高原低氧环境对男性精液质量影响及其机制的研究进展

邓琛耀 刘娜娜 范媛媛 迟洪滨 祖凌云 综述 唐文豪 △姜辉 审校

1. 北京大学第三医院泌尿外科（北京100191）；2. 北京大学第三医院男科中心；3. 北京大学第三医院人类精子库；4. 北京大学第三医院生殖中心；5. 北京大学第三医院心内科

近年来，随着生殖医学的发展，高原低氧环境对男性生殖健康的影响越来越受到人们关注。短期移居高原后，低氧环境因素可损伤男性生育力，主要表现在精液参数下降，以及生殖激素水平发生相应改变[1]。这种损害随着海拔高度增加而加重，但有研究表明，受试者回到平原地区6月后精液参数恢复到基础水平[2]。高原低氧环境对男性生育力的影响，其机制研究尚无定论，目前国内外研究表明，认为主要与低氧环境导致生殖细胞过度凋亡、 活性氧水平升高和生殖激素水平紊乱等有关。本文就高原低氧环境因素对男性精液质量影响及其机制的研究进展做一综述。

一、低氧环境对精液质量的影响

精液分析是评估男性生育力的重要实验室检查，主要参数有精液液化时间、 精子的浓度、 活力和形态等。精子发生是一个极其复杂的细胞分化过程[3]，该过程任何环节出现问题都可能会影响精子质量，导致男性生育力下降。

国外对高原登山男性人群的研究发现，从海拔900 米的平原地区到海拔5895 米的高原地区5 天后，这些男性精子活力显著下降[4]。国内对海拔5380 米的高原短居人群的研究发现，高原低氧环境可致精子浓度下降、活力减低和畸形精子数量增多，并且其损伤严重程度随着暴露时间的延长而加重，低氧暴露之前的精子活力要明显高于低氧暴露后6月和12月，且与低氧暴露时间呈反比，但低氧暴露12月的男性精子浓度要高于低氧暴露6月的，脱离低氧暴露之后，精液质量需要6月才能恢复到基础水平[5]。余伍忠等[6]发现，高原低氧环境会导致精液液化时间延长，精子顶体酶活性下降，液化时间在脱离低氧暴露6月后未恢复正常，这提示短期低氧暴露可能对男性精液质量产生可逆性损害。

精浆是精液重要组成部分，由生殖系统附属性腺分泌，精浆生化的检查对全面评估精液质量有重要意义。何江等[7]研究发现，进入海拔5380 米的高原地区后，精浆锌、果糖、中性α- 葡糖苷酶和酸性磷酸酶显著下降，脱离低氧暴露6月后精浆生化指标恢复到基础水平。

精子DNA 的结构完整性是精液质量评估的重要指标，临床上常用DNA 碎片指数(DNA fragmentation index,DFI)来具体评估。Pelliccione 等[8]研究发现，在高海拔地区的男性登山人群的精液DFI 显著升高。顾本宏等[9]研究发现，移居高原地区汉族男性精液DFI 比世居藏族男性显著升高。

综上：高原低氧环境对精子的浓度、活力、形态、液化时间、精浆生化和DFI 等有负面影响，其中对精子的浓度、活力、形态、顶体酶活性和精浆生化产生可逆性损害。

二、低氧环境影响精液质量的机制

高原低氧环境对男性精液质量的影响的机制复杂，目前研究认为其机制主要是以下几个方面：

（一）生殖细胞过度凋亡

凋亡是细胞受其内在基因编程的调节，通过主动的生化过程而自杀的现象，也称程序性细胞死亡，包括DNA 降解、细胞质浓缩、核膜皱缩和细胞膜出芽形成凋亡小体而被巨噬细胞吞噬等过程。生殖细胞凋亡对维持精子数量非常重要，而过多的凋亡是一种异常病理现象，有可能导致男性不育[10]。动物实验表明，在低气压低氧环境中，生殖细胞的凋亡增加，且凋亡细胞多数为精原细胞，这将导致初级精母细胞减少，从而抑制精子发生[11]。目前认为生殖细胞凋亡的机制有：B 细胞淋巴瘤-2 家族蛋白调控凋亡、低氧诱导转录因子-1 促进凋亡和微小RNA 促进凋亡。

