Volné kyslíkové radikály a jejich role v andrologickém faktoru plodnosti páru

Souhrn

Volné kyslíkové radikály hrají významnou roli v plodnosti i neplodnosti mužů. Jsou nezbytné pro fyziologické pochody, ale při nadměrné koncentraci mohou být příčinou různých patologií spermií. Hlavním zdrojem kyslíkových radikálů v ejakulátu jsou seminální leukocyty a patologicky abnormální spermie. Negativně ovlivňují kvalitu spermií, vč. zhoršení DNA fragmentace a motility spermií. Při řešení zvýšené koncentrace reaktivních forem kyslíku existuje řada vhodných režimových opatření a změn životního stylu, které zahrnují užívání antioxidantů, léčení urogenitálních infekcí, řešení varikokély, redukci hmotnosti a další. V mnoha případech je tak možné dosáhnout úpravy stavu a zlepšení kvality spermatu. Toto zlepšení může následně vést ke zlepšení výsledků asistované reprodukce či dokonce i ke zvýšení pravděpodobnosti přirozeného početí. V některých případech může být eliminována potřeba použití spermatu od dárce. Klíčovým faktorem je však dodržení dostatečně dlouhé léčby, což vyžaduje trpělivost jak ze strany lékaře, tak pacienta.

Klíčová slova:

sterilita – mužská neplodnost – volné kyslíkové radikály – patologie spermií – DNA fragmentace

Volné kyslíkové radikály a jejich role v andrologickém faktoru plodnosti páru

Volné kyslíkové radikály (ROS – reactive oxygen species) hrají v oblasti mužské plodnosti i neplodnosti významnou úlohu. V naší přehledové práci chceme poukázat na jejich původ, význam a přiblížit, jaká je jejich fyziologická role. Zároveň budeme pozorovat, co a jakou cestou způsobuje jejich nadměrnou produkci a koncentraci v ejakulátu. Rovněž poukazujeme na možnosti řešení situace a zlepšení kvality spermatu.

Co jsou volné radikály

Volné kyslíkové radikály jsou reaktivní formy kyslíku a jsou součástí mnoha fyziologických i patologických dějů v organizmu [1].

Jako volný radikál označujeme chemickou entitu, která má ve vnější sféře svého elektronového obalu alespoň jeden nespárovaný elektron. ROS jsou vysoce reaktivní, ale zároveň jsou schopny samostatné existence. ROS mohou reagovat s mastnými kyselinami, lipidy, aminokyselinami, proteiny, mono- a polynukleotidy, s řadou nízkomolekulárních metabolitů, s koenzymy atd. Tyto reakce narušují struktury daných sloučenin, čímž způsobují patologie.

Pro některé děje v organizmu jsou však reaktivní formy kyslíku nezbytné: přenos energie, faktory imunitní ochrany, signální molekuly buněčné regulace [2]. Skupina ROS zahrnuje skupinu kyslíkových radikálů jako superoxidový anion (O₂^–), hydroxylový radikál (OH) a radikál oxidu dusnatého (NO) [3].

Složky ejakulátu schopné produkovat ROS jsou: spermie s abnormální morfologií, zárodečné buňky a leukocyty. Hlavním zdrojem ROS v ejakulátu jsou právě seminální leukocyty a morfologicky abnormální spermie [4]. Lidské spermie mohou produkovat ROS dvěma způsoby:

a)
prostřednictvím nikotinamid adenin dinukleotid fosfátu (NADH) oxidázového systému na úrovni plazmatické membrány spermií;

b)
prostřednictvím NADH-dependentního oxidoreduktázového systému (diphorase) na mitochondriální úrovni [5].

 

Poškozené spermie jsou obvyklým zdrojem nadměrné produkce ROS. Předpokládá se, že zvýšená produkce ROS je důsledkem nadměrného množství cytoplazmatických reziduí, typicky přítomných v abnormálních spermiích. Jelikož spermie jsou bohaté na mitochondrie, které jim dodávají nezbytnou energii pro jejich motilitu, pochází hlavní zdroj ROS u neplodných mužů z mitochondrií. Mitochondriální dysfunkce mají spojitost se zvýšenou produkcí ROS, která následně působí další poškozování mitochondriální membrány, a tím podporuje další produkci ROS [6,7].

