卵巢储备是指女性卵巢皮层内卵泡的储存和产生成熟卵泡并排卵的能力,反映卵巢的生殖潜能和生育能力
[1]。卵巢储备功能减退(DOR),主要临床表现多为月经频发或稀发、月经延长、月经量少、闭经甚至不孕
[2]。近年来,DOR发病率逐渐升高并呈年轻化趋势,是导致女性生育能力下降的重要因素之一
[3]。
铁作为人体必需的微量元素之一,参与体内能量代谢、DNA和蛋白质合成、氧化呼吸以及免疫功能调节等多项生理活动
[4],铁元素参与女性卵巢卵泡发育、排卵等过程。铁过载,又称为铁负荷过载,指机体内铁元素的积累超过正常需求量,导致铁在组织中过度沉积
[5]。铁过载状态下,过多的铁可以催化芬顿反应,生成大量活性氧(ROS),高水平的ROS会导致氧化应激(OS)
[6]。OS会损伤卵巢组织,影响卵泡的发育和成熟,加速卵泡闭锁,从而减少卵巢储备,降低女性生育力
[7-9]。而右旋糖酐铁能否成功诱导慢性铁过载模型,慢性铁过载影响卵巢储备功能的机制仍需进一步研究。
以往针对慢性铁过载对小鼠卵巢功能作用的研究,虽阐述了铁过载对发情周期与性激素水平的扰乱,并初步探索了氧化应激的影响,却未能明确将卵巢损伤定义为DOR这一临床关键表现,也缺少对线粒体超微结构损害、铁代谢核心蛋白表达情况及浓度依赖关系的详细分析。本研究则聚焦于DOR,建立了“铁沉积→氧化应激→线粒体损伤→卵泡闭锁→DOR”的完整机制通路,围绕该通路深度探索了铁代谢紊乱对卵巢局部微环境的影响,进一步为慢性铁过载导致卵巢储备能力下降提供更准确的实验证据。
1 材料和方法
1.1 实验动物
C57BL/6J小鼠40只,SPF级,8周龄,体质量20±2 g,购自杭州资源实验动物科技有限公司,实验动物合格证号SCXK(浙)2024-0004,分笼饲养于安徽中医药大学第一附属医院动物实验中心。本实验经安徽中医药大学第一附属医院实验动物伦理委员会批准(伦理批号:AZYFY-2024-2008)。
1.2 药物及试剂
右旋糖酐铁(Sigma-Aldrich);ELISA试剂盒(泉州市睿信生物科技有限公司);比色法试剂盒(Elabscience);BCA蛋白浓度测定试剂盒(增强型)、Hoechst 33342细胞染色液(Biosharp);Ftl 抗体(武汉三鹰生物技术有限公司),Ft 抗体(Boster),Fth1、Tf 抗体(abcam),Tfr1、Gpx4 抗体(Abways);山羊抗兔IgG二抗(北京中杉金桥生物技术有限公司),β-微管蛋白(成都正能生物技术有限责任公司),苏木素-伊红(HE)染色液(ebiogo),普鲁士蓝染色试剂盒(Solarbio),ROS试剂盒(贝博生物),RNA提取试剂盒、逆转录试剂盒、2×SYBR Green qPCR Mix (With Rox)(山东思科捷生物科技有限公司)。
1.3 仪器
BioTekEpoch2 型全波段酶标仪(BioTek);EPS300型电泳仪、转膜仪(上海Tanon);UVP Chemstudio 型化学发光检测仪(Analytik-Jena);ABI Veriti 型梯度 PCR 仪(赛默飞);LightCycler480Ⅱ型荧光定量PCR仪(Roche);5430R型高速冷冻离心机、BioSpectrometer 型紫外分光光度计(Eppendorf);L4-5K低速离心机(湖南可成);JW-3022HR医用离心机(安徽嘉文);JXFSTPRP-CLN型冷冻研磨仪(上海净信)。
1.4 模型制备
