高原低氧環(huán)境對(duì)男性精液質(zhì)量影響及其機(jī)制的研究進(jìn)展

鄧琛耀 劉娜娜 范媛媛 遲洪濱 祖凌云 綜述 唐文豪 △姜輝 審校

1. 北京大學(xué)第三醫(yī)院泌尿外科（北京100191）；2. 北京大學(xué)第三醫(yī)院男科中心；3. 北京大學(xué)第三醫(yī)院人類(lèi)精子庫(kù)；4. 北京大學(xué)第三醫(yī)院生殖中心；5. 北京大學(xué)第三醫(yī)院心內(nèi)科

近年來(lái)，隨著生殖醫(yī)學(xué)的發(fā)展，高原低氧環(huán)境對(duì)男性生殖健康的影響越來(lái)越受到人們關(guān)注。短期移居高原后，低氧環(huán)境因素可損傷男性生育力，主要表現(xiàn)在精液參數(shù)下降，以及生殖激素水平發(fā)生相應(yīng)改變[1]。這種損害隨著海拔高度增加而加重，但有研究表明，受試者回到平原地區(qū)6月后精液參數(shù)恢復(fù)到基礎(chǔ)水平[2]。高原低氧環(huán)境對(duì)男性生育力的影響，其機(jī)制研究尚無(wú)定論，目前國(guó)內(nèi)外研究表明，認(rèn)為主要與低氧環(huán)境導(dǎo)致生殖細(xì)胞過(guò)度凋亡、 活性氧水平升高和生殖激素水平紊亂等有關(guān)。本文就高原低氧環(huán)境因素對(duì)男性精液質(zhì)量影響及其機(jī)制的研究進(jìn)展做一綜述。

一、低氧環(huán)境對(duì)精液質(zhì)量的影響

精液分析是評(píng)估男性生育力的重要實(shí)驗(yàn)室檢查，主要參數(shù)有精液液化時(shí)間、 精子的濃度、 活力和形態(tài)等。精子發(fā)生是一個(gè)極其復(fù)雜的細(xì)胞分化過(guò)程[3]，該過(guò)程任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都可能會(huì)影響精子質(zhì)量，導(dǎo)致男性生育力下降。

國(guó)外對(duì)高原登山男性人群的研究發(fā)現(xiàn)，從海拔900 米的平原地區(qū)到海拔5895 米的高原地區(qū)5 天后，這些男性精子活力顯著下降[4]。國(guó)內(nèi)對(duì)海拔5380 米的高原短居人群的研究發(fā)現(xiàn)，高原低氧環(huán)境可致精子濃度下降、活力減低和畸形精子數(shù)量增多，并且其損傷嚴(yán)重程度隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)而加重，低氧暴露之前的精子活力要明顯高于低氧暴露后6月和12月，且與低氧暴露時(shí)間呈反比，但低氧暴露12月的男性精子濃度要高于低氧暴露6月的，脫離低氧暴露之后，精液質(zhì)量需要6月才能恢復(fù)到基礎(chǔ)水平[5]。余伍忠等[6]發(fā)現(xiàn)，高原低氧環(huán)境會(huì)導(dǎo)致精液液化時(shí)間延長(zhǎng)，精子頂體酶活性下降，液化時(shí)間在脫離低氧暴露6月后未恢復(fù)正常，這提示短期低氧暴露可能對(duì)男性精液質(zhì)量產(chǎn)生可逆性損害。

精漿是精液重要組成部分，由生殖系統(tǒng)附屬性腺分泌，精漿生化的檢查對(duì)全面評(píng)估精液質(zhì)量有重要意義。何江等[7]研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入海拔5380 米的高原地區(qū)后，精漿鋅、果糖、中性α- 葡糖苷酶和酸性磷酸酶顯著下降，脫離低氧暴露6月后精漿生化指標(biāo)恢復(fù)到基礎(chǔ)水平。

精子DNA 的結(jié)構(gòu)完整性是精液質(zhì)量評(píng)估的重要指標(biāo)，臨床上常用DNA 碎片指數(shù)(DNA fragmentation index,DFI)來(lái)具體評(píng)估。Pelliccione 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在高海拔地區(qū)的男性登山人群的精液DFI 顯著升高。顧本宏等[9]研究發(fā)現(xiàn)，移居高原地區(qū)漢族男性精液DFI 比世居藏族男性顯著升高。

