男性生殖：从病理生理学到临床评估

男性不育可能取决于睾丸前（例如，下丘脑或垂体疾病）、睾丸和睾丸后（例如，精管梗阻性病变）的原因。然而，很大一部分（30-60%）不育男性没有得到明确的诊断。在这些通常被报告为特发性不孕症的病例中，强烈怀疑尚未发现的遗传因素。此外，男性生育能力可能受到许多生活方式风险因素的影响，如环境、营养、感染和吸烟。因此，生活方式和环境风险因素可能在特发性男性不育症的许多病例中起作用。

夫妻不孕症被定义为在妊娠期进行至少12个月的定期无保护后未受孕[1]，是一种常见的临床疾病。

这是一种多因素疾病，影响西方国家六分之一的夫妇，约50%的病例涉及男性因素不育[2]。

男性不育可能取决于睾丸前（例如，下丘脑或垂体疾病）、睾丸和睾丸后（例如，精管梗阻性病变）的原因。

这些情况的病理生理学和临床评估，包括治疗策略，将在本书的下一章中讨论。

然而，很大一部分（30-60%）不育男性没有得到明确的诊断。在这些通常被报道为特发性不孕症的病例中，人们强烈怀疑遗传因素尚未发现，该领域的研究可能会在未来几年内降低不明原因的不孕症的比例[3]。

此外，男性生育能力可能受到许多生活方式风险因素的影响，如环境、营养、感染和吸烟。因此，生活方式和环境风险因素可能在特发性男性不育症的许多病例中起作用。

在本章中，我们将重点关注这些风险因素，讨论环境/生活方式与男性生育能力之间干扰的三种典型情况，从而提供其对男性生育能力产生不利影响的病理生理学基础：暴露于环境内分泌干扰物，例如全氟烷基物质（PFAS）;接触病毒，如HPV;营养状况和肥胖的影响。

1 PFAS感染与男性生育能力

PFAS是一类以氟化烃链为特征的有机分子，广泛用于工业和消费品，包括防油和防水剂，炊具涂料，地毯和纺织品。PFAS由于其两亲性结构和强碳-氟键而具有独特的物理化学性质。因此，长链PFAS是不可生物降解的，并且在环境中具有生物累积性[4]。PFAS已在人类和全球环境中发现，其毒性，环境命运和人类暴露源一直是研究的主要课题。PFAS因其在身体组织中的生物积累和对人类的潜在有害影响而引起人们的关注[4]。事实上，吸入空气颗粒和/或摄入受污染的食品和饮用水已被声称是接触PFAS的主要途径。因此，即使在公认的血液/组织屏障存在的情况下，在大脑、胎盘、精液和睾丸等多种人体组织中也发现了PFAS[5，6]。一些国家广泛报道了PFAS暴露，在地理分布、种族、分子量（长链或短链PFAS）和氟化程度方面存在很大差异[7，8，9]。在这个问题上，全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）是毒理学术语中最常见和研究最多的PFAS。

流行病学研究不仅侧重于其对胎儿发育的影响，而且还侧重于PFAS与人类生育能力之间的关系，尽管研究主要集中在女性生育能力上。然而，关于PFAS毒性的体外和动物研究都显示，PFOA和PFOS通过改变类固醇生成机制和随后的精子发生缺陷对睾丸功能产生负面影响[10，11]。

暴露于高水平的全氟辛烷磺酸以及全氟辛烷磺酸和全氟辛烷磺酸合计与成年男性形态正常精子浓度降低有关[12，13]。此外，Raymer等人在一项针对体外受精诊所男性的研究中报道，促黄体生成素（LH）和游离睾酮与血浆PFOA呈显著正相关[14]。虽然尚未提供确凿的数据，但初步数据似乎表明暴露男性的精子DNA片段增加[15，16]。

在全氟辛烷磺酸的内分泌作用中，应该强调的是，它会影响下丘脑-垂体轴活动[17，18]。已在大鼠中证实PFOS的睾丸毒性[18]。大鼠口服高剂量PFOS28日可改变下丘脑-垂体-睾丸轴（GnRH、LH、FSH和睾酮）几种激素的相对基因和蛋白质受体表达[19]。

