逄瑞丰,薛晶文,毕九丁,孔维明,郝婉莹,宣金雨,马小茹

(佳木斯大学医学部,黑龙江 佳木斯 154007)

DM是一种慢性的并发症累及全身的代谢性疾病。我国是DM大国,DM患者人数位居世界榜首,随着国人生活质量的提升我国DM发病率逐年增长,尤其在2000年后增长更为迅速且有年轻化趋势,在DM患者中男性比率略高于女性[1]。DM高血糖并不会对机体造成致命性危害,但机体长期处于高血糖的状态下会导致多脏器功能紊乱与衰竭并引发多种并发症。大量研究表明,高血糖通过损害下丘脑-垂体-性腺轴的生殖内分泌导致男性生育能力下降,这可能诱导异常精子发生[2]。还有研究[3]表明在DM大鼠的睾丸、附睾及前列腺内雄性激素受体的表达降低,削弱了雄激素的生物利用度,这也标志着DM对雄性生殖系统的不良影响。DM的发病越来越年轻,导致性功能障碍、睾丸结构异常和产精功能障碍,这是男性不育的重要原因之一。作为DM并发症之一的男性功能障碍也逐渐被人们广泛关注。本文对DM导致男性不育的机制进行综述,为基础研究及临床治疗提供总结。

1 DM导致睾丸损伤的机制

睾丸又称精巢,是雄性重要的生殖器官与内分泌器官,其主要功能有参与生精过程,产生雄性激素,维持雄性第二性征等,是精子产生的场所。睾丸位于阴囊中,左右各一,在青春期时随性成熟而发育增长,在老年时随机体功能的衰退而萎缩。睾丸健康与否直接关乎精子质量,国内外均有研究表明在DM状态下睾丸组织会受到损伤,出现质量减轻、萎缩等情况,并阐述了可能导致损伤的机制。

1.1 DM导致睾丸组织异常自噬造成男性不育自噬(autophagy)既自体吞噬,是真核细胞存在的普遍现象,是在相关基因的调控下通过溶酶体清除功能失调的细胞组分的过程,将组分分解成基础组分后又重新组成,实现了资源再利用,在细胞稳态中起到重要作用[4]。自噬在正常细胞中普遍微量表达,但在某些病理状态下自噬的表达会改变,例如DM的高糖状态会影响自噬,近年研究表明,DM生殖障碍与细胞自噬有密切的关系,异常自噬最终导致睾丸功能障碍[5]。在经典的自噬过程中,哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是中心靶点,在自噬的终止和过程中都起着重要作用,其上游承接PI3K-1/Akt,MAPK/ERK和AMPK这些促进细胞增殖及合成过程的信号通路的调节,在细胞处于以合成为主的时期时mTOR通过磷酸化形式激活,从而阻断下游自噬过程,此时自噬会被抑制。而当细胞受到一些条件性的压迫时,mTOR活性被抑制,自噬过程也从而解除限制[6]。在DM状态下,mTOR的调控会失调[7]。处于mTOR下游的ULK1也是十分重要的一个节点,可承接许多磷酸化修饰,不同的磷酸位点决定着自噬能否被诱导,与此同时,在吞噬结构生成过程中的组装过程时,肌球蛋白样卷曲蛋白(Beclin1)是最早的参与成员,当与Bcl-2结合时,活性被抑制,从而自噬过程也受到抑制。在自噬小体形成后,需要微管相关蛋白1轻链3(LC3)的铆定,其在指导融合过程是至关重要的,又LC3在整个信号通路中靠近下游,因此LC3是评价自噬程度的重要检测点。与此同时,ATG4在加工与激活LC3时起不可替代的作用,LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ常作为自噬标志性蛋白其比率也是检测自噬水平的重要通量,此外在与LC3作用的转运蛋白(如p62、NBR1、NDP52等)为LC3的铆定提供了着陆点在自噬的全部过程中也起到不可或缺的作用。在睾丸的间质细胞与支持细胞中,均普遍存在着自噬现象,而DM状态下睾丸组织中异常的自噬相关蛋白的表达现象导致了男性不育症[8]。有研究[9]通过采用腹腔注射链脲佐菌素(STZ)手段制备1型糖尿病小鼠模型后通过RT-PCR法检测LC3、Beclin1及p62 mRNA的表达情况,结果发现与正常组相比,模型组小鼠睾丸组织内LC3、Beclin1 mRNA表达水平明显降低,p62 mRNA表达水平变高,可见自噬水平被抑制。而当使用重组球形脂联素干预后,LC3、Beclin1 mRNA表达水平明显好转,p62 mRNA表达水平接近正常,HE染色发现DM组小鼠睾丸组织出现生精小管变形等病理变化,重组球形脂联素干预后情况有显著好转。还有研究[10]在通过STZ诱导的1型糖尿病大鼠模型后使用雷帕霉素灌胃干预,结果发现DM组大鼠睾丸组织中的自噬水平被抑制而使用雷帕霉素干预后自噬水平升高且有恢复趋势,而雷帕霉素是mTOR的抑制剂,这提示着DM可能会通过影响自噬相关蛋白的表达造成自噬水平降低从而造成睾丸组织的损伤从而导致精子质量差等不育症状。此外,长期的高血糖可能会造成生殖激素异常导致不孕不育,在睾丸间质中,睾酮主要由间质细胞分泌而成,睾酮又是成年男性维持第二性征的重要激素,血清睾酮水平缺乏通常与原发性或晚发性性腺功能减退相关,研究[11]表明,自噬会通过促进睾丸间质细胞的脂质代谢,参与睾丸激素的合成,成年小鼠的睾丸间质细胞自噬相当活跃,老年小鼠的睾丸间质细胞自噬活性降低,因此我们可以得出当处于DM状态下时,自噬活性被抑制,睾丸间质细胞分泌睾丸激素受限,从而导致男性不育。

