Nåværende status og fremgang for mannlig seminal plasmametabolomikkforskning Ⅱ

2. Forskning på seminal plasmametabolomikk innen mannlig reproduktiv helse

Mannlig sædkvaliteter nært knyttet til det kritiske vinduet avspermatogenese(epididymal lagring, spermmotilitetsutvikling og spermatogenese). Medfødte genetiske faktorer (som medfødt bilateral fravær av vas deferens, cystisk fibrose-genmutasjon, Y-kromosomsletting, Kallmanns syndrom og kromosomavvik som fører til forverring av testikkelfunksjonen) og ervervede faktorer (mannlige reproduktive sykdommer som varicocele, miljømessig eller yrkesmessig eksponering til giftige kjemikalier som tungmetaller og hormonforstyrrende stoffer, og ulike livsstilsfaktorer som røyking og drikking) kan påvirke spermatogeneseprosessen, og dermed føre til unormal sædkvalitet [2].

URTE CISTANCHE FOR FORBEDRING AV MANNENS SÆD KVALITET

På grunn av nøkkelrollen til sædplasma i det mannlige reproduksjonssystemet, har bruken av seminal plasmametabolomikk for å utforske potensielle biomarkører og patogene mekanismer for mannlige reproduktive sykdommer et stort potensial. Sykdommer i mannlige reproduksjonssystem er svært komplekse og krever kombinert bruk av flere biomarkører for å oppnå prediksjon, diagnose og etiologianalyse. Figur 1 viser de seminale plasmametabolske banene forstyrret av sykdommer eller miljøfaktorer, hovedsakelig involverer energimetabolisme,lipidmetabolisme, aminosyremetabolisme, ogsteroidmetabolismeveier. Vedlegg 3 viser spesifikt endringene i ulike metabolitter i mannlig infertilitet. Rødt indikerer oppregulering av metabolitter, og blått indikerer nedregulering av metabolitter. Disse endringene involverer hovedsakelig endringer i aminosyre- og lipidmetabolitter og deres metabolitter. Denne artikkelen vil kombinere forskningen på seminal plasma metabolomics oppsummert i tabell 1 for å spesifikt introdusere anvendelsesstatusen til seminal plasma metabolomics fra perspektivene til forskjellige mannlige reproduktive sykdommer og miljøeksponeringsfaktorer.

2.1 Anvendelse av seminal plasmametabolomikk i diagnostisering og mekanismeforskning av mannlig infertilitet

2.1.1 Oligospermi, astenospermi, teratospermi og idiopatisk infertilitet

Oligospermi refererer til en sædkonsentrasjon lavere enn 1,5 × 107/mL[37] og er den vanligste sykdommen ved mannlig infertilitet. Seminal plasmametabolomikk basert på LC-MS og 1H-NMR har vist at det er signifikante forskjeller i nivåene av aminosyrer og kolin i sædplasmaet til oligospermiske menn og normale menn [12, 15, 18, 32].

En 1H-NMR-basert seminal plasma metabolomics-studie fant at nivåene av arginin og aspartat i sædplasmaet til oligospermipasienter ble redusert, noe som var signifikant korrelert med reduksjonen i spermantall [15, 18, 38]. En annen LC-MS-basert studie fant at i tillegg til reduksjonen i aspartatnivåer, ble nivåene av glutamat, metionin, tryptofan, prolin og alanin i sædplasmaet til oligospermipasienter også betydelig redusert [32]. I tillegg til aminosyrer er kolinmetabolismen også avgjørende for spermatogenesen. Mangelen på kolinrelaterte enzymer kan føre til nedsatt sædfunksjon, og kolintilskudd kan være gunstig for mannlig reproduktiv helse. Imidlertid er det en viss uenighet om den positive effekten av kolintilskudd på sædkvaliteten in vivo, som kan skyldes mangelen på en placebokontrollgruppe eller kolindoseringen [39]. Ytterligere befolkningsstudier er fortsatt nødvendig.

