氧化压力
氧化压力（自由基）对男性生殖细胞的影响
以及它与男性不孕症和遗传疾病的关系
地球上的生物演化为有氧呼吸之后，氧气便是真核生物维持生命所必需。我们无时无刻不在进行有氧呼吸，在我们身体细胞上的粒线体将呼吸进入的氧分子透过氧化磷酸化反应（Oxidative Phosphorylation）将氧分子还原成水分子，其中氢离子由NADPH（腺二核苷磷酸烟草酰胺还原型）提供，这过程我们称为有氧呼吸。我们身体细胞进行氧化磷酸化反应的结果，产生称三磷酸腺苷酸（ATP）的物质。三磷酸腺苷酸含有高能磷酸键，可供给我们心脏跳动、神经传导、细胞分裂生长所需的能源。氧分子在粒腺体被还原成小分子的过程，要进行连串的电子的转移。在电子转移的过程中，会形成一些短暂的小分子化合物，这些小分子物质被称为自由基（Free Radical），如超氧化物（O3）、带羟基化合物（OH-）和过氧化氢（H2O2）。这些自由基又会和一些较复杂的物质结合形成反应氧化物，这些物质都是细胞进行有氧呼吸的过渡物质。自由基含有不配对的旋转电子，很不稳定，半衰期极短。这不配对电子，会从别的化学物质（像DNA、蛋白质、脂肪酸及醣类等）掠夺氢离子（扮演掠夺者的角色），而对人体的细胞组织造成伤害。适量的自由基（反应氧化物）是细胞发挥正常功能所必需的。像精虫的顶体反应、精卵结合细胞生长的调节、细胞内或细胞间信息的传递，均需要适量的自由基。但如果自由基或是较复杂的反应氧化物过量则会对人体组织造成伤害。
我们的身体细胞组织为了防止过多的自由基，造成细胞组织伤害，身体的细胞组织会将自由基圈在一个范围，防止他乱窜；或是利用抗氧化剂来对抗自由基。细胞内及体液内均存有适量的抗氧化剂来保护我们的器官组织细胞，免受自由基的攻击，这些抗氧化剂有维他命E（又称生育素；α-tocopherol）、维他命C、麸氨基硫（Gluthione）、醌10（Q10；Ubiquinone 10）、过氧化酶（Quthathione Peroridase）、麸氨基硫还原酶（Gluthione Reductase）、超氧化物去转位酶（Superoxidase dismutase）、过氧化氢酶（接触酶，Catalase）、柠檬酸塩（Citrate）等。当体内的自由基量超过维持正常生理机能所需时，如果加上体内的抗氧化剂量不够，不能抵挡自由基（氧化自由基）的攻击时，会对我们的细胞组织造成伤害，称氧化压力（Oxidative stress）。氧化压力与男性不孕息息相关，因精虫是人体最小的细胞，其内所含的细胞质很少，所以精虫细胞内抗氧化剂量便相对的少，加上细胞膜不饱和脂肪酸含量高，容易被氧化，所以当自由基一多，精虫细胞就会受到攻击而易受伤，造成精虫活动力不足，精卵不能结合，或是精虫细胞核内DNA链受损，造成不孕。
哪些原因会使体内自由基过多，而造成男性不孕？外在因素，例如接触一些外来化学物质（多环芳香碳氢化合物、有机溶剂、杀虫剂），会使体内产生过多的自由基，引起精虫质量不良。离子放射性照射（X光或强烈阳光照射）、抽烟、睪丸长期接触热源等等，也都会使精虫质量下降。内在因素则为不成熟精虫过多、泌尿生殖器感染、组织器官的慢性发炎、癌症等。精虫过少的患者，我们检测其精液，会发现其内自由基含量过高。这类患者除了精虫过少之外，常伴有精虫活动力差和精卵结合能力下降等问题。这些病人仔细检查，会发现不成熟精虫偏高。不成熟精虫较特别的地方是精虫中段（mid piece）比较大，里面的细胞质比较多。在「精子发生篇专论」里我们提到，当圆形精细胞转化成长形精细胞时，最重要的阶段是史托立（Sertoli）细胞将圆形细胞多余的赘肉（细胞质）去除，变成效能好、跑得快的流线型长形精细胞（即成熟的精虫）。当史托立细胞功能受损，不能将精虫细胞多余的赘肉剔除，就释放出来的精虫称为不成熟精虫。为什么不成熟精虫过多会产生过多的自由基呢? 这是不成熟精虫有较大的中段部位，里面含有较多的细胞质，内富含一些酵素可产生NADPH（腺二核苷磷酸烟草酰胺还原型）。
