文獻DOI：10.21037/tau.2018.08.14

文獻PMID：30505735

文獻原文鏈接：https://sci-hub.se/10.21037/tau.2018.08.14

Transl Androl Urol 2018;7(6):968-977

Effect of nitroso-redox imbalance on male reproduction

亞硝基氧化還原失衡對雄性生殖的影響

摘要：

活性氧（ROS）和活性氮（RNS）是正常代謝過程的副產物，它們是正常細胞功能所必需的，并通過抗氧化機制保持平衡。 ROS和RNS水平的改變可導致亞硝基氧化還原失衡，進而對雄性生殖產生負面影響。減少ROS / RNS的策略包括逃避暴露（吸煙，攝入肉類，污染，熱量密集的飲食）、管理生活方式、以及增加抗氧化劑（維生素C，維生素E，α-硫辛酸，牛磺酸，槲皮素）的消耗。針對亞硝基氧化還原失衡的靶向治療對于治療男性生殖功能障礙至關重要。本綜述概述了內源性和外源性ROS / RNS來源，對雄性生殖的不利影響以及控制亞硝基氧化還原失衡的策略。

關鍵詞：亞硝基氧化還原失衡;活性氧（ROS）;活性氮物種（RNS）;一氧化氮合酶（NOS）;男性生殖

全文翻譯：

介紹

活性氧（ROS）是有氧代謝的副產物。羥基（OH-），超氧自由基（O2-）和過氧化氫（H2O2）是ROS的不同種型（1）。 ROS通過氧化還原環境和抗氧化系統保持平衡（2）。然而，在ROS增加的水平，ROS破壞DNA、蛋白質和脂質，通過氧化應激導致組織損傷。增加的ROS水平也可以引發細胞凋亡，導致細胞死亡（3）。氧化應激與炎癥增加的幾種疾病狀態有關，如動脈粥樣硬化、哮喘、炎癥性腸病（IBD）、糖尿病、阿爾茨海默病、帕金森病和衰老（4-6）。鑒于ROS具有增強的化學反應性，身體已經進化出幾種抗氧化防御機制，其顯著延遲或抑制氧化應激（2）。細胞抗氧化途徑如歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶起到中和或隔離ROS的作用（2）。在輕度升高的氧化應激期間，組織能夠以額外的抗氧化防御作出反應。然而，在嚴重氧化應激期間，可能發生細胞損傷和死亡（7）。除ROS之外，還有一部分ROS稱為活性氮物種（RNS），它是一氧化氮（NO）生成的副產物。過氧亞硝酸根陰離子（ONOO-）、硝酰基離子（NO-）、含亞硝酰基的化合物和NO是RNS（1）的一些同種型。在生理水平上，RNS和ROS對于正常細胞功能如基因激活、血管修飾和酶活性是重要的。然而，在病理水平，RNS導致組織損傷和細胞死亡。與ROS類似，RNS通過亞硝化應激導致組織損傷。亞硝化應激是RNS不平衡產生致病反應的現象（8）。與氧化應激相似，亞硝化應激也來自抗氧化防御系統的功能障礙。具體而言，ROS / RNS水平升高會損害精子DNA、脂質、碳水化合物和蛋白質（1,9,10）。亞硝基氧化還原失衡可通過其對精子和下丘腦 - 垂體 - 性腺（HPG）軸的影響來影響雄性生殖（1,9,10）。在本手稿中，我們將回顧ROS / RNS的作用及其對雄性生殖的影響。

ROS / RNS的合成

由于許多電子轉移反應，ROS的主要來源之一來自線粒體。 ROS是由自由電子轉化氧形成的，其中線粒體的主要來源來自細胞呼吸[電子傳遞鏈（ETC）]（11）。據估計，消耗的所有氧氣的0.2-2％在ETC中轉化為ROS（12）。這些氧化還原反應主要發生在ETC中的絡合物I和絡合物III中，其催化直接與氧反應產生自由基的反應（13）。因此，影響ETC的線粒體功能障礙可導致過量的ROS產生（14）。

