仲崇副 韓斌 紀云 高兆旺

摘要 弱精子癥以精子活動力低下為主要表現(xiàn)，在男性不育中占有相當大的比例。而線粒體作為精子的供能中心，能夠通過氧化磷酸化將葡萄糖等代謝底物轉(zhuǎn)化為ATP，供應精子運動，所以線粒體能量代謝功能與精子活動力關系密切。通過研究分析近年的相關文獻，發(fā)現(xiàn)精子代謝功能受損多與呼吸鏈復合體活性下降、線粒體膜電位（MMP）降低、mtDNA的改變及活性氧（ROS）對線粒體造成破壞等因素有關，并且中醫(yī)藥對弱精子癥的治療也與其能改善線粒體能量代謝有關。

關鍵詞 線粒體;弱精子癥;能量代謝;呼吸鏈復合體;線粒體膜電位;線粒體DNA;活性氧;中醫(yī)研究

Research Progress of Relationship between Mitochondrial Energy Metabolism and Asthenospermia

ZHONG Chongfu1，HAN Bin2，JI Yun1，GAO Zhaowang1

（1 Affiliated Hospital of Shandong University of Traditional Chinese Medicine，Jinan 250014，China; 2 Shandong University of Traditional Chinese Medicine，Jinan 250014，China）

Abstract Asthenospermia is characterized by low sperm motility，which accounts for a large proportion of male infertility.As the energy supply center of sperm，mitochondria can transform glucose and other metabolic substrates into ATP through oxidative phosphorylation，which supplies sperm movement.Therefore，mitochondrial energy metabolism function is closely related to sperm motility.Through the research and analysis of the relevant literature in recent years，it is found that the damage of sperm metabolism is mainly related to the decline of respiratory chain complex activity，the decrease of MMP，the change of mtDNA and the damage of ROS to mitochondria，and the treatment of asthenospermia by traditional Chinese medicine is also related to the improvement of mitochondrial energy metabolism.

Keywords Mitochondria; Asthenospermia; Energy metabolism; Respiratory chain complex activity; Mitochondrial membrane potential; Mitochondrial DNA; Reactive oxygen species;Traditional Chinese Medicine research

中圖分類號：R242;R698文獻標識碼：Adoi：10.3969/j.issn.1673-7202.2021.04.026

隨著時代的發(fā)展，人類的生育問題已經(jīng)愈發(fā)突出。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的調(diào)查結果顯示，全球約有15%的夫婦存在生育問題，其中一半與男性因素有關，并且其預測不孕不育將在21世紀成為危害人類生活的主要疾病之一[1]。弱精子癥以精子活動力異常為主要表現(xiàn)，在男性不育患者中占有極高的比例，是導致男性不育的主要病因之一[2]。而精子運動所需的ATP主要來自線粒體，所以線粒體的能量代謝功能與精子活動力關系密切，任何影響線粒體代謝的因素都有可能對精子活力造成影響。

1 弱精子癥的定義

弱精子癥是指精子的濃度正常，僅活動力低于實驗室參考值（PR≥32%或PR+NP≥40%，PR：前向運動精子，NP：非前向運動精子）。作為精液常規(guī)的一個主要指標，精子活動力能夠直接反映精子質(zhì)量高低，并在一定程度上提示男性生育力的強弱。能夠引起精子活動力下降的因素包含遺傳、感染、理化因素等在內(nèi)有很多，但就具體機制而言尚未完全闡明。從生理結構來看，精子尾部鞭毛不停的擺動為其提供了向前移動的能力，而這一過程所消耗的能量主要來自線粒體產(chǎn)生的ATP。

2 線粒體能量代謝對精子活力的影響及相關機制

人類所攝入的營養(yǎng)物質(zhì)都需要在細胞內(nèi)經(jīng)有氧呼吸才能轉(zhuǎn)化為細胞能直接利用的“能量貨幣”。具體而言，葡萄糖、氨基酸、脂酸等代謝底物均需經(jīng)過有氧呼吸的3個階段方能被徹底分解并合成ATP，而其中三羧酸循環(huán)與氧化磷酸化主要發(fā)生在線粒體中。已經(jīng)證實線粒體內(nèi)具有多種能量代謝所必需的酶，其在氧化呼吸鏈及多種酶的驅(qū)動下能夠?qū)?分子葡萄糖經(jīng)過氧化磷酸化分解產(chǎn)生約34分子的ATP，其產(chǎn)能效率絕非細胞質(zhì)中的糖酵解所能夠比擬的。所以線粒體是包括精子在內(nèi)的人體細胞主要的ATP來源。

