氧化應(yīng)激對(duì)精子損傷的機(jī)制及防護(hù)

李甜甜 張星穎 李連芹

[摘要] 隨著人們工作節(jié)奏加快、生活方式改變以及環(huán)境污染等因素的影響，不孕不育的發(fā)病率呈逐年上升趨勢(shì)。男性不育的主要原因?yàn)榫寒惓?，表現(xiàn)為弱精、少精、無(wú)精、畸精癥等。男性精子異常的發(fā)病機(jī)制之一，是上述因素通過(guò)抑制機(jī)體抗氧化蛋白的活性或者增加活性氧自由基的水平產(chǎn)生氧化應(yīng)激狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)精子細(xì)胞的DNA、脂質(zhì)、線粒體等產(chǎn)生氧化損傷。對(duì)于男性精子異常，除了服用維生素E、維生素C和中草藥以外，通過(guò)戒除不良嗜好，加上適當(dāng)?shù)捏w育鍛煉，有助于增強(qiáng)自身的抗氧化能力，改善精子質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞] 男性不育癥；精子；活性氧自由基；氧化應(yīng)激

[中圖分類號(hào)] R321.1 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673-7210（2018）06（b）-0028-04

[Abstract] The occurrence of infertility is increasing with the rapid mode of work， change of life style and environmental pollution. The main cause of male infertility is abnormal sperms including asthenospermia， oligospermia， azoospermia and sperm malformation. One of the mechanisms that causes abnormal sperms is the increasing of reactive oxygen species level， which results in the oxidative damage on the DNA， lipid and mitochondria of sperms. In addition to the supplement of vitamin E， vitamin C and Chinese herbal medicine， good life habits and proper physical exercises will help to enhance self antionxidant capacity and improve the quality of sperms.

[Key words] Male infertility； Sperm； Reactive oxygen species； Oxidative stress

細(xì)胞活動(dòng)所需要的能源由線粒體提供，而線粒體在提供能源的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生類似于廢氣的活性氧簇或稱活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）。同時(shí)，在生物漫長(zhǎng)的“演變”過(guò)程中，生物體內(nèi)已經(jīng)形成了多種抗氧化系統(tǒng)，以清除多余的ROS。正常情況下，自由基的產(chǎn)生與清除保持平衡，使得ROS維持在低劑量狀態(tài)，作為一種信號(hào)分子，參與細(xì)胞的增殖、分化、凋亡等生理活動(dòng)[1]。當(dāng)機(jī)體出現(xiàn)病理狀態(tài)時(shí)，例如在炎癥和惡性腫瘤中，所產(chǎn)生的ROS水平超出了抗氧化系統(tǒng)的清除能力，或者當(dāng)機(jī)體的抗氧化能力相對(duì)不足時(shí)，氧化和抗氧化之間的平衡被打破，就會(huì)形成所謂的“氧化應(yīng)激狀態(tài)”（oxidative stress，OS）。OS通過(guò)影響細(xì)胞的信號(hào)傳導(dǎo)、線粒體的狀態(tài)穩(wěn)定等，參與一系列生理病理過(guò)程[2]。本文對(duì)OS影響精子質(zhì)量的作用機(jī)制及其防護(hù)予以綜述。

1 OS對(duì)精子的損傷機(jī)制

精液中的ROS來(lái)源于精子、生精細(xì)胞和白細(xì)胞，其中未成熟精子細(xì)胞質(zhì)滯留所產(chǎn)生的ROS最高[3]。白細(xì)胞是精液中ROS的重要來(lái)源，其中白細(xì)胞異常增高可引起精子細(xì)胞的氧化損傷，導(dǎo)致精液的質(zhì)量下降[4]。前列腺和精囊是精液中白細(xì)胞的主要來(lái)源，當(dāng)炎癥和感染等各種刺激應(yīng)答激活白細(xì)胞，引起“白細(xì)胞反應(yīng)爆發(fā)”時(shí)，與正常白細(xì)胞相比，能產(chǎn)生高達(dá)100倍的ROS[5]。

1.1 ROS對(duì)精子細(xì)胞膜的損傷

精子膜的功能與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，其質(zhì)膜富含高濃度的不飽和脂肪酸和雙鍵結(jié)構(gòu)，這些雙鍵是維持精子膜流動(dòng)性所必需的。精子膜對(duì)ROS非常敏感，質(zhì)膜上的不飽和脂肪酸易受到ROS的攻擊，發(fā)生脂類過(guò)氧化反應(yīng)，經(jīng)過(guò)脂肪酸的活化、脂酰輔酶A的轉(zhuǎn)移、脂酰輔酶A的氧化以及三羧酸循環(huán)等過(guò)程，使脂肪酸脫羧基失去雙鍵，進(jìn)而使精子膜失去流動(dòng)性，從而影響受精過(guò)程中的精卵識(shí)別、膜融合、精子與頂體的融合、精子去能等一系列過(guò)程，最終導(dǎo)致男性精子功能障礙和男性不育。其中，丙二醛（malonaldehyde，MDA）是不飽和脂肪酸的代謝產(chǎn)物之一，其生成量可反映精子膜的脂類過(guò)氧化程度[6-7]