綜上：高原低氧環(huán)境對(duì)精子的濃度、活力、形態(tài)、液化時(shí)間、精漿生化和DFI 等有負(fù)面影響，其中對(duì)精子的濃度、活力、形態(tài)、頂體酶活性和精漿生化產(chǎn)生可逆性損害。

二、低氧環(huán)境影響精液質(zhì)量的機(jī)制

高原低氧環(huán)境對(duì)男性精液質(zhì)量的影響的機(jī)制復(fù)雜，目前研究認(rèn)為其機(jī)制主要是以下幾個(gè)方面：

（一）生殖細(xì)胞過(guò)度凋亡

凋亡是細(xì)胞受其內(nèi)在基因編程的調(diào)節(jié)，通過(guò)主動(dòng)的生化過(guò)程而自殺的現(xiàn)象，也稱(chēng)程序性細(xì)胞死亡，包括DNA 降解、細(xì)胞質(zhì)濃縮、核膜皺縮和細(xì)胞膜出芽形成凋亡小體而被巨噬細(xì)胞吞噬等過(guò)程。生殖細(xì)胞凋亡對(duì)維持精子數(shù)量非常重要，而過(guò)多的凋亡是一種異常病理現(xiàn)象，有可能導(dǎo)致男性不育[10]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，在低氣壓低氧環(huán)境中，生殖細(xì)胞的凋亡增加，且凋亡細(xì)胞多數(shù)為精原細(xì)胞，這將導(dǎo)致初級(jí)精母細(xì)胞減少，從而抑制精子發(fā)生[11]。目前認(rèn)為生殖細(xì)胞凋亡的機(jī)制有：B 細(xì)胞淋巴瘤-2 家族蛋白調(diào)控凋亡、低氧誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子-1 促進(jìn)凋亡和微小RNA 促進(jìn)凋亡。

1.B 細(xì)胞淋巴瘤-2 家族蛋白調(diào)控凋亡

B 細(xì)胞淋巴瘤-2(B-cell lymphoma-2, BCL-2)家族蛋白是介導(dǎo)細(xì)胞凋亡關(guān)鍵因子，其中BCL-2 和BCL-w等為凋亡抑制蛋白，BCL-2 拮抗蛋白(Bcl‐2 antagonist killer,BAK)、BCL-2 相關(guān)X 蛋白1 (BCL‐2 associated X protine1,BAX)為凋亡促進(jìn)蛋白[10]。黃付敏等[12]在低氧環(huán)境下喂養(yǎng)大鼠30 天后，發(fā)現(xiàn)睪丸和附睪內(nèi)精子數(shù)目顯著減少，睪丸生精上皮和間質(zhì)腫脹，睪丸內(nèi)生殖細(xì)胞Bax/Bcl-2 顯著升高，提示低氧環(huán)境下可能通過(guò)Bcl-2家族蛋白中Bax 的激活導(dǎo)致生殖細(xì)胞過(guò)度凋亡，從而抑制精子發(fā)生。Vergara 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，與非凋亡的生殖細(xì)胞相比，凋亡生殖細(xì)胞的促凋亡蛋白BAX 和BAK的mRNA 水平均升高，而抗凋亡蛋白BCL-2 和BCL-w的mRNA 水平均下降，這提示BCL-2 家族蛋白促凋亡和抗凋亡成員不同的轉(zhuǎn)錄水平可能導(dǎo)致生殖細(xì)胞凋亡增加。低氧導(dǎo)致生殖細(xì)胞過(guò)度凋亡，不僅通過(guò)BCL-2 和BAX，可能還需要深入研究BCL-2 家族蛋白的其他成員。