在精子形成并最終成熟的過程中，大多數(shù)線粒體都會隨著多余細胞質(zhì)一同丟失，最終在成熟精子中僅存留22～75個線粒體螺旋排列成線粒體鞘存在于精子尾部中段[3]，其產(chǎn)生的ATP直接精子鞭毛上的ATP酶分解，為精子鞭毛的擺動提供能量[4]。所以線粒體代謝功能與精子活動力密切相關，線粒體的能量代謝一旦受影響，就會導致精子活動力下降。其主要影響機制包括呼吸鏈復合體活性降低、線粒體膜電位（MMP）降低、mtDNA改變及活性氧（ROS）對線粒體的氧化損傷作用。

2.1 呼吸鏈復合體活性降低

線粒體提供的ATP主要來自其內(nèi)膜上的氧化呼吸鏈（ECT），其主要由5個復合體（復合體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）、細胞色素C和輔酶Q共同組成[5]。有氧呼吸的底物經(jīng)過氧化呼吸鏈將脫下的電子傳遞給氧分子，同時復合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ發(fā)揮其質(zhì)子泵作用，將質(zhì)子從線粒體基質(zhì)轉(zhuǎn)移到膜間隙，形成跨膜電位，利用其電勢能來驅(qū)動ATP合成酶合成ATP。倘若氧化呼吸鏈受到損傷，則會影響電子傳遞，影響ATP合成。

其中復合體Ⅰ又稱NADH脫氫酶復合體，是電子傳遞鏈中重要的電子切入點，當電子通過時，會將4個質(zhì)子從基質(zhì)中泵入膜間隙，從而形成質(zhì)子梯度差;復合體Ⅲ為細胞色素還原酶復合體，主要功能是電子從QH2供體轉(zhuǎn)移到細胞色素c受體，產(chǎn)生質(zhì)子梯度;復合體Ⅳ即是細胞色素氧化酶復合體，其位于氧化呼吸鏈的末端，能夠轉(zhuǎn)移電子到氧分子上將其轉(zhuǎn)化為水分子，并同時將線粒體基質(zhì)中的質(zhì)子轉(zhuǎn)移到膜間隙，亦有助于形成跨膜質(zhì)子梯度差。氧化磷酸化途徑的最終酶是ATP合酶復合體，它能利用電子傳遞鏈形成的跨膜質(zhì)子電化學勢能，驅(qū)使ADP與Pi結合產(chǎn)生ATP。

Bucak等[6]通過對少、弱精子癥患者精液的研究發(fā)現(xiàn)其精子線粒體中的呼吸鏈酶復合體的變異及損傷較正常精液明顯增多。李敦高[7]應用反轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應監(jiān)測弱精患者精液，發(fā)現(xiàn)其精子線粒體細胞色素氧化酶亞基Ⅰ和Ⅱ的表達水平較正常人明顯降低。這些說明包括細胞色素氧化酶在內(nèi)的線粒酶活性與精子活力存在一定的相關性，這些酶可能通過氧化呼吸鏈對線粒體ATP的產(chǎn)生造成影響，進而引起弱精子癥。

