Текущий статус и прогресс исследований метаболизма мужской семенной плазмы

Абстрактный: Качество мужской спермы отклонитьявляется крупной публикойпроблема со здоровьем во всем мире. Однако,точный диагнозСопутствующие заболевания все еще остаются сложными, а патогенез остается неясным.Семенная плазмаявляется идеальным образцом дляисследование мужской репродукции, иметаболомика семенной плазмыимеет многообещающие применения в исследовании потенциальных биомаркеров и молекулярных механизмовмужское размножение. В этой статье мы рассмотрим типичныеметаболомика спермыисследования с 2011 по 2022 год и представить техническиехарактеристикиистатус заявки oядерный магнитный резонанс,газовая хроматография-масс-спектрометрия, жидкостная хроматография-масс-спектрометрия и рамановская спектроскопия. Кроме того, мы суммируем изменения в метаболизме семенной плазмы, связанные смужские репродуктивные расстройстваи воздействие окружающей среды с различных точек зрения, включая метаболические методы семенной плазмы, метаболические маркеры семенной плазмы и связанные с ними метаболические пути, которые в основном включают энергетический метаболизм, метаболизм липидов, метаболизм аминокислот и метаболизм стероидов. Наконец, мы анализируем трудности исследования метаболомики спермы в области мужской репродукции и предлагаем направления дальнейшего развития.

Ключевые слова:метаболомика;семенная плазма; мужское размножение; качество спермы

ТРАВА ЦИСТАНХА МУЖСКИЕ РЕПРОДУКТИВНЫЕ НАРУШЕНИЯ 

Служба поддержки Wecistanche

Электронная почта:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Телефон:+86 15292862950

Бесплодием страдают примерно 187 миллионов пар детородного возраста во всем мире с распространенностью 15%, из которых примерно 50% составляют мужские факторы [1]. К причинам мужского бесплодия относятся генетические факторы, образ жизни и воздействие окружающей среды, что в основном проявляется в снижении качества спермы [2]. В настоящее время диагноз мужского бесплодия в основном основывается на анализе качества спермы, но идиопатическое бесплодие (составляющее примерно от 30% до 40% пациентов) не может быть точно выявлено с помощью рутинного анализа спермы, физического осмотра и лабораторных исследований [3]. ранняя диагностика или вмешательство сталкиваются с огромными проблемами [4].

Семенная плазма является важным компонентом спермы. Он состоит из простатической жидкости, жидкости семенных пузырьков, жидкости придатков яичка и секрета бульбоуретральной железы. Это внешняя среда для хранения спермы, она влияет на подвижность сперматозоидов и их емкость, а также влияет на нормальный процесс оплодотворения посредством взаимодействия с женской репродуктивной системой [5-6]. Поэтому он считается идеальным биологическим образцом для исследований мужской репродуктивной системы [7]. С развитием высокопроизводительных технологий многоуровневая омика (геном, эпигеном, транскриптом, протеом и метаболом и др.) системной биологии стала мощным инструментом исследования маркеров и патогенеза бесплодия [8]. Среди различных технологий омики метаболомика наиболее тесно связана с биологическими фенотипами. В основном он изучает эндогенные метаболиты размером менее 1000 Да [9]. Анализируя метаболические различия после стимуляции или нарушения работы организма, ткани или клетки [10], выявляются изменения в метаболическом механизме биологической системы [11]. Семенная плазма богата низкомолекулярными активными метаболитами, которые обеспечивают питательные вещества для процесса оплодотворения. Молекулярные изменения в семенной плазме могут отражать или влиять на состояние сперматозоидов и всей репродуктивной системы и в конечном итоге влиять на мужскую фертильность [12]. Образцы семенной плазмы не требуют утомительной предварительной обработки, что сокращает время обнаружения клинических образцов и снижает погрешность работы персонала, что делает их очень подходящими для клинической трансформации. Метаболомика семенной плазмы позволяет всесторонне анализировать низкомолекулярные метаболиты семенной плазмы, такие как питательные вещества (аминокислоты, углеводы и липиды и т. д.), гормоны, нуклеотиды и т. д., а также всесторонне анализировать их связь с показателями мужского репродуктивного здоровья.

В таблице 1 суммированы типичные результаты исследований метаболомики семенной плазмы в области мужского репродуктивного здоровья за последнее десятилетие, такие как оценка качества спермы или фертильности, диагностика и исследование механизмов мужского бесплодия, а также оценка вспомогательных репродуктивных эффектов.

Технология метаболомики семенной плазмы

Обычно используемые методы разделения в исследованиях метаболизма семенной плазмы включают высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ), газовую хроматографию (ГХ) и капиллярный электрофорез (КЭ), а методы обнаружения включают масс-спектрометрию (МС), ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и комбинационное рассеяние света. спектроскопия.

Хроматография-масс-спектрометрия обладает самой высокой чувствительностью и специфичностью обнаружения, в то время как ЯМР обладает характеристиками хорошей воспроизводимости и точного количественного анализа, поэтому он стал наиболее часто используемой технологией исследования метаболомики семенной плазмы (таблица 1) [7, 12-33 ].