1.B 细胞淋巴瘤-2 家族蛋白调控凋亡

B 细胞淋巴瘤-2(B-cell lymphoma-2, BCL-2)家族蛋白是介导细胞凋亡关键因子，其中BCL-2 和BCL-w等为凋亡抑制蛋白，BCL-2 拮抗蛋白(Bcl‐2 antagonist killer,BAK)、BCL-2 相关X 蛋白1 (BCL‐2 associated X protine1,BAX)为凋亡促进蛋白[10]。黄付敏等[12]在低氧环境下喂养大鼠30 天后，发现睾丸和附睾内精子数目显著减少，睾丸生精上皮和间质肿胀，睾丸内生殖细胞Bax/Bcl-2 显著升高，提示低氧环境下可能通过Bcl-2家族蛋白中Bax 的激活导致生殖细胞过度凋亡，从而抑制精子发生。Vergara 等[13]研究发现，与非凋亡的生殖细胞相比，凋亡生殖细胞的促凋亡蛋白BAX 和BAK的mRNA 水平均升高，而抗凋亡蛋白BCL-2 和BCL-w的mRNA 水平均下降，这提示BCL-2 家族蛋白促凋亡和抗凋亡成员不同的转录水平可能导致生殖细胞凋亡增加。低氧导致生殖细胞过度凋亡，不仅通过BCL-2 和BAX，可能还需要深入研究BCL-2 家族蛋白的其他成员。

2.低氧诱导转录因子-1 促进凋亡

低氧诱导转录因子-1 (Hypoxia-inducible transcription factors,HIF-1) 是在低氧环境下细胞产生的适应性介质，HIF-1 是由α 亚基和β 亚基组成的异二聚体，在低氧环境下其表达增加[14]，用小鼠粗线期精原细胞衍生的永生细胞系(GC-2spd,GC-2)细胞来模拟生殖细胞，研究表明HIF-1α 可能在低氧导致小鼠GC-2 细胞凋亡过程中起促进作用[15]。周建等[16]研究发现低氧环境下培养GC-2 细胞，与对照组相比，HIF-1α 基因表达增加，细胞发生了过度自噬，然而将低氧组HIF-1α 基因表达降低后，GC-2 细胞出现相反结果，提示生殖细胞过度凋亡可能是通过上调HIF-1α 基因的表达来实现的。尹建等[17]进一步发现在低氧环境下培养GC-2 细胞，细胞凋亡严重程度与时间成正相关，同时HIF-1α 蛋白的表达也明显增加，降低HIF-1α 的表达后发现GC-2 细胞在低氧环境下凋亡受到抑制。

3.微小RNA 促进凋亡

微小RNA(MicroRNA,miRNA)是一种小片段非编码RNA，其作用包括：调节蛋白质合成、参与基因转录后调控和介导细胞凋亡等。在低氧环境下，miRNA 调节生殖细胞凋亡过程中微小RNA-210(MicroRNA210,miR-210)占主导地位[18]。在低氧环境下发现GC-2 细胞的miR-210 上调，靶向作用于Kruppel 样因子7，激活了凋亡信号通路，从而增加GC-2 细胞的凋亡[19]。

综上所述，生殖细胞凋亡的过程有多个途径参与，但其机制的研究仍不够完善，不同途径介导生殖细胞凋亡之间是否有联系也需要更深入探索。

（二）活性氧产生过多

活性氧(Reaction oxygen species,ROS)是机体的代谢产物，主要由线粒体呼吸链的氧化反应产生，生理浓度的ROS 对精子获能和顶体反应有重要作用[20]。ROS主要有H2O2、O2-和·OH 等，同时人体含有抗氧化系统，如超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)和谷胱甘肽还原酶(Gluathione reductase,GR) 等。一旦机体ROS 产生过多，体内抗氧化系统代偿失衡，则会出现各种ROS 的毒性损害作用。研究发现，短期暴露高原环境后，抗氧化指标如SOD 的含量下降，而LPO、丙二醛(Malonic dialdehyde, MDA)、 一 氧 化 氮 (Nitric oxide,NO)、戊烷和尿液8- 羟基-2- 脱氧鸟苷(8-hydroxy-2-deoxyguanosine,8-OHdG)氧化应激指标含量升高[21-22]。这提示在高原低氧的环境下，人体会产生过多的ROS，会对男性生育力造成损害。目前认为高原低氧环境导致人体产生过量ROS 的机制有：低氧导致ROS 生成过多和清除减少。

1.低氧导致ROS 生成过多

其主要机制有： ①低氧导致精液中白细胞和畸形精子数量含量增高，二者是精液中ROS 的主要来源[23]。研究表明在低氧环境下，为应对睾丸缺氧，维持氧气输送量，血管内皮生长因子分泌增加[24]，导致小鼠睾丸血管形成增加，直径增粗，使睾丸温度升高[25]，产生热应激效应，导致白细胞生成过多[26]。白刚等[27]研究发现在低压、 低氧环境下小鼠的精子形态受损，畸形精子数增多。②低氧导致脂质过氧化反应(Lipid peroxides,LPO)，进而产生更多的ROS。精子细胞膜中的脂质主要由磷脂和胆固醇组成，磷脂是由多不饱和脂肪酸构成，这些脂肪酸分子中的双键多数被亚甲基隔开，从而导致稳定性下降，易被氧化破坏[28]。一旦有ROS 过量产生，ROS 的羟自由基就会氧化亚甲基的碳- 氢键，启动LPO，该过程会产生更多的ROS[29]。