2.2 線粒體膜電位（MMP）的降低

在正常細胞的能量代謝中，線粒體內(nèi)三羧酸循環(huán)產(chǎn)生的能量傳遞給電子，電子則經(jīng)過呼吸鏈傳遞，同時線粒體內(nèi)膜上的質(zhì)子泵將線粒體基質(zhì)內(nèi)的質(zhì)子轉(zhuǎn)運到內(nèi)膜外側，形成內(nèi)負外正的跨膜電位差，此即線粒體膜電位（MMP）[8]。因此MMP與線粒體內(nèi)的三羧酸循環(huán)與氧化磷酸化密切相關，能夠反映線粒體的功能。MMP正常是維持氧化磷酸化，促使ATP不斷生成的先決條件。當MMP因各種因素而降低時，線粒體內(nèi)膜兩側電勢能降低，ATP產(chǎn)生障礙，精子鞭毛供能不足，活動力下降。已有研究表明MMP與精子的活力及受精率關系密切，精子保持活力需要較高的MMP[9-11]。國內(nèi)研究方面，白雙勇等[12]通過研究認為肥胖男性的精子MMP較普通人明顯下降，同時其精子前向運動率亦明顯下降，二者存在相關性。楊穎等[13]通過對203例男性精液的研究發(fā)現(xiàn)弱精子癥患者的MMP較正常人低，MMP與精子活力正相關，而與BMI負相關，這可能與BMI過高引起精漿中ROS增加有關。

由上可知MMP能通過線粒體的氧化磷酸化影響精子活力，且二者呈明顯的正相關。故而，檢測線粒體膜電位對于評價精子質(zhì)量有重要意義，能在目前精液常規(guī)的基礎上進一步判斷弱精子癥的原因，但能否通過相關的治療和調(diào)整如應用抗氧化劑、減肥等來提高MMP，進而提高精子活力仍未知，或許可以作為弱精子癥的治療思路進一步研究。

2.3 線粒體mtDNA改變

與其他體細胞相同，精子之中存在的線粒體DNA（mtDNA），由16 569 bp的堿基對組成雙鏈閉合環(huán)狀結構，能夠獨立自主的進行復制。其內(nèi)含有37個基因，共編碼13種蛋白質(zhì)，均是參與構成氧化呼吸鏈酶復合體的亞基，與線粒體氧化磷酸化及ATP的生成關系密切。這13種蛋白質(zhì)編碼區(qū)包括：編碼復合體Ⅰ亞基的ND1-ND6，編碼復合體Ⅲ的Cytb，編碼復合體Ⅳ亞基的CoⅠ-CoⅢ，編碼復合體Ⅴ亞基的ATP6-ATP8。此外，還有約1 100 bp的非編碼區(qū)，起調(diào)控作用并作為復制的起始點，被稱為控制區(qū)或者D環(huán)（D-loop）。

mtDNA不同于核DNA（nDNA），其在缺乏組蛋白保護的同時，還容易受到呼吸鏈產(chǎn)生的ROS的損傷，mtDNA發(fā)生改變后又缺乏修復系統(tǒng)，故而相比于nDNA，mtDNA更容易發(fā)生變異。精子運動所需的ATP絕大多數(shù)都來自線粒體的氧化磷酸化，所以氧化呼吸酶的活性與精子活力密切相關。而mtDNA所編碼的13種蛋白質(zhì)又是參與構成氧化呼吸酶復合體的亞基，且mtDNA中只有外顯子，故而mtDNA上任意一個位點的變異都有可能影響線粒體的氧化磷酸化，進而對精子活力造成危害。具體而言，主要體現(xiàn)在mtDNA的缺失和突變上。

2.3.1 mtDNA缺失

研究證實許多不育患者的精子均存在mtDNA的大片段缺失，其中以4 977 bp、mtATP6、mtcyb等基因片段的缺失最為常見。mtDNA的缺失會導致其所編碼的與氧化磷酸化相關的蛋白質(zhì)合成減少，對線粒體氧化磷酸化造成負面影響，最終導致ATP合成減少。

盛禮建等[14]采用PCR技術對弱精患者及正常人精子mtDNA進行了研究，結果弱精子癥患者4 977 bp缺失率遠高于正常人，說明其缺失與弱精子癥的發(fā)生存在一定聯(lián)系。國外的相關研究也得到了類似的結果[15-16]，其具體原因可能是因為4 977 bp的缺失是精子線粒體丟失了與氧化磷酸化相關的一些基因[17]。除此之外，另有研究表明，mtATP6、mtcyb[18]、ND5及ND6、7 436 bp[19]、4 866 bp等基因序列的缺失與精子運動障礙均有一定的相關性。