2.低氧誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子-1 促進(jìn)凋亡

低氧誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子-1 (Hypoxia-inducible transcription factors,HIF-1) 是在低氧環(huán)境下細(xì)胞產(chǎn)生的適應(yīng)性介質(zhì)，HIF-1 是由α 亞基和β 亞基組成的異二聚體，在低氧環(huán)境下其表達(dá)增加[14]，用小鼠粗線期精原細(xì)胞衍生的永生細(xì)胞系(GC-2spd,GC-2)細(xì)胞來(lái)模擬生殖細(xì)胞，研究表明HIF-1α 可能在低氧導(dǎo)致小鼠GC-2 細(xì)胞凋亡過(guò)程中起促進(jìn)作用[15]。周建等[16]研究發(fā)現(xiàn)低氧環(huán)境下培養(yǎng)GC-2 細(xì)胞，與對(duì)照組相比，HIF-1α 基因表達(dá)增加，細(xì)胞發(fā)生了過(guò)度自噬，然而將低氧組HIF-1α 基因表達(dá)降低后，GC-2 細(xì)胞出現(xiàn)相反結(jié)果，提示生殖細(xì)胞過(guò)度凋亡可能是通過(guò)上調(diào)HIF-1α 基因的表達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。尹建等[17]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在低氧環(huán)境下培養(yǎng)GC-2 細(xì)胞，細(xì)胞凋亡嚴(yán)重程度與時(shí)間成正相關(guān)，同時(shí)HIF-1α 蛋白的表達(dá)也明顯增加，降低HIF-1α 的表達(dá)后發(fā)現(xiàn)GC-2 細(xì)胞在低氧環(huán)境下凋亡受到抑制。

3.微小RNA 促進(jìn)凋亡

微小RNA(MicroRNA,miRNA)是一種小片段非編碼RNA，其作用包括：調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成、參與基因轉(zhuǎn)錄后調(diào)控和介導(dǎo)細(xì)胞凋亡等。在低氧環(huán)境下，miRNA 調(diào)節(jié)生殖細(xì)胞凋亡過(guò)程中微小RNA-210(MicroRNA210,miR-210)占主導(dǎo)地位[18]。在低氧環(huán)境下發(fā)現(xiàn)GC-2 細(xì)胞的miR-210 上調(diào)，靶向作用于Kruppel 樣因子7，激活了凋亡信號(hào)通路，從而增加GC-2 細(xì)胞的凋亡[19]。

綜上所述，生殖細(xì)胞凋亡的過(guò)程有多個(gè)途徑參與，但其機(jī)制的研究仍不夠完善，不同途徑介導(dǎo)生殖細(xì)胞凋亡之間是否有聯(lián)系也需要更深入探索。

（二）活性氧產(chǎn)生過(guò)多

活性氧(Reaction oxygen species,ROS)是機(jī)體的代謝產(chǎn)物，主要由線粒體呼吸鏈的氧化反應(yīng)產(chǎn)生，生理濃度的ROS 對(duì)精子獲能和頂體反應(yīng)有重要作用[20]。ROS主要有H2O2、O2-和·OH 等，同時(shí)人體含有抗氧化系統(tǒng)，如超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)和谷胱甘肽還原酶(Gluathione reductase,GR) 等。一旦機(jī)體ROS 產(chǎn)生過(guò)多，體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)代償失衡，則會(huì)出現(xiàn)各種ROS 的毒性損害作用。研究發(fā)現(xiàn)，短期暴露高原環(huán)境后，抗氧化指標(biāo)如SOD 的含量下降，而LPO、丙二醛(Malonic dialdehyde, MDA)、 一 氧 化 氮 (Nitric oxide,NO)、戊烷和尿液8- 羥基-2- 脫氧鳥(niǎo)苷(8-hydroxy-2-deoxyguanosine,8-OHdG)氧化應(yīng)激指標(biāo)含量升高[21-22]。這提示在高原低氧的環(huán)境下，人體會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的ROS，會(huì)對(duì)男性生育力造成損害。目前認(rèn)為高原低氧環(huán)境導(dǎo)致人體產(chǎn)生過(guò)量ROS 的機(jī)制有：低氧導(dǎo)致ROS 生成過(guò)多和清除減少。

