Мужское бесплодие имеет широкий спектр причин, включающий индивидуальную генетику и факторы, связанные с окружающей средой (1). Последние данные свидетельствуют о частой связи мужского бесплодия с другими заболеваниями, такими как рак, сердечно-сосудистые заболевания и аутоиммунные реакции (2). Это означает, что мужское бесплодие и/или ухудшение качества спермы потенциально могут служить ранними индикаторами основных дисфункций, выступая в качестве важных биомаркеров общего состояния здоровья человека (3).

Конкретная природа этих ассоциаций остается неясной, но, вероятно, они обусловлены общими факторами, такими как генетическая предрасположенность и/или образ жизни и влияние окружающей среды. Существует общее мнение, что окислительный стресс (OS), возникающий системно и/или локально вследствие взаимодействия с окружающей средой или наследственного дисбаланса в генерации/рециркуляции реактивных видов кислорода (ROS), присущего аэробному клеточному метаболизму, может служить общим базовым механизмом, способствующим возникновению этих патологических ассоциаций (3). На субклеточном уровне OS тесно коррелирует с фундаментальной клеточной дисфункцией, известной как стресс эндоплазматического ретикулума (ER-stress) (4), которая мало исследована в связи с мужским бесплодием.

ER - это обширная сеть внутриклеточных мембран, в которой транслированные зарождающиеся белки дозревают с помощью шаперонов. Именно в этой органелле формируются белковые структуры, которые приобретают свою трехмерную организацию благодаря сложным пост-трансляционным модификациям. На созревание белков в ER влияют различные патофизиологические условия, что приводит к ответу на ER-стресс, характеризующемуся накоплением неправильно сформованных или развернутых белков, также известному как ответ на развернутые белки (UPR). В зависимости от интенсивности ER-стресса этот ответ может способствовать либо выживанию, либо апоптозу. Чтобы способствовать выживанию, ER-ответ действует на нескольких уровнях, включая временное снижение трансляции для уменьшения притока зарождающихся белков в ER. Кроме того, он улучшает транспортировку белков в ER, например, увеличивая производство шаперонов и расширяя сеть органелл ER В конечном итоге, чтобы справиться с неправильно сформованными белками, реакция ER усиливает их деградацию через убиквитин-протеасомную систему и/или аутофагически-лизоcомальные процессы в рамках пути, известного как ER-ассоциированный путь деградации (ERAD) (5). Если эти реакции не восстанавливают гомеостаз ER, начинается апоптоз. Белок BIP/GPR78/ HSPA5, член семейства белков теплового шока (6), является посредником в установлении баланса между выживанием и апоптозом. Как показано на рисунке 1, BIP активирует ER-ответ, взаимодействуя с сенсорными белками мембраны ER, включая PERK, IRE1 и ATF6 (5).



Рис.1 Пути выживания и гибели, связанные с ER-стрессом. Путь UPR модулируется тремя сенсорами ER при любых обстоятельствах. В условиях выживания PERK фOSфорилирует eIF2a, что приводит к снижению трансляционной активности. PERK также способствует экспрессии ATF4, что в дальнейшем запускает экспрессию генов, вовлеченных в контроль качества ER - шаперонов, XBP-1, CHOP и антиоксидантов. Кроме того, активированный IRE1 приводит к специфическому сплайсингу мессенджерной РНК XBP1, генерируя вариант XBP1s, который регулирует транскрипцию ER-резидентных шаперонов, липогенез и ER-ассоциированный путь деградации (ERAD). Одновременно ATF6 транслоцируется в ядро, стимулируя экспрессию шаперонов ЭР (Grp78, Grp94 и др.), XBP1 и антиоксидантов. В условиях хронического стресса эти же сенсоры инициируют сигнал смерти. В частности, PERK индуцирует транскрипцию CHOP, что приводит к активации многочисленных генов, участвующих в апоптозе клеток. Активированный IRE1 также запускает апоптотический путь, привлекая TRAF2 и ASK1 к мембране ЭР, активируя путь IKB/NFkB, MAPK-сигнализацию и деградацию РНК в ER Кроме того, дисрегуляция кальциевого потока способствует апоптозу. ER; эндоплазматический ретикулум и UPR; реакция нерасщепленного белка.