研究表明，線粒體mtDNA的缺失與精子活動力下降的確存在一定的相關性，其具體機制可能與其編碼合成氧化呼吸酶亞基能力的降低有一定的關聯(lián)。但就目前來說，相關研究大多局限在某一類mtDNA的缺失與弱精子癥的相關性，無法排除其他mtDNA缺失是否對此過程影響，而且其產(chǎn)生影響的具體機制仍不清楚，且不同的地區(qū)、民族及伴發(fā)疾病都會對實驗結果造成干擾，導致同一基因序列缺失的研究結果也不盡相同[20]。因此，關于mtDNA對線粒體能量代謝及精子活力的影響，可以從分子水平研究其具體機制及相關疾病如精索靜脈曲張等對其造成的影響，從基因水平指導弱精子癥的防治。

2.3.2 mtDNA突變

有研究證實，mtDNA突變率比nDNA高出10倍以上，倘若其突變發(fā)生在與氧化磷酸化有關的基因序列時，就會對精子的活力產(chǎn)生影響[21]。Siwar等[22]通過對不育患者基因序列的研究，在7個基因序列中發(fā)現(xiàn)了4個從未報道過的點突變，同時還發(fā)現(xiàn)個別弱精患者同時存在CoⅡ（m.8021 G/A）和tRNA（m.12 187C>A）2種基因突變。研究認為CoⅢ（m.9588G>A）錯義突變及CoⅠ基因（m.6307A>G）突變與精子的活動力密切相關[23-24]。馮春瓊等[25]通過PCR技術發(fā)現(xiàn)mtATP6基因上存在G8887A的點突變，并認為該突變可能會對精子活力產(chǎn)生影響。其原因可能是與mtATP6能夠編碼ATP合成酶的亞基，能夠?qū)€粒體氧化磷酸化產(chǎn)生影響有關。

目前，關于mtDNA突變的研究普遍存在樣本數(shù)量小的問題，且突變存在不確定性，區(qū)別中性突變則存在一定的困難。最后，mtDNA突變還存在著“閾值效應”的特點，在變異未達到相應的數(shù)量或者比例之前，其變異未必會對精子的功能產(chǎn)生影響。例如Güney等[26]發(fā)現(xiàn)在不育男性與正常男性的精子線粒體ATPase6、Cytb、ND1基因中都存在一定的突變，并且對其轉(zhuǎn)錄、翻譯等也產(chǎn)生了影響，2組比較差異無統(tǒng)計學意義，這或許提示基因突變在精子線粒體中普遍存在，只有其達到一定的閾值，才會對線粒體的功能及精子的質(zhì)量產(chǎn)生影響?？傊?，要想解釋mtDNA突變對精子活動力的影響及具體機制，則必須要更大樣本量以進行研究。

2.4 活性氧對線粒體的損傷

活性氧（ROS）即是氧自由基，包括超氧陰離子（O2-）、過氧化氫（H2O2）、羥基自由基（·OH）及NO在內(nèi)，隨著人體的生命活動不斷產(chǎn)生。人體正常的代謝便會產(chǎn)生ROS，但是適量的ROS非但不會對人體帶來危害，反而能夠參與精子的運動、獲能、頂體反應，促進精卵融合，但是過量的ROS就會對精子造成危害[27]。

正常情況下，人體內(nèi)存在的抗氧化系統(tǒng)能夠清除ROS，防止其對人體造成破壞。但是當機體受到包括感染、慢性炎癥反應、精索及睪丸疾病、環(huán)境因素等內(nèi)外刺激時，會產(chǎn)生大量的ROS，超出了人體抗氧化系統(tǒng)的清除能力，引起氧化應激損傷組織細胞。線粒體作為精子中的重要能量來源，也是精子中ROS的重要來源。線粒體中約有2%的O2呼吸鏈中漏出的電子還原成O2-[28]，也因此線粒體更易被ROS所攻擊，損傷具體表現(xiàn)主要包括以下3點。

2.4.1 引起線粒體酶蛋白的損傷

線粒體內(nèi)含有大量與氧化呼吸有關的酶，而過多的ROS會破壞這些酶的結構，使其失去活性，進而影響到氧化呼吸鏈的功能。有研究表明ROS與磷脂膜發(fā)生反應會產(chǎn)生丙二醛，進而導致酶蛋白失活[29]。凡永等[30]研究發(fā)現(xiàn)活力低下的精子中呼吸鏈復合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ的活性比起正常的精子要低。

