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        精子DNA碎片與精液常規(guī)參數(shù)的相關(guān)性研究進(jìn)展

        2016-03-11 02:49:55王志強(qiáng)楊杰葛君陜文生
        河北醫(yī)藥 2016年19期

        王志強(qiáng) 楊杰 葛君 陜文生

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        ·綜述與講座·

        精子DNA碎片與精液常規(guī)參數(shù)的相關(guān)性研究進(jìn)展

        王志強(qiáng)楊杰葛君陜文生

        男性不育診斷的第一步傳統(tǒng)上采用精液常規(guī)檢查,但是,該檢查在判斷引起該疾病的潛在機(jī)制方面存在明顯的局限性。精子DNA碎片可能是生育障礙的致病因素,其評(píng)估已被建議作為男性不育實(shí)驗(yàn)室檢查的輔助項(xiàng)目,尤其是在應(yīng)用輔助生殖技術(shù)(ART)之前。通過(guò)對(duì)近期文獻(xiàn)進(jìn)行回顧,旨在評(píng)估精液常規(guī)參數(shù)和精子DNA碎片檢查作為診斷男性不育手段時(shí),兩者間可能相關(guān)性。

        輔助生殖;精液常規(guī)參數(shù);DNA碎片

        精液常規(guī)分析無(wú)論過(guò)去還是現(xiàn)在都是男性不育初步評(píng)估的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室檢查項(xiàng)目[1]。盡管該檢查并不完善,但是嚴(yán)格的方法學(xué)指導(dǎo)及質(zhì)量控制下進(jìn)行,精液常規(guī)分析可針對(duì)男性生育能力提供有用信息。某些患者,初步的精液檢查可以揭示精子功能障礙的一些基本形式,如弱精子癥或畸形精子癥[2],這對(duì)自然妊娠有嚴(yán)重的不利影響。然而,傳統(tǒng)精子的診斷能力仍存在局限性,據(jù)估計(jì),基本精液分析圖正常的男性有15%患有不育[3]。顯然,我們需要采取更為精確的測(cè)試,以準(zhǔn)確判斷男性不育的功能性病因及其與生殖結(jié)局的關(guān)系。許多近期研究證實(shí),精子DNA完整性是正常受精以及父系遺傳信息傳遞給子代的先決條件。因此,該技術(shù)可引進(jìn)為實(shí)驗(yàn)室常規(guī)檢查,可以豐富有關(guān)精液功能相關(guān)特征的診斷[4]。本文的目的是探討精子DNA完整性檢測(cè)與精液常規(guī)參數(shù)檢測(cè)的相關(guān)性以及臨床意義。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室和臨床評(píng)估精子DNA完整性檢測(cè)的診斷能力,并針對(duì)需要輔助生殖的夫妻,得出該檢測(cè)用于其有效治療的價(jià)值和實(shí)用性。

        1 精液常規(guī)分析

        精液顯微鏡檢查是一種檢測(cè)男性生育能力的基本方法,但近幾年,精液常規(guī)分析被認(rèn)為“過(guò)時(shí)”,其診斷能力遭遇挑戰(zhàn),尤其是在先進(jìn)的輔助生殖技術(shù)(ART)誕生之后,如卵母細(xì)胞胞漿內(nèi)單精子注射(ICSI)。但是,大部分男科專家仍一致認(rèn)為基本精液分析目前和將來(lái)都是男性不育初步評(píng)估最必不可少的項(xiàng)目。根據(jù)美國(guó)泌尿協(xié)會(huì)(AUA)和美國(guó)生殖醫(yī)學(xué)會(huì)(ASRM)的建議,完整的男性不育初步評(píng)估應(yīng)包含綜合病史及生育史的記錄、體格檢查以及至少兩項(xiàng)精液分析[5]。

        WHO于2010年發(fā)布了最新的第5版《人精液檢查與處理的實(shí)驗(yàn)室手冊(cè)》,該版本對(duì)之前的4個(gè)版本進(jìn)行了充分修訂。新版手冊(cè)提供了詳細(xì)的方法描述及其局限性[6],包括替代選項(xiàng),即實(shí)驗(yàn)室可根據(jù)特殊需要選擇應(yīng)用的檢測(cè)項(xiàng)目。應(yīng)重視檢測(cè)過(guò)程中的質(zhì)量控制以確保其謹(jǐn)慎性,以公認(rèn)的指南為依據(jù),采用標(biāo)準(zhǔn)操作流程[7]。更重要的是,新版WHO手冊(cè)創(chuàng)新的基本特征是引入了再評(píng)估和支持基本精液參數(shù)參考值的循證數(shù)據(jù)。盡管WHO手冊(cè)新提出的指南對(duì)精液參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和評(píng)估有重要意義,但是精液分析結(jié)果的診斷解釋仍需科學(xué)審查。

