精子鞭毛形态与精子运动参数的关系

王改改 王家雄 沈丽燕

[摘要] 目的 探讨精子鞭毛形态与精子运动参数的关系。 方法 选取2015年11月～2017年12月苏州市立医院本部生殖遗传中心15 398例精液样本的检测结果，将样本分为弱精子症组（4941例）和精子活动率正常组（10 457例），统计两组精子的形态差异，分析精子鞭毛形态异常与精子运动参数的关系。 结果 两组精子形态畸形率差异有统计学意义（P < 0.05），弱精子症组和正常组的颈部和中段成角弯曲[（9.41±3.62）% vs.（8.33±3.12）%]、短尾[（1.34±2.87）% vs.（0.74±1.08）%]、发夹样弯曲[（0.69±0.92）% vs.（0.64±0.81）%]、卷曲[（8.83±4.09）% vs. （7.53±3.52）%]、主段成角弯曲[（8.24±2.93）% vs.（7.65±2.58）%]比较，差异有统计学意义（P < 0.05）。精子鞭毛畸形最常见的三种类型是中段成角弯曲、卷曲以及主段成角弯曲；随着这3种畸形所占比例的逐渐升高精子活动性逐渐降低，差异均有高度统计学意义（P < 0.01）。 结论 精子鞭毛形态异常对精子运动参数有明显影响，对于弱精子症患者有必要观察其精子鞭毛形态。

[关键词] 精子形态；精子活动率；鞭毛异常；男性不育

[中图分类号] R698.2 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2018）09（c）-0012-05

[Abstract] Objective To analyze the relationship between sperm tail morphology and sperm motility parameters. Methods A total of 15 398 specimens were collected from Reproductive and Genetic Center in Suzhou Municipal Hospital from November 2015 to December 2017. The samples were divided into asthenospermia group （4941 cases） and normal spermatozoa activity group （10 457 cases）. The morphological malformation statistics of the two groups were collected. The relationship of sperm tail morphology and sperm motility parameters were analyzed. Results The abnormal morphology rates of asthenospermia group and normal group were significantly different （P < 0.05）. There was statistically difference between asthenospermia group and the normal in mid piece angular bend [（9.41±3.62）% vs. （8.33±3.12）%]， short [（1.34±2.87）% vs. （0.74±1.08）%]， hairpin-like bend [（0.69±0.92）% vs. （0.64±0.81）%]， curled [（8.83±4.09）% vs. （7.53±3.52）%]， and main piece angular bend [（8.24±2.93）% vs. （7.65±2.58）%] （P < 0.05）. The most common types of abnormal sperm tail morphology were mid piece angular bend， curling and main piece angular bend. Sperm motility gradually decreased as the proportion of the three kinds of malformations gradually increased. With the increase of the proportion of these three deformities sperm motility gradually malcreased， the differences were highly statistically significant （P < 0.01）. Conclusion Sperm tail morphology malformation on sperm motility parameters has statistically influence. It is necessary to observe the sperm tail morphology of asthenospermia patients.

[Key words] Sperm morphology； Sperm motility； Flagellum abnormal； Male infertility

全世界的育龄夫妇大约有1/6受到不孕不育问题的困扰，其中男性原因占20%～50%[1]。作为唯一的一种在男性体外发挥功能的细胞，精子与其他体细胞或者生殖细胞相比是高度特异且具有不同的形态。精子由头部和鞭毛组成，其中鞭毛分为颈部、中段、主段和末段，为精子活动提供动力。超过85%的不育男性可以产生精子[2]。然而由于某些原因，这些精子并不能使卵子受精。精液检查是评估男性不育的第一步。大量研究表明[3]，精子形态异常对男性不育有重要的影响，甚至导致胚胎停止发育。有缺陷的精子被认为对怀孕和健康的发展有重大影响，可能导致父系介导的流产率增加[4]；正常精子形态百分率对体外受精的受精率及胚胎形成有一定影响[5]。精子头部畸形影响其运动参数[6]。头部的特异性畸形，如圆头精子症、顶体酶异常、DNA碎片等亦有相關报道。精子鞭毛的一些特异性畸形，如原发性纤毛运动障碍、精子鞭毛多发形态异常、成人型多囊肾等对运动参数的影响较为明确，但是精子鞭毛各项非特异性畸形对运动参数的影响鲜见报道，也值得临床探讨。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2015年11月～2017年12月在苏州市立医院（以下简称“我院”）本部生殖遗传中心检查的男性不育患者15 398例精液样本，无遗传性疾病家族史。本研究经我院伦理委员会批准，所有患者或家属均知情同意。