2.4.2 引起線粒體膜電位的改變

有研究顯示過量的ROS會降低線粒體膜電位，進而影響精子的活力[31]。這可能是因為線粒體通透轉(zhuǎn)化孔道（MPTP）在受到ROS的刺激后出現(xiàn)非可逆性的開放，導致Ca2+大量釋放，同時水分子也大量進入，最終引起線粒體膜電位的下降及內(nèi)膜的損傷，影響ATP的合成。

2.4.3 造成mtDNA的損傷

mtDNA直接暴露在線粒體基質(zhì)中，缺少保護，因此極易遭到ROS的破壞而產(chǎn)生點突變、堿基缺失和插入等。有研究顯示mtDNA受到ROS的攻擊后比核DNA更易突變，且突變后也更容易造成相應的細胞結構及功能紊亂[32]。Güney等[33]也通過研究發(fā)現(xiàn)，mtDNA在受到ROS攻擊后，其ATPase6基因上的T8821C發(fā)生點突變，導致其編碼的氨基酸發(fā)生變化，最終導致氧化呼吸鏈的功能發(fā)生障礙，精子的活動力降低。mtDNA能夠編碼13種構成呼吸鏈酶的蛋白質(zhì)，而mtDNA受到攻擊后會影響這13種蛋白質(zhì)合成并最終對氧化呼吸鏈的代謝功能產(chǎn)生負面影響。

3 改善線粒體供能的治療

目前，弱精子癥的發(fā)病機制尚未完全闡明，所以對此病也沒有相應的特效藥，臨床治療也多是按男性不育癥來治療。其中線粒體作為精子的主要能量來源，許多治療也會對線粒體產(chǎn)生影響，提高線粒體的代謝功能，尤其是中醫(yī)中的溫腎化氣等治法往往能明顯增強線粒體的代謝，進而改善精子質(zhì)量。

3.1 西醫(yī)治療 對于弱精子癥，現(xiàn)代醫(yī)學治療手段主要包括藥物治療、手術治療和一般治療。一般治療主要包括避開高溫、輻射等有害環(huán)境，糾正熬夜、吸煙、酗酒等不良生活習慣[34]。手術治療以針對精索靜脈曲張的手術治療為主，有研究認為VC會導致患者精子出現(xiàn)氧化應激反應[35]，進而對精子MMP[36]、mtDNA[37]造成影響，最終導致精子線粒體功能下降，引起弱精子癥。臨床上VC患者在經(jīng)過手術治療后，其精子質(zhì)量能夠得到一定程度的改善。藥物治療主要是通過發(fā)揮抗氧化作用，減輕精子氧化應激反應進而改善線粒體供能及精子活力，臨床常用藥物包括維生素C、維生素E、輔酶Q10（CoQ10）[38]、硫辛酸、左卡尼汀等。除了抗氧化作用外，左卡尼汀能夠保護線粒體氧化呼吸鏈，避免其產(chǎn)生更多的ROS，硫辛酸能促進三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化，CoQ10還能促進線粒體產(chǎn)生ATP。

3.2 中醫(yī)研究

弱精子癥屬于中醫(yī)“不育”“精冷”的范疇。對于其病因病機，歷代醫(yī)家的觀點雖各有側重，但公認的一點是本病的發(fā)生與腎密切相關。中醫(yī)認為，腎藏精，主生殖，而腎中陽氣亦被稱為命門之火，具有溫養(yǎng)五臟六腑、四肢百骸的功能。正如《醫(yī)貫·玄元膚論》中認為男子陽中有陰，但以火為主;女子陰中有陽，以精為主。男女交合之時，陽氣與陰精交聚，然后才會有子嗣。而對于子嗣的產(chǎn)生，最重要的便是那一點“先天火氣”，由此可見命門之火在生殖、孕育方面極為重要。賈金銘和馬衛(wèi)國[39]認為精子本身亦有陰陽之分，精體為陰，而活動率為陽。而“陽化氣，陰成形”，所以精子活力高低與腎陽（命門之火）密切相關。對于弱精子癥，可選用菟絲子、淫羊藿、巴戟天、肉蓯蓉等溫補腎陽之品治療。相關研究也顯示采用采用溫補腎陽的方劑治療弱精子癥的確能取得不錯的療效[40-42]。這可能與溫補腎陽類的中藥能提高精子線粒體的代謝功能有關。

