Miesten siemenplasman aineenvaihduntatutkimuksen nykyinen tila ja edistyminen Ⅱ

2. Siemenplasman metabolomiikan tutkimus miesten lisääntymisterveyden alalla

Miesten siittiöiden laatuliittyy läheisesti kriittiseen ikkunaanspermatogeneesi(lisäkiveksen varastointi, siittiöiden liikkuvuuden kehitys ja spermatogeneesi). Synnynnäiset geneettiset tekijät (kuten synnynnäinen kaksipuolinen verisuonten poissaolo, kystinen fibroosin geenimutaatio, Y-kromosomin deleetio, Kallmannin oireyhtymä ja kromosomipoikkeavuudet, jotka johtavat kivesten toiminnan heikkenemiseen) ja hankitut tekijät (miesten lisääntymissairaudet, kuten varicocele, ympäristö- tai työperäinen altistuminen myrkylliset kemikaalit, kuten raskasmetallit ja hormonitoimintaa häiritsevät aineet, ja erilaiset elämäntapatekijät, kuten tupakointi ja juominen) voivat vaikuttaa spermatogeneesiprosessiin, mikä johtaa epänormaaliin siittiöiden laatuun [2].

Yrttikaskanso MIESPERIN LAATUA PARANTAA

Koska siemenplasmalla on keskeinen rooli miehen lisääntymisjärjestelmässä, siemenplasman metabolomiikan käytöllä miehen lisääntymissairauksien mahdollisten biomarkkerien ja patogeenisten mekanismien tutkimiseen on suuri potentiaali. Miesten lisääntymisjärjestelmän sairaudet ovat erittäin monimutkaisia ​​ja vaativat useiden biomarkkerien yhdistettyä käyttöä ennustamisen, diagnoosin ja etiologian analyysin saavuttamiseksi. Kuvassa 1 esitetään sairauksien tai ympäristötekijöiden häiritsemät siemenplasman aineenvaihduntareitit, joihin liittyy pääasiassa energia-aineenvaihduntaa,lipidien aineenvaihdunta, aminohappojen aineenvaihdunta, jasteroidien aineenvaihduntareitit. Liite 3 osoittaa erityisesti muutokset eri aineenvaihduntatuotteissa miesten hedelmättömyydessä. Punainen osoittaa aineenvaihduntatuotteiden lisääntynyttä säätelyä ja sininen metaboliittien vähenemistä. Nämä muutokset koskevat pääasiassa muutoksia aminohappo- ja lipidimetaboliiteissa ja niiden metaboliiteissa. Tässä artikkelissa yhdistetään taulukossa 1 tiivistetty siemenplasman metabolomiikan tutkimus ja esitellään erityisesti siemenplasman metabolomiikan sovellustilanne miesten eri lisääntymissairauksien ja ympäristöaltistustekijöiden näkökulmasta.

2.1 Siemenplasman metabolomiikan soveltaminen miesten hedelmättömyyden diagnosoinnissa ja mekanismitutkimuksessa

2.1.1 Oligospermia, astenospermia, teratospermia ja idiopaattinen hedelmättömyys

Oligospermia viittaa siittiöiden pitoisuuteen, joka on alle 1,5 × 107/ml[37], ja se on yleisin sairaus miesten hedelmättömyydessä. LC-MS:ään ja 1H-NMR:ään perustuva siemenplasman metabolomiikka on osoittanut, että oligospermisten miesten ja normaalien miesten siemenplasman aminohappo- ja koliinitasoissa on merkittäviä eroja [12, 15, 18, 32].

