Obecny stan i postęp badań nad metabolomią osocza nasienia mężczyzn Ⅱ

2. Badania metabolomiki osocza nasienia w zakresie zdrowia reprodukcyjnego mężczyzn

Jakość nasienia męskiegojest ściśle powiązany z oknem krytycznymspermatogeneza(magazynowanie najądrza, rozwój ruchliwości plemników i spermatogeneza). Wrodzone czynniki genetyczne (takie jak wrodzony obustronny brak nasieniowodów, mutacja genu mukowiscydozy, delecja chromosomu Y, zespół Kallmanna i nieprawidłowości chromosomalne prowadzące do pogorszenia funkcji jąder) i czynniki nabyte (choroby rozrodu u mężczyzn, takie jak żylaki powrózka nasiennego, narażenie środowiskowe lub zawodowe na toksyczne chemikalia, takie jak metale ciężkie i substancje zaburzające funkcjonowanie układu hormonalnego, a także różne czynniki stylu życia, takie jak palenie i picie) mogą wpływać na proces spermatogenezy, prowadząc w ten sposób do nieprawidłowej jakości nasienia [2].

ZIOŁO CISTANCHE DLA POPRAWY JAKOŚCI MĘSKICH PLEMNIKÓW

Ze względu na kluczową rolę osocza nasienia w męskim układzie rozrodczym, zastosowanie metabolomiki osocza nasienia do badania potencjalnych biomarkerów i mechanizmów patogennych chorób męskiego układu rozrodczego ma ogromny potencjał. Choroby męskiego układu rozrodczego są bardzo złożone i wymagają łącznego wykorzystania wielu biomarkerów w celu przewidywania, diagnozowania i analizy etiologii. Rycina 1 przedstawia szlaki metaboliczne osocza nasienia zaburzone przez choroby lub czynniki środowiskowe, obejmujące głównie metabolizm energetyczny,metabolizm lipidów, metabolizm aminokwasów, Iszlaki metabolizmu sterydów. Załącznik 3 szczegółowo pokazuje zmiany w różnych metabolitach w niepłodności męskiej. Kolor czerwony oznacza zwiększenie poziomu metabolitów, kolor niebieski oznacza zmniejszenie poziomu metabolitów. Zmiany te obejmują głównie zmiany w metabolitach aminokwasów i lipidów oraz ich metabolitach. W artykule tym połączono badania metabolomiki osocza nasienia podsumowane w Tabeli 1, aby szczegółowo przedstawić status zastosowania metabolomiki osocza nasienia z perspektywy różnych chorób reprodukcyjnych u mężczyzn i czynników narażenia środowiskowego.

2.1 Zastosowanie metabolomiki osocza nasienia w diagnostyce i badaniu mechanizmu niepłodności męskiej

2.1.1 Oligospermia, astenospermia, teratospermia i niepłodność idiopatyczna

Oligospermia oznacza koncentrację plemników mniejszą niż 1,5 × 107/ml [37] i jest najczęstszą chorobą związaną z niepłodnością męską. Metabolomika osocza nasienia na podstawie LC-MS i 1H-NMR wykazała, że ​​istnieją istotne różnice w poziomach aminokwasów i choliny w osoczu nasienia mężczyzn oligospermicznych i mężczyzn zdrowych [12, 15, 18, 32].

Badanie metabolomiki osocza nasienia wykonane metodą 1H-NMR wykazało, że u pacjentów z oligospermią w osoczu nasienia doszło do obniżenia poziomu argininy i asparaginianu, co istotnie korelowało ze zmniejszeniem liczby plemników [15, 18, 38]. W innym badaniu opartym na LC-MS wykazano, że oprócz obniżenia poziomu asparaginianu, w osoczu nasienia pacjentów z oligospermią znacząco obniżył się także poziom glutaminianu, metioniny, tryptofanu, proliny i alaniny [32]. Oprócz aminokwasów, metabolizm choliny ma również kluczowe znaczenie dla spermatogenezy. Brak enzymów związanych z choliną może prowadzić do pogorszenia funkcji plemników, a suplementacja choliny może być korzystna dla zdrowia reprodukcyjnego mężczyzn. Istnieją jednak pewne kontrowersje dotyczące pozytywnego wpływu suplementacji choliny na jakość nasienia in vivo, co może wynikać z braku grupy kontrolnej placebo lub dawki choliny [39]. Nadal potrzebne są dalsze badania populacyjne.

