氧化壓力(自由基)對男性生殖細胞的影響

以及它與男性不孕症和遺傳疾病的關係

地球上的生物演化為有氧呼吸之後,氧氣便是真核生物維持生命所必需。我們無時無刻不在進行有氧呼吸,在我們身體細胞上的粒線體將呼吸進入的氧分子透過氧化磷酸化反應(Oxidative Phosphorylation)將氧分子還原成水分子,其中氫離子由NADPH(腺二核苷磷酸菸草醯胺還原型)提供,這過程我們稱為有氧呼吸。我們身體細胞進行氧化磷酸化反應的結果,產生稱三磷酸腺苷酸(ATP)的物質。三磷酸腺苷酸含有高能磷酸鍵,可供給我們心臟跳動、神經傳導、細胞分裂生長所需的能源。氧分子在粒腺體被還原成小分子的過程,要進行連串的電子的轉移。在電子轉移的過程中,會形成一些短暫的小分子化合物,這些小分子物質被稱為自由基(Free Radical),如超氧化物(O3)、帶羥基化合物(OH-)和過氧化氫(H2O2)。這些自由基又會和一些較複雜的物質結合形成反應氧化物,這些物質都是細胞進行有氧呼吸的過渡物質。自由基含有不配對的旋轉電子,很不穩定,半衰期極短。這不配對電子,會從別的化學物質(像DNA、蛋白質、脂肪酸及醣類等)掠奪氫離子(扮演掠奪者的角色),而對人體的細胞組織造成傷害。適量的自由基(反應氧化物)是細胞發揮正常功能所必需的。像精蟲的頂體反應、精卵結合細胞生長的調節、細胞內或細胞間信息的傳遞,均需要適量的自由基。但如果自由基或是較複雜的反應氧化物過量則會對人體組織造成傷害。

我們的身體細胞組織為了防止過多的自由基,造成細胞組織傷害,身體的細胞組織會將自由基圈在一個範圍,防止他亂竄;或是利用抗氧化劑來對抗自由基。細胞內及體液內均存有適量的抗氧化劑來保護我們的器官組織細胞,免受自由基的攻擊,這些抗氧化劑有維他命E(又稱生育素;α-tocopherol)、維他命C、麩氨基硫(Gluthione)、醌10(Q10;Ubiquinone 10)、過氧化酶(Quthathione Peroridase)、麩氨基硫還原酶(Gluthione Reductase)、超氧化物去轉位酶(Superoxidase dismutase)、過氧化氫酶(接觸酶,Catalase)、檸檬酸塩(Citrate)等。當體內的自由基量超過維持正常生理機能所需時,如果加上體內的抗氧化劑量不夠,不能抵擋自由基(氧化自由基)的攻擊時,會對我們的細胞組織造成傷害,稱氧化壓力(Oxidative stress)。氧化壓力與男性不孕息息相關,因精蟲是人體最小的細胞,其內所含的細胞質很少,所以精蟲細胞內抗氧化劑量便相對的少,加上細胞膜不飽和脂肪酸含量高,容易被氧化,所以當自由基一多,精蟲細胞就會受到攻擊而易受傷,造成精蟲活動力不足,精卵不能結合,或是精蟲細胞核內DNA鏈受損,造成不孕。

哪些原因會使體內自由基過多,而造成男性不孕?外在因素,例如接觸一些外來化學物質(多環芳香碳氫化合物、有機溶劑、殺蟲劑),會使體內產生過多的自由基,引起精蟲品質不良。離子放射性照射(X光或強烈陽光照射)、抽菸、睪丸長期接觸熱源等等,也都會使精蟲品質下降。內在因素則為不成熟精蟲過多、泌尿生殖器感染、組織器官的慢性發炎、癌症等。精蟲過少的患者,我們檢測其精液,會發現其內自由基含量過高。這類患者除了精蟲過少之外,常伴有精蟲活動力差和精卵結合能力下降等問題。這些病人仔細檢查,會發現不成熟精蟲偏高。不成熟精蟲較特別的地方是精蟲中段(mid piece)比較大,裡面的細胞質比較多。在「精子發生篇專論」裡我們提到,當圓形精細胞轉化成長形精細胞時,最重要的階段是史托立(Sertoli)細胞將圓形細胞多餘的贅肉(細胞質)去除,變成效能好、跑得快的流線型長形精細胞(即成熟的精蟲)。當史托立細胞功能受損,不能將精蟲細胞多餘的贅肉剔除,就釋放出來的精蟲稱為不成熟精蟲。為什麼不成熟精蟲過多會產生過多的自由基呢? 這是不成熟精蟲有較大的中段部位,裡面含有較多的細胞質,內富含一些酵素可產生NADPH(腺二核苷磷酸菸草醯胺還原型)。

