Aktuálny stav a pokrok vo výskume metabolomiky mužskej semennej plazmy Ⅱ

2. Výskum metabolomiky semennej plazmy v oblasti mužského reprodukčného zdravia

Kvalita mužských spermiíúzko súvisí s kritickým oknomspermatogenéza(ukladanie nadsemenníkov, vývoj pohyblivosti spermií a spermatogenéza). Vrodené genetické faktory (ako je vrodená bilaterálna absencia chámovodu, mutácia génu cystickej fibrózy, delécia chromozómu Y, Kallmannov syndróm a chromozomálne abnormality vedúce k zhoršeniu funkcie semenníkov) a získané faktory (ochorenia mužskej reprodukcie, ako je varikokéla, environmentálna alebo pracovná expozícia na toxické chemikálie, ako sú ťažké kovy a endokrinné disruptory, a rôzne faktory životného štýlu, ako je fajčenie a pitie) môžu ovplyvniť proces spermatogenézy, čo vedie k abnormálnej kvalite spermií [2].

BYLINKOVÉ CISTANCHE NA ZLEPŠENIE KVALITY MUŽSKÝCH SPERMIÍ

Vzhľadom na kľúčovú úlohu semennej plazmy v mužskom reprodukčnom systéme má využitie metabolomiky semennej plazmy na skúmanie potenciálnych biomarkerov a patogénnych mechanizmov mužských reprodukčných chorôb veľký potenciál. Choroby mužského reprodukčného systému sú veľmi zložité a vyžadujú kombinované použitie viacerých biomarkerov na dosiahnutie predikcie, diagnózy a analýzy etiológie. Obrázok 1 ukazuje metabolické dráhy semennej plazmy narušené chorobami alebo environmentálnymi faktormi, ktoré zahŕňajú najmä energetický metabolizmus,metabolizmus lipidov, metabolizmus aminokyselín, ametabolické dráhy steroidov. Príloha 3 konkrétne ukazuje zmeny v rôznych metabolitoch pri mužskej neplodnosti. Červená znamená up-reguláciu metabolitov a modrá znamená down-reguláciu metabolitov. Tieto zmeny zahŕňajú najmä zmeny metabolitov aminokyselín a lipidov a ich metabolitov. Tento článok bude kombinovať výskum metabolomiky semennej plazmy zhrnutý v tabuľke 1, aby konkrétne predstavil aplikačný stav metabolomiky semennej plazmy z pohľadu rôznych reprodukčných chorôb mužov a faktorov environmentálnej expozície.

2.1 Aplikácia metabolomiky semennej plazmy v diagnostike a výskume mechanizmov mužskej neplodnosti

2.1.1 Oligospermia, astenospermia, teratospermia a idiopatická neplodnosť

Oligospermia sa vzťahuje na koncentráciu spermií nižšiu ako 1,5 × 107/ml[37] a je najčastejším ochorením mužskej neplodnosti. Metabolomika semennej plazmy založená na LC-MS a 1H-NMR ukázala, že existujú významné rozdiely v hladinách aminokyselín a cholínu v semennej plazme oligospermických mužov a normálnych mužov [12, 15, 18, 32].

Metabolomická štúdia semennej plazmy založená na 1H-NMR zistila, že hladiny arginínu a aspartátu v semennej plazme pacientov s oligospermiou boli znížené, čo významne korelovalo s poklesom počtu spermií [15, 18, 38]. Ďalšia štúdia založená na LC-MS zistila, že okrem poklesu hladín aspartátu sa významne znížili aj hladiny glutamátu, metionínu, tryptofánu, prolínu a alanínu v semennej plazme pacientov s oligospermiou [32]. Okrem aminokyselín je pre spermatogenézu kľúčový aj metabolizmus cholínu. Nedostatok enzýmov súvisiacich s cholínom môže viesť k zníženiu funkcie spermií a suplementácia cholínu môže byť prospešná pre mužské reprodukčné zdravie. Existuje však určitá kontroverzia o pozitívnom vplyve suplementácie cholínu na kvalitu spermií in vivo, čo môže byť spôsobené absenciou kontrolnej skupiny s placebom alebo dávkovaním cholínu [39]. Stále sú potrebné ďalšie populačné štúdie.

