Huidige status en voortgang van mannelijk baanbrekend plasmametabolomicsonderzoek Ⅱ

2. Onderzoek naar baanbrekende plasmametabolomics op het gebied van de reproductieve gezondheid van mannen

Mannelijke spermakwaliteithangt nauw samen met het kritische venster vanspermatogenese(epididymale opslag, ontwikkeling van de spermamotiliteit en spermatogenese). Aangeboren genetische factoren (zoals congenitale bilaterale afwezigheid van de zaadleider, cystische fibrose-genmutatie, deletie van het Y-chromosoom, Kallmann-syndroom en chromosomale afwijkingen die leiden tot verslechtering van de testisfunctie) en verworven factoren (mannelijke voortplantingsziekten zoals varicocèle, omgevings- of beroepsmatige blootstelling toxische chemicaliën zoals zware metalen en hormoonontregelaars, en verschillende leefstijlfactoren zoals roken en drinken) kunnen het spermatogeneseproces beïnvloeden, wat kan leiden tot een abnormale spermakwaliteit [2].

KRUID CISTANCHE VOOR HET VERBETEREN VAN DE MANNELIJKE SPERMAKWALITEIT

Vanwege de sleutelrol van rudimentair plasma in het mannelijke voortplantingssysteem heeft het gebruik van rudimentaire plasmametabolomics om potentiële biomarkers en pathogene mechanismen van mannelijke voortplantingsziekten te onderzoeken een groot potentieel. Ziekten van het mannelijke voortplantingssysteem zijn zeer complex en vereisen het gecombineerde gebruik van meerdere biomarkers om voorspelling, diagnose en etiologische analyse te bereiken. Figuur 1 toont de rudimentaire plasmametabolische routes die verstoord zijn door ziekten of omgevingsfactoren, waarbij vooral het energiemetabolisme betrokken is.lipidenmetabolisme, aminozuurmetabolisme, Ensteroïde metabolismeroutes. Bijlage 3 toont specifiek de veranderingen in verschillende metabolieten bij mannelijke onvruchtbaarheid. Rood duidt op een opwaartse regulatie van de metabolieten, en blauw op een neerwaartse regulatie van de metabolieten. Deze veranderingen betreffen voornamelijk veranderingen in aminozuur- en lipidenmetabolieten en hun metabolieten. Dit artikel combineert het baanbrekende onderzoek naar plasmametabolomics, samengevat in Tabel 1, om specifiek de toepassingsstatus van baanbrekende plasmametabolomics te introduceren vanuit het perspectief van verschillende mannelijke voortplantingsziekten en omgevingsblootstellingsfactoren.

2.1 Toepassing van rudimentaire plasmametabolomics bij de diagnose en het mechanismeonderzoek van mannelijke onvruchtbaarheid

2.1.1 Oligospermie, asthenospermie, teratospermie en idiopathische onvruchtbaarheid

Oligospermie verwijst naar een spermaconcentratie lager dan 1,5 x 107/ml [37] en is de meest voorkomende ziekte bij mannelijke onvruchtbaarheid. Seminale plasmametabolomics op basis van LC-MS en 1H-NMR hebben aangetoond dat er significante verschillen zijn in de niveaus van aminozuren en choline in het rudimentaire plasma van oligospermische mannen en normale mannen [12, 15, 18, 32].

Uit een op 1H-NMR gebaseerde seminale plasmametabolomicsstudie bleek dat de niveaus van arginine en aspartaat in het rudimentaire plasma van oligospermiepatiënten verlaagd waren, wat significant gecorreleerd was met de afname van het aantal zaadcellen [15, 18, 38]. Uit een ander op LC-MS gebaseerd onderzoek bleek dat naast de afname van de aspartaatspiegels, ook de spiegels van glutamaat, methionine, tryptofaan, proline en alanine in het rudimentaire plasma van oligospermiepatiënten aanzienlijk waren verlaagd [32]. Naast aminozuren is ook het cholinemetabolisme cruciaal voor de spermatogenese. Het ontbreken van choline-gerelateerde enzymen kan leiden tot een verminderde spermafunctie, en suppletie met choline kan gunstig zijn voor de reproductieve gezondheid van mannen. Er bestaat echter enige controverse over het positieve effect van choline-suppletie op de spermakwaliteit in vivo, wat te wijten kan zijn aan het ontbreken van een placebocontrolegroep of de cholinedosering [39]. Verder bevolkingsonderzoek is nog steeds nodig.