除線粒體外，ROS還由其他細胞質細胞器如過氧化物酶體產生。黃嘌呤氧化酶（XO）是細胞質中ROS的常見來源。 XO是通過將廢物轉化為尿酸而清除廢物的重要酶，但是當強烈活化時，它有助于高水平的ROS。 XO也存在于過氧化物酶體中，過氧化物酶體是產生ROS的細胞器（15）。過氧化物酶體的主要作用是分解脂肪酸和蛋白質產物，產生過氧化氫和ROS作為副產物。雖然酶和細胞器對正常細胞功能很重要，但XO等酶的過度活性會導致氧化應激。

有幾種NO來源會導致亞硝化應激。 NO是常見的生物分子，其在整個身體中具有重要作用，例如血管舒張、血管生成、炎癥、細胞凋亡，并且充當神經遞質。 NO能夠影響幾種器官系統，因為它具有親脂性，容易通過許多細胞成分擴散（16）。 NO通過一氧化氮合酶（NOS）從L-精氨酸生物合成。 NOS催化L-精氨酸的末端胍基氮的氧化以產生NO和L-瓜氨酸。已經鑒定了三種NOS同種型，包括神經元NOS（nNOS，NOS-1），內皮NOS（eNOS，NOS-3）和誘導型NOS（iNOS，NOS-2）（17）。雖然NOS是NO形成的主要貢獻者，但也已確定NOS獨立來源。值得注意的是，硝酸鹽和亞硝酸鹽的膳食或外源來源是NO生成的重要原因（18）。硝酸鹽經常存在于許多蔬菜中，并且通過胃腸道中常見的硝酸鹽還原酶被還原為亞硝酸鹽。亞硝酸鹽可以通過低pH，抗壞血酸，血紅蛋白，肌紅蛋白，多酚和黃嘌呤氧化還原酶進一步還原為NO，從而有助于RNS（19）。總之，細胞器和細胞外酶均誘導氧化和亞硝化應激。

氧化/亞硝化應激對精子活力的影響

氧化/亞硝化應激可通過影響線粒體功能影響精子活力（圖1）。首先，強有力的證據表明亞硝基氧化還原對精子活力的影響。低濃度的NO可增強運動性（20），而中/高濃度可降低運動性（21）。當NO與超氧化物（O2-）反應產生可影響細胞功能和可持續性的過氧亞硝酸鹽時，會發生NO的最顯著損害（22,23）。過氧亞硝酸鹽影響精子活力的機制可能涉及抑制線粒體呼吸（17），因為過氧亞硝酸鹽抑制ETC的成分。過氧亞硝酸鹽引起半胱氨酸氧化，酪氨酸硝化和鐵硫中心的損害（22），這是ETC的關鍵組分，并降低線粒體膜電位，這對能量產生至關重要。因此，能量合成減少，并且由于精子的高代謝活動和對線粒體能量的高度依賴而對運動產生重大影響（24）。因此，亞硝基氧化還原失衡對線粒體的影響減少了精子活力。

除了亞硝化/氧化應激通過抑制線粒體中的ECT對精子活力的影響外，自由基還直接影響精子質膜及其相關蛋白質。過氧亞硝酸鹽降低Na + / K + -ATPase和Ca2 + -ATPase活性，這是維持滲透平衡，體積，pH，靜息膜電位和跨膜轉運其他偶聯離子所必需的（25,26）。 Na + / K + -ATPase在精子活力中起主要作用。它主要存在于精子尾部的中段并平衡線粒體中的質子梯度（27）。此外，Ca2 + -ATPase負責調節精子活力，因為它通過鈣調蛋白的調節激活cAMP的產生，鈣調蛋白是運動的重要因素（28）。

因此，這兩種酶中的抑制活性將導致運動性降低。這些ATP酶對亞硝化應激敏感，因為它們含有含巰基（SH）的酶和巰基，它們被NO和過氧亞硝酸鹽（29）消耗。因此，亞硝基氧化還原環境的不平衡可通過抑制這些必需的膜蛋白導致精子活力降低。