Сперматогенез - это сложный путь дифференцировки, который происходит в яичках и регулируется клетками Сертоли и Лейдига. Эти два типа клеток жестко контролируют митотическую пролиферацию половых клеток, мейотическую редукцию и цитодифференцировку сперматозоидов посредством своих эндокринных функций (7). Рецепторные тирозинкиназы (RTK) играют решающую роль на многих этапах этого пути, а их активность негативно модулируется фосфо-тирозино-фосфатазами (PTPs) (8). Поддержание баланса между активнOSтью RTK и PTP имеет решающее значение для оптимального сперматогенеза и клеточного гомеостаза. Однако в условиях стресса, в частности OS при аэробном метаболизме, белки в ER подвергаются окислительным модификациям, таким как нарушение процессов дисульфидных связей, карбонилирование белков, сульфоксидирование белков и образование конечных продуктов гликирования (AGEs), что нарушает их созревание и функцию (9) (рис. 2А, Б). Как PTP, так и RTK подвержены этим событиям, поскольку PTP может быть окислен, что приводит к инактивации, а RTK может потерять способность связывать лиганды из-за дефектного сульфоксидации. Неудивительно, что состояния, связанные с окислительным стрессом, такие как варикоцеле, сопровождаются стрессом ER, когда происходит дефект сперматогенеза. Например, было установлено, что Tisp40, специфичный для яичек транскрипт, индуцируемый во время спермиогенеза, играет критическую роль в реакции выживания яичек при стрессе ER, участвуя тем самым в процессах упаковки хроматина сперматозоидов (10).



Fig.2 Phosphorylation signals, ROS, and the endoplasmic reticulum roles. A. Phosphorylation signals play a crucial role in initiating protein synthesis by ribosomes, whether they are free or associated with the rough ER. The RTK receptor, existing in inactive non-oligomerized and active oligomerized forms through binding to a growth factor, transmits a significant phosphorylation signal. Depending on the strength of this signal - weak, moderate, or severe - different pathways are activated. In the case of a weak signal (left pathway), the active form of PTP, responsible for preventing excessive responses to stimuli, dephosphorylates the RTK, allowing only weak signals to be transmitted to the nucleus. Under oxidative stress, particularly after NOX activation, PTP undergoes oxidation of a thiol group (Cys-SH to Cys-SOH) at its catalytic site, resulting in temporary inactivation of PTP. This inactivation enables the middle pathway for RTK signaling. In instances of high ROS production and accumulation, intramolecular disulfide bonding occurs within PTP, leading to its inactivation and subsequent transmission of intense RTK phosphorylation signals to the nucleus. B. In addition to the RTK/PTK pathway, ROS also influence the ER-mediated folding of nascent proteins. ROS contribute to the formation of disulfide bonds in maturing proteins within the ER via two main pathways. First, hydrogen peroxide generated by NOX4, ERO1, and PRDX4 facilitates the formation of disulfide bridges in PDI, which then exerts its bridging activity on thiol-containing proteins transiting through the ER. ROS originating from mitochondrial activity directly impact PDI activity, thereby affecting the disulfide bridging processes of nascent proteins transiting the ER. ROS; Reactive oxygen species, ER; Endoplasmic reticulum, NOX; NADPH oxidase, P; Phosphate group, RTK; Receptor tyrosine kinase, PTP; Phosphotyrosine phosphatase, NOX; NADPH-dependent oxidase, PDI; Protein disulfide isomerase, SH; Sulfhydryl, SOH; Sulfenic acid, Cys-SH; Cysteine sulfhydryl, and GSH; Glutathione.