Astenospermi er også en vanlig årsak til mannlig infertilitet og er preget av en betydelig reduksjon i sædmotilitet. Seminal plasmametabolomisk analyse basert på GC-MS viste at nivåene av seminal plasmaoljesyre, palmitinsyre og valin hos pasienter med astenozoospermi var signifikant økt, noe som tyder på at abnormiteter i fettsyremetabolismen kan påvirke sædmotiliteten [23]. Sædmembranen inneholder en rekke fettsyrer, og for høye oljesyrenivåer i sædplasmaet kan forstyrre fosfolipidmetabolismeprosessen i sædmembranen, og føre til en reduksjon i sædmotilitet [40]. Høye nivåer av fettsyrer (spesielt palmitinsyre og arakidonsyre) [14, 41] i sædmembraner er også viktige faktorer for lav sædkvalitet. Arakidonsyre (AA) spiller en viktig rolle i lipidmetabolismen, men effekten av AA på sædkvaliteten er fortsatt uklar [42-43]. Seminal plasmamålrettet metabolisme

Gruppeanalyse avdekket endringer i AA-metabolske veier i sædplasmaet til pasienter med astenozoospermi [28]. Det ble funnet at AA metabolske forstyrrelser kan induseres ytterligere av lipoksygenase (LOX), cytokrom P450 (CYP450) og cyklooksygenase. (cyklooksygenase, COX) metabolsk vei aktiverer P38 mitogenaktivert proteinkinase, og reduserer derved sædmotiliteten. I tillegg til seminale plasmafettsyrer er metabolitter involvert i ulike metabolske veier som energi, purin, metioninsyklus og forgrenet aminosyremetabolisme også betydelig endret i sædplasmaet til pasienter med astenospermi [14, 30]. Energien som kreves for spermbevegelse kommer fra aerobe nedbrytningsveier som glykolyse eller trikarboksylsyresyklus (TCA). Hemming av denne veien vil føre til redusert ATP-produksjon, utilstrekkelig energitilførsel og redusert spermmotilitet.

Teratospermi er en sykdom karakterisert ved tilstedeværelsen av et stort antall unormalt morfologiske sædceller i sæd, hvor patogenesen er ukjent [44]. En 1H-NMR-basert metabolomisk studie fant at 18 trikarboksylsyresyklusrelaterte metabolitter ble signifikant dysregulert i sædplasmaet til pasienter med teratozoospermi [17], noe som indikerer at energimetabolisme kan være hovedårsaken til unormal spermmorfologi. Aminosyrenivåene i sædplasmaet til pasienter med teratozoospermi er også endret, spesielt taurin, som har en antioksidanteffekt [45]. Unormal spermmorfologi kan være relatert til overdreven produksjon av reaktive oksygenarter eller reduksjon av antioksidanter.

Idiopatisk mannlig infertilitet refererer til uforklarlig mannlig infertilitet der rutinemessige sædanalyseresultater er innenfor normalområdet og fysiske og endokrine abnormiteter er utelukket. Metabolomisk analyse basert på Raman-spektroskopi fant forskjeller i uttrykket av oksidativt stress-relaterte metabolitter i sædplasmaprøver fra idiopatiske infertile menn og fertile menn [21].

Metabolomforskning basert på GC-MS fant 44 differensielt uttrykte metabolitter i sædplasmaet til menn med idiopatisk infertilitet [25], som hovedsakelig er involvert i aminosyremetabolisme og oksidative stressprosesser. Aminosyrekatabolisme relatert til sædkvalitet er økt. Antioksidantrelaterte metabolitter reduseres. Studiene ovenfor indikerer den viktige rollen til oksidativt stress i idiopatisk infertilitet, noe som tyder på at metabolsk status kan forbedres gjennom tilsvarende kosttilskudd.

