温度对精子的影响(温热与超低温下的表现)

很久以前人们就已经了解到温度与精子生成之间有一定的关系。实际上由于生理解剖的关系,阴囊内容物的温度要比体温低2℃左右,比腹腔温度低4℃。这种生理关系表明,适当的温度是精子生成的必要条件。

温热对精子的影响

长期以来,由于温热与人类的生活密切相关,其对男性生殖系统特别是性腺组织的形态学、生化、组织化学、免疫学及其由此产生的对精子的影响一直是人们研究的重点。实验证明,给睾丸每天局部加温30min,15~20d内既对生精过程产生不利影响。短期加温时精子生成可逆,长期的温热效应将导致生精作用的不可逆反应。各种内源性的病理改变(如精索静脉曲张和隐睾等)和外源性因素(如长期坐在轮椅上的截瘫患者、电焊工人和穿紧身裤等)均可影响睾丸的温度调节,从而导致男性不育。

近年来,利用电镜、各种免疫染色等技术进一步揭示了温热对生精过程的作用机制:

温热引起的精子形态学改变

研究发现,温热对生精细胞的抑制作用是有选择性的,早期精母细胞、晚期精母细胞、粗线期精母细胞和在形成及发育的精子细胞对温热最敏感。温热辐射可使这些细胞发生脱落变性。在精母细胞中,变性最早的形态学特征是胞质溶解。精子细胞变性最早的形态学改变是核染色质溶解,核心形成空泡,染色质聚集不均,使精子细胞呈戒指样结构。精子受热辐射后亦可发生明显的超微结构的改变,如胞质小滴呈中空结构、胞质空泡增加和线粒体模糊不清等。精子颈部等处外层细胞膜可中断。也发现有精子顶体异常的现象。并通过实验证实,温热使附睾内精子出现胞质小滴、精子通过附睾的速率加快、成熟减缓、受精率降低(极低或不能受精)。

温热引起生殖系统代谢及生化的改变

温热可使睾丸发生各种代谢和生化改变,这包括能量的产生、某些物质的利用、睾丸氧耗及酶活性等均有程度不同的异常。其结果导致睾丸生精组织被破坏,精子合成能力下降,使精子在睾丸中大量死亡、睾丸萎缩、体积缩小。

引起生精微循环的改变

在温热的作用下,生精小管和睾丸网的界膜增厚、纤维化和皱缩。其选择性和通透性发生改变,使得有选择性的物质交换和离子的交换发生紊乱,以至于精子上皮的营养供给受到影响,造成生殖上皮脱落。同时,也使生精微循环发生不适宜于精子生长的变化,阻碍了精子的发生和发育。

免疫反应的改变

在温热实验后可在血中检测到抗睾丸抗原的抗体,并观察到一种类似变态反应性睾丸炎的病理反应。这进一步影响了睾丸的生精功能和产生雄激素的功能。

近年来,刘以训等对热激引起的睾丸支持细胞、血-睾屏障、精子发生的影响及相关分子的表达进行了深入、系统研究(见本书第二十章)。

精子的发生需要生理性阴囊低温条件。临床观察也证实,隐睾患者精子减少或无精子是由于睾丸长期处于高于阴囊温度的腹腔内。经常穿紧身裤的男性患不育的比例大于非穿紧身裤者。长期热水浴、蒸汽浴者亦可观察到同样的情况。全身性疾病造成急慢性高热者亦可出现少精子或无精子症。在长期高温作业和高温环境中生活也可发生精子生成障碍。Thonneau等挑选1992年6~10月期间在法国七所产科医院住院分娩的604例产妇,进行了专项问卷调查。问卷的内容包括受孕前丈夫的工作条件,尤其是热接触环境特殊职业、工作时身体的姿势(站立位、坐位及长期坐在车上等)以及每天实际操作所经历的时间长短等资料。结果显示,因职业的需要每天在运载工具内取坐姿长达3h以上男性,其妻子头3个月内未受孕的比例明显增高;其中坐姿每天超过3h组,其比数比(OR)为4.0,95%可信区间(CI)为1.4~11.4;长期接触热环境组,OR为1.7,95%可信区间(CI)为1.0~2.8。这一流行病学调查结果进一步证实男性职业性热接触是男性不育的危险因素之一。

超低温对精子的影响

最早文字记载的人工授精,是1770年在伦敦由John Hunter为尿道下裂患者首次进行的。200多年来,人工授精已成为治疗男性不育症的主要辅助受孕技术。为了解决人工授精的精子来源问题,世界各国相继建成了自己的精子库。人们对超低温对精子的影响进行了研究,使超低温精子冻存技术日益成熟。有关超低温冷冻技术请见本书辅助生殖技术篇,下面仅就超低温对精子的影响加以阐述。