Astenospermia je tiež častou príčinou mužskej neplodnosti a vyznačuje sa výrazným znížením pohyblivosti spermií. Metabolomická analýza semennej plazmy založená na GC-MS ukázala, že hladiny kyseliny olejovej, kyseliny palmitovej a valínu v semennej plazme u pacientov s astenozoospermiou boli významne zvýšené, čo naznačuje, že abnormality v metabolizme mastných kyselín môžu ovplyvniť motilitu spermií [23]. Membrána spermií obsahuje rôzne mastné kyseliny a nadmerné hladiny kyseliny olejovej v semennej plazme môžu narušiť proces metabolizmu fosfolipidov v membráne spermií, čo ďalej vedie k zníženiu motility spermií [40]. Vysoké hladiny mastných kyselín (najmä kyseliny palmitovej a kyseliny arachidónovej) [14, 41] v membránach spermií sú tiež dôležitými faktormi nízkej kvality spermií. Kyselina arachidónová (AA) hrá dôležitú úlohu v metabolizme lipidov, ale účinok AA na kvalitu spermy zostáva nejasný [42-43]. Metabolizmus cielený v semennej plazme

Skupinová analýza odhalila zmeny v metabolických dráhach AA v semennej plazme pacientov s astenozoospermiou [28]. Zistilo sa, že metabolické poruchy AA môžu byť ďalej indukované lipoxygenázou (LOX), cytochrómom P450 (CYP450) a cyklooxygenázou. (cyklooxygenáza, COX) metabolická dráha aktivuje mitogénom aktivovanú proteínkinázu P38, čím znižuje motilitu spermií. Okrem mastných kyselín semennej plazmy sú v semennej plazme pacientov s astenospermiou významne zmenené aj metabolity zapojené do rôznych metabolických dráh, ako je energia, purín, metionínový cyklus a metabolizmus aminokyselín s rozvetveným reťazcom [14, 30]. Energia potrebná na pohyb spermií pochádza z ciest aeróbneho rozkladu, ako je glykolýza alebo cyklus trikarboxylových kyselín (TCA). Inhibícia tejto dráhy povedie k zníženej produkcii ATP, nedostatočnému prísunu energie a zníženej pohyblivosti spermií.

Teratospermia je ochorenie charakterizované prítomnosťou veľkého počtu abnormálne morfologických spermií v sperme, ktorej patogenéza nie je známa [44]. Metabolomická štúdia založená na 1H-NMR zistila, že 18 metabolitov súvisiacich s cyklom trikarboxylových kyselín bolo významne dysregulovaných v semennej plazme pacientov s teratozoospermiou [17], čo naznačuje, že energetický metabolizmus môže byť hlavnou príčinou abnormálnej morfológie spermií. Zmenené sú aj hladiny aminokyselín v semennej plazme pacientov s teratozoospermiou, najmä taurínu, ktorý pôsobí antioxidačne [45]. Abnormálna morfológia spermií môže súvisieť s nadmernou produkciou reaktívnych foriem kyslíka alebo znížením množstva antioxidantov.

Idiopatická mužská neplodnosť sa týka nevysvetliteľnej mužskej neplodnosti, pri ktorej sú výsledky rutinnej analýzy spermy v rámci normálneho rozsahu a fyzické a endokrinné abnormality sú vylúčené. Metabolomická analýza založená na Ramanovej spektroskopii zistila rozdiely v expresii metabolitov súvisiacich s oxidačným stresom vo vzorkách semennej plazmy od idiopatických neplodných mužov a fertilných mužov [21].

Metabolómový výskum založený na GC-MS našiel 44 rozdielne exprimovaných metabolitov v semennej plazme mužov s idiopatickou neplodnosťou [25], ktoré sa podieľajú najmä na metabolizme aminokyselín a procesoch oxidačného stresu. Zvyšuje sa katabolizmus aminokyselín súvisiaci s kvalitou spermií. Metabolity súvisiace s antioxidantmi sú znížené. Vyššie uvedené štúdie naznačujú dôležitú úlohu oxidačného stresu pri idiopatickej neplodnosti, čo naznačuje, že metabolický stav možno zlepšiť pomocou zodpovedajúcich doplnkov.

