張鍇佳,張雪妍,秦小明,2*,林海生,2,高加龍,2,鄭惠娜,2,曹文紅,2
(1.廣東海洋大學(xué) 食品科技學(xué)院,廣東 湛江 524088; 2.廣東省水產(chǎn)品加工與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東普通高等學(xué)校水產(chǎn)品深加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國家貝類加工技術(shù)研發(fā)分中心(湛江),南海生物資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心,廣東 湛江 524088)
隨著人們生活習(xí)慣的改變和環(huán)境惡化,不孕不育問題日益凸顯。目前,全球8%~12%的育齡夫妻正面臨著生殖健康問題,其中,約有一半的病例由男性引發(fā),涵蓋至少3 000萬名男性,并以年平均0.37%的速度逐年增加[1-4]。造成男性不育的病因非常復(fù)雜,遺傳因素、泌尿系統(tǒng)疾病、環(huán)境毒素、高溫、不良生活習(xí)慣和過度肥胖等因素均可導(dǎo)致[5]。下丘腦-垂體-性腺軸激素分泌正常和睪丸組織完整對促進(jìn)精子發(fā)生具有至關(guān)重要的作用[6-7],有研究報(bào)道,外源毒素可通過作用于性腺軸,導(dǎo)致激素分泌紊亂[8],通過氧化應(yīng)激導(dǎo)致睪丸組織損傷,且精子發(fā)生極易受到活性氧(ROS)的影響,從而導(dǎo)致生殖細(xì)胞DNA損傷、畸形和凋亡,所幸由氧化應(yīng)激引起的生殖損傷并非不可逆[9-10]。
雷公藤甲素(TP)是中藥雷公藤的主要活性物質(zhì)之一,臨床上被用于治療類風(fēng)濕、炎癥和腫瘤等疾病[11-13]。然而,TP對人體具有強(qiáng)烈的生殖毒性,服用過量會(huì)出現(xiàn)睪丸萎縮、激素分泌紊亂和無精少精等不良反應(yīng)[14-15]。TP誘導(dǎo)氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡是其發(fā)揮生殖毒性的主要機(jī)理。王昊等[16]研究發(fā)現(xiàn),TP通過上調(diào)細(xì)胞內(nèi)活性氧水平誘導(dǎo)TM4細(xì)胞凋亡。TP誘導(dǎo)睪丸組織內(nèi)ROS積累進(jìn)而導(dǎo)致血睪屏障破壞,最終導(dǎo)致睪丸損傷,睪丸支持細(xì)胞凋亡[17]。然而,由TP誘導(dǎo)氧化應(yīng)激導(dǎo)致的男性生精障礙,可能通過激活細(xì)胞內(nèi)抗氧化水平而得以恢復(fù)。
香港牡蠣Crassostreahongkongensis俗稱生蠔,隸屬于軟體動(dòng)物門Mollusca雙殼綱Bivalvia珍珠貝目Pterioida牡蠣科Ostreidae,主要分布于中國廣東、廣西地區(qū)[18],2020年養(yǎng)殖量達(dá)到542.5 萬t,產(chǎn)量居四大經(jīng)濟(jì)貝類之首[19]。牡蠣味道鮮美、營養(yǎng)豐富,具有“海洋牛奶”的美稱[20],同時(shí)還具備抗氧化[21]、抗皮膚光老化[22]、促進(jìn)創(chuàng)傷愈合[23]、改善睡眠[24]和提高學(xué)習(xí)記憶[25]等生物活性。此外,牡蠣酶解產(chǎn)物(oyster enzymatic hydrolysate, OEH)還可以顯著提高睪丸間質(zhì)細(xì)胞增殖活性并促進(jìn)睪酮分泌[26]。張雪妍等[27]發(fā)現(xiàn),牡蠣酶解產(chǎn)物對TP誘導(dǎo)的TM4小鼠睪丸支持細(xì)胞的氧化損傷具有顯著保護(hù)作用??梢?,牡蠣酶解產(chǎn)物對男性生殖損傷和生精障礙具有潛在的保護(hù)效果,但牡蠣酶解產(chǎn)物改善雄性精子發(fā)生的作用效果和作用機(jī)理尚不明確。本研究中,以香港牡蠣酶解產(chǎn)物為研究對象,通過腹腔注射TP構(gòu)建雄性小鼠生精障礙模型,探討了牡蠣酶解產(chǎn)物對改善小鼠生精功能的作用效果和可能機(jī)制,以期為牡蠣產(chǎn)品的開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。