Astenospermia jest także częstą przyczyną niepłodności męskiej i charakteryzuje się znacznym zmniejszeniem ruchliwości plemników. Analiza metabolomiczna osocza nasienia oparta na GC-MS wykazała, że ​​u pacjentów z astenozoospermią stężenie kwasu oleinowego, palmitynowego i waliny w osoczu nasienia było istotnie zwiększone, co sugeruje, że nieprawidłowości w metabolizmie kwasów tłuszczowych mogą wpływać na ruchliwość plemników [23]. Błona plemnika zawiera różnorodne kwasy tłuszczowe, a nadmierne stężenie kwasu oleinowego w osoczu nasienia może zakłócić proces metabolizmu fosfolipidów w błonie plemnika, co w konsekwencji prowadzi do zmniejszenia ruchliwości plemników [40]. Wysoki poziom kwasów tłuszczowych (zwłaszcza kwasu palmitynowego i arachidonowego) [14, 41] w błonach plemników jest również ważnym czynnikiem wpływającym na niską jakość nasienia. Kwas arachidonowy (AA) odgrywa ważną rolę w metabolizmie lipidów, ale wpływ AA na jakość nasienia pozostaje niejasny [42-43. Metabolizm ukierunkowany na osocze nasienia

Analiza grupowa ujawniła zmiany w szlakach metabolicznych AA w osoczu nasienia pacjentów z astenozoospermią [28]. Stwierdzono, że zaburzenia metaboliczne AA mogą być dodatkowo indukowane przez lipoksygenazę (LOX), cytochrom P450 (CYP450) i cyklooksygenazę. (cyklooksygenaza, COX) aktywuje kinazę białkową aktywowaną mitogenami P38, zmniejszając w ten sposób ruchliwość plemników. Oprócz kwasów tłuszczowych w osoczu nasienia, w osoczu nasienia pacjentów z astenospermią znacząco zmieniają się także metabolity biorące udział w różnych szlakach metabolicznych, takich jak energia, puryna, cykl metioninowy i metabolizm aminokwasów o rozgałęzionych łańcuchach [14, 30]. Energia potrzebna do ruchu plemników pochodzi ze szlaków rozkładu tlenowego, takich jak glikoliza lub cykl kwasów trikarboksylowych (TCA). Zahamowanie tego szlaku doprowadzi do zmniejszonej produkcji ATP, niewystarczającego zaopatrzenia w energię i zmniejszonej ruchliwości plemników.

Teratospermia jest chorobą charakteryzującą się obecnością dużej liczby plemników o nieprawidłowej morfologii w nasieniu, której patogeneza jest nieznana [44]. Badanie metabolomiczne oparte na 1H-NMR wykazało, że 18 metabolitów związanych z cyklem kwasów trikarboksylowych było znacząco rozregulowanych w osoczu nasienia pacjentów z teratozoospermią [17], co wskazuje, że metabolizm energetyczny może być główną przyczyną nieprawidłowej morfologii plemników. Zmienieniu ulega także poziom aminokwasów w osoczu nasienia pacjentów z teratozoospermią, zwłaszcza tauryny, która ma działanie przeciwutleniające [45]. Nieprawidłowa morfologia plemników może być związana z nadmierną produkcją reaktywnych form tlenu lub redukcją przeciwutleniaczy.

Idiopatyczna niepłodność męska odnosi się do niewyjaśnionej niepłodności męskiej, w przypadku której wyniki rutynowego badania nasienia mieszczą się w prawidłowym zakresie i wykluczone są nieprawidłowości fizyczne i endokrynologiczne. Analiza metabolomiczna oparta na spektroskopii Ramana wykazała różnice w ekspresji metabolitów związanych ze stresem oksydacyjnym w próbkach osocza nasienia od idiopatycznie niepłodnych mężczyzn i płodnych mężczyzn [21].

Badania metabolomu oparte na GC-MS wykazały, że w osoczu nasienia mężczyzn z niepłodnością idiopatyczną występują 44 metabolity o zróżnicowanej ekspresji [25], które biorą udział głównie w metabolizmie aminokwasów i procesach stresu oksydacyjnego. Zwiększony jest katabolizm aminokwasów związany z jakością nasienia. Metabolity związane z przeciwutleniaczami są zmniejszone. Powyższe badania wskazują na ważną rolę stresu oksydacyjnego w niepłodności idiopatycznej, sugerując, że stan metaboliczny można poprawić poprzez odpowiednie suplementy.

