Huidige status en voortgang van onderzoek naar baanbrekend plasmametabolomics bij mannen

Samenvatting: Mannelijke spermakwaliteit afwijzenis een groot publiekgezondheidsprobleem wereldwijd. Echter,nauwkeurige diagnosevan de geassocieerde ziekten is nog steeds een uitdaging, en de pathogenese blijft onduidelijk.rudimentair plasmais een ideaal voorbeeld vooronderzoek naar mannelijke voortplanting, Enrudimentaire plasmametabolomicaheeft veelbelovende toepassingen bij het onderzoeken van potentiële biomarkers en moleculaire mechanismen vanmannelijke voortplanting. In dit artikel bespreken we typischespermametabolomicsstudies van 2011 tot 2022, en introduceren de technischekenmerkenEnaanvraagstatus ofnucleaire magnetische resonantie,gaschromatografie-massaspectrometrie, vloeistofchromatografie-massaspectrometrie en Raman-spectroscopie. Daarnaast vatten we de veranderingen in het rudimentaire plasmametabolisme samen die hieraan worden toegeschrevenmannelijke voortplantingsstoornissenen blootstelling aan het milieu vanuit meerdere perspectieven, waaronder baanbrekende plasmametabolomische methoden, baanbrekende plasmametabole markers en de daarbij betrokken metabolische routes, die voornamelijk het energiemetabolisme, het lipidenmetabolisme, het aminozuurmetabolisme en het steroïdemetabolisme omvatten. Ten slotte analyseren we de onderzoeksproblemen van spermametabolomics op het gebied van mannelijke voortplanting en stellen we toekomstige ontwikkelingstrends voor.

Trefwoorden:metabolomica;rudimentair plasma; mannelijke voortplanting; kwaliteit van het sperma

KRUID CISTANCHE MANNELIJKE VOORTPLANTINGSSTOORNISSEN 

Ondersteunende dienst van Wecistanche

E-mail:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/tel:+86 15292862950

Onvruchtbaarheid treft wereldwijd ongeveer 187 miljoen paren in de vruchtbare leeftijd, met een prevalentie van 15%, waarvan mannelijke factoren ongeveer 50% voor hun rekening nemen [1]. De oorzaken van mannelijke onvruchtbaarheid omvatten genetische factoren, levensstijl en blootstelling aan het milieu, wat zich voornamelijk manifesteert als een verminderde spermakwaliteit [2]. Momenteel berust de diagnose van mannelijke onvruchtbaarheid voornamelijk op analyse van de spermakwaliteit, maar idiopathische onvruchtbaarheid (die ongeveer 30% tot 40% van de patiënten uitmaakt) kan niet nauwkeurig worden vastgesteld door middel van routinematige spermaanalyse, lichamelijk onderzoek en laboratoriumtests [3], en Vroege diagnose of interventie staat voor grote uitdagingen [4].

Seminaal plasma is een belangrijk onderdeel van sperma. Het bestaat uit prostaatvocht, zaadblaasjesvocht, epididymvocht en afscheidingsvloeistof van de bulbourethrale klier. Het is de externe omgeving voor de opslag van sperma, beïnvloedt de beweeglijkheid van het sperma en de capaciteit van het sperma, en beïnvloedt het normale bevruchtingsproces door interactie met het vrouwelijke voortplantingssysteem [5-6]. Daarom wordt het beschouwd als een ideaal biologisch monster voor voortplantingsonderzoek bij mannen [7]. Met de ontwikkeling van high-throughput-technologie is multi-level omics-technologie (genoom, epigenoom, transcriptoom, proteoom en metaboloom, enz.) van de systeembiologie een krachtig hulpmiddel geworden voor het onderzoeken van onvruchtbaarheidsmarkers en pathogenese [8]. Van de verschillende omics-technologieën is metabolomics het nauwst verbonden met biologische fenotypes. Het bestudeert voornamelijk endogene metabolieten van minder dan 1000 Da [9]. Door de metabolische verschillen te analyseren na stimulatie of verstoring van het lichaam, weefsel of cel [10], worden de veranderingen in het metabolische mechanisme van het biologische systeem onthuld [11]. Seminaal plasma is rijk aan actieve metabolieten van kleine moleculen, die voedingsstoffen leveren voor het bevruchtingsproces. Moleculaire veranderingen in rudimentair plasma kunnen de toestand van het sperma en het gehele voortplantingssysteem weerspiegelen of beïnvloeden, en uiteindelijk de mannelijke vruchtbaarheid beïnvloeden [12]. Seminale plasmamonsters vereisen geen vervelende voorbehandeling, wat de detectietijd van klinische monsters verkort en de vooringenomenheid van het personeel vermindert, waardoor ze zeer geschikt zijn voor klinische transformatie. Seminale plasmametabolomics kunnen rudimentaire plasmametabolieten van kleine moleculen, zoals voedingsstoffen (aminozuren, koolhydraten en lipiden, enz.), hormonen, nucleotiden, enz., uitgebreid analyseren en hun associatie met mannelijke reproductieve gezondheidsindicatoren uitgebreid analyseren.