2.1.2 Varikokéla

Výskyt varikokély u neplodných mužov je veľmi vysoký, pričom týmto ochorením trpí približne 40 % primárne neplodných mužov a 80 % sekundárne neplodných [46]. Pacienti s varikokélou majú zvýšenú produkciu reaktívnych foriem kyslíka a vyššie hladiny oxidačného stresu [46], ktoré ovplyvňujú lipidy, proteíny a nukleové kyseliny v sperme, čo vedie k abnormalitám spermií [48]. Metabolomická analýza semennej plazmy založená na 1H-NMR našla 19 dôležitých diferenciálnych metabolitov zahŕňajúcich zmeny v metabolizme aminokyselín, lipidov a energie, ktoré sa podieľajú najmä na procesoch oxidačného stresu [16]. Ďalšia necielená štúdia metabolomiky semennej plazmy založená na LC-MS tiež ukázala, že hladiny 8 metabolitov súvisiacich s metabolizmom aminokyselín, lipidov a energie v semennej plazme pacientov s varikokélou sa zmenili. Napríklad znížené hladiny leucínu môžu viesť k zníženiu antioxidačnej alebo protizápalovej kapacity, čo vedie k abnormalitám spermií. Chirurgická resekcia môže zvrátiť abnormálny metabolický stav varikokély, ktorý sa prejavuje najmä v obnovení hladín glycerofosfolipidov a sfingolipidov [33]. Glycerolové fosfolipidy úzko súvisia s mitochondriálnou aktivitou, zatiaľ čo sfingolipidy sú dôležitými zložkami bunkových membrán a podieľajú sa na viacerých dráhach prenosu signálu. Restoračná upregulácia týchto dvoch typov lipidových molekúl môže byť dôvodom zlepšenia morfológie spermií po chirurgickom zákroku a tiež potvrdzuje uskutočniteľnosť metabolitov semennej plazmy ako markerov varikokély [33].

2.2 Metabolomika semennej plazmy sa používa na odhalenie molekulárneho mechanizmu environmentálnej expozície ovplyvňujúcej kvalitu spermií

Expozícia rôznym škodlivým alebo prospešným látkam v prostredí môže výrazne ovplyvniť kvalitu spermií zásahom do metabolického procesu semennej plazmy. Metóda analýzy MIMA (meet-in-metabolite analysis), ktorú sme navrhli predtým, je vhodná na štúdium biochemických dráh, ktoré vedú k nepriaznivým výsledkom environmentálnej expozície a odhaľuje zložitý vzťah medzi expozíciou a zdravím [49]. Túto metódu sme použili na vykonanie prvej štúdie o súvislosti medzi environmentálnym vystavením arzénu a mužskými reprodukčnými chorobami a zistili sme, že vystavenie arzénu pri normálnych environmentálnych koncentráciách nielenže preukázalo vzťah medzi dávkou a účinkom s výskytom mužskej neplodnosti, ale tiež významne korelovalo. so sériou markerov metabolitov ochorenia (acylkarnitín, kyselina asparágová, metabolity estradiolu a uridín atď.) [50]. To položilo základ pre použitie metabolomiky semennej plazmy na preskúmanie molekulárneho mechanizmu environmentálnej expozície vedúcej k zníženiu kvality spermií. Prvýkrát sme analyzovali komplexnú súvislosť medzi úrovňami vnútornej expozície endokrinných disruptorov ftalátov, perfluórovaných zlúčenín a rôznych kovových a nekovových prvkov, metabolómu semennej plazmy a parametrov kvality spermií [7, 26, 29]. Výsledky ukazujú, že metabolity semennej plazmy sú ideálnymi výskumnými objektmi na štúdium vzťahu medzi environmentálnou expozíciou a kvalitou spermií [7]; endokrinné disruptory ftaláty môžu ovplyvniť kvalitu spermií ovplyvnením obsahu polynenasýtených mastných kyselín, acylkarnitínov a aminokyselín [26, 29], zatiaľ čo zinok a selén z prostredia zvyšujú koncentráciu spermií ovplyvnením obsahu acylkarnitínov [7] a anorganický arzén znižuje koncentráciu spermií ovplyvnením metabolizmu mastných kyselín a karnitínu [29].

3 Záver a vyhliadka

Nedávne štúdie o metabolóme semennej plazmy ukázali, že abnormálny metabolizmus uhľohydrátov, aminokyselín, lipidov a karnitínu v semennej plazme môže byť hlavnými cestami chorôb mužského reprodukčného systému a reprodukčnej toxikológie vystavenej životnému prostrediu. Výskum v tejto oblasti však stále čelí obrovským výzvam.

