热应激对雄性生殖系统损伤机制的研究进展

高维浩，陈芳芳，祝家笙，毛筠棋，范红艳

(吉林医药学院：a.临床医学院，b.公共卫生学院，c.药学院，吉林 吉林 132013)

热应激是非特异性应答反应的总和，是在过高温度刺激且超过自身体温调节能力时产生的。在反复热刺激时机体会产生一系列变化，从而适应热环境，提高耐热能力，这种现象即为热适应(热习服)。热适应会产生出汗、电解质代谢、心血管系统等反应，同时热应激也会改变细胞结构与功能。热应激通过兴奋交感神经，导致胃肠蠕动减弱，肠道中水解酶活性显著降低，胃肠黏膜发生病理损伤；动脉血压降低，心肌组织缺血缺氧；引起性欲降低，生精功能减弱，血糖降低、营养不良等多系统损伤，严重者甚至导致死亡[1]。

在睾丸产生精子过程中，温度对雄性睾丸的影响主要体现在影响生精功能，睾丸的生精能力随其温度的改变而发生改变[2]。实验发现[3-4]，热应激损伤雄性生殖系统，可引起精子数量降低，使精子畸形率提高，生精细胞层数降低，生精上皮存在空泡变性及萎缩。

在日常生活中，职业暴露、生活方式和临床疾病等一些因素都可使睾丸温度升高[5]，就会对生殖功能产生影响。据统计，我国接触到高温的工作人员有5000余万，经常性户外工作人员约有3000万，如建筑工人、消防员、值勤交警等一些职业[6]，因此引起了研究者对热应激损伤生殖功能的关注。笔者查阅近20年来国内外文献，对热应激所致雄性生殖功能损伤机制作一综述。

1 诱导生精细胞凋亡

研究表明，热应激可通过抗凋亡蛋白表达、肿瘤抑制蛋白P53及促凋亡蛋白、活性氧类物质(reactive oxygen species,ROS)、细胞色素C从线粒体释放等机制诱导生精细胞凋亡。丛霞[7]等每天分别用42、37和33 ℃热应激处理小鼠1 h，在热应激第8天分离睾丸、第13天分离附睾。实验结果表明，睾丸和附睾内精子数量显著降低、生精细胞上皮层数明显减少，精母细胞数量降低，精母细胞排列混乱、凋亡数量增多，可见热应激可通过诱导细胞凋亡而降低生殖功能。黄嘌呤和黄嘌呤氧化酶体系产生的ROS可能诱导了生精细胞的凋亡。kumagai等[8]通过研究实验性隐睾大鼠，得到抑制黄嘌呤氧化酶可减少生精细胞凋亡的结论。

赵菲菲[9]将小鼠的下1/3身体置于42 ℃水浴中持续30 min一次造成热应激损伤，在热应激24 h后睾丸组织胱天蛋白酶(caspase)3的mRNA表达水平增加，经剪切过的蛋白Cleaved-caspase表达增加，睾丸组织内Bcl-2/Bax的比值明显降低，可见热应激可诱导细胞凋亡。冀睿[10]在公猪左侧睾丸阴囊表面42 ℃局部热应激1 h后进行免疫组化实验，结果发现FasL/Fas细胞凋亡信号及转化生长因子TGF-β1在生精细胞上表达，提示生殖细胞发生凋亡。钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(Calmodulin dependent protein kinase,CaMKⅡ)蛋白在线粒体信号通路引起的细胞凋亡中发挥重要作用。吴震等[11]将小鼠身体下1/3部分43 ℃水浴15 min，经热应激处理0.5、2、6 h，分别检测睾丸组织细胞凋亡和CaMKⅡ蛋白表达。病理结果表明，在热应激处理2 h后，小鼠睾丸生精细胞发生核固缩现象，并且在热应激6 h后加重，表现为睾丸生精小管间隙增大，生精小管内细胞排列不规则，胞浆空泡化突出，热应激组睾丸组织p-CaMKⅡ、0p-ERK1/2蛋白的表达水平明显增高，可知热应激通过激活CaMKⅡ从而经线粒体通路引起细胞凋亡。霍爱华[12]等分别对猪肾小管上皮(porcine renal tubular epithelium,LLC-PK1)细胞进行42 ℃热应激处理0、2、4、8、16 h，检测热激蛋白(heat shock protein，Hsp)72、Bcl-2、Bax、凋亡诱导因子(apoptosis inducing factor,AIF)的基因表达以及caspase-9和caspase-3的活性。结果显示，Bcl-2/Bax基因表达在热应激8 h达到最低，AIF基因表达以及caspase-3活性在热应激2 h达到最高，Hsp72基因表达和caspase-9活性0 h即达到最高。刘洪茂等[13]将小鼠身体的下1/3部分浸于43 ℃恒温水浴15 min进行热处理，2、6 h处死小鼠，检测睾丸组织生殖细胞的凋亡率、睾丸总蛋白p-真核翻译起始因子2α(p-eukaryotic translation initiation factor 2a,p-eIF2α)和C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein,CHOP)的表达水平。结果发现小鼠睾丸组织生殖细胞凋亡数量明显增加，而p-eIF2α与CHOP蛋白的表达水平均呈先上升后下降的趋势。可知热处理能明显上调睾丸组织p-eIF2α蛋白磷酸化和CHOP蛋白的表达水平，表明热应激通过内质网应激PKR样内质网激酶信号通路诱导睾丸生殖细胞凋亡。