亞硝基氧化還原失衡會損害睪丸激素和促黃體激素（LH）的產生。細胞最初被描述為1850年在睪丸中發現的激素產生細胞（30）。它們通過促進雄激素合成和分泌在睪丸發育和雄性生育中發揮重要作用（31）。它們的功能對于正常發育、正常男性化、精子發生和男性生育能力是必要的（32）。睪丸間質細胞在體內產生超過95％的睪酮，并受垂體前葉LH產生的調節。睪丸間質細胞利用修飾形式的膽固醇形成睪酮。已經表明，氧化 - 亞硝化應激能夠改變類固醇生成和精子發生的機制（圖2）。

亞硝化應激是通過NO抑制Leydig細胞類固醇生成功能。檢測NO對Leydig細胞中類固醇生物合成的影響的實驗表明NO給藥對類固醇生成具有抑制作用，導致小鼠中睪酮水平受到抑制（10,33,34）。研究表明NO通過抑制膽固醇修飾直接影響睪酮合成，膽固醇修飾是類固醇產品的重要前體（33）。然而，下丘腦 - 垂體 - 性腺軸仍然可誘導，因為GnRH和人絨毛膜促性腺激素（hCG）分別刺激亞硝化應激小鼠刺激LH和睪酮（10）。因此，過量的亞硝化應激可能抑制可能由于下丘腦垂體功能障礙引起的睪酮產生。雖然NO已經證明對睪酮水平有強烈影響，但它似乎也改變了LH分泌。使用暴露于增加的NO水平的小鼠的研究顯示垂體前葉分泌LH的能力降低。假設NO信號在大腦的這個區域終止LH釋放（34,35）。因此，降低的LH水平可能放大對睪丸產生睪酮的負面影響，因為NO直接降低了Leydig細胞中睪酮的合成。很明顯，亞硝化應激是類固醇生成和Leydig細胞功能的重要因素。

氧化應激還與Leydig細胞中睪酮的產生減少有關（36）。幾項實驗證明了氧化應激對睪丸間質細胞類固醇生成和精子發生的影響。細菌脂多糖誘導的小鼠氧化應激顯著降低睪酮合成（37,38）。此外，研究人員確定，氧化應激小鼠中特異性蛋白，類固醇合成急性調節蛋白（StAR）的表達減少，這對于睪酮合成的膽固醇攝取是必需的（37）。有人提出，這種功能障礙的可能機制是通過線粒體中的P450scc酶催化膽固醇轉化以及StAR蛋白表達（38）。因此，氧化應激已經表明對Leydig細胞中的類固醇生成具有顯著的抑制作用。

亞硝基氧化還原失衡會損害睪丸激素和促黃體激素（LH）的產生。細胞最初被描述為1850年在睪丸中發現的激素產生細胞（30）。它們通過促進雄激素合成和分泌在睪丸發育和雄性生育中發揮重要作用（31）。它們的功能對于正常發育，正常男性化，精子發生和男性生育能力是必要的（32）。睪丸間質細胞在體內產生超過95％的睪酮，并受垂體前葉LH產生的調節。睪丸間質細胞利用修飾形式的膽固醇形成睪酮。已經表明，氧化 - 亞硝化應激能夠改變類固醇生成和精子發生的機制（圖2）。

