热应激引起男性生殖系统损伤的机制及治疗研究进展

摘要

精子发生过程对温度具有依赖性。阴囊温度升高是热应激的一种表现形式，会产生睾丸热应激，诱导睾丸细胞发生氧化应激、凋亡、DNA损伤、睾酮分泌下降等一系列反应，导致男性不育。生物碱类、氨基酸类、中药提取物、中药方剂、中药单体、褪黑素、益生菌药物等对睾丸热应激损伤具有一定的治疗效果。本文综述了热应激引起男性生殖系统损伤机制，以及上述药物的治疗机制，旨在为缓解热应激对男性生殖系统的损伤和提高男性生殖功能提供一定的理论参考。

关键词

热应激 / 精子发生 / 精子 / 睾酮 / 男性不育 / 药物治疗

当过高温度（超过自身体温调节能力）刺激人或动物时，产生的非特异性应答反应称为热应激，其对男性生殖系统精子发生过程的影响尤为显著。精子发生中细胞分裂、分化具有高度特化性，是复杂的生理过程，因细胞极易受到外界环境因素的干扰，尤其对高温具有较高的敏感性。据统计，睾丸温度每升高1℃，精子发生效率就会降低约14％^［1］。在高温环境下工作或运动时，人体可能遭受热应激，通过干扰睾丸局部温度调节机制，进而损伤睾丸结构和降低精子质量，导致男性不育。在我国，消防员、厨师、建筑工人以及交通警察等职业群体频繁暴露于高温环境中^［2］，这一现象已经引起了社会对他们生殖健康状况广泛且深入的关注。但热应激引起男性生殖系统损伤具体机制尚未完全阐明，本文将综述热应激对男性生殖系统的影响以及某些药物对睾丸热应激损伤的潜在治疗作用。

1 热应激对生殖系统的影响

1.1 热应激诱发氧化应激引起生精细胞损伤

细胞内活性氧（reactive oxygen species，ROS）在受到热刺激后水平显著升高，若无法及时清除，导致氧化-抗氧化系统平衡失调，线粒体呼吸链酶活性抑制，抗氧化酶基因表达增加，进而引起组织细胞的结构功能损伤，因此氧化应激是热应激导致细胞正常生理生化功能损伤的重要原因^［3］。氧化应激可造成细胞内DNA断裂、蛋白质变性以及细胞膜脂质过氧化等多种损伤。

热刺激会使睾丸中抗氧化剂含量下降，导致精子发生氧化损伤，并造成精子DNA损伤，损伤的DNA会导致睾丸产生畸形精子的概率升高。热应激会抑制精母细胞的姐妹染色体发生联会，导致Y染色体配对异常，造成精母细胞DNA损伤^［1］，这些带有DNA损伤的精母细胞可以逃过热应激引起的细胞凋亡，并形成带有DNA损伤的成熟精子，造成精子畸形率增加，导致男性不育。此外，热应激可引起大鼠睾丸中DNA聚合酶β和DNA连接酶Ⅲ基因表达量减少，损伤了精母细胞的 DNA 修复系统，DNA的修复能力下降，增加了精子遗传物质的损伤^［4］。精子细胞经过复杂的变态形成精子的过程中，有大量残余细胞质会脱落掉，其中包含参与修复DNA的相关酶，因而受损的DNA难以恢复，损伤的DNA会通过线粒体途径诱导生精上皮的细胞凋亡，使产生的精子浓度降低^［5］。

精子在生殖管道内的转运过程中，鱼精蛋白起保护作用，能保证精子DNA的完整性。但有研究证实，提高阴囊温度后会降低精子中鱼精蛋白的表达量^［6］。另一方面，ROS 还会损伤精子的线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）。mtDNA是裸露的双链分子，线粒体基因组较小，自我修复能力较差。所以，ROS很容易损伤精子mtDNA，抑制细胞产生能量，降低精子的活动能力，影响精子质量。此外，过量的ROS会触发精子细胞膜发生脂质过氧化反应，形成脂质过氧化产物（lipid peroxide， LPO），4-羟基壬烯醛（4-hydroxynonenal，4-HNE）、丙二醛（malonaldehyde，MDA）等，这些物质具有毒性，可增加膜通透性和流动性^［7］，导致细胞结构和功能改变。由于质膜受损，精子难以与卵细胞表面结合，受精能力下降。