試驗(yàn)用香港牡蠣購于湛江霞山東風(fēng)水產(chǎn)品市場,購回后立即開殼取肉,洗凈瀝干后于-80 ℃超低溫冰箱中保存。
試驗(yàn)動(dòng)物:健康SPF級5周齡雄性ICR小鼠,購于珠海百試通生物科技有限公司,動(dòng)物許可證號SYXK(粵)2019-0204,飼養(yǎng)溫度為22~26 ℃,濕度為50%~60%,光周期為12 h明暗交替,投喂C60輻照試驗(yàn)鼠維持飼料和蒸餾水。
藥品與試劑:動(dòng)物蛋白酶(酶活力為8.6×104U/g)(廣西南寧龐博生物工程有限公司);雷公藤甲素(上海源葉生物科技有限公司);維生素E(廣州星群藥業(yè));BCA蛋白濃度測定試劑盒(增強(qiáng)型)(上海碧云天生物技術(shù)有限公司);小鼠睪酮(T)、小鼠促黃體生成素(LH)和小鼠促卵泡生長激素(FSH)ELISA試劑盒(均為江蘇酶免實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)品);丙二醛(MDA)(TBA法)、總超氧化物歧化酶(SOD)(WST-1 法)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-PX)、過氧化氫酶(CAT)(紫外法)、乳酸脫氫酶(LDH)測定試劑盒及精子快速染色液(快速改良巴氏法)(均為南京建成生物工程研究所產(chǎn)品);二甲苯、無水乙醇和中性樹膠(分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);伊紅(HE)染液套裝(Servicebio);扇貝GBW10024(GSB-15扇貝)(中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所);其他試劑均為分析純。
儀器設(shè)備:FE28型pH計(jì)(瑞士Mettler Toledo公司);FD-551大型立式冷凍干燥機(jī)(東京理化器械公司);Lynx6000高速落地離心機(jī)、Varioskan Flash全自動(dòng)酶標(biāo)儀(美國Thermo公司);VAPODEST-450全自動(dòng)凱氏定氮儀(德國格哈特分析儀器有限公司);ICP-MS(安捷倫 Agilent 7500cx);微波消解儀(Anton PaarMultiwave PRO 41HVT56);CKX41型倒置顯微鏡(日本Olympus公司);正置光學(xué)顯微鏡(日本尼康公司)。
1.2.1 牡蠣酶解產(chǎn)物制備 將牡蠣肉按料液比1∶3(質(zhì)量比)加入蒸餾水勻漿,調(diào)節(jié)pH至7.0,按酶活和底物比1 000∶1(U∶g)加入動(dòng)物蛋白酶,53 ℃下保溫酶解5 h后,在沸水浴中滅酶15 min,離心取上清液,濃縮上清液后冷凍干燥制成牡蠣酶解粉,置于-20 ℃下保存。
1.2.2 基本成分測定 分別采用凱氏定氮法(GB 5009.5—2016)、苯酚-硫酸法(GB/T 9695.31—2008)、索氏抽提法(GB 5009.6—2016)、常壓干燥法(GB 5009.3—2016)和高溫灼燒法(GB 5009.4—2016)測定粗蛋白質(zhì)、總糖、粗脂肪、水分和灰分含量。
1.2.3 氨基酸組成測定 采用GB 5009.124—2016測定牡蠣酶解產(chǎn)物中氨基酸含量。