Leukospermie bývá často pokládána za hlavní příčinu mužské neplodnosti. V ejakulátu najdeme leukocyty, které jsou pozitivní na peroxidázu (polymorfonukleární leukocyty) v 50 %, dále makrofágy tvořící 30 % všech seminálních leukocytů, zatímco T-lymfocyty tvoří zbytek. Leukocyty se do ejakulátu dostávají cestou prostatických sekretů a sekretů semenných váčků. Jsou schopny produkce vysokého množství ROS jako odpovědi na infekci a zánět. Byla prokázána pozitivní korelace mezi leukospermií a koncentrací ROS [8]. ROS produkované leukocyty vykazují negativní korelaci s koncentrací, motilitou a morfologií spermií, jakož i pozitivní korelace s fragmentací DNA spermií [9,10].

Poškození spermií ROS produkovanými leukocyty se dokonce může vyskytovat i v případech, kdy je koncentrace pod hranicí 1 mil./ml, která je stanovena jako hraniční hodnota podle pravidel Světové zdravotnické organizace (WHO) [11].

 

ROS a fyziologie spermií

Při optimálních koncentracích mají ROS příznivý potenciační účinek na fertilizační schopnost spermií. Studie prokázaly, že inkubace spermií s H₂O₂ stimuluje kapacitaci spermií, hyperaktivaci, akrozomální reakci a fúzi s oocytem. I další ROS jako O₂^– a NO rovněž podporují kapacitaci spermií a akrozomální reakci [12,13].

 

ROS a apoptóza

Apoptóza nebo programovaná buněčná smrt je forma nezánětlivé odpovědi tkáně na její poškození charakterizovaná sérií biochemických změn vedoucích ke změnám buněčné morfologie a k buněčné smrti. Přísně regulovaná apoptóza je nezbytná pro normální vývoj spermií a také pro regulaci počtu produkovaných spermií. Na druhé straně je proces nazývaný „abortivní apoptóza“, ke kterému dochází během spermatogeneze, spojován s mužskou neplodností. Hladiny ROS jsou v pozitivní korelaci s vyšší mírou úmrtnosti spermií [14,15].

 

ROS a peroxidace lipidů

Peroxidace lipidů (LPO) je nejvíce zkoumaný proces účinku ROS v biologii. LPO je všeobecně definována jako oxidativně indukované poškození mastných kyselin, které obsahují více než dvě dvojné vazby uhlíku, jež jsou známy pod označením polynenasycené mastné kyseliny (PUFA). Důvodem je, že většina PUFA obsahuje dvojnou vazbu vedle methylenové skupiny oslabující vazbu methylen-uhlík-vodík. V důsledku toho jsou volné radikály schopny zachytit vodíkovou část z PUFA a zanechat na mastné kyselině nepárový elektron, který pak může oxidovat za vzniku peroxylového radikálu. Lipidové peroxidy jsou nestabilní a rozkládají se za vzniku složité řady sloučenin a na konci všeho stojí malondyaldehyd (MDA) [15,17]. Výsledné poškození struktury membrány ovlivňuje životně důležité funkce, jako je signální přenos a udržování gradientu iontů a metabolitů nezbytných pro optimální funkci spermií. Na rozdíl od jiných buněk neumí spermie překonat výsledné poškození, protože jim chybí potřebné cytoplazmatické enzymy, které jsou schopné reparačních procesů [18,19].

 

ROS a motilita spermií

Normální pohyblivost spermií je nedílnou součástí mužské plodnosti. Schopnost volných radikálů snížit pohyblivost spermií byla poprvé popsána Jonesem et al. v roce 1979, který popsal souvislost mezi ROS-indukovanou peroxidací lipidů a sníženou pohyblivostí bičíku spermií.

