從光雷,劉 青,孫 偉,曾申明
(揚(yáng)州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇揚(yáng)州 225009)
精液保存是人工授精最重要的技術(shù)環(huán)節(jié)之一,保存方式有液態(tài)(0℃以上)和冷凍(0℃以下)2 種。液態(tài)保存有常溫和低溫保存,其原理是通過(guò)緩慢降低溫度(0℃以上)使精子的運(yùn)動(dòng)和代謝速率降慢來(lái)延長(zhǎng)精子體外存活時(shí)間,同時(shí)不喪失受精能力。目前,在綿羊精液冷凍保存尚難在生產(chǎn)中推廣的情況下,精液的液態(tài)保存有很大的實(shí)用價(jià)值,且使用時(shí)需用設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便。冷凍保存在綿羊生產(chǎn)中尚未推廣開,主要是因?yàn)榫釉诶鋬鲞^(guò)程中會(huì)遭受到物理性、化學(xué)性和氧化性損傷,導(dǎo)致其活力和受精能力下降。精液無(wú)論是液態(tài)還是冷凍保存,在處理和保存過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生活性氧化物,它們能破壞精子膜結(jié)構(gòu),對(duì)精子質(zhì)量造成有害影響。目前主要是在稀釋液中添加抗氧化劑來(lái)降低氧化應(yīng)激對(duì)精子造成的損傷,但各研究結(jié)果不盡一致,需要進(jìn)一步深入研究和分析。此外,單獨(dú)添加某種抗氧化劑的研究較多,聯(lián)合添加較少,因此需對(duì)各種類型抗氧化劑深入了解,才能改進(jìn)現(xiàn)有的稀釋液或開發(fā)出新型稀釋液。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外最新進(jìn)展,全面綜述抗氧化劑在綿羊精液保存中的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀,為新型稀釋液的研究提供參考。
活性氧(ROS)包括超氧陰離子(O2-)、超自由基(-OH)和過(guò)氧化氫(H2O2)等。適量ROS 對(duì)維持精子正常的生理功能是必要的,如生理功能的調(diào)節(jié)、結(jié)合透明帶能力的提升等[1]。此外,ROS 在精子獲能過(guò)程中發(fā)揮重要作用,當(dāng)精液中過(guò)氧化氫含量下降到一定水平后,精子將不能發(fā)生獲能。但ROS 過(guò)量就會(huì)造成精子DNA 碎裂、質(zhì)膜損傷、線粒體功能異常和調(diào)亡等,最終縮短精子在體外存活時(shí)間[2]。對(duì)于綿羊而言,ROS主要由精子的芳香族氨基酸氧化酶(AAAO)催化產(chǎn)生,這種酶主要來(lái)自死精子。如果精液中死精子越多,這種酶活性越強(qiáng),從而造成惡性循環(huán),導(dǎo)致某些仍有活力的精子因?yàn)镽OS 濃度升高而受到損害[3]。
活性氧化物還有一類含氮化合物,統(tǒng)稱為活性氮(RNS)。它們是O2-與其他的自由基反應(yīng)生成,包括一氧化氮(NO-)、二氧化氮(NO2-)和過(guò)氧化亞硝酸鹽(ONOO-)等。正常男性精液中NO-濃度顯著低于弱精子癥患者,NO-濃度與精子活力呈顯著線性負(fù)相關(guān),NO-濃度與精子活力運(yùn)動(dòng)參數(shù)(曲線及直線運(yùn)動(dòng)等)亦呈顯著線性負(fù)相關(guān)[4]。以上研究表明,自由基產(chǎn)生過(guò)多或暴露在氧化環(huán)境下會(huì)降低精子直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)率。但適宜的NO-濃度能促進(jìn)精子獲能,所以NO-對(duì)精子的生理作用可能依賴于其氧化還原狀態(tài)及濃度。
