit die Möglichkeit der Frühwarnung vor potenziellen Fertilitätsproblemen erheblich verbessern.

Klinische Implikationen

In der klinischen Routinepraxis sollte die Möglichkeit, dass Umwelt- und toxische Faktoren für Unfruchtbarkeit und andere andrologische Störungen verantwortlich sind, stets sorgfältig geprüft werden. Die genaue Identifizierung solcher Einflüsse hängt weitgehend von einem Verdachtsindex ab, der durch eine sorgfältige Anamnese der beruflichen, häuslichen, freizeitbedingten und sonstigen potenziellen Umweltexpositionen bestätigt werden muss. Eine Laborbestätigung spezifischer Vergiftungsformen kann gelegentlich hilfreich sein, ist aber selten möglich. Auch wenn die Messung mutmaßlicher Toxine in Körperflüssigkeiten (z. B. Blut, Samenplasma) möglich ist, muss ihre Bedeutung durch ordnungsgemäß kontrollierte klinische Studien nachgewiesen werden. Ohne diese kann eine Interpretation unmöglich sein. Eine sorgfältige und gründliche Berufsanamnese ist nach wie vor ein wesentlicher Bestandteil einer angemessenen Untersuchung von Männern auf Unfruchtbarkeit oder andere andrologische Störungen. Besonderes Augenmerk sollte dabei auf die Art der routinemäßig ausgeübten Arbeit sowie auf die Einhaltung und die Ergebnisse der Gesundheitsüberwachung gelegt werden, falls zutreffend. Darüber hinaus sollte die häusliche Exposition durch Gartenarbeit (Pestizide), Urlaub (Besuch von Bauernhöfen oder Zoos) und Hobbys berücksichtigt werden. Eine solche Kategorisierung des Lebensstils von Patienten kann nicht nur für die Beratung von Patienten nützlich sein, sondern auch für retrospektive Studien. Bei Patienten, die glauben, dass sie durch verschiedene Umwelteinflüsse vergiftet wurden, ist in der Regel eine umfassende Bewertung der Fortpflanzungsfunktion erforderlich, um alle Bedenken auszuräumen oder das Ausmaß der Schädigung zu ermitteln.

Zusammenfassung

  • Männliche Keimzellen können durch Faktoren geschädigt werden, die entweder zum Absterben der Zelle oder zu genetischen Schäden oder epigenetischen Veränderungen führen, die beide vererbbar sind und die Genfunktion bei den Nachkommen beeinträchtigen können.
  • Zu den Faktoren, die diese Folgen hervorrufen können, gehören: Rauchen, Exposition gegenüber ionisierender oder elektromagnetischer Strahlung, Krebstherapien, Hitze, Alterung oder Mischungen von Toxinen
  • Die Auswirkungen können sich auf das gesamte Spektrum der männlichen Fortpflanzungsfunktion erstrecken und möglicherweise zu Kryptorchismus, Hypospadie, Hodenkrebs und einer Vielzahl von Auswirkungen auf die Spermienqualität führen.
  • Um sich solcher Beobachtungen sicher sein zu können, müssen die Daten unter strenger Beachtung der Versuchsplanung erhoben werden. Für die behördliche Forschung sind die Protokolle und das Studiendesign durch die Gesetzgebung vorgeschrieben.
  • Es ist festzustellen, dass die Fortschritte in der Reproduktionsbiologie in den letzten Jahren die Fortschritte in der Reproduktionstoxikologie überholt haben. Die künftige Forschung sollte unser zunehmendes biologisches Verständnis nutzen, um neue Perspektiven für aktuelle toxikologische Probleme zu schaffen.
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