Asthenospermie is ook een veelvoorkomende oorzaak van mannelijke onvruchtbaarheid en wordt gekenmerkt door een significante afname van de beweeglijkheid van het sperma. Seminale plasmametabolomische analyse op basis van GC-MS toonde aan dat de niveaus van oliezuur, palmitinezuur en valine in het rudimentaire plasma bij patiënten met asthenozoöspermie significant verhoogd waren, wat erop wijst dat afwijkingen in het vetzuurmetabolisme de beweeglijkheid van het sperma kunnen beïnvloeden [23]. Het spermamembraan bevat een verscheidenheid aan vetzuren, en overmatige oliezuurniveaus in het zaadplasma kunnen het fosfolipidemetabolisme in het spermamembraan verstoren, wat verder leidt tot een afname van de beweeglijkheid van het sperma [40]. Hoge niveaus van vetzuren (vooral palmitinezuur en arachidonzuur) [14, 41] in spermamembranen zijn ook belangrijke factoren voor een lage spermakwaliteit. Arachidonzuur (AA) speelt een belangrijke rol in het lipidenmetabolisme, maar het effect van AA op de spermakwaliteit blijft onduidelijk [42-43]. Op plasma gericht metabolisme

Groepsanalyse onthulde veranderingen in de metabolische routes van AA in het rudimentaire plasma van patiënten met asthenozoöspermie [28]. Er werd gevonden dat AA-metabole stoornissen verder kunnen worden geïnduceerd door lipoxygenase (LOX), cytochroom P450 (CYP450) en cyclo-oxygenase. (cyclooxygenase, COX) metabolische route activeert P38 mitogeen-geactiveerde proteïnekinase, waardoor de beweeglijkheid van het sperma wordt verminderd. Naast de rudimentaire plasmavetzuren zijn metabolieten die betrokken zijn bij verschillende metabolische routes zoals energie, purine, methioninecyclus en het metabolisme van vertakte aminozuren ook significant veranderd in het rudimentaire plasma van patiënten met asthenospermie [14, 30]. De energie die nodig is voor de beweging van sperma is afkomstig van aerobe afbraakroutes zoals glycolyse of tricarbonzuurcyclus (TCA). Remming van deze route zal leiden tot verminderde ATP-productie, onvoldoende energietoevoer en verminderde beweeglijkheid van het sperma.

Teratospermie is een ziekte die wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van grote aantallen abnormaal morfologisch sperma in sperma, waarvan de pathogenese onbekend is [44]. Uit een op 1H-NMR gebaseerde metabolomische studie bleek dat 18 tricarbonzuurcyclusgerelateerde metabolieten significant ontregeld waren in het rudimentaire plasma van patiënten met teratozoöspermie [17], wat aangeeft dat het energiemetabolisme de belangrijkste oorzaak kan zijn van abnormale spermamorfologie. De aminozuurniveaus in het rudimentaire plasma van patiënten met teratozoöspermie zijn ook veranderd, vooral taurine, dat een antioxiderende werking heeft [45]. Abnormale spermamorfologie kan verband houden met de overmatige productie van reactieve zuurstofsoorten of de vermindering van antioxidanten.

Idiopathische mannelijke onvruchtbaarheid verwijst naar onverklaarde mannelijke onvruchtbaarheid waarbij de resultaten van routinematige spermaanalyse binnen het normale bereik liggen en fysieke en endocriene afwijkingen zijn uitgesloten. Metabolomische analyse op basis van Raman-spectroscopie vond verschillen in de expressie van oxidatieve stress-gerelateerde metabolieten in rudimentaire plasmamonsters van idiopathische onvruchtbare mannen en vruchtbare mannen [21].

Metaboloomonderzoek op basis van GC-MS heeft 44 differentieel tot expressie gebrachte metabolieten gevonden in het rudimentaire plasma van mannen met idiopathische onvruchtbaarheid [25], die voornamelijk betrokken zijn bij het aminozuurmetabolisme en oxidatieve stressprocessen. Het aminozuurkatabolisme gerelateerd aan de spermakwaliteit is verhoogd. Antioxidantgerelateerde metabolieten worden verminderd. De bovenstaande onderzoeken wijzen op de belangrijke rol van oxidatieve stress bij idiopathische onvruchtbaarheid, wat suggereert dat de metabolische status kan worden verbeterd door overeenkomstige supplementen.

