香烟烟雾对卵巢功能的影响*

王雪梅 高英 马倩芸 吴春丽 徐营(嘉兴学院医学院,浙江嘉兴 314001)

香烟烟雾对卵巢功能的影响*

王雪梅 高英 马倩芸 吴春丽 徐营△(嘉兴学院医学院,浙江嘉兴 314001)

香烟烟雾危害女性生殖健康,香烟烟雾的某些成分被育龄妇女吸收后会导致生育能力的下降甚至不育。研究发现香烟烟雾中含有很多有害物质,如尼古丁、苯、铅、多环芳烃等,能够引起卵巢组织改变,影响激素合成、卵泡发育和卵母细胞质量,影响卵母细胞线粒体功能,影响卵巢的自噬和凋亡。本文针对香烟烟雾及其水溶物对卵巢功能做一简要的综述。

香烟烟雾;卵巢;自噬

香烟烟雾是一种混合烟雾,含有多种有毒物质,如:尼古丁、一氧化碳、锰、砷、镉等。有关流行病学研究显示,香烟烟雾的某些成分被育龄妇女吸收后会导致生育能力的下降甚至不育。就目前现状而言,关于香烟烟雾及其水溶物影响女性卵巢的作用方式和可能机理则报道较少,且报道结果不一。本文对香烟烟雾及其水溶物对卵巢组织的影响和引起卵巢组织内细胞的自噬机制进行综述,从而为女性不孕不育的原因进行探索提供理论依据。

1 香烟烟雾水溶物对卵巢组织的影响

受香烟烟雾水溶物(Cigarette smoke extract,CSE)作用的卵巢发生充血性囊性退变,皮质萎缩,髓质血管收缩、减少、间质疏松,卵泡颗粒细胞排列紊乱;生长卵泡的颗粒细胞松散变性,排列不整齐;卵泡数减少,成熟的卵母细胞数目明显减少;其中可见多个颗粒细胞层,内有增粗的内质网、核糖体;核周隙局部增宽,线粒体水样变、空泡样变、嵴断裂模糊[1]。

1.1 香烟烟雾水溶物对激素合成的影响

Vidal等[2]将原代培养的黄体颗粒细胞暴露于CSE,低浓度和高浓度的CSE都能使雌激素的分泌明显降低。在一个相似的模拟系统中,香烟烟雾中的新烟碱和尼古丁能竞争性抑制芳香化酶,而芳香化酶是雄激素转化为雌激素的必需酶。此外,高浓度CSE可以引起孕激素生成降低。游离尼古丁和尼古丁酒石酸氢盐可以降低人类黄体颗粒细胞分泌孕激素。

卵巢中雌激素受体(Estrogen receptor-α,ERα)主要表达在卵巢组织中各级生长卵泡内的颗粒细胞核内,呈棕黄色颗粒状分布,在卵泡膜细胞和间质细胞也有少量表达。在CSE处理后的ERα的表达低于正常;孕激素受体(Progestrone receptor, PR)主要表达在卵巢组织卵泡的颗粒细胞的细胞质和细胞核中,呈棕黄色颗粒状分布,而CSE处理后卵巢组织中PR的表达也低于正常个体[3]。

1.2 香烟烟雾水溶物对卵泡的影响

卵泡因为没有直接的血液供应,所以CSE中的可替宁和其他化学物质进入卵泡液,是通过孔隙流体和膜的扩散运输进入的[4]。这可能影响卵母细胞诱导氧化应激(Oxidative stress, OS)的能力。有证据表明暴露于CSE中的卵泡内代谢物与卵泡脂质过氧化作用显著增加,而卵母细胞的抗氧化能力明显降低[5]。同时卵泡内的助氧化剂和抗氧化剂的平衡在卵泡形成中发挥了重要的作用[6],有研究表明,CSE与氧化剂和抗氧化剂的平衡在诱导卵巢反应中存在协同效应。因此,CSE中的某些物质可以降低卵母细胞的抗氧化潜力从而降低卵泡的形成率,减少卵泡的数目导致生殖能力的下降。长期暴露于香烟烟雾中可使卵巢体积减小和原始卵泡数量减少,这可能是通过激活Bax途径来影响卵泡数量的[7,8]。

1.3 香烟烟雾水溶物对卵母细胞的影响

CSE可以显著地降低小鼠的妊娠率,抑制胚胎发育,并且抑制卵母细胞的体内成熟,降低第一极体的释放率,使平均超排卵数显著下降,使卵母细胞的质量和存活率显著降低,影响卵巢与体重比例,但对生发泡破裂无影响,可致胎儿宫内发育迟缓,低体质量儿的出生率上升,流产率、早产率增高。其中香烟烟雾中的重金属镉可以在卵母细胞中积累进而影响卵母细胞的发育。同时CSE中的某些成分也可能引起小鼠卵母细胞中染色体的异常,二倍体增多,从而导致卵母细胞的成熟过程中第一极体无法正常释放,影响精子和卵细胞的正常受精,使得受精卵不能正常发育。且这一影响与被动吸烟的天数有明显的依凭关系;随着被动吸烟的天数增加以及培养时间的延续,卵母细胞的第一极体释放率与未经培养的卵母细胞相比有显著性的差异[9]。