1.2.4 微量元素測定 采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)(GB/T 5009.268—2016)測定牡蠣酶解產(chǎn)物微量元素銅(Cu)、鋅(Zn)、鐵(Fe)、錳(Mn)和硒(Se)的含量。
1.2.5 動(dòng)物試驗(yàn)
1)動(dòng)物分組。將健康雄性ICR小鼠隨機(jī)分為6組,每組8只,分別為空白組(C)、模型組(M)、陽性組(P),以及牡蠣酶解產(chǎn)物低、中、高劑量組(OEH-L、OEH-M、OEH-H),經(jīng)適應(yīng)性喂養(yǎng)7 d后開始正式試驗(yàn)。
2)劑量確定。TP注射劑量參考Ma等[17]的方法,按120 μg/kg(體質(zhì)量)進(jìn)行腹腔注射;維生素E(VE)按6.5 mg/kg(體質(zhì)量)進(jìn)行灌胃;OEH低、中、高劑量分別按250、500、1 000 mg/kg(體質(zhì)量)進(jìn)行灌胃,每天一次腹腔注射和灌胃,連續(xù)進(jìn)行21 d。各組動(dòng)物腹腔注射和灌胃情況如表1所示。
3)試驗(yàn)過程。每只小鼠的灌胃量及腹腔注射量為0.1 mL/10 g(體質(zhì)量),試驗(yàn)開始后每天記錄小鼠體質(zhì)量,在末次灌胃和腹腔注射后開始禁食不禁水12 h,各組小鼠稱量體質(zhì)量后摘除眼球取血,犧牲小鼠后取出小鼠兩側(cè)睪丸及附睪,左右睪丸分別稱重后,將左側(cè)睪丸立即浸泡于多聚甲醛中,右側(cè)睪丸使用液氮凍存,用于生化指標(biāo)測定。
表1 不同組小鼠灌胃及腹腔注射情況Tab.1 Intraperitoneal injection and gavage of mice in different groups
1.2.6 相關(guān)指標(biāo)測定
1)臟器系數(shù)。取出小鼠左、右睪丸后使用電子天平稱重,計(jì)算全睪丸臟器系數(shù),計(jì)算公式
全睪丸臟器系數(shù)=(左側(cè)睪丸質(zhì)量+右側(cè)睪丸
質(zhì)量)/小鼠質(zhì)量×100%。
2)精子參數(shù)。取出小鼠左、右附睪,縱向切3刀后浸入37 ℃預(yù)熱生理鹽水中,并在37 ℃下孵育10 min,浸出精子后使用血球觀察并計(jì)數(shù)總精子數(shù)和活動(dòng)精子數(shù)。取游離精子于載玻片上,使用精子快速染色液對精子進(jìn)行染色,隨后在顯微鏡下拍照并計(jì)數(shù)200個(gè)精子并計(jì)算畸形率,計(jì)算公式為
精子畸形率=缺陷精子數(shù)/200×100%。
3)睪丸組織切片觀察。將新鮮小鼠左側(cè)睪丸用固定液固定48 h后,在脫水機(jī)內(nèi)依次用梯度乙醇進(jìn)行脫水而后浸蠟,將浸蠟后的組織于包埋機(jī)內(nèi)進(jìn)行包埋,包埋后的蠟塊置于石蠟切片機(jī)切片,最大面切片,厚度為4 μm。切片脫蠟復(fù)水后用蘇木素和伊紅染色,封片后采用顯微鏡鏡檢并采集圖像分析。
4)睪丸組織生化指標(biāo)。將小鼠右側(cè)睪丸和9倍體積的生理鹽水使用勻漿器勻漿,制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的睪丸組織勻漿液。采用南京建成生物工程研究所試劑盒分別測定睪丸組織酶活性(LDH、CAT、SOD、GSH-PX)和MDA含量。
5)血清激素水平。將小鼠血液在室溫下自然凝固20 min,4 ℃下以8 000 r/min離心20 min,取上清液,使用ELISA試劑盒測定血清中T、FSH和LH含量。
試驗(yàn)結(jié)果均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±S.D.)表示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用T檢驗(yàn)法進(jìn)行差異顯著性分析,顯著性水平設(shè)為0.05,極顯著性水平設(shè)為0.01。