1.2 热应激诱发生精上皮细胞凋亡

在热应激致使大鼠生精细胞凋亡过程中，特定的细胞类型显示出不同的敏感性，其中精母细胞和圆形精子细胞最为敏感。与热应激处理相关的生精细胞凋亡信号通路主要有p53依赖性／p53非依赖性途径、Fas／Fasl途径及其他凋亡途径^［8］，且热应激处理后生精细胞凋亡受多个通路同时调控^［9］。将大鼠睾丸暴露于微热环境（43 ℃，15 min）6 h后，睾丸生殖细胞中的Bax从胞质定位重新分布到核旁定位，线粒体释放细胞色素c，激活下游Caspase发生级联反应。此外，在睾丸生殖细胞凋亡早期，内质网中也积累了大量的Bcl-2相关X蛋白（bcl-2 associated X protein，Bax）。这些结果表明线粒体依赖性途径是热诱导睾丸生殖细胞凋亡的关键凋亡途径^［10］。仔猪睾丸支持细胞（sustentacular cell of testis，SC）体外实验也表明，热应激增强了SC中花生四烯酸酯氧合酶15B（arachidonic acid lipoxygenase 15B，ALOX15B）的表达，产生过量脂质过氧化物，进一步诱发ROS的聚集，加速SC凋亡。另一方面ALOX15B可以通过调控JNK-p53激活，诱导SC细胞凋亡，且JNK能够通过负反馈抑制ALOX15B的表达，调节SC细胞中的脂质稳态，将凋亡控制在一定的水平^［11］。

隐睾症患者中一氧化氮合酶（nitricoxide synthase，NOS）的表达量升高^［12］，抑制p38丝裂原活化蛋白激酶则会下调NOS的表达量，抑制caspase-2则又会减弱p38丝裂原活化蛋白激酶的表达，因而推测，NOS、p38丝裂原活化蛋白激酶、caspase-2是促凋亡通路上游的潜在激活因子^［13］。综上所述，热处理后睾丸生精上皮细胞凋亡是多因素参与的复杂过程，且它们之间相互诱导、共同发挥作用。

1.3 热应激影响睾酮合成

Li等^［14］将大鼠置于43℃的水中，对睾丸进行30 min局部热处理后，发现热处理使血清和睾丸的睾酮浓度下降，并降低了细胞色素P450家族17（cytochrome P450 family 17，CYP17）和类固醇生成急性调节蛋白的水平，表明热刺激会导致睾酮水平下降，影响精子的发生过程。

热应激还会干扰下丘脑-垂体-性腺轴（hypothalamic-pituitary-gonadal axis，HPG），进而改变睾丸的内分泌调节功能。对照新生大鼠，高温刺激更容易影响性成熟期男性大鼠HPG的功能。已经适应了高温的成年大鼠血清中黄体生成素（luteinizing-hormone，LH）水平显著升高，但血清睾酮水平却明显降低^［15］，LH又称间质细胞刺激素，可诱导睾丸间质细胞合成并分泌雄激素，而此研究中的大鼠血清LH水平较高但睾酮水平却降低，可能的原因是，热应激诱导了氧化应激使睾丸间质细胞功能受损，通过HPG调控，反馈性促使垂体分泌LH，以刺激睾酮的合成。

热应激对男性生殖系统的损伤是复杂多样的病理生理过程，不仅涉及到氧化应激反应的显著加剧，生精上皮细胞的程序性死亡（凋亡），还涉及到内分泌系统中激素分泌失调等多个方面。针对上述损伤机制，可以通过一系列药物治疗，特别是生物碱类，氨基酸类，中草药及方剂等，凭借其多成分、多靶点的优势，展现出显著的治疗潜力，以下将对这些药物的治疗效果和作用机制进行阐述。

2 治疗热应激损伤的药物

2.1 生物碱类

甜菜碱，N，N，N-三甲基甘氨酸，是一种存在于动植物中的季铵类抗氧化剂。睾丸含有高水平的甜菜碱及其转运体，可以维持男性生育能力，减少热应激引起的睾丸上皮损伤，并通过刺激睾丸的抗氧化防御系统。Cabezón等^［16］认为甜菜碱的代谢导致S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine，SAM）的产生，这对肌酸合成至关重要，对精子的运动也很重要。Shadmehr等^［17］揭示了甜菜碱对改善小鼠附睾精子的有益作用，以及其对睾丸热应激诱导的精子生成并发症的有益作用。