2.1.2 Żylaki

Częstość występowania żylaków powrózka nasiennego u niepłodnych mężczyzn jest bardzo wysoka – na tę chorobę cierpi około 40% mężczyzn z pierwotną niepłodnością i 80% wtórnie niepłodnych mężczyzn [46]. U pacjentów z żylakami powrózkowymi występuje zwiększona produkcja reaktywnych form tlenu i wyższy poziom stresu oksydacyjnego [46], który wpływa na lipidy, białka i kwasy nukleinowe w nasieniu, prowadząc do nieprawidłowości w nasieniu [48]. Analiza metabolomiki osocza nasienia oparta na 1H-NMR wykazała 19 ważnych, zróżnicowanych metabolitów obejmujących zmiany w metabolizmie aminokwasów, lipidów i energii, zaangażowanych głównie w procesy stresu oksydacyjnego [16]. Inne nieukierunkowane badanie metabolomiki osocza nasienia, oparte na LC-MS, również wykazało, że zmienił się poziom 8 metabolitów związanych z metabolizmem aminokwasów, lipidów i energii w osoczu nasienia pacjentów z żylakami powrózka nasiennego. Na przykład obniżony poziom leucyny może prowadzić do zmniejszonej zdolności przeciwutleniającej lub przeciwzapalnej, co prowadzi do nieprawidłowości nasienia. Resekcja chirurgiczna może odwrócić nieprawidłowy stan metaboliczny żylaków powrózka nasiennego, objawiający się głównie przywróceniem poziomu glicerofosfolipidów i sfingolipidów [33]. Fosfolipidy glicerolowe są ściśle powiązane z aktywnością mitochondriów, natomiast sfingolipidy są ważnymi składnikami błon komórkowych i uczestniczą w wielu szlakach przekazywania sygnału. Odbudowująca regulacja w górę tych dwóch typów cząsteczek lipidów może być przyczyną poprawy morfologii plemników po interwencji chirurgicznej, a także potwierdza możliwość wykorzystania metabolitów osocza nasienia jako markerów żylaków powrózka nasiennego [33].

2.2 Metabolomika osocza nasienia wykorzystywana jest do ujawnienia molekularnego mechanizmu narażenia środowiskowego wpływającego na jakość nasienia

Narażenie na różne szkodliwe lub korzystne substancje znajdujące się w środowisku może znacząco wpłynąć na jakość nasienia poprzez zakłócenie procesu metabolicznego plazmy nasienia. Zaproponowana przez nas wcześniej metoda analizy MIMA (analiza spotkania w metabolicie) jest odpowiednia do badania szlaków biochemicznych prowadzących do niekorzystnych skutków narażenia środowiskowego i ujawniania złożonego związku między narażeniem a zdrowiem [49]. Zastosowaliśmy tę metodę do przeprowadzenia pierwszego badania dotyczącego związku między środowiskowym narażeniem na arsen a chorobami rozrodczymi u mężczyzn i odkryliśmy, że narażenie na arsen w normalnych stężeniach środowiskowych nie tylko wykazywało zależność dawka-efekt od częstości występowania niepłodności u mężczyzn, ale także było istotnie skorelowane z szeregiem markerów metabolitów choroby (acylokarnityna, kwas asparaginowy, metabolity estradiolu i urydyna itp.) [50]. Położyło to podwaliny pod wykorzystanie metabolomiki osocza nasienia do zbadania molekularnego mechanizmu narażenia środowiskowego prowadzącego do obniżenia jakości nasienia. Po raz pierwszy przeanalizowaliśmy złożony związek pomiędzy poziomami wewnętrznego narażenia na substancje zaburzające funkcjonowanie układu hormonalnego, ftalany, związki perfluorowane oraz różne pierwiastki metalowe i niemetalowe, metabolom osocza nasienia i parametry jakości nasienia [7, 26, 29]. Wyniki pokazują, że metabolity osocza nasienia są idealnym obiektem badawczym do badania związku pomiędzy narażeniem środowiskowym a jakością nasienia [7]; ftalany mogą wpływać na jakość nasienia poprzez wpływ na zawartość wielonienasyconych kwasów tłuszczowych, acylokarnityny i aminokwasów [26, 29], natomiast środowiskowy cynk i selen zwiększają koncentrację w plemnikach poprzez wpływ na zawartość acylokarnityn [7], a nieorganiczny arsen zmniejsza stężenie plemników poprzez wpływ na metabolizm kwasów tłuszczowych i karnityny [29].

3 Wnioski i perspektywy

Niedawne badania metabolomu osocza nasienia wykazały, że nieprawidłowy metabolizm węglowodanów, aminokwasów, lipidów i karnityny w osoczu nasienia może być główną drogą chorób męskiego układu rozrodczego i narażenia środowiskowego na reprodukcję. Jednak badania w tej dziedzinie wciąż stoją przed ogromnymi wyzwaniami.