停止被动吸烟后,将卵母细胞以及受精卵培养在正常培养液中,小鼠的生殖能力又能基本恢复,卵母细胞第一极体的释放率以及体外受精率也都明显提高。可见香烟烟雾的这种毒性作用可能是短暂的、可逆的[9]。

1.4 香烟烟雾水溶物对线粒体的影响

线粒体的主要功能是提供能量,减少活性氧积累,进行程序性细胞死亡。因为卵母细胞的成熟需要大量的能量,所以卵母细胞中包含了大量的线粒体,以维持DNA的完整性和修复功能[7]。CSE会导致卵泡损失、氧化应激,引起自噬途径的激活和减少锰超氧化物歧化酶的表达式以改变线粒体的功能[6]。从而对卵母细胞的成熟产生影响。CSE改变了线粒体嵴的结构,打开管状接头,导致凋亡因子的释放,这一过程是通过细胞色素C和激活凋亡途径形成的。长期暴露于CSE也可引起线粒体修复机制的功能障碍,导致自噬功能紊乱和卵泡凋亡。

CSE可以引起PARK2(使线粒体碎片化)表达增加以及线粒体融合蛋白(Mitofusin,MFN)MFN1和MFN2等下游的靶向分子表达的下降[11]。其中线粒体融合蛋白在维持线粒体的完整性中发挥着重要的作用。线粒体融合蛋白MFN2和MFN1减少会导致线粒体融合的减少和支离破碎的线粒体数量增加,增加细胞对各种凋亡刺激的敏感性[7]。CSE也可对线粒体内特定的蛋白质造成影响,但也不排除它对其他细胞器和蛋白质的影响。因此,这也是一个值得研究的方向。

2 香烟烟雾影响卵巢的自噬、凋亡机制

卵巢功能早衰是产生不孕的重要因素,环境中的有毒有害物质在某些特定阶段影响卵泡发育,其中香烟烟雾是十分重要的危险因素,与女性生育力之间存在着明显的关联,能够使卵泡储备耗尽,产生卵巢早衰[12]。香烟烟雾中存在超过4000种化学物质,如多环芳烃化合物(Polycyclic aromatic hydrocarbon,PAH),其可导致机体产生活性氧、自由基等,诱导氧化应激反应,引起卵泡自噬和凋亡。香烟烟雾通过影响自噬途径,来增加自噬体的数量和调控小鼠卵巢中关键基因的表达,如自噬基因Beclin-1和微管相关蛋白LC3(Microtubule-associated protein 1 light chain 3,LC3)的表达增强以调控自噬的发生,进而导致卵泡数量的减少。因此自噬途径可能是导致卵泡减少的重要机制[8]。

自噬(Autophagy)是指一些需降解的蛋白质和细胞器等胞浆成分被包裹,并最终运送至溶酶体降解的过程,降解产生的氨基酸和其他小分子物质可被再利用或产生能量[11]。

自噬在维持细胞的生长、分化和细胞内、外环境的稳定有着重要的作用。自噬也发生在任何发育阶段的卵泡(卵母细胞、颗粒细胞)中,因此研究香烟烟雾及其水溶物导致卵泡的自噬活动是十分重要的。其中,参与自噬调控的基因称为Atg (Autophagy related gene),目前已发现参与自噬的基因有30多种,其中包括调节自噬的蛋白Atg12-Atg5结合系统和LC3脂化系统的相关分子、Beclin-1复合物和磷脂酰肌醇三磷酸(Phosphatidylinositol3,PI3)激酶。另外,细胞骨架成分、凋亡相关因子线粒体调控相关分子、钙离子浓度及相关调节基因、蛋白质乙酰化等也参与自噬的调控[11]。香烟烟雾水溶物可导致Beclin-1和LC3的表达增加,从而使得颗粒细胞内的自噬体增多,自噬活动增强,最终耗尽卵巢储备的原始卵泡。Bcl-2(B-cell lymphoma 2)的表达水平下降明显与自噬体的积累和诱导颗粒细胞凋亡有关,因为Bcl-2在细胞内的表达水平所占的比例,决定了细胞是否发生凋亡。自噬体的积累增加了颗粒细胞的凋亡,是通过降低Bcl-2的表达水平来活化蛋白酶,再通过活化的蛋白酶进一步降低Bcl-2的表达水平,最终使自噬体积累,诱导颗粒细胞的凋亡[14]。钙离子也参与自噬体的形成与成熟,胞内游离钙浓度可以调控自噬的发生。多种钙离子激动剂能够抑制雷帕霉素靶位(Target of rapamycin,TOR)的活性,从而促进自噬体的形成[11]。

