Starea actuală și progresul cercetării metabolomice plasmatice seminale masculine

Abstract: Calitatea spermei masculine declineste un public importantproblemă de sănătate la nivel mondial. Cu toate acestea,diagnostic precisa bolilor asociate este încă o provocare, iar patogeneza rămâne neclară.Plasma seminaleste o mostră ideală pentrucercetarea reproducerii masculine, șimetabolomica plasmei seminaleare aplicații promițătoare în investigarea potențialilor biomarkeri și a mecanismelor moleculare alereproducerea masculină. În acest articol, trecem în revistă tipicemetabolomica seminalstudii din 2011 până în 2022 și introduceți tehnicacaracteristicişistarea cererii orezonanță magnetică nucleară,cromatografie gazoasă-spectrometrie de masă, cromatografie lichidă-spectrometrie de masă și spectroscopie Raman. În plus, rezumăm modificările în metabolismul plasmatic seminal atribuitetulburări de reproducere masculinăși expunerile la mediu din mai multe perspective, inclusiv metode metabolomice plasmatice seminale, markeri metabolici plasmatici seminali și căile metabolice implicate ale acestora, care includ în principal metabolismul energetic, metabolismul lipidelor, metabolismul aminoacizilor și metabolismul steroizilor. În cele din urmă, analizăm dificultățile de cercetare ale metabolomicei spermei în domeniul reproducerii masculine și propunem tendințe de dezvoltare viitoare.

Cuvinte cheie:metabolomica;plasma seminal; reproducerea masculină; calitatea spermei

TULBURĂRI DE REPRODUCERE MASCULINĂ CISTANCĂ DE PIRBĂ 

Serviciul de sprijin al Wecistanche

E-mail:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel:+86 15292862950

Infertilitatea afectează aproximativ 187 de milioane de cupluri de vârstă fertilă în întreaga lume, cu o prevalență de 15%, dintre care factorii masculini reprezintă aproximativ 50% [1]. Cauzele infertilității masculine includ factori genetici, stilul de viață și expunerea la mediu, manifestate în principal ca scăderea calității spermei [2]. În prezent, diagnosticul de infertilitate masculină se bazează în principal pe analiza calității spermei, dar infertilitatea idiopatică (reprezentând aproximativ 30% până la 40% dintre pacienți) nu poate fi identificată cu acuratețe prin analize de rutină a materialului seminal, examen fizic și teste de laborator [3] și diagnosticul sau intervenția precoce se confruntă cu provocări uriașe [4].

Plasma seminală este o componentă importantă a materialului seminal. Este compus din lichidul prostatic, lichidul veziculelor seminale, lichidul epididimal și lichidul de secreție al glandei bulbouretrale. Este mediul extern pentru depozitarea spermei, afectează motilitatea și capacitatea spermatozoizilor și afectează procesul normal de fertilizare prin interacțiunea cu sistemul reproducător feminin [5-6]. Prin urmare, este considerată o probă biologică ideală pentru cercetarea reproductivă masculină [7]. Odată cu dezvoltarea tehnologiei de înaltă performanță, tehnologia omică pe mai multe niveluri (genom, epigenom, transcriptom, proteom și metabolom etc.) a biologiei sistemelor a devenit un instrument puternic pentru explorarea markerilor de infertilitate și a patogenezei [8]. Dintre diferitele tehnologii omice, metabolomica este cel mai strâns asociată cu fenotipurile biologice. Studiază în principal metaboliții endogeni mai mici de 1000 Da [9]. Analizând diferențele metabolice după stimularea sau perturbarea organismului, țesutului sau celulei [10], evidențiază modificările mecanismului metabolic al sistemului biologic [11]. Plasma seminală este bogată în metaboliți activi cu molecule mici, care furnizează nutrienți pentru procesul de fertilizare. Modificările moleculare în plasma seminal pot reflecta sau afecta starea spermatozoizilor și întregul sistem reproducător și, în cele din urmă, pot afecta fertilitatea masculină [12]. Probele de plasmă seminală nu necesită pretratare obositoare, ceea ce scurtează timpul de detectare a probelor clinice și reduce părtinirea operațiunii personalului, făcându-le foarte potrivite pentru transformarea clinică. Metabolomica plasmatică seminală poate analiza în mod cuprinzător metaboliții cu molecule mici ale plasmei seminale, cum ar fi nutrienții (aminoacizi, carbohidrați și lipide etc.), hormoni, nucleotide etc. și să analizeze cuprinzător asocierea lor cu indicatorii sănătății reproductive masculine.