1.2 精液标本收集

所有患者精液检查前均禁欲2～7 d，手淫方式取精液样本，置于无菌容器内，容器放置于温度为37℃的培养箱中保温液化，样本均在取精后1.5 h内检测。

1.3 精液常规分析

采用计算机辅助精液分析系统（computer aided sperm analysis，CASA）进行分析，按照《WHO人类精液检查与处理实验室手册》第5版标准[7]分析精子活动率和各项运动参数，前向运动精子活动率（PR）≥ 32%，同时精子总活动率（PR+NP）≥ 40%为活动率正常组，其他为弱精子症组。

1.4 精子形态分析

精液液化后混匀取5 μL，使用拉薄技术制备精液涂片，自然干燥后采用改良巴氏染色法进行涂片染色。按照《WHO人类精液检查与处理实验室手册》第5版标准[7]对精子进行精子形态分析。所有精子涂片均由2名固定的经过规范化培训合格的技术人员人工操作完成，并进行严格质控。

1.5 分析方案

根据精子的活动率将全部样本分为精子活动率正常组和弱精子症组。首先分析两组头部畸形率、颈部和中段畸形率、主段畸形率和正常精子形态的差异，其次两组鞭毛各项常见畸形与运动参数的关系。根据精子鞭毛畸形发生率分为5组，畸形发生率分别0.5%～< 5%、5%～< 10%、10%～< 15%、15%～< 20%、≥ 20%，统计各种常见畸形发生率从低到高对精子运动参数的影响。

1.6 统计学方法

采用SPSS 19.0统计学软件进行数据分析，计量资料用均数±标准差（x±s）表示，两组数据分别进行方差齐性检验，两组间比较采用独立样本t检验，多组间比较采用单因素方差分析，以P < 0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 活动率正常组和弱精子症组的畸形率比较

精子活动率正常组10 457例，弱精子症组4941例。与弱精子症组颈部中段畸形率正常组比较，差异无统计学意义（P > 0.05），但头部畸形率和主段畸形率明显增高，正常形态精子明显减少，差异有高度统计学差异（P < 0.01）。见表1。

2.2 活动率正常组和弱精子症组的鞭毛畸形率比较

精子鞭毛畸形常见类型有成角弯曲、短尾、断裂、多尾、发夹样弯曲、非对称插入、卷曲、异常粗和其他异常形态。见图1（封三）。比较活动率正常组和弱精子症组鞭毛畸形百分率，发现多数鞭毛畸形对精子活动率影响均有统计学意义（P < 0.05），弱精子症组主段成角弯曲、中段成角弯曲、短尾、发夹样弯曲、非对称性插入、卷曲畸形率与和正常组比较，差异有统计学意义（P < 0.05），而两组断裂、多尾和异常粗畸形率比较，差异无统计学意义（P > 0.05）。见表2。弱精子症组中的畸形主要是颈部和中段成角弯曲[（9.41±3.62）%]、卷曲[（8.83±4.09）%]以及主段成角弯曲[（8.24±2.93）%]。

2.3 中段成角弯曲，卷曲和主段成角弯曲对精子运动参数的影响分析

精子中段成角弯曲畸形发生率主要集中在15%～< 20%，共9009例；其次是10%～< 15%，共4293例，而畸形率≥ 20%者1437例，畸形率较低的0.5%～< 5%及5%～< 10%组分布较少。统计学分析发现，随着畸形率升高各运动参数逐渐降低，各组精子运动参数比较，差异有统计学意义（P < 0.01）。见表3。

