【摘要】在生殖系统内,活性氧主要由精子自身和精液中的白细胞产生,活性氧在低浓度时可以调节正常精子功能,而过量活性氧会引起氧化应激反应,影响精子膜功能、精子运动能力和DNA完整性,是男性不育的重要原因。因此,如何清除过量活性氧、进行抗氧化治疗是男性不育研究的重要课题。
【关键词】活性氧;氧化应激;精子;男性不育
据世界卫生组织预测,在21世纪,不孕症将成为仅次于肿瘤和心脑血管病的第三大疾病。而男性不育的病因、发病机制、治疗的研究将成为男性科学中的重点和热点。有报道25%~40% 的不育男性的精液可检测到高水平的活性氧。生理状态下,生殖系统内适量的活性氧有利于维持精子细胞的正常功能。而活性氧一旦过量则可引起氧化应激,损伤机体的氧化防御系统,导致精子膜、精子线粒体、精子核内DNA受损,使精子运动功能改变,是造成男性不育的重要病因之一。如何清除过量活性氧成为男性不育治疗的一个重要研究课题。现就活性氧与男性不育的相关研究进展予以综述。
1 活性氧对精子的生理作用
所谓的活性氧是指机体内或者自然环境中化学性质活泼、氧化能力很强的一类含氧物质,是机体组织正常的有氧代谢产物,主要包括H2O2、O2-、·OH等。1989年Aitken首先提出适量活性氧在生理状态下干预调节精子功能 。大量研究也证明,适当的活性氧对精子获得受精能力是必需的。如O2-、H2O2与精子高活跃性运动、获能以及顶体反应有关,活性氧引起的脂质过氧化作用促进透明带结合,影响精子蛋白酪氨酸磷酸化-去磷酸化作用。精子蛋白酪氨酸磷酸化参与精子发生、精子活动力、精子获能及顶体反应等活动的调节,与男性生殖能力有着密切联系。研究发现,在人精子获能过程中阻断活性氧的生成,精子无法获能。
2 活性氧的产生及导致其产生过多的因素
2.1 活性氧的产生 生殖系统和精液中影响精子活力的活性氧,一般是由精子自身及射出体外精液中的白细胞产生的,其中,后者是活性氧的主要来源。
2.2 导致活性氧产生过多的因素
3 活性氧对精子的毒性作用
正常情况下,精液射出体外后精浆中富含的以及生殖系统(如附睾)和精子自身具有的抗氧化物和抗氧化酶的存在,使活性氧的产生和清除处于一种平衡状态。而男性生殖道过量活性氧的产生,会引起一种氧化应激状态,导致精子膜、线粒体以及核DNA损伤,精子运动能力减弱甚至丧失等。另外,精子缺乏胞质抗氧化酶系统,不能对过量活性氧造成的损伤进行及时的修复,是精子对氧化攻击具有独特的易感性的原因之一。
3.1 精子膜过氧化损伤 精子膜是精子最外层的细胞结构,其结构与生理的完整性对精子运动、生化代谢和维持存活是非常重要的。人类精子含有高浓度的不饱和脂肪酸、丰富的线粒体和极少的细胞质,故其极易受活性氧的攻击。活性氧通过引发精子膜上的多聚不饱和脂肪酸的过氧化反应产生大量脂类过氧化物,特别是醛式产物(如丙二醛)对细胞具有毒性作用,使精子膜的流动性、完整性遭到不同程度的破坏,膜通透l生增加,失去对参与精子运动调控的有关胞内离子浓度的调节能力,导致精子运动能力下降甚至丧失,质膜结构的破坏还可导致精子缺陷数增高,损及精子获能和干预顶体反应的发生,从而影响精子受精能力。
3.2 精子DNA的损伤 大量研究已证实,过量活性氧造成的氧化应激,不仅会导致精子膜损伤,影响精子功能,还会损伤精子核DNA的完整性。生殖系统内有两个因素保护精子DNA免遭氧化攻击:精子DNA的特征性紧密包装以及精浆中存在的抗氧化物。研究证明将精子暴露于人工产生的活性氧中能引起DNA损伤,这种损伤包括碱基被修饰,产生无碱基位点、缺失、移码、DNA交联以及染色体重排。活性氧也可引起高频率的单股和双股DNA断裂,不育男性精液的高水平活性氧往往伴随超出正常数量的精子DNA断裂片段的存在。精子在体外与活性氧共同孵育,可显著增加DNA断裂片段,抗氧化剂预保护可降低对DNA的损伤。也有证据显示,在不育男性的精子中通常观察到的DNA断裂片段是由高水平的活性氧介导的。Trisini等运用彗星实验检测精子DNA,发现具有高水平DNA断裂片段的精子密度及运动能力均下降。还有研究证明过量活性氧诱发的DNA损伤会加速生殖细胞凋亡,导致男性不育相关的精液质量明显下降。另外,过量活性氧诱发精子DNA损伤后,会导致一系列的不良后果,如受精率减低、破坏植入前的胚胎发育、增加流产率、增加后代的发病率等。Cocuzza等研究认为,在自然妊娠中,精子DNA的完整性是获得成功妊娠的先决条件,由此可见,精子DNA的完整性在生殖方面的重要作用,而目前对活性氧引起精子DNA损伤更加确切的机制尚不很明确,需进一步研究。
