高原低氧環境對男性精液質量影響及其機制的研究進展

鄧琛耀 劉娜娜 范媛媛 遲洪濱 祖凌云 綜述 唐文豪 △姜輝 審校

1. 北京大學第三醫院泌尿外科（北京100191）；2. 北京大學第三醫院男科中心；3. 北京大學第三醫院人類精子庫；4. 北京大學第三醫院生殖中心；5. 北京大學第三醫院心內科

近年來，隨著生殖醫學的發展，高原低氧環境對男性生殖健康的影響越來越受到人們關注。短期移居高原后，低氧環境因素可損傷男性生育力，主要表現在精液參數下降，以及生殖激素水平發生相應改變[1]。這種損害隨著海拔高度增加而加重，但有研究表明，受試者回到平原地區6月后精液參數恢復到基礎水平[2]。高原低氧環境對男性生育力的影響，其機制研究尚無定論，目前國內外研究表明，認為主要與低氧環境導致生殖細胞過度凋亡、 活性氧水平升高和生殖激素水平紊亂等有關。本文就高原低氧環境因素對男性精液質量影響及其機制的研究進展做一綜述。

一、低氧環境對精液質量的影響

精液分析是評估男性生育力的重要實驗室檢查，主要參數有精液液化時間、 精子的濃度、 活力和形態等。精子發生是一個極其復雜的細胞分化過程[3]，該過程任何環節出現問題都可能會影響精子質量，導致男性生育力下降。

國外對高原登山男性人群的研究發現，從海拔900 米的平原地區到海拔5895 米的高原地區5 天后，這些男性精子活力顯著下降[4]。國內對海拔5380 米的高原短居人群的研究發現，高原低氧環境可致精子濃度下降、活力減低和畸形精子數量增多，并且其損傷嚴重程度隨著暴露時間的延長而加重，低氧暴露之前的精子活力要明顯高于低氧暴露后6月和12月，且與低氧暴露時間呈反比，但低氧暴露12月的男性精子濃度要高于低氧暴露6月的，脫離低氧暴露之后，精液質量需要6月才能恢復到基礎水平[5]。余伍忠等[6]發現，高原低氧環境會導致精液液化時間延長，精子頂體酶活性下降，液化時間在脫離低氧暴露6月后未恢復正常，這提示短期低氧暴露可能對男性精液質量產生可逆性損害。

精漿是精液重要組成部分，由生殖系統附屬性腺分泌，精漿生化的檢查對全面評估精液質量有重要意義。何江等[7]研究發現，進入海拔5380 米的高原地區后，精漿鋅、果糖、中性α- 葡糖苷酶和酸性磷酸酶顯著下降，脫離低氧暴露6月后精漿生化指標恢復到基礎水平。

精子DNA 的結構完整性是精液質量評估的重要指標，臨床上常用DNA 碎片指數(DNA fragmentation index,DFI)來具體評估。Pelliccione 等[8]研究發現，在高海拔地區的男性登山人群的精液DFI 顯著升高。顧本宏等[9]研究發現，移居高原地區漢族男性精液DFI 比世居藏族男性顯著升高。

綜上：高原低氧環境對精子的濃度、活力、形態、液化時間、精漿生化和DFI 等有負面影響，其中對精子的濃度、活力、形態、頂體酶活性和精漿生化產生可逆性損害。

二、低氧環境影響精液質量的機制

高原低氧環境對男性精液質量的影響的機制復雜，目前研究認為其機制主要是以下幾個方面：

（一）生殖細胞過度凋亡

凋亡是細胞受其內在基因編程的調節，通過主動的生化過程而自殺的現象，也稱程序性細胞死亡，包括DNA 降解、細胞質濃縮、核膜皺縮和細胞膜出芽形成凋亡小體而被巨噬細胞吞噬等過程。生殖細胞凋亡對維持精子數量非常重要，而過多的凋亡是一種異常病理現象，有可能導致男性不育[10]。動物實驗表明，在低氣壓低氧環境中，生殖細胞的凋亡增加，且凋亡細胞多數為精原細胞，這將導致初級精母細胞減少，從而抑制精子發生[11]。目前認為生殖細胞凋亡的機制有：B 細胞淋巴瘤-2 家族蛋白調控凋亡、低氧誘導轉錄因子-1 促進凋亡和微小RNA 促進凋亡。