此NADPH可提供电子，产生像超氧化物（O3-）的自由基。自由基的增加会攻击精虫细胞膜，因细胞膜富含不饱和脂肪酸易被氧化而失其效能，使精虫游动力变缓，精卵结合能力变差（精卵结合需在精虫细胞膜上进行一连串的化学变化之后才能完成）。攻击精虫的细胞核（DNA）也使精卵受精后的胚胎发育能力下降，如此皆造成不孕。另一种造成精虫有氧化压力（自由基超过能忍受的界线称之）的原因是泌尿生殖器感染的结果。白血球的功能是用来消灭外来的感染原，白血球攻击细菌等外来感染原的武器之一是释放大量的自由基，这自由基除了会杀死细菌之外，也会攻击精虫，造成其活动力下降、使它与卵子受精能力下降及胚胎发育不良等。泌尿器官感染时，精液中自由基量过高，主要是来自精液内白血球的增加。世界卫生组织所公布的精液分析检查标准，如果1 cc的精液中，白血球的量超过一百万（1 x 106），称为浓精症。根据加拿大魁北克马基大学Mark Plante医生的研究（1994）发现每cc的精液若受到超过1 x 106活化的白血球（具攻击性的白血球）攻击，则可使精虫的活动力下降15%。如果每cc精液内活化的白血球有5 x 106，则精虫游动能力会下降47%。并且精虫与活化白血球接触越久，则精虫活动力越差。还有在发炎时，淋巴球吞噬细胞及发炎部位的细胞，会分泌一些细胞素，像阿发肿瘤坏死因子（TNF-α）、干扰素及介白素-6（Interleukin-6）都会直接或间接的使精虫活动力下降。不孕症患者在做试管婴儿或人工授精助孕时，对于精虫质量不良的患者特别要尽快将好的精虫与白血球或不成熟的精虫分离开，以减低白血球或不成熟精虫所产生的自由基的攻击。将精子与精液分离的第一步是利用游泳向上法（Swim-up），快速收集活动力好的精虫，然后将游到上层的精虫收集离心浓缩，切忌第一个步骤就利用离心法分离精虫和精液。因为如果第一步就用离心法将精虫和精液分开，将会使好的精虫和不好的精虫（包括不成熟精虫）挤在一起，好的精虫容易受到不好精虫的影响，造成精虫质量下降。这是因为不好的精虫（包括不成熟精虫）会释放游离基。如果精液中含有白血球的话，也会精虫和白血球挤在一起，白血球释放的高量自由基，也会降低精虫的质量。故在做人工授精或试管婴儿时，第一步骤就是要赶快将好的精虫分离出来，免受未成熟精虫或白血球所释放的自由基影响。
一些内在因素，像睪丸精索静脉曲张、原发性的史托立（Sertoli）细胞功能不良；环境因素，像抽烟、异体生物贺尔蒙；与一些未明因素造成史托立Sertoli 细胞功能不良，泌尿生殖器感染及组织受损，均会影响精虫的质量。在人类最重要的金属离子是铁离子，这些铁离子普通都和蛋白质结合在一起，且在血浆、体液和组织中分别和不种类的蛋白质结合，这些蛋白质只有30%能和铁离子结合，所以我们体内几乎没有游离的铁。但当发炎、酸中毒或组织受损，铁离子便会被释放出来，这铁离子会加速催化一些物质的氧化反应，而释放出过量的自由基，对组织细胞造成伤害。根据一些研究指出，在男性不孕症患者血浆及精液中，铁离子含量增加。正常人精液内含有较高浓度的柠檬酸塩（Citrate），是用来对抗游离的铁离子所造成的伤害，并且精液内也含乳铁素（Lactoferrin）可和铁离子结合，使游离铁下降。由动物实验知铅中毒是因进入体内的铅引起大量氧化还原反应，产生过量的自由基之故。