A férfi szeminális plazma metabolizmusával kapcsolatos kutatás jelenlegi állapota és előrehaladása Ⅱ

2. Az ondóplazma metabolomikai kutatása a férfi reproduktív egészség területén

A férfi sperma minőségeszorosan kapcsolódik a kritikus ablakhozspermatogenezis(epididimális raktározás, spermiumok motilitás fejlődése és spermatogenezis). Veleszületett genetikai tényezők (például a vas deferens veleszületett kétoldali hiánya, cisztás fibrózis génmutáció, Y-kromoszóma deléció, Kallmann-szindróma és a herefunkció romlásához vezető kromoszóma-rendellenességek) és szerzett tényezők (férfi reproduktív betegségek, például varicocele, környezeti vagy foglalkozási expozíció mérgező vegyi anyagok, például nehézfémek és endokrin rendszert károsító anyagok, valamint különféle életmódbeli tényezők, mint például a dohányzás és az ivás) befolyásolhatják a spermatogenezis folyamatát, és ezáltal rendellenes spermaminőséghez vezethetnek [2].

GYÓGYNÖVÉNY CISTANCHE A FÉRFI SPERMA MINŐSÉGÉÉRT

Az ondóplazmának a hím reproduktív rendszerben betöltött kulcsfontosságú szerepe miatt a ondóplazma metabolomika alkalmazása a férfi reproduktív betegségek lehetséges biomarkereinek és patogén mechanizmusainak feltárására nagy lehetőségeket rejt magában. A férfiak reproduktív rendszerének betegségei rendkívül összetettek, és több biomarker együttes alkalmazását teszik szükségessé az előrejelzés, a diagnózis és az etiológiai elemzés eléréséhez. Az 1. ábra a betegségek vagy környezeti tényezők által megzavart szeminális plazma anyagcsereútjait mutatja, amelyek főként energia-anyagcserével járnak.lipid anyagcsere, aminosav anyagcsere, ésszteroid anyagcsere útvonalak. A 3. függelék kifejezetten bemutatja a különböző metabolitok változásait a férfi meddőségben. A piros a metabolitok felfelé, a kék pedig a metabolitok leszabályozását jelzi. Ezek a változások főként az aminosavak és lipidek metabolitjaiban és metabolitjaikban bekövetkező változásokat foglalják magukban. Ez a cikk az 1. táblázatban összefoglalt szeminális plazma metabolomikai kutatásokat egyesíti, hogy konkrétan bemutassa a szeminális plazma metabolomika alkalmazási helyzetét a különböző férfi nemi betegségek és környezeti expozíciós tényezők szempontjából.

2.1 A szeminális plazma metabolomika alkalmazása a férfi meddőség diagnosztikájában és mechanizmuskutatásában

2.1.1 Oligospermia, asthenospermia, teratospermia és idiopátiás meddőség

Az oligospermia 1,5 × 107/ml-nél alacsonyabb spermiumkoncentrációt jelent[37], és ez a leggyakoribb betegség a férfi meddőségben. Az LC-MS és az 1H-NMR alapján végzett szeminális plazma metabolomika kimutatta, hogy szignifikáns különbségek vannak az aminosavak és a kolin szintjében az oligospermiás férfiak és a normál férfiak szeminális plazmájában [12, 15, 18, 32].

Egy 1H-NMR-alapú ondóplazma metabolomikai vizsgálat azt találta, hogy az oligospermiás betegek ondóplazmájában az arginin és az aszpartát szintje csökkent, ami szignifikánsan korrelált a spermiumok számának csökkenésével [15, 18, 38]. Egy másik LC-MS-alapú tanulmány kimutatta, hogy az aszpartátszint csökkenése mellett az oligospermiás betegek ondóplazmájában a glutamát, metionin, triptofán, prolin és alanin szintje is jelentősen csökkent [32]. Az aminosavak mellett a kolin anyagcsere is döntő fontosságú a spermatogenezis szempontjából. A kolinhoz kapcsolódó enzimek hiánya a spermiumok működésének csökkenéséhez vezethet, és a kolinpótlás jótékony hatással lehet a férfiak reproduktív egészségére. Van azonban némi vita a kolin-kiegészítésnek a sperma minőségére gyakorolt ​​pozitív hatásairól in vivo, ami a placebo-kontrollcsoport vagy a kolin adagolásának hiányára vezethető vissza [39]. További populációs vizsgálatokra van még szükség.