C57BL/6J小鼠适应性喂养1周,每日上午行阴道脱落细胞涂片,筛选出40只动情周期正常的小鼠分为 4 组(n=10),分别腹腔注射等体积生理盐水(空白组)、0.1 g/kg右旋糖酐铁(LF组)、0.5 g/kg右旋糖酐铁(MF组)、1.0 g/kg右旋糖酐铁(HF组),1次/周,持续8周。每周称量小鼠体质量和监测进食量,于第7次腹腔注射结束后开始观察动情周期,持续2周。
1.5 取材
末次给药结束后禁食不禁水12 h,称量体质量,腹腔注射1%戊巴比妥钠(30 mg/kg)进行麻醉,采取摘眼球法收集血液,离心后去上清液用于ELISA检测,取出双侧卵巢与子宫称量湿重,随机选取一侧卵巢置于4%多聚甲醛固定后行HE染色及普鲁士蓝染色,另一侧新鲜卵巢组织一部分立即行冰冻切片ROS检测,一部分于-80 ℃保存,用于Western blotting和Rt-qPCR检测。
1.6 观测指标
1.6.1 小鼠一般情况及动情周期变化
每日观察小鼠的精神状态、毛发状况和饮食饮水等活动情况,造模结束后禁食不禁水12 h,记录每组小鼠体质量。造模第7周开始,每日上午收集阴道脱落细胞,均匀涂抹在预先标记好的载玻片上,快速固定后HE染色,于光学显微镜下观察并记录。参照文献[
10]描述识别有核、无核上皮细胞及白细胞,并根据其比例来判断动情周期变化。
1.6.2 小鼠子宫、卵巢形态变化及子宫指数与卵巢指数
每组小鼠经麻醉摘取眼球法取血后,开腹取子宫及双侧卵巢称重并观察子宫及卵巢形态。子宫指数(mg/g)=子宫湿质量/体质量;卵巢指数(mg/g)=双侧卵巢湿质量/体质量。
1.6.3 病理学检测
4%的多聚甲醛固定小鼠卵巢组织,包埋切片后行HE染色,于光学显微镜下观察并计算各级卵泡数量。使用卵泡分类系统
[11]:窦前卵泡包含原始卵泡和初级卵泡,有腔卵泡包括次级卵泡和成熟卵泡,闭锁卵泡指进入退行性过程的卵泡。
小鼠卵巢组织切片常规脱蜡去水,画疏水圈,蒸馏水洗净后,行普鲁士蓝染色15~30 min,洗净后行核固红染色5~10 min,后于光学显微镜下观察蓝色颗粒。
1.6.4 ELISA检测小鼠血清性激素水平
按照ELISA试剂盒说明书操作,采用酶标仪于450 nm波长处依次测定实验孔吸光度A450 nm,通过标准曲线计算样本血清卵泡刺激素(FSH)、黄体生成素 (LH)、雌二醇(E2)、抗缪勒氏管激素(AMH)水平。
1.6.5 比色法检测T-超氧化物歧化酶(SOD)和CAT水平
按照T-SOD和CAT试剂盒说明书操作,采用酶标仪测定实验孔A532 nm,通过标准曲线计算卵巢组织T-SOD于丙二醛(MDA)水平。
1.6.6 冰冻切片ROS染色检测小鼠卵巢组织ROS水平
新鲜的小鼠卵巢组织立即冰冻切片10~20 μm,室温下加上200 μL PBS,吸除后滴加100~200 μL染色探针工作液,在37 ℃培养箱避光孵育,洗净后滴加100~200 μL Hoechst 33342染色工作液,再次避光孵育,洗净后封片,于荧光显微镜下检测。
1.6.7 透射电镜观察小鼠卵巢线粒体超微结构
将各组约0.15 mm2的卵巢组织放入电镜固定液中固定2 h,经过脱水、浸透及包埋处理后,制备成70 nm的超薄切片。随后使用醋酸铀酰和柠檬酸铅对其进行染色,于透射电镜下观察并分析卵巢线粒体超微结构。
1.6.8 Real-time qPCR检测小鼠卵巢组织Ftl、Fth1、Tf、Tfr1、Gpx1、Cat mRNA表达
RNA 提取试剂盒提取小鼠卵巢组织总RNA,测定浓度后反转录为cDNA,后进行Real-time qPCR,设定程序为95 ℃预反应2 min;95 ℃反应10 s,60 ℃退火30 s,循环40次。内参选用