綿羊精液和精子本身具有抗氧化機(jī)制,包括超氧化物歧化酶、過(guò)氧化氫酶、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶和谷胱甘肽還原酶,以及非酶抗氧化劑,如蛋氨酸、抗壞血酸和生育酚。但精子合成上述物質(zhì)的能力有限,同時(shí)在精液處理和保存過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生ROS 和RNS。為了降低氧化物對(duì)精液品質(zhì)的影響,通常會(huì)在稀釋液中添加外源抗氧化劑來(lái)改善精子質(zhì)量。
精液無(wú)論是液態(tài)還是冷凍保存,在處理和保存過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生活性氧化物,它們能破壞精子膜結(jié)構(gòu),對(duì)精子質(zhì)量造成有害影響。目前,生產(chǎn)應(yīng)用中液態(tài)保存下添加不同類型的抗氧化劑是主要策略。因?yàn)槔鋬霰4婢旱倪^(guò)程會(huì)造成精子冰晶化產(chǎn)生活性氧化物,對(duì)精子傷害大于液態(tài)保存。因而,近年來(lái)在冷凍保存中添加抗氧化劑的研究較多。
3.1 酶 新鮮精液中超氧化物歧化酶含量最高,是主要活性酶。調(diào)控精子中過(guò)氧化物濃度的酶系統(tǒng)由谷胱甘肽過(guò)氧化物酶、谷胱甘肽合成和還原所需的幾種輔酶組成。谷胱甘肽過(guò)氧化物酶作用于谷胱甘肽將過(guò)氧化氫還原為水,脂肪酶還原為烷基醇。而谷胱甘肽還原酶在氧化應(yīng)激下又能誘導(dǎo)谷胱甘肽從氧化態(tài)轉(zhuǎn)化為還原態(tài)。Kasimanickam 等[5]報(bào)道,質(zhì)量較差的精液中谷胱甘肽過(guò)氧化物酶活性較高,而超氧化物歧化酶活性與精液質(zhì)量無(wú)關(guān)。Marti 等[6]報(bào)道,綿羊精液在15℃保存6 h后,超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶的活性保持不變;精液冷凍保存時(shí),谷胱甘肽還原酶和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶的活性保持穩(wěn)定,但超氧化物歧化酶活性約下降一半。然而,精液冷凍保存中添加超氧化物歧化酶的研究結(jié)果存在爭(zhēng)議。Mohsen 等[7]發(fā)現(xiàn)在精液冷凍保存中添加150 μmol/L 超氧化物歧化酶能保護(hù)精子質(zhì)量;Silva 等[8]在精液冷凍保存中添加超氧化物歧化酶(25、50、100 U/mL)并未發(fā)現(xiàn)精子運(yùn)動(dòng)參數(shù)有明顯增強(qiáng),但添加100 U/mL 能保持精子頂體的完整性,并增強(qiáng)對(duì)線粒體的保護(hù)。
過(guò)氧化氫酶是酶類抗氧化劑,又稱觸酶,能使過(guò)氧化氫分解為氧和水,阻斷氧化反應(yīng),從而保護(hù)精子免受過(guò)氧化氫的損傷。液體保存中添加100、200 U/mL 過(guò)氧化氫酶均能降低凍融對(duì)精子運(yùn)動(dòng)性能的影響,但過(guò)氧化氫酶濃度大于200 U/mL 會(huì)對(duì)精子產(chǎn)生毒性[9]。
