氧化應激在女性生殖功能損傷中的研究進展

常瑞亞 石拴霞 王紀田 王玲

研究表明,毒物的暴露、化療、吸煙、高原環境等均會造成女性生殖相關細胞的氧化應激,對女性生殖細胞及器官等造成了嚴重的威脅。氧化應激是活性氧(ROS)、活性氮(reactive nitrogen species, RNS)和抗氧化防御系統失衡狀態,是細胞再生系統中凋亡的關鍵因素[1]。在建康的身體中,氧化-抗氧化系統處于動態的平衡。當活性氧的產生超過抗氧化防御機制消除能力時,導致氧化劑-抗氧化劑系統的失衡[2],引起細胞和組織發生系列生理病理反應,被認為是引起疾病及導致衰老的重要因素。氧化應激水平升高,可引起女性生殖細胞生理功能的損傷及多種生殖疾病,如多囊卵巢綜合征、子宮內膜異位癥[3]等不明原因的不孕、復發性流產、自然流產等妊娠并發癥。因此,維持氧化與抗氧化平衡、緩解女性生殖功能損傷對提高女性生殖健康至關重要。

1 氧化應激

氧化應激是促氧化劑(自由基種類)和身體的清除能力(抗氧化劑)之間的不平衡引起的,過量ROS得不到及時清除引起的病理反應[4]。高水平ROS會引起離子通道開放、脂質過氧化、蛋白質修飾、DNA氧化等,導致細胞結構和功能損傷,甚至導致細胞凋亡。ROS包括超氧陰離子(O2)、羥基自由基(OH)和過氧化氫(H2O2)等類型;抗氧化防御系統主要的3種酶抗氧化劑包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px);非酶抗氧化劑包括谷胱甘肽等,機體的抗氧化系統在抵抗氧化應激中起著關鍵作用。氧化磷酸化(OXPHOS)是生命的基礎。線粒體通過產生由電子傳遞鏈產生的膜電位梯度來驅動 ATP 合成來維持 OXPHOS。電子傳遞鏈是 ROS 生成的主要來源[5]。中等水平的 ROS 刺激細胞生長和增殖,是維持生理功能所必需的。慢性 ROS 積累可發生在各種細胞類型中,內部信號通路直接或間接誘導細胞和組織損傷(即對 DNA、脂質膜和蛋白質的損傷),導致各種女性生殖系統疾病,對女性的生育能力有一定的影響。

在女性(雌性)生殖系統中,ROS及抗氧化劑對卵泡發育及卵母細胞成熟有調控作用。ROS是一把雙刃劍,作為信號分子,它們在細胞增殖速率和凋亡的調節以及基因表達途徑的調節中具有重要作用[6],并且ROS生成對于生殖系統的各種生理功能是必不可少的,包括卵巢類固醇生成、卵母細胞成熟、排卵、胚泡形成、著床、黃體溶解和妊娠期黃體維持。當氧化劑的產生超過機體的抗氧化能力時,會造成ROS積累,進而導致氧化應激產生。而氧化應激引發多種生物學過程,如通道開放、脂質過氧化、蛋白質修飾、DNA氧化等,造成生殖細胞的損傷,甚至會導致女性不孕或復發性流產等嚴重的妊娠并發癥[7]。

2 氧化應激對女性生殖功能的影響

氧化應激在女性生殖調節中起著重要作用。適量的ROS對女性生殖系統的各個生理功能是不可或缺。而過量的ROS引起的氧化應激通過改變哺乳動物的卵母細胞生理、卵巢及子宮等降低女性生殖能力。氧化應激可以在各種生殖系統疾病中發揮作用,此外,氧化應激還可能影響女性生殖系統中的其他組織和器官。

2.1 氧化應激對生殖細胞的影響 在健康的身體系統中,ROS和抗氧化劑保持平衡,ROS在維持卵母細胞的正常功能和著床前胚胎的發育中起著至關重要的作用。另外,ROS也參與調控卵母細胞生長、減數分裂、排卵等生理過程[8]。但當平衡被過量的 ROS打破時,就會出現氧化應激,進而影響卵母細胞的發育,導致卵母細胞線粒體的損傷、三磷酸腺苷(ATP)缺乏、減數分裂異常和染色體非整倍體數目增加,進而損害卵母細胞的發育潛能,甚至導致卵泡凋亡[9]。可使卵母細胞受精潛能明顯降低,損害胚胎發育,可降低女性的生育能力或造成不良的妊娠結局。氧化應激有能力破壞線粒體功能并直接破壞卵母細胞的多種細胞內成分,進而損害卵母細胞的活力和受精性,并干擾減數分裂期間染色體的正常分離[10]。目前,氧化應激已被公認為可以減弱卵母細胞質量的重要因素[11],而卵母細胞質量是女性生育能力的關鍵因素之一。氧化應激會導致卵細胞內部的線粒體功能異常和DNA損傷,從而影響卵細胞的質量。卵子質量下降會增加染色體異常和胚胎發育缺陷的風險,導致不孕癥和流產等問題。因此,氧化應激對卵母細胞的損傷是導致女性生殖功能障礙,甚至女性不孕的關鍵因素。

