探討肥胖誘導男性不育癥的機制

凱倫 等

探討肥胖誘導男性不育癥的機制

凱倫 等

男性不育癥在不育癥中大概占20%，其特征是性腺機能減退、精子質量下降或射精功能異常。已經認識到肥胖與代謝異常也可導致男性不育癥。在西方世界肥胖流行的背景下，本篇文章討論三個主要與肥胖損害男性生殖功能相關的生物學機制：性腺機能減退，睪丸熱應激/低氧誘導的凋亡，肥胖源性內分泌紊亂。其中肥胖誘導的性腺機能減退在臨床上無疑是最重要的，也容易評估。在這個領域方面的研究發展很快，包括吻素的瘦素調控機制、下丘腦-垂體-睪丸激素途徑以及男性不育癥中其它脂肪因子的作用，也包括肥胖對精子質量的影響。

前言

大約有30%～40%的不育癥案例可以歸因于男性問題，肥胖相關的代謝異常是男性不育癥的重要原因。代謝綜合征的特征是一組相互影響的疾病集，包括2型糖尿病、冠心病、內臟肥胖及腹部脂肪分布異常、血脂異常、高血壓、糖代謝受損及胰島素抵抗。在肥胖盛行于西方世界的背景下，本文主要討論三個主要與肥胖損害男性生殖功能相關的生物學機制，這些機制包括性腺機能減退，睪丸熱應激/低氧誘導的凋亡，肥胖源性內分泌紊亂。

男性生殖的精子生成及評估

睪丸功能受到下丘腦-垂體-睪丸軸(HPT)的調控(圖1)，促性腺激素釋放激素(GnRH)由下丘腦神經元釋放，可刺激垂體促性腺激素、促黃體生成激素(LH)與卵胞刺激素(FSH)的釋放，它們分別在調控類固醇生成及精子生成中起了主要作用(圖2)。成熟的精子是極性細胞，每個精子細胞包括頭部、中段與尾部三部分(圖3)，精子的這些結構實體是形態學分類的標志。睪丸損傷、疾病或者HPT軸異常能夠導致生精異常，結果精子數量減少，精子異常或者發育不全，活力減弱。精子在女性生殖管道進一步經生物學及動力學修飾即獲能過程，其中包括極度活躍的運動性的獲得(圖4)。一旦結合及穿透卵子透明帶，將誘導頂體反應(圖3)，這屬于頂體胞吐作用，并涉及到頂體水解酶的釋放，發生頂體反應的一個精子與卵子胞膜發生融合，最后精子融入卵子內，完成受精。

男性不育癥中精子濃度、形態及活力仍然是臨床上主要的檢測項目。評估男性生殖功能典型檢驗方法就是生殖激素譜(總的及游離的睪酮、雌二醇、LH、FSH)與精子相關參數。臨床檢測方法的發展可以提供新的參數，能夠更好地反應精子受精能力。

圖1 下丘腦-垂體-睪丸軸

圖2 哺乳動物的精子

圖3 發育成熟的精子與卵子細胞外基質和透明帶結合發生頂體反應

圖4 精子獲能信號

脂肪形成與肥胖評估

脂肪細胞是脂肪組織的主要構成細胞，對調控甘油三酯與游離脂肪酸水平有十分重要的作用。脂肪細胞起源于具有分化成為前體脂肪細胞然后形成成熟脂肪細胞的多能干細胞。雌激素是脂肪生成的正調節劑，刺激前體脂肪細胞增殖生長及脂肪細胞成熟。相比之下，雄激素是脂肪分化成熟的負調節劑，高水平的雄激素促使多能干細胞朝肌形成分化，因此抑制脂肪形成，并且抑制已存在的前體脂肪細胞向成熟脂肪細胞分化。脂肪組織有內分泌功能且能合成化學信使，已知的有脂肪因子或者脂肪細胞衍生的除雄激素芳香化到雌激素外的激素。脂肪細胞成熟過程中基本的芳香酶活性下降，在成熟脂肪細胞中此酶的活性比前體脂肪細胞要低10倍，芳香酶活性也是位置依賴性，前體脂肪細胞在皮下組織中其活性比網膜中的活性要高。

一般而言，男性肥胖定義為體脂率超過25%，并且BMI超過30kg/m2。BMI是肥胖的主要指標，其主要分類如下：BMI 18.5～24.9kg/m2為正常，25kg/m2及以上為超重，30kg/m2及以上為肥胖。其它評估肥胖更準確的方法包括皮褶厚度的測量、水下皮脂測定法、雙能X線吸收測量法(起初設計用來測量骨密度，該方法可區分骨骼與軟組織對X線的吸收情況)或全身脂肪組織CT和MRI結合腰臀比測量。

肥胖男性生殖指標

數個觀察性研究已經調查了精子質量與BMI之間的關系（表略），研究地點設置在不育癥門診，充分利用了肥胖不育人群，并且根據BMI分類選擇健康對照，其優點在于研究前對肥胖與生育之間的關系沒有存在偏見。設計調查肥胖男子精子參數的研究傾向于報道精子質量與BMI存在負相關。相反，歐洲不育癥的大樣本INUENDO研究表明在肥胖組精子濃度或精子活力沒有下降，而在中度超重男子則表現出精子濃度的輕度下降，最近很多研究也報道精子的各項參數與BMI無相關性。不過，受孕所需時間研究表明低生殖力與高BMI存在關聯。精子濃度/精子總數看起來最有可能是與BMI大于25kg/m2存在負相關。

由于肥胖研究人群的樣本量小，許多種群研究受到限制，并且把超重/肥胖數據作為單一組來報道，這樣使得測量的關聯強度有所下降。為什么這些人群中的研究結果不一致？可能的解釋包括BMI作為脂肪評價工具缺乏敏感性，傳統精子檢測方法不能發現睪丸/精子生理學的精細變化的低生育力的存在，超重/肥胖人群的不均一性。