線粒體能夠通過三羧酸循環(huán)與氧化磷酸化將葡萄糖、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等轉(zhuǎn)化為ATP，進而供給全身細胞的生命活動。ATP與中醫(yī)學的“氣”有相似之處，二者均是構成人體并維持人體生命活動的最基本物質(zhì)，倘若人體ATP供應不足，就會出現(xiàn)乏力氣短等氣虛表現(xiàn)。而線粒體產(chǎn)生ATP這一過程，就與中醫(yī)學“少火生氣”高度相似。因此溫補腎陽類的中藥能夠增強線粒體的代謝，進而提高精子活力。邱林等[43]研究發(fā)現(xiàn)采用腎氣丸能夠通過修復線粒體結構、增強呼吸鏈復合體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的活性等方式改善肝細胞線粒體能量代謝。王桐生等[44]研究認為五子衍宗丸能夠保護精子線粒體的結構與功能，具體機制包括減輕線粒體腫脹、抑制精子MMP降低等。而李莉等[45]認為五子衍宗丸能夠提高少弱精子癥大鼠精子質(zhì)量，這可能是因為五子衍宗丸具有抑制精子線粒體MPTP的開放的作用。

總之，溫補腎陽的藥物能夠改善弱精患者精子活動力這一點肯定，這與其能夠提高精子線粒體代謝功能有關，具體機制包括保護線粒體結構、提高線粒體MMP、提高呼吸鏈復合體活性等有關，但目前尚無統(tǒng)一的結論。而且本類研究多以大鼠為模型，其研究結果對人類是否通用仍有待進一步驗證。

4 總結

綜上所述，線粒體作為精子的供能中心，其能量代謝功能的強弱與精子活力密切相關，而線粒體代謝功能降低也是弱精子癥的主要機制之一。導致線粒體功能減弱的具體因素十分復雜，主要包括呼吸鏈復合體活性下降、MMP的降低、mtDNA的改變等，而3者之間又能相互影響，例如呼吸鏈復合體活性下降會影響電子的傳遞，進而造成MMP降低，mtDNA的改變又可能導致呼吸鏈復合體的功能降低。ROS是破壞精子線粒體的主要因素，其不僅能直接破壞精子及線粒體的結構，還能損傷呼吸鏈復合體、mtDNA，并導致MMP降低，而線粒體呼吸鏈本身又是產(chǎn)生ROS的部位，當呼吸鏈受損，電子傳遞受阻時，會進一步促進ROS的產(chǎn)生，最終陷入“惡性循環(huán)”。目前，關于精子線粒體的研究主要集中在以上幾個方面，雖然尚不足以完全闡釋精子線粒體代謝功能受損的機制，但也提示線粒體功能受損及精子活動力降低應該是多因素共同作用的結果，并對弱精子癥的診斷及治療的研究指出了方向。

目前對于弱精子癥的診斷主要依靠精液常規(guī)，其中的精子濃度、精子活率等指標雖然能對精子的質(zhì)量進行評價，但無法提示不育的具體原因，對于進一步的治療也無法作出詳細的指導。而隨著技術的進一步發(fā)展，對于精子線粒體損傷的相關檢測例如MMP、呼吸鏈復合體、mtDNA損傷、MPTP等檢測將有助于進一步明確不育的發(fā)生機制，并指導治療。中醫(yī)藥在弱精癥的治療方面有得天獨厚的優(yōu)勢，對于弱精癥的治療以補腎為主，結合證型的不同也可以加入滋陰、補氣、活血、祛濕類的藥物。但在研究方面也存在一定的困難，一方面能夠?qū)е氯蹙Y的因素太多，另一方面中藥往往是復合制劑，內(nèi)含多種成分，所以難以明確中藥的作用靶點及相應有效成分。此外，類似的研究往往還存在樣本量較少、多為動物實驗而缺乏人類精子研究等問題。

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（2019-11-25收稿 責任編輯：楊覺雄）