亞硝化應激是通過NO抑制Leydig細胞類固醇生成功能。檢測NO對Leydig細胞中類固醇生物合成的影響的實驗表明NO給藥對類固醇生成具有抑制作用，導致小鼠中睪酮水平受到抑制（10,33,34）。研究表明NO通過抑制膽固醇修飾直接影響睪酮合成，膽固醇修飾是類固醇產品的重要前體（33）。然而，下丘腦 - 垂體 - 性腺軸仍然可誘導，因為GnRH和人絨毛膜促性腺激素（hCG）分別刺激亞硝化應激小鼠刺激LH和睪酮（10）。因此，過量的亞硝化應激可能抑制可能由于下丘腦垂體功能障礙引起的睪酮產生。雖然NO已顯示出對睪酮水平的強烈影響，但它似乎也改變了LH分泌。使用暴露于增加的NO水平的小鼠的研究顯示垂體前葉分泌LH的能力降低。假設NO信號在大腦的這個區域終止LH釋放（34,35）。因此，降低的LH水平可能放大對睪丸產生睪酮的負面影響，因為NO直接降低了Leydig細胞中睪酮的合成。很明顯，亞硝化應激是類固醇生成和Leydig細胞功能的重要因素。氧化應激還與Leydig細胞中睪酮的產生減少有關（36）。幾項實驗證明了氧化應激對睪丸間質細胞類固醇生成和精子發生的影響。細菌脂多糖誘導的小鼠氧化應激顯著降低睪酮合成（37,38）。

此外，研究人員確定，氧化應激小鼠中特異性蛋白、類固醇合成急性調節蛋白（StAR）的表達減少，這對于睪酮合成的膽固醇攝取是必需的（37）。 有人提出，這種功能障礙的可能機制是通過線粒體中的P450scc酶催化膽固醇轉化以及StAR蛋白表達（38）。 因此，氧化應激已經表明對Leydig細胞中的類固醇生成具有顯著的抑制作用。

影響氧化/亞硝化應激的因素

吸煙，肉類攝入，污染和肥胖等暴露可導致氧化/亞硝化應激增加（表1）。

香煙煙霧促進循環中的自由基

吸煙與ROS的增加以及許多不利的健康狀況有關。 具體而言，吸煙被確定為自由基的促進劑（4）。 香煙煙霧以及焦油相含有特別高水平的NO（39）。 由于吸煙引起的炎癥，許多ROS / RNS物種也在肺中由嗜中性粒細胞，肺泡巨噬細胞和嗜酸性粒細胞產生。 眾所周知，吸煙者由于慢性炎癥而具有更多數量的肺泡巨噬細胞（40）。因此，與非吸煙者相比，吸煙者的NO水平顯著升高（41）。 因此，吸煙是ROS / RNS的主要來源，并導致亞硝基氧化還原失衡。

肉類攝入有助于增加自由基

肉類消費與循環中自由基的增加有關。誘導RNS的一種方法是直接食用亞硝酸鹽，其長期用于保存肉類。硝酸鹽/亞硝酸鹽可以防止微生物生長和加工肉類中的毒素，同時還可以提高顏色和新鮮度的穩定性，這也是常用的原因（42,43）。循環中的亞硝酸鹽通常通過與紅細胞中的血紅蛋白反應或通過過氧化氫酶/ H2O2系統中的反應形成硝酸鹽（44,45）而被清除和隔離。然而，過量的亞硝酸鹽可以沿另一個途徑反應并被XO，其他含血紅素的酶和抗壞血酸（46-48）還原為NO。因此，亞硝酸鹽能夠在促氧化環境中產生RNS，這可導致亞硝化應激（49）。另外，肉誘導從烹飪它們時形成的副產物產生ROS。在肉的烹飪過程中，取決于方法和持續時間，以不同的量產生雜環胺（HCA）。一項研究表明，HCA攝入有助于增加氧化應激，而與其他生活方式因素無關（50）。因此，有人認為過量的肉類消耗可能是氧化應激的來源。

環境污染增加了ROS / RNS的暴露

多年來，許多危險化學品被生產并釋放到環境中。這些化學物質可能會對個人健康產生不利影響。空氣中的污染物和我們的供水中的有毒物質排放，如輻射、殺蟲劑和異生物質，會對細胞結構和細胞器產生負面影響。這些排放物含有較高水平的分子，如二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、顆粒物質和臭氧。這些分子通過改變線粒體功能，激活ROS / RNS產生炎癥細胞，或通過顆粒本身直接產生來產生ROS / RNS（51）。許多這些污染物進入水源并導致含有谷胱甘肽的重金屬，這會改變氧化還原反應，產生過多的自由基。這些重金屬還通過結合和失活幾種功能來抑制抗氧化酶，導致自由基保護機制減弱（52）。污染物驅動自由基反應并促進氧化/亞硝化應激。