顆粒細胞對于在卵泡發育和成熟過程中支持和滋養卵母細胞很重要。顆粒細胞的氧化應激損傷可導致卵泡對卵泡刺激素(FSH)的反應性降低,這將加速卵巢衰老并對卵母細胞和胚胎質量產生不利影響,降低卵泡質量和女性生殖功能[12]。研究表明,隨著年齡的增高,卵泡液中 ROS 逐漸增加、總 SOD 活性下降,受精率及囊胚形成率與卵泡液的總 SOD 活性呈正相關,顆粒細胞中過氧化氫酶和谷胱甘肽還原酶的水平均有顯著降低[13]。卵泡液和顆粒細胞相互作用,促進卵母細胞的發育及成熟[14],顆粒細胞的損傷可能對卵子的質量有影響,進而降低女性生育能力。

2.2 氧化應激對女性生殖器官的影響

2.2.1 氧化應激對卵巢的影響:卵巢是女性生殖系統重要器官之一,與卵母細胞的成熟、排卵等密切相關。卵巢的氧化應激是引起女性不孕的重要原因。卵巢內高水平ROS會引起氧化應激狀態通過促進細胞凋亡、炎性反應、線粒體損傷、端粒縮短和生物大分子損傷等途徑加速卵巢衰老,進而引起廣泛的卵泡閉鎖或退化,從而破壞卵巢的正常生理功能,對女性生殖功能造成不可逆的損傷。氧化應激可通過外源性途徑、內源性途徑和內質網應激(ERS)[15]等多種途徑誘導卵巢細胞凋亡,卵母細胞凋亡直接導致生殖細胞的喪失。顆粒細胞凋亡導致卵巢細胞營養剝奪,誘發卵巢微環境代謝紊亂,從而加重對卵巢的損傷[16]。此外,氧化應激可導致女性生殖干細胞(FGSCs)凋亡,FGSCs的表型改變降低了其增殖能力。卵母細胞減數分裂和顆粒細胞增殖需要充足的蛋白質、碳水化合物和脂質供應[17]。然而,氧化應激可直接破壞大分子結構,卵巢失去了補充原始卵泡庫和產生卵母細胞的潛力,包括卵母細胞減數分裂停滯、顆粒細胞凋亡、黃體功能障礙等,從而加速卵巢衰老的進程[18],造成女性生殖能力減低,甚至引起女性不孕。研究表明,高水平ROS也可通過線粒體和死亡受體通路引起卵巢組織中卵泡凋亡增加[19]。因此,研究抗卵巢細胞凋亡方法對治療女性不孕具有重大意義。

多囊卵巢綜合征(PCOS)是以不排卵或少排卵、高雄激素血癥和多囊卵巢為特征,關鍵因素為排卵障礙而影響生育功能[20],是女性無排卵性不孕癥的主要原因之一,影響全球5%～15%的育齡女性[21],PCOS有多種病因,氧化應激起著重要作用。PCOS 疾病及相關并發癥與子宮內膜局部氧化應激失衡密切相關,導致子宮內膜容受性差,影響妊娠。Papalou等[22]分析發現氧化應激參與PCOS的病理生理過程,與其他致病因素如氧化應激與高雄激素血癥、胰島素抵抗、超重/肥胖等共同調控PCOS的發生發展。最近一項研究表明,高雄激素血癥可增加卵巢氧化應激失衡和低水平炎癥,并通過激活NLRP 3炎性小體上調炎性因子的表達,從而誘導卵巢顆粒細胞的焦亡,損害卵泡功能,導致排卵障礙[23],引起PCOS相關性不孕。PCOS疾病及相關并發癥與子宮內膜局部氧化應激失衡密切相關,導致子宮內膜容受不良和對妊娠的影響[24]。研究發現,PCOS 患者卵泡液及血清中總氧化能力及氧化應激指數與對照組相比顯著增高,PCOS患者的囊胚形成率比對照組略低,總氧化能力與優質胚胎率 、囊胚形成率呈明顯負相關[25],結果表明PCOS 患者的優質胚胎率 、囊胚形成率的下降及胚胎質量的下降,可能與PCOS患者較高的流產率和較低的活產率有關。雖然PCOS患者排卵障礙的氧化應激機制目前并不完全清楚,但抗氧化治療可能對PCOS患者有益[26],并且這需要更多的關于抗氧化治療的臨床研究為PCOS患者的治療提供有利的依據,解決PCOS患者的不孕問題,提高PCOS患者的生育質量。