從表2可知,OEH基本組成成分中含量最高的是蛋白質(zhì),按干基質(zhì)量計(jì)算達(dá)到46.89%,其次為總糖,含量為35.79%,而脂肪僅占8.93%。因此,OEH具有高蛋白、低脂肪的特征。
表2 牡蠣酶解產(chǎn)物的基本組成成分含量(n=3)Tab.2 Content of the proximate compositions of the OEH (n=3) w/%
從表3可見:OEH的游離氨基酸和水解氨基酸均含有7種必需氨基酸,且必需氨基酸與總氨基酸的比值分別為48.42%和36.04%,均高于聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和世界衛(wèi)生組織(WHO)推薦的理想蛋白模式;OEH中支鏈氨基酸(異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸)占水解總氨基酸的18.50%。這表明,OEH氨基酸含量豐富、種類齊全、構(gòu)成比例均衡。
經(jīng)測定,OEH中Zn含量最高,為(1 879.9±15.11) μg/g,其他微量元素含量依次為Cu>Fe>Mn>Se,分別為(759.9±15.1)、 (91.2±6.1)、(23.1±0.8)、(1.8±0.1) μg/g。
本試驗(yàn)中從宏觀和微觀兩個(gè)水平驗(yàn)證牡蠣酶解產(chǎn)物對小鼠睪丸組織結(jié)構(gòu)的影響。從表4可見,TP和OEH對小鼠體質(zhì)量無顯著性影響(P>0.05);與空白組相比,模型組小鼠睪丸系數(shù)極顯著降低(P<0.01),與模型組相比,陽性組和OEH-L組小鼠睪丸系數(shù)略有提高(P>0.05),而OEH-M組和OEH-H組睪丸系數(shù)均有顯著提高(P<0.05)。這表明,中、高劑量牡蠣酶解產(chǎn)物可能通過改善睪丸萎縮提高了小鼠睪丸系數(shù)。
表3 牡蠣酶解產(chǎn)物的氨基酸組成Tab.3 Amino acid composition of OEH g/100 g OEH
表4 牡蠣酶解產(chǎn)物對小鼠體質(zhì)量和睪丸系數(shù)的影響Tab.4 Effects of OEH on body weight and testicular coefficient in mice
從睪丸組織HE染色可以清晰觀察到,空白組睪丸生精小管排列緊密整齊,精管內(nèi)生精細(xì)胞數(shù)量密集、分布均勻、形態(tài)良好;模型組睪丸精管內(nèi)生精細(xì)胞明顯減少,細(xì)胞分布紊亂,出現(xiàn)大量空泡;與模型組相比,陽性組、OEH-L組、OEH-M組和OEH-H組精管內(nèi)生精細(xì)胞數(shù)量明顯提高,細(xì)胞形態(tài)顯著改善,陽性組與OEH組對睪丸組織的改善效果相近,且隨著OEH劑量的提高,OEH對睪丸組織損傷的改善效果更佳(圖1)。這表明,OEH具有提高生精細(xì)胞數(shù)量、減少精管空泡化并維持睪丸組織結(jié)構(gòu)的作用,且具有一定的劑量依賴性。
圖1 牡蠣酶解產(chǎn)物對小鼠睪丸組織結(jié)構(gòu)的影響(HE染色,200×)Fig.1 Effects of OEH on testicular histological structure in mice(HE staining, 200×)