應用不同BMI不育癥患者的生殖激素譜也研究了不育癥與肥胖的關系。BMI與血清睪酮水平存在負相關但與血清雌二醇水平存在正相關。因此，男性病態肥胖的重要生殖特征包括性腺機能減退、高雌激素血癥及低生育力(圖5)。

肥胖誘導男性不育癥的機制

性腺機能減退

男性性腺機能減退包括睪丸功能障礙即類固醇生成和/或精子生成不足。根據功能異常的起源位置或在睪丸或在HPT軸，性腺機能減退分為原發性性腺機能減退癥，其起源于睪丸缺陷(圖6A)，或者遺傳疾病所致包括Klinefelter綜合征或5α-還原酶缺乏，先天性畸形包括隱睪癥、睪丸女性化或睪丸損傷，諸如創傷、流行性腮腺炎性睪丸炎、放射性或化學性損傷、睪丸熱應激或精索靜脈曲張(與睪丸靜脈引流不暢有關)。原發性睪丸缺陷也被歸類于高促性腺素性功能減退癥，臨床特征是性腺機能減退(游離和/或總睪酮低及精子數量減低)伴有FSH與LH水平升高，是睪酮水平不足不能產生對HPT軸的負反饋所致。性腺機能減退也可以由下丘腦或腦垂體功能不足引起，即所謂的繼發性性腺機能減退癥，術語也叫促性腺激素分泌不足的性腺機能減退(圖6B)，其特征是FSH與LH水平低或者正常，睪酮水平低，常見于Kallman綜合征、垂體疾病及如AIDS等之類的嚴重疾病。下面將討論幾個睪丸或下丘腦源性的性腺機能減退機制以解釋肥胖與男性性腺功能減退癥之間的聯系。

脂源性雌激素及性腺機能減退

肥胖男性脂源性雌激素對HPT軸產生反饋抑制，并受到雌激素受體(ER-α與β)調控，小鼠及大鼠研究表明這些受體位于下丘腦與垂體。肥胖誘導的促性腺激素分泌不足的性腺機能減退癥，一個可能的生物學機制是肥胖男性血清高水平雌激素導致HPT軸的反饋抑制增強，并可能導致性腺功能減退-肥胖循環，其中脂肪組織的增加表示外周雌激素產生顯著增加，繼而抑制HPT軸及增加中心性肥胖(圖7)，接下來睪酮的減少導致內臟脂肪與腹部脂肪儲備增加及低生育能力，而雌激素增加則有利于脂肪細胞的分化。

男性肥胖誘導的性腺機能減退癥可通過減輕體重來治療，減重可使雌激素水平減少至正常以及緩解HPT軸的反饋抑制。一項研究表明病態肥胖治療方法之一的Roux-en-Y手術似乎可以逆轉異常的生殖激素譜，如使總睪酮增加、血清雌二醇下降。性腺機能減退癥的其它治療方法包括補充可選擇性的重組促性腺激素類(如人體絨毛膜促性腺激素[hCG]及重組FSH) ，刺激睪丸功能以產生睪酮。最后，芳香酶抑制劑來曲唑與阿納托唑可以用來預防脂肪細胞及其它組織中雄激素到雌激素的轉換，因此可以減少血清雌二醇并通過打斷性腺功能減退-肥胖循環以抑制HPT軸。

性腺機能減退癥與2型糖尿病的關系

胰島素抵抗以及肥胖是代謝綜合征的主要特征，盡管如此，需要提出的是并不是所有的肥胖者將發展成為非胰島素依賴型糖尿病(NIDDM)或2型糖尿病，正常體重者也可以患2型糖尿病。因此必須考慮到肥胖和胰島素抵抗對肥胖男性的生育存在不同的影響。

2 型糖尿病的一般特征是肥胖、胰島素抵抗、

性腺機能減退、低性腺激素結合球蛋白(SHBG)、低游離及總睪酮水平。不過，尚不知道這些特征中哪些是偶然因素，哪些是獨立因素。比如，幾項研究表明性腺機能減退可以預測2型糖尿病發病風險(如多風險因素干預試驗隊列研究、麻薩諸塞州男性衰老研究、Rancho Bernardo研究、Kuopio缺血性心臟病風險因素研究)，男性2型糖尿病患者更可能表現為性腺機能減退癥及血清睪酮與SHBG降低，這跟肥胖與性腺機能減退癥之間的關系，肥胖與胰島素抵抗之間的關系是相一致的。SHBG和睪酮與BMI、胰島素成相反關系，因此肥胖男人表現為高血清胰島素、低SHBG以及生物可利用的睪酮。健康男性研究表明血清總睪酮與胰島素的反相關系獨立于中心性肥胖。2型糖尿病患者的高胰島素血癥特征是通過直接減少睪丸睪酮水平來產生高促性腺素性功能減退癥。

圖6 性腺功能減退癥

圖7 性腺功能減退-肥胖循環：外周雌激素合成

Pitteloud及其同事對一項有60例包括不同BMI分類的男性研究表明胰島素敏感性與血清睪酮水平存在正相關。接下來的一項研究，Pitteloud研究小組報道胰島素敏感性與LH之間無相關性，提示下丘腦或者垂體沒有功能缺陷。取而代之，一項輕至中度肥胖隊列的研究顯示與高胰島素血癥相關的胰島素抵抗不知何故直接抑制睪丸間質細胞分泌睪酮。