卵巢癌是最危險的婦科惡性腫瘤之一,診斷較晚且化療耐藥導致復發,致死率較高,有研究表明,氧化應激在卵巢癌的發生、生長和發展中起著關鍵作用[27]。當氧化劑的產生超過機體的抗氧化能力,引起氧化應激時,機體的抗氧化應激防御系統會有一定程度的對抗作用,使機體保持氧化-抗氧化平衡狀態。紅系衍生的核因子相關因子(Nrf2)是一種存在于人體各個器官組織中對抗外來異物和氧化損傷的關鍵轉錄因子。它可以參與多種抗氧化酶的活化及ROS等有害物質的清除[28]。在細胞中,Nrf2-ARE信號通路是對抗外源物質及氧化應激損傷的重要通路。Nrf2-ARE信號通路的核心分子包括 Nrf2、抗氧化反應元件和伴侶蛋白。Nrf2-ARE信號通路在氧化應激狀態被激活,具有抗氧化作用,可以使機體的氧化-抗氧化平衡。Nrf2-ARE信號通路對腫瘤的發生和耐藥性均有顯著的作用,Nrf2在腫瘤細胞中的表達明顯高于正常細胞,腫瘤細胞可以通過Nrf2-ARE信號通路增強抗氧化應激的能力,增強自身對抗放化療的耐受性。在卵巢癌OV90細胞中,通過抑制Nrf2-ARE信號通路可增強多柔比星在體外的細胞毒作用。干擾lncRNA MNX1-AS1誘導卵巢癌細胞的氧化應激增強、線粒體損傷加重,干擾lncRNA MNX1-AS1對SKOV3細胞抑制效果顯著,具有靶向治療卵巢癌的潛力[29]。因此,研究氧化應激在卵巢癌發生、發展過程中的作用,對卵巢癌的預防及治療提供很大的幫助,同時也為卵巢癌患者帶來福音。

2.2.2 氧化應激對子宮的影響:子宮內膜異位是常見的婦科疾病,其特征是子宮內膜組織在子宮外生長,異常的子宮內膜組織在月經周期中也會受到激素的影響,導致出血、疼痛和其他癥狀。子宮內膜異位癥與ROS和氧化產物升高有關,氧化應激通過下調抗氧化能力、增加炎性反應、損傷細胞膜和DNA損傷等多種途徑參與子宮內膜異位癥的發生和發展。如子宮內膜異位癥相關的不孕癥機制可能與氧化應激誘導子房顆粒積云細胞的病理變化有關,高水平ROS通過激發內質網應激誘導子宮內膜異位癥子房顆粒狀積云細胞衰老,最終導致子宮內膜異位癥相關性不孕癥[30]。研究顯示,子宮內膜異位癥患者血清、腹腔液和卵泡液中的ROS產生過多,導致抗氧化能力下降[31]。氧化應激還可以影響子宮內膜異位癥患者的疼痛感受。脂質過氧化物的最終代謝產物丙二醛、脂質過氧化氫及抗氧化酶之一超氧化物歧化酶均可反應機體氧化應激水平。研究顯示,子宮內膜異位癥患者血清超氧化物歧化酶水平明顯高于正常人[32]。氧化應激可以增加疼痛相關物質的產生,導致疼痛感覺的增強。此外,氧化應激還可以影響子宮內膜異位癥患者的免疫功能和生殖功能。研究表明,抗氧化劑對子宮內膜異位癥具有預防和治療作用[33],子宮內膜異位癥患者血清及卵泡液中ROS水平均升高,且血清中抗氧化劑水平均降低[34],表明氧化應激為子宮內膜異位癥患者不孕的重要機制之一。ROS對腹腔內子宮內膜細胞的黏附、生長具有促進作用,引起子宮內膜異位癥的發生,進而引起疼痛及不孕癥狀[35]。氧化應激可以通過影響子宮內膜異位癥患者顆粒及卵母細胞的正常發育及成熟過程,最終損傷卵巢及生育功能,影響患者生存質量。子宮內膜異位癥通過引起顆粒細胞凋亡、炎癥、氧化應激、類固醇合成障礙和線粒體能量代謝異常來影響卵母細胞的發育和質量。子宮肌層氧化應激增加與MED12突變率高之間的有明確聯系,這可能是育齡女性子宮平滑肌肌瘤發展風險和嚴重程度的基礎[36]。研究氧化應激在子宮內膜異位癥中的作用,有助于預防和治療子宮內膜異位癥。此外,生活方式的改善,生活壓力的減輕,保持健康的飲食習慣和適度的運動可以降低機體的氧化應激水平,對子宮內膜異位癥患者的管理有幫助。所以,進一步研究氧化應激對子宮相關疾病的研究,對提高女性生育能力及治療不孕具有重要意義。