Tabel 1 vat de typische plasma-metabolomics-onderzoeksresultaten op het gebied van mannelijke reproductieve gezondheid in het afgelopen decennium samen, zoals de evaluatie van de spermakwaliteit of vruchtbaarheid, het diagnose- en mechanismeonderzoek van mannelijke onvruchtbaarheidsziekten, en de evaluatie van geassisteerde voortplantingseffecten.

Baanbrekende plasmametabolomics-technologie

De veelgebruikte scheidingstechnieken in baanbrekend onderzoek naar plasmametabolomics omvatten hogedrukvloeistofchromatografie (HPLC), gaschromatografie (GC) en capillaire elektroforese (CE), en de detectietechnieken omvatten massaspectrometrie (MS), nucleaire magnetische resonantie (NMR) en Raman. spectroscopie.

Chromatografie-massaspectrometrie heeft de hoogste detectiegevoeligheid en specificiteit, terwijl NMR de kenmerken heeft van goede reproduceerbaarheid en nauwkeurige kwantitatieve analyse, waardoor het de meest gebruikte baanbrekende plasma-metabolomics-onderzoekstechnologie is geworden (tabel 1)[7, 12-33 ].

Gaschromatografie-massaspectrometrie (GC-MS) vertoont grote voordelen bij het analyseren van metabolieten van kleine moleculen zoals aminozuren, glucose en nucleïnezuren, terwijl vloeistofchromatografie-massaspectrometrie (LC-MS) een hoge gevoeligheid heeft voor biomacromoleculen (zoals choline) en lipiden (zoals fosfolipiden) en vereist geen complexe monstervoorbereiding. Massaspectrometrie kan echter alleen geïoniseerde stoffen detecteren en geen metabolieten analyseren die moeilijk te ioniseren zijn. Vergeleken met massaspectrometrie kan NMR bepaalde alcohol- of suikermetabolieten die niet gemakkelijk te ioniseren zijn, nauwkeurig kwantificeren. De gevoeligheid van de detectie van NMR-instrumenten is echter laag en er kan geen gerichte analyse van metabolieten worden uitgevoerd, wat de toepassing van NMR beperkt (Tabel 2). Daarom is het noodzakelijk om de detectieresultaten van chromatografie-massaspectrometrie en andere technische middelen te integreren om volledig de informatie over het metabolietenprofiel van rudimentair plasma te verkrijgen. Volgens de onderzoeksmethode wordt metabolomics onderverdeeld in gerichte en niet-gerichte metabolomics. Gerichte metabolomics-methoden zijn gericht op het identificeren en kwantificeren van bekende metabolieten, terwijl niet-gerichte metabolomics-methoden zich richten op het detecteren van zoveel mogelijk metabolieten, rekening houdend met de veranderingen in de overvloed van bekende en onbekende metabolieten. Omdat er relatief weinig informatie is over het rudimentaire plasmametaboloom, wordt gewoonlijk differentiële analyse van metabolieten met behulp van niet-gerichte metabolomics-methoden gebruikt om mogelijke pathogene mechanismen en potentiële doelwitten aan het licht te brengen.