體外研究顯示睪丸間質細胞表達胰島素受體，并且胰島素誘導培養的間質細胞分泌睪酮，其中胰島素調控間質細胞類固醇生成的分子機制未知，可能的機制就是與2型糖尿病患者其它器官一樣，睪丸對胰島素信號存在抵抗。

因此2型糖尿病與胰島素抵抗似乎與混合型性腺機能減退癥相關，表明在睪丸(高促性腺素功能減退癥)或下丘腦/垂體(低促性腺素功能減退癥)中的胰島素抵抗存在雙重作用。體外研究表明胰島素是主要刺激物，作用在下丘腦神經元以誘導垂體促性腺細胞分泌GnRH與絨促性素。2型糖尿病肥胖男性患者胰島素抵抗可能減弱HPT軸的胰島素刺激。實際上需要更多研究來識別出HPT胰島素信號機制以及胰島素抵抗對正常內分泌腺體功能的影響。

盡管2型糖尿病男性患者生殖激素譜已經建立的相當好，但是相關的精子質量僅在少數幾個研究中得到調查。一般而言，精子數量正常或增加，則精子活力及精子大小下降，并且異常形態的精子也增多。不幸地是，許多已出版的關于男性糖尿病研究把胰島素依賴型糖尿病(IDDM，即1型糖尿病)和2型糖尿病混為一談，似乎2型糖尿病患者更多關注的是男性生殖問題，是文獻中一個關鍵的報道差異。1型糖尿病(自身免疫性與胰島素缺乏)的病理不同于2型糖尿病(胰島素抵抗)。1型糖尿病患者中胰島素對HPT軸的刺激效應由于外源性胰島素或者說標準干預才得以繼續，而2型糖尿病患者中的胰島素抵抗導致睪丸細胞信號異常，繼而發生性腺機能減退。目前關于精子質量與胰島素抵抗之間關系的研究甚少，尚不能描繪出2型糖尿病男性患者典型的精子參數指標，急需更多的有關2型糖尿病男性患者及動物模型研究來證實胰島素抵抗對性腺機能減退癥的原因及結果，同時也需要認識其中參與的分子機制。

性腺機能減退癥中瘦素的作用

瘦素是由脂肪細胞分泌的一種分子量為16kDa的激素蛋白，由ob基因編碼。這個脂肪細胞因子在能量穩態中的作用十分重要，包括對體重的神經內分泌調控。瘦素是瘦素受體(Ob-R)的內源性促效劑，該受體屬于I類細胞因子受體超家族成員。Ob-R以結合型產生并進一步分成三種類型：短受體型(Ob-Ra，Ob-Rc，Ob-Rd，Ob-Rf)、長受體型(Ob-Rb)以及分泌受體型(Ob-Re)，除Ob-Re外，所有受體位于細胞外且成跨膜狀，其細胞內結構域呈可變性。Ob-Rb有最長的細胞內域且在下丘腦呈功能型，而Ob-Ra 與Ob-Rc參與瘦素的轉運橫跨血腦屏障(BBB)。Ob-Re是有爭議的可溶性瘦素受體，缺乏跨膜及細胞內域，有人認為Ob-Re緩沖循環瘦素水平，調控瘦素生物利用度。

瘦素最初是在ob/ob鼠認識到，由于自然變異ob/ob鼠缺乏ob基因，因此成為瘦素缺陷，雄性與雌性ob/ob鼠成為病態肥胖及不能生育，在Ob-R缺乏鼠及Zucker脂肪(fa/fa)鼠也觀察到同樣的表型。由于瘦素基因(Delta133G，R105W與N103K)或者瘦素受體隱性突變，在人類的幾個家族中也認識到先天性瘦素缺乏。人先天性瘦素缺乏的臨床特征包括早期發生肥胖、食欲過盛、低促性腺素功能減退癥及青春期延遲。瘦素受體變異導致的先天性瘦素缺乏常沒有嚴重的表型。重組瘦素的應用可以成功減輕先天性瘦素缺乏的一些特征，如減輕體重及逆轉性腺機能減退。

在健康男性血清瘦素與BMI及脂肪量存在正相關，大量對超重及肥胖的研究報道血清瘦素與睪酮水平存在反相關，但是血清瘦素與促性腺激素類沒有顯著性相關。與先天性瘦素缺乏特征之一的性腺機能減退相比，肥胖男性的性腺機能減退癥與高血清瘦素水平相關。因此改變瘦素的動力學至少通過兩種機制促進男性不育癥的發生，兩者機制都能產生性腺機能減退，其機制包括下丘腦瘦素抵抗或者功能不全以及睪丸生理學的瘦素調控。

下丘腦瘦素抵抗或缺乏 考慮到由于肥胖而出現的高血清瘦素個體與變異出現的瘦素缺乏者出現令人困惑的相同表型 (肥胖與低促性腺激素性腺機能減退) ，有人認為瘦素抵抗可以解釋這個現象，他們認為原因在于瘦素不能作用于下丘腦，或者是有效瘦素水平減少(瘦素不足)，或者是瘦素信號受損。