Варикоцеле характеризуется как аномальное расширение pampiniform венозного сплетения семенного канатика в мошонке. Клинически это наиболее известная причина мужского бесплодия, которой страдают около 15 % населения в целом и от 19 до 41 % бесплодного населения. Варикоцеле приводит к прогрессирующей недостаточности яичек из-за нарушения функционирования клапанов семенных вен, что приводит к замедлению кровотока и/или рефлюксу (11). Такое нарушение кровоснабжения яичка ухудшает его функцию, лишая его системных факторов, включая гонадотропные и половые гормоны. Кроме того, варикоцеле вызывает гипоксию и гипертермию яичка, что приводит к повреждению органа и его спермопродуктивной функции (12). Дефицит питательных веществ, а также окислительно-восстановительный дисбаланс, вызванный гипоксией и гипертермией, постепенно приводят к развитию воспалительного процесса, который в конечном итоге приводит к апоптозу половых клеток, когда контрмеры клеток яичка оказываются неэффективными. В яичках, пораженных варикоцеле, часто отмечается повышенное содержание ROS, накопление неправильных/несложившихся белков и AGEs, а также признаки ER-стресса и активации UPR (13). Soni et al. (14) первыми продемонстрировали, что ROS-опосредованный ER-стресс запускается в яичке человека, пораженном варикоцеле. На животной модели варикоцеле Karna et al (15) также установили наличие окислительного стресса в яичках, стресса ER и апоптоза, опосредованного митохондриями. В частности, они наблюдали повышенную экспрессию в яичках маркеров ER-стресса, включая BIP, а также активированных фосфорилированных форм IRE1a (p-IRE1a) и JNK (p-JNK), наряду с повышением уровня апоптотических факторов, а именно расщепленной каспазы-3 и соотношения Bax/Bcl2. Недавно сообщили, что путь IRE1a, связанный с UPR, выступает в качестве основного медиатора гибели половых клеток в крысиной модели варикоцеле, запуская проапоптотический JNK-ответ (16). Интересно, что ранний маркер ответа на ER-стресс, BIP, не был обнаружен повышенным в яичках человека, пораженных варикоцеле. Однако это расхождение может быть связано с различной кинетикой, наблюдаемой при остром варикоцеле на животных моделях и при хроническом варикоцеле, обычно наблюдаемом у людей (17).

Модели животных с экспериментально вызванным варикоцеле можно считать острыми сценариями, в то время как у людей варикоцеле, как правило, является хроническим состоянием, которое может требовать различных подходов к лечению. Это различие может объяснить контрастные результаты при оценке ранних маркеров ER-стресса в яичках человека по сравнению с моделями грызунов. Тем не менее, как в животных моделях, так и у пациентов с варикоцеле наблюдаются признаки ER-стресса в яичках, в дополнение к ранней активации шаперона BIP, вызывающего ER-стресс.

В связи с предполагаемой ролью избыточного ROS были предприняты усилия по смягчению OS при варикоцеле и ослаблению ER-стресса. Были использованы различные подходы, включая прием травяных сборов, обладающих антиоксидантными свойствами, или одного антиоксиданта, такого как альфа-липоевая кислота (ALA), а также использование хелаторов железа, таких как Deferasirox, все они были оценены на животных моделях варикоцеле. Эти меры неизменно демонстрируют снижение генерации ROS и реакции ER-стресса, а также улучшение производства и качества спермы (18, 19). Недавно эти результаты были перенесены в клиническую практику на пациентов, перенесших варикоцел-эктомию, что позволило выявить значительное улучшение функциональных параметров сперматозоидов при приеме ALA (20).