2.1.2 Varicocele

Forekomsten av varicocele hos infertile menn er svært høy, med omtrent 40 % av primære infertile menn og 80 % av sekundære infertile menn som lider av sykdommen [46]. Pasienter med varicocele har økt produksjon av reaktive oksygenarter og høyere nivåer av oksidativt stress [46], som påvirker lipider, proteiner og nukleinsyrer i sæd, noe som fører til abnormiteter i sædcellene [48]. 1H-NMR-basert seminal plasmametabolomikkanalyse fant 19 viktige differensielle metabolitter som involverer endringer i aminosyre-, lipid- og energimetabolisme, hovedsakelig involvert i oksidative stressprosesser [16]. En annen ikke-målrettet seminal plasmametabolomikkstudie basert på LC-MS viste også at nivåene av 8 metabolitter relatert til aminosyre-, lipid- og energimetabolisme i sædplasmaet til pasienter med varicocele ble endret. For eksempel kan reduserte leucinnivåer føre til nedsatt antioksidant- eller antiinflammatorisk kapasitet, noe som fører til spermanormaliteter. Kirurgisk reseksjon kan reversere den unormale metabolske statusen til varicocele, hovedsakelig manifestert i gjenoppretting av glycerofosfolipid- og sfingolipidnivåer [33]. Glyserolfosfolipider er nært knyttet til mitokondriell aktivitet, mens sfingolipider er viktige komponenter i cellemembraner og deltar i flere signaltransduksjonsveier. Den gjenopprettende oppreguleringen av disse to typene lipidmolekyler kan være årsaken til forbedringen av sædmorfologi etter kirurgisk inngrep, og bekrefter også gjennomførbarheten av sædplasmametabolitter som markører for varicocele [33].

2.2 Seminal plasmametabolomikk brukes til å avsløre den molekylære mekanismen for miljøeksponering som påvirker sædkvaliteten

Eksponering for ulike skadelige eller gunstige stoffer i miljøet kan påvirke sædkvaliteten betydelig ved å forstyrre den metabolske prosessen til sædplasma. MIMA-analysemetoden (meet-in-metabolite analysis) vi foreslo tidligere er egnet for å studere de biokjemiske veiene som fører til uønskede utfall av miljøeksponering og avsløre det komplekse forholdet mellom eksponering og helse [49]. Vi brukte denne metoden til å utføre den første studien om sammenhengen mellom miljømessig arseneksponering og mannlige reproduktive sykdommer, og fant at arseneksponering ved normale miljøkonsentrasjoner ikke bare viste en dose-effekt sammenheng med forekomsten av mannlig infertilitet, men også var signifikant korrelert med en rekke sykdomsmetabolittmarkører (acylkarnitin, asparaginsyre, østradiolmetabolitter og uridin, etc.) [50]. Dette la grunnlaget for bruk av seminal plasmametabolomikk for å utforske den molekylære mekanismen for miljøeksponering som fører til redusert sædkvalitet. Vi analyserte for første gang den komplekse sammenhengen mellom de interne eksponeringsnivåene av hormonforstyrrende ftalater, perfluorerte forbindelser og ulike metall- og ikke-metallelementer, seminal plasmametabolom og spermkvalitetsparametere [7, 26, 29]. Resultatene viser at sædplasmametabolitter er ideelle forskningsobjekter for å studere sammenhengen mellom miljøeksponering og sædkvalitet [7]; hormonforstyrrende ftalater kan påvirke sædkvaliteten ved å påvirke innholdet av flerumettede fettsyrer, acylkarnitiner og aminosyrer [26, 29], mens miljøsink og selen øker sædkonsentrasjonen ved å påvirke innholdet av acylkarnitiner [7], og uorganisk arsen reduserer sædkonsentrasjonen ved å påvirke fettsyre- og karnitinmetabolismen [29].

3 Konklusjon og utsikter

Nyere studier på sædplasmametabolomet har vist at unormal metabolisme av sædplasmakarbohydrater, aminosyrer, lipider og karnitin kan være hovedveiene for mannlige reproduktive systemsykdommer og miljøeksponering for reproduktiv toksikologi. Forskning på dette feltet står imidlertid fortsatt overfor store utfordringer.