谷胱甘肽具有抗氧化作用,對(duì)精子起到保護(hù)作用。綿羊精液在液體保存時(shí),添加谷胱甘肽對(duì)精子的總運(yùn)動(dòng)性能未見(jiàn)影響。在冷凍保存中添加5 mmol/L 谷胱甘肽會(huì)導(dǎo)致精液中谷胱甘肽過(guò)氧化物酶活性增加,但對(duì)脂質(zhì)過(guò)氧化和精子運(yùn)動(dòng)性能未見(jiàn)影響[10]。Silva 等[8]研究發(fā)現(xiàn),在綿羊精液冷凍保存中添加2.5 mmol/L 谷胱甘肽對(duì)精子的運(yùn)動(dòng)性能未見(jiàn)影響,然而添加7 mmol/L 谷胱甘肽會(huì)導(dǎo)致精子直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)降低。因此,精液稀釋液中是否需要添加谷胱甘肽還需進(jìn)一步研究。
3.2 維生素 在正常精液和精子中,維生素E 是主要的親脂性抗氧化劑,在質(zhì)膜中含量豐富,能保護(hù)精子中多不飽和脂肪酸免受過(guò)氧化。有報(bào)道在綿羊精液液態(tài)保存稀釋液中添加1 mg/mL 維生素E 能提高精子直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)率[11]。Kheradmand 等[12]報(bào)道,在綿羊精液冷凍保存中添加1 mg 或2 mg 維生素E 能提高精子運(yùn)動(dòng)性能和膜完整性。
奎諾二甲基丙烯酸酯是一種類似維生素E 的水溶性抗氧化劑,具有清除脂質(zhì)過(guò)氧自由基的功能。精液液態(tài)保存時(shí)添加奎諾二甲基丙烯酸酯對(duì)綿羊精液的脂質(zhì)過(guò)氧化有保護(hù)作用[13],而Mata 等[14]研究指出,添加奎諾二甲基丙烯酸酯對(duì)精子質(zhì)量有害。冷凍保存液中添加60、120 μmol/L 奎諾二甲基丙烯酸酯對(duì)精子質(zhì)膜完整性和運(yùn)動(dòng)性能有益[15],而Maia 等[16]報(bào)道,冷凍保存中添加奎諾二甲基丙烯酸酯(50 mol/108精子)對(duì)精子質(zhì)膜完整性和活力未有增加。綜上說(shuō)明,奎諾二甲基丙烯酸酯添加效果可能與稀釋液相關(guān)組成成分有關(guān)。
抗壞血酸是一種水溶性維生素,對(duì)人體至關(guān)重要,抗壞血酸與生育有關(guān),但其在生殖生理學(xué)中確切作用尚不確定。Choucair 等[17]推測(cè)抗壞血酸可能是通過(guò)阻止氧化損傷來(lái)保護(hù)精子DNA 完整性。Azawi[11]在5℃保存Awassi 羊精液中添加0.9 mg/mL 抗壞血酸能提高精子運(yùn)動(dòng)性能。Sánchez-Partida 等[18]報(bào)道,在綿羊冷凍保存中添加50、100 mmol/L 抗壞血酸時(shí),凍融精子比對(duì)照組的直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)率降低。Rietjens 等[19]、Amidi 等[20]報(bào)道,抗壞血酸在過(guò)渡金屬離子存在時(shí)可促氧化活性,當(dāng)亞鐵離子存在時(shí),抗壞血酸將Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+,F(xiàn)e2+與氧或過(guò)氧化氫反應(yīng)生成羥基自由基,引發(fā)脂質(zhì)過(guò)氧化。而稀釋液中含有多種無(wú)機(jī)鹽時(shí),F(xiàn)e3+會(huì)從乳鐵蛋白中釋放出來(lái)[21]。因此導(dǎo)致精子活力降低。
維生素B12是一種水溶性維生素,在許多生化反應(yīng)中起輔酶作用。Asadpour 等[22]報(bào)道,在液態(tài)和冷凍保存液中添加維生素B12(2 mg/mL)能提高雜交羊和Dallagh 羊精子運(yùn)動(dòng)性能。哈福等[23]研究指出,冷凍保存液中添加維生素B 復(fù)合物(3% v/v)能提高精子運(yùn)動(dòng)性能膜完整性。