Наряду с гипоксией, гипертермия признана еще одним значимым фактором, способствующим дисфункции яичек при варикоцеле (12). Учитывая возможность изучения этого параметра, были проведены обширные исследования по изучению влияния острого и/или хронического теплового стресса на дисфункцию яичек и индукцию стрессовых реакций ER/UPR. Кроме того, это направление исследований пролило свет на влияние повторяющегося воздействия горячих ванн или саун на репродуктивную способность мужчин. В частности, исследования показали, что однократное 15-минутное тепловое воздействие на яички мыши при температуре 42°C вызывает стресс ER/UPR как адаптивный сигнал, способствующий выживанию (21). И наоборот, было обнаружено, что повторный тепловой стресс вызывает ER-стресс-опосредованный апоптоз в яичках. В том же исследовании было отмечено, что BIP, ранний инициатор ER-стресса, демонстрирует высокую экспрессию в семенниках мыши по сравнению с другими тканями, что свидетельствует о специфической адаптации семенников к гибели клеток, вызванной тепловым стрессом, - ответ, ожидаемый в связи с температурной чувствительностью сперматогенеза у млекопитающих. Интересно отметить, что уровень BIP в яичках снижался после повторного теплового стресса, что приводило к апоптозу, опосредованному ER-стрессом, при активации каспазы-3 (21, 22). Кроме того, среди трех мембранных сенсоров ER, участвующих в интеграции ER/UPR ответа, только PERK и ATF6 были активированы, в то время как IRE1a был понижен в результате аутофагических процессов (22). В отдельном исследовании Li et al.. (22) предположили, что гипертермия яичек связана с повышением уровня тестостерона в сыворотке крови, что предполагает соотв. ответ на дисфункцию клеток Лейдига, который запускает центральную компенсацию через активацию оси гипоталамус/гипофиз/гонады (HPG). Дисфункция клеток Лейдига и снижение синтеза тестостерона при тепловом стрессе, сопровождающиеся индукцией ER-стресса, были подтверждены в других исследованиях (23). Было высказано предположение, что повышенное поступление тестостерона при регулировке оси HPG может защищать яички от окислительного повреждения, активируя Nrf2-зависимые антиоксидантные механизмы (24). Ожирение - еще одно заболевание, при котором OS и хроническое воспаление низкой степени связаны с ER-стрессом и мужским бесплодием, наряду с варикоцеле.

Липидные нарушения, включая гиперхолестеринемию, приводящую к метаболическому синдрому и ожирению, четко ассоциируются с мужским бесплодием, однако эта связь не получила того внимания и осведомленности со стороны общественности, которого она заслуживает (25). Особенно в развитых и развивающихся странах с несбалансированным питанием этот вопрос остается без внимания (26). В моделях дислипидемии, как у людей, так и у животных, в плазме крови наблюдаются повышенные уровни насыщенных свободных жирных кислот (FFA), таких как пальмитиновая кислота (ПК) (27). Эти FFA продемонстрировали зависимую от времени и дозы способность подавлять выживание клеток Лейдига и приводить их к апоптозу (28). Следовательно, нарушение работы клеток Лейдига, опосредованное FFA, было предложено в качестве фактора, способствующего снижению репродуктивной функции и гипогонадизму у людей с ожирением (29). Кроме того, было установлено, что FFA вызывают повышенную экспрессию BIP, активацию мембранного сенсора ER PERK и повышенную продукцию усилителя апоптотического сигнала, опосредованного ER, - гомологичного C/EBP (CHOP) белка (30). Соответственно, у мышей, которых кормили диетой с высоким содержанием жиров, наблюдается повышенная экспрессия BIP и CHOP, а также фосфорилирование IRE1 и PERK в яичках, что указывает на то, что потребление большого количества жиров может вызывать стресс ER в яичках, который потенциально может быть смягчен приемом антиоксидантов (31). Аналогичным образом, в исследовании, проведенном Mu et al. (32), было показано, что диета с высоким содержанием жиров не только повышает экспрессию BIP и CHOP, но и активирует другие сенсоры ER-стресса, включая ATF6 и XBP-1. Пагубные последствия этой активации можно уменьшить с помощью sulforaphane - антиоксиданта, противовоспалительного и противоракового соединения, содержащегося в крестоцветных овощах. Кроме того, в других исследованиях было показано, что ATF6, фактор адаптации к ER-стрессу, действует как положительный регулятор серин/треониновой протеинкиназы 4 (TSSK4), специфичной для яичек, которая участвует в созревании сперматозоидов и служит связующим звеном между реакцией ER-стресса и сперматогенезом (33). Помимо прямого воздействия FFAs на стресс ER, липидные нарушения тесно связаны с хроническим системным окислительным стрессом, который способствует возникновению провоспалительных состояний, усугубляющих реакцию ER/UPR в различных типах клеток (34). Таким образом, сочетание системного липидного дисбаланса и OS играет критическую роль в реакции яичек на ER-стресс и развитии субфертильности/бесплодия, связанных с дислипидемией.