1.低氧導(dǎo)致ROS 生成過(guò)多

其主要機(jī)制有： ①低氧導(dǎo)致精液中白細(xì)胞和畸形精子數(shù)量含量增高，二者是精液中ROS 的主要來(lái)源[23]。研究表明在低氧環(huán)境下，為應(yīng)對(duì)睪丸缺氧，維持氧氣輸送量，血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子分泌增加[24]，導(dǎo)致小鼠睪丸血管形成增加，直徑增粗，使睪丸溫度升高[25]，產(chǎn)生熱應(yīng)激效應(yīng)，導(dǎo)致白細(xì)胞生成過(guò)多[26]。白剛等[27]研究發(fā)現(xiàn)在低壓、 低氧環(huán)境下小鼠的精子形態(tài)受損，畸形精子數(shù)增多。②低氧導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)(Lipid peroxides,LPO)，進(jìn)而產(chǎn)生更多的ROS。精子細(xì)胞膜中的脂質(zhì)主要由磷脂和膽固醇組成，磷脂是由多不飽和脂肪酸構(gòu)成，這些脂肪酸分子中的雙鍵多數(shù)被亞甲基隔開(kāi)，從而導(dǎo)致穩(wěn)定性下降，易被氧化破壞[28]。一旦有ROS 過(guò)量產(chǎn)生，ROS 的羥自由基就會(huì)氧化亞甲基的碳- 氫鍵，啟動(dòng)LPO，該過(guò)程會(huì)產(chǎn)生更多的ROS[29]。

2.低氧導(dǎo)致ROS 清除減少

其主要機(jī)制是： 低氧導(dǎo)致機(jī)體抗氧化系統(tǒng)活性下降。Farias 等[30]研究發(fā)現(xiàn)，低壓、低氧環(huán)境下培養(yǎng)大鼠32天后發(fā)現(xiàn)，睪丸和附睪的谷胱甘肽還原酶活性下降。GR是人體氧化還原體系中重要的酶，維持還原型谷胱甘肽的含量，后者具有抗氧化作用，清除機(jī)體產(chǎn)生的ROS。另一個(gè)重要的抗氧化酶是SOD，Malivindi 等[31]研究表明低氧作用下，維生素A 缺乏，導(dǎo)致精子中的SOD 活性顯著下降。一旦抗氧化系統(tǒng)相關(guān)酶的活性下降，ROS 的清除則會(huì)減少，導(dǎo)致體內(nèi)ROS 蓄積，對(duì)精液產(chǎn)生影響。

現(xiàn)階段研究認(rèn)為過(guò)量ROS 對(duì)精液質(zhì)量損傷的機(jī)制主要有：①損傷精子DNA。研究表明ROS 導(dǎo)致DNA結(jié)構(gòu)中的鳥(niǎo)嘌呤形成8- 羥基鳥(niǎo)嘌呤(8-Hydroxydeoxyguanosine,8-OHG)，從而影響堿基配對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，破壞DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)[32]，且精子中缺乏DNA 修復(fù)所需的關(guān)鍵酶，使修復(fù)過(guò)程僅停留在分離階段，造成修復(fù)不完全，產(chǎn)生無(wú)堿基位點(diǎn)的DNA，從而破壞DNA 雙鏈結(jié)構(gòu)[35]；②使精子細(xì)胞膜發(fā)生LPO。LPO 會(huì)導(dǎo)致大量不飽和脂肪酸從質(zhì)膜中流失，降低質(zhì)膜流動(dòng)性，并使跨膜結(jié)合蛋白失活，影響精子受精功能[34]，而且LPO 中產(chǎn)生的4- 羥基壬烯醛和丙烯醛，可以與DNA 堿基結(jié)合生成化合物，破壞DNA 堿基配對(duì)序列，損傷DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)[35]，這些物質(zhì)還可以與精子的動(dòng)力蛋白鏈結(jié)合，損害精子運(yùn)動(dòng)能力[36]。

上述研究表明，高原低氧環(huán)境導(dǎo)致人體產(chǎn)生過(guò)量ROS，其機(jī)制包括生成過(guò)多和清除減少兩個(gè)方面。過(guò)量ROS 會(huì)導(dǎo)致男性精液質(zhì)量下降，因此可以考慮用抗氧化劑來(lái)對(duì)抗這種毒性損害作用，從而保護(hù)并提高男性生育力，這是一個(gè)值得深入研究的方向。