外周循環脂源性瘦素通過一個滲透轉運系統可以穿過血腦屏障，作用于大腦尤其在下丘腦中的Ob-Rb。有學者報道血腦屏障轉運系統的飽和導致中樞性瘦素不足，此時有大量的瘦素出現在血漿，而沒有相應的瘦素作用于下丘腦。有研究顯示與消瘦組相比，肥胖組腦脊液瘦素/血漿瘦素比值下降，認為是中樞性瘦素作用受損。因此，盡管肥胖者循環血漿瘦素水平很高，但是腦脊液瘦素水平并沒有成相應比例的增高。通常情況下瘦素是以脈沖方式釋放，任何因素包括生活節律、進餐間隔及衰老都能打斷初始瘦素脈沖式信號，并導致瘦素受體下調，減弱血腦屏障處的瘦素轉運，下丘腦瘦素的減少刺激產生病態肥胖表型，原因就是這些人缺乏瘦素誘導的食欲抑制或能量消耗刺激，所以就產生了一個類似于ob/ob鼠的表型。血腦屏障處瘦素轉運飽和分子機制尚沒有得到很好的闡明，不過，有人認為是血腦屏障處瘦素轉運的甘油三酯抑制或減少。此外，瘦素抵抗，其特征是Ob-R信號通路缺陷，可能損害瘦素對進食與能量消耗的調控，其可能的通路包括SOCS3與STAT3，兩者均是Ob-R信號的下游。盡管瘦素信號受損可能伴隨中樞性瘦素缺乏，但是信號擾亂作為瘦素抵抗的基礎仍然需要進一步闡明。如前所述，ob/ob鼠表現為肥胖、不育及性腺機能減退，但是通過外源性瘦素補充治療，這些表型都可以被逆轉包括生育力的恢復。ob/ob鼠促性腺激素、性別類固醇激素是低的，與低促性腺素功能減退癥及HPT軸瘦素的調控作用是一致的。通過調節弓狀核的吻素（kisspeptin），瘦素直接作用調控下丘腦促性腺激素分泌(圖8A)。吻素是由KiSS1基因編碼，KiSS1 mRNA轉錄的蛋白質，通過G蛋白耦聯受體(GPR54)起作用刺激GnRH釋放，因此觸發促性腺激素級聯形成。外周瘦素一旦被轉運穿過血腦屏障就到達下丘腦，結合瘦素受體。小鼠弓狀核神經元有大約40%的細胞同時表達Ob-Rb及KiSS1-mRNA，表明所謂的KiSS1神經元(表達吻素的神經元)是瘦素的直接靶物。研究進一步顯示ob/ob鼠下丘腦KiSS1神經元數目減少，提示瘦素調節KiSS1神經元，并且間接促使促性腺激素釋放。促性腺激素水平的調控幾乎主要由瘦素間接作用來完成，因為鼠GnRH神經元沒有瘦素受體，這些數據來源于對一轉基因小鼠(缺乏GnRH神經元瘦素受體)正常生育的一項觀察性研究。

瘦素調控循環促性腺激素(已確定的抗凋亡因子)減少，誘導睪丸應激，從而促進細胞凋亡。體外研究表明FSH(鼠睪丸中前期生存因子)在鼠睪丸支持細胞、精原細胞、精母細胞上調抗凋亡蛋白Bcl-w的表達 ，但對精子沒有上調作用。在精子發生過程中生殖細胞死亡是正常事件，并且有利于調節生殖細胞群的大小，但是中樞性瘦素不足及促性腺激素釋放減少則是病理性，這在瘦素缺乏ob/ob鼠中已得到驗證，即參與內部與外部凋亡途徑的九個睪丸前凋亡基因表達上調。在這些鼠中異常精子發生及不育很有可能是由于促性腺激素不足，不能支持精子發生并通過凋亡加速生殖細胞的死亡。

在ob/ob鼠及瘦素缺乏的人類已經觀察到下丘腦瘦素信號缺乏導致低促性腺素功能減退癥，看起來中樞瘦素不足是下丘腦瘦素信號缺乏的原因機制，因此是低促性腺素功能減退癥的根本原因(圖8B)。瘦素引起的KiSS1神經元刺激為能量平衡與再生提供了關聯。對應于環境條件的改變由于季節性體重增加適度的血清瘦素升高可以產生生殖時機信號。盡管對季節性繁殖家畜或其它動物來說，瘦素水平的適度波動是生理性的，但是對于肥胖男性高水平血清瘦素則是有害的，這可以導致血腦屏障轉運系統的飽和并導致中樞性瘦素缺乏。

圖8 下丘腦-垂體-睪丸軸的瘦素調節圖

瘦素調節睪丸的生理學在人及鼠睪丸支持細胞、萊迪希細胞、細精管及生殖細胞中均發現有瘦素存在，且瘦素能通過睪丸血液屏障(TBB)，表明睪丸與外周來源的瘦素可能都參與生殖作用。不像BBB，對瘦素而言，該轉運系統具有可飽和性，TBB系統則是非飽和性的，能使瘦素穿過屏障在血液與睪丸間質組織之間滲漏，且能透過睪丸支持細胞屏障。睪丸支持細胞屏障處的機制還沒有闡明。隨著血清瘦素水平增高，可以預測睪丸內的瘦素水平有相似地增高。研究發現Ob-R位于離體鼠睪丸支持細胞、萊迪希細胞及睪丸生殖細胞中，而在人類則位于細精管。總而言之，這些結果強烈表明瘦素直接調節睪丸功能。

瘦素是睪丸類固醇生成的負調節劑，它直接作用于睪丸萊迪希細胞。在LH作用下萊迪希細胞激活PKA依賴性基因表達，觸發類固醇生成(如睪酮生成)。大鼠(但不是小鼠)及人類的萊迪希細胞表達瘦素受體，因此這可能是一種瘦素直接調節萊迪希細胞功能的機制。在大鼠培養的萊迪希細胞中瘦素抑制hCG刺激的睪酮分泌，支持瘦素在類固醇合成中的負性調節作用。根據發育中的Ob-R表達譜，萊迪希細胞對瘦素存在差別感受性，比如胚胎和成人(不是青春期前的)大鼠萊迪希細胞顯示出瘦素抑制hCG誘導的睪酮分泌。Tena-Sempere與同事設計了一個巧妙的實驗表明hCG刺激的大鼠睪酮在暴露于人重組瘦素增加的情況下，類固醇生成酶mRNA表達下降，接下來睪酮分泌減少。瘦素也能以劑量依賴性方式減低hCG誘導的類固醇生成因子-1(SF-1)、類固醇激素合成急性調節蛋白(StAR)及細胞色素P450膽固醇側鏈剪切酶(P450scc)。