1.B 細胞淋巴瘤-2 家族蛋白調控凋亡

B 細胞淋巴瘤-2(B-cell lymphoma-2, BCL-2)家族蛋白是介導細胞凋亡關鍵因子，其中BCL-2 和BCL-w等為凋亡抑制蛋白，BCL-2 拮抗蛋白(Bcl‐2 antagonist killer,BAK)、BCL-2 相關X 蛋白1 (BCL‐2 associated X protine1,BAX)為凋亡促進蛋白[10]。黃付敏等[12]在低氧環境下喂養大鼠30 天后，發現睪丸和附睪內精子數目顯著減少，睪丸生精上皮和間質腫脹，睪丸內生殖細胞Bax/Bcl-2 顯著升高，提示低氧環境下可能通過Bcl-2家族蛋白中Bax 的激活導致生殖細胞過度凋亡，從而抑制精子發生。Vergara 等[13]研究發現，與非凋亡的生殖細胞相比，凋亡生殖細胞的促凋亡蛋白BAX 和BAK的mRNA 水平均升高，而抗凋亡蛋白BCL-2 和BCL-w的mRNA 水平均下降，這提示BCL-2 家族蛋白促凋亡和抗凋亡成員不同的轉錄水平可能導致生殖細胞凋亡增加。低氧導致生殖細胞過度凋亡，不僅通過BCL-2 和BAX，可能還需要深入研究BCL-2 家族蛋白的其他成員。

2.低氧誘導轉錄因子-1 促進凋亡

低氧誘導轉錄因子-1 (Hypoxia-inducible transcription factors,HIF-1) 是在低氧環境下細胞產生的適應性介質，HIF-1 是由α 亞基和β 亞基組成的異二聚體，在低氧環境下其表達增加[14]，用小鼠粗線期精原細胞衍生的永生細胞系(GC-2spd,GC-2)細胞來模擬生殖細胞，研究表明HIF-1α 可能在低氧導致小鼠GC-2 細胞凋亡過程中起促進作用[15]。周建等[16]研究發現低氧環境下培養GC-2 細胞，與對照組相比，HIF-1α 基因表達增加，細胞發生了過度自噬，然而將低氧組HIF-1α 基因表達降低后，GC-2 細胞出現相反結果，提示生殖細胞過度凋亡可能是通過上調HIF-1α 基因的表達來實現的。尹建等[17]進一步發現在低氧環境下培養GC-2 細胞，細胞凋亡嚴重程度與時間成正相關，同時HIF-1α 蛋白的表達也明顯增加，降低HIF-1α 的表達后發現GC-2 細胞在低氧環境下凋亡受到抑制。

3.微小RNA 促進凋亡

微小RNA(MicroRNA,miRNA)是一種小片段非編碼RNA，其作用包括：調節蛋白質合成、參與基因轉錄后調控和介導細胞凋亡等。在低氧環境下，miRNA 調節生殖細胞凋亡過程中微小RNA-210(MicroRNA210,miR-210)占主導地位[18]。在低氧環境下發現GC-2 細胞的miR-210 上調，靶向作用于Kruppel 樣因子7，激活了凋亡信號通路，從而增加GC-2 細胞的凋亡[19]。

綜上所述，生殖細胞凋亡的過程有多個途徑參與，但其機制的研究仍不夠完善，不同途徑介導生殖細胞凋亡之間是否有聯系也需要更深入探索。

（二）活性氧產生過多

活性氧(Reaction oxygen species,ROS)是機體的代謝產物，主要由線粒體呼吸鏈的氧化反應產生，生理濃度的ROS 對精子獲能和頂體反應有重要作用[20]。ROS主要有H2O2、O2-和·OH 等，同時人體含有抗氧化系統，如超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)和谷胱甘肽還原酶(Gluathione reductase,GR) 等。一旦機體ROS 產生過多，體內抗氧化系統代償失衡，則會出現各種ROS 的毒性損害作用。研究發現，短期暴露高原環境后，抗氧化指標如SOD 的含量下降，而LPO、丙二醛(Malonic dialdehyde, MDA)、 一 氧 化 氮 (Nitric oxide,NO)、戊烷和尿液8- 羥基-2- 脫氧鳥苷(8-hydroxy-2-deoxyguanosine,8-OHdG)氧化應激指標含量升高[21-22]。這提示在高原低氧的環境下，人體會產生過多的ROS，會對男性生育力造成損害。目前認為高原低氧環境導致人體產生過量ROS 的機制有：低氧導致ROS 生成過多和清除減少。

1.低氧導致ROS 生成過多

其主要機制有： ①低氧導致精液中白細胞和畸形精子數量含量增高，二者是精液中ROS 的主要來源[23]。研究表明在低氧環境下，為應對睪丸缺氧，維持氧氣輸送量，血管內皮生長因子分泌增加[24]，導致小鼠睪丸血管形成增加，直徑增粗，使睪丸溫度升高[25]，產生熱應激效應，導致白細胞生成過多[26]。白剛等[27]研究發現在低壓、 低氧環境下小鼠的精子形態受損，畸形精子數增多。②低氧導致脂質過氧化反應(Lipid peroxides,LPO)，進而產生更多的ROS。精子細胞膜中的脂質主要由磷脂和膽固醇組成，磷脂是由多不飽和脂肪酸構成，這些脂肪酸分子中的雙鍵多數被亞甲基隔開，從而導致穩定性下降，易被氧化破壞[28]。一旦有ROS 過量產生，ROS 的羥自由基就會氧化亞甲基的碳- 氫鍵，啟動LPO，該過程會產生更多的ROS[29]。

