Pašreizējais vīriešu sēklas plazmas metabolisma pētījumu stāvoklis un progress Ⅱ

2. Sēklu plazmas metabolomikas pētījumi vīriešu reproduktīvās veselības jomā

Vīriešu spermas kvalitāteir cieši saistīts ar kritisko loguspermatoģenēze(epididimāla uzkrāšanās, spermatozoīdu kustīguma attīstība un spermatoģenēze). Iedzimti ģenētiski faktori (piemēram, iedzimta abpusēja asinsvadu trūkums, cistiskās fibrozes gēna mutācija, Y hromosomas dzēšana, Kallmana sindroms un hromosomu anomālijas, kas izraisa sēklinieku funkcijas pasliktināšanos) un iegūtie faktori (vīriešu reproduktīvās slimības, piemēram, varikocēle, vides vai profesionālā iedarbība toksiskas ķīmiskas vielas, piemēram, smagie metāli un endokrīnās sistēmas darbības traucējumi, un dažādi dzīvesveida faktori, piemēram, smēķēšana un dzeršana) var ietekmēt spermatoģenēzes procesu, tādējādi izraisot patoloģisku spermas kvalitāti [2].

AUGU CISTANČE VĪRIEŠU SPERMAS KVALITĀTES UZLABOŠANAI

Tā kā sēklu plazmai ir galvenā loma vīriešu reproduktīvajā sistēmā, sēklu plazmas metabolomikas izmantošanai, lai izpētītu vīriešu reproduktīvo slimību iespējamos biomarķierus un patogēnos mehānismus, ir liels potenciāls. Vīriešu reproduktīvās sistēmas slimības ir ļoti sarežģītas un prasa kombinētu vairāku biomarķieru izmantošanu, lai panāktu prognozēšanu, diagnozi un etioloģijas analīzi. attēlā parādīti sēklu plazmas vielmaiņas ceļi, ko traucē slimības vai vides faktori, galvenokārt saistīti ar enerģijas metabolismu,lipīdu metabolisms, aminoskābju metabolisms, unsteroīdu metabolisma ceļi. 3. pielikumā ir īpaši parādītas dažādu metabolītu izmaiņas vīriešu neauglības gadījumā. Sarkanā krāsa norāda uz metabolītu regulēšanu, un zilā norāda uz metabolītu pazemināšanos. Šīs izmaiņas galvenokārt ietver izmaiņas aminoskābju un lipīdu metabolītos un to metabolītos. Šajā rakstā tiks apvienoti sēklas plazmas metabolomikas pētījumi, kas apkopoti 1. tabulā, lai īpaši iepazīstinātu ar sēklas plazmas metabolomikas pielietojuma statusu no dažādu vīriešu reproduktīvo slimību un vides iedarbības faktoru perspektīvas.

2.1. Sēklu plazmas metabolomikas pielietojums vīriešu neauglības diagnostikā un mehānismu izpētē

2.1.1. Oligospermija, astenospermija, teratospermija un idiopātiska neauglība

Oligospermija attiecas uz spermas koncentrāciju, kas ir zemāka par 1,5 × 107/ml[37], un tā ir visizplatītākā vīriešu neauglības slimība. Sēklu plazmas metabolomika, kas balstīta uz LC-MS un 1H-NMR, ir parādījusi, ka aminoskābju un holīna līmeņos ir ievērojamas atšķirības oligospermisko vīriešu un normālu vīriešu sēklas plazmā [12, 15, 18, 32].

Uz 1H-NMR balstītajā sēklas plazmas metabolomikas pētījumā atklājās, ka arginīna un aspartāta līmenis oligospermijas pacientu sēklas plazmā ir samazinājies, kas būtiski korelēja ar spermatozoīdu skaita samazināšanos [15, 18, 38]. Citā LC-MS pētījumā tika atklāts, ka papildus aspartāta līmeņa pazemināšanai oligospermijas pacientu sēklas plazmā ir ievērojami samazināts arī glutamāta, metionīna, triptofāna, prolīna un alanīna līmenis [32]. Papildus aminoskābēm spermatoģenēzei izšķiroša nozīme ir arī holīna metabolismam. Ar holīnu saistītu enzīmu trūkums var izraisīt spermas funkcijas samazināšanos, un holīna papildināšana var būt labvēlīga vīriešu reproduktīvajai veselībai. Tomēr pastāv daži strīdi par holīna piedevas pozitīvo ietekmi uz spermas kvalitāti in vivo, kas var būt saistīts ar placebo kontroles grupas vai holīna devas trūkumu [39]. Joprojām ir nepieciešami turpmāki populācijas pētījumi.