精液的功能之一是保护精虫免受活性氧化物的攻击，精子特别容易受到氧化自由基的攻击原因之一前面已经提及即它的细胞膜含不饱和脂肪酸的量很高，不饱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种非常流线型，高度功能化的细胞，其内的细胞质非常少，如此虽可保持敏捷的游动力，但细胞质少，制造抗氧化自由基物质(抗氧化剂)的能力相对的减少。如此保护精虫的责任便落在外在环境─精液身上。精液内含有很多种抗氧化剂，包括乳铁素（Lactoferrin），超氧化物去转位酶（Superoxide Dismutase），过氧化氢酶（Catalase）、牛胆胺基酸（Taurine）、次牛胆胺基酸（Hypotarine）、白蛋白质、麸氨基硫（Glutathione）、维他命Ｅ及维他命Ｃ。这些抗氧化剂可分别对抗不同的氧化自由基。精液内的成份除精子是来自睪丸外主要来自精囊和摄护腺，如果精囊和摄护腺慢性发炎，会影响精液内抗氧化自由基的含量，使精液内的精子容易受到氧化自由基的攻击。精子从睪丸制造完成进入副睪丸，在副睪丸停留２至12天不等的时间，副睪丸内所产生的抗活性氧化物不多，并且因精子直接与副睪丸发炎所产生的活性氧化物直接接触，所以在副睪丸炎时精子所受的冲击最大。脊椎受伤或下半身麻痹的病人，因长期卧床常会伴有泌尿生殖生殖器的感染，因而容易造成这些病人的精子游动力下降。精虫质量不良患者屡次做试管婴儿胚胎质量不良或不怀孕者，有些研究显示可采用睪丸取精，利用睪丸精虫和卵子受精，可增加怀孕的机会。这可能是睪丸精虫售自由基攻击较少、质量较好之故。
泌尿生殖道自由基增加会使精虫活动力下降，这是因为精虫细胞富含不饱和脂肪酸容易受自由基攻击，尤其是过氧化氢（H2O2）的攻击而进行过氧化反应，使精虫细胞膜失去它的功能和特性，这是因为细胞上有一种酵素称腺核苷酸塩环化酶（Adenylate Cyclase），此酵素能催化ATP（三磷酸腺苷酸）变成环单磷酸腺苷酸（C-Amp）。此C-Amp扮演讯息传递者的角色，可启动酶瀑流（Enzyme cascade）过程，经过一连串的化学反应，最后将讯息传至精子轴丝9对双微小管的侧臂，引起侧臂伸缩，造成9对双微管移动，最后引起精子尾巴摆动。如果精虫细胞膜受损则细胞膜上的腺核苷酸环化酶失去作用或作用减低，因此就会造成精虫活动力下降。精虫活动力下降，使其不能由阴道游到输卵管和卵子结合受精，所以引起不孕。并且精虫细胞膜有好几层，在精虫活化，顶体反应及精卵融合，都须精虫细胞膜的参予。如果细胞膜受损，精虫便不能结合受精。细胞膜受损严重时，精卵不能受精，于是造成不孕。
氧化自由基也会攻击细胞核DNA，造成细胞核内DNA键的断裂。如果DNA键的断裂严重，即使精卵能结合受精，也不能发育成胚胎继续生长。最可怕的情形是精虫细胞膜没有受损，精虫活动力正常，只是精虫细胞核内染色体上的DNA链轻微的断裂受损，因为精虫细胞膜没有受损，所以不影响精虫的游动力，所以与卵子结合没有问题，但是精虫没有能力修补断裂受损的DNA链，所以这样就把不正常受损的DNA链（基因）带进新的生命。精卵结合时，精卵细胞核内的DNA会互相结合重组来修补精虫受损的DNA链，在形成受精卵之后接下去的几个分裂繁殖周期，也可修补精虫来的受损断裂的DNA链，如果受损的DNA片段太大，修补则不易完全，表现出来的现象是胚胎内碎片多（DNA碎解之故，此为不良胚胎之表征），不易着床，即使着床成功，也容易流产。如果受自由基攻击，精虫细胞核内染色体DNA受损很小，精卵结合时逃过卵子修补系统的检查，而继续存在下来，就会遗传给下一代，像软骨发育不全症（achondroplasia），小孩期发生癌症和一些出生就有的身体畸形，很多都是这一种原因造成。另一个由于氧化压力造成男性生殖方面的悲剧是男性的Y染色体逐渐变短，这是因为其上的的基因（DNA）逐渐流失的结果。