NADPH可提供電子,產生像超氧化物(O3-)的自由基。自由基的增加會攻擊精蟲細胞膜,因細胞膜富含不飽和脂肪酸易被氧化而失其效能,使精蟲游動力變緩,精卵結合能力變差(精卵結合需在精蟲細胞膜上進行一連串的化學變化之後才能完成)。攻擊精蟲的細胞核(DNA)也使精卵受精後的胚胎發育能力下降,如此皆造成不孕。另一種造成精蟲有氧化壓力(自由基超過能忍受的界線稱之)的原因是泌尿生殖器感染的結果。白血球的功能是用來消滅外來的感染原,白血球攻擊細菌等外來感染原的武器之一是釋放大量的自由基,這自由基除了會殺死細菌之外,也會攻擊精蟲,造成其活動力下降、使它與卵子受精能力下降及胚胎發育不良等。泌尿器官感染時,精液中自由基量過高,主要是來自精液內白血球的增加。世界衛生組織所公佈的精液分析檢查標準,如果1 cc的精液中,白血球的量超過一百萬(1 x 106),稱為濃精症。根據加拿大魁北克馬基大學Mark Plante醫生的研究(1994)發現每cc的精液若受到超過1 x 106活化的白血球(具攻擊性的白血球)攻擊,則可使精蟲的活動力下降15%。如果每cc精液內活化的白血球有5 x 106,則精蟲游動能力會下降47%。並且精蟲與活化白血球接觸越久,則精蟲活動力越差。還有在發炎時,淋巴球吞噬細胞及發炎部位的細胞,會分泌一些細胞素,像阿發腫瘤壞死因子(TNF-α)、干擾素及介白素-6(Interleukin-6)都會直接或間接的使精蟲活動力下降。不孕症患者在做試管嬰兒或人工授精助孕時,對於精蟲品質不良的患者特別要儘快將好的精蟲與白血球或不成熟的精蟲分離開,以減低白血球或不成熟精蟲所產生的自由基的攻擊。將精子與精液分離的第一步是利用游泳向上法(Swim-up),快速收集活動力好的精蟲,然後將游到上層的精蟲收集離心濃縮,切忌第一個步驟就利用離心法分離精蟲和精液。因為如果第一步就用離心法將精蟲和精液分開,將會使好的精蟲和不好的精蟲(包括不成熟精蟲)擠在一起,好的精蟲容易受到不好精蟲的影響,造成精蟲品質下降。這是因為不好的精蟲(包括不成熟精蟲)會釋放游離基。如果精液中含有白血球的話,也會精蟲和白血球擠在一起,白血球釋放的高量自由基,也會降低精蟲的品質。故在做人工授精或試管嬰兒時,第一步驟就是要趕快將好的精蟲分離出來,免受未成熟精蟲或白血球所釋放的自由基影響。

