Heavy Metal Exposure And Its Effects In Male Reproductive Health: An In Vivo And In Vitro Study

Abstract

Nowadays, as the industrialization continues to grow worldwide, so does the emission of heavy metals to the environment. These heavy metals can act as endocrine disruptors (EDs) and exert a panoply of effects. In fact, an increasing number of reproductive disorders and a reduction in sperm quality in humans has been reported in the last decades, which is disturbing. Therefore, it became imperative to assess the sperm quality and the overall reproductive health of men that are especially vulnerable by living in heavily industrialized areas, such as Estarreja. This Portuguese city has the second largest chemical complex of the country and contamination by heavy metals was already described in the local. In this context, the present study aimed to evaluate the impact of heavy metals exposure on the reproductive health of men from Estarreja by comparing it with a control group corresponding to adult men from the Center region of Portugal. Furthermore, to achieve a more complete study, an in vitro approach was also performed to determine the effects of the two most prevalent heavy metals in Estarreja – arsenic (As) and mercury (Hg) – and their mixtures on important sperm function parameters. The in vivo study showed that although no differences were observed in what concerns semen volume and pH, sperm concentration, motility, morphology, mitochondrial membrane potential (MMP), chromatin integrity and accessory glands function, the individuals from the exposed group presented a significant decrease in the percentage of capacitated cells and decreased acrosomal integrity. This is a notable finding and the first study designed in an industrialized scenario, in Portugal, that suggests that heavy metal exposure is negatively affecting male reproductive health. Additionally, the in vitro study revealed that although, individually, neither As nor Hg exerted deleterious effects on sperm viability, motility, MMP, chromatin integrity, capacitation and acrosome integrity at environmentally-relevant concentrations, when combined, differences on viability, motility and MMP were observed, indicating that As and Hg may act synergistically. In sum, this project demonstrates that exposure to heavy metals may jeopardize male fertility and reproductive health and advertises for the negative effects that a heavily industrialized world may potentially bring to our lives.

Atualmente, há medida que a industrialização continua a crescer mundialmente, cresce também a emissão de metais pesados para o meio ambiente. Esses metais pesados podem atuar como disruptores endócrinos (EDs) e exercer uma panóplia de efeitos. De facto, tem sido indicado nas últimas décadas um número crescente de patologias reprodutivas/anomalias urogenitais e uma redução na qualidade espermática em humanos, o que é perturbador. Deste modo, tornou-se imperativo avaliar a qualidade espermática e o estado geral de saúde reprodutiva de homens especialmente vulneráveis por viverem em áreas altamente industrializadas, como Estarreja. Esta cidade portuguesa possui o segundo maior complexo químico do país e já foi descrita no local contaminação por metais pesados. Neste contexto, o presente estudo tem como objetivo avaliar o impacto da exposição a metais pesados na saúde reprodutiva de indivíduos de Estarreja, comparando-a com um grupo de controlo que corresponde a homens adultos da região centro de Portugal. Para além disso, de modo a obter um estudo mais completo, uma abordagem in vitro foi também realizada para determinar os efeitos dos dois metais mais prevalentes em Estarreja – arsénio (As) e mercúrio (Hg) – e misturas de ambos em parâmetros importantes de funcionalidade espermática. O estudo in vivo mostrou que apesar de não serem observadas diferenças no volume seminal e pH, concentração espermática, mobilidade, morfologia, potencial de membrana mitocondrial (MMP), integridade da cromatina e funcionalidade das glândulas acessórias, os indivíduos do grupo exposto apresentam uma redução significativa na percentagem de células capacitadas e diminuída integridade do acrossoma. Este é o primeiro estudo desenhado num cenário industrializado, em Portugal, que sugere que a exposição a metais pesados está a afetar negativamente a saúde reprodutiva masculina. Adicionalmente, o estudo in vitro revelou que apesar de nenhum dos compostos (As nem o Hg), individualmente, terem exercido efeitos deletérios na viabilidade e mobilidade espermática, MMP, integridade da cromatina, capacitação e integridade do acrossoma a concentrações ambientalmente revelantes, quando combinados, obtiveram-se diferenças na viabilidade, mobilidade e MMP, indicando eventual efeito sinergístico dos metais pesados em questão. Em suma, este projeto demonstra que a exposição a metais pesados pode prejudicar a fertilidade e a saúde reprodutiva masculina e adverte para os potenciais efeitos negativos que um mundo altamente industrializado traz para as nossas vidas.