        精液常規(guī)參數(shù)所獲取的信息在一定程度上反映了精子發(fā)生過(guò)程的質(zhì)量,而該過(guò)程決定了精子的功能強(qiáng)弱以及精子的受精潛能。精子濃度、活力以及形態(tài)與體內(nèi)體外受精率具有相關(guān)性。

        一項(xiàng)或多項(xiàng)精液參數(shù)偏離參考值提示可能為男性因素導(dǎo)致夫妻的不孕不育問(wèn)題[8]。幾種不育問(wèn)題與精子質(zhì)量異常有關(guān),如精子形態(tài)異常,頭部畸形的精子數(shù)量增多,常可導(dǎo)致復(fù)發(fā)性流產(chǎn)[9]。但是,低于參考值的精液參數(shù)并不能排除體內(nèi)妊娠的可能性,或者與之相反,“正常”的精子常規(guī)參數(shù)報(bào)告也并不一定能夠保證讓人滿意的受精能力。

        由于評(píng)估方法存在內(nèi)在的局限性,精液標(biāo)本多變的性質(zhì),以及不同精液實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢查的能力水平不同,臨床上用對(duì)生殖結(jié)局進(jìn)行評(píng)估時(shí),可生育的男性與不能生育的男性可能存在部分重疊[10]。這可能是由于常規(guī)分析無(wú)法揭示男性生育障礙的潛在機(jī)制。為了豐富基本評(píng)估的診斷價(jià)值,有必要采取更專業(yè)的測(cè)試,在分子水平測(cè)定精子的功能完整性。越來(lái)越多的證據(jù)表明,精子DNA損傷與不良臨床結(jié)局具有相關(guān)性,精子染色質(zhì)完整性檢查有望成為實(shí)驗(yàn)?zāi)锌茖W(xué)的新型、有價(jià)值的診斷工具[11]。

        2 精子基因完整性評(píng)估

        2.1精子染色質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)精子染色質(zhì)為有序、緊密的晶體結(jié)構(gòu),由單倍體DNA和異構(gòu)蛋白組成。高度濃縮以及不溶性在父系遺傳信息通過(guò)男性和女性生殖道時(shí)起保護(hù)作用,并使遺傳信息可以保存在精核極小的體積內(nèi)[12]。Ward等[13]提出的模型描述了精子染色質(zhì)的結(jié)構(gòu),由DNA長(zhǎng)鏈起始,隨后在4個(gè)水平被逐漸包裝:染色體錨定,即DNA附著于核環(huán);DNA附著于核基質(zhì),形成DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu)域;組蛋白被精蛋白替代,將DNA壓縮成致密的“甜甜圈”樣構(gòu)型及染色體結(jié)構(gòu)。

        精子DNA與蛋白質(zhì)相互作用形成的致密復(fù)合物構(gòu)成高度穩(wěn)定且具有轉(zhuǎn)錄惰性的染色質(zhì)。精子發(fā)生和附睪轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中,組蛋白大部分(85%)被過(guò)轉(zhuǎn)換蛋白(TPs)替代,隨后被精蛋白替代。保留下來(lái)的15%組蛋白結(jié)合DNA位于對(duì)早期胚胎發(fā)育有重要遺傳作用的區(qū)域,如啟動(dòng)子、印跡位點(diǎn)和microRNAs[14]。精蛋白為高度堿性的蛋白質(zhì),大小為典型組蛋白的一半。人體內(nèi)已發(fā)現(xiàn)兩種精蛋白(P1和P2),而其他動(dòng)物體內(nèi)僅有P1。