刘洪茂等[14]采用相同的造模方式，检测睾丸组织完整XBP1(uXBP-1)/裂解型XBP1(sXBP-1)mRNA表达、睾丸总蛋白p-JNK表达，并计算睾丸组织uXBP-1/sXBP-1 mRNA的比值。发现热处理后睾丸组织uXBP-1/sXBP-1 mRNA的比值呈现先下降后上升的趋势，热应激显著增加睾丸c-Jun氨基端蛋白激酶(c-Jun N-terminal protein kinase，JNK)磷酸化水平。最终得出结论，热处理能激活睾丸组织内质网应激肌醇必需酶1(inositol-requiring enzyme 1,IRE1)通路，在早期可能激活IRE1-XBP-1通路保护睾丸组织对抗热应激，而后期可能通过激活IRE1-JNK通路诱导睾丸生殖细胞凋亡。

Wang[15]等将公鸡38 ℃急性热应激处理4 h，取睾丸检测凋亡蛋白表达。结果显示调控细胞凋亡的蛋白被下调，参与自噬的蛋白和热激蛋白(Hsp90α、HspA5和HspA8)被上调。表明急性热应激会导致睾丸蛋白质表达发生变化，从而损害细胞形态，诱导生精细胞凋亡。

2 诱发氧化应激损伤

由于环境温度升高或者局部热应激，体内散热量少于产热量，导致代谢明显增加，体温明显上升，最终导致机体内氧化-抗氧化系统紊乱。热应激可破坏机体的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)等抗氧化酶系统。Li[16]等将成年公猪暴露在40 ℃的热处理下5 h，持续8 d，在第1、4和8天开始热暴露后3 h，附睾中丙二醛(MDA)和谷胱甘肽(GSH)水平显著升高，可知热应激对睾丸组织有明显氧化应激损伤。郭艳[17]将小鼠阴囊部43 ℃水浴15 min，进行局部热应激，测定GSH-Px mRNA表达水平，结果发现小鼠睾丸组织内生殖细胞明显凋亡，细胞间隙出现空洞化，精子数量明显减少，SOD活性降低、MDA含量明显增加，GSH-Px mRNA表达水平明显降低。表明热应激导致小鼠生殖细胞凋亡，抗氧化能力减弱，造成睾丸组织氧化损伤。Sohail[18]将肉鸡置于温度(35±1.1)℃和相对湿度(75±5)%的热应激条件下，8 h/d持续42 d，测定血清总氧化剂、总抗氧化剂含量，结果表明，热应激使血清总氧化剂和总抗氧化剂浓度明显增高。丛霞[19]等对牛睾丸支持细胞(sertoli cells,SCs)42 ℃热应激1 h后34 ℃恢复6 h，检测细胞MDA、SOD、GSH-Px和CAT的变化。结果显示，细胞SOD、GSH-Px和CAT活力均极显著降低，MDA含量显著升高，可知热应激可对SCs造成氧化应激损伤。

3 提高炎症因子水平

张宏男[20]等利用温度(41.0±0.5)℃对小鼠进行热应激处理，每隔15～20 min监测肛温，当肛温超过42.0 ℃结束热应激，当热应激结束4 h后检测血清炎症因子、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factorα,TNF-α)、白细胞介素(Interleukin,IL)-1β，结果表明小鼠血清TNF-α、IL-1β水平均明显升高。刘华伟等[21]将28日龄肉鸡饲养于(33±3)℃鸡舍中，13 d后翅静脉采血，测定全血生理生化指标，结果显示热应激可使血液白细胞、嗜异性白细胞、嗜异性白细胞/淋巴细胞、血清肌酐激酶活性和皮质醇水平提高，使空肠绒毛高度、绒隐比、上皮内淋巴细胞数和分泌型免疫球蛋白A水平降低，使黏膜IL-1和TNF-α水平升高，可见热应激可诱发炎症反应、降低免疫功能。Wang等[22]也发现热应激可诱发炎症反应.将SD大鼠热处理(32 ℃，7 d)后，血清中的促肾上腺皮质激素、皮质醇、IL-2、IL-12水平显著提高，而Bcl-2水平降低。

4 调节激素水平

Li等[23]将大鼠置于43 ℃的水中进行睾丸局部热处理30 min，测定睾丸激素合成相关酶的mRNA和蛋白水平。结果显示，热处理降低了血清和睾丸睾酮的浓度，并且下调了睾丸间质细胞中细胞色素P450家族17和类固醇生成的急性调节蛋白水平，表明睾丸热应激减少睾酮的合成。神经介素B(neuroleukin-b,NMB)/神经介素B受体(neuroleukin-b receptor,NMBR)系统表达在下丘脑、垂体和睾丸，通过调节神经内分泌影响下丘脑-垂体-睾丸(HPT)轴。马志禹等[24]分别对家兔进行(42.0±0.5) ℃全身热应激处理0.5、1、2 h，腹主动脉取血，荧光定量PCR检测兔NMB及其受体的基因表达水平，NMB和NMBR基因mRNA在HPT轴的表达情况。结果表明热应激后在一定程度上可以促进NMB和NMBR基因的表达，并按时序在下丘脑(热应激0.5 h)、垂体(热应激1.0 h)和睾丸(热应激2.0 h)促进作用最为明显，热应激可以促进皮质醇的分泌，并抑制睾酮的分泌。

综上所述，热应激对雄性的生殖系统有极大程度的破坏作用，可导致雄性动物的生精小管萎缩，生精细胞损伤，氧化应激反应增强，降低生殖功能。热应激损伤生殖功能的作用机制，主要与氧化应激损伤、诱导生殖细胞凋亡、炎症反应及影响激素水平等有关。通过本文的综述，研究者可尝试寻找具有抗炎、抗氧化且抗细胞凋亡等作用的药物，来逆转热应激对雄性生殖系统造成的损伤，为抗热应激药物的研发提供理论支持。