2.低氧导致ROS 清除减少

其主要机制是： 低氧导致机体抗氧化系统活性下降。Farias 等[30]研究发现，低压、低氧环境下培养大鼠32天后发现，睾丸和附睾的谷胱甘肽还原酶活性下降。GR是人体氧化还原体系中重要的酶，维持还原型谷胱甘肽的含量，后者具有抗氧化作用，清除机体产生的ROS。另一个重要的抗氧化酶是SOD，Malivindi 等[31]研究表明低氧作用下，维生素A 缺乏，导致精子中的SOD 活性显著下降。一旦抗氧化系统相关酶的活性下降，ROS 的清除则会减少，导致体内ROS 蓄积，对精液产生影响。

现阶段研究认为过量ROS 对精液质量损伤的机制主要有：①损伤精子DNA。研究表明ROS 导致DNA结构中的鸟嘌呤形成8- 羟基鸟嘌呤(8-Hydroxydeoxyguanosine,8-OHG)，从而影响碱基配对结构稳定性，破坏DNA 双螺旋结构[32]，且精子中缺乏DNA 修复所需的关键酶，使修复过程仅停留在分离阶段，造成修复不完全，产生无碱基位点的DNA，从而破坏DNA 双链结构[35]；②使精子细胞膜发生LPO。LPO 会导致大量不饱和脂肪酸从质膜中流失，降低质膜流动性，并使跨膜结合蛋白失活，影响精子受精功能[34]，而且LPO 中产生的4- 羟基壬烯醛和丙烯醛，可以与DNA 碱基结合生成化合物，破坏DNA 碱基配对序列，损伤DNA 双螺旋结构[35]，这些物质还可以与精子的动力蛋白链结合，损害精子运动能力[36]。

上述研究表明，高原低氧环境导致人体产生过量ROS，其机制包括生成过多和清除减少两个方面。过量ROS 会导致男性精液质量下降，因此可以考虑用抗氧化剂来对抗这种毒性损害作用，从而保护并提高男性生育力，这是一个值得深入研究的方向。

（三）影响生殖激素水平

高原低氧环境会影响生殖激素水平。研究发现健康成年男性短期暴露在高原低氧环境下，机体卵泡刺激素(Follicle-stimulating Hormone,FSH)、 黄体生成素(Luteinizing Hormone,LH)和睾酮(Testosterone, T)水平下降[37]，且随着海拔的升高FSH 和LH 水平进一步下降[38]。在动物实验中也发现同样现象[39]，这提示高原低氧环境的短期暴露会干扰下丘脑- 垂体- 睾丸轴和反馈调节，从而引起相关生殖激素分泌异常。国内对短期暴露高原低氧环境的健康成年男性研究发现，这些研究对象的精子浓度和活力下降，血清FSH、LH 和睾酮的水平也下降，回到平原地区6 个月后，精液参数和生殖激素恢复正常，这提示短期高原低氧暴露会对精液质量和生殖激素产生可逆的负面影响，且精液质量和生殖激素呈正相关[40]。

但在高海拔地区居住时间超过3年的人群却发现，血清睾酮的含量增多，并且和血红蛋白含量成正相关[41]，这可能是机体对高原低氧环境发生的适应性改变：长期居住在高原地区人群的芳香化酶活性降低，导致雄激素向雌二醇的转化率降低，而17β- 羟基类固醇脱氢酶活性升高，使得孕烯醇酮向雄激素转化率提高，从而提高机体睾酮的水平[42]。另有研究表明这可能是由于遗传因素导致男性生育力对高原低氧环境产生适应现象[43,44]，导致高原常住居民的生育力与平原地区居民相比，并没有显著差异[45]。

高原低氧环境导致男性生殖激素发生改变的机制复杂，高原低氧环境通过下丘脑-垂体-睾丸轴来改变生殖激素水平的机制仍不去清楚，且高原短居和长居对男性生殖激素的影响无统一结论，有待进一步深入研究。

三、展望

目前研究表明，高原低氧环境会降低男性精液质量，其机制可能与生殖细胞过度凋亡、机体ROS 水平升高和生殖激素水平异常等有关，但尚无明确定论，需要进一步探究。现阶段，低氧导致ROS 产生过量的机制，以及ROS 对精液产生负面影响是近年来的研究热点，也为今后相关抗氧化剂干预治疗提供可靠的理论基础，具有重大临床意义。高原低氧环境对男性下丘脑-垂体-睾丸轴的影响机制研究尚少，但生殖激素的改变会影响精液质量，所以该方面的研究有待深入加强。

由于地理环境和宗教等的影响，导致目前大多数研究对象代表性差和失访率高，造成现阶段高原低氧环境对精液质量和生殖激素影响的临床研究结论有一定的差异，而且动物实验无法完全模拟复杂的高原环境如海拔高度和进入高原地区时长、温差等。因此需要大型的、 人群代表性强的和不同海拔高度的前瞻性研究来明确高原低氧环境对男性精液质量和生殖激素的影响，并探索其影响机制，从而为高原地区人群提供准确规范的生育指导。