2.低氧導致ROS 清除減少

其主要機制是： 低氧導致機體抗氧化系統活性下降。Farias 等[30]研究發現，低壓、低氧環境下培養大鼠32天后發現，睪丸和附睪的谷胱甘肽還原酶活性下降。GR是人體氧化還原體系中重要的酶，維持還原型谷胱甘肽的含量，后者具有抗氧化作用，清除機體產生的ROS。另一個重要的抗氧化酶是SOD，Malivindi 等[31]研究表明低氧作用下，維生素A 缺乏，導致精子中的SOD 活性顯著下降。一旦抗氧化系統相關酶的活性下降，ROS 的清除則會減少，導致體內ROS 蓄積，對精液產生影響。

現階段研究認為過量ROS 對精液質量損傷的機制主要有：①損傷精子DNA。研究表明ROS 導致DNA結構中的鳥嘌呤形成8- 羥基鳥嘌呤(8-Hydroxydeoxyguanosine,8-OHG)，從而影響堿基配對結構穩定性，破壞DNA 雙螺旋結構[32]，且精子中缺乏DNA 修復所需的關鍵酶，使修復過程僅停留在分離階段，造成修復不完全，產生無堿基位點的DNA，從而破壞DNA 雙鏈結構[35]；②使精子細胞膜發生LPO。LPO 會導致大量不飽和脂肪酸從質膜中流失，降低質膜流動性，并使跨膜結合蛋白失活，影響精子受精功能[34]，而且LPO 中產生的4- 羥基壬烯醛和丙烯醛，可以與DNA 堿基結合生成化合物，破壞DNA 堿基配對序列，損傷DNA 雙螺旋結構[35]，這些物質還可以與精子的動力蛋白鏈結合，損害精子運動能力[36]。

上述研究表明，高原低氧環境導致人體產生過量ROS，其機制包括生成過多和清除減少兩個方面。過量ROS 會導致男性精液質量下降，因此可以考慮用抗氧化劑來對抗這種毒性損害作用，從而保護并提高男性生育力，這是一個值得深入研究的方向。

（三）影響生殖激素水平

高原低氧環境會影響生殖激素水平。研究發現健康成年男性短期暴露在高原低氧環境下，機體卵泡刺激素(Follicle-stimulating Hormone,FSH)、 黃體生成素(Luteinizing Hormone,LH)和睪酮(Testosterone, T)水平下降[37]，且隨著海拔的升高FSH 和LH 水平進一步下降[38]。在動物實驗中也發現同樣現象[39]，這提示高原低氧環境的短期暴露會干擾下丘腦- 垂體- 睪丸軸和反饋調節，從而引起相關生殖激素分泌異常。國內對短期暴露高原低氧環境的健康成年男性研究發現，這些研究對象的精子濃度和活力下降，血清FSH、LH 和睪酮的水平也下降，回到平原地區6 個月后，精液參數和生殖激素恢復正常，這提示短期高原低氧暴露會對精液質量和生殖激素產生可逆的負面影響，且精液質量和生殖激素呈正相關[40]。

但在高海拔地區居住時間超過3年的人群卻發現，血清睪酮的含量增多，并且和血紅蛋白含量成正相關[41]，這可能是機體對高原低氧環境發生的適應性改變：長期居住在高原地區人群的芳香化酶活性降低，導致雄激素向雌二醇的轉化率降低，而17β- 羥基類固醇脫氫酶活性升高，使得孕烯醇酮向雄激素轉化率提高，從而提高機體睪酮的水平[42]。另有研究表明這可能是由于遺傳因素導致男性生育力對高原低氧環境產生適應現象[43,44]，導致高原常住居民的生育力與平原地區居民相比，并沒有顯著差異[45]。

高原低氧環境導致男性生殖激素發生改變的機制復雜，高原低氧環境通過下丘腦-垂體-睪丸軸來改變生殖激素水平的機制仍不去清楚，且高原短居和長居對男性生殖激素的影響無統一結論，有待進一步深入研究。

三、展望

目前研究表明，高原低氧環境會降低男性精液質量，其機制可能與生殖細胞過度凋亡、機體ROS 水平升高和生殖激素水平異常等有關，但尚無明確定論，需要進一步探究。現階段，低氧導致ROS 產生過量的機制，以及ROS 對精液產生負面影響是近年來的研究熱點，也為今后相關抗氧化劑干預治療提供可靠的理論基礎，具有重大臨床意義。高原低氧環境對男性下丘腦-垂體-睪丸軸的影響機制研究尚少，但生殖激素的改變會影響精液質量，所以該方面的研究有待深入加強。

由于地理環境和宗教等的影響，導致目前大多數研究對象代表性差和失訪率高，造成現階段高原低氧環境對精液質量和生殖激素影響的臨床研究結論有一定的差異，而且動物實驗無法完全模擬復雜的高原環境如海拔高度和進入高原地區時長、溫差等。因此需要大型的、 人群代表性強的和不同海拔高度的前瞻性研究來明確高原低氧環境對男性精液質量和生殖激素的影響，并探索其影響機制，從而為高原地區人群提供準確規范的生育指導。