1.2 DM导致睾丸组织异常凋亡造成男性不育凋亡是细胞受自身基因调控的细胞程序化死亡,受各种因素的影响,凋亡的信号与细胞膜上的受体、细胞内的受体相结合,将死亡信号通过信号转导逐步传递,会引起凋亡相关基因的激活,引起相关酶的活性的变化,最后作用于相关的靶蛋白诱发细胞凋亡,凋亡的细胞最后会通过巨噬细胞清除,在整个凋亡过程中,天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶Caspase(Cysteine aspartic acid specific protease)发挥着不容忽视的作用,此外细胞存活和死亡是涉及细胞凋亡和自噬途径的复杂过程,二者可既是合作关系同步引发细胞死亡,又是对抗关系,还可是推动关系(自噬并不直接参与诱导细胞死亡,而是作为能量供应者保障凋亡顺利进行)[12]它们可以在致病机制中合并,并共享许多调控蛋白,因此DM导致的男性不育可能受异常的凋亡及自噬共同影响。睾丸已被证明是一种天然的缺氧器官,在生精过程中,糖酵解产生的能量是精子发生的重要代谢控制点,并且塞尔托利氏细胞(Sertoli cell,SC)可以快速提供三磷酸腺苷和乳酸盐,以满足快速增殖的精原细胞对能量和物质的需求,在将葡萄糖转运到SC的过程中,乳酸脱氢酶A(LDHA)催化丙酮酸盐进入乳酸盐的过程中的调节机制,以及将乳酸转运到产精细胞的过程中,在精子发生中起重要作用。先前的研究表明[13],T1DM患者睾丸中的LDHA降低,同样,DM小鼠睾丸中关键糖酵解酶HK2,PKM2和LDHA的表达显着降低,这导致糖原积累,减少SCs的乳酸产生,最终紊乱精子发生细胞的能量代谢并诱导细胞凋亡,因此细胞凋亡水平升高,而通过亚精胺(SPM)干预后,可以通过抑制生精细胞凋亡,促进增殖对DM导致的生殖损伤起保护作用。还有研究[14]通过腹腔注射STZ构建T2DM后进行TUNEL染色,通过倒置光学显微镜下观察,结果表明与正常对照组比较DM模型对照组大鼠睾丸组织凋亡细胞数量明显增多,使用藏红花干预后可通过抑制睾丸组织细胞凋亡对睾丸组织起保护作用。生殖细胞和生殖系统的正常发育高度依赖于Bcl-2家族蛋白对线粒体细胞凋亡的平衡调节,抗凋亡蛋白Bcl-2可防止Bax易位至线粒体以抑制细胞凋亡,He等人[15]通过高脂高糖饮食联合腹腔注射STZ制备2型DM大鼠模型后通过qRT-PCR检测了Bcl-2,Bax和Caspase-3的mRNA的表达情况,结果显示Bcl-2和Bax以及Caspase-3的mRNA表达分别显示出显著的下调和上调,与此同时还进行了TUNEL测定,与正常组相比,T2DM组生精管细胞凋亡细胞数量显著增加,凋亡信号主要集中在周边区域。以上可见,DM状态下凋亡水平升高,且与男性不育之间有密切联系,而当使用药物改善异常凋亡的水平后,损伤情况会有所好转。