精子鞭毛卷曲主要集中在畸形率5%～< 10%，共7087例，其次是10%～<15%，共4500例；而畸形率0.5%～< 5%者共3373例，畸形率較高的两个区域患者分布较少。根据卷曲率发生率分组，随着卷曲畸形率的升高各运动参数逐渐下降，卷曲对精子运动参数的影响差异有统计学意义（P < 0.01）。见表4。

精子鞭毛主段成角弯曲畸形率的分布情况与卷曲相似，主要集中在主段成角弯曲畸形率5%～< 10%，共10 372例，其次是10%～< 15%，共3010例，而畸形率0.5%～< 5%者1794例，畸形率较高的两个区域患者分布比较少，根据成角弯曲率分组，主段成角弯曲对精子运动参数的影响差异有统计学意义（P < 0.01）。见表5。

3 讨论

精子形态是判断精子质量的一个重要指标，弱精子症患者往往伴随精子头部和鞭毛的畸形增加，尤其是鞭毛。本研究根据WHO第5版的评定标准[7]，对精子形态相关参数进行评估。结果显示，弱精子症组与活力率正常组比较，鞭毛各种畸形的发生率均增加，精子形态异常对精子运动有影响，其中主段成角弯曲、中段成角弯曲、短尾、发夹样弯曲、非对称性插入和卷曲差异均有统计学意义（P < 0.05），而断裂、多尾和异常粗差异无统计学意义。研究发现，鞭毛畸形发生率最高的前三位分别是颈部和中段成角弯曲、卷曲和主段成角弯曲，将发生率最高的前三项根据畸形率发生率分为5组，随着畸形率的升高运动参数下降，差异有统计学意义（P < 0.01），尤其是颈部和中段成角弯曲的患者集中分布在畸形率比较高的区域。由此可见，精子颈部和中段成角弯曲不仅在尾部各畸形类型中发生率最高且集中在畸形率较高的区域。

精子鞭毛分为颈部、中段、主段、和末段[8-9]。颈部最短，呈圆柱状，颈部的中性粒是轴丝形成的组织中心，精子鞭毛的微管由此伸展。精子鞭毛的轴丝是由9对外周双联微管和2根中央微管组成的“9+2”结构，轴丝决定了精子鞭毛的刚度。轴丝之外存在着外周致密纤维，每对双联微管之外的外周致密纤维长度不等，外周致密纤维是维持精子鞭毛结构的骨架蛋白。在精子中段还包裹着线粒体鞘，为精子活动提供能量。精子主段是鞭毛最长的一部分，外周包绕纤维鞘，由背部纵柱、腹部纵柱和连接它们的环形肋柱组成，纤维鞘的主要功能是调整精子鞭毛摆动的平面，3-磷酸甘油醛脱氢酶（glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase，GAPDs）定位在精子鞭毛中段的纤维鞘[10-11]，由GAPDs介导的酵解过程是精子的主要能量来源。纤维鞘的直径由近中段端向远端逐渐变小，其厚度逐渐变薄，在鞭毛的最后几微米终止延伸，与相应外周微管相连，鞭毛的远端部分不存在外周致密纤维，这部分是精子的尾段。从精子鞭毛结构不难看出，中段和主段对精子的活动性至关重要。