人类的Y染色体上的基因，每百万年流失5个基因，在3亿年前左右，Y染色体开始出现时有150个基因，目前则只剩下50多个基因。人类的远祖先刚出现地球时，X染色体和Y染色体是一样大小（二者为同源染色体，同属第23对），但现在Y染色体的大小连X染色体的一半都不到。如此估计一千万年后，人类的Y染色体会完全消失，这也是男性精虫质量越来越差的原因之一。目前约有15%精虫稀少症患者和7%的无精症患者是由Y染色体显微缺失（Y chromosome deletion）所引起（参见Y染色体显微缺失症）。Y染色体显微缺失是因Y染色体上的DNA链上的键受自由基攻击断裂之后，因没有办法和同源的X染色体（因大小不对称）互相配对行基因结合重组互换和修补，于是Y染色体上受损的DNA转而和远处同样是在Y染色体上和自身相同序列的DNA结合重组互换修补（Y染色体上的DNA碱基排列的特征是一个基因片段有几个相同排列顺序的复制品存在Y染色体上，像在AZFc段上的DAZ基因）。像DAZ基因在Y染色体AZFc段上即有4个相同DNA碱基序列排列的复制品（参见Y染色体显微缺失症），如此会造成一段的Y染色体缺失，此缺失可大可小。位在Y染色体上基因的特征是在DNA链上隔一段距离有相同碱基序列的DNA片段出现。当DNA链受损断裂（最重要的原因是受自由基攻击）后，为修补这断裂受损的链，它会和同样在Y染色体但有相同碱基序列的DNA片段相互配对来进行修补，结果这一种相结合的DNA片段会从Y染色体上整个被移去，造成Y染色体缺失这一段的DNA，称为Y染色体缺失。这缺失有时很大段，用显带染色体核型分析（kayotype analysis of banding chromosome）即可发现。有时缺失的片段小，需要用分子生物学的遗传基因增幅法（PCR；Polymerase chain reaction）才能检测出来。大段的缺失（像AZFa+b+c缺失）会造成无精症；小段的缺失则造成精虫稀少症或无精症（AZFa及AZFb段缺失造成无精症；AZFc段缺失造成精虫稀少症或无精症）。
抽烟会造成精虫细胞核内DNA碎裂，已经是不争的定论，这是人类一些先天性遗传疾病与小孩癌症的罪魁祸首。抽烟除了会增加体内的自由基含量外，并且烟内含有异体生物贺尔蒙，会激活一种称Fas的死亡基因对生殖细胞造成伤害，这伤害可藉生殖细胞遗传给下一代，造成不幸与悲剧。抽烟的代价实在太大了！
结论：从上面的叙述，我们知道氧化压力（过量的自由基）会造成男性不孕与遗传疾病。氧化压力造成男性不孕，可由四个因素造成。第一个因素是氧化压力造成精虫细胞膜受损，使精虫游动力下降，与精卵受精能力减低。第二个因素是造成精虫细胞核上的DNA键断裂，使精虫的遗传物质（DNA）不易与卵子的遗传物质结合，万一结合也易发育成质量不好的胚胎（胚胎细胞碎裂严重）、胚胎不易着床或易致流产。第三个因素是易造成史托立（Sertoli）细胞功能不良，产生不成熟精虫增加，不成熟精虫的增加又会增加氧化压力，如此恶性循环。第四个因素是氧化压力使精虫细胞DNA断裂，此断裂的DNA经由精卵结合传给下一代，造成遗传疾病及小孩的一些癌症。先天性的史托立细胞功能不良、急慢性泌尿生殖器感染、睪丸精索静脉曲张、睪丸长期接触热、多环性芳香物质、有机溶剂、杀虫剂、辐射线照射、气体麻醉剂、过量游离金属离子（氧化型态的铁铜铅离子）、抽烟等都是已知会造成氧化压力的原因。降低施给予生殖细胞的氧化压力，像不抽烟、远离二手烟、远离有机溶剂、避免辐射、避免睪丸长期接触热、远离多环性芳香物质、远离杀虫剂、避免组织受伤发炎等，可提高精液的质量，早日受孕，也可避免生出畸型儿的惨剧发生。适度的服用抗氧化剂，像维他命E、维他命C等，也可以改善精液的质量。但要切记预防重于治疗的铁律。