2.1.2 Varicocele

De incidentie van varicocele bij onvruchtbare mannen is zeer hoog: ongeveer 40% van de primair onvruchtbare mannen en 80% van de secundair onvruchtbare mannen lijden aan de ziekte [46]. Patiënten met varicocele hebben een verhoogde productie van reactieve zuurstofsoorten en hogere niveaus van oxidatieve stress [46], die de lipiden, eiwitten en nucleïnezuren in sperma beïnvloeden, wat leidt tot sperma-afwijkingen [48]. Op 1H-NMR gebaseerde seminale plasmametabolomics-analyse heeft 19 belangrijke differentiële metabolieten gevonden die veranderingen in het aminozuur-, lipiden- en energiemetabolisme met zich meebrengen, voornamelijk betrokken bij oxidatieve stressprocessen [16]. Een ander niet-gericht seminaal plasmametabolomicsonderzoek, gebaseerd op LC-MS, toonde ook aan dat de niveaus van 8 metabolieten die verband houden met het aminozuur-, lipiden- en energiemetabolisme in het rudimentaire plasma van patiënten met varicocèle veranderd waren. Een verlaagd leucinegehalte kan bijvoorbeeld leiden tot een verminderd antioxidatief of ontstekingsremmend vermogen, wat leidt tot sperma-afwijkingen. Chirurgische resectie kan de abnormale metabolische status van varicocèle ongedaan maken, wat vooral tot uiting komt in het herstel van de glycerofosfolipide- en sfingolipideniveaus [33]. Glycerolfosfolipiden zijn nauw verwant aan de mitochondriale activiteit, terwijl sfingolipiden belangrijke componenten zijn van celmembranen en deelnemen aan meerdere signaaltransductieroutes. De herstellende opregulatie van deze twee soorten lipidemoleculen kan de reden zijn voor de verbetering van de spermamorfologie na chirurgische ingreep, en bevestigt ook de haalbaarheid van rudimentaire plasmametabolieten als markers van varicocèle [33].

2.2 Er wordt gebruik gemaakt van baanbrekende plasmametabolomics om het moleculaire mechanisme bloot te leggen van blootstelling aan de omgeving die de kwaliteit van het sperma beïnvloedt

Blootstelling aan verschillende schadelijke of heilzame stoffen in de omgeving kan de spermakwaliteit aanzienlijk beïnvloeden door het metabolische proces van zaadplasma te verstoren. De MIMA-analysemethode (meet-in-metabolite analyse) die we eerder hebben voorgesteld, is geschikt voor het bestuderen van de biochemische routes die leiden tot nadelige gevolgen van blootstelling aan het milieu en voor het onthullen van de complexe relatie tussen blootstelling en gezondheid [49]. We hebben deze methode gebruikt om het eerste onderzoek uit te voeren naar het verband tussen blootstelling aan arseen in de omgeving en reproductieve ziekten bij mannen, en ontdekten dat blootstelling aan arseen bij normale concentraties in het milieu niet alleen een dosis-effectrelatie vertoonde met de incidentie van mannelijke onvruchtbaarheid, maar ook significant gecorreleerd was. met een reeks ziektemetabolietenmarkers (acylcarnitine, asparaginezuur, estradiolmetabolieten en uridine, enz.) [50]. Dit legde de basis voor het gebruik van rudimentaire plasmametabolomics om het moleculaire mechanisme van blootstelling aan het milieu te onderzoeken, wat leidt tot verminderde spermakwaliteit. We analyseerden voor het eerst de complexe associatie tussen de interne blootstellingsniveaus van hormoonontregelaars ftalaten, geperfluoreerde verbindingen en verschillende metalen en niet-metalen elementen, het rudimentaire plasmametaboloom en spermakwaliteitsparameters [7, 26, 29]. De resultaten laten zien dat rudimentaire plasmametabolieten ideale onderzoeksobjecten zijn voor het bestuderen van de relatie tussen blootstelling aan het milieu en de kwaliteit van het sperma [7]; hormoonontregelaars ftalaten kunnen de spermakwaliteit beïnvloeden door het gehalte aan meervoudig onverzadigde vetzuren, acylcarnitines en aminozuren te beïnvloeden [26, 29], terwijl zink en selenium uit de omgeving de spermaconcentratie verhogen door het gehalte aan acylcarnitines te beïnvloeden [7], en anorganisch arseen de spermaconcentratie verlaagt door het vetzuur- en carnitinemetabolisme te beïnvloeden [29].

3 Conclusie en vooruitzicht

Recente onderzoeken naar het rudimentaire plasmametaboloom hebben aangetoond dat een abnormaal metabolisme van rudimentaire plasmakoolhydraten, aminozuren, lipiden en carnitine de belangrijkste oorzaken kunnen zijn van ziekten van het mannelijke voortplantingsstelsel en reproductieve toxicologie door blootstelling aan het milieu. Onderzoek op dit gebied staat echter nog steeds voor grote uitdagingen.