3.3 氨基酸 正常精液或精子中的氨基酸具有抗氧化功能,通常精液中存在高濃度的氨基酸。精液保存液中主要添加的氨基酸有谷氨酰胺、半胱氨酸、蛋氨酸、麥角硫氨酸、牛磺酸和脯氨酸等。半胱氨酸和谷胱甘肽能維持精子質(zhì)量、保護(hù)精子質(zhì)膜和頂體完整性;麥角硫因是單線態(tài)氧羥基自由基和過(guò)氧自由基的清除劑,有利保護(hù)精液DNA 完整和提高精子總運(yùn)動(dòng)力;蛋氨酸具有保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷的作用,是谷胱甘肽的前體氨基酸,在解毒過(guò)程中發(fā)揮重要作用。?;撬崾侵饕姆敲盖宄齽┲唬軌蚍乐咕又|(zhì)過(guò)氧化和精子活力的降低;牛血清白蛋白能保護(hù)精子質(zhì)膜完整性,也是酶的穩(wěn)定劑,防止酶的分解和非特異性吸附,減輕有些有害環(huán)境因素的影響。
半胱氨酸是一種含巰基的氨基酸,參與谷胱甘肽的合成。精液冷凍保存液中添加10 mmol/L 半胱氨酸比其他濃度(0、5、20 mmol/L)更能保護(hù)精液質(zhì)量[24],添加半胱氨酸(1、5、10 mmol/L)還能提高精子運(yùn)動(dòng)性能和質(zhì)膜完整性[25-26]。
精液的液態(tài)保存液中添加蛋氨酸(1、2、4 mmol/L)能提高精子總運(yùn)動(dòng)力、直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)率和線粒體活性[27]。Bucak 等[28]研究指出,精液冷凍保存液中添加5 mmol/L谷氨酰胺能提高精子運(yùn)動(dòng)能力和質(zhì)膜完整性。Mehr 等[29]也驗(yàn)證了這一結(jié)果,稀釋液中添加L-谷氨酰胺(40、80 mmol/L)能提高精子總運(yùn)動(dòng)力、直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)及頂體和質(zhì)膜完整性。
麥角硫因是一種重要的低分子量硫醇,它是單線態(tài)氧羥基自由基和過(guò)氧自由基的清除劑,有利保護(hù)精液DNA 完整。Coyan 等[27]報(bào)道,與對(duì)照組相比,冷凍保存中添加麥角硫蛋白(2、4 mmol/L)提高了精子總運(yùn)動(dòng)力和直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)率。Abozar 等[30]報(bào)道,冷凍保存液中添加6 mmol/L 麥角硫因能提高精子總運(yùn)動(dòng)力、直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)率和質(zhì)膜完整性,并降低脂質(zhì)過(guò)氧化。
牛磺酸是一種磺酸氨基酸,存在于附睪和輸卵管液中,是主要的非酶清除劑之一。Saleh 等[31]報(bào)道,液態(tài)保存液中添加?;撬崮鼙Wo(hù)精子免受活性氧和脂質(zhì)過(guò)氧化影響。冷凍保存液中添加?;撬崮芴岣呔舆\(yùn)動(dòng)性能和膜完整性[18,32]。Sangeeta 等[33]報(bào)道,冷凍保存精液時(shí)添加L-谷氨酰胺和L-脯氨酸的卵黃稀釋液,能夠提高精子的總運(yùn)動(dòng)力,使羊附睪精子的質(zhì)膜和頂體完整性優(yōu)于對(duì)照組。
牛血清白蛋白能保護(hù)精子質(zhì)膜完整性,也是酶的穩(wěn)定劑,可防止酶的分解和非特異性吸附,減輕一些不利環(huán)境因素的影響。此外,稀釋液中添加10%、15% 牛血清白蛋白能替代卵黃,并能在凍融過(guò)程中提高精子的直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)率[34-35]。