1.1 Nucleaire magnetische resonantiespectroscopie

NMR is de vroegste technologie die wordt gebruikt in metabolomics-onderzoek. Het kan onbevooroordeelde en niet-destructieve detectie van monsters uitvoeren en heeft de voordelen van eenvoudige voorbereiding, goede reproduceerbaarheid en nauwkeurige kwantificering. Vergeleken met MS kan NMR kwantitatieve analyses uitvoeren van metabolieten die niet gemakkelijk geïoniseerd worden (zoals alcoholen of suikers). NMR heeft echter een smal detectiebereik, een lage resolutie en bias in de kwalitatieve of kwantitatieve analyse van verbindingen. Belangrijker nog is dat NMR een lage gevoeligheid heeft en niet kan voldoen aan de behoeften van sporenanalyse van biologische monsters of gerichte analyse van metabolieten. Bovendien kunnen vanwege de beperking van de integratietijd slechts 30 tot 60 metabolieten in een enkele analyse worden gedetecteerd en is de doorvoer laag. Zoals weergegeven in Tabel 1 richt NMR-gebaseerd baanbrekend plasmametabolomics-onderzoek zich vooral op de detectie van metabolieten zoals verschillende aminozuren en hun derivaten, vetzuren en suikers, die worden gebruikt om onvruchtbare gevallen te onderscheiden van gezonde controles [12, 18, 34 ]. Onder hen is het verschil in het gehalte aan aminozuren in rudimentair plasma de focus van onderzoek, vooral arginine, lysine, tyrosine, enz. [13-15, 18, 30, 34]. De meeste van deze onderzoeken maken echter gebruik van relatieve kwantificeringsmethoden voor metabolieten, die geen absolute kwantificering hebben en niet kunnen worden vergeleken met openbare gegevens. Ze kunnen de voordelen van NMR niet volledig benutten en hebben bepaalde beperkingen [35].

1.2 Chromatografie-massaspectrometrietechnologie

GC-MS is een belangrijk middel voor metabolomics-onderzoek, waarbij voornamelijk organische zuren en vluchtige metabolieten worden gedetecteerd. Niet-vluchtige metabolieten kunnen door derivatisering worden omgezet in verbindingen die geschikt zijn voor GC-detectie. Qiao et al. [25] screenden 44 idiopathische onvruchtbaarheidsmarkers via niet-gerichte methoden, vooral het gehalte aan 4-aminofenylazijnzuur, dat positief gecorreleerd was met de spermaconcentratie. Het detectiebereik van GC is echter smal en het kan alleen specifieke metabolieten zoals aminozuren of vetzuren in rudimentair plasma detecteren.

Tegelijkertijd kan het derivatiseringsproces de terugwinningssnelheid van metabolieten verminderen en de analysetijd van monsters verlengen. Bovendien brengen de verschillen in derivatiseringsmethoden ook uitdagingen met zich mee voor het opzetten van een gestandaardiseerde database.

LC-MS is het belangrijkste technische middel voor rudimentair onderzoek naar plasmametabolomics. Geschikte scheidingsmethoden (normale fase, omgekeerde fase) en scanmodi (positief ion, negatief ion, enz.) kunnen worden geselecteerd op basis van de doelmetabolietencategorie (polair, niet-polair, enz.). Er zijn veel methoden om metabolieten te extraheren.

De polariteit van de doelmetaboliet bepaalt de extractiemethode, inclusief de extractie van algemene metabolieten en hydrofobe lipidemoleculen. Afhankelijk van de eigenschappen van de metabolieten die worden bestudeerd, kunnen verschillende soorten chromatografische kolommen worden geselecteerd om een ​​efficiënte scheiding te bereiken, waarvan omgekeerde fase vloeistofchromatografie de meest voorkomende is. Volgens verschillende experimentele ontwerpen wordt het over het algemeen onderverdeeld in niet-gerichte metabolomics-technologie gebaseerd op massaspectrometrie met hoge resolutie en gerichte metabolomics-technologie gebaseerd op drievoudige quadrupool-massaspectrometrie. LC-MS is een absolute hotspot geworden in metabolomics-onderzoek en is gebruikt om een ​​verscheidenheid aan metabolieten in rudimentair plasma te bepalen, waaronder verschillende vrije carnitines, acylcarnitines, polysachariden, aminozuren, biogene aminen en lipiden [27, 32]. Er wordt verwacht dat het in de toekomst op grotere schaal zal worden gebruikt op het gebied van rudimentaire plasmametabolomics [36].

1.3 Raman-spectroscopie

Ramanspectroscopie is een goede aanvulling op NMR. Deze technologie is ongevoelig voor de reactie van polaire stoffen en wordt doorgaans gebruikt voor de identificatie van niet-polaire metabolieten. Op Raman-spectroscopie gebaseerde seminale plasma-metabolomics-technologie heeft ontdekt dat er significante verschillen zijn in de metabolische vingerafdrukken van rudimentair plasma tussen normale mannen en mannen met asthenospermie of idiopathische onvruchtbaarheid [20-21]. De specifieke geïdentificeerde functionele groepen duiden op verschillen in oxidatieve stress (OS)-gerelateerde metabolieten [21]. Vanwege het gebrek aan openbare gegevens is het echter moeilijk om metabolieten nauwkeurig te identificeren of te kwantificeren. Ter vergelijking: er zijn relatief weinig onderzoeken naar baanbrekende plasmametabolomics op basis van Raman-spectroscopietechnologie, en het onderzoek bevindt zich over het algemeen in de verkennende fase.