咖啡因，1，3，7-三甲基黄嘌呤，是一种生物碱，存在于许多植物的叶子或种子中。咖啡因通过增强如过氧化氢酶（catalase，CAT）、谷胱甘肽（glutathione，GSH）和SOD等抗氧化酶的活性来减轻精子和睾丸细胞膜中的氧化应激和脂质过氧化水平，从而减缓精子活力下降和精子畸形^［18］。咖啡因同时也能抑制环状核苷酸磷酸二酯酶，使细胞内cAMP和细胞内钙离子水平升高，通过抑制Caspase-3的凋亡途径和保留睾丸的正常结构来提高精子的活力^［19］。

2.2 氨基酸类

精氨酸（arginine，Arg）是动物机体内具有重要功能的碱性必需氨基酸。在高温热暴露中，补充L-Arg使公猪精浆中的抗氧化酶活性（SOD、CAT和GSH）升高，精子中的脂质过氧化物MDA显著降低，表明Arg可提高公猪精液质量和精液抗氧化能力，并降低了精子氧化损伤，而这种作用是通过维持猪精子细胞iNOS基因的相对表达，增强NOS酶活性促进NO的生成，通过NOS-NO途径调控猪精子活力，该研究^［20］证明，Arg也可显著提高人类精子密度和活力等。Aydin等^［21］在对15名不同程度的少精症和弱精症患者进行为期3个月的Arg治疗，患者的精子数量和活力都有了显著的提升，并使3对患者夫妇成功受孕。但是Arg能否缓解热应激导致的人类精子质量下降及其机制还有待进一步研究。

谷氨酸（glutamicacid，Glu）是一种多功能非必需氨基酸。在热应激环境下，通过在湖羊的饲料中添加Glu，可以优化其胃的发酵过程，提高营养物质的消化和吸收以及新陈代谢水平，增强机体的免疫功能，进而有效促进湖羊的生长^［22］。蔡霞清等人^［23］发现补充外源性Glu可以提高仔猪睾丸GSH水平，提高抗氧化物质（SOD、CAT）水平，抑制氧化物质（ROS、MDA）水平，降低热应激诱导的仔猪睾丸支持细胞凋亡，提高仔猪的生殖功能。

2.3 中草药提取物

山茱萸的主要生物活性物质是山茱萸多糖，具有抗肿瘤、抗氧化、抗炎抑菌、免疫调节等多种生物学活性。李卓能等^［24］发现，山茱萸多糖能有效保护睾丸组织形态学结构，防止睾丸的生殖腺组织萎缩，保护精子的发生和发育，并随着浓度的增加保护作用越明显，其机制可能是通过抑制脂质过氧化及已存在的过氧化自由基对DNA大分子的损伤，从而减弱热应激引起的生殖功能损伤。

黄芩苷是一种黄酮类化合物，有显著的生物活性，具有抑菌、抗炎、抗变态及清除氧自由基等作用，有较强的抗癌反应等生理效能，可阻止、抵抗细胞凋亡。研究^［25］发现热应激条件下小鼠睾丸组织细胞在黄芩苷干预后受ROS损伤程度减弱，因此黄芩苷对热应激损伤睾丸组织有保护作用；黄芩苷可提高睾丸中抗氧化酶活性，降低丙二醛的水平拮抗氧化损伤，通过调控Fas/FasL途径抑制细胞凋亡，在保护细胞抵抗热应激方面效果显著。由此分析，热应激时黄芩苷可抵御睾丸生精细胞内ROS的产生，防止过多消耗抗氧化物酶，维持体内氧化还原的平衡；另一方面，热应激时黄芩苷可保护抗氧化物酶的活力，以维持其清除自由基的能力。在补充黄芩苷的热处理小鼠中，睾丸中抗氧化酶活性（SOD、CAT和GSH）显著增加，MDA含量降低^［26］。黄芩苷可以使抗氧化酶活性的增加，可能通过阻断Fas/FasL通路，改善热应激引起睾丸组织发生宏观和凋亡变化，改善精子发生。

2.4 中药方剂

白虎汤属中医的经典方剂，临床解热效果显著。有研究表明，白虎汤不仅可以通过修复线粒体凋亡途径和提高睾丸中热激蛋白70水平来抵抗热应激引起的大鼠睾丸细胞凋亡，还可以通过增强SOD、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px/GPX）的活性，提高睾丸内细胞的抗氧化能力，抵抗热应激引起的氧化损伤^［27］。