Biologická interpretácia metabolomických údajov je vysoko závislá od základných znalostí objavených molekulárnych dráh, ale fyziologické účinky molekúl semennej plazmy ešte neboli úplne objasnené. Preto je stále nemožné komplexne a hlboko analyzovať špecifické molekulárne dráhy, ktorými metabolity semennej plazmy hrajú fyziologické úlohy prostredníctvom metabolomickej technológie. Okrem toho je kritické okno spermatogenézy citlivé a zložité, s obrovskými rozdielmi medzi jednotlivcami. Jednotlivé metabolómy majú tiež časové a priestorové rozdiely, čo sťažuje získanie jediného špecifického metabolického markera. Preto je použitie kombinácie markerov uskutočniteľnou metódou na výrazné zlepšenie schopností predikcie ochorenia [51]. Nakoniec existuje naliehavá potreba efektívne integrovať viacúrovňové omické údaje zo semennej plazmy (vrátane transkriptomiky, proteomiky a lipidomiky) s cieľom uskutočniť hĺbkové mechanické štúdie chorôb súvisiacich s reprodukciou a poskytnúť základ pre klinické intervenčné opatrenia na zlepšenie mužskej spermy. kvalitu.

Odkaz

[1] Agarwal A, Majzoub A, Parekh N, et al. Schematický prehľad súčasného stavu praxe mužskej neplodnosti. World J Mens Health, 2020, 38: 308-22

[2] Agarwal A, Baskaran S, Parekh N, a kol. Mužská neplodnosť. Lancet, 2021, 397: 319-33

[3] Bracke A, Peeters K, Punjabi U a kol. Hľadanie molekulárnych mechanizmov, ktoré sú základom mužskej idiopatickej neplodnosti. Reprod Biomed Online, 2018, 36: 327-39

[4] Krausz C, Escamilla AR, Chianese C. Genetika mužskej neplodnosti: od výskumu po kliniku. Reprodukcia, 2015, 150: R159-74

[5] Schjenken JE, Robertson SA. Signalizácia semennej tekutiny v ženskom reprodukčnom trakte: dôsledky pre reprodukčný úspech a zdravie potomstva. Adv Exp Med Biol, 2015,868: 127-58

[6] Robertson SA, DJ Sharkey. Semenná tekutina a plodnosť u žien. Fertil Steril, 2016, 106: 511-9

[7] Xu S, Wu Y, Chen Y a kol. Expozícia kovov v životnom prostredí, metabolóm semennej plazmy a kvalita spermy: dôkazy od čínskych mužov v reprodukčnom veku. Sci Total Environ, 2022, 838: 155860

[8] Carrell DT, Aston KI, Oliva R a kol. "Omika" ľudskej mužskej neplodnosti: integrácia veľkých dát do prístupu systémovej biológie. Cell Tissue Res, 2016, 363: 295-312

[9] Nicholson JK, Lindon JC, Holmes E. „Metabonomika“: pochopenie metabolických reakcií živých systémov na patofyziologické stimuly prostredníctvom viacrozmernej štatistickej analýzy biologických NMR pektroskopických údajov. Xenobiotica, 1999, 29: 1181-9

[10] Wishart DS, Feunang YD, Marcu A, a kol. HMDB 4.0: databáza ľudských metabolómov pre rok 2018. Nucleic Acids Res, 2018, 46: D608-17

[11] Wishart DS. Metabolomika na skúmanie fyziologických a patofyziologických procesov. Physiol Rev, 2019, 99:1819-75

[12] Gupta A, Mahdi AA, Ahmad MK, a kol. 1H NMR spektroskopické štúdie na ľudskej semennej plazme: model klasifikácie dôkaznej analýzy diskriminačnej funkcie. J Pharm Biomed Anal, 2011, 54: 106-13

[13] Jayaraman V, Ghosh S, Sengupta A, a kol. Identifikácia biochemických rozdielov medzi rôznymi formami mužskej neplodnosti pomocou nukleárnej magnetickej rezonancie (NMR) spektroskopie. J Assist Reprod Genet, 2014, 31: 1195-204

[14] Zhang X, Diao R, Zhu X a kol. Metabolická charakterizácia astenozoospermie pomocou necielenej metabolomiky semennej plazmy. Clin Chim Acta, 2015, 450: 254-61

[15] Mumcu A, Karaer A, Dogan B a kol. Metabolomická analýza semennej plazmy u pacientov s idiopatickou oligoastenoteratozoospermiou pomocou NMR s vysokým rozlíšením

spektroskopia. Andrológia, 2020, 8: 450-6

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

Metabonomika založená na H NMR na diagnostiku neplodnosti u mužov s varikokélou. J Assist Reprod Genet, 2020, 37:2233-47