ROS brání kaskádě procesů, což vede ke snížení fosforylace axonemálních proteinů a imobilizace spermií. Další příčinou zhoršené pohyblivosti spermií je i přímý cytotoxický účinek ROS na mitochondrie spermií [19–21].

 

ROS a poškození DNA spermií

DNA spermatu je jedinečně strukturována tak, aby byl její jaderný chromatin vysoce stabilní, kompaktní a chráněný před poškozením. V důsledku oxidativního stresu (OS) může dojít k poškození DNA spermií. ROS mohou měnit integritu DNA modifikací nukleových bází a tyto změny destabilizují řetězec DNA a způsobují nalomení jedno- a dvouvláknových DNA. Význam fragmentace DNA spermatu (SDF) byl u mužské neplodnosti jednoznačně potvrzen. Bylo zjištěno, že vysoká SDF snižuje šance na přirozené těhotenství, zvyšuje pravděpodobnost potratů a snižuje výsledky technik asistované reprodukce, konkrétně intrauterinní inseminace (IUI) a konvenčního oplodnění in vitro [22–24]. Vysoká SDF může být i příčinou zhoršené kvality embrya po IVF, nesnižuje sice pravděpodobnost fertilizace a těhotenství při intracytoplazmatické injekce spermií (ICSI), ale zhoršuje kvalitu embrya a je spojena s vyšším rizikem potratu, a může tak následně vést ke snížené porodnosti [24–26].

Test DNA fragmentace je dlouhodobě opomíjený, dokonce částí odborné veřejnosti ignorovaný, ačkoli dle 6. vydání manuálu WHO z roku 2011 je vyšetření u některých klinických případů jednoznačně doporučováno [27]. Je doloženo, že u párů s nevysvětlitelnou sterilitou a infertilitou se vyskytuje vyšší DNA fragmentace spermií [28]. DNA fragmentace > 20 % predikuje mužskou sterilitu či infertilitu se 79% senzitivitou a 86% specificitou [29].

 

ROS a varikokéla

Varikokéla je stav, který je již delší dobu známý jako jedna z hlavních příčin mužské neplodnosti. Vyskytuje se v populaci asi u 15 % mužů jako celku, u 35 % mužů s primární a až u 80 % mužů se sekundární neplodností. Jako jeden z hlavních patofyziologických mechanizmů neplodnosti u varikokély je OS se zvýšenou produkcí ROS. Ukázalo se, že chirurgická léčba varikokély vede ke snížení seminálního OS a zvýšení hladiny antioxidantů v průběhu 3–6 m od ligace varikokély [30–32].

 

Co dělat při zvýšeném OS

Odborníci se shodují v tomto případě v následujících doporučeních:

 

Změny životního stylu

Je doporučováno zamezit či redukovat negativní vliv kouření, návykových látek a obezity, omezit horké lázně, saunování, dlouhé sezení bez přestávek za volantem či na sedadle kola nebo sezení v práci či u počítače [19,33–36]. Například pozitivní efekt redukce hmotnosti na fragmentaci DNA spermií lze očekávat do 3–12 měsíců [37]. Některé práce rovněž poukazují na to, že nejjednodušším způsobem na zlepšení DNA spermií je pravidelná sexuální aktivita. Vyšší frekvence ejakulací snižuje procento spermií s fragmentovanou DNA [38].

 

Korekce varikokély

Je opět prokázáno, že korekce varikokély zlepšuje podmínky pro spermatogenezi a po její úpravě lze do 3–6 měsíců, případně až do roka očekávat zlepšení fragmentace DNA spermií [39].

 

Léčba potenciálních zdrojů ROS

Je prokázaná spojitost mezi leukospermií a genitourinární infekcí. Je proto vhodné pacienta důsledně vyšetřit a nasadit léčbu dle kultivace a citlivosti patogenu na antibiotika. Léčba asymptomatických leukocytospermií je kontroverzní a vzbuzuje širokou diskuzi, nicméně z vlastní praxe s ní máme velice dobré zkušenosti. Je prokázáno, že léčba antibiotiky a protizánětlivými medikamenty (Cox-2 inhibitory) vede k úspěšné redukci leukospermie a zlepšení parametrů ejakulátu [40–42].