1.2 ROS對(duì)精子活動(dòng)能力等指標(biāo)的影響

有研究者通過(guò)檢測(cè)男性不育患者的精液參數(shù)，得出結(jié)論認(rèn)為：精液氧化應(yīng)激指數(shù)與精子濃度、精子總數(shù)、MDA含量、精子DNA碎片化指數(shù)成呈相關(guān)；與精子活率、前向運(yùn)動(dòng)率、低滲腫脹率、快速直線運(yùn)動(dòng)濃度、快速直線運(yùn)動(dòng)總數(shù)、直線速度、路徑速度、總抗氧化能力和正常形態(tài)率呈負(fù)相關(guān)[9]。另外，精液的OS可以造成精子膜功能、動(dòng)態(tài)、形態(tài)參數(shù)的改變以及精子核DNA的損傷，可能是精液OS引起男性不育的重要機(jī)制之一[8]。

1.3 ROS對(duì)精子DNA的損傷

在精子的發(fā)生過(guò)程中，生精細(xì)胞核中組蛋白逐漸被魚精蛋白代替。DNA環(huán)繞在組蛋白構(gòu)成的八聚體周圍，形成核小體，而魚精蛋白在DNA的螺旋溝中結(jié)合DNA，完全中和DNA，使DNA相鄰的兩條鏈通過(guò)范得華力結(jié)合在一起，從而使精子染色質(zhì)緊密結(jié)合，避免ROS的攻擊。然而，在男性不育患者中，ROS與線粒體中DNA堿基反應(yīng)破壞DNA的完整性，其單鏈或雙鏈斷裂，DNA片段化產(chǎn)生，造成遺傳信息改變或缺失。ROS還可通過(guò)脂質(zhì)過(guò)氧化作用引起超氧化物歧化酶（superoxide dismutases，SOD）基因表達(dá)變化，從而影響DNA合成，升高核DNA碎片化指數(shù)[9]。以上這些ROS的損害作用，均會(huì)使男性的精液質(zhì)量下降，進(jìn)而造成男性不育的發(fā)病率上升。在臨床中我們發(fā)現(xiàn)，精子染色質(zhì)異常的患者，其胚胎著床失敗率、胚胎流產(chǎn)率和后代發(fā)病率均高于染色質(zhì)正常的患者。有研究認(rèn)為，大量ROS直接攻擊DNA中的鳥嘌呤，或者羥基自由基攻擊DNA中脫氧鳥苷上的C-8位形成8-羥基脫氧鳥苷（8-hydroxy-2′-deoxyguanosine，8-OHdG）。目前8-OHdG已成為檢測(cè)DNA氧化損傷中最常用的生物標(biāo)志物[10-11]。

1.4 ROS對(duì)精子細(xì)胞線粒體的損傷

線粒體是為精子細(xì)胞提供能量的場(chǎng)所，其通過(guò)糖酵解和氧化磷酸化產(chǎn)生“ATP”為精子細(xì)胞的活動(dòng)供應(yīng)能量。線粒體的結(jié)構(gòu)和功能受到破壞，就會(huì)直接影響精子細(xì)胞的活力。高水平的ROS可損害線粒體膜，影響電子傳遞鏈的功能，引起細(xì)胞色素C釋放，抑制能量合成，觸發(fā)細(xì)胞凋亡[12]。目前認(rèn)為，ROS對(duì)精子線粒體的損傷機(jī)制主要表現(xiàn)在以下方面：①使線粒體膜脂質(zhì)過(guò)氧化，損傷線粒體內(nèi)膜，影響呼吸鏈正常傳遞電子的過(guò)程，進(jìn)而影響ATP的合成[13]。②降低線粒體內(nèi)與生成ATP有關(guān)的酶活性，影響ATP產(chǎn)生[14]。③使線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）發(fā)生損傷。mtDNA是線粒體膜的電子傳遞鏈上必不可少的一種遺傳物質(zhì)，密切參與線粒體的氧化磷酸化和ATP的生成，因此，mtDNA缺陷將導(dǎo)致線粒體膜電位下降，從而使氧化還原平衡更趨向于OS，最終對(duì)精子造成不可逆的傷害[14]。④誘導(dǎo)線粒體內(nèi)Ca2+釋放，降低膜電位，增加內(nèi)膜通透性，抑制ATP合成，促進(jìn)細(xì)胞的凋亡[15]。精子能量的來(lái)源受到損害，精子的活力指數(shù)自然也就下降。

2 OS的防護(hù)研究

2.1 人體自身的抗氧化物質(zhì)

保護(hù)精子DNA的重要因素是體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)和各種抗氧化劑?？偪寡趸芰κ侵高@些酶類和非酶類抗氧化物的總體抗氧化水平，其中SOD、過(guò)氧化氫酶（catalase，CAT）等是精漿中含有的可以抵抗這類ROS的重要抗氧化物質(zhì)[16]。有研究表明，吸煙會(huì)導(dǎo)致SOD、谷胱甘肽的活性降低[17]，而適當(dāng)?shù)捏w育鍛煉可以提高SOD、CAT以及總抗氧化能力的水平[18]，提高抗氧化能力。