一些內在因素,像睪丸精索靜脈曲張、原發性的史托立(Sertoli)細胞功能不良;環境因素,像抽菸、異體生物賀爾蒙;與一些未明因素造成史托立Sertoli 細胞功能不良,泌尿生殖器感染及組織受損,均會影響精蟲的品質。在人類最重要的金屬離子是鐵離子,這些鐵離子普通都和蛋白質結合在一起,且在血漿、體液和組織中分別和不種類的蛋白質結合,這些蛋白質只有30%能和鐵離子結合,所以我們體內幾乎沒有游離的鐵。但當發炎、酸中毒或組織受損,鐵離子便會被釋放出來,這鐵離子會加速催化一些物質的氧化反應,而釋放出過量的自由基,對組織細胞造成傷害。根據一些研究指出,在男性不孕症患者血漿及精液中,鐵離子含量增加。正常人精液內含有較高濃度的檸檬酸塩(Citrate),是用來對抗游離的鐵離子所造成的傷害,並且精液內也含乳鐵素(Lactoferrin)可和鐵離子結合,使游離鐵下降。由動物實驗知鉛中毒是因進入體內的鉛引起大量氧化還原反應,產生過量的自由基之故。精液的功能之一是保護精蟲免受活性氧化物的攻擊,精子特別容易受到氧化自由基的攻擊原因之一前面已經提及即它的細胞膜含不飽和脂肪酸的量很高,不飽和脂肪脂肪酸容易被氧化而失去功能,原因之二是精子是一種非常流線型,高度功能化的細胞,其內的細胞質非常少,如此雖可保持敏捷的游動力,但細胞質少,製造抗氧化自由基物質(抗氧化劑)的能力相對的減少。如此保護精蟲的責任便落在外在環境─精液身上。精液內含有很多種抗氧化劑,包括乳鐵素(Lactoferrin),超氧化物去轉位酶(Superoxide Dismutase),過氧化氫酶(Catalase)、牛膽胺基酸(Taurine)、次牛膽胺基酸(Hypotarine)、白蛋白質、麩氨基硫(Glutathione)、維他命E及維他命C。這些抗氧化劑可分別對抗不同的氧化自由基。精液內的成份除精子是來自睪丸外主要來自精囊和攝護腺,如果精囊和攝護腺慢性發炎,會影響精液內抗氧化自由基的含量,使精液內的精子容易受到氧化自由基的攻擊。精子從睪丸製造完成進入副睪丸,在副睪丸停留2至12天不等的時間,副睪丸內所產生的抗活性氧化物不多,並且因精子直接與副睪丸發炎所產生的活性氧化物直接接觸,所以在副睪丸炎時精子所受的衝擊最大。脊椎受傷或下半身麻痺的病人,因長期臥床常會伴有泌尿生殖生殖器的感染,因而容易造成這些病人的精子游動力下降。精蟲品質不良患者屢次做試管嬰兒胚胎品質不良或不懷孕者,有些研究顯示可採用睪丸取精,利用睪丸精蟲和卵子受精,可增加懷孕的機會。這可能是睪丸精蟲售自由基攻擊較少、品質較好之故。

泌尿生殖道自由基增加會使精蟲活動力下降,這是因為精蟲細胞富含不飽和脂肪酸容易受自由基攻擊,尤其是過氧化氫(H2O2)的攻擊而進行過氧化反應,使精蟲細胞膜失去它的功能和特性,這是因為細胞上有一種酵素稱腺核苷酸塩環化酶(Adenylate Cyclase),此酵素能催化ATP(三磷酸腺苷酸)變成環單磷酸腺苷酸(C-Amp)。此C-Amp扮演訊息傳遞者的角色,可啟動酶瀑流(Enzyme cascade)過程,經過一連串的化學反應,最後將訊息傳至精子軸絲9對雙微小管的側臂,引起側臂伸縮,造成9對雙微管移動,最後引起精子尾巴擺動。如果精蟲細胞膜受損則細胞膜上的腺核苷酸環化酶失去作用或作用減低,因此就會造成精蟲活動力下降。精蟲活動力下降,使其不能由陰道游到輸卵管和卵子結合受精,所以引起不孕。並且精蟲細胞膜有好幾層,在精蟲活化,頂體反應及精卵融合,都須精蟲細胞膜的參予。如果細胞膜受損,精蟲便不能結合受精。細胞膜受損嚴重時,精卵不能受精,於是造成不孕。