Tabelul 1 rezumă rezultatele tipice ale cercetării metabolomice plasmatice seminale în domeniul sănătății reproducerii masculine în ultimul deceniu, cum ar fi evaluarea calității sau fertilitatea spermei, diagnosticul și cercetarea mecanismelor bolilor de infertilitate masculină și evaluarea efectelor reproducerii asistate.

Tehnologia metabolomică a plasmei seminale

Tehnicile de separare utilizate în mod obișnuit în cercetarea metabolomică a plasmei seminale includ cromatografia lichidă de înaltă performanță (HPLC), cromatografia în gaze (GC) și electroforeza capilară (CE), iar tehnicile de detectare includ spectrometria de masă (MS), rezonanța magnetică nucleară (RMN) și Raman. spectroscopie.

Cromatografia-spectrometria de masă are cea mai mare sensibilitate și specificitate de detecție, în timp ce RMN are caracteristicile unei bune reproductibilități și unei analize cantitative precise, astfel încât a devenit cea mai frecvent utilizată tehnologie de cercetare a metabolomică a plasmei seminale (Tabelul 1)[7, 12-33 ].

Cromatografia gazoasă-spectrometria de masă (GC-MS) prezintă avantaje mari în analiza metaboliților cu molecule mici, cum ar fi aminoacizii, glucoza și acizii nucleici, în timp ce cromatografia lichidă-spectrometria de masă (LC-MS) are o sensibilitate ridicată la biomacromolecule (cum ar fi colina) și lipide (cum ar fi fosfolipide) și nu necesită pregătirea complexă a probei. Cu toate acestea, spectrometria de masă poate detecta doar substanțe ionizate și nu poate analiza metaboliții care sunt greu de ionizat. În comparație cu spectrometria de masă, RMN poate cuantifica cu precizie anumiți metaboliți ai alcoolului sau zahărului care nu sunt ușor de ionizat. Cu toate acestea, sensibilitatea detectării instrumentului RMN este scăzută și nu poate fi efectuată o analiză țintită a metaboliților, ceea ce limitează aplicarea RMN (Tabelul 2). Prin urmare, este necesar să se integreze rezultatele de detecție ale cromatografiei-spectrometrie de masă și alte mijloace tehnice pentru a obține în mod cuprinzător informațiile despre profilul metabolit al plasmei seminale. Conform metodei de cercetare, metabolomica este împărțită în metabolomica țintită și ne-țintită. Metodele metabolomice direcționate urmăresc identificarea și cuantificarea metaboliților cunoscuți, în timp ce metodele metabolomice nețintite se concentrează pe detectarea cât mai multor metaboliți posibil, ținând cont de modificările abundentei metaboliților cunoscuți și necunoscuți. Deoarece există relativ puține informații despre metabolomul plasmatic seminal, analiza diferențială a metaboliților folosind metode metabolomice nețintite este de obicei utilizată pentru a dezvălui posibile mecanisme patogene și potențiale ținte.