2.2 維生素E（vitamin E，VE）

豐富的VE存在于所有的谷類植物中，特別是在種子的胚芽中。VE能清除ROS，是人體最豐富的脂溶性抗氧化劑。VE不僅能促進(jìn)性激素分泌，而且還參與機(jī)體的抗氧化反應(yīng)，增加男子精子數(shù)量和活力。其主要通過(guò)限制超氧化物的生成及降低超氧化物水平而發(fā)揮抗氧化作用，在細(xì)胞抗氧化機(jī)制中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在Tang等[19-20]從VE對(duì)苯丙芘誘導(dǎo)雄性大鼠的生殖毒性的保護(hù)作用及其機(jī)制中得出結(jié)論：隨著VE劑量增加，精子計(jì)數(shù)增加，精子畸形率逐漸降低，提示VE對(duì)苯丙芘所致生殖毒性有一定的保護(hù)作用，幾乎可以完全拮抗苯丙芘所產(chǎn)生的慢性生殖毒性作用[21]。

2.3 維生素C（vitamin C，VC）

在低溫冷凍時(shí)，精子經(jīng)歷了離心、去除精漿、降溫冷凍、解凍復(fù)溫等一系列過(guò)程，這些物理和化學(xué)效應(yīng)可致ROS增加，抗氧化物減少，抗氧化酶活性降低[22-23]。而在精液冷凍保護(hù)劑中添加一定濃度的抗壞血酸鹽、CAT，可以減少冷凍產(chǎn)生的過(guò)量ROS，從而減輕后者對(duì)精子核DNA的氧化損傷，提高凍融的精子質(zhì)量[24-25]。Tasdemir等[26]選取30份健康可生育男性精液，并且添加改良后的人精子冷凍保護(hù)液。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，含有抗壞血酸鹽的保護(hù)液其凍融后的a+b級(jí)精子與ROS水平存在負(fù)相關(guān)性，提示抗氧化劑的保護(hù)作用可能是通過(guò)減少精液凍融過(guò)程中產(chǎn)生的ROS而實(shí)現(xiàn)的。

2.4 中藥抗氧化劑的作用

我們所熟知的一些植物性中藥，如菟絲子、黃芪、葛根、人參、柴胡、金銀花、川穹、枸杞、車前草等，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段證實(shí)對(duì)雄性動(dòng)物的生精有一定的保護(hù)作用。這些中藥各含有不同的抗氧化劑成分，包括黃酮類化合物、酚酸類化合物、皂苷類化合物、多糖、苯乙醇苷等。黃酮類化合物的抗氧化作用機(jī)制主要包括3個(gè)方面[27]：①與誘導(dǎo)氧化的過(guò)渡金屬離子絡(luò)合；②作用于與ROS有關(guān)的酶；③與超氧陰離子反應(yīng)，阻斷ROS引發(fā)的連鎖反應(yīng)。酚酸類化合物抗氧化能力的強(qiáng)弱與其結(jié)構(gòu)上的酚羥基有關(guān)，當(dāng)傳遞出氫原子后自身成為相對(duì)穩(wěn)定的苯氧自由基，從而終止ROS引起的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，通過(guò)清除ROS的作用，達(dá)到抗氧化作用。通過(guò)提高體內(nèi)SOD、CAT等抗氧化酶的活性，皂苷類化合物能夠增強(qiáng)機(jī)體抗氧化系統(tǒng)功能。多糖可破壞由ROS產(chǎn)生的DNA分子，抑制脂質(zhì)氧化，清除ROS。除了能夠清除ROS，苯乙醇苷類化合物還能夠修復(fù)已損傷的DNA。

綜上所述，過(guò)量的ROS與抗氧化系統(tǒng)損傷均會(huì)導(dǎo)致OS，其導(dǎo)致的精子功能障礙的機(jī)制是復(fù)雜且多方面的。ROS介導(dǎo)的精子質(zhì)膜過(guò)氧化損傷，會(huì)導(dǎo)致男性生殖功能的病理性改變。過(guò)量的ROS會(huì)破壞精子核內(nèi)DNA的完整性，影響受精率。高濃度的ROS破壞精子線粒體的結(jié)構(gòu)和功能，會(huì)加速生殖細(xì)胞的凋亡過(guò)程，降低精液質(zhì)量?？寡趸瘎┲饕驕p弱ROS對(duì)精子的刺激，通過(guò)阻止自由基鏈的生成，減少OS造成的損傷。面對(duì)當(dāng)前男性不育所帶來(lái)的問(wèn)題，ROS的過(guò)量產(chǎn)生所導(dǎo)致的精子氧化應(yīng)激損傷已受到人們的關(guān)注，研究氧化損傷的來(lái)源與機(jī)制及防護(hù)是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵。

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