Den biologiske tolkningen av metabolomikkdata er svært avhengig av bakgrunnskunnskapen om de oppdagede molekylveiene, men de fysiologiske effektene av sædplasmamolekyler er ennå ikke fullt ut klarlagt. Derfor er det fortsatt umulig å grundig og dypt analysere de spesifikke molekylære banene som sædplasmametabolitter spiller fysiologiske roller gjennom metabolomikkteknologi. I tillegg er det kritiske vinduet for spermatogenese følsomt og komplekst, med store forskjeller mellom individer. Individuelle metabolomer har også tidsmessige og romlige forskjeller, noe som gjør det vanskelig å få en enkelt, spesifikk metabolsk markør. Derfor er bruk av en kombinasjon av markører en gjennomførbar metode for å forbedre sykdomsforutsigelsesevnen betydelig [51]. Til slutt er det et presserende behov for å effektivt integrere seminal plasma-omics-data på flere nivåer (inkludert transkriptomikk, proteomikk og lipidomik) for å utføre dyptgående mekanistiske studier av reproduksjonsrelaterte sykdommer og gi grunnlag for kliniske intervensjonstiltak for å forbedre mannlig sæd. kvalitet.

Referanse

[1] Agarwal A, Majzoub A, Parekh N, et al. En skjematisk oversikt over den nåværende statusen for mannlig infertilitetspraksis. World J Mens Health, 2020, 38: 308-22

[2] Agarwal A, Baskaran S, Parekh N, et al. Mannlig infertilitet.Lancet, 2021, 397: 319-33

[3] Bracke A, Peeters K, Punjabi U, et al. Et søk etter molekylære mekanismer som ligger til grunn for mannlig idiopatisk infertilitet. Reprod Biomed Online, 2018, 36: 327-39

[4] Krausz C, Escamilla AR, Chianese C. Genetikk av mannlig infertilitet: fra forskning til klinikk. Reproduksjon, 2015, 150: R159-74

[5] Schjenken JE, Robertson SA. Sædvæskesignalering i den kvinnelige reproduktive kanalen: implikasjoner for reproduktiv suksess og avkoms helse. Adv Exp Med Biol, 2015,868: 127-58

[6] Robertson SA, Sharkey DJ. Sædvæske og fruktbarhet hos kvinner. Fertil Steril, 2016, 106: 511-9

[7] Xu S, Wu Y, Chen Y, et al. Miljøeksponering av metall, seminal plasmametabolom og sædkvalitet: bevis fra kinesiske reproduktive menn. Sci Total Environ, 2022, 838: 155860

[8] Carrell DT, Aston KI, Oliva R, et al. "Omics" av menneskelig mannlig infertilitet: integrering av big data i en systembiologisk tilnærming. Cell Tissue Res, 2016, 363: 295-312

[9] Nicholson JK, Lindon JC, Holmes E. 'Metabonomics': forståelse av de metabolske responsene til levende systemer på patofysiologiske stimuli via multivariat statistisk analyse av biologiske NMR-pektroskopiske data. Xenobiotica, 1999, 29: 1181-9

[10] Wishart DS, Feunang YD, Marcu A, et al. HMDB 4.0: den menneskelige metabolomdatabasen for 2018. Nucleic Acids Res, 2018, 46: D608-17

[11] Wishart DS. Metabolomikk for å undersøke fysiologiske og patofysiologiske prosesser. Physiol Rev, 2019, 99:1819-75

[12] Gupta A, Mahdi AA, Ahmad MK, et al. 1H NMR spektroskopiske studier på humant sædplasma: en bevisende diskriminant funksjonsanalyseklassifiseringsmodell. J Pharm Biomed Anal, 2011, 54: 106-13

[13] Jayaraman V, Ghosh S, Sengupta A, et al. Identifikasjon av biokjemiske forskjeller mellom ulike former for mannlig infertilitet ved hjelp av kjernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi. J Assist Reprod Genet, 2014, 31: 1195-204

[14] Zhang X, Diao R, Zhu X, et al. Metabolsk karakterisering av asthenozoospermi ved bruk av ikke-målrettet seminal plasmametabolomikk. Clin Chim Acta, 2015, 450: 254-61

[15] Mumcu A, Karaer A, Dogan B, et al. Metabolomisk analyse av sædplasma hos pasienter med idiopatisk oligoastenoteratozoospermi ved bruk av høyoppløselig NMR

spektroskopi. Andrology, 2020, 8: 450-6

[16] Neto FTL, Marques RA, De Freitas Cavalcanti Filho A, et al. 1

H NMR-basert metabonomi for infertilitetsdiagnose hos menn med varicocele. J Assist Reprod Genet, 2020, 37:2233-47