De biologische interpretatie van metabolomics-gegevens is sterk afhankelijk van de achtergrondkennis van de ontdekte moleculaire routes, maar de fysiologische effecten van rudimentaire plasmamoleculen zijn nog niet volledig opgehelderd. Daarom is het nog steeds onmogelijk om de specifieke moleculaire routes waarmee rudimentaire plasmametabolieten een fysiologische rol spelen door middel van metabolomics-technologie uitgebreid en diepgaand te analyseren. Bovendien is het kritische venster van spermatogenese gevoelig en complex, met enorme verschillen tussen individuen. Individuele metabolomen hebben ook temporele en ruimtelijke verschillen, waardoor het moeilijk is om een ​​enkele, specifieke metabolische marker te verkrijgen. Daarom is het gebruik van een combinatie van markers een haalbare methode om de mogelijkheden voor het voorspellen van ziekten aanzienlijk te verbeteren [51]. Ten slotte is er een dringende behoefte aan het effectief integreren van seminale plasma-omics-gegevens op meerdere niveaus (waaronder transcriptomics, proteomics en lipidomics) om diepgaande mechanistische studies uit te voeren naar voortplantingsgerelateerde ziekten en om een ​​basis te bieden voor klinische interventiemaatregelen om het sperma van mannen te verbeteren. kwaliteit.

Referentie

[1] Agarwal A, Majzoub A, Parekh N, et al. Een schematisch overzicht van de huidige status van de praktijk van mannelijke onvruchtbaarheid. Wereld J Mensgezondheid, 2020, 38: 308-22

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

[3] Bracke A, Peeters K, Punjabi U, et al. Een zoektocht naar moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan idiopathische mannelijke onvruchtbaarheid. Reproductie Biomed Online, 2018, 36: 327-39

[4] Krausz C, Escamilla AR, Chianese C. Genetica van mannelijke onvruchtbaarheid: van onderzoek tot kliniek. Reproductie, 2015, 150: R159-74

[5] Schjenken JE, Robertson SA. Signalering van zaadvloeistoffen in het vrouwelijke voortplantingsstelsel: implicaties voor reproductief succes en de gezondheid van nakomelingen. Adv Exp Med Biol, 2015,868: 127-58

[6] Robertson SA, Sharkey DJ. Zaadvloeistof en vruchtbaarheid bij vrouwen. Fertil Steril, 2016, 106: 511-9

[7] Xu S, Wu Y, Chen Y, et al. Blootstelling aan metalen uit de omgeving, rudimentair plasmametaboloom en spermakwaliteit: bewijs van Chinese mannen in de reproductieve leeftijd. Sci Total Environ, 2022, 838: 155860

[8] Carrell DT, Aston KI, Oliva R, et al. De "omics" van menselijke mannelijke onvruchtbaarheid: big data integreren in een systeembiologische benadering. Celweefselonderzoek, 2016, 363: 295-312

[9] Nicholson JK, Lindon JC, Holmes E. 'Metabonomics': het begrijpen van de metabolische reacties van levende systemen op pathofysiologische stimuli via multivariate statistische analyse van biologische NMR-pectroscopische gegevens. Xenobiotica, 1999, 29: 1181-9

[10] Wishart DS, Feunang YD, Marcu A, et al. HMDB 4.0: de menselijke metaboloomdatabase voor 2018. Nucleic Acids Res, 2018, 46: D608-17

[11] Wishart DS. Metabolomics voor het onderzoeken van fysiologische en pathofysiologische processen. Physiol Rev, 2019, 99:1819-75

[12] Gupta A, Mahdi AA, Ahmad MK, et al. 1H NMR-spectroscopische onderzoeken naar menselijk rudimentair plasma: een classificatiemodel voor discriminante functieanalyse. J Pharm Biomed Anal, 2011, 54: 106-13

[13] Jayaraman V, Ghosh S, Sengupta A, et al. Identificatie van biochemische verschillen tussen verschillende vormen van mannelijke onvruchtbaarheid door middel van nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie. J Assist Reproductie Genet, 2014, 31: 1195-204

[14] Zhang X, Diao R, Zhu X, et al. Metabolische karakterisering van asthenozoöspermie met behulp van niet-gerichte rudimentaire plasmametabolomics. Clin Chim Acta, 2015, 450: 254-61

[15] Mumcu A, Karaer A, Dogan B, et al. Metabolomics-analyse van rudimentair plasma bij patiënten met idiopathische oligoasthenoteratozoöspermie met behulp van NMR met hoge resolutie

spectroscopie. Andrologie, 8 2020: 450-6

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

H NMR-gebaseerde metabonomie voor de diagnose van onvruchtbaarheid bij mannen met varicocèle. J Assist Reproductie Genet, 2020, 37:2233-47