3.4 植物提取物 植物(香合子、厚樸、山茶花等)的提取物可用來(lái)提高精液質(zhì)量,例如丁香富含酚酸、黃酮醇甙、酚類揮發(fā)油(丁香酚、乙酰丁香酚、異丁香酚)和單寧,這些物質(zhì)具有清除自由基和螯合重金屬的功能。Baghshahi 等[36]報(bào)道,與冷凍保存液中添加0、115 μg/mL丁香花蕾相比,添加35、75 μg/mL 丁香花蕾提高了精子運(yùn)動(dòng)性能。同樣,冷凍保存液中添加4%、6% 迷迭香水提取物能提高精子總運(yùn)動(dòng)力、直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)率和質(zhì)膜完整性[37]。
除了丁香和迷迭香之外,綠茶含有多種生物活性的化合物,如多酚、兒茶素、表兒茶素、沒(méi)食子酸酯和沒(méi)食子兒茶素-3-沒(méi)食子酸酯,這些都具有清除自由基的功能。冷凍保存液中添加綠茶提取物能保護(hù)精子免受氧化應(yīng)激的損傷[38]。
大豆卵磷脂是通過(guò)穩(wěn)定和替代磷脂來(lái)保護(hù)精子膜,從而增加對(duì)冷凍過(guò)程的耐受性。精液冷凍保存液中添加1.5% 大豆卵磷脂能提高精子質(zhì)量[39],然而精液5℃保存液中添加3.5%大豆卵磷脂會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)性和線粒體活性降低[40]。
近期研究表明,精液冷凍保存中添加少量摩洛哥堅(jiān)果油和仙人掌籽油能提高精子總運(yùn)動(dòng)力、直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)率和質(zhì)膜完整性,并且降低了脂質(zhì)過(guò)氧化(自發(fā)和誘導(dǎo))和DNA 損傷。精液的液態(tài)保存液中添加1%仙人掌榕提取物,也得到了類似結(jié)果[41]。
3.5 其他復(fù)合物 近年還有許多復(fù)合物用來(lái)延長(zhǎng)精液保存,例如白藜蘆醇、蜂王漿、丁基化羥基甲苯、番茄紅素、蝦青素等。據(jù)報(bào)道,白藜蘆醇和槲皮素分別是具有抗氧化活性的非黃酮類和黃酮類多酚。在精液保存中添加白藜蘆醇或槲皮素(5~20 μg/mL)能提高精子直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)力[8];稀釋液中添加(15 μg/109精子)白藜蘆醇可抑制精子脂質(zhì)過(guò)氧化[42]。
蜂王漿主要成分是蛋白質(zhì),其次是糖類、氨基酸、核酸和脂肪酸等,具有多種生理和藥理作用。精液保存中添加蜂王漿(0.5%、1.0%)能提高精子運(yùn)動(dòng)性能和質(zhì)膜完整性[43]。在精液保存中,蜂蜜、大蒜(大蒜屬)和脫脂奶混合使用能顯著提高精子總運(yùn)動(dòng)力[44]。
丁基化羥基甲苯是一種合成酚類抗氧化劑,通過(guò)提供氫原子來(lái)抑制自由基鏈反應(yīng),能有效地抑制脂質(zhì)過(guò)氧化。稀釋液中添加丁基羥基甲苯(0.5、2.0 mmol/L)能提高精子質(zhì)量,降低脂質(zhì)過(guò)氧化[45]。Farshad 等[46]研究發(fā)現(xiàn),冷凍保存液中添加2 mmol/L 丁基羥基甲苯能提高精子總運(yùn)動(dòng)力、直線前進(jìn)運(yùn)動(dòng)率和質(zhì)膜完整性。
咖啡因具有促進(jìn)精子運(yùn)動(dòng)能力和提高精子質(zhì)量的功能。?paleková 等[47]報(bào)道,在精液保存中添加4 mmol/L咖啡因能提高加魯特公羊精子質(zhì)量。Kubovi?ová 等[48]報(bào)道,在冷凍保存稀釋液中添加咖啡因?qū)涌傔\(yùn)動(dòng)力具有積極作用,能維持精子運(yùn)動(dòng)性能和減少精子凋亡。