氧化自由基也會攻擊細胞核DNA,造成細胞核內DNA鍵的斷裂。如果DNA鍵的斷裂嚴重,即使精卵能結合受精,也不能發育成胚胎繼續生長。最可怕的情形是精蟲細胞膜沒有受損,精蟲活動力正常,只是精蟲細胞核內染色體上的DNA鏈輕微的斷裂受損,因為精蟲細胞膜沒有受損,所以不影響精蟲的游動力,所以與卵子結合沒有問題,但是精蟲沒有能力修補斷裂受損的DNA鏈,所以這樣就把不正常受損的DNA鏈(基因)帶進新的生命。精卵結合時,精卵細胞核內的DNA會互相結合重組來修補精蟲受損的DNA鏈,在形成受精卵之後接下去的幾個分裂繁殖週期,也可修補精蟲來的受損斷裂的DNA鏈,如果受損的DNA片段太大,修補則不易完全,表現出來的現象是胚胎內碎片多(DNA碎解之故,此為不良胚胎之表徵),不易著床,即使著床成功,也容易流產。如果受自由基攻擊,精蟲細胞核內染色體DNA受損很小,精卵結合時逃過卵子修補系統的檢查,而繼續存在下來,就會遺傳給下一代,像軟骨發育不全症(achondroplasia),小孩期發生癌症和一些出生就有的身體畸形,很多都是這一種原因造成。另一個由於氧化壓力造成男性生殖方面的悲劇是男性的Y染色體逐漸變短,這是因為其上的的基因(DNA)逐漸流失的結果。人類的Y染色體上的基因,每百萬年流失5個基因,在3億年前左右,Y染色體開始出現時有150個基因,目前則只剩下50多個基因。人類的遠祖先剛出現地球時,X染色體和Y染色體是一樣大小(二者為同源染色體,同屬第23對),但現在Y染色體的大小連X染色體的一半都不到。如此估計一千萬年後,人類的Y染色體會完全消失,這也是男性精蟲品質越來越差的原因之一。目前約有15%精蟲稀少症患者和7%的無精症患者是由Y染色體顯微缺失(Y chromosome deletion)所引起(參見Y染色體顯微缺失症)。Y染色體顯微缺失是因Y染色體上的DNA鏈上的鍵受自由基攻擊斷裂之後,因沒有辦法和同源的X染色體(因大小不對稱)互相配對行基因結合重組互換和修補,於是Y染色體上受損的DNA轉而和遠處同樣是在Y染色體上和自身相同序列的DNA結合重組互換修補(Y染色體上的DNA鹼基排列的特徵是一個基因片段有幾個相同排列順序的複製品存在Y染色體上,像在AZFc段上的DAZ基因)。像DAZ基因在Y染色體AZFc段上即有4個相同DNA鹼基序列排列的複製品(參見Y染色體顯微缺失症),如此會造成一段的Y染色體缺失,此缺失可大可小。位在Y染色體上基因的特徵是在DNA鏈上隔一段距離有相同鹼基序列的DNA片段出現。當DNA鏈受損斷裂(最重要的原因是受自由基攻擊)後,為修補這斷裂受損的鏈,它會和同樣在Y染色體但有相同鹼基序列的DNA片段相互配對來進行修補,結果這一種相結合的DNA片段會從Y染色體上整個被移去,造成Y染色體缺失這一段的DNA,稱為Y染色體缺失。這缺失有時很大段,用顯帶染色體核型分析(kayotype analysis of banding chromosome)即可發現。有時缺失的片段小,需要用分子生物學的遺傳基因增幅法(PCR;Polymerase chain reaction)才能檢測出來。大段的缺失(像AZFa+b+c缺失)會造成無精症;小段的缺失則造成精蟲稀少症或無精症(AZFa及AZFb段缺失造成無精症;AZFc段缺失造成精蟲稀少症或無精症)。

抽煙會造成精蟲細胞核內DNA碎裂,已經是不爭的定論,這是人類一些先天性遺傳疾病與小孩癌症的罪魁禍首。抽煙除了會增加體內的自由基含量外,並且煙內含有異體生物賀爾蒙,會激活一種稱Fas的死亡基因對生殖細胞造成傷害,這傷害可藉生殖細胞遺傳給下一代,造成不幸與悲劇。抽煙的代價實在太大了!

結論:從上面的敘述,我們知道氧化壓力(過量的自由基)會造成男性不孕與遺傳疾病。氧化壓力造成男性不孕,可由四個因素造成。第一個因素是氧化壓力造成精蟲細胞膜受損,使精蟲游動力下降,與精卵受精能力減低。第二個因素是造成精蟲細胞核上的DNA鍵斷裂,使精蟲的遺傳物質(DNA)不易與卵子的遺傳物質結合,萬一結合也易發育成品質不好的胚胎(胚胎細胞碎裂嚴重)、胚胎不易著床或易致流產。第三個因素是易造成史托立(Sertoli)細胞功能不良,產生不成熟精蟲增加,不成熟精蟲的增加又會增加氧化壓力,如此惡性循環。第四個因素是氧化壓力使精蟲細胞DNA斷裂,此斷裂的DNA經由精卵結合傳給下一代,造成遺傳疾病及小孩的一些癌症。先天性的史托立細胞功能不良、急慢性泌尿生殖器感染、睪丸精索靜脈曲張、睪丸長期接觸熱、多環性芳香物質、有機溶劑、殺蟲劑、輻射線照射、氣體麻醉劑、過量游離金屬離子(氧化型態的鐵銅鉛離子)、抽煙等都是已知會造成氧化壓力的原因。降低施給予生殖細胞的氧化壓力,像不抽煙、遠離二手煙、遠離有機溶劑、避免輻射、避免睪丸長期接觸熱、遠離多環性芳香物質、遠離殺蟲劑、避免組織受傷發炎等,可提高精液的品質,早日受孕,也可避免生出畸型兒的慘劇發生。適度的服用抗氧化劑,像維他命E、維他命C等,也可以改善精液的品質。但要切記預防重於治療的鐵律。

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