圖9 瘦素作用于萊迪希細胞模型圖

Caprio及Tena-Sempere研究小組提出了瘦素調節萊迪希細胞類固醇激素合成模型(圖9)，通過Ob-R的瘦素信號作用機制已經得到較好的闡述，并且由JAK-STAT途徑介導，包括在先前研究中報道的JAK2與STAT3。STAT3最終調控類固醇合成基因的表達包括SF-1、StAR及 P450scc。此外，類固醇合成基因表達由瘦素結合Ob-R觸發，通過PI3K/Akt或者MAPK級聯作用得以調控。因此，瘦素抑制類固醇合成基因表達，尤其是類固醇合成的限速步驟即StAR，將抵抗LH介導的睪酮生成。瘦素對類固醇合成的負性調控對生殖功能提供了一種精細控制作用，表現為瘦素在生殖中的另一種機制。瘦素調控男性不育癥也涉及到瘦素對精子本身的直接作用。小鼠研究表明瘦素及其受體可以表達在男性精子細胞的特殊表型中，提示瘦素存在于細胞增殖與分化中。從新生小鼠的性原細胞到10天左右小鼠的精原細胞再到成年鼠的精母細胞，整個過程中均有瘦素蛋白及其mRNA表達。新生及成年鼠在睪丸中表達Ob-Ra、Ob-Rb與Ob-Re，表明瘦素以自分泌或旁分泌方式發揮正常功能來調控精子生成。瘦素是否只專門地作為一個精子生成的正性或負性調控劑，或者瘦素的作用是否需要更多的闡述, 則依賴于表達在不同精子生成階段的受體同種型。經由STAT3的瘦素信號在未分化生殖細胞的增殖中有一定作用，與干細胞STAT3磷酸化預防分化及使連續的干細胞再生的研究報道一致。當激發晚期精母細胞經歷發展與分化時瘦素STAT3信號能夠使未分化的生殖細胞自我復制且不喪失潛能。肥胖男性中的血清瘦素水平增高，體外大鼠研究顯示瘦素水平增高導致睪丸Ob-R下調。瘦素受體表達的下調將破壞自分泌或旁分泌睪丸信號或精子生成。此外，顯示睪丸與精母細胞特異性瘦素及瘦素受體表達的定位研究，加之睪丸瘦素信號研究表明由肥胖男性表現出的血清瘦素水平增高很有可能擾亂了正常睪丸生理學。

射出的精子不能使卵子受精，必須在精子獲能過程中經歷結構及功能的改變(圖3和4)。精漿中瘦素的作用仍然不清，認為與調節精子獲能及獲得活躍的能動性有關。人精漿瘦素水平與血清瘦素呈正相關，但是與血清睪酮及正常精液參數呈反相關。精漿瘦素水平傾向于不成比例地低于血清瘦素水平，但是仍然呈正相關。一般認為相對于身體偏瘦者而言，肥胖男性精漿瘦素水平明顯增高。盡管如此，幾乎沒有什么研究報道病態肥胖男性患者中的精漿瘦素水平，他們的精子獲能及頂體反應也沒有研究過。

Aquila研究團隊通過對人類及野豬的研究已經提出了有關瘦素在精子獲能中的作用。瘦素和瘦素受體唯一表達定位于覆蓋野豬精液中頂體精子的細胞膜，這與他們預先假定的精子受精能力調節一致。研究表明瘦素位于人未獲能精子的中段，總體表達水平下降，且瘦素受體被證實位于射出精子中的尾部區域。這些表達模型支持瘦素可能在調節精子能動性中存在某種生理學作用。接下來，出現急性瘦素暴露(30～60分鐘)，未獲能的野豬及人類精子經歷瘦素增強的膽固醇外流及蛋白酪氨酸磷酸化，這兩步均是獲能的標志性步驟。此外，野豬精子頂體蛋白酶受到瘦素的刺激。很重要的一點是瘦素刺激這些獲能相關事件不是劑量依賴性，且濃度很低的瘦素(0.63nM人瘦素與1～10nM豬瘦素)可以產生較大的反應。這些可以由高水平的瘦素其受體下調來解釋，并且對肥胖男性具有重要意義，因為肥胖男性表現出更高范圍的精漿瘦素水平。

已經形成精子獲能的串話（crosstalk）信號模型，其中瘦素信號通過瘦素受體誘導MAPK通路下游酪氨酸磷酸化激活(圖4)。精子獲能的過程包括精子膜的改變以及獲得超活力能動性。分子事件包括細胞內cAMP HCO3-依賴性增高，隨之PKA激活，最后酪氨酸激酶激活及蛋白酪氨酸磷酸化，磷酸化對獲得超活力精子能動性是必須的。瘦素激活促存活通路導致ERK1/2信號的活化，表現為精子獲能信號串話。一個有趣的設想是頂體瘦素受體表達與膽固醇外流及頂體反應有關，而人精子的尾部瘦素受體表達可能反應瘦素對超活力精子能動性的調節。

總而言之，瘦素調節正常男性生殖功能包括中樞性(HPT)及睪丸作用。在病態男性，中樞性瘦素不足產生促性腺激素分泌不足的性腺機能減退，使得循環促性腺素類激素減少，隨后誘導睪丸凋亡。一致認為高血清瘦素能夠擾亂睪丸類固醇激素生成及精母細胞的分化與發育。也可認為肥胖男性射出的精子通過為適應高精漿瘦素變化而瘦素受體下調表現為精子獲能減低。許多知識空白仍然需要進一步探究，包括BBB與TBB瘦素轉運，大腦、睪丸及精子中可溶性跨膜瘦素受體亞型相關信號通路等等。