 

Užívání antioxidantů

Antioxidanty působí tak, že zastaví oxidační kaskádu likvidací a neutralizací ROS nebo snížením jejich tvorby. Rozlišujeme tzv. preventivní antioxidanty, které brání tvorbě ROS, a tzv. likvidační a neutralizační antioxidanty – např. vitamin C a E. Ideální složení vhodných antioxidantů není dosud známo. Jako nejvýznamnější a nejúčinnější jsou dnes vnímány koenzym Q10 (CoQ10), karnitin, arginin, selen, zinek, myoinositol [43–45].

 

Infekce mužských přídatných žláz – MAGI

Infekce mužských přídatných žláz (MAGI – male accessory gland infection) představuje infekci nebo zánět, který postihuje jeden nebo více mužských genitálních orgánů jako např. uretru, Cowperovy žlázky, prostatu, semenné váčky, nadvarle, chámovod nebo varle. Přítomnost MAGI je pravděpodobná za přítomnosti leukospermie, malého objemu ejakulátu, zvýšeného pH ejakulátu a při nízké hladině alfa-glukozidázy, fruktózy a zinku. Léčba se liší v závislosti na typu MAGI. Rozlišujeme mikrobiální formu, která se léčí antibiotiky, nejčastěji chinolony, tetracykliny, makrolidy, trimetoprimem a betalaktamovými antibiotiky, a dále zánětlivou formu, pro kterou je typická leukospermie a vysoká produkce ROS, v jejíž léčbě používáme nesteroidní (NSAID) a steroidní (SAID) antirevmatika a fibrinolytickou léčbu: aescin, bromelain atd. U léčby infekcí je v tomto případě důležité si uvědomit, že je potřeba vnímat a léčit pár jako celek. Pokud například u muže identifikujeme v ejakulátu či prostatickém sekretu některé mikroorganizmy (např. Gardnerella vaginalis), které jsou u ženy často považovány za potenciálně patogenní a běžně je neléčíme, je v tomto případě přesto vhodné pár léčit společně, a to i u asymptomatických žen [46–51].

U obstrukční formy neplodnosti používáme i chirurgickou léčbu [52]. Opět využíváme antioxidanty, a to jak u mikrobiální, tak i u zánětlivé formy. Nejčastěji se jedná o glutation, karnitin, N-acetylcystein (prekurzor glutationu), CoQ10, vitamin A, vitamin C, vitamin E, myoinositol, lykopen a zinek. Dále používáme mikronutrienty jako selen a měď, aminokyseliny jako arginin, taurin, ornitin, citrulin, další vitaminy jako B-komplex, niacin (vitamin PP), kyselina pantotenová a kyselina listová, dále omega-3-nenasycené mastné kyseliny jako DHA (kyselina dokosahexaenová) a EPA (kyselina eikosapentaenová). Dále se uplatňuje magnezium, flavonoidy, superoxid dismutáza, serenoa repens, curcuma, kopřiva, muira puama, ginkgo biloba atd. Vhodnou volbou jsou kombinované přípravky, které umožňují pacientovi užívat potřebné výše uvedené látky v jedné tabletě [19,43,53–56].

 

Závěr

Volné kyslíkové radikály jako produkt oxidativního stresu mají široké dopady i v andrologické péči. Obzvláště nejlépe prokázaný je dopad na plodnost mužů a na kvalitu spermatu. Je dobré si uvědomit, že značná část patospermií je léčitelná, včetně některých případů abnormální morfologie a zvýšeného procenta spermií s fragmentovanou DNA. Důležité je ale myslet na dostatečnou délku léčby a její dodržení, což vyžaduje trpělivost lékaře i pacienta. IVF je často rychlejší cestou početí dítěte, avšak ne vždy s vlastním genetickým materiálem. Pokud víme, že je možné některé stavy při dostatku času řešit, pak by měly mít přirozené početí nebo asistovaná reprodukce s vlastním genetickým materiálem přednost před dárcovským spermatem.