1.3 DM与睾丸氧化应激在人体内活性氧(ROS)的产生和清除处于一种动态平衡状态,在雄性生殖系统中,少量存在的活性氧对精子正常生理功能有益,而当活性氧过多时会引发氧化应激。DM高血糖状态下葡萄糖氧化过程通过线粒体的电子传递链产生自由基会增加,过多的自由基不仅可以直接对细胞产生损害还可以激活多种氧化应激通路来对细胞造成损害,当抗氧化物的数量并不足以与其拮抗时会形成过氧化产物从而对机体造成伤害。先前的一项研究[16]表明,高血糖引起的氧化应激可能对生殖系统产生缺陷作用,例如性器官重量减轻,睾丸萎缩,影响精子产生和储备导致精子数量减少。精子细胞膜含有大量的多不饱和脂肪酸,这使得它们对氧化损伤非常敏感[17]。因此,脂质过氧化会影响精子细胞膜的完整性,并导致精子活力下降,最后可导致细胞凋亡和精子数量减少[18]。DM大鼠中ROS的过度产生破坏了精子以及有性生殖细胞中DNA和RNA的合成,中断了它们的分裂和分化,最后导致生精细胞数量的减少。因此,DM状态下的氧化应激与男性不育具有相关性,抗氧化剂给药可能是预防DM引起的不育症的有益方法之一。有研究[19]表明在腹腔注射STZ联合10%果糖的DM大鼠的睾丸内丙二醛(MDA)的水平随DM的增加而增加,且与正常组相比,DM组大鼠睾丸中多酚氧化酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性均降低,CAT和SOD都是机体内重要的细胞保护酶,尤其是SOD是清除ROS的主要酶,被誉为抗氧毒性的第一道防线,其通过催化超氧化物自由基分解为过氧化氢和氧分子,这些指标的异常都意味着DM会导致睾丸氧化应激。谷胱甘肽也是常见的抗氧化物,在细胞防御ROS中起着重要作用,在研究[20]中可以发现DM组大鼠睾丸和附睾内谷胱甘肽水平急剧降低,说明在睾丸和附睾内的氧化应激水平旺盛。由此可见,DM会导致性腺的氧化应激水平升高,因此在DM状态下可以考虑通过使用抗氧化剂来治疗DM导致的男性不育症。

2 DM导致附睾损伤

精细胞由睾丸产生,但精细胞并不具备与卵子结合受精的能力,是一种未成熟的细胞,精细胞离开睾丸后在附睾中获得运动和受精能力。精细胞是一种转录和翻译的惰性细胞,以前的研究表明精子包含来自细胞外囊泡(EVs)的蛋白质、RNA和脂质,由男性生殖道内衬的上皮细胞释放。有研究[21]表明,附睾体能够为精子提供一组新的附睾衍生的蛋白质,这些蛋白质可以调节精子蛋白质组,并随后参与精子细胞的成熟。有诸多研究[22-26]表明,在DM状态下会造成附睾的损伤,其表现为在DM状态下时会出现附睾组织内的异常自噬的表达、凋亡相关基因和蛋白的异常表达、附睾组织重量降低、附睾组织受损、氧化应激等。例如在DM高血糖的状态下线粒体会出现功能失调的状况,此时因代谢紊乱会出现氧化还原失衡,导致过量的活性氧的累积从而对组织造成损伤,研究通过高脂高糖饮食联合腹腔注射STZ制备2型DM大鼠模型后,检测附睾内SOD活性及MDA水平,使用western blot检测大鼠附睾组织beclin1、p62、LC3指标的表达情况,结果显示DM组较正常组SOD活性显著降低、MDA水平显著增加,这表明DM组大鼠处于氧化应激状态。而DM组大鼠附睾beclin1、LC3表达较正常组显著降低,p62水平升高,这表明DM组的大鼠附睾组织自噬水平受到抑制,自噬可以通过吞噬和降解活性氧保护细胞,而在DM状态下不仅会产生过多的活性氧还会因自噬过程被抑制而无法及时清除过多的活性氧,从而造成附睾组织的损伤进而导致男性不育。DM对附睾的损伤是显而易见的,但国内外对DM附睾损伤的研究甚少,只能确定DM对附睾造成损伤与男性不育相关而具体损伤机制尚不明确。

3 展望

随着现代社会的高速发展,人民生活水平提升,DM人群迅速扩大,并呈现年轻化趋势,DM对男性生殖系统的损伤是显而易见的,引起了更多的研究和关注。在先前的研究中高糖状态下雄性生殖器官均会出现异常的自噬及凋亡水平,但不能确定这些异常是否是疾病导致的紊乱,也有可能是机体为维持内环境的稳态而主动做出的适应过程,除此之外,致病的具体分子机制尚不明确,只能证明其具有相关性。希望未来将见证有更多的实验将DM导致的男性不育症的具体致病机制研究透彻,为治疗男性不育提供更准确的靶点,从而降低不育率。