熱應激、低氧誘導的睪丸凋亡

眾所周知，睪丸對熱敏感，有證據表明陰囊比核心體溫要低3℃，這個條件對有效的精子生成至關重要。許多環境或生活方式因素與睪丸溫度升高有關，包括精索靜脈曲張、內衣貼身太緊、靜態工作位置、筆記本電腦的位置、桑拿、職業性熱暴露。盡管肥胖男性恥骨弓上和內側大腿脂肪組織加之靜坐行為增加陰囊溫度，但是沒有肥胖男性陰囊溫度測定的研究報道。由于在靜態活動中陰囊溫度增高與精液質量受損有關，因此肥胖男性將成為生殖器熱應激和不育的高危人群。在人類很難獲得睪丸陰囊溫度測量數據并且有關持續靜坐的數據也很少，尚需要設計良好的睪丸熱應激研究。

使用動物研究為調查熱應激對睪丸功能和結構的生物學效應提供了較好的模型和機會。已經使用了不同的實驗方法。一個關于大鼠和小鼠的睪丸體溫升高的實驗方法是短暫性使動物暴露于超過40℃溫度。另一種方法是在小鼠身上使用外科手術誘導隱睪使其睪丸溫度升高達到體溫。還有一種實驗設計是使小鼠居住于35℃～38℃的房間達數小時以誘導熱應激。高熱應激的主要生殖結果是睪丸重量下降、生殖細胞喪失以及凋亡率增加。睪丸熱應激反應涉及到復雜的信號通路，包括低氧、凋亡、基因表達及DNA修復的抑制，這些最終影響精子發生。

大家已經知道體溫升高以及其他環境應激源包括氧化應激和接觸化學藥物可以觸發改變細胞內基因表達，引起細胞生存/凋亡機制變化。熱應激誘導一類70kDa的蛋白質(Hsp70)及一類伴侶蛋白表達增加，伴侶蛋白幫助蛋白折疊與組裝，Hsp70對凋亡的預防具有重要作用。至少已經識別出兩種睪丸特異性Hsp70。在減數分裂過程中粗線期精母細胞不斷表達出小鼠精母細胞特異性Hsp70.2，屬于非熱可誘導性，圓形精子細胞相似地表達睪丸特異性Hsc70t，而生殖細胞表達可誘導的HSP70是相互矛盾的。Rockett和同事研究顯示使小鼠精母細胞暴露于急性過熱（43℃）10分鐘則出現HSP70-1和HSP70-3上調。其它研究報道睪丸熱應激沒有增加小鼠生殖細胞熱休克基因mRNA或蛋白水平表達的增加。設計轉基因小鼠精母細胞表達活性熱休克因子(HSF1)的研究顯示沒有誘導HSP70基因表達，但是在沒有熱休克情況下激活了半胱天冬酶依賴性凋亡途徑。HSF1在低氧與高熱應激下是一種轉錄激活因子，它轉移至核并結合HSF1靶基因的啟動區的熱休克反應元件。HSP70似乎不能充分地預防HSF1誘導的凋亡,HSP70與HSF1均表達的小鼠精母細胞表現出與凋亡相一致的特征性DNA條帶中斷。

熱應激誘導的凋亡潛在機制似乎主要由HSF1調控(圖10)，有趣地是，在核心體組織細胞內源性已確定的激活HSF1的溫度設置點要高于睪丸，與哺乳動物男性生殖器的體外部位溫度差不多。因此，睪丸組織通過HSF1調控即使是輕微的發熱也是十分敏感。在隱睪小鼠觀察到持續的睪丸HSF1激活,且與精子發生中斷有關，HSF1甚至下調HSP70以確保凋亡途徑的完全激活。在小鼠早期發育階段，表達HSF1，HSP70.2蛋白的精母細胞經歷了從細胞質到細胞核的位置移動；在發育后期，生殖細胞表現為高熱時HSF1介導的HSP70.2抑制。Widlak和同事的研究表明在熱應激誘導凋亡之前，HSP70.2的mRNA與蛋白水平兩者均減低，且這兩個事件都是由HSF1介導。由于實驗誘導睪丸熱應激的條件及檢測HSP70的方法不一樣，HSF1對HSP70表達的負性調控以及核轉位可能解釋了與早期文獻討論的精母細胞表達HSP70的不一致性。

