精子氧化损伤及抗氧化剂的研究_郭颖

随着对精子生存环境中氧化胁迫状态形成原 因的深入研究，研究者们发现对精子产生氧化损伤 的ROS主要有两个来源：一是精子本身产生的过多
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国际生殖健康 / 计划生育杂志 2012 年 11 月第 31 卷第 6 期 J Int Reprod Health蛐Fam Plan，November 2012, Vol. 31, No. 6
【关键词】 精子；活性氧；抗氧化剂
The Seminal Oxidative Damage and Antioxidant GUO Ying，XIN Ling，YU He -ming. Graduate School， Peking Union Medical College，Beijing 100005 （GUO Ying）；National Research Institute for Family Planning， Beijing 100081（XIN Ling, YU He-ming）
抗ROS活性，因此在维持精子活力、精子获能及顶体 反应中发挥着重要的作用。 2.1 SOD SOD是抗氧化酶类中重要的一种，在清 除氧自由基中发挥着重要的作用，因此也成为男性 不育研究的实验对象。体外实验中，已经证明SOD可 以提高精子活力并且减少脂质过氧化。1996年的一 项试验发现，少精子症患者精浆SOD水平高于正常 组，而其他类型不育症患者的SOD水平是降低的。 2007年的一项试验也证明了SOD活性与精子常规参 数存在相关性，即精浆中SOD活性与精子质量参数 如精子浓度、活力等呈正相关[13]，而这些参数又是精 子正常生育能力的指标。2011年有学者测定不育患 者和正常男性新鲜精液中SOD的活性，发现正常男 性精液中SOD活性明显高于不育患者，并且SOD活 性与精液体积呈负相关，而与精子前向运动及非前 向运动呈正相关[14]。 2.2 CAT CAT作为抗氧化酶类，在男性不育中与 SOD具有同等的地位。体外实验中，有学者在精液冷 冻过程中，分别单独添加SOD、CAT或联合添加SOD 和CAT，结果显示，单独添加两种抗氧化酶时，精子 前向运动的复苏率与未添加任何抗氧化酶的精液 相比并没有显著变化。而与未添加的精液相比，同 时添加两种抗氧化酶的精液中精子前向运动的复 苏率高。研究表明，在一些情况下，SOD和CAT在防 止精子膜脂质过氧化中具有协同作用，两者缺一不 可。而分别在冷冻的精子中添加不同浓度的3种抗 氧化剂 （维生素C、SOD和CAT） 的实验证明，添加 CAT或维生素C都可以降低ROS产生的水平，进而防 止精子DNA损伤，从而提高了精子在冷冻复苏后的 质量[15]。之后，研究人员对上述实验进行了更加详细 的研究，对精子常规参数的评估更加细化，测定指 标包括精子活力、活率、ROS产生、线粒体膜蛋白、凋 亡以及DNA损伤。结果显示，添加CAT可以提高精液 质量、降低ROS的产量并减少DNA损伤[16]。 2.3 Prdxs Prdxs是最近发现的一种非硒依赖性过 氧化物酶家族蛋白，广泛存在于原核生物和真核生 物中。目前哺乳动物中发现的Prdxs家族中有6个成 员，即Prdx1~6。有研究表明，在大鼠睾丸中Prdx1和 Prdx2主要表达在支持细胞，而在精原细胞和精母细 胞中不表达，但是当睾丸受到辐射后这两个蛋白在 这些细胞中会出现短暂的升高，说明其与辐射造成 的损伤有密切关系。而作为唯一一个1-Cys蛋白， Prdx6是一个双功能酶，具有过氧化物酶和磷脂酶A2 的活性。同时也有研究结果提示Prdx6可能参与附睾
ROS，尤其是畸形精子比正常成熟精子产生更多的 ROS[5]；二是人类精液中的多形核白细胞有很强的 ROS生成能力。大多数的精液样本中含有白细胞，白 细胞产生的过多的ROS似乎是炎症发生或者血管疾 病导致的低氧或心肌缺氧的直接后果，并在精索静 脉曲张中发挥重要作用[6-8]。 1.2 损伤机制 随着研究的不断深入，人们发现 ROS对精子的损伤发生在各个层面，概括起来主要 有以下几个方面。①DNA损伤：氧化应激会通过自 由基引起精子以DNA断裂为主的DNA损伤及染色 质交联等，造成精子结构受损，进而影响功能，引起 少精子症、弱精子症及精子形态异常[9]。②精子膜损 害：精子膜对受精过程中的精卵识别和膜的融合、 顶体反应和活动具有非常重要的作用。然而精子膜 中含有大量极易受到ROS攻击的不饱和脂肪酸。因 此当精子膜受到攻击时会导致精子膜的液态性、流 动性及通透性发生改变，从而造成精子的完整性、 运动性及功能等破坏。研究发现，人类精子膜与卵 子膜结合的能力与ROS的生成呈负相关。③蛋白损 伤：ROS诱导蛋白质硫醇基过氧化会改变精子的结 构和功能使其更易受到白细胞的攻击，此外还影响 了蛋白的磷酸化、糖基化及ATP的生成，从而关联到 精子的受精能力。在体外，精子的冷冻贮存与处理 过程中也会受到各种因素导致氧化应激引起的损 伤，影响精子保存质量。另外，目前ART中，精子体外 培养的基质也是影响精子功能的因素之一，培养介 质中的多种成分，包括白蛋白、酚红、pH值及金属离 子都能影响脂质过氧化，进而影响精子功能及活动 度。精子氧化损伤使学者们从分子水平深入认识精 子损伤。
【Abstract】 Many studies were focused on the effect of oxidative damage and antioxidants on male reproductive system. Sperm physiological produces small amounts of reactive oxygen species （ROS）, which is necessary for fertilisation, acrosome reaction and capacitation. However, if the increased production of ROS exceed the increased elimination, peroxidative damage of the sperm plasma membrane and loss of DNA integrity typically occur, which leads to cell death and reduced fertility. There were many studies concerning the roles of antioxidants in the oxidative damage caused by the male reproductive problem. Antioxidant mainly acts through inhibition of ROS production or elimination of the excessive ROS to protect sperm, especially in vitro treatment in the absence of seminal plasma.