Газовая хроматография-масс-спектрометрия (ГХ-МС) показывает большие преимущества при анализе низкомолекулярных метаболитов, таких как аминокислоты, глюкоза и нуклеиновые кислоты, тогда как жидкостная хроматография-масс-спектрометрия (ЖХ-МС) обладает высокой чувствительностью к биомакромолекулам (таким как холин). и липидов (таких как фосфолипиды) и не требует сложной подготовки проб. Однако масс-спектрометрия может обнаруживать только ионизированные вещества и не может анализировать метаболиты, которые трудно ионизировать. По сравнению с масс-спектрометрией, ЯМР может точно определить количество некоторых метаболитов алкоголя или сахара, которые нелегко ионизировать. Однако чувствительность обнаружения прибора ЯМР низкая и целенаправленный анализ метаболитов провести невозможно, что ограничивает применение ЯМР (табл. 2). Поэтому необходимо интегрировать результаты обнаружения хроматографии-масс-спектрометрии и других технических средств для комплексного получения информации о профиле метаболитов семенной плазмы. По методу исследования метаболомику разделяют на целевую и нецелевую метаболомику. Методы целевой метаболомики направлены на идентификацию и количественную оценку известных метаболитов, в то время как методы нецелевой метаболомики направлены на обнаружение как можно большего количества метаболитов, принимая во внимание изменения содержания известных и неизвестных метаболитов. Поскольку информации о метаболоме семенной плазмы относительно мало, для выявления возможных патогенных механизмов и потенциальных мишеней обычно используют дифференциальный анализ метаболитов с использованием методов нецелевой метаболомики.

1.1 Спектроскопия ядерного магнитного резонанса

ЯМР — самая ранняя технология, используемая в метаболомных исследованиях. Он может выполнять беспристрастное и неразрушающее обнаружение образцов и имеет такие преимущества, как простота приготовления, хорошая воспроизводимость и точный количественный анализ. По сравнению с МС, ЯМР позволяет проводить количественный анализ метаболитов, которые трудно ионизируются (например, спирты или сахара). Однако ЯМР имеет узкий диапазон обнаружения, низкое разрешение и неточность при качественном или количественном анализе соединений. Что еще более важно, ЯМР имеет низкую чувствительность и не может удовлетворить потребности анализа следов биологических образцов или целевого анализа метаболитов. Кроме того, из-за ограничения времени интеграции за один анализ можно обнаружить только от 30 до 60 метаболитов, а производительность низкая. Как показано в таблице 1, исследования метаболомики семенной плазмы на основе ЯМР в основном фокусируются на обнаружении метаболитов, таких как различные аминокислоты и их производные, жирные кислоты и сахара, которые используются для различения случаев бесплодия от здоровых людей [12, 18, 34]. ]. Среди них в центре внимания исследований находится разница в содержании аминокислот в семенной плазме, особенно аргинина, лизина, тирозина и др. [13-15, 18, 30, 34]. Однако в большинстве этих исследований используются методы относительного количественного определения метаболитов, которым не хватает абсолютного количественного определения и которые нельзя сравнивать с общедоступными данными. Они не могут в полной мере использовать преимущества ЯМР и имеют определенные ограничения [35].

1.2 Технология хроматографии-масс-спектрометрии

ГХ-МС является важным средством метаболомических исследований, в основном выявляющим органические кислоты и летучие метаболиты. Нелетучие метаболиты можно превратить в соединения, пригодные для обнаружения с помощью ГХ, путем дериватизации. Цяо и др. [25] с помощью нетаргетных методов проверили 44 маркера идиопатического бесплодия, особенно содержание 4-аминофенилуксусной кислоты, которое положительно коррелировало с концентрацией сперматозоидов. Однако диапазон обнаружения GC узок, и он может обнаруживать только специфические метаболиты, такие как аминокислоты или жирные кислоты, в семенной плазме.

В то же время процесс дериватизации может снизить скорость восстановления метаболитов и увеличить время анализа образцов. Кроме того, различия в методах дериватизации также затрудняют создание стандартизированной базы данных.

ЖХ-МС является основным техническим средством исследования метаболомики семенной плазмы. Соответствующие методы разделения (нормальная фаза, обратная фаза) и режимы сканирования (положительный ион, отрицательный ион и т. д.) могут быть выбраны в зависимости от целевой категории метаболита (полярный, неполярный и т. д.). Существует множество методов извлечения метаболитов.

Полярность целевого метаболита определяет метод экстракции, включая экстракцию общих метаболитов и гидрофобных липидных молекул. В зависимости от свойств изучаемых метаболитов для достижения эффективного разделения можно выбрать различные типы хроматографических колонок, среди которых наиболее распространенной является обращенно-фазовая жидкостная хроматография. В соответствии с различными экспериментальными схемами ее обычно разделяют на технологию нецелевой метаболомики, основанную на масс-спектрометрии высокого разрешения, и технологию целевой метаболомики, основанную на тройной квадрупольной масс-спектрометрии. ЖХ-МС стала горячей точкой в ​​метаболомических исследованиях и использовалась для определения различных метаболитов в семенной плазме, включая различные свободные карнитины, ацилкарнитины, полисахариды, аминокислоты, биогенные амины и липиды [27, 32]. Ожидается, что в будущем он будет более широко использоваться в области метаболомики семенной плазмы [36].

1.3 Рамановская спектроскопия

Рамановская спектроскопия является хорошим дополнением к ЯМР. Эта технология нечувствительна к реакции полярных веществ и обычно используется для идентификации неполярных метаболитов. Технология метаболомики семенной плазмы, основанная на рамановской спектроскопии, обнаружила, что существуют значительные различия в метаболических характеристиках семенной плазмы между нормальными мужчинами и мужчинами с астеноспермией или идиопатическим бесплодием [20-21]. Идентифицированные конкретные функциональные группы указывают на различия в метаболитах, связанных с окислительным стрессом (ОС) [21]. Однако из-за отсутствия общедоступных данных трудно точно идентифицировать или количественно оценить метаболиты. Для сравнения, существует относительно мало исследований по метаболомике семенной плазмы, основанных на технологии рамановской спектроскопии, и исследования, как правило, находятся на исследовательской стадии.