熱應激時睪丸細胞發生的其它重要變化包括DNA修復途徑的下調及p38MAPK信號的激活(圖10)。小鼠睪丸暴露于43℃ 10分鐘的急性熱應激出現DNA修復基因下調，包括Ogg1(基本的切除修復)、Xpg(核苷切除修復)與Rad54(雙鏈斷裂修復)。在熱應激情況下小鼠睪丸也出現聚ADP核糖聚合酶PARP(基礎切除修復/核苷切除修復途徑)表達下降。隨著DNA修復途徑的喪失，凋亡通過多種機制被誘導，包括直接的體溫過高和缺氧應激。熱應激誘導p38MAPK(也稱之為MAPK14)激活，接著磷酸化Bxl2，從而促進了凋亡的發生。凋亡在一定程度上受到凋亡前體蛋白(例如Bax)與抗凋亡蛋白(例如Bcl2)平衡的調控。有研究認為高熱和/或在低氧過程中產生的活性氧種類可以激活p38MAPK上游的半胱天冬酶2，半胱天冬酶2可能擾亂了Bax:Bcl2的比率以及直接激活半胱天冬酶3，因此進一步促進凋亡。最后，熱應激通過激活半胱天冬酶3或直接激活半胱天冬酶2誘導分裂半胱天冬酶活化的脫氧核糖核酸酶抑制劑(ICAD)導致最終的核DNA破碎。另一種機制與高溫應激有關，伴隨誘導HSF1的活化，會促進粗線期精母細胞的凋亡，不過這一機制尚未確定。睪丸熱應激伴隨局限性缺氧，這種缺氧能夠誘導氧化應激、凋亡及DNA修復基因表達減少(圖10)。熱應激過程中睪丸細胞代謝增加較高，以致睪丸血流不能提供足夠的組織氧合作用，因此組織出現了氧化應激。缺氧過程中，低氧誘導因子(Hif)-1α從細胞質轉移至核內與Hif-1β(芳香基碳水化合物受體核轉錄子)形成異二聚體，此二聚體就是現在已知的HIF1。Hif-1α-Hif-1β異源二聚體結構可以提供染色體組的氧化應激保護。有研究顯示輕度高熱時小鼠睪丸經歷了低氧及氧化應激，并且與之相適應的出現間質間隔內Hif-1αmRNA/蛋白的表達增加以及生殖細胞核內Hif-1α蛋白表達增加。高熱時小鼠生殖細胞低氧中表達的抗氧化劑是下調的，但在睪丸體細胞中并非如此，總體小鼠睪丸表現為熱應激時睪丸抗氧化劑(HMOX1、GPX1與GSTA)表達增加。因此生殖細胞特別易受低氧及高熱影響，結果誘導凋亡途徑，最終導致男性生殖細胞喪失。

圖10 睪丸熱應激模型

圖11 精母細胞對熱應激表現為階段性特異性易感性

睪丸表現為生殖細胞對熱應激出現階段特異性易感(圖11)。如同先前描述的，減數分裂前的生殖細胞表達抵抗熱應激的細胞存活因子包括HSF1和Hsp70。熱應激時精母細胞經歷減數分裂，它們開始出現顯著性的DNA損害，接下來則啟動凋亡途徑。僅僅在減數分裂前與體細胞中HSF1看起來與細胞存活有關，減數分裂(粗線期精母細胞和早期精細胞)及減數分裂后期對熱應激最為敏感。

圖12 成年發病疾病的胎兒起源

總而言之，我們可以認為多因素的聯合包括靜坐生活方式、小腹及大腿內側脂肪組織沉積、增加睪丸溫度等觸發了凋亡途徑。如同所討論的，熱應激誘導的活性分化生殖細胞的調亡將減少精子數量，促進病態肥胖男性的不育。動物研究也顯示，出現父方的熱應激時胚胎存活減少，表明另一種機制即睪丸熱應激促進生殖喪失。不過以非侵襲性方式檢測人陰囊溫度仍然存在明顯的技術限制，這些限制必須克服才能進一步研究睪丸高熱、肥胖與男性不育之間的關系。

內分泌紊亂

眾所周知環境化學藥物(內分泌干擾物)是生殖毒劑，與動物及人類精液質量受損及生殖潛能相關。內分泌干擾物定義如下：能夠干擾體內負責自我平衡、生殖、發育和/或行為的天然激素的合成、分泌、轉運、結合的外源性因子。

Baillie-Hamilton研究顯示過去40年來的肥胖流行也與工業化學藥物使用增加有關，這些化學制品具有內分泌調節活性。男性不育和肥胖可能具有共同的導致正常內分泌途徑干擾的環境病因學。

Barker假說講述的是胎兒期營養較差到成年發病包括冠心病、2型糖尿病與代謝功能異常的發生，即圍產期健康與最終的慢性疾病發展存在相關性(圖12)。毒理學研究也發現，化學暴露(如內源性干擾物)與成年發病的生殖癌癥相關。總之，如同由Baillie-Hamilton 還有Newbold與其同事建議的一樣，這些模型可以解釋成年肥胖風險的胎兒起源。

在一系列研究中雌激素和脂肪生成之間的交叉已經得到最好的驗證，這些研究在陰莖海綿體通過有效雌激素干擾物己烯雌酚(DES)以激活ER-α來定義脂肪合成(圖13A)。新生兒暴露DES(3～4mg/kg)使成年大鼠因肉眼可見的陰莖異常而不育，其中包括陰莖海綿體的多孔空間出現脂肪細胞。相似地，有研究顯示，出生后暴露EDS(1mg/kg)的男性不育患者的陰莖組織學發生改變。Goyal及其同事認為間質細胞的雌激素依賴性分化及增殖發生于在關鍵發育期(出生后1～12天)暴露于雌激素之后。這種變化使得陰莖海綿體的內皮和平滑肌細胞被脂肪細胞所取代，導致陰莖大體形態學異常及不育。缺乏ER-α的轉基因小鼠(α-ERKO)對新生時DES暴露產生抵抗，并且沒有表現為陰莖異常。這些研究在大鼠與小鼠中證實了ER-α在DES介導的陰莖海綿體異常中發揮了一定作用。此外，這種發育中斷最近被闡明為PPAR-γ與ER-α之間的生物學重疊(圖13B)。

圖13 ER-α和PPAR-γ依賴性基因表達

PPAR家族包括三種同種型PPAR-α、-β和-γ。PPAR-γ為非類固醇類的細胞核受體，通過促進基因調控脂肪細胞的增殖和分化，而這些基因涉及到脂肪酸存儲以及脂肪細胞分解所必需的抑制基因。一旦配體激活，PPAR-γ與視黃醇類X受體形成異源二聚體，作為一種復合物在靶向基因啟動區結合PPAR反應元件(圖13B)。ER-α和PPAR-γ通路是數個信號串擾的實證表現，包括有共同的有關脂肪細胞分化的激活劑，諸如近來被識別的PPAR-γ的構成型共激活劑。ER-α和PPAR-γ可能各自直接結合或者為PPAR反應元件或者為雌激素反應元件(圖13C和D)。嚙齒類觸發DES誘導的間質細胞分化以及隨后的陰莖異常被認為屬于后一種機制。