（三）影響生殖激素水平

高原低氧環(huán)境會(huì)影響生殖激素水平。研究發(fā)現(xiàn)健康成年男性短期暴露在高原低氧環(huán)境下，機(jī)體卵泡刺激素(Follicle-stimulating Hormone,FSH)、 黃體生成素(Luteinizing Hormone,LH)和睪酮(Testosterone, T)水平下降[37]，且隨著海拔的升高FSH 和LH 水平進(jìn)一步下降[38]。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)同樣現(xiàn)象[39]，這提示高原低氧環(huán)境的短期暴露會(huì)干擾下丘腦- 垂體- 睪丸軸和反饋調(diào)節(jié)，從而引起相關(guān)生殖激素分泌異常。國(guó)內(nèi)對(duì)短期暴露高原低氧環(huán)境的健康成年男性研究發(fā)現(xiàn)，這些研究對(duì)象的精子濃度和活力下降，血清FSH、LH 和睪酮的水平也下降，回到平原地區(qū)6 個(gè)月后，精液參數(shù)和生殖激素恢復(fù)正常，這提示短期高原低氧暴露會(huì)對(duì)精液質(zhì)量和生殖激素產(chǎn)生可逆的負(fù)面影響，且精液質(zhì)量和生殖激素呈正相關(guān)[40]。

但在高海拔地區(qū)居住時(shí)間超過(guò)3年的人群卻發(fā)現(xiàn)，血清睪酮的含量增多，并且和血紅蛋白含量成正相關(guān)[41]，這可能是機(jī)體對(duì)高原低氧環(huán)境發(fā)生的適應(yīng)性改變：長(zhǎng)期居住在高原地區(qū)人群的芳香化酶活性降低，導(dǎo)致雄激素向雌二醇的轉(zhuǎn)化率降低，而17β- 羥基類(lèi)固醇脫氫酶活性升高，使得孕烯醇酮向雄激素轉(zhuǎn)化率提高，從而提高機(jī)體睪酮的水平[42]。另有研究表明這可能是由于遺傳因素導(dǎo)致男性生育力對(duì)高原低氧環(huán)境產(chǎn)生適應(yīng)現(xiàn)象[43,44]，導(dǎo)致高原常住居民的生育力與平原地區(qū)居民相比，并沒(méi)有顯著差異[45]。

高原低氧環(huán)境導(dǎo)致男性生殖激素發(fā)生改變的機(jī)制復(fù)雜，高原低氧環(huán)境通過(guò)下丘腦-垂體-睪丸軸來(lái)改變生殖激素水平的機(jī)制仍不去清楚，且高原短居和長(zhǎng)居對(duì)男性生殖激素的影響無(wú)統(tǒng)一結(jié)論，有待進(jìn)一步深入研究。

三、展望

目前研究表明，高原低氧環(huán)境會(huì)降低男性精液質(zhì)量，其機(jī)制可能與生殖細(xì)胞過(guò)度凋亡、機(jī)體ROS 水平升高和生殖激素水平異常等有關(guān)，但尚無(wú)明確定論，需要進(jìn)一步探究?，F(xiàn)階段，低氧導(dǎo)致ROS 產(chǎn)生過(guò)量的機(jī)制，以及ROS 對(duì)精液產(chǎn)生負(fù)面影響是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，也為今后相關(guān)抗氧化劑干預(yù)治療提供可靠的理論基礎(chǔ)，具有重大臨床意義。高原低氧環(huán)境對(duì)男性下丘腦-垂體-睪丸軸的影響機(jī)制研究尚少，但生殖激素的改變會(huì)影響精液質(zhì)量，所以該方面的研究有待深入加強(qiáng)。

由于地理環(huán)境和宗教等的影響，導(dǎo)致目前大多數(shù)研究對(duì)象代表性差和失訪率高，造成現(xiàn)階段高原低氧環(huán)境對(duì)精液質(zhì)量和生殖激素影響的臨床研究結(jié)論有一定的差異，而且動(dòng)物實(shí)驗(yàn)無(wú)法完全模擬復(fù)雜的高原環(huán)境如海拔高度和進(jìn)入高原地區(qū)時(shí)長(zhǎng)、溫差等。因此需要大型的、 人群代表性強(qiáng)的和不同海拔高度的前瞻性研究來(lái)明確高原低氧環(huán)境對(duì)男性精液質(zhì)量和生殖激素的影響，并探索其影響機(jī)制，從而為高原地區(qū)人群提供準(zhǔn)確規(guī)范的生育指導(dǎo)。