子活力不足的患者，其受损精子中ROS 的含量特别 高。另有研究表明，有25%的不育男性的精液中观测 到较高水平的ROS，而在有生育能力的男性精液中 未检测到ROS。因此，ROS的产生与精子功能损伤的 直接关系使学者们对男性不育的发病机制有了新 的认识。 1.1 来源 活性氧是细胞正常代谢产生的有毒物 质。微量的活性氧是维持精子活动的重要介质，其 具有提高精子细胞内的环磷酸腺苷（cAMP）水平、刺 激精子获能、增加顶体发生率等生理作用。正常情 况下，精子中活性氧的产生和清除存在动态平衡， 不会对精子的结构和功能产生不利的影响。但是当 男性生殖系统发生炎症则会导致精浆中未成熟精 子、多形核白细胞过多。另外，辅助生殖技术（ART） 前期对精子的离心、冷冻等处理都会打破这种平衡， 从而产生高水平的ROS，引起DNA损伤等一系列变 化[1]，最后导致活力下降[2]并破们发现人类精
子质量的下降与活性氧簇 （reactive oxygen species， ROS）的产生有密切关系。临床试验证明，与正常男 性精液样本相比，在少精子症、精索静脉曲张和精
作者单位：100005 北京协和医学院研究生院（郭 颖）；国家人 口计生委科学技术研究所（辛 玲，于和鸣）
【Key words】 Spermatozoa； Reactive oxygen species； Antioxidants （J Int Reprod Health蛐Fam Plan，2012，31：475-478）
世界范围内几乎15%打算妊娠的夫妇受到不育 的影响，其中几乎一半是男方不育因素造成的或者 主要因素是男方不育。随着对男性不育的深入研 究，人们发现氧化损伤引起的精子结构和功能的改 变主要影响着精子的质量。尤其是在精子体外处 理、冷冻储存过程中导致的精子氧化损伤影响着精 液常规的各项指标。应对氧化损伤引起的生殖困 难，首先要了解氧化损伤的机制，其次要寻找正确 的途径预防或者减少这些损伤，其中抗氧化剂是目 前比较热门的研究对象。综述精子氧化损伤的机制 以及几种常见的抗氧化剂的作用，旨在为临床应用 抗氧化剂以更好地治疗男性生殖疾病提供依据。
国际生殖健康 / 计划生育杂志 2012 年 11 月第 31 卷第 6 期 J Int Reprod Health蛐Fam Plan，November 2012, Vol. 31, No. 6
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的精子成熟、保护及储存，并在附睾的不同区段发 挥不同的作用[17]。随着实验研究的不断深入，Prdx6 蛋白在体内的抗氧化功能逐步得到证明，研究主要 集 中 在 肺 上 。 过 表 达 Prdx6 -GFP 的 肺 上 皮 细 胞 系 H441细胞（本身不表达Prdx6），在氧化应激中明显 减少脂质过氧化，降低细胞质膜的损伤。而当诱导 可正常表达Prdx6的肺上皮细胞系中的Prdx6降低表 达时，可以观察到明显的脂质过氧化、质膜损伤及 凋亡。在动物体内的研究也得出上述相似结论[18-19]。 2.4 维生素E 维生素E是位于膜上的主要抗氧化 剂，为众多研究的主要对象。在以往研究中，大多数 的实验证明维生素E对精子质量的提高作用较为显 著。体外实验已经证明10 mmol/L的维生素E能够抑 制脂质过氧化，对维持精子活力具有剂量效应。然 而，也有实验发现，体外浓度为1 mmol/L的维生素E 对由烟碱腺嘌呤二核苷酸磷酸化引起的脂质过氧 化没有作用。由此可见，维生素E对脂质过氧化的有 效性还取决于氧化应激的来源。另外，有报道称，在 冷冻保护剂中添加维生素E可以提高精子在复苏过 程中的活力，在应对氧化损伤过程中发挥了重要的 作用。对正常精液和弱精子症患者精液样本的实验 证明，添加维生素C和维生素E能够减少过氧化氢的 产生，而过氧化氢可以诱导ROS产生并导致DNA损伤。 另外有研究证明，在不育男性的精浆中，维生素E的 浓度显著低于正常男性，同时在不育男性的精浆中 明显有丙二醛的积累，而丙二醛是与精子的活力和 形态呈负相关的[20]。