3 展望

长期以来,香烟对生殖方面的危害并未引起足够的重视。有文献[10,13,15]报道,香烟烟雾中的一些化学物质对生殖功能的毒性作用明显,在一定浓度时可以抑制小鼠卵母细胞的成熟和受精,影响卵母细胞的质量和存活率。CSE可以导致卵巢质量的下降和卵泡数量的减少,增加卵泡中颗粒细胞的自噬小体[8]。CSE可以通过改变线粒体的功能和形态,以影响卵母细胞的数量。CSE也可使雌激素、孕激素减少,卵泡成熟率降低,卵子储备量下降,造成妇女生殖能力下降。然而,有关香烟烟雾中的哪些化学成分对生殖功能影响较大尚待进一步研究。

研究香烟烟雾及其水溶物对小鼠颗粒细胞的自噬和基因表达的影响是十分有意义的。以为今后研究卵巢早衰、卵巢癌等深入研究奠定基础,同时也为探索不育不孕的原因提供了理论基础。

1 李洪利,李若葆,尹崇高.被动吸烟对大鼠卵巢组织结构的影响[J].潍坊医学院学报,2011,33(5):357-358.

2 Vidal JD,VandeVoort CA,Marcus CB,et a1.In vitro exposure to environmental tobacco smoke induces CYPl B1 expression in human luteinized graulosa cells[J].Reprod Toxicol,2006,22(4):731-737.

3 李若葆,尹崇高,李洪利.被动吸烟对大鼠卵巢雌激素受体α、孕激素受体表达的影响[J].解剖学杂志,2011,34(1):12-15.

4 Fabro S.Penetration of chemicals into the oocyte,uterine fluid,and preimplantation blastocyst[J].Environ Health Perspect,1978,24: 25-29.

5 An CH,Wang XM,Lam HC,et al..TLR4 deficiency promotes autophagy during cigarette smoke-induced pulmonary emphysema[J]. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol,2012,303(9):L748-L757.

6 Das S,Chattopadhyay R,Ghosh S,et al.Reactive oxygen species level in follicular fluid-embryo quality marker in IVF?[J].Hum Reprod,2006,21(9):2403-2407.

7 Gannon AM,Stämpfli MR,Foster WG.Cigarette smoke exposure elicits increased autophagy and dysregulation of mitochondrial dynamics in murine granulosa cells[J].Biol Reprod,2013,88(3):63 -63.

8 Gannon AM,Stampfli MR,Foster WG.Cigarette smoke exposure leads to follicle lossvia an alternative ovarian cell death pathway in a mouse model[J].Toxicol Sci,2012,125(1):274-284.

9 沈维干,陈彦,李朝军,等.被动吸烟对雌性小鼠生殖功能的影响[J].生殖医学杂志,2000,9(3):159-164.

10沈维干,季全兰,李朝军.镉对小鼠卵母细胞成熟和体外受精的影响[J].中国环境科学,1999,19(6):536-538.

11吴春丽,郭燕君,徐海琦,等.自噬与哺乳动物卵泡闭锁[J].中国细胞生物学学报,2013,35(9):1397-1404.

12 Soares SR,Simon C,RemohíJ,et al.Cigarette smoking affects uterine receptiveness[J].Hum Reprod,2007,22(2):543-547.

13沈维干,季全兰,李朝军.铝对体外培养小鼠卵母细胞减数分裂的影响[J].卫生研究,1999,28(5):267-268.

14 Choi J,Jo M,Lee E,et al.Induction of apoptotic cell death via accumulation of autophagosomes in rat granulosa cells[J].Fertil Steril,2011,95(4):1482-1486.

15 Zenzes MT,Krishnan S,Krishnan B,et al.Cadmium accumulation in follicular fluid of women in in vitro fertilization-embryo transfer is higher in smokers[J].Fertil Steril,1995,64(3):599-603.

Effects of cigarette smoke on ovarian function*

Wang Xue-mei,Gao Ying,Ma Qian-yun,Wu Chun-li,Xu Ying△
(Medical College of Jiaxing University,Zhejiang Jiaxing 314001)

2015-6-24)

国家大学生创新创业计划项目(编号:20141035019)

王雪梅,女,临床医学本科在读,主要从事生殖细胞发育研究, Email:1194528367@qq.com。

△通讯作者:徐营,男,教授,主要从事胚胎学研究,Email:xuyingmrd@ 163.com。