临床检验中，单份样本通常出现多种畸形，说明精子形态异常发生机制的复杂性。精子特殊的组织结构是由精子发生过程中复杂的形态变化所形成的[12]。与其他体细胞相比，精子的生成过程有5个特异的形态变化过程。精子形成的这些特殊复杂的过程中的任何一个过程的改变都可能造成精子的形态异常。精子的鞭毛是精子重要的运动器官，GAPDs定位在精子鞭毛中段的纤维鞘[10-11]，由GAPDs介导的酵解过程是精子的主要能量来源，基因敲除GAPDs后精子中的ATP水平明显降低，精子活力显著降低[13]。GAPDs驱动着精子鞭毛波浪式螺旋运动，产生巨大推力，推动精子运动，由此引起精子鞭毛缺陷并导致精子运动能力低下，进而影响了能量的产生或者传递，这与本研究结果是一致的。本研究发现，精子尾部形态异常对精子活力影响差异有统计学意义。本研究中，精子颈部和中段成角弯曲，卷曲和主段成角弯曲是最常见的导致弱精子症的鞭毛畸形。研究发现[14]，磷脂酸磷脂酶A1（phosphatidic acid-preferring phospholipase A1，PA-PLA1）参与到线粒体的动力学调节中，基因敲除PA-PLA1模型中可观察到精子中段和主段之间成角弯曲，甚至发夹样弯曲，90%以上的精子运动受损，PA-PLA1可能是精子弯曲的可能机制之一。综上所述，推测精子鞭毛成角弯曲和卷曲发生的原因可能是精子尾部鞭毛线粒体鞘、纤维鞘、或者中央轴丝的结构异常，如排列紊乱，长度变化甚至缺失等，这些改变可能是由遗传或者外部因素所引起的。

对弱精子症患者有必要观察其精子鞭毛形态。精子鞭毛对生育力有重要影响。我院生殖与遗传中心前期对精子鞭毛多发形态异常进行了研究，发现两个与鞭毛编码相关的基因纤毛鞭毛相关蛋白43（cilia and flagella associated protein 43，CFAP43）和纤毛鞭毛相关蛋白44（cilia and flagella associated protein 44，CFAP44），并且发现CFAP 43和CFAP 44基因突变可导致精子鞭毛畸形和损害精子运动，阐明了导致精子鞭毛特异畸形的其中一种遗传学机制[15]，对于临床明确病因、正确诊断与治疗有重要的意义。形态检查可以发现导致严重弱精子症的特殊病因，比如遗传缺陷导致的精子鞭毛多发形态异常，这类患者绝大部分精子出现一致的形态缺陷[16]。除此之外，弱精子症患者往往出现一些非特异性精子鞭毛畸形，多是继发于精索静脉曲张、感染、肥胖、环境因素、高温辐射等因素[17-18]。本研究中所涉及的精子鞭毛畸形属于后者，精索静脉曲张对精子形态有显著影响，其中梨形头精子、大头精子、颈部/中段缺陷精子和鞭毛缺陷精子的百分率比正常生育组显著增高[19-20]。精液中白细胞升高会导致精子异常率的增加，精液白细胞正常组和精子颈部/中部缺陷、鞭毛异常呈负相关[21]。男性生殖病原体感染对精子形态亦有显著影响，病原体感染能够显著降低正常形态精子比率，中段畸形率和主段畸形率显著增高[22]。肥胖患者可能是由于肥胖患者的内分泌激素水平变化导致精子畸形率明显增高[23]。环境中广泛存在的低剂量重金属和杀虫剂可能影响精子质量，降低男性生育力。低剂量接触镉和二嗪磷会引起精子形态和动力的显著变化，精子形态异常的类型主要是旋转扭曲的鞭毛和胞浆残余体增多[24-25]。高温和辐射对精子形态的影响亦不可忽视，长期接触辐射的人群精液中双头精子、颈部和中段缺陷精子、无定形头精子和大头精子及总畸形率显著增高[26]。一些特殊职业由于需要长期暴露于高温环境中，引起睾丸内生精环境的变化，生精功能受损，进而使精子形态发生变化，畸形率增高[27]。

綜上所述，遗传、生活习惯或者环境因素均可能引起精子形态的改变，精子形态的改变对精子的运动有影响，鞭毛畸形对精子运动参数有明显影响。根据精子畸形率的特点可以明确一些弱精子症的病因或可能的致病因素，为临床诊断提供指导。

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（收稿日期：2018-05-03 本文编辑：任 念）