        2.2誘導(dǎo)精子DNA損傷的機(jī)制精子核凝聚過(guò)程中發(fā)生一系列事件,包括拓?fù)渲嘏?、DNA結(jié)合蛋白轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)錄改變以及核小體結(jié)構(gòu)喪失。核酸內(nèi)切酶被認(rèn)為可以在精子發(fā)生中期制造和連接DNA鏈上的缺口,但是成熟精子內(nèi)正常情況下并無(wú)核酸內(nèi)切酶。據(jù)推測(cè),TPs有修復(fù)短暫性DNA缺口的作用,以預(yù)防射精的成熟精子發(fā)生持續(xù)性DNA損傷[15]。此外,精子在分子水平對(duì)胚胎有任何表觀遺傳機(jī)制的變動(dòng),如選擇性組蛋白保留、組蛋白修飾、轉(zhuǎn)錄因子、蛋白酶體組成以及DNA甲基化,都可能阻止父親的基因組向卵母細(xì)胞的有限傳遞,從而妨礙精子功能。

        染色質(zhì)構(gòu)型的形成過(guò)程中各階段發(fā)生改變均可能對(duì)精子功能產(chǎn)生不利影響。精子DNA損傷的發(fā)生主要與以下機(jī)制有關(guān):(1)減數(shù)分裂I期凋亡失敗導(dǎo)致射出的精子存在缺陷;(2)精子發(fā)生期間染色質(zhì)凝聚缺陷,包括精蛋白化缺陷和染色質(zhì)包裝不充分[16];(3)睪丸后氧化應(yīng)激,主要由內(nèi)外活性氧(ROS)和抗氧化能力不平衡導(dǎo)致[17];(4)內(nèi)源性半胱天冬酶和核酸內(nèi)切酶活性誘導(dǎo)的碎片;(5)各種病理性醫(yī)源性和環(huán)境因素,包括癌癥、抗腫瘤藥物、精索靜脈曲張、高溫、白細(xì)胞精子癥,有毒物質(zhì)的職業(yè)暴露,如胺甲萘,空氣污染以及男性年齡增長(zhǎng)[18]。此外,不育男性患者的精子DNA碎片與遺傳因素有關(guān)。基因的變異性與多態(tài)性在基因組完整性、減數(shù)分裂重組以及配子發(fā)生的調(diào)節(jié)過(guò)程中起關(guān)鍵作用,即錯(cuò)配修復(fù)途徑[19]、解毒途徑[20]和抗氧化保護(hù)[21]與精子DNA碎片風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)。染色體結(jié)構(gòu)重排,如相互易位和羅伯遜易位,臂間倒位以及染色體畸變,即Yq基因微缺失,與不育男性患者對(duì)精子DNA完整性減弱的易感性增加有關(guān)。這些因素的不利作用可能相互聯(lián)系。例如,精子發(fā)生過(guò)程中的功能機(jī)制障礙,如染色質(zhì)壓縮不良,可能導(dǎo)致所產(chǎn)生的精子后期對(duì)氧化應(yīng)激更為易感,從而對(duì)精子DNA完整性造成不利影響[22]。

        3 精子DNA碎片與實(shí)驗(yàn)室及臨床的相關(guān)性

        3.1與精液常規(guī)參數(shù)的相關(guān)性過(guò)去幾年中,幾項(xiàng)研究嘗試探討精子DNA碎片與常規(guī)精子參數(shù)之間的相關(guān)性,但未得出明確結(jié)論。大部分研究指出,DNA碎片率與精子質(zhì)量呈負(fù)相關(guān),其中精子質(zhì)量以精子濃度、活率、活力以及形態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估,而不考慮研究對(duì)象的年齡[23]。

        形態(tài)正常的精子百分比與DNA碎片呈顯著負(fù)相關(guān)[24]。染色質(zhì)結(jié)構(gòu)異常和DNA鏈斷裂與形態(tài)嚴(yán)重異常相關(guān),如巨頭、多尾畸形精子與二體同時(shí)存在,或發(fā)生伴異倍體率增高的圓頭精子癥。此外,特定的形態(tài)異常,如錐形頭,在DNA碎片增多的患者中無(wú)法解釋與復(fù)發(fā)性流產(chǎn)有關(guān)。頭部異常小的精子其體外受精(IVF)預(yù)后較差,且與高水平DNA碎片有關(guān)[25]。