脂肪細胞功能和分化的調節現在被認為是內分泌紊亂的一種亞類型。如環境化學制品已被稱為代謝干擾物或致肥胖因子。肥胖生成途徑包括有關脂類代謝的核受體諸如PPAR-γ、肝臟X受體和法尼醇類X受體。已經發現數個外源性PPAR-γ配體，包括鄰苯二甲酸鹽單酯（如二-2-乙基己基苯二甲酸酯及其代謝產物鄰苯二甲酸單-2-乙基己酯）、有機錫復合物（三苯基錫和三丁基錫）、二惡英類、植物雌激素（染料木黃酮），這些配體大部分對生殖系統產生毒性。實驗室及野生動物相關研究為內分泌與脂肪合成之間的串擾提供了額外的研究證據，進一步提示了環境污染物(內分泌干擾物)很有可能也調控脂肪細胞分化，對生殖病理有促進作用。

結論

三種主要的生物學機制用來解釋肥胖與男性不育之間的關系即性腺功能減退癥、睪丸熱應激或缺氧誘導的凋亡以及致肥胖因子產生的內分泌紊亂(圖14)。肥胖誘導的性腺功能減退癥似乎出現在大多數的病態肥胖男性中，外周雄激素轉換為雌激

圖14 肥胖誘導男性不育癥的機制

素和瘦素/胰島素抵抗起了關鍵作用。診斷為性腺功能減退癥的肥胖男性可以有幾個治療選擇，包括減輕體重、短期芳香酶抑制劑治療。相似地，睪丸熱應激盡管很難確定治療方法，但是預測血管翳(小腹/腹部脂肪突起)的逐層切分可能有效。睪丸熱應激可能通過運動、減輕體重、使用制冷裝置得到緩解。將來研究的領域包括脂肪細胞因子與內分泌干擾物在男性不育及肥胖中的作用。出生前暴露于內分泌干擾物可能不僅改變了生殖與內分泌通路而且也改變了脂肪細胞的分子調控。因此肥胖在男性不育中是一種致病因素，對一些個體而言，出生前暴露內分泌干擾物則通過交叉的內分泌和脂肪生成的信號通路增加了額外的風險。

專家評論

肥胖誘導男性不育的診斷與治療的臨床知識仍然缺乏，男性不育的評估依賴于精子數量及形態學異常情況，除了評估能動性外尚缺乏功能性分析。毫無疑問我們低估了低生育力，原因在于臨床診所缺乏功能性精液分析檢測工具包括精子受精卵結合以及頂體/精子獲能檢測法。胰島素抵抗和性腺功能減退癥的篩查應該被列為超重和肥胖男性不育患者診斷的一部分。隨著2型糖尿病的發病年齡下降，40歲以下的男性應該接受這些篩查。應該收集男性不育患者BMI與腰臀比的數據，隨同標準的內分泌項目一起來識別出哪些人受益于體重減輕，哪些人受益于激素治療。藥物治療2型糖尿病(磺脲類、雙胍類、噻唑烷二酮類)對男性生育的影響尚沒有得到很好的驗證。暴露于內分泌干擾物和其它環境污染物的有關信息應該通過職業和生活方式的調查問卷來收集，這能有助于解釋特發性男性不育類型。一般而言，肥胖男性很有可能表現為性腺功能減退癥以及高雌激素血癥，這種情況將導致男性不育的最大風險。

5年展望

在西方國家肥胖流行的背景下肥胖男性不育癥的問題十分重要，未來5年內肥胖流行將進展為2型糖尿病流行，伴隨男性和女性胰島素抵抗急劇增多。隨著我們對潛在胰島素抵抗的分子生物學有更多的了解，一個有趣的結果就是伴隨萊迪希細胞睪酮產生的抑制，這個結果將進一步得到闡述。當然需要更多強有力的研究來調查胰島素抵抗男性患者的精液質量。脂肪細胞因子是從脂肪細胞釋放的一類激素包括瘦素、抵抗素和脂聯素。盡管脂肪細胞因子和胰島素抵抗已經被認為存在關聯，但是這些脂肪細胞因子的生理學作用的研究仍然處在初步階段。吻素及其對下丘腦-垂體-性腺軸的調控是一個正在飛速發展的領域，理解生殖系統的神經內分泌調控及其對內分泌干擾物與營養應激源潛在的敏感性將對這個領域產生顯著性的貢獻。環境應激源(營養、內分泌干擾物和感染因子)對胎兒發育再到成年發病（如肥胖和不育）的貢獻，將會得到分子學方法研究。盡管本篇綜述只關注男性不育，但環境應激源對生殖細胞系帶來的遺傳學變化將對未來的后代產生重要的影響。內源性干擾物，尤其是環境雌激素，是已經確定的生殖系統毒素，作用于核受體超家族成員相關的類固醇激素信號傳導通路。最近的非基因組類固醇激素受體的描述有可能改革內分泌學領域。有能力擾亂脂肪生理學的化學制劑最近才被識別，并被歸為致肥胖因子或代謝紊亂劑。這些化學制劑對肥胖、糖尿病和男性不育的重要性仍然需要進一步闡述。

（中南大學湘雅二醫院內分泌科／中南大學糖尿病中心羅說明 編譯 周智廣 審校）

10.3969/j.issn.1672-7851.2011.01.008

渥太華大學健康科學系