Biologiczna interpretacja danych metabolomicznych w dużym stopniu zależy od podstawowej wiedzy na temat odkrytych szlaków molekularnych, ale fizjologiczne skutki cząsteczek osocza nasienia nie zostały jeszcze w pełni wyjaśnione. Dlatego nadal niemożliwe jest kompleksowe i dogłębne przeanalizowanie specyficznych szlaków molekularnych, dzięki którym metabolity osocza nasienia odgrywają role fizjologiczne za pomocą technologii metabolomicznej. Ponadto krytyczne okno spermatogenezy jest wrażliwe i złożone, a różnice między osobnikami są ogromne. Poszczególne metabolomy różnią się także czasowo i przestrzennie, co utrudnia uzyskanie pojedynczego, specyficznego markera metabolicznego. Dlatego zastosowanie kombinacji markerów jest wykonalną metodą znacznego zwiększenia możliwości przewidywania choroby [51]. Wreszcie istnieje pilna potrzeba skutecznej integracji danych z wielopoziomowej omiki plazmy nasienia (w tym transkryptomiki, proteomiki i lipidomiki) w celu przeprowadzenia dogłębnych badań mechanistycznych chorób związanych z rozrodczością i zapewnienia podstawy dla klinicznych środków interwencyjnych mających na celu poprawę nasienia mężczyzn jakość.

Odniesienie

[1] Agarwal A, Majzoub A, Parekh N i in. Schematyczny przegląd aktualnego stanu praktyki niepłodności męskiej. Świat J Mens Health, 2020, 38: 308-22

[2] Agarwal A, Baskaran S, Parekh N i in. Niepłodność męska. Lancet, 2021, 397: 319-33

[3] Bracke A, Peeters K, Punjabi U i in. Poszukiwanie mechanizmów molekularnych leżących u podstaw idiopatycznej niepłodności męskiej. Reprod Biomed Online, 2018, 36: 327-39

[4] Krausz C, Escamilla AR, Chianese C. Genetyka niepłodności męskiej: od badań do kliniki. Reprodukcja, 2015, 150: R159-74

[5] Schjenken JE, Robertson SA. Sygnalizacja płynu nasiennego w żeńskim układzie rozrodczym: implikacje dla sukcesu reprodukcyjnego i zdrowia potomstwa. Adv Exp Med Biol, 2015,868: 127-58

[6] Robertson SA, Sharkey DJ. Płyn nasienny i płodność u kobiet. Fertil Steril, 2016, 106: 511-9

[7] Xu S, Wu Y, Chen Y i in. Ekspozycja na metale w środowisku, metabolom osocza nasienia i jakość nasienia: dowody pochodzące od chińskich mężczyzn w wieku rozrodczym. Sci Total Environ, 2022, 838: 155860

[8] Carrell DT, Aston KI, Oliva R i in. „Omiki” ludzkiej niepłodności męskiej: integrowanie dużych zbiorów danych w podejściu do biologii systemów. Cell Tissue Res, 2016, 363: 295-312

[9] Nicholson JK, Lindon JC, Holmes E. „Metabonomika”: zrozumienie reakcji metabolicznych systemów żywych na bodźce patofizjologiczne poprzez wieloczynnikową analizę statystyczną biologicznych danych spektroskopowych NMR. Xenobiotica, 1999, 29: 1181-9

[10] Wishart DS, Feunang YD, Marcu A i in. HMDB 4.0: baza danych metabolomu człowieka na rok 2018. Nucleic Acids Res, 2018, 46: D608-17

[11] Wisharta DS. Metabolomika w badaniu procesów fizjologicznych i patofizjologicznych. Physiol Rev, 2019, 99:1819-75

[12] Gupta A, Mahdi AA, Ahmad MK i in. Badania spektroskopowe 1H NMR ludzkiego osocza nasienia: probatywny model klasyfikacji analizy funkcji dyskryminacyjnych. J Pharm Biomed Anal, 2011, 54: 106-13

[13] Jayaraman V, Ghosh S, Sengupta A i in. Identyfikacja różnic biochemicznych pomiędzy różnymi postaciami niepłodności męskiej za pomocą spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR). J Assist Reprod Genet, 2014, 31: 1195-204

[14] Zhang X, Diao R, Zhu X i in. Metaboliczna charakterystyka astenozoospermii przy użyciu nieukierunkowanej metabolomiki osocza nasienia. Clin Chim Acta, 2015, 450: 254-61

[15] Mumcu A, Karaer A, Dogan B i in. Analiza metabolomiczna osocza nasienia u pacjentów z idiopatyczną oligoastenoteratozoospermią przy użyciu NMR o wysokiej rozdzielczości

spektroskopia. Andrologia, 2020, 8: 450-6

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

Metabonomika oparta na H NMR w diagnostyce niepłodności u mężczyzn z żylakami powrózkowymi. J Assist Reprod Genet, 2020, 37:2233-47