在人类中，子宫内PFOA暴露在成年后期与较低的精子浓度和精子总数以及较高的黄体生成素和卵泡刺激素有关[20]。在不育男性患者中，全氟辛烷磺酸水平高于有生育能力的受试者。此外，在这些患者中，据报道雌激素受体（ER）α，Erβ和雄激素受体（AR）的基因表达更高[21，22]，因此表明PFAS活性也可能与性激素核受体的遗传表达有关。

关于雄激素受体（AR），全氟辛烷磺酸和全氟辛烷磺酸导致其在下丘脑、垂体和睾丸中的蛋白质表达减少。这种抑制可能反映了全氟辛烷磺酸对AR合成转录后过程的作用。AR依赖性基因表达对于成人子宫内男性性分化和男性生殖功能和发育（包括精子发生）至关重要[23]。

三种化合物（PFHxS、PFOS 和 PFOA）在体外充当 ER 激动剂，五种 PFAS（PFHxS、PFOS、PFOA、PFNA 和 PFDA）充当 AR 拮抗剂。正如在PFCs混合物中观察到的那样，它们的共同作用对AR功能产生协同作用[24]。这些发现清楚地表明PFAS具有抗雄激素的潜力。

在最近的一项研究中，我们通过评估来自威尼托大区的一组212名年轻男性的发育改变和生殖障碍，调查了PFOA和PFOS暴露与内分泌紊乱之间的可能关联，威尼托大区是意大利东北部的一个广阔地区，其特点是环境暴露于这些化学物质的高水平[11].与居住在暴露区域之外的171名年龄匹配的对照组相比，来自受污染区域的受试者表现出循环睾酮（T）和LH水平增加，表明PFOA对T与其天然AR结合的拮抗作用。

有趣的是，大多数暴露的男性人群表现出睾丸体积，长度和肛门生殖器距离的减少，但没有人体测量测量。这些发现可以通过考虑肛门生殖器距离和人体测量分别在胎儿发育和青春期前发育期间由差异决定来解释[25]。在“男性化编程窗口”（睾丸发育的关键窗口）期间，产前暴露于雄激素与哺乳动物的肛门生殖器距离呈正相关[26]。在这些基础上，肛门生殖器距离被认为是产前暴露于已知具有抗雄激素作用的化学物质或一般内分泌干扰物的推定标志。由于第一份关于PFAS水污染的报告可以追溯到1977年[27]，这个问题的规模令人震惊，因为它从1978年开始影响了整整几代人。

此外，已经证明全氟辛烷磺酸具有穿过血脑屏障[28]和胎盘[29]的能力，尽管确切的机制尚未明确。同样，全氟辛烷磺酸可能会破坏Sertoli细胞紧密连接通透性屏障，最终可能导致与不孕症相关的血液睾丸屏障功能障碍[30]。

在暴露受试者的精液中，全氟辛烷磺酸比全氟辛烷磺酸更具代表性，尽管血清浓度的模式基本上相反。具体而言，暴露受试者精液样本中的平均PFOA水平为0.67ng/mL，范围为0至近6ng/mL[11]。此外，PFOA水平与pH相关，因此表明PFOA在前列腺水平上存在假定的干扰[11]。精浆中存在PFAS提示前列腺可能受累，这可能解释了PFOS暴露与前列腺癌之间的微弱关联[31]。

此外，PFOA的精液水平与精子参数改变的存在显着相关，即运动性。这一证据表明PFOA对配子功能的直接影响。最近，我们已经证明，与暴露时间和浓度无关，精子细胞与PFOA孵育与精子活力的负面影响有关[32]。如图 12.1 所示，即使在 0.1 ng/mL 的最低浓度下，PFOA 暴露也会显著损害渐进运动。