1H-NMR-pohjaisessa siemenplasman metabolomiikkatutkimuksessa havaittiin, että arginiinin ja aspartaatin tasot oligospermiapotilaiden siemenplasmassa laskivat, mikä korreloi merkittävästi siittiöiden määrän vähenemisen kanssa [15, 18, 38]. Toisessa LC-MS-pohjaisessa tutkimuksessa havaittiin, että aspartaattitasojen laskun lisäksi oligospermiapotilaiden siemenplasman glutamaatin, metioniinin, tryptofaanin, proliinin ja alaniinin pitoisuudet vähenivät merkittävästi [32]. Aminohappojen lisäksi koliiniaineenvaihdunta on ratkaisevan tärkeää spermatogeneesille. Koliiniin liittyvien entsyymien puute voi johtaa siittiöiden toiminnan heikkenemiseen, ja koliinilisä voi olla hyödyllistä miesten lisääntymisterveydelle. Koliinilisän positiivisesta vaikutuksesta siittiöiden laatuun in vivo on kuitenkin kiistaa, mikä saattaa johtua lumelääkekontrolliryhmän tai koliiniannoksen puutteesta [39]. Lisää väestötutkimuksia tarvitaan vielä.

Astenospermia on myös yleinen syy miesten hedelmättömyyteen, ja sille on ominaista siittiöiden liikkuvuuden merkittävä väheneminen. GC-MS:ään perustuva siemenplasman metabolominen analyysi osoitti, että siemenplasman öljyhapon, palmitiinihapon ja valiinin pitoisuudet lisääntyivät merkittävästi potilailla, joilla oli asthenozoospermia, mikä viittaa siihen, että rasvahappojen aineenvaihdunnan poikkeavuudet voivat vaikuttaa siittiöiden liikkuvuuteen [23]. Siittiöiden kalvo sisältää erilaisia ​​rasvahappoja, ja siemenplasman liialliset öljyhappotasot voivat häiritä siittiökalvon fosfolipidiaineenvaihduntaprosessia, mikä edelleen johtaa siittiöiden liikkuvuuden vähenemiseen [40]. Korkeat rasvahappopitoisuudet (erityisesti palmitiinihappo ja arakidonihappo) [14, 41] siittiöiden kalvoissa ovat myös tärkeitä tekijöitä heikentyneelle siittiöiden laadulle. Arakidonihapolla (AA) on tärkeä rooli lipidiaineenvaihdunnassa, mutta AA:n vaikutus siemennesteen laatuun on edelleen epäselvä [42-43]. Plasman kohdennettu aineenvaihdunta

Ryhmäanalyysi paljasti muutoksia AA:n aineenvaihduntareiteissä asthenozoospermiaa sairastavien potilaiden siemennesteessä [28]. Havaittiin, että lipoksigenaasi (LOX), sytokromi P450 (CYP450) ja syklo-oksigenaasi voivat edelleen indusoida AA-aineenvaihduntahäiriöitä. (syklo-oksigenaasi, COX) metabolinen reitti aktivoi P38-mitogeenin aktivoiman proteiinikinaasin, mikä vähentää siittiöiden liikkuvuutta. Siemensolujen plasman rasvahappojen lisäksi metaboliitit, jotka osallistuvat erilaisiin aineenvaihduntareitteihin, kuten energiaan, puriiniin, metioniinikiertoon ja haaraketjuiseen aminohappometaboliaan, muuttuvat merkittävästi myös astenospermiapotilaiden siemenplasmassa [14, 30]. Siittiöiden liikkumiseen tarvittava energia tulee aerobisista hajoamisreiteistä, kuten glykolyysistä tai trikarboksyylihapposyklistä (TCA). Tämän reitin estäminen johtaa vähentyneeseen ATP:n tuotantoon, riittämättömään energian saantiin ja heikentyneeseen siittiöiden liikkuvuuteen.

Teratospermia on sairaus, jolle on tunnusomaista, että siemennesteessä on suuri määrä epänormaalisti morfologisia siittiöitä, joiden patogeneesiä ei tunneta [44]. 1H-NMR-pohjaisessa metabolomisessa tutkimuksessa havaittiin, että 18 trikarboksyylihapposykliin liittyvää metaboliittia oli merkittävästi säätelemätöntä teratozoospermiaa sairastavien potilaiden siemenplasmassa [17], mikä osoittaa, että energia-aineenvaihdunta voi olla pääasiallinen syy siittiöiden epänormaaliin morfologiaan. Teratozoospermiaa sairastavien potilaiden siemenplasman aminohappotasot ovat myös muuttuneet, erityisesti tauriini, jolla on antioksidanttivaikutus [45]. Epänormaali siittiöiden morfologia voi liittyä reaktiivisten happilajien liialliseen tuotantoon tai antioksidanttien vähenemiseen.