Дисрегуляция адипокинов, таких как лептин, обычно наблюдаемая при дислипидемии, представляет собой еще один механизм, посредством которого липидные нарушения могут влиять на выработку тестостерона и, следовательно, на функцию яичек (35). Это нарушение приводит к гипогонадизму и олигоастенозооспермии. Кроме того, исследования показали, что адипокин Vaspin связывается с ER-стресс-сенсором BIP и активирует его в яичках взрослых крыс, где, как предполагается, он регулирует стероидогенез и, кстати, сперматогенез (36). Дальнейшие исследования выявили потенциальное участие других эндокринных факторов, таких как irisin, т.е. myokine, индуцируемый физическими упражнениями, в регуляции нарушений сперматогенеза, связанных с ожирением. Было установлено, что у мужчин с ожирением и мышей с ожирением уровень irisin коррелирует с инсулинорезистентностью, тяжестью неалкогольной жировой болезни печени (NAFLD ) и снижением качества спермы, связанным с OS (37). Недавно было сообщено, что добавка иризина мышам с ожирением может облегчить вызванный высоко-жировой диетой окислительный стресс, стресс ER и апоптоз в яичках через активацию сигнального пути AMPKα (38).

Известно, что диабет связан с повышенным системным окислительным стрессом, воспалением и стрессом ER, которые способствуют мужскому гипогонадизму и нарушению функции яичек (39). Shi et al. (40) также продемонстрировали, что диабет снижает аутофагию в яичках - клеточный процесс, участвующий в управлении накоплением неправильных/несложившихся белков при увеличении OS и стресса ER. Повышенная экспрессия субстрата рецептора инсулина-1 (IRS-1) в яичках наблюдается при диабете и считается компенсаторной реакцией на дисфункцию ткани (41). В частности, повышение уровня IRS-1 в диабетических яичках связано со снижением экспрессии CHOP и NF-κB, которые играют роль в стрессе ER/UPR и воспалительных реакциях (40). Более того, как и при дислипидемии, снижение системного OS за счет приема антиоксидантов в крысиной модели диабета привело к снижению экспрессии NF-κB и P38 MAPK PMK-3, а также к подавлению активации P-JNK, которые являются активными компонентами в сигнальном каскаде IRE-1-опосредованного ER-стресса (42). В соответствии с этими данными, гипергликемия вызывает апоптоз клеток Лейдига через митохондриальные пути (Bax/Bcl2/caspase-12) и BIP/CHOP-опосредованный ER-стресс, и эти эффекты могут быть ослаблены приемом антиоксидантов, таких как melatonin, resveratrol и fucoidan (43, 44).

Воспаление яичек, вызванное иммунными реакциями или другими причинами, оказывает значительное влияние на сперматогенез и мужскую фертильность (45). В недавнем обзоре мы подчеркнули решающую роль инфламмасомного пути NLRP3 (нуклеотид-связывающий домен олигомеризации, подобный рецептору семейства Pirin, содержащий домен 3), рецептора распознавания образов (PRR), в дисфункции яичек (46). Было замечено, что неконтролируемый UPR/ER стресс в яичках последовательно запускает активацию NLRP3 инфламмасомы, что приводит к высвобождению провоспалительных цитокинов, негативно влияющих на структуру и функцию сперматозоидов (46, 47). Кроме того, было показано, что бактериальный или вирусный односторонний/ двусторонний орхит активирует как NLRP3 инфламмасому, так и стрессовые реакции UPR/ER (48, 49). В качестве общего основополагающего фактора рассматривается OS, поскольку прием антиоксидантов доказал свою эффективность в защите яичка от UPR/ER-стресса и активации инфламмасомы (46).