图 12.1

精子细胞与PFOA的孵育会降低精子活力和渐进性运动，并增加非运动细胞的百分比

PFOA对精子活力的直接影响与线粒体呼吸活动减少相关的代谢性能受损有关。

此外，已经证明PFOA积聚在精子膜中，从而破坏膜的流动性。膜流动性被认为是精子活力和受精潜力的主要决定因素，与质膜外层磷脂的堆积顺序降低有关。质膜是关键细胞器，在精子生理学中起着关键作用，从射精到受精，其成分的精细调节对受精过程的整体疗效具有关键作用[33]。在精子细胞通过女性生殖道的过程中，由于甾醇受体（如HDL白蛋白）的胆固醇剥夺，膜流动性增加，这与进行性运动和梭形特性的获得有关[34，35]。由于其高疏水性，PFOA可能随机积聚在精子膜中，从而改变局部pH值和对离子物质的渗透性，进而改变膜电位，最近在体细胞模型中也观察到[36]。因此，这种模型，即膜组成的局部扰动，也可能诱导自由基的产生，正如最近对其他化学物质（如氧化石墨烯）所证明的那样[37]，可能解释了PFAS暴露与精子-DNA损伤之间的关联。

最后，可以假设精子细胞可能不仅在暴露男性的精浆中暴露于PFAS，而且在暴露女性的生殖器分泌中也可能暴露于PFAS。事实上，已经证明，与对照组相比，居住在高暴露地区的女性宫颈黏液中的PFOA水平高于对照组[29]。

综上所述，这些数据强调了PFAS等污染物在男性不育症中的多方面作用。PFAS暴露在不同水平上损害生殖系统：通过调节子宫内和出生后的AR表达;通过改变Sertoli单元紧密的连接通透性屏障，最终改变不稳定的Sertoli单元BTB完整性;直接改变精子细胞功能，导致精子活力受损，可能依赖于由于膜流动性的破坏而导致的血浆膜电位的改变;诱导和增加精子DNA片段化，这可能是由于ROS水平升高;最后是前列腺功能的假定损害。

2 HPV感染和男性不育

大谱病毒可能感染睾丸和其他男性生殖器官，从而损害男性生育能力[38]。HPV是全球最常见的性传播感染的病原体，估计每年有620万例新发病例[39]。HPV由一组小的非包膜嗜上皮病毒组成，具有8000 bp组成的双链环状DNA基因组。其病毒粒子呈二十面体形状，直径55nm，由52个囊体组成，每个囊体含有5个主要衣壳蛋白L1分子和少量次要衣壳蛋白L2[40]。HPV由200多种基因型组成，适用于特定的上皮组织，如肛门生殖器皮肤和黏膜[41]。根据致癌潜力的基础，HPV可分为两类：高风险（HR-HPV）和低风险（LR-HPV）。根据国际癌症研究机构[42]，前者包括众所周知的16型和18型，已被归类为致癌人类，并可能导致以下上皮区域的肿瘤转化：子宫颈、阴道、外阴、肛门、阴茎和口咽[43]。后者，如6型和11型，是良性疾病，如生殖器疣[44]。HPV感染主要通过皮肤或真菌病与感染病变的直接接触而感染。生殖器HPV感染主要通过传播，多为插入，但非插入式接触（即生殖器-生殖器、口腔-生殖器和手-生殖器）是可能的传播途径[45]。

最近，已经明确证实，除了众所周知的外生殖器区域外，HPV病毒粒子也可能在男性生殖道内检测到。具体而言，已在男性副腺中检测到该病，可能是男性副旁腺感染的原因[46]。辅助腺体的这种定位反映在参数的变化上，例如pH和粘度的增加以及体积的减少[47，48]。

最后，如图12.2所示，在精液中发现了HPV，无论是在脱落的细胞中，还是与精子结合[49]。

图 12.2

精子细胞中HPV L1衣壳蛋白（红色）的免疫荧光

一些研究强调了HPV在导致男性不育症方面可能起的作用[50]。事实上，几位作者已经证实患有特发性不孕症的男性的中存在该病毒[47，51]。这些数据，加上不育受试者中精子HPV感染的患病率高于一般人群[52]，表明HPV是精子损伤的原因，因此也是男性不育的原因。

几项研究报告，HPV感染与参数的减少有关。5项研究报告了HPV感染与精子活力降低之间的关系[49，53，54，55，56]。此外，Piroozmand也显示出精子数量的显着减少[53]。此外，Boeri等人报道了当精液感染涉及高风险HPV基因型时精子DNA片段化指数增加[57]，而Yang等人证明HPV精液感染与精子正常形态的减少有关[58]。