肥胖和飲食會誘發氧化應激

最近，有證據表明肥胖會誘發氧化應激，導致男性性功能障礙（53）。肥胖的特征在于體重增加導致過多的脂肪堆積，超出物理需求的限制，這是身體不活動的直接結果（54,55）。 BMI與氧化應激之間存在強烈的正相關關系（53）。

據信通常與肥胖相關的病癥如高血糖，組織脂質水平升高，維生素和礦物質缺乏，慢性炎癥和線粒體功能受損都會導致氧化應激（56）。雖然ROS的產生隨肥胖而升高，但活性物種的隔離也會減少。肥胖個體在幾種抗氧化機制中的活性降低，例如超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶（57,58）。除此之外，一些研究表明，肥胖個體的總抗氧化狀態會降低（53,59,60）。因此，肥胖誘導的氧化應激能夠促成男性性功能障礙。

飲食是產生ROS的另一個因素。高脂肪和碳水化合物的飲食會促進氧化應激和炎癥（61）。此外，富含抗氧化劑的食物（如漿果，豆類，堅果和西蘭花）攝入不足也會通過降低防御能力而導致氧化應激（61）。不均衡的飲食會導致亞硝基氧化還原失衡，導致男性性功能障礙。

減少氧化/亞硝化應激的策略

ROS和RNS對生殖系統的負面影響可以通過三種策略來實現：（I）避免增加ROS / RNS（吸煙，肉類，污染，脂肪，不活動）的元素和（II）改善生活方式，（III） ）消耗清除ROS / RNS的物質。 避免增加氧化應激的物質的方法包括控制吸煙、攝入肉類、飲酒、缺乏身體活動以及暴露于空氣污染（表2）。 這些因素中的每一個都顯示出對體內自由基水平的顯著影響，因此控制身體氧化環境的主要方法應該是避免這些危險因素。 控制氧化環境的其他策略是通過消耗具有強抗氧化能力的物質。

降低ROS / RNS的生活方式策略

膳食管理是對抗ROS / RNS生產的有力且重要的方法。飲食具體是指監測食物的消耗量以及食物的質量。已顯示熱量限制可增強總體抗氧化能力并有助于維持最佳的細胞內環境（62）。然而，由于長期卡路里限制難以維持，因此有幾種解決方案可以模擬健康益處（63）。食用植物來源的多酚分子（如槲皮素，butein和piceatannol），胰島素作用增強劑（如二甲雙胍）或抑制糖酵解的藥物（如2-脫氧葡萄糖）等化合物已被證明是有希望的候選藥物模仿卡路里限制和減少活性物種的產生（64）。除熱量限制外，優質均衡飲食的消耗減少了ROS的產生。蔬菜和植物來源的食物對維持亞硝基氧化還原平衡具有積極影響。避免卡路里濃稠的糖，飽和脂肪和加工食品，并用營養密集的水果，蔬菜和豆類代替它們，能夠增強抗氧化能力，減少氧化應激（65）。重要的是要保持均衡的飲食，避免卡路里密集的食物，以減少活性物質的產生（63）。

雖然飲食管理是管理亞硝基氧化還原環境的重要組成部分，但運動在ROS / RNS生產中也起著重要作用（63）。缺乏身體活動是肥胖及其相關的氧化應激誘導的主要原因。保持一致的身體活動以幫助預防肥胖及其相關病癥的發作是有益的。適度的身體活動提高了抗氧化活性，提供了防止DNA，蛋白質和其他細胞結構氧化的保護作用（66,67）。適當維持定期的身體活動將有利于減少ROS / RNS的產生。

維生素C和E.

