Mechanismen und biologische Plausibilität

Ordnungsprinzip

Die Mechanismen werden in drei Stufen eingeteilt. „Bewiesen“ heißt hier ausdrücklich nur: In der abgerufenen Literatur direkt gemessen oder experimentell gezeigt, und zwar an dem Ort, um den es geht (am menschlichen Spermium, am Menschen, im definierten Tiermodell). Es heißt nicht, dass dadurch bewiesen wäre, dass ein bestimmtes Produkt beim Menschen die Fruchtbarkeit mindert. „Plausibel“ heißt: Es gibt Befunde in Tiermodellen, Zellkulturen oder Rauchstudien, die zu dem Mechanismus passen, aber keine direkte Prüfung am Produkt und am Menschen. „Spekulativ“ heißt: Die Erklärung ist von den Autoren vorgeschlagen, von den Daten aber nicht getragen oder widerspricht anderen Befunden. Für Nikotinbeutel gibt es keine eigenen Daten; für sie gilt durchgängig nur, was für Nikotin allein gezeigt ist [s11].

Bewiesen (im oben definierten, engen Sinn)

Nikotin und Cotinin gelangen in die Spermien und in die Keimdrüse. Bei 12 rauchenden Freiwilligen waren Nikotin und Cotinin in Spermien ähnlich hoch wie im Plasma [s140]. Im Samen von 35 Rauchern lag das Cotinin bei 60,44 ± 31,32 ng/ml gegenüber 2,01 ± 2,84 ng/ml bei 19 Nichtrauchern [s177]. Die systemische Aufnahme aus Snus ist durch das Urin-Cotinin belegt: 3200 ng/ml bei 69 Snus-Nutzern gegenüber 590 ng/ml bei 290 Nichtnutzern [s73]. Bei den Wasserpfeifen-Mäusen war das Cotinin im Urin erhöht [s131]. Dass ein Nikotinprodukt Nikotin systemisch zuführt, ist damit kein Mechanismus-Streit; offen ist, was die Konzentration im Hoden bewirkt.

Spermien tragen nikotinische Rezeptoren, und Nikotin wirkt in vitro über sie. An Spermien von 30 gesunden Männern wirkte Nikotin (100 ng/ml) über nikotinische Rezeptoren (α7-Untereinheit als Protein nachgewiesen); der Antagonist Hexamethonium hob die Effekte auf Beweglichkeit, Mitochondrienpotenzial, Chromatin, Apoptose und DNA-Fragmentierung auf [s133]. Bei Mäusen war die Untereinheit ε im Hoden und in etwa 50 % der Spermien (Akrosomregion) nachweisbar, und Nikotin unterdrückte über sie die Akrosomreaktion [s89]. Das ist ein direkter Angriffspunkt am Spermium und nicht nur ein Umweg über Hormone und oxidativen Stress. Der Beleg gilt für Laborbedingungen; welche Konzentration am Spermium im Alltag erreicht wird, ist nicht bekannt, und ein Zusammenhang mit der Spermienzahl ist damit nicht gezeigt.

Cotinin allein vermindert in vitro die Spermienfunktion. Menschliche Spermien, acht Stunden mit 400 oder 800 ng/ml Cotinin inkubiert, zeigten signifikant verminderte Motilität, Membranfunktion (hypoosmotischer Schwelltest), Hyperaktivierung und Penetrationsfähigkeit im Hamsteroozyten-Assay; bei 0, 100 und 200 ng/ml war das nicht der Fall [s233]. Die Konzentrationen sind Laborwerte; ein Vergleich mit Urin- oder Samenwerten aus den Studien wäre irreführend, weil Urin, Seminalplasma und Inkubationsmedium verschiedene Kompartimente sind.

Rauchen erhöht Marker des oxidativen Stresses im Samen von Männern. Malondialdehyd im Seminalplasma war bei 35 Rauchern höher als bei 19 Nichtrauchern (7,13 ± 1,15 gegenüber 4,42 ± 1,16 µM; p = 0,001) [s177]. Bei Wasserpfeifenrauchern war Malondialdehyd im Samen höher (0,39 ± 1,04 gegenüber 0,15 ± 0,21; p = 0,013) [s62]. In einer chinesischen Studie (132 rauchende infertile Männer) war die Plasmamembranintegrität gemindert und die Chk1-Expression vermindert [s141, s195]. In einer Gruppe normozoosperm infertiler Männer waren die antioxidativen Enzymaktivitäten (Katalase, SOD, Glutathionreduktase) und Malondialdehyd bei Rauchern höher [s122]. Die Beobachtungen betreffen Zigaretten- und Wasserpfeifenrauch, nicht Snus, Kautabak oder Beutel; die Studien sind klein, und die Richtung der Enzymaktivitäten ist nicht einheitlich (Zink im Samenplasma war in [s141] erhöht, in [s206] erniedrigt).