3.3 精子线粒体损伤 氧化应激在早期过程中可导致精子线粒体膜电位下降。线粒体是细胞内主要的供能器官,在生殖系统内是精子运动的能量源泉,它参与精子的发生、获能、精子的游动和受精等过程。线粒体对各种损伤因子极为敏感,其结构与功能的改变,必然影响到精子的运动能力。目前认为,活性氧对精子线粒体损伤主要包括以下几个方面:①引起精子线粒体脱落,数量减少,导致能量合成相应降低;②造成精子线粒体膜脂质过氧化损伤,影响线粒体膜上载有的呼吸链和产生腺苷三磷酸酶系发挥正常功能;③改变线粒体内与腺苷三磷酸生成有关的酶活性,影响能量产生;④造成精子线粒体DNA氧化损伤,破坏线粒体呼吸功能所必需的DNA编码蛋白的合成;⑤诱导线粒体内Ca2+释放,减小线粒体膜电位,增加内膜通透性,进而导致膜损伤,抑制腺苷三磷酸合成。也有研究者提到线粒体基因突变与男性不育的相关性,但突变是否由活性氧所致,有待进一步研究。
4 活性氧的清除
生殖系统具有多种保护对抗活性氧损伤作用的抗氧化物和抗氧化酶类。男子附睾是促使精子形成、给予精子营养、提供精子最佳贮存条件的部位,也是保护精子不受氧化损伤的场所。精子胞质本身仅含有少量抗氧化酶,精浆具有的氧化防御机制可作为有力补充来保护精子。在精液中,保护精子免遭活性氧损伤的抗氧化物主要为维生素E、维生素C、谷胱甘肽、牛磺酸、尿酸等小分子物质。其中维生素C存在于细胞外液中,抑制羟氢氧基、过氧化物和过氧化氢自由基的产生,防止精子凝集,且有助于维生素E重复利用。不育男性精浆中维生素C含量减少,维生素E在细胞膜上发挥作用,它抑制H2O2,保护精子膜免受脂质过氧化反应的攻击。研究表明,培养液中添加维生素E和HAM’S F-10对活性氧介导的损伤具有保护作用。抗氧化酶类主要为过氧化氢酶、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽氧化物酶等。研究显示,20例不育男性肌内注射600 mg的谷胱甘肽2个月,可显著提高精子活力,特别是前向运动能力。一项对32例不育男性的精液的研究发现泛癸利酮能抑制精液和精浆中H2O2的形成。硒是谷胱甘肽过氧化物酶复合体的必要组成部分,它也协同维生素E发生作用。Keskes-Ammar等的一项研究发现,口服3个月225 mg/d的硒和400 mg/d的维生素E,能显著降低精浆中丙二醛浓度和提高精子活力。但此结论还有待进一步研究证实。
目前虽然通过体内、体外实验已发现许多可清除生殖系统中活性氧的抗氧化物,并且部分已开始应用于临床并取得了一定疗效,但是仍需要加大研究力度,不断地发现一些新的抗氧化物及抗氧化物酶,从而更好地针对由活性氧过量引起的男性不育进行更有效的综合治疗。
近来研究发现,对氧磷酶1(paranoxonase-1,PON-1)可阻止低密度脂蛋白氧化,其活性与脂质的过氧化发生有密切关系,因而越来越受到医学界关注,成为临床研究的热点之一。PON-1具有非常广泛的生物学作用:①催化磷酸酯键水解,降解有机磷酸酯、芳香羧酸酯和氨基甲酸酯等,对有机磷酸酯毒性起到一定的防护作用;②保护低密度脂蛋白免受氧化修饰,降低体内氧化修饰型低密度脂蛋白水平;③可以破坏和减少低密度脂蛋白在氧化修饰过程中产生的具有细胞毒作用的溶血磷脂和氧化型磷脂,使之变成对人体无害的物质;④作为高密度脂蛋白的组成成分,不仅具有螫合过渡金属离子、中断脂质氧化链式反应的作用,还具有摄取、储存、转运防止或减少脂质氧化产物聚集及酶解清除氧化产物的作用。目前研究证实,PON-1活性改变与许多疾病的发生有关,如PON-1活性在脑梗死、肝脏疾病及家族性高胆固醇血症和II型糖尿病患者显著降低。Verit等研究发现,精浆中PON-1活性与精子数量、精子活动性和精子形态学改变高度相关,PON-1活性降低是导致男性不育的危险因素。国内关于PON-1活性与男性不育方面的研究尚未见报道。作为一种脂质抗氧化酶,PON-1对不育男性精液中高水平的活性氧是否具有清除作用,与活性氧造成精子损伤的其他指标是否具有相关性,能否作为一种新的抗氧化剂治疗男性不育,这些都值得进一步研究探讨。
5 结语
生殖系统内适量活性氧是精子获能和顶体反应所必需的,过量则使精子膜、线粒体、及核DNA完整性受损,使精子运动功能减退进而导致男性不育,这些已为临床所证实。但如何清除活性氧并进行有效抗氧化治疗还是有待解决的问题。研究发现,高剂量的某些抗氧化剂可能具有胚胎毒性和致畸作用,且单用一种抗氧化物疗效并非最佳,多种抗氧化物协同作用常常具有较好的效果,如脂溶性和水溶性抗氧化物联合治疗。因此,选择清除活性氧的抗氧化物,建立有效清除活性氧的方法,对治疗活性氧引起的男性不育症具有重要意义。
(郝兴霞,杨敬英,龚道元,活性氧与男性不育相关研究进展[J]医学综述2011年9月第17卷第18期:2726-2728)