Miesten idiopaattinen hedelmättömyys viittaa selittämättömään miehen hedelmättömyyteen, jossa rutiininomaiset siemennesteanalyysitulokset ovat normaaleilla ja fyysiset ja endokriiniset poikkeavuudet on suljettu pois. Raman-spektroskopiaan perustuva aineenvaihdunta-analyysi havaitsi eroja oksidatiiviseen stressiin liittyvien metaboliittien ilmentymisessä idiopaattisten hedelmättömien miesten ja hedelmällisten miesten siemenplasmanäytteissä [21].

GC-MS:ään perustuva aineenvaihduntatutkimus löysi idiopaattista hedelmättömyyttä sairastavien miesten siemenplasmasta 44 eri tavalla ilmentynyttä metaboliittia [25], jotka osallistuvat pääasiassa aminohappojen aineenvaihduntaan ja oksidatiiviseen stressiin. Siittiöiden laatuun liittyvä aminohappokatabolia lisääntyy. Antioksidantteihin liittyvät metaboliitit vähenevät. Yllä olevat tutkimukset osoittavat oksidatiivisen stressin tärkeän roolin idiopaattisessa hedelmättömyydessä, mikä viittaa siihen, että aineenvaihduntatilaa voidaan parantaa vastaavien lisäravinteiden avulla.

2.1.2 varicocele

Varikocelen ilmaantuvuus hedelmättömillä miehillä on erittäin korkea, ja noin 40 % ensisijaisesti hedelmättömistä miehistä ja 80 % toissijaisesti hedelmättömistä miehistä kärsii taudista [46]. Varikocele-potilailla on lisääntynyt reaktiivisten happilajien tuotanto ja korkeampi oksidatiivisen stressin taso [46], mikä vaikuttaa siemennesteen lipideihin, proteiineihin ja nukleiinihappoihin, mikä johtaa siittiöiden poikkeavuksiin [48]. 1H-NMR-pohjaisessa siemenplasman metabolomiikka-analyysissä löydettiin 19 tärkeää erilaista metaboliittia, joihin liittyy muutoksia aminohappo-, lipidi- ja energia-aineenvaihdunnassa ja jotka ovat pääasiassa mukana oksidatiivisissa stressiprosesseissa [16]. Toinen ei-kohdennettu siemenplasman metabolomiikkatutkimus, joka perustuu LC-MS:ään, osoitti myös, että 8:n aminohappo-, lipidi- ja energia-aineenvaihduntaan liittyvän metaboliitin tasot varicocele-potilaiden siemenplasmassa muuttuivat. Esimerkiksi alentuneet leusiinipitoisuudet voivat johtaa heikentyneeseen antioksidantti- tai anti-inflammatoriseen kapasiteettiin, mikä johtaa siittiöiden poikkeavuksiin. Kirurginen resektio voi muuttaa varikocelen epänormaalin metabolisen tilan, joka ilmenee pääasiassa glyserofosfolipidi- ja sfingolipiditasojen palautumisena [33]. Glyserolifosfolipidit liittyvät läheisesti mitokondrioiden toimintaan, kun taas sfingolipidit ovat tärkeitä solukalvojen komponentteja ja osallistuvat useisiin signaalinsiirtoreitteihin. Näiden kahden tyyppisten lipidimolekyylien korjaava voimistuminen voi olla syy siittiöiden morfologian paranemiseen kirurgisen toimenpiteen jälkeen, ja se vahvistaa myös siemenplasman metaboliittien käyttökelpoisuuden varicocelen merkkiaineina [33].