3 抗氧化治療在氧化應激引起的女性生殖損傷中作用

抗氧化劑是改善氧化應激對女性生殖功能損傷的一種安全有效的措施。目前,多種抗氧化劑能有效改善氧化應激對女性生殖功能的損傷,如抗氧化劑可以改善卵巢環境,促進卵泡成熟,提高卵母細胞數量等。也可以調節多囊卵巢綜合征患者的脂質和葡萄糖代謝以及血管內皮細胞功能,降低慢性并發癥的發生率[37],減少PCOS患者不孕并發癥的發生。褪黑素是一種有效的抗氧化劑,具有脂溶性及水溶性,可以保護細胞及器官免受ROS和活性氮引發的氧化應激損傷。在細胞中可以直接清除自由基,卵泡液中的褪黑素減少氧化應激引起的卵母細胞的凋亡。二甲雙胍通過SIRT3介導的老年小鼠卵母細胞中SOD2K68的乙酰化狀態改善線粒體功能,減少卵母細胞凋亡[38],以保護卵母細胞在成熟過程中的氧化損傷,促進卵泡成熟,改善氧化應激對女性生殖功能的損傷,表明二甲雙胍通過miR-670-3p/NOX2/ROS途徑抑制卵巢顆粒細胞焦亡[39]。給予適量丹參酮IIA可以上調抗氧化基因的表達,減少氧化損傷,增加AMH水平和E2水平,從而促進卵母細胞健康發育,提高卵母細胞質量[40]。蝦青素能使卵泡及卵母細胞的抗氧化增強,而緩解卵泡發育和卵母細胞成熟過程中雙酚A誘導的氧化應激[41]。過氧化物還原蛋白4通過間隙連接防止氧化應激引起的卵丘細胞凋亡,進而改善體外成熟卵母細胞質量并增強卵母細胞發育能力[42],為治療氧化應激引發的女性生殖功能損傷提供理論依據。研究表明,在臨床醫學或膳食補充劑中引入左旋肉堿可保護顆粒細胞,改善卵泡質量和女性生殖功能[43]。維生素 D 可直接作用于線粒體,提高細胞生物合成和抗凋亡水平,并上調抗氧化劑表達,從而降低 ROS 水平。 此外,維生素 D 還可刺激線粒體轉錄因子 A 的表達,增加線粒體 DNA 拷貝數,并改善線粒體膜的完整性[44]。生理性抗氧化劑維生素C、E,可以保護細胞免受氧化應激的損傷。研究顯示,補充維生素C、E的子宮內膜異位癥患者的超氧化物歧化酶和ROS較對照組明顯降低,且盆腔痛和性交困難的嚴重程度顯著降低[45]。氧化應激作為生殖功能損傷的重要機制之一,抗氧化治療在減輕氧化應激所致的生殖功能損傷具有很大的潛在價值,并且大量研究已證實。因此,抗氧化治療在經后治療女性不孕中具有很大的優勢。

綜上所述,氧化應激在女性生殖系統疾病的發生、發展過程中起了重要作用。ROS在生殖器官及卵母細胞等的作用具有兩面性,而高水平ROS引起的氧化應激對女性生殖系統可造成不可逆的損傷,繼而導致女性生殖功能降低,甚至不孕。通過抗氧化治療可以改善卵巢環境,促進卵泡成熟,提高卵母細胞的質量及數量等。但仍需要積極探索氧化應激與女性生殖功能降低、與女性不孕相關的常見婦科疾病的相關性及抗氧化治療效果,從而降低氧化應激對女性生殖功能的損傷,維持女性生殖健康。