從表5可見:模型組小鼠精子數(shù)量極顯著低于空白組(P<0.01);陽性組和OEH-L組小鼠精子數(shù)量雖有增加但與模型組相近(P>0.05);與模型組相比,OEH-M組和OEH-H組精子數(shù)量極顯著提高(P<0.01),精子數(shù)量水平與空白組相近。這表明,中、高劑量OEH能通過改善精子發(fā)生,提高小鼠精子數(shù)量。從表5還可見:模型組小鼠精子活動(dòng)率極顯著下降(P<0.01),經(jīng)過陽性藥物和OEH治療后小鼠精子活動(dòng)率明顯提高,中、高劑量OEH能極顯著提高精子活動(dòng)率(P<0.01),且高劑量OEH對精子活動(dòng)率的改善效果優(yōu)于中劑量OEH;與空白組相比,模型組精子畸形率明顯升高(P<0.01),陽性組和OEH組精子畸形率極顯著降低(P<0.01),改善了精子形態(tài)。這表明,OEH具有改善小鼠精子質(zhì)量的作用。
通過染色觀察精子形態(tài)發(fā)現(xiàn),空白組精子形態(tài)完整,而模型組精子出現(xiàn)大量頭部缺陷和短尾等畸形精子(圖2)。
表5 牡蠣酶解產(chǎn)物對小鼠精子參數(shù)的影響Tab.5 Effects of OEH on sperm parameters in mice
圖2 牡蠣酶解產(chǎn)物對小鼠精子形態(tài)的影響(200×)Fig.2 Effects of OEH on sperm morphology in mice (200×)
模型組小鼠睪丸中LDH活力極顯著降低(P<0.01),陽性組和OEH組LDH活性均極顯著提高(P<0.01),且OEH對提高睪丸LDH活性的作用具有劑量依賴性(表6)。模型組小鼠睪丸組織中SOD、CAT、GSH-PX活性極顯著降低(P<0.01),MDA含量極顯著提高(P<0.01);陽性組CAT活性與模型組相近,而OEH組CAT活性極顯著提高(P<0.01);陽性組和OEH組SOD活性均有明顯改善(P<0.05),然而低劑量OEH組提高SOD活性的效果優(yōu)于中、高劑量OEH組;陽性組和OEH組GSH-PX活性均極顯著提高(P<0.01);與模型組相比,陽性組和OEH組睪丸組織中MDA含量均極顯著降低(P<0.01)(表6)。
從表7可見:與空白組相比,模型組小鼠血清中T水平極顯著降低(P<0.01),而FSH和LH水平則極顯著升高(P<0.01);與模型組相比,陽性組及OEH組小鼠血清T水平極顯著提高(P<0.01),而FSH和LH水平極顯著降低(P<0.01)。這表明,經(jīng)過陽性藥物和OEH治療后,均可有效改善TP藥物誘導(dǎo)的激素異常現(xiàn)象,使各組小鼠血清中T、FSH和LH水平恢復(fù)至與空白組相近。
表6 牡蠣酶解產(chǎn)物對小鼠睪丸組織酶活性的影響Tab.6 Effects of OEH on enzyme activity in testicular tissue in mice
表7 牡蠣酶解產(chǎn)物對小鼠血清激素的影響Tab.7 Effects of OEH on serum hormone concentrations in mice
有研究表明,補(bǔ)充適量支鏈氨基酸可能具有維持小鼠精子功能和促進(jìn)睪酮分泌的作用[28],補(bǔ)充精氨酸可改善小鼠精子質(zhì)量并提高睪酮水平,進(jìn)而對生殖毒性起到拮抗作用[29]。本試驗(yàn)表明,OEH總氨基酸中含有較高比例的支鏈氨基酸(18.5%)和精氨酸(7.57%),OEH中高含量的支鏈氨基酸和精氨酸有利于提高小鼠睪酮水平,從而起到生精的作用。此外,OEH中還具有較高含量的疏水氨基酸,其游離氨基酸中疏水氨基酸占總氨基酸的49.95%,水解氨基酸中疏水氨基酸占總氨基酸的35.41%,高比例的疏水氨基酸有利于與脂類物質(zhì)相結(jié)合,因此,可能促進(jìn)了OEH與靶器官和靶細(xì)胞的相互作用。