2.2 Siemenplasman metabolomiikkaa käytetään paljastamaan siittiöiden laatuun vaikuttavan ympäristöaltistuksen molekyylimekanismi

Altistuminen ympäristössä oleville erilaisille haitallisille tai hyödyllisille aineille voi vaikuttaa merkittävästi siittiöiden laatuun häiritsemällä siemenplasman aineenvaihduntaa. Aiemmin ehdottamamme MIMA-analyysimenetelmä (meet-in-metabolite analysis) soveltuu sellaisten biokemiallisten reittien tutkimiseen, jotka johtavat ympäristöaltistuksen haitallisiin tuloksiin ja paljastamaan altistumisen ja terveyden välisen monimutkaisen suhteen [49]. Käytimme tätä menetelmää ensimmäisen tutkimuksen tekemisessä ympäristön arseenille altistumisen ja miesten lisääntymissairauksien välisestä yhteydestä ja havaitsimme, että arseenille altistuminen normaaleissa ympäristöpitoisuuksissa ei ainoastaan ​​osoittanut annos-vaikutussuhdetta miesten hedelmättömyyden ilmaantuvuuteen, vaan myös korreloi merkittävästi. sarjalla sairauden metaboliittimarkkereita (asyylikarnitiini, asparagiinihappo, estradiolimetaboliitit ja uridiini jne.) [50]. Tämä loi perustan siemenplasman metabolomiikan käytölle siemennesteen laadun heikkenemiseen johtavan ympäristöaltistuksen molekyylimekanismin tutkimiseen. Analysoimme ensimmäistä kertaa hormonaalisten haitta-aineiden ftalaattien, perfluorattujen yhdisteiden ja erilaisten metalli- ja ei-metallisten alkuaineiden, siemenplasman metabolomien ja siittiöiden laatuparametrien välisen monimutkaisen yhteyden [7, 26, 29]. Tulokset osoittavat, että siemenplasman metaboliitit ovat ihanteellisia tutkimuskohteita ympäristöaltistuksen ja siittiöiden laadun välisen suhteen tutkimiseen [7]; hormonitoimintaa häiritsevät aineet ftalaatit voivat vaikuttaa siittiöiden laatuun vaikuttamalla monityydyttymättömien rasvahappojen, asyylikarnitiinien ja aminohappojen pitoisuuteen [26, 29], kun taas ympäristön sinkki ja seleeni lisäävät siittiöiden pitoisuutta vaikuttamalla asyylikarnitiinien pitoisuuteen [7] ja epäorgaaninen arseeni vähentää siittiöiden pitoisuutta. vaikuttamalla rasvahappojen ja karnitiinin aineenvaihduntaan [29].

3 Päätelmä ja tulevaisuus

Viimeaikaiset tutkimukset siemenplasman metabolomista ovat osoittaneet, että siemenplasman hiilihydraattien, aminohappojen, lipidien ja karnitiinin epänormaali aineenvaihdunta voi olla miesten lisääntymisjärjestelmän sairauksien ja ympäristöaltistuksen lisääntymistoksikologian pääreittejä. Tämän alan tutkimuksessa on kuitenkin edelleen suuria haasteita.

Metabolomiikan tietojen biologinen tulkinta riippuu suuresti löydettyjen molekyylireittien taustatiedoista, mutta siemenplasmamolekyylien fysiologisia vaikutuksia ei ole vielä täysin selvitetty. Siksi on edelleen mahdotonta analysoida kattavasti ja syvällisesti niitä spesifisiä molekyylireittejä, joilla siemenplasman metaboliiteilla on fysiologisia rooleja metabolomiikkatekniikan avulla. Lisäksi spermatogeneesin kriittinen ikkuna on herkkä ja monimutkainen, ja yksilöiden välillä on valtavia eroja. Yksittäisillä metabolomeilla on myös ajallisia ja alueellisia eroja, mikä vaikeuttaa yhden, spesifisen metabolisen markkerin saamista. Siksi markkerien yhdistelmän käyttö on toteuttamiskelpoinen menetelmä parantaa merkittävästi sairauden ennustamiskykyä [51]. Lopuksi on kiireellisesti integroitava tehokkaasti monitasoiset siemenplasman omiikkatiedot (mukaan lukien transkriptomiikka, proteomiikka ja lipidomiikka) lisääntymiseen liittyvien sairauksien perusteellisten mekanististen tutkimusten suorittamiseksi ja perustan luomiseksi kliinisille interventiotoimenpiteille miesten siemennesteen parantamiseksi. laatu.