Nikotin allein schädigt im Tiermodell den Hoden. Bei Mäusen und Ratten verursachte Nikotin ohne jeden Rauch Veränderungen an Spermienzahl, Beweglichkeit, Vitalität und Morphologie, erhöhte Malondialdehyd im Hoden und senkte die Superoxiddismutase [s132], senkte Konzentration, Gesamt- und Progressivmotilität unter gestörter Meiose und gestörtem Histon-Protamin-Wechsel [s21], und verringerte bei präpubertären Ratten Beweglichkeit (82,2 %) und Zahl (62,6 %), nicht aber bei adulten [s154]. Dass Nikotin allein im Tiermodell wirkt, ist damit gezeigt; die Dosen und der Weg (intraperitoneal, subkutan, Trinkwasser) sind mit dem Gebrauch von Snus oder Beuteln nicht gleichzusetzen.

Rauchloser Tabak wirkt im Rattenmodell stärker als Nikotin allein. In [s154] war die Wirkung auf Spermienbeweglichkeit und -zahl in der Reihenfolge rauchloser Tabak > Tabakrauch > Nikotin; bei Mäusen senkte Gutkha, nicht aber Nikotin allein, Körpergewicht und Serumtestosteron [s181]. Beides zeigt: Nikotin ist nicht der einzige wirksame Bestandteil. Das gilt in der Konsequenz auch für Snus, der Tabak enthält, nicht aber ohne Weiteres für tabakfreie Beutel.

Plausibel

Oxidativer Stress und DNA-Schäden der Spermien. Der meistgenannte Mechanismus der Rauchstudien. Gestützt wird er durch Marker beim Menschen (siehe oben), durch erhöhte reaktive Sauerstoffspezies, DNA-Fragmentierung und 8-OHdG bei tabaknutzenden Vätern (Kau- und Rauchtabak) [s162], durch Rattenversuche mit erhöhtem Malondialdehyd im Hoden unter rauchlosem Tabak, Rauch und Nikotin [s154] und durch Wasserpfeifen-Mäuse (verminderte Glutathionreduktase, Katalase, Ascorbinsäure; erhöhte Entzündungsmarker TNF-α und IL-6) [s131]. Bei Snus fand die einzige Studie mit DNA-Fragmentierung (SCSA) keinen Unterschied (11 gegenüber 12 %; p = 0,32) [s73]; bei Zigaretten waren die Befunde zur DNA-Fragmentierung uneinheitlich (kein Zusammenhang mit Urin-Cotinin bei 381 jungen Schweden [s68], höhere Werte in Nowosibirsk und Homburg [s59, s67]). Plausibel ist der Mechanismus damit für Rauch; für Snus ist er nicht bestätigt.

Störung der Chromatinreifung (Histon-Protamin-Austausch) und epigenetische Veränderungen. Bei Rauchern waren Histone erhöht und das Protamin-Verhältnis verändert (H2B 292,27 ± 58,24 gegenüber 109,1 ± 43,70 ng/10⁶ Spermien; P1/P2-Verhältnis 1,71 gegenüber 1,05) [s177]; Wasserpfeifenraucher zeigten mehr Protamindefizit und anomale Chromatinkondensation [s62]; Nikotin störte im Mausmodell den Histon-Protamin-Übergang und veränderte die Spermien-DNA-Methylierung, ein Rauchstopp kehrte die Methylierung um [s21]. Die Gaza-Arbeiten melden besonders große Methylierungs- und Protamineffekte bei Wasserpfeifenrauchern [s57, s58], die ohne unabhängige Replikation nicht als gesichert gelten können. Der Mechanismus ist plausibel und gut zu Nikotin im Tiermodell passend; ob er beim Menschen für Snus oder Beutel relevant ist, ist nicht geprüft.