β-actin,采用 2
-ΔΔCt 法计算目的 mRNA 相对表达量。各基因引物由上海生工生物公司设计合成,引物序列见
表1。
1.6.9 Western blotting检测小鼠卵巢组织Ft、Ftl、Fth1、Tf、Tfr1、Gpx4蛋白表达
取小鼠卵巢组织5 mg,等比例加入混合裂解液并研磨提取总蛋白,BCA法测定总蛋白浓度。上样后经电泳分离、转膜、封闭、4 ℃孵育对应一抗过夜(抗体稀释浓度:Ft、Tf、Tfr1、Gpx4为1∶2000,Ftl 为1∶5000,Fth1为1∶1000,β-Tubulin 为 1∶10 000),TBST清洗后加入二抗(山羊抗兔IgG浓度为1∶10 000)室温孵育2 h后显影,以β-Tubulin为内参,运用Image J软件进行定量分析,计算相对表达量。
1.7 统计学分析
使用GraphPad Prism 10.1.2软件进行统计分析。符合正态分布的计量资料以均数±标准差表示。方差齐时,组间比较采用单因素方差分析和Tukey检验;方差不齐采用Welch's方差分析和Tamhane's T3检验。P<0.05为差异有统计学意义。所有实验均独立重复3次。
2 结果
2.1 慢性铁过载对小鼠一般情况及动情周期的影响
造模期间,MF、HF组小鼠精神状态差,被毛黯淡,胡须脱落,进食量和饮水量明显减少,体质量减轻,LF组小鼠精神状态较好,被毛与胡须无明显变化,进食量和饮水量增多,体质量无显著变化。
空白组小鼠动情周期规律。LF组动情周期无明显变化,MF组动情周期均紊乱,长期停滞在动情间期,HF组小鼠阴道分泌物逐渐减少,甚或阴道完全干涩,无法取得阴道分泌物。正常动情周期见
图1。
2.2 慢性铁过载对小鼠卵巢及子宫组织形态学以及子宫指数与卵巢指数的影响
空白组卵巢与子宫组织表面光滑,颜色明亮;LF组卵巢与子宫颜色稍微变深,形态与大小无明显变化,MF组与HF组卵巢颜色明显变深,形态显著减小,子宫形态显著增大。与空白组相比,LF组子宫指数与卵巢指数无明显变化,MF组、HF组子宫指数上升、卵巢指数下降(
P<0.05,
图2)。
2.3 慢性铁过载对小鼠卵巢组织及卵巢周围脂肪组织的影响
HE染色结果显示,空白组小鼠卵泡结构清晰,颗粒细胞层排列紧密,可见各级卵泡,偶见闭锁卵泡。LF组小鼠卵泡结构无明显变化,闭锁卵泡相对增多;MF组与HF组卵泡结构相对清晰,但颗粒细胞层排列疏松,闭锁卵泡显著增多,且观察到MF组卵巢间质含铁血黄素堆积,呈棕黄色颗粒,HF组卵巢间质与闭锁卵泡周围均有含铁血黄素堆积。
空白组脂肪组织染色均匀,脂滴溶解后的空泡区域呈无色透明,胞质边缘及间质呈淡嗜酸性,细胞核染色质均匀,呈淡蓝色,无脂肪变性;LF组小叶间血管稍增多,无脂肪变性,且未观察到含铁血黄素堆积,MF组观察到明显的含铁血黄素堆积,脂肪大量变性,且HF组脂肪细胞胞质内以及脂肪小叶见较多含铁血黄素堆积(
图3)。
普鲁士蓝染色结果显示,空白组小鼠卵巢与脂肪组织染色均匀,无蓝色铁沉积信号;LF组小鼠卵巢与脂肪组织可见散在铁沉积,MF组卵巢组织间质与闭锁卵泡周围见多灶性蓝色铁沉积信号,HF组卵巢组织呈团块状蓝色铁沉积,且卵泡内可观察到少量铁沉积信号。
空白组脂肪细胞大小均一,无铁沉积信号;LF组脂肪细胞无明显变性,见散在铁沉积信号,MF组与HF组脂肪细胞严重变性,且细胞周围可见蓝色铁沉积信号,HF组铁沉积信号累及脂肪小叶(
图4)。
2.4 慢性铁过载对小鼠血清性激素的影响