        相反,有幾項(xiàng)研究報(bào)道沒(méi)有發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)精液參數(shù)(如精子濃度、運(yùn)動(dòng)性和形態(tài))與DNA碎片指數(shù)存在顯著相關(guān)性[26]。但是,根據(jù)WHO標(biāo)準(zhǔn)具有正常特征的精子也存在遺傳物質(zhì)受損[27]。與之不同的是,在一些特定的患者,如易位攜帶者和癌癥患者,精子染色體畸變并不總是伴隨精液特征(如正常形態(tài)精子百分比)異常[28]。

        不同研究在精液常規(guī)參數(shù)與DNA碎片指數(shù)的相關(guān)性方面存在爭(zhēng)議,其可能原因如下:(1)用于測(cè)定DNA完整性的方法不同:多數(shù)研究采用不同方法評(píng)估DNA碎片,因此常常檢測(cè)DNA損傷的不同方面,而且結(jié)果并不一定具有可比性。(2)精液常規(guī)參數(shù)分析方法和標(biāo)準(zhǔn)不同:精子計(jì)數(shù)以及形態(tài)評(píng)估所采用的技術(shù)不同可能影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外,各實(shí)驗(yàn)室依據(jù)的指南(如WHO 1999或WHO 2010手冊(cè))可能并不一致,從而導(dǎo)致界定“正?!钡膮⒖贾递^為混亂。(3)精液參數(shù)測(cè)定的質(zhì)量控制:精液分析研究很少提及實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定時(shí)是否為了保證結(jié)果的精確性,減少主觀性而采用了外部質(zhì)量控制。(4)研究人群的選擇標(biāo)準(zhǔn)缺乏一致性:各患者亞組所得出的結(jié)果并不一定具有可比性[25]。

        3.2與臨床參數(shù)的相關(guān)性精子DNA損傷可能在生殖過(guò)程的不同階段發(fā)揮作用,從胚胎的著床前發(fā)育開(kāi)始,到實(shí)現(xiàn)并維持妊娠,最后分娩健康子女。精子DNA損傷在生育的不同時(shí)間點(diǎn)均有影響,與以下臨床終點(diǎn)具有相關(guān)性:受精率、胚胎發(fā)育、著床、妊娠和流產(chǎn)率以及后代先天性異常。

        關(guān)于精子DNA碎片對(duì)受精率是否有影響的確存在一些爭(zhēng)議。受精結(jié)果與高水平精子DNA碎片呈負(fù)相關(guān)[29]。但是,如果DNA損傷的類型和程度可被卵母細(xì)胞的修復(fù)能力所平衡,那么即使精子DNA碎片率升高,仍可能實(shí)現(xiàn)受精。這在行ART的患者中尤為明顯,特別是ICSI,受精率與精子DNA碎片或異常DNA凝聚的發(fā)生率似乎并無(wú)相關(guān)性[26]。

        在精子DNA質(zhì)量受損的患者,胚胎可能出現(xiàn)凋亡和碎片,難以到達(dá)囊胚期。這在行ART(IVF和ICSI)的患者中較為明顯,基因組異常的精子可能對(duì)胚胎造成不可修復(fù)的損傷,導(dǎo)致胚胎發(fā)育停滯在囊胚期之前,且著床率較低[30]。

        大量研究證實(shí),精子DNA碎片程度增加對(duì)實(shí)現(xiàn)并維持妊娠有不利影響。復(fù)發(fā)性流產(chǎn)與多種基因組異常有關(guān),包括精子DNA碎片。根據(jù)IVF和ICSI數(shù)據(jù),DNA碎片程度增加時(shí)流產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)增加4倍。

        在復(fù)發(fā)性流產(chǎn)的夫妻中,非整倍體率與精子DNA碎片存在明顯相關(guān)性。相關(guān)研究表明,對(duì)于這類患者,非整倍體和DNA碎片呈相關(guān)性,提示精子發(fā)生過(guò)程中利用細(xì)胞凋亡的檢查點(diǎn)機(jī)制存在缺陷。這項(xiàng)觀察在由嚴(yán)重睪丸損傷或輸精管部分堵塞導(dǎo)致的嚴(yán)重少精子癥患者中也得到證實(shí)[31]。

        盡管發(fā)生DNA損傷的精子引起受精和妊娠的能力下降,但是也不排除可能得到讓人滿意的結(jié)果,尤其是在ICSI的輔助下。對(duì)于這些病例,其下一代的健康是否會(huì)受到影響目前尚不明確。