Az astenospermia szintén gyakori oka a férfi meddőségnek, és a spermiumok mozgékonyságának jelentős csökkenése jellemzi. A GC-MS-en alapuló szeminális plazma metabolomikus elemzés azt mutatta, hogy az ondóplazma olajsav-, palmitinsav- és valinszintje szignifikánsan megemelkedett asztenozoospermiában szenvedő betegeknél, ami arra utal, hogy a zsírsav-anyagcsere rendellenességei befolyásolhatják a spermiumok mozgékonyságát [23]. A spermiummembrán számos zsírsavat tartalmaz, és az ondóplazma túlzott olajsavszintje megzavarhatja a foszfolipid metabolizmus folyamatát a spermiummembránban, ami tovább csökkenti a spermiumok mozgékonyságát [40]. A spermiummembránokban található zsírsavak (különösen a palmitinsav és az arachidonsav) [14, 41] magas szintje szintén fontos tényező az alacsony spermiumminőség szempontjából. Az arachidonsav (AA) fontos szerepet játszik a lipidanyagcserében, de az AA hatása a sperma minőségére továbbra sem tisztázott [42-43]. Seminális plazma célzott metabolizmus

A csoportanalízis változásokat tárt fel az AA metabolikus útvonalakban az asztenozoospermiában szenvedő betegek ondóplazmájában [28]. Azt találták, hogy az AA metabolikus rendellenességeket tovább indukálhatja a lipoxigenáz (LOX), a citokróm P450 (CYP450) és a ciklooxigenáz. (ciklooxigenáz, COX) metabolikus út aktiválja a P38 mitogén által aktivált protein kinázt, ezáltal csökkenti a spermiumok mozgékonyságát. A magzati plazma zsírsavai mellett az asztenospermiában szenvedő betegek ondóplazmájában a különféle metabolikus útvonalakban részt vevő metabolitok, például az energia, a purin, a metionin ciklus és az elágazó láncú aminosav-anyagcsere is jelentősen megváltoznak [14, 30]. A spermiumok mozgásához szükséges energia aerob bomlási folyamatokból származik, például glikolízisből vagy trikarbonsavciklusból (TCA). Ennek az útnak a gátlása csökkent ATP-termeléshez, elégtelen energiaellátáshoz és a spermiumok mozgékonyságának csökkenéséhez vezet.

A teratospermia egy olyan betegség, amelyet a spermában található abnormálisan morfológiailag nagyszámú spermium jelenléte jellemez, amelynek patogenezise ismeretlen [44]. Egy 1H-NMR-alapú metabolomikus vizsgálat azt találta, hogy 18 trikarbonsavciklushoz kapcsolódó metabolit szignifikánsan szabályozatlan volt a teratozoospermiában szenvedő betegek ondóplazmájában [17], ami arra utal, hogy az energiametabolizmus lehet a fő oka a spermiumok rendellenes morfológiájának. A teratozoospermiában szenvedő betegek ondóplazmájában az aminosavszintek is megváltoznak, különösen a taurin, amely antioxidáns hatással bír [45]. A spermiumok rendellenes morfológiája összefügghet a reaktív oxigénfajták túlzott termelésével vagy az antioxidánsok csökkentésével.

Az idiopátiás férfi meddőség olyan megmagyarázhatatlan férfi meddőségre utal, amelyben a rutin spermaelemzés eredményei a normál tartományon belül vannak, és a fizikai és endokrin rendellenességek kizártak. A Raman-spektroszkópián alapuló anyagcsere-elemzés különbségeket talált az oxidatív stresszhez kapcsolódó metabolitok expressziójában idiopátiás meddő férfiakból és termékeny férfiakból származó ondóplazma mintákban [21].

Az idiopátiás meddőségben szenvedő férfiak ondóplazmájában 44 eltérően expresszálódó metabolitot találtak a GC-MS alapján [25], amelyek főként az aminosav-anyagcserében és az oxidatív stressz folyamatokban vesznek részt. A spermium minőségével összefüggő aminosav-katabolizmus fokozódik. Az antioxidánsokhoz kapcsolódó metabolitok csökkennek. A fenti vizsgálatok azt mutatják, hogy az oxidatív stressz fontos szerepet játszik az idiopátiás meddőségben, ami arra utal, hogy az anyagcsere állapota megfelelő kiegészítőkkel javítható.