1.1 Spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară

RMN este cea mai veche tehnologie folosită în cercetarea metabolomică. Poate efectua detectarea imparțială și nedistructivă a probelor și are avantajele unei pregătiri simple, reproductibilitate bună și cuantificare precisă. În comparație cu MS, RMN poate efectua analize cantitative ale metaboliților care nu sunt ușor ionizați (cum ar fi alcoolii sau zaharurile). Cu toate acestea, RMN are un interval de detecție îngust, rezoluție scăzută și părtinire în analiza calitativă sau cantitativă a compușilor. Mai important, RMN are o sensibilitate scăzută și nu poate satisface nevoile de analiză a urmelor probelor biologice sau analiza țintită a metaboliților. În plus, datorită limitării timpului de integrare, doar 30 până la 60 de metaboliți pot fi detectați într-o singură analiză, iar debitul este scăzut. După cum se arată în Tabelul 1, cercetarea metabolomică a plasmei seminale bazată pe RMN se concentrează în principal pe detectarea metaboliților, cum ar fi diverși aminoacizi și derivații acestora, acizi grași și zaharuri, care sunt utilizați pentru a distinge cazurile infertile de martorii sănătoși [12, 18, 34] ]. Printre acestea, diferența de conținut de aminoacizi din plasma seminal este în centrul cercetării, în special arginină, lizină, tirozină etc. [13-15, 18, 30, 34]. Cu toate acestea, majoritatea acestor studii folosesc metode de cuantificare relativă a metaboliților, cărora le lipsește cuantificarea absolută și nu pot fi comparate cu datele publice. Ele nu pot utiliza pe deplin avantajele RMN și au anumite limitări [35].

1.2 Tehnologia cromatografiei-spectrometrie de masă

GC-MS este un mijloc important de cercetare metabolomică, detectând în principal acizi organici și metaboliți volatili. Pentru metaboliții nevolatili, aceștia pot fi transformați în compuși adecvați pentru detectarea GC prin derivatizare. Qiao și colab. [25] au analizat 44 de markeri de infertilitate idiopatică prin metode nețintite, în special conținutul de acid 4-aminofenilacetic, care a fost corelat pozitiv cu concentrația spermatozoizilor. Cu toate acestea, intervalul de detecție al GC este îngust și poate detecta numai metaboliți specifici, cum ar fi aminoacizii sau acizii grași în plasma seminal.

În același timp, procesul de derivatizare poate reduce rata de recuperare a metaboliților și poate crește timpul de analiză a probelor. În plus, diferențele dintre metodele de derivatizare aduc și provocări în ceea ce privește crearea unei baze de date standardizate.

LC-MS este principalul mijloc tehnic pentru cercetarea metabolomică a plasmei seminale. Metodele de separare adecvate (fază normală, fază inversă) și modurile de scanare (ion pozitiv, ion negativ etc.) pot fi selectate pe baza categoriei de metaboliți țintă (polar, nepolar etc.). Există multe metode de extragere a metaboliților.

Polaritatea metabolitului țintă determină metoda de extracție, inclusiv extracția metaboliților generali și a moleculelor de lipide hidrofobe. În funcție de proprietățile metaboliților studiați, pot fi selectate diferite tipuri de coloane cromatografice pentru a realiza o separare eficientă, dintre care cromatografia lichidă în fază inversă este cea mai comună. Conform diferitelor proiecte experimentale, este în general împărțit în tehnologie metabolomică nețintită bazată pe spectrometrie de masă de înaltă rezoluție și tehnologie metabolomică țintită bazată pe spectrometrie de masă cu triplu cvadrupol. LC-MS a devenit un punct fierbinte absolut în cercetarea metabolomică și a fost folosit pentru a determina o varietate de metaboliți în plasma seminal, inclusiv diferite carnitine libere, acilcarnitine, polizaharide, aminoacizi, amine și lipide biogene [27, 32]. În viitor, este de așteptat să fie utilizat mai pe scară largă în domeniul metabolomicii plasmatice seminale [36].

1.3 Spectroscopie Raman

Spectroscopia Raman este un bun supliment pentru RMN. Această tehnologie este insensibilă la răspunsul substanțelor polare și este utilizată în general pentru identificarea metaboliților nepolari. Tehnologia metabolomică a plasmei seminale bazată pe spectroscopie Raman a descoperit că există diferențe semnificative în amprentele metabolice ale plasmei seminale între bărbații normali și bărbații cu astenospermie sau infertilitate idiopatică [20-21]. Grupurile funcționale specifice identificate indică diferențe în metaboliții legați de stresul oxidativ (OS) [21]. Cu toate acestea, din cauza lipsei de informații publice, este dificil să se identifice sau să se cuantifice cu precizie metaboliții. În comparație, există relativ puține studii privind metabolomica plasmei seminale bazate pe tehnologia spectroscopiei Raman, iar cercetarea se află în general în stadiul de explorare.