液體保存液中添加明膠能提高精液質(zhì)量。Meque 等[49]在精液保存中添加不同濃度的明膠(0.5%、1%、2%和4%),結(jié)果發(fā)現(xiàn)最有效的濃度為0.5%。Yániz 等[50]報(bào)道,15℃精液保存液中添加明膠能提高精子的總運(yùn)動(dòng)力和受精能力,表明明膠作用機(jī)制可能是使精子更均勻地分布,防止死、活精子凝集沉淀,從而最大限度減少pH 和有毒代謝產(chǎn)物對(duì)精液的影響。
蝦青素是一種強(qiáng)效的脂溶性紅色類胡蘿卜素,它是在某些海洋植物中發(fā)現(xiàn),是自然界中最強(qiáng)大的抗氧化劑之一。精液保存中添加蝦青素能保護(hù)精子質(zhì)膜完整性,提高精子的總運(yùn)動(dòng)力[51]。
番茄紅素是番茄和紅色水果中最豐富的類胡蘿卜素,是所有類胡蘿卜素中最有效的抗氧化劑。Peker 等[52]報(bào)道,5℃精液保存液中添加番茄紅素能提高綿羊精子總運(yùn)動(dòng)力和線粒體活性,同時(shí)降低氧化應(yīng)激。Uysal 等[24]報(bào)道,精液冷凍保存液中添加番茄紅素能提高精子的總運(yùn)動(dòng)力。
角黃素是在植物、綠藻、細(xì)菌、甲殼類動(dòng)物、魚類和鳥類中發(fā)現(xiàn)的一種類胡蘿卜素。已經(jīng)報(bào)道稱精液冷凍保存液中添加角黃素(10、25 μmol/L)能提高精子運(yùn)動(dòng)性能[53]。
褪黑激素是松果體分泌的一種激素,也是一種內(nèi)源性抗氧化劑,但在綿羊精液保存中研究稀缺。褪黑素對(duì)哺乳動(dòng)物精子功能的維持有良好的作用,可以改善精子的形態(tài)特征[54]。Ashrafi 等[55]研究表明,在冷凍稀釋液中添加褪黑素可以降低牛精子凍融過(guò)程的不利影響。褪黑素對(duì)精子的保護(hù)作用與降低脂質(zhì)過(guò)氧化有關(guān),也可能與提高抗氧化能力和抗氧化酶活性有關(guān)。褪黑素能夠促進(jìn)幾種酶(超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶和過(guò)氧化氫酶)的活性,這幾種酶參與ROS 的代謝,能夠保持細(xì)胞膜的流動(dòng)性。Li 等[56]報(bào)道,在水牛精子冷凍保存時(shí)添加褪黑素能降低精液處理和凍融對(duì)水牛精子的影響。Martín-Hidalgo 等[57]觀察到,野豬精液17℃保存中添加1 μmol/L 褪黑素除了改善精子中頂體完整的比例外,并沒(méi)有改善精子功能(保存7 d)。Succu 等[58]報(bào)道,褪黑素對(duì)公羊精子低溫保存的保護(hù)作用取決于褪黑素濃度。因此,在綿羊精液保存中添加褪黑素有待進(jìn)一步研究。
丙酮酸在精液保存中常作為能量物質(zhì)來(lái)添加,但其也具有抗氧化作用。通過(guò)丙酮酸能引起芳香族氨基酸氧化酶活性的增強(qiáng),從而產(chǎn)生抗氧化作用。其作為抗氧化劑添加到綿羊精液稀釋液中的報(bào)道稀少。Upreti 等[59]報(bào)道,綿羊精液釋液(RSD-1)中添加丙酮酸鈉(5 mmol/L)具有抗氧化劑作用。
綿羊精液保存(液態(tài)或冷凍)時(shí)經(jīng)過(guò)一系列處理,精子不可避免地產(chǎn)生活性氧,導(dǎo)致質(zhì)膜受到損傷和精子質(zhì)量下降。因此,多年來(lái)人們一直嘗試在稀釋液中添加抗氧化劑來(lái)清除精液保存中產(chǎn)生的活性氧,從而延長(zhǎng)精液保存時(shí)間和精子質(zhì)量,但研究結(jié)果不盡一致,還需要進(jìn)一步深入研究和分析;此外,單獨(dú)添加某種抗氧化劑的研究較多,聯(lián)合添加的研究較少;需要對(duì)不同種類抗氧化劑進(jìn)行深入了解,才能改進(jìn)現(xiàn)有的稀釋液或開發(fā)出新型稀釋液。