Störung der Blut-Hoden-Schranke, Apoptose und Ferroptose der Keimzellen. Nikotin störte im Mausmodell die Blut-Hoden-Schranke (ZO-1, N-Cadherin, Occludin, Connexin-43) über den zirkadianen Rhythmus und induzierte Ferroptose; ein Ferroptose-Hemmer milderte die Schädigung [s64]. Nikotin erhöhte die Keimzellapoptose und verkürzte Telomere [s144], förderte Apoptose über den TNF-Weg [s146], löste Seneszenz spermatogonialer Stammzellen aus [s54] und senkte die Spermiendichte im Nebenhoden bei erhöhtem Malondialdehyd [s100]. Auch Zigarettenrauchextrakt öffnete im Mausmodell die Blut-Hoden-Schranke [s14]. Beim Menschen fanden sich bei Rauchern mehr früh apoptotische Spermien (8,1 gegenüber 6,8 %; p = 0,039) [s215] und in Hodenbiopsien azoospermer Männer mehr Caspase-3 in Keimzellen bei Rauchern mit Reifungsarrest [s213]. Diese Linie ist plausibel, aber an Tiermodellen mit hoher Nikotindosis erarbeitet.

Endokrine Wirkungen (Testosteron, FSH, LH, Prolaktin, Kisspeptin). Hier gehen die Richtungen auseinander. Snus-Nutzer hatten ein höheres Testosteron (24 gegenüber 21 nmol/l; p < 0,001) und höheres FSH (p = 0,04) [s73], höheres berechnetes freies Testosteron [s02]; Nutzer rauchlosen Tabaks und Raucher in Pakistan hatten höheres Testosteron, Nutzer rauchlosen Tabaks zusätzlich höheres Kisspeptin [s113]; bei Zigarettenrauchern war das Testosteron in Dänemark, Nowosibirsk und Jordanien (Al-Matubsi) höher [s138, s202, s99], in Saudi-Arabien und Jordanien (Al-Odat) niedriger [s152, s19], bei Wasserpfeifenrauchern in Katar unverändert [s112]. Im Tiermodell fiel das Testosteron unter rauchlosem Tabak, Rauch, Nikotin, Gutkha und Wasserpfeifenrauch bei erhöhtem LH und FSH [s131, s154, s181]. Ein plausibler Gedanke ist ein kompensatorischer Anstieg beim Menschen (höheres Testosteron und FSH bei gleichzeitig niedrigerer Spermienzahl), den Kimblad et al. selbst nur vorsichtig deuten; sie halten den FSH-Befund sogar für möglicherweise zufällig [s73]. Eine gesicherte Erklärung gibt es nicht.

Schwermetalle und Nicht-Nikotin-Bestandteile. Bei Zigarettenrauchern waren Blei, Arsen und Cadmium im Samenplasma höher, und seminales Blei korrelierte negativ mit der Spermienzahl (r = −0,320; p = 0,004) [s45, s69]. Bei Sapra et al. schwächte die Adjustierung für Cadmium den Zigarettenzusammenhang mit der Zeit bis zur Schwangerschaft ab, besonders bei Frauen; Cadmium war bei Nutzern rauchlosen Tabaks niedriger als bei Rauchern [s147]. Der Rauchbestandteil 5-Hydroxymethylfurfural schädigte Mäusehoden ohne Änderung der Sexualhormone [s13]. Das spricht dafür, dass bei Rauch nicht allein das Nikotin wirksam ist; für Snus, dessen Zusammensetzung in den Studien nicht gemessen wurde, bleibt offen, welche Anteile Tabakalkaloide und andere Bestandteile haben.

Vorgeburtliche und frühe Exposition. Rauchen der Mutter in der Schwangerschaft wirkte sich negativ auf Nebenhoden- und Samenbläschenmarker junger Männer aus [s216]; im Tiermodell waren pränatale Zigarettenrauch- und IQOS-Exposition mit Keimzell- und Sertoli-Zellschäden beziehungsweise verminderter Spermienproduktion bei den Nachkommen verbunden [s102, s184], und mütterliche Exposition senkte die Spermienzahl der Nachkommen in F1 und F2 [s126]. Bei Kimblad et al. schwächten das Rauchen der Mutter und der Beruf der Mutter die Cotinin-Beziehung um etwa ein Drittel ab [s73]. Das macht den Zusammenhang mit der Eigenexposition zu einem zusätzlichen Confounding-Problem; für Snus und Beutel ist die Exposition in der Schwangerschaft nicht untersucht.