Astenospermija ir arī izplatīts vīriešu neauglības cēlonis, un to raksturo ievērojama spermatozoīdu kustīguma samazināšanās. Sēklas plazmas metabolomiskā analīze, kas balstīta uz GC-MS, parādīja, ka sēklu plazmas oleīnskābes, palmitīnskābes un valīna līmenis pacientiem ar astenozoospermiju ir ievērojami paaugstināts, kas liecina, ka taukskābju metabolisma anomālijas var ietekmēt spermas kustīgumu [23]. Spermas membrāna satur dažādas taukskābes, un pārmērīgs oleīnskābes līmenis sēklas plazmā var traucēt fosfolipīdu vielmaiņas procesu spermas membrānā, vēl vairāk izraisot spermas kustīguma samazināšanos [40]. Augsts taukskābju (īpaši palmitīnskābes un arahidonskābes) [14, 41] līmenis spermas membrānās ir arī svarīgi faktori zemas spermas kvalitātes dēļ. Arahidonskābei (AA) ir svarīga loma lipīdu metabolismā, bet AA ietekme uz spermas kvalitāti joprojām nav skaidra [42-43]. Sēklas plazmas mērķtiecīgs metabolisms

Grupas analīze atklāja izmaiņas AA metabolisma ceļos sēklu plazmā pacientiem ar astenozoospermiju [28]. Tika konstatēts, ka AA vielmaiņas traucējumus var vēl vairāk izraisīt lipoksigenāze (LOX), citohroms P450 (CYP450) un ciklooksigenāze. (ciklooksigenāze, COX) vielmaiņas ceļš aktivizē P38 mitogēna aktivēto proteīnkināzi, tādējādi samazinot spermas kustīgumu. Papildus sēklu plazmas taukskābēm pacientiem ar astenospermiju sēklu plazmā būtiski mainās arī metabolīti, kas iesaistīti dažādos vielmaiņas ceļos, piemēram, enerģijā, purīnā, metionīna ciklā un sazarotās ķēdes aminoskābju metabolismā [14, 30]. Spermas kustībai nepieciešamo enerģiju iegūst no aerobās sadalīšanās ceļiem, piemēram, glikolīzes vai trikarbonskābes cikla (TCA). Šī ceļa kavēšana novedīs pie samazinātas ATP ražošanas, nepietiekamas enerģijas piegādes un samazinātas spermas kustīguma.

Teratospermija ir slimība, kurai raksturīgs liels skaits neparasti morfoloģisku spermu spermā, kuras patoģenēze nav zināma [44]. Uz 1H-NMR balstītā metabolomiskā pētījumā atklājās, ka teratozoospermijas pacientu sēklas plazmā bija ievērojami disregulēti 18 ar trikarbonskābes ciklu saistīti metabolīti [17], kas norāda, ka enerģijas metabolisms var būt galvenais spermas patoloģiskas morfoloģijas cēlonis. Pacientiem ar teratozoospermiju ir izmainīts arī aminoskābju līmenis sēklu plazmā, īpaši taurīns, kam ir antioksidanta iedarbība [45]. Spermas patoloģiska morfoloģija var būt saistīta ar pārmērīgu reaktīvo skābekļa sugu veidošanos vai antioksidantu samazināšanos.

Idiopātiskā vīriešu neauglība attiecas uz neizskaidrojamu vīriešu neauglību, kurā parastās spermas analīzes rezultāti ir normas robežās un fiziskās un endokrīnās novirzes ir izslēgtas. Metabolisma analīze, kas balstīta uz Ramana spektroskopiju, atklāja atšķirības oksidatīvā stresa izraisīto metabolītu ekspresijā idiopātiski neauglīgu vīriešu un auglīgu vīriešu sēklas plazmas paraugos [21].

Metabolomu pētījumos, kuru pamatā ir GC-MS, vīriešu ar idiopātisku neauglību sēklu plazmā tika atklāti 44 atšķirīgi izteikti metabolīti [25], kas galvenokārt ir iesaistīti aminoskābju metabolismā un oksidatīvā stresa procesos. Palielinās aminoskābju katabolisms, kas saistīts ar spermas kvalitāti. Ar antioksidantiem saistītie metabolīti tiek samazināti. Iepriekš minētie pētījumi liecina par oksidatīvā stresa svarīgo lomu idiopātiskā neauglībā, kas liecina, ka vielmaiņas stāvokli var uzlabot, izmantojot atbilstošus papildinājumus.