維生素是強抗氧化劑，可用于減少氧化/亞硝化應激。最強和最豐富的抗氧化劑之一是抗壞血酸（維生素C）。身體無法合成抗壞血酸;因此，它必須通過飲食獲得。抗壞血酸與自由基反應，使其穩定且無反應性（68）。抗壞血酸的抗氧化作用能夠中和羥基，超氧化物和過氧化氫反應物質（69）。

此外，α-生育酚（維生素E）也具有很強的抗氧化潛力。維生素E能夠通過向自由基提供氫基團來抑制脂質過氧化，從而使它們成為非反應性的（70）。維生素E還保護HPG軸免受由乙醇消耗引起的升高的垂體和睪丸TNF-α和IL-6水平的影響。維生素E的作用表明它具有抗炎和抗氧化的能力（71）。維生素C和E作為強效抗氧化劑具有很強的潛力，可以與多種維生素無縫地融入飲食中。

α-硫辛酸（LA）

除維生素外，硫辛酸還證明了其作為抗氧化促進劑的作用。 在許多蔬菜中發現的硫辛酸高的飲食會降低大腦區域的自由基水平，例如下丘腦。 LA促進抗氧化劑的再生，如谷胱甘肽、維生素E和維生素C（72）。 此外，另一項研究探討了LA對小鼠NO水平的影響。 他們認為LA能夠通過抑制iNOS來減少NO的合成。 抑制NO直接降低了亞硝化應激（73）。 因此，LA促進身體的天然抗氧化基礎設施，以控制氧化應激。 因此，富含LA的飲食有益于減少ROS / RNS。

牛磺酸

牛磺酸是哺乳動物細胞中最豐富的游離氨基酸之一，也具有抗氧化潛力。 牛磺酸通過直接清除自由基來減少氧化應激。 結果表明，牛磺酸顯著阻止了氟化鈉（NaF）對大鼠實驗誘導的氧化應激。 牛磺酸還增強了治療大鼠的腦、睪丸和附睪中的抗氧化酶活性和谷胱甘肽水平。 此外，牛磺酸逆轉NaF誘導的炎癥生物標志物和caspase-3活性的升高以及氧化應激大鼠的腦、睪丸和附睪中的組織學損傷（74）。 在另一項研究中，張等人通過使用人體工程學練習誘導男性氧化應激。 隨后，用牛磺酸治療這些受試者，結果證明牛磺酸減弱了運動誘導的氧化應激。 結果，氧化應激誘導的DNA損傷減弱（75）。

槲皮素

槲皮素是一種在許多水果和蔬菜中發現的黃酮類化合物。槲皮素減少了因暴露于錳而引起的細胞內氧化應激。錳暴露抑制腦 - 垂體 - 睪丸軸功能和睪丸后事件，如大鼠的精子功能。錳干擾線粒體中的氧化磷酸化，導致ROS的產生（76）。這種抑制可能是通過暴露大鼠中由錳引起的持續氧化和內分泌干擾來介導的（77）。槲皮素是一種天然的黃酮類化合物，通過食用水果和蔬菜很容易在飲食中獲得。當給予錳時，槲皮素顯著（P <0.05）抑制錳誘導的氧化應激生物標志物的升高。此外，槲皮素增加了治療大鼠的腦、睪丸和附睪中的抗氧化酶活性和谷胱甘肽水平。它還抑制了炎癥指數，如caspase-3活性，這有助于保持治療大鼠的腦、睪丸和附睪的功能（78）。槲皮素用作減少沿腦 - 垂體 - 睪丸軸的氧化應激的藥理學試劑。因此，由于亞硝基氧化還原失衡，槲皮素可以是男性性功能障礙的有用介質。

結論

ROS和RNS是過量導致氧化和亞硝化應激的自由基。 最近的研究表明ROS / RNS是不孕癥和HPG軸破壞的原因。 環境暴露，通過飲食，污染物和污染是ROS / RNS的來源。 降低ROS / RNS的策略包括避免暴露并增加抗氧化劑的消耗。 目前，人類研究的信息有限，但動物模型得出結論，ROS / RNS可影響雄性生殖和生育。

致謝

這項工作得到了美國泌尿學會研究學者獎和R Ramasamy的Stanley Glaser獎的支持。

腳注

利益沖突：作者沒有利益沖突申報。

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