        職業(yè)暴露(金屬、溶劑、農(nóng)藥或煙)導(dǎo)致的父系DNA損傷與先天缺陷、兒童疾病甚至癌癥有關(guān)。近幾年,高齡且存在精子DNA高度損傷的男性,其子女中遺傳病的發(fā)生率增高,如精神分裂癥、軟骨發(fā)育不全以及Apert氏綜合征。

        精子DNA損傷可以認(rèn)為是一種“冰山效應(yīng)”,它在射精的所有精子中以不同程度存在,而且對(duì)卵母細(xì)胞和胚胎的修復(fù)能力進(jìn)行一般描述也存在局限性,因此應(yīng)用有創(chuàng)性ART(如ICSI)時(shí)應(yīng)注意存在的風(fēng)險(xiǎn)。毫無(wú)疑問(wèn),盡管需要進(jìn)一步的隨訪研究,但是后代中與精DNA質(zhì)量相關(guān)的發(fā)病率其嚴(yán)重性仍值得我們注意。

        將精子DNA損傷測(cè)試完全用于常規(guī)臨床工作仍需大規(guī)模臨床試驗(yàn)。確定不育患者中哪些特定人群可從該項(xiàng)測(cè)試中獲益是一種更為現(xiàn)實(shí)的途徑。特發(fā)性不育的男性,進(jìn)行過(guò)放化療的癌癥患者,男性染色體結(jié)構(gòu)異常攜帶者,ART妊娠率較低以及胚胎質(zhì)量差的不育男性,嚴(yán)重形態(tài)異常,即多態(tài)畸形精子癥、圓頭精子癥[32],存在引起DNA損傷的潛在因素,如精索靜脈曲張、反復(fù)ART失敗、流產(chǎn)、炎癥或生殖道感染。

        對(duì)于特定患者,DNA損傷的詳細(xì)信息聯(lián)合精液常規(guī)評(píng)估可在ART前評(píng)估,包括完整病史評(píng)估、臨床檢查以及女性因素調(diào)查的綜合精液學(xué)檢查決定了其步驟。如果評(píng)估發(fā)現(xiàn)了病理機(jī)制,如精索靜脈曲張或白細(xì)胞精子癥,應(yīng)進(jìn)行治療,即手術(shù)治療或抗菌治療,然后復(fù)查精液分析和DNA碎片評(píng)估。如果ART失敗,盡管多次精液分析均為正常,且不存在女性病理因素,也應(yīng)進(jìn)行精子DNA碎片評(píng)估。DNA碎片程度增加需要經(jīng)驗(yàn)性治療,如補(bǔ)充抗氧化劑或調(diào)整生活方式,以減少可能發(fā)生的氧化應(yīng)激相關(guān)損傷。

        Aitken認(rèn)為,“常規(guī)精液評(píng)估的發(fā)明永遠(yuǎn)代表了男性生育功能評(píng)估的基礎(chǔ)”[33]。這顯然是正確的,因?yàn)榫悍治霭凑展J(rèn)的方法在嚴(yán)格的質(zhì)量控制下進(jìn)行。鑒于過(guò)去幾十年中越來(lái)越多的科學(xué)數(shù)據(jù)表明,精子完整性對(duì)男性生殖能力有非常重要的意義,因此對(duì)精子DNA損傷進(jìn)行詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)化檢查可合理地用于不孕不育夫妻的綜合檢查。當(dāng)然,下列各項(xiàng)問(wèn)題仍有待解決以達(dá)成共識(shí):最佳檢查的選擇、操作方法以及最重要的決定結(jié)果的臨床相關(guān)性及診斷價(jià)值的閾值。

        總之,用于診斷男性不育的整體分析今后將在于對(duì)精液常規(guī)參數(shù)和精子基因組完整性的信息進(jìn)行有效結(jié)合。需要進(jìn)行有目的的大規(guī)模研究,對(duì)確定具體特質(zhì)及參考值的變量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,以輔助優(yōu)化特定類型男性不育的診斷、治療和預(yù)防。

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        10.3969/j.issn.1002-7386.2016.19.041

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        1002-7386(2016)19-3017-04

        2016-02-25)

        項(xiàng)目來(lái)源:甘肅省中醫(yī)藥管理局科研項(xiàng)目(編號(hào):GZK-2014-48)

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