Oxidativer Stress bei rauchlosem Tabak am Menschen (systemisch). Bei Konsumenten von Maraş-Pulver waren der oxidative Stressindex gegenüber Kontrollen erhöht (7,44 gegenüber 5,67; p < 0,05) und Telomerase und Malondialdehyd gegenüber Rauchern und Nichtrauchern erhöht [s137, s203]. Das stützt die Annahme, dass rauchloser Tabak systemisch oxidativ wirkt; ein Spermienbezug fehlt.

Spekulativ

Eine höhere Spermienmotilität durch Nikotin. Beim Menschen fand sich in einer Nanjinger Kohorte bei 1631 gesunden Männern ab 10 Packungsjahren eine höhere Gesamt- und Progressivmotilität (β = 6,02 und 5,52; je p = 0,037) [s114]; bei Mäusen waren die Spermienbewegungsparameter unter Nikotin erhöht, mit Hypomethylierung des Pfn1-Promotors als Erklärung [s156]. Auch in türkischen Kollektiven war die Vorwärtsbeweglichkeit bei starken gegenüber leichten Rauchern höher [s222]. Die Erklärung ist eine Hypothese der Autoren, durch die Daten nicht getragen (mehrere Vergleiche, kleine absolute Unterschiede) und widerspricht den Mehrzahlbefunden verminderter Beweglichkeit.

Eine schützende Wirkung von Snus (niedrigeres CRP). Snus-Nutzer hatten ein niedrigeres hs-CRP (exp(β) 0,88; 95-%-KI 0,81 bis 0,96) [s02]. Eine entzündungshemmende Wirkung als Schutz für die Spermatogenese ist reine Spekulation; die Studie misst keine Spermien, und Querschnittsunterschiede im CRP können viele Ursachen haben.

Eine Sonderwirkung der Wasserpfeife auf Epigenetik und DNA. Dass Wasserpfeifenrauch schädlicher sei als Zigarettenrauch [s57], stützt sich auf Werte (DNA-Fragmentierung 73,4 %), die weit über denen aller anderen Studien liegen; dazu enthält der Abstract einen inneren Widerspruch zur Transkription [s57]. Dagegen stehen Studien, in denen sich Wasserpfeife und Zigarette nicht unterschieden [s24, s38], und eine Metaanalyse mit sehr niedriger Evidenzsicherheit [s31]. Als Mechanismus ist die Sonderwirkung spekulativ.

NRF2-Zunahme als Abwehrreaktion. Bei 32 Wasserpfeifenrauchern war die NRF2-mRNA höher (p = 0,01); die Autoren deuten dies als zelluläre Abwehr gegen oxidativen Stress, bei unklarer funktioneller Bedeutung [s46]. Die Deutung ist eine Hypothese; Genotypstudien zeigen zwar, dass Varianten antioxidativer und Entgiftungsgene bei Rauchern ein erhöhtes Risiko markieren (NRF2 rs6721961 TT bei starken Rauchern, OR 2,370; 95-%-KI 1,106 bis 5,081 [s190]; OGG1 Cys-Allel, OR 1,35; 1,01 bis 1,82 [s187]; CYP1A1, OR 1,91 bei Rauchern [s189]), die Befunde sind aber kleine Pilotstudien ohne Replikation und beziehen sich auf Zigaretten.

Übertragung auf Nikotinbeutel. Dass Beutel aufgrund ihres Nikotins ähnlich wirken wie Snus oder wie Nikotin im Tiermodell, ist eine Extrapolation ohne Daten. Die Beutel enthalten keinen Tabak, und die Nikotinfreisetzung ist nicht mit der von Snus gleichzusetzen [s11]. Ebenso spekulativ wäre die Gegenannahme, dass das Fehlen von Tabak die Beutel unschädlich mache.

Übertragung der Tierdosen auf Menschen. Die Prozentzahlen aus [s154] (Verminderung der Beweglichkeit um bis zu 89 %) lassen sich nicht auf menschlichen Gebrauch übertragen; die Dosen wurden nicht umgerechnet, der Applikationsweg war eine Schlundsonde beziehungsweise Injektion.

Zusammenfassung der Plausibilität