2.1.2 Varicocele

A varicocele előfordulása meddő férfiaknál nagyon magas, az elsődleges meddő férfiak körülbelül 40%-a, a másodlagos meddő férfiak 80%-a szenved ebben a betegségben [46]. A varicocele-ben szenvedő betegeknél fokozott a reaktív oxigénfajták termelése, és magasabb az oxidatív stressz szintje [46], ami befolyásolja a lipideket, fehérjéket és nukleinsavakat a spermában, ami sperma rendellenességekhez vezet [48]. Az 1H-NMR-alapú szeminális plazma metabolomikai analízis 19 fontos differenciált metabolitot talált, amelyek az aminosav-, lipid- és energia-anyagcsere változásait foglalják magukban, főként az oxidatív stressz folyamatokban [16]. Egy másik, LC-MS-en alapuló, nem célzott ondóplazma metabolomikai vizsgálat azt is kimutatta, hogy a varicocele betegek ondóplazmájában az aminosav-, lipid- és energia-anyagcserével kapcsolatos 8 metabolit szintje megváltozott. Például a leucinszint csökkenése csökkent antioxidáns vagy gyulladáscsökkentő kapacitáshoz vezethet, ami sperma rendellenességekhez vezethet. A sebészi reszekció visszafordíthatja a varicocele kóros metabolikus állapotát, amely főként a glicerofoszfolipid- és szfingolipidszintek helyreállításában nyilvánul meg [33]. A glicerin-foszfolipidek szorosan kapcsolódnak a mitokondriális aktivitáshoz, míg a szfingolipidek a sejtmembránok fontos összetevői, és számos jelátviteli útvonalban vesznek részt. E kétféle lipidmolekula helyreállító upregulációja lehet az oka a spermiumok morfológiájának sebészeti beavatkozás utáni javulásának, valamint megerősíti a ondóplazma metabolitjainak a varicocele markereiként való alkalmazhatóságát [33].

2.2 A szeminális plazma metabolomikát a sperma minőségét befolyásoló környezeti expozíció molekuláris mechanizmusának feltárására használják

A környezetben található különféle káros vagy jótékony anyagoknak való kitettség jelentősen befolyásolhatja a sperma minőségét azáltal, hogy megzavarja az ondóplazma anyagcsere-folyamatait. Az általunk korábban javasolt MIMA (meet-in-metabolite analízis) elemzési módszer alkalmas a környezeti expozíció káros következményeihez vezető biokémiai utak tanulmányozására, valamint az expozíció és az egészség összetett kapcsolatának feltárására [49]. Ezzel a módszerrel végeztük el az első vizsgálatot a környezeti arzénexpozíció és a férfi reproduktív betegségek közötti összefüggésről, és azt találtuk, hogy az arzénexpozíció normál környezeti koncentrációk mellett nemcsak dózis-hatás összefüggést mutatott a férfi meddőség előfordulásával, hanem szignifikánsan korrelált is. egy sor betegség-metabolit markerrel (acilkarnitin, aszparaginsav, ösztradiol metabolitok és uridin stb.) [50]. Ez lefektette az alapot a szeminális plazma metabolomika használatához a környezeti expozíció molekuláris mechanizmusának feltárására, ami a spermiumok minőségének romlásához vezet. Elsőként elemeztük az endokrin rendszert károsító ftalátok, a perfluorozott vegyületek és a különböző fém- és nemfémes elemek belső expozíciós szintjei, a szeminális plazma metabolomja és a sperma minőségi paraméterei közötti komplex összefüggést [7, 26, 29]. Az eredmények azt mutatják, hogy a szeminális plazma metabolitjai ideális kutatási objektumok a környezeti expozíció és a sperma minősége közötti összefüggés tanulmányozására [7]; Az endokrin rendszert károsító anyagok a ftalátok a többszörösen telítetlen zsírsavak, acilkarnitinek és aminosavak tartalmának befolyásolásával befolyásolhatják a spermium minőségét [26, 29], míg a környezeti cink és szelén az acilkarnitinek tartalmára [7], a szervetlen arzén pedig csökkenti a spermiumkoncentrációt. a zsírsav- és karnitin-anyagcsere befolyásolásával [29].

3 Következtetés és kilátások

A szeminális plazma metabolomával kapcsolatos legújabb tanulmányok kimutatták, hogy az ondóplazma szénhidrátjainak, aminosavainak, lipideinek és karnitinjének abnormális metabolizmusa lehet a hím reproduktív rendszer betegségeinek és a környezeti expozíciónak a reproduktív toxikológiájának fő útja. Az ezen a területen végzett kutatás azonban még mindig hatalmas kihívásokkal néz szembe.