Viite

[1] Agarwal A, Majzoub A, Parekh N, et ai. Kaavamainen katsaus miesten lapsettomuuskäytännön nykytilasta. World J Mens Health, 2020, 38: 308-22

[2] Agarwal A, Baskaran S, Parekh N, et ai. Miesten hedelmättömyys. Lancet, 2021, 397: 319-33

[3] Bracke A, Peeters K, Punjabi U, et ai. Miesten idiopaattisen hedelmättömyyden taustalla olevien molekyylimekanismien etsiminen. Reprod Biomed Online, 2018, 36: 327-39

[4] Krausz C, Escamilla AR, Chianese C. Miesten hedelmättömyyden genetiikka: tutkimuksesta klinikalle. Reproduction, 2015, 150: R159-74

[5] Schjenken JE, Robertson SA. Siemennesteen signalointi naisen lisääntymiskanavassa: vaikutukset lisääntymismenestykseen ja jälkeläisten terveyteen. Adv Exp Med Biol, 2015,868: 127-58

[6] Robertson SA, Sharkey DJ. Siemenneste ja hedelmällisyys naisilla. Fertil Steril, 2016, 106: 511-9

[7] Xu S, Wu Y, Chen Y, et ai. Ympäristön metallien altistuminen, siemenplasman metabolomi ja siemennesteen laatu: todisteet kiinalaisilta lisääntymisikäisiltä miehiltä. Sci Total Environ, 2022, 838: 155860

[8] Carrell DT, Aston KI, Oliva R, et ai. Miesten hedelmättömyyden "omiikka": Big Datan integrointi systeemibiologian lähestymistapaan. Cell Tissue Res, 2016, 363: 295-312

[9] Nicholson JK, Lindon JC, Holmes E. "Metabonomics": elävien järjestelmien metabolisten vasteiden ymmärtäminen patofysiologisiin ärsykkeisiin biologisten NMR-pekroskooppisten tietojen monimuuttuja-tilastoanalyysin avulla. Xenobiotica, 1999, 29: 1181-9

[10] Wishart DS, Feunang YD, Marcu A, et al. HMDB 4.0: ihmisen metabolomitietokanta vuodelle 2018. Nucleic Acids Res, 2018, 46: D608-17

[11] Wishart DS. Metabolomia fysiologisten ja patofysiologisten prosessien tutkimiseen. Physiol Rev, 2019, 99:1819-75

[12] Gupta A, Mahdi AA, Ahmad MK, et ai. 1H NMR -spektroskooppiset tutkimukset ihmisen siemenplasmalla: todistettava erottelufunktioanalyysin luokittelumalli. J Pharm Biomed Anal, 2011, 54: 106-13

[13] Jayaraman V, Ghosh S, Sengupta A, et ai. Miesten hedelmättömyyden eri muotojen välisten biokemiallisten erojen tunnistaminen ydinmagneettiresonanssispektroskopialla (NMR). J Assist Reprod Genet, 2014, 31: 1195-204

[14] Zhang X, Diao R, Zhu X, et ai. Astenozoospermian metabolinen karakterisointi käyttämällä ei-kohdennettua siemenplasman metabolomiikkaa. Clin Chim Acta, 2015, 450: 254-61

[15] Mumcu A, Karaer A, Dogan B, et ai. Siemenplasman aineenvaihduntaanalyysi potilailla, joilla on idiopaattinen oligoasthenoteratozoospermia korkearesoluutioisella NMR:llä

spektroskopia. Andrologia, 2020, 8: 450-6

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

H NMR-pohjainen metabonomiikka hedelmättömyyden diagnosoimiseksi miehillä, joilla on varicocele. J Assist Reprod Genet, 2020, 37:2233-47