Старение человека характеризуется снижением функции яичек и сперматозоидов, что может привести к снижению целостности ядер сперматозоидов и повлиять на репродуктивный успех, эмбриональное развитие, количество живорождений и качество жизни потомства (50). В животных моделях старения было замечено, что экспрессия BIP снижается, что потенциально приводит к отсоединению от мембранных сенсоров ER/UPR и последующей активации ER-стрессового ответа (51). Интересно, что в стареющих семенниках человека три сенсора ER (IRE-1, PERK и ATF6) также снижены, что ограничивает способность инициировать ER/ UPR стрессовый ответ. Такое снижение регуляции считается адаптивным процессом при старении, предотвращающим чрезмерную активацию стрессового ответа ER в условиях менее эффективного метаболизма ER (51, 52). Однако, несмотря на снижение способности ER реагировать, в стареющих семенниках значительно увеличивается количество эффекторов ER-стрессового ответа, таких как CHOP, P-JNK и каспаза-12 (53), что указывает на наличие активного ER-стрессового ответа. Это наблюдение несколько противоречиво и требует дальнейшего изучения. Хотя на активацию p-JNK и каспазы-12 в стареющих яичках могут влиять и другие сигнальные пути, активация CHOP вызывает особое недоумение и требует дополнительных исследований для полного понимания.

Функция яичек и репродуктивная функция все чаще признаются важными показателями индивидуальной физической формы и способности справляться с различными хроническими и острыми стрессами. Независимо от типа стресса - химического, физического или психологического - имеются данные о том, что функция яичек может быть нарушена, а стресс ER наблюдается как постоянная реакция в яичках (54). Исследователи изучали различные подходы к смягчению пагубного влияния химических компонентов на сперматогенез и индукцию стресса ER Например, Yin et al. (55) показали, что бисфенол А (BPA) нарушает функции клеток и семенников, подавляет пролиферацию клеток, увеличивает число апоптозов и накапливает ROS в яичках. Они обнаружили, что блокирование пути PERK/ eIF2a/CHOP и использование поглотителя ROS NAC (ацетилцистеина) может помочь восстановить выживаемость клеток. Ji et al. (56) показали, что мелатонин облегчает индуцированный кадмием клеточный стресс и апоптоз половых клеток у самцов мышей CD-1, эффективно подавляя ER-стресс и UPR в семенниках. Zou et al. (57), работая с клетками Лейдига из семенников крыс, продемонстрировали, что NAC предотвращает индуцированную никелем генерацию ROS и ингибирует апоптоз через митохондриальный и ER-стрессовый пути (GADD153/каспаза 12) в клетках Лейдига крыс. Кроме того, Soni et al. (58) исследовали действие DA-9401 (коммерческого антиоксиданта) на крысах Sprague Dawley и обнаружили, что он снижает ER-стресс и маркеры апоптоза, улучшая фертильность, вес половых органов, параметры спермы и уровень половых гормонов. Чтобы обобщить имеющуюся в литературе информацию, в Таблице 1 приведена подборка экологических токсинов/загрязнителей, специфических лекарств и ограниченного числа бактериальных токсинов, которые были протестированы на способность вызывать ER/UPR-стрессовые реакции либо в культивируемых клетках яичек, либо в животных моделях. В Таблице 1, где это возможно, также указаны потенциальные корректирующие эффекты, полученные с помощью различных стратегий. В целом, очевидно, что ER-стресс является общей реакцией яичек на эти различные воздействия, а лечение антиоксидантами часто оказывается эффективным для снижения степени ER-стрессового ответа яичек.

Следует отметить, что ER-стресс является преобладающей характеристикой в различных случаях дисфункции яичек, связанных с мужскими субфертильностью/бесплодием. OS выступает в качестве ключевого фактора в этой ассоциации, подразумевая, что терапевтические вмешательства, направленные на антиоксиданты, могут иметь перспективы для улучшения репродуктивной функции.

Table 1 Compilation of environmental toxins, drugs, and bacterial toxins inducing ER/UPR-stress responses in testicular cells and animal models