ELISA结果显示,与空白组相比,LF、MF及HF组小鼠血清FSH、LH均升高,血清AMH与E
2下降(
P<0.05,
图5)。
2.5 慢性铁过载对小鼠卵巢组织氧化应激水平的影响
比色法结果显示,与空白组相比,MF组、HF组MDA含量均上升,SOD活力均下降,ROS荧光强度增强(
P<0.05);LF组各指标差异均无统计学意义(
P>0.05,
图6)。
2.6 慢性铁过载对小鼠卵巢组织线粒体形态的影响
透射电镜观察结果显示,空白组小鼠卵巢组织线粒体结构完整,细胞核形态规则,分布均匀;LF组的受损线粒体数量稍有增多,少量线粒体出现水肿或萎缩,但细胞核形态较为规则;MF、HF组受损线粒体明显增多,细胞核形态不规则,线粒体出现萎缩、水肿或膜破裂,嵴结构减少甚或消失,呈空泡化(
图7)。
2.7 慢性铁过载对小鼠卵巢组织Ftl、Fth1、Tf、Tfr1、Gpx1、Cat mRNA表达的影响
RT-qPCR结果显示,与空白组相比,LF组
Tf、
Tfr1与
Cat mRNA表达差异均无统计学意义,
Ftl、
Fth1 mRNA表达上升,
Gpx1表达下降;MF组与HF组
Fth1、
Ftl mRNA表达上升,
Tf、
Tfr1、
Gpx1与Cat mRNA表达下降(
P<0.05,
图8)。
2.8 慢性铁过载对小鼠卵巢组织Ft、Ftl、Fth1、Tf、Tfr1、Gpx4蛋白表达的影响
Western blotting结果显示,与空白组相比,LF组Tf与Gpx4蛋白表达差异无统计学意义,Ft、Ftl、Fth1蛋白表达量均升高;MF组、HF组Ft、Ftl、Fth1蛋白表达量均显著升高,Tf、Tfr1、Gpx4蛋白表达量均下降(
P<0.05,
图9)。
3 讨论
卵巢储备功能和女性生殖能力密切相关,随着年龄的增长卵巢功能会出现生理性的下降,此为生理性DOR,非年龄相关导致的为病理性DOR
[12, 13]。DOR的临床表现为 AMH水平低下,基础FSH水平升高,AFC显著减少
[14]。有研究发现,用于治疗肿瘤的顺二氯二胺铂(II)的会导致大鼠动情周期紊乱,卵巢指数下降、血清AMH、E2水平下降,FSH水平升高,造成明显的卵巢功能损伤
[15]。本研究发现,予以C57BL/6J小鼠3组剂量不同的右旋糖酐铁,会导致不同程度的血清性激素水平变化,且与注射剂量呈正相关。相关化疗药物诱导的小鼠卵巢功能减退模型中,小鼠卵巢指数降低
[16],子宫指数升高
[17],这和我们运用右旋糖酐铁干预的小鼠子宫和卵巢的改变相一致。值得注意的是,本研究采用生理盐水注射作为对照处理,而非完全不干预的空白对照,主要目的在于有效控制因腹腔注射操作所引起的非特异性应激反应。本研究通过设置等体积、同频次的生理盐水对照组,最大程度地排除了注射应激对实验结果的混杂影响,从而确保观察到的卵巢储备功能下降及相关指标改变可归因于铁过载本身,而非操作应激。目前,尚无直接文献指出DOR患者的卵巢和子宫大小有特定的变化规律,仅有个别文献报道卵巢体积及卵巢间质血流可作为辅助评估卵巢功能的指标,但效果较差
[18]。DOR主要指的是卵巢中卵母细胞的数量和质量的下降。临床研究发现,IVF-ET过程中,卵泡液和颗粒细胞中存在过多的铁会导致取卵率和卵泡成熟率显著降低
[19]。有研究发现,雷公藤多苷片诱导的DOR模型大鼠窦前卵泡构成比降低,闭锁卵泡构成比显著上升
[20],而本研究也在小鼠卵巢病理切片中观察到,MF组与HF组小鼠卵巢内卵泡构比显著改变,具体表现为闭锁卵泡增多,窦卵泡和成熟卵泡减少。