2.1.2 Varikocele

Varikoceles sastopamība neauglīgiem vīriešiem ir ļoti augsta, ar šo slimību cieš aptuveni 40% primāri neauglīgu vīriešu un 80% sekundāri neauglīgu vīriešu [46]. Pacientiem ar varikoceli ir palielināta reaktīvo skābekļa sugu ražošana un augstāks oksidatīvā stresa līmenis [46], kas ietekmē lipīdus, olbaltumvielas un nukleīnskābes spermā, izraisot spermas anomālijas [48]. Uz 1H-NMR balstīta sēklas plazmas metabolomikas analīze atklāja 19 svarīgus atšķirīgus metabolītus, kas ietver izmaiņas aminoskābju, lipīdu un enerģijas metabolismā, kas galvenokārt ir iesaistīti oksidatīvā stresa procesos [16]. Cits nemērķtiecīgs sēklas plazmas metabolomikas pētījums, kas balstīts uz LC-MS, arī parādīja, ka tika mainīti 8 metabolītu līmeņi, kas saistīti ar aminoskābju, lipīdu un enerģijas metabolismu, sēklas plazmā pacientiem ar varikoceli. Piemēram, pazemināts leicīna līmenis var izraisīt samazinātu antioksidantu vai pretiekaisuma spēju, izraisot spermas anomālijas. Ķirurģiskā rezekcija var mainīt varikoceles patoloģisku vielmaiņas stāvokli, kas galvenokārt izpaužas kā glicerofosfolipīdu un sfingolipīdu līmeņa atjaunošana [33]. Glicerīna fosfolipīdi ir cieši saistīti ar mitohondriju aktivitāti, savukārt sfingolipīdi ir svarīgas šūnu membrānu sastāvdaļas un piedalās vairākos signālu transdukcijas ceļos. Šo divu veidu lipīdu molekulu atjaunojoša regulēšana var būt iemesls spermas morfoloģijas uzlabošanai pēc ķirurģiskas iejaukšanās, kā arī apstiprina sēklas plazmas metabolītu kā varikoceļa marķieru iespējamību [33].

2.2. Sēklas plazmas metabolomiku izmanto, lai atklātu molekulāro mehānismu vides iedarbībai, kas ietekmē spermas kvalitāti

Dažādu kaitīgu vai labvēlīgu vielu iedarbība vidē var būtiski ietekmēt spermas kvalitāti, traucējot sēklu plazmas vielmaiņas procesu. Iepriekš piedāvātā MIMA (metabolītu analīzes) analīzes metode ir piemērota, lai pētītu bioķīmiskos ceļus, kas izraisa vides iedarbības nelabvēlīgus rezultātus, un atklātu sarežģītās attiecības starp iedarbību un veselību [49]. Mēs izmantojām šo metodi, lai veiktu pirmo pētījumu par saistību starp vides arsēna iedarbību un vīriešu reproduktīvajām slimībām, un atklājām, ka arsēna iedarbība normālos vides koncentrācijās ne tikai uzrādīja devas un ietekmes saistību ar vīriešu neauglības biežumu, bet arī būtiski korelēja. ar virkni slimības metabolītu marķieru (acilkarnitīns, asparagīnskābe, estradiola metabolīti un uridīns utt.) [50]. Tas lika pamatu sēklas plazmas metabolomikas izmantošanai, lai izpētītu vides iedarbības molekulāro mehānismu, kas izraisa spermas kvalitātes pazemināšanos. Pirmo reizi mēs analizējām sarežģīto saistību starp endokrīno sistēmu traucējošo vielu ftalātu, perfluorēto savienojumu un dažādu metālu un nemetālu elementu iekšējās iedarbības līmeņiem, sēklu plazmas metabolomu un spermas kvalitātes parametriem [7, 26, 29]. Rezultāti liecina, ka sēklas plazmas metabolīti ir ideāli pētniecības objekti, lai pētītu sakarību starp vides iedarbību un spermas kvalitāti [7]; endokrīno sistēmu traucējošie faktori ftalāti var ietekmēt spermas kvalitāti, ietekmējot polinepiesātināto taukskābju, acilkarnitīnu un aminoskābju saturu [26, 29], savukārt apkārtējais cinks un selēns palielina spermas koncentrāciju, ietekmējot acilkarnitīnu saturu [7], bet neorganiskais arsēns samazina spermas koncentrāciju. ietekmējot taukskābju un karnitīna metabolismu [29].

3 Secinājums un perspektīva

Nesenie pētījumi par sēklu plazmas metabolomu ir parādījuši, ka sēklu plazmas ogļhidrātu, aminoskābju, lipīdu un karnitīna metabolisma traucējumi var būt galvenie vīriešu reproduktīvās sistēmas slimību un vides iedarbības reproduktīvās toksikoloģijas ceļi. Tomēr pētījumi šajā jomā joprojām saskaras ar milzīgām problēmām.