超低温引起的精子超微结构的变化

精子超微结构的改变发生在骤然间冷冻和复温过程,尤其是在未添加冷冻保护的情况下。在此过程中,新鲜精液经受室温与-196.5℃之间的变化,精子超微结构发生物理损伤和化学损伤。其结果使精子外膜变薄,呈波浪状改变或破坏;胞质、顶体内和线粒体内透光物质增加,线粒体外形变圆,轴丝增粗;脂质过氧化,膜蛋白功能丧失,精子DNA损伤等。这些变化提示细胞肿胀是精子形态改变的主要特征。其原因是细胞内冰晶直接机械性损伤,细胞外冰晶形成引起渗透压的改变或挤压作用。细胞膜功能紊乱致使钠泵(Na+/K+-ATP酶)障碍,从而影响细胞内外水电解质平衡,造成水分内移。在细胞外有冰晶形成并随着温度的降低而增大,细胞发生脱水皱缩。在复温过程中,冰块融化,由于渗透压梯度的作用细胞转为肿胀状态。

对精子细胞代谢的影响

细胞膜的变化及通透性的增加(尤其是在细胞膜破裂时),使精子内重要代谢酶如葡萄糖-6-磷酸脱氢酶、6-葡萄糖酸脱氢酶、谷草转氨酶、乳酸脱氢酶及三磷酸腺苷等外渗至精浆内。细胞内糖的有氧和无氧代谢均受到影响,甚至代谢停止。所以,一部分精子在冷冻复温过程中会丧失活力。实验证实,精子超微结构的损伤程度以及酶的漏失与精子活力的降低存在一致性。用于人工授精后,受精力与细胞的损害程度呈显著负相关。因而,细胞膜在冷冻复温过程中受损伤是精子活力和受精能力低于新鲜精子的原因之一。根据Mahadevan的研究,复温后细胞膜超微结构完全正常的精子只占8.8%。虽然用于人工授精后受精能力明显下降,但仍然有50%左右妇女受孕,提示细胞膜的改变并不完全影响受精能力。可能肿胀、甚至破裂的细胞膜仍能附着在卵子透明带上。

对顶体反应的影响

研究发现,冷冻复温精子头部在进入卵子透明带时,顶体前部溶解呈囊泡样改变,但顶体内膜和中纬段仍然保持完整。顶体内的顶体素在受精中能够溶解透明带,有利于精子穿透。顶体素活性可能与顶体内膜及中纬段有关。冷冻复温后肿胀的顶体并不影响顶体素的活性(即使顶体外膜破损),顶体内膜和中纬段并未丢失。因而,冷冻复温可能不影响精子穿透性。除非内膜和中纬段进一步破坏,精子则丧失穿透能力。

对精子活力的影响

冷冻复温后精子活力和运动速率将下降,或丧失活力,从而使授精潜力下降。其主要原因为线粒体肿胀、细胞呼吸受抑制和能量代谢障碍。轴丝的变化也可影响精子尾部的摆动及直线运动。此外,冻存还可导致精子过早获能,人热休克蛋白90(HSP-90)表达水平降低,最终导致精子寿命缩短、活率及活力降低等。

不同保护液对精子的影响

在精子的冷冻过程中,保护液对精子起重要的保护作用。现行的保护液为甘油,可分为单纯甘油和甘油复合液(多数为甘油卵黄单糖枸橼酸钠抗生素复合液)。在冷冻液中添加甘油,可增强精子线粒体的功能,但精液中甘油浓度高于10%时可造成精子制动、活力减退;低于5%时保护效果差。卵黄属于大分子膜外保护剂,有抗精子“温度休克”的作用,与甘油配伍可发挥膜内外协同保护作用,提高复温后精子的存活率和致孕率。单糖在保护液中起调整细胞膜内外渗透压的作用。枸橼酸钠溶液是缓冲盐试剂,起着调整渗透压和pH值的作用。有人发现他还有保护线粒体的功能,能对抗“温度休克”。保护液的浓度对防止精子损伤也有一定的影响。

Wolly等曾提出用高浓度解冻液防止在复温过程中形成“渗透性肿胀”,还未得到一致的肯定。在保护液中加入咖啡因可提高细胞内cAMP、稳定细胞膜的通透性,但由于其对精子的毒性作用,仍未被广泛采用。于德新等采用改良保护液(二硫苏糖醇等)可使冷冻复温的人类精子得到更好的保护。这种保护液可防止细胞膜上的磷脂在冷冻复温过程中发生脂质过氧化,保护细胞膜的完整和通透性的稳定。通过与普通甘油卵黄保护液的复温组对比发现,改良组的精子超微结构损伤程度明显减轻;同时,测定精子内ATP含量高于甘油卵黄组,细胞外GOT活性明显低于卵黄组。研究还发现,冻存液中加入精浆蛋白,能抑制精子过早获能、脂质过氧化和冷休克诱导的精子质膜的改变,提高精子活力及膜的完整性。

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