DOR的发病原因较多,目前除了基因、免疫、环境等因素,也与微量元素如铁、硒等在机体内的含量变化有关。铁是人体生长代谢必需的微量元素之一
[21],有研究显示
[22],慢性铁过载小鼠体内可直接观察到铁在各脏腑沉积,卵巢和子宫颜色加深,铁离子在卵巢组织内沉积,这和本研究普鲁士蓝染色结果相一致,过多的铁在卵巢间质沉积,HF组甚至观察到铁离子沉积在各卵泡周围,影响卵泡发育,导致闭锁卵泡显著增多。铁过载还会导致蛋白质和酶的氧化,影响其结构和功能,包括抗氧化酶如SOD、CAT和GSH-Px的活性降低,削弱了细胞的抗氧化防御能力。研究发现,化疗药物诱导卵巢组织内ROS过度积累,抗氧化酶SOD、Gpx4等显著降低,引发显著的氧化应激,导致颗粒细胞和卵母细胞线粒体功能障碍、DNA损伤及脂质过氧化,最终触发细胞死亡,造成卵泡耗竭和卵巢储备功能下降
[23]。本研究结果显示,慢性铁过载会导致小鼠体内的SOD活性显著升高,MDA水平则显著下降,GPx1和CAT的mRNA表达水平也显著下降,ROS荧光强度显著增强,氧化应激水平显著加重,线粒体数量减少,结构显著改变。
铁过载的原因包括遗传、获得性以及饮食等诱发的铁代谢失衡,铁代谢是一种复杂且精细调控的过程,涉及到铁的吸收、分布、储存及排泄
[24, 25]。机体内铁过多时,铁稳态紊乱,Tf和Tfr1表达下降,使得机体减少对铁的过度摄取;铁在不需要时会被储存在肝细胞和其他细胞中的Ft和含铁血黄素中
[26]。高剂量的铁负荷在机体组织内沉积时,Ft会代偿性升高以防止OS,这使得Ftl和Fth1也会代偿性升高
[27],但长期铁沉积仍会引起机体OS。有研究发现,Ft通过储存过多的铁,减少自由铁离子的浓度,从而降低脂质过氧化反应的可能性,抑制铁死亡
[28, 29]。研究发现,巴松蛋白1(BNC1)基因缺陷导致神经纤维瘤蛋白2(NF2) 表达下调,进而抑制 Hippo 通路,使 YAP 活化并入核,上调铁摄取和促铁死亡脂质合成的关键分子—转铁蛋白受体和长链脂酰辅酶 A 合成酶 4(ACSL4),使细胞内 Fe²⁺ 蓄积、线粒体损伤及脂质 ROS 大量产生,最终诱发卵母细胞铁死亡
[30]。本课题组前期研究发现,右旋糖酐铁通过下调Nrf2和Fth1表达,同时上调Tf和Tfr1表达,使得人卵巢颗粒细胞氧化应激,损伤卵巢颗粒细胞功能,进而损伤卵巢功能
[31]。本研究结果显示,MF组和HF组小鼠卵巢组织内Ft、Ftl、Fth1蛋白和mRNA表达显著升高,Tf、Tfr1和Gpx4蛋白和基因表达显著下降,这可能和长期慢性铁过载导致过多的铁沉积在卵巢间质和卵泡周围,而未直接影响卵巢颗粒细胞损伤的原因有关,这和Chen等
[32]研究发现类似。本研究结果提示长期腹腔注射右旋糖酐铁使得小鼠长期处于慢性铁过载的状态,过多的铁在卵巢间质内累积,造成铁代谢失常,铁稳态紊乱,影响卵泡发育,使得闭锁卵泡增多,导致卵巢储备功能减退。
综上所述,本研究发现腹腔注射0.1 g/kg右旋糖酐铁对小鼠卵巢功能影响较小,0.5 g/kg和1.0 g/kg成功制备慢性铁过载小鼠模型;慢性铁过载会上调卵巢组织内Ft、Ftl和Fth1的代偿性表达,下调Tf和Tfr1、Gpx4的表达,导致小鼠体内铁代谢失常,铁稳态紊乱,出现氧化应激损伤和内分泌功能紊乱,影响卵泡发育,进而诱发DOR。
安徽省自然科学基金(2408085QH280)
安徽省高等学校科学研究项目(2023AH050781)
安徽省卫生健康科研项目(AHWJ2023A30188)
安徽中医药大学2024年度临床科研项目(2024YFYLCZX12)