鋅在人體中含量豐富,同時(shí)對維持正常生理生化功能起著重要作用,尤其對男性生殖系統(tǒng)發(fā)揮著改善精子形態(tài)和調(diào)節(jié)內(nèi)分泌系統(tǒng)的重要生理學(xué)作用[30]。有研究發(fā)現(xiàn),精液和前列腺中含有高濃度的Zn,其參與多種調(diào)控,從精子發(fā)生到受精各階段相關(guān)蛋白的構(gòu)成,發(fā)揮著控制精子獲能、頂體胞外分泌和提供抗氧化活性等作用[31],而睪丸的發(fā)育和雄性激素生成也有賴于一定水平的Zn,可見Zn對男性生殖具有重要作用。本試驗(yàn)測得OEH中Zn含量較高,為(1 879.9±11.11) μg/g,Cu含量同樣豐富,為(759.9±15.11) μg/g,Cu是人體必需微量元素,補(bǔ)充足量的Cu可以預(yù)防人體多種疾病。因此,OEH中Zn、Cu等微量元素可能是改善小鼠生精功能的功效成分之一。
乳酸脫氫酶是一種糖代謝酶,大量存在于生精細(xì)胞中并為精子發(fā)生、精子活動(dòng)提供能量[32]。本試驗(yàn)中,OEH能極顯著提高睪丸組織中LDH活性,OEH可能通過提高LDH活性改善睪丸能量代謝的途徑,促進(jìn)精子發(fā)生提高精子活力。
氧化應(yīng)激通過誘導(dǎo)睪丸間質(zhì)細(xì)胞、睪丸支持細(xì)胞和生精細(xì)胞凋亡進(jìn)而導(dǎo)致生精障礙,是男性不育的重要原因之一[10]。本試驗(yàn)中,通過測定小鼠睪丸組織中與清除氧化自由基密切相關(guān)的SOD、CAT、GSH-PX活性和氧化應(yīng)激產(chǎn)生的脂質(zhì)過氧化物MDA含量,以評估OEH對小鼠睪丸氧化應(yīng)激的影響,結(jié)果表明,雷公藤甲素藥物可能通過降低小鼠睪丸組織抗氧化能力導(dǎo)致氧化應(yīng)激水平升高,從而造成睪丸氧化損傷。而OEH可能通過提高SOD、CAT和GSH-PX活性,提高了小鼠睪丸組織內(nèi)清除氧化自由基的能力,并抑制睪丸內(nèi)MDA生成,從而緩解雷公藤甲素藥物造成的氧化應(yīng)激損傷。
雄激素屬于類固醇物質(zhì),具有促進(jìn)雄性性器官發(fā)育、精子發(fā)生和維持性欲等作用,是調(diào)節(jié)雄性生育能力的關(guān)鍵物質(zhì),因此,通過衡量雄激素水平可以評估雄性的生育能力[33]。性激素分泌主要由下丘腦分泌GnRH作用于垂體,并刺激垂體分泌FSH和LH,它們分別刺激睪丸支持細(xì)胞和睪丸間質(zhì)細(xì)胞分泌T,從而形成完整的“下丘腦-垂體-性腺”的雄性激素分泌過程[6]。本試驗(yàn)表明,雷公藤甲素藥物可能通過損傷“下丘腦-垂體-睪丸軸”減少小鼠T分泌,而低T水平經(jīng)負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制刺激下丘腦分泌更多促性腺激素釋放激素,并作用于垂體前葉導(dǎo)致小鼠血清中LH和FSH水平升高。而OEH通過保護(hù)睪丸組織,維持睪丸正常激素分泌功能,促進(jìn)小鼠T分泌,進(jìn)而恢復(fù)小鼠血清中LH和FSH水平。這表明,OEH可能通過介導(dǎo)“下丘腦-垂體-性腺軸”調(diào)節(jié)TP誘導(dǎo)的雄性生精障礙小鼠血清雄激素水平恢復(fù)至正常。
1)OEH可有效改善由雷公藤甲素藥物引起的小鼠睪丸損傷,提高睪丸系數(shù)和精管內(nèi)生精細(xì)胞數(shù)量;顯著提高小鼠精子數(shù)量、精子活動(dòng)率,并顯著降低精子畸形率。
2)OEH可提高小鼠睪丸組織酶活性(LDH、CAT、SOD、GSH-PX),降低MDA含量,提高生精細(xì)胞能量代謝功能和抗氧化能力,同時(shí)恢復(fù)小鼠血清激素水平,改善雄性小鼠的生精功能。
3)OEH改善雄性小鼠生精功能障礙的作用效果顯著,可為開發(fā)牡蠣資源相關(guān)功能的保健產(chǎn)品提供科學(xué)依據(jù)。此外,本研究結(jié)果可為中藥材雷公藤的臨床運(yùn)用提供新的方案。但OEH成分復(fù)雜,仍需對其活性成分進(jìn)一步分離純化和深入研究。