A metabolomikai adatok biológiai értelmezése nagymértékben függ a felfedezett molekuláris utak háttérismeretétől, de a szeminális plazmamolekulák élettani hatásai még nem teljesen tisztázottak. Ezért még mindig lehetetlen átfogóan és mélyrehatóan elemezni azokat a specifikus molekuláris útvonalakat, amelyeken keresztül a szeminális plazma metabolitok fiziológiai szerepet játszanak a metabolomikai technológia segítségével. Ezenkívül a spermatogenezis kritikus ablaka érzékeny és összetett, és óriási különbségek vannak az egyének között. Az egyes metabolómák időbeli és térbeli különbségekkel is rendelkeznek, ami megnehezíti egyetlen, specifikus metabolikus marker megszerzését. Ezért a markerek kombinációjának alkalmazása megvalósítható módszer a betegség-előrejelzési képességek jelentős javítására [51]. Végül sürgősen szükség van a többszintű magzati plazma omikai adatok (beleértve a transzkriptomikát, a proteomikát és a lipidomikát) hatékony integrálására, hogy mélyreható mechanisztikus vizsgálatokat lehessen végezni a szaporodási eredetű betegségekről, és alapul szolgáljon a férfi ondó minőségét javító klinikai beavatkozásokhoz. minőség.

Referencia

[1] Agarwal A, Majzoub A, Parekh N és mások. Sematikus áttekintés a férfi meddőségi gyakorlat jelenlegi helyzetéről. World J Mens Health, 2020, 38: 308-22

[2] Agarwal A, Baskaran S, Parekh N, et al. Férfi meddőség. Lancet, 2021, 397: 319-33

[3] Bracke A, Peeters K, Punjabi U és mások. A férfi idiopátiás meddőség hátterében álló molekuláris mechanizmusok keresése. Reprod Biomed Online, 2018, 36: 327-39

[4] Krausz C, Escamilla AR, Chianese C. A férfi meddőség genetikája: a kutatástól a klinikáig. Reprodukció, 2015, 150: R159-74

[5] Schjenken JE, Robertson SA. Az ondófolyadék jelzése a női reproduktív traktusban: következmények a reproduktív sikerre és az utódok egészségére. Adv Exp Med Biol, 2015,868: 127-58

[6] Robertson SA, Sharkey DJ. A magfolyadék és a termékenység nőknél. Fertil Steril, 2016, 106: 511-9

[7] Xu S, Wu Y, Chen Y és mtsai. Környezeti fémexpozíció, az ondóplazma metabolóma és a sperma minősége: bizonyítékok kínai reproduktív korú férfiaktól. Sci Total Environ, 2022, 838: 155860

[8] Carrell DT, Aston KI, Oliva R, et al. Az emberi férfi meddőség „omikája”: a big data integrálása a rendszerbiológiai megközelítésbe. Cell Tissue Res, 2016, 363: 295-312

[9] Nicholson JK, Lindon JC, Holmes E. „Metabonomics”: élő rendszerek patofiziológiai ingerekre adott metabolikus reakcióinak megértése biológiai NMR pektroszkópiai adatok többváltozós statisztikai elemzésén keresztül. Xenobiotica, 1999, 29: 1181-9

[10] Wishart DS, Feunang YD, Marcu A et al. HMDB 4.0: a humán metabolom adatbázis 2018-ra. Nucleic Acids Res, 2018, 46: D608-17

[11] Wishart DS. Metabolomika élettani és patofiziológiai folyamatok vizsgálatára. Physiol Rev, 2019, 99:1819-75

[12] Gupta A, Mahdi AA, Ahmad MK, et al. 1 H NMR spektroszkópiai vizsgálatok humán ondóplazmán: bizonyító erejű diszkrimináns funkcióelemzés osztályozási modell. J Pharm Biomed Anal, 2011, 54: 106-13

[13] Jayaraman V, Ghosh S, Sengupta A, et al. A férfi meddőség különböző formái közötti biokémiai különbségek azonosítása mágneses magrezonancia (NMR) spektroszkópiával. J Assist Reprod Genet, 2014, 31: 1195-204

[14] Zhang X, Diao R, Zhu X et al. Az asthenozoospermia metabolikus jellemzése nem célzott szeminális plazma metabolomika segítségével. Clin Chim Acta, 2015, 450: 254-61

[15] Mumcu A, Karaer A, Dogan B és mások. Az ondóplazma metabolizmusának elemzése idiopátiás oligoasthenoteratozoospermiában szenvedő betegeknél nagy felbontású NMR segítségével

spektroszkópia. Andrológia, 2020, 8: 450-6

[16] Neto FTL, Marques RA, De Freitas Cavalcanti Filho A, etal. 1

H NMR-alapú metabonomika meddőségi diagnózishoz varicocele-ben szenvedő férfiaknál. J Assist Reprod Genet, 2020, 37:2233-47