五子衍宗丸（Wuzi Yanzong Pill，WYP）是经典补肾方剂，用于肾虚精少，阳痿早泄，遗精，久不生育等证。一项43 °C大鼠睾丸热应激实验中探讨了WYP在SC中的调控作用，一方面WYP以剂量依赖的方式增强了SC细胞的活力和增殖能力，另一方面WYP通过增加BTB蛋白如TJ蛋白ZO-1和Occludin的水平来修复受损的血睾屏障（blood-testis barrier，BTB），而这对精子发生至关重要^［28］。WYP也可抑制激活大鼠睾丸内支持细胞中NLRP3炎症信号通路，减少下游IL-1β、IL-18效应蛋白的表达水平，发挥抗热应激睾丸炎症的作用^［29］。

2.5 中草药活性成分

果胶酶处理的人参（GINST）是指果胶酶发挥酶促生物转化作用，转化人参皂苷产生人参皂苷CK和其他形式的人参皂苷，如Rg3、Rg5、Rk1、Rh1、F2和Rg2等，发挥多种生物活性作用。GINST可以通过提高GPX和谷胱甘肽转移酶（glutathione transferase，GST）的活性，使谷胱甘肽表达量增加，从而防止睾丸中的LPO反应的发生^［30］。此外，热应激导致精子发生相关蛋白水平降低，如CREB1和INHA，但在经GINST治疗后，INHA和CREB1的mRNA表达逐渐恢复，蛋白质水平也得到了改善，有助于精子的成熟和发育^［31］。

3 其他

褪黑激素（N-乙酰-5-甲氧基色胺）主要由松果体分泌，睾丸也能局部合成褪黑素。研究^［32］表明，褪黑素可通过抑制细胞凋亡的JNK和p38 MAPK信号，防止热诱导的睾丸细胞凋亡_。另一项研究^［33］显示，热应激处理2 h内，睾丸支持细胞间紧密连接蛋白的转录与蛋白表达水平均下降，而且参与紧密连接形成的相关蛋白也发生了转运和定位错误，而褪黑激素能够保持支持细胞紧密连接的结构完整性来有效避免血睾屏障的瓦解。

目前研究^［34］发现，益生菌可以有效缓解睾丸热应激后造成的损伤，且其毒副作用较小。益生菌制剂（嗜酸乳杆菌、双歧杆菌属、凝结芽孢杆菌、鼠李糖乳杆菌或以上混合物形式）可逆转睾丸和附睾中氧化应激和脂质过氧化水平，提高谷胱甘肽含量，提升睾丸总抗氧化能力，提高精子数量和膜完整性。热应激时肠道组织会释放炎性细胞因子和细菌内毒素，且物质通透性升高，可将炎性细胞因子和内毒素渗漏到循环系统，进而通过被破坏的血睾屏障影响睾丸状态。有研究^［35］表明，在实验中预饲喂屎肠球菌和丁酸梭菌（乳酸菌的两种种属）重塑热应激肠道微生物区系，可达到缓解肠道损伤，降低肠道通透性，促进营养物质生成和代谢的目的，从而降低热应激引发的全身炎症，保护睾丸生理环境，进一步为益生菌治疗睾丸热应激损伤提供证据。

4 小结与展望

男性不育的发病率呈逐年上升趋势，给个人、家庭和社会带来巨大的负担。睾丸热应激是其中的一个诱发因素，在日常生活中，各种因素使得睾丸温度升高造成睾丸细胞损伤，精子质量下降，增加不育风险。其机制涉及多个方面，比如氧化应激、细胞凋亡、激素分泌失调等，但还需要进一步进行实验探索。

目前针对睾丸热应激所造成的负面影响，已经进行了多项物质研究，包括氨基酸、抗氧化物混合物、天然产生的物质、传统中草药、激素、益生菌等。这些物质的主要通过减少睾丸氧化应激，减少或防止生殖细胞凋亡，以促进睾丸组织的恢复和精子质量的恢复。尽管有些产品显示出一定的应用前景，但大多数研究还停留在动物实验阶段，要将其应用于临床实践，还需要更为深入和细致的研究，以明确它们在热应激后保持或恢复生育能力的效果。

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基金资助

陕西省大学生创新创业训练计划项目(S202310719101)

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