Metabolomikas datu bioloģiskā interpretācija ir ļoti atkarīga no fona zināšanām par atklātajiem molekulārajiem ceļiem, bet sēklas plazmas molekulu fizioloģiskā ietekme vēl nav pilnībā noskaidrota. Tāpēc joprojām nav iespējams vispusīgi un dziļi analizēt specifiskos molekulāros ceļus, pa kuriem sēklas plazmas metabolīti spēlē fizioloģiskas lomas, izmantojot metabolomikas tehnoloģiju. Turklāt spermatoģenēzes kritiskais logs ir jutīgs un sarežģīts, un starp indivīdiem ir milzīgas atšķirības. Atsevišķām metabolomām ir arī laika un telpiskās atšķirības, kas apgrūtina viena, specifiska vielmaiņas marķiera iegūšanu. Tāpēc marķieru kombinācijas izmantošana ir iespējama metode, lai ievērojami uzlabotu slimības prognozēšanas iespējas [51]. Visbeidzot, ir steidzami nepieciešams efektīvi integrēt daudzlīmeņu sēklas plazmas omikas datus (tostarp transkriptomiku, proteomiku un lipidomiku), lai veiktu padziļinātus ar reproduktīvo sistēmu saistīto slimību mehāniskos pētījumus un nodrošinātu pamatu klīniskās iejaukšanās pasākumiem, lai uzlabotu vīriešu spermu. kvalitāti.

Atsauce

[1] Agarwal A, Majzoub A, Parekh N u.c. Shematisks pārskats par pašreizējo stāvokli vīriešu neauglības praksē. World J Mens Health, 2020, 38: 308-22

[2] Agarwal A, Baskaran S, Parekh N u.c. Vīriešu neauglība. Lancet, 2021, 397: 319-33

[3] Bracke A, Peeters K, Punjabi U u.c. Molekulāro mehānismu meklēšana, kas ir vīriešu idiopātiskās neauglības pamatā. Reprod Biomed Online, 2018, 36: 327-39

[4] Krausz C, Escamilla AR, Chianese C. Vīriešu neauglības ģenētika: no izpētes līdz klīnikai. Reprodukcija, 2015, 150: R159-74

[5] Schjenken JE, Robertson SA. Sēklu šķidruma signalizācija sieviešu reproduktīvajā traktā: ietekme uz reproduktīvajiem panākumiem un pēcnācēju veselību. Adv Exp Med Biol, 2015,868: 127-58

[6] Robertson SA, Sharkey dīdžejs. Sēklu šķidrums un auglība sievietēm. Fertil Steril, 2016, 106: 511-9

[7] Xu S, Wu Y, Chen Y u.c. Metālu iedarbība uz vidi, sēklu plazmas metaboloms un spermas kvalitāte: pierādījumi no Ķīnas reproduktīvā vecuma vīriešiem. Sci Total Environ, 2022, 838: 155860

[8] Carrell DT, Aston KI, Oliva R u.c. Cilvēka vīriešu neauglības "omika": lielo datu integrēšana sistēmu bioloģijas pieejā. Cell Tissue Res, 2016, 363: 295-312

[9] Nicholson JK, Lindon JC, Holmes E. “Metabonomika”: izpratne par dzīvo sistēmu vielmaiņas reakciju uz patofizioloģiskiem stimuliem, izmantojot bioloģisko KMR pektroskopisko datu daudzfaktoru statistisko analīzi. Xenobiotica, 1999, 29: 1181-9

[10] Wishart DS, Feunang YD, Marcu A u.c. HMDB 4.0: cilvēka metabolisma datubāze 2018. gadam. Nucleic Acids Res, 2018, 46: D608-17

[11] Wishart DS. Metabolomika fizioloģisko un patofizioloģisko procesu izpētei. Physiol Rev, 2019, 99:1819-75

[12] Gupta A, Mahdi AA, Ahmad MK u.c. 1H KMR spektroskopiskie pētījumi par cilvēka sēklas plazmu: pierādījuma diskriminējošās funkcijas analīzes klasifikācijas modelis. J Pharm Biomed Anal, 2011, 54: 106-13

[13] Jayaraman V, Ghosh S, Sengupta A u.c. Bioķīmisko atšķirību noteikšana starp dažādām vīriešu neauglības formām ar kodolmagnētiskās rezonanses (KMR) spektroskopiju. J Assist Reprod Genet, 2014, 31: 1195-204

[14] Zhang X, Diao R, Zhu X u.c. Astenozoospermijas metaboliskais raksturojums, izmantojot nemērķētu sēklas plazmas metabolomiku. Clin Chim Acta, 2015, 450: 254-61

[15] Mumcu A, Karaer A, Dogan B u.c. Sēklu plazmas metabolomiskā analīze pacientiem ar idiopātisku oligoastenoteratozoospermiju, izmantojot augstas izšķirtspējas KMR

spektroskopija. Androloģija, 2020, 8: 450-6

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

H NMR balstīta metabonomika neauglības diagnostikai vīriešiem ar varikoceli. J Assist Reprod Genet, 2020, 37:2233-47