最近，Moghimi等人观察到，与有生育能力者相比，不育男性中高危HPV的患病率明显更高，这与精子形态和活力受损有关[59]。

此外，精液中的HPV感染是产生抗精子抗体（ASA）的危险因素。事实上，与未感染的不孕症患者和一般人群相比，感染性不孕症患者 ASA 的患病率更高。此外，在感染的不孕受试者中，抗体的存在与精子活力的进一步降低有关[60]。详细地说，超过40%的HPV感染不孕症患者在精子表面有ASA。此外，与未感染患者相比，感染患者的ASA平均百分比更高[55]。这些发现表明，精子自身免疫可能是HPV依赖性的。为了证实这一发现，Garolla等人记录了精子混合抗球蛋白反应（Mar）测试结果呈阳性的样品的同一精子细胞中存在病毒蛋白和免疫球蛋白。值得注意的是，当HPV 16-L1的免疫荧光存在于精子表面时，他们观察到IgA和IgG的共染色。这一观察结果表明，精液感染代表了一种与ASA存在相关的新临床状况。在感染男性中，随访24个月后获得显著的病毒清除率（约85.3%），精子感染的减少与ASA的消失和精子活力的逐渐改善平行[55]。

一些研究分析了精液HPV感染在自然[61]和辅助生殖[61，62，63，64]中降低生育能力的影响。此外，Garolla等人报道了流产率的增加[61]。

为了了解HPV在受精中的病理生理作用，我们进行了一项体外研究，评估病毒感染的精子在受精过程中将HPV DNA和衣壳蛋白转移到卵母细胞的能力。在用含有HPV E6和E7蛋白的质粒表观体转染人类精子后，进行了仓鼠卵-人精子渗透试验，以显示受感染精子将衣壳蛋白L1转移到卵母细胞的能力以及受精卵母细胞中E6和E7病毒蛋白的表达[65]。因此，我们可以得出结论，转染了E6和E7基因并暴露于HPV L1衣壳蛋白的精子都能够穿透卵母细胞。这些实验室数据，结合HPV DNA在更大比例的流产中发现而不是自愿终止妊娠的观察结果[62]，可能表明HPV（由精子携带到卵子）在早产妊娠的病因学中起积极作用。这种现象可能导致胚胎DNA片段化的增加，从而导致胚胎的改变和凋亡[65]。

基于这些证据，我们建议在以下病例中对不孕夫妇的男性伴侣进行HPV检测：男性不明原因的夫妇不孕（与已知的男性或女性因素无关）、弱精子症、存在ASA、HPV感染阳性病史或持续HPV相关疾病的证据[50]。

当在不孕夫妇的至少一名成员中检测到HPV时，提供仔细的咨询非常重要。2014年的一项对照研究显示了这种策略的有效性。仔细建议双方在生殖器部位感染HPV的夫妇遵循一些旨在清除病毒的严格建议（例如生殖道和手的卫生;仅使用个人内衣和个人毛巾;避免口交和肛交），并在6，12，18和24个月时进行监测。与非咨询的感染对照组相比，接受咨询的夫妇清除率显著更高，病毒持续时间更短[66]。

此外，最近的证据表明，即使在已经感染感染的患者中，HPV疫苗接种也是一种有效的工具。事实上，已经证明，与未接种疫苗的感染患者相比，接受疫苗接种的HPV感染患者血清转换速度更快，病毒清除率更高[67]。详细地说，接种疫苗的患者表现出更高的病毒清除率，这与精子活力的改善和抗精子抗体百分比的降低平行。此外，男性伴侣接种疫苗的夫妇的妊娠率和分娩率较高，流产率较低[68]。

除了咨询和辅助疫苗接种外，还测试了不同的精子选择技术（离心，不连续密度梯度和直接游泳），旨在从精子表面去除HPV。然而，所有技术在完全清除病毒方面效果都非常差，甚至没有效果。最近，我们的小组测试了一种改良的游泳技术，透明质酸酶成瘾，从感染样本中完全消除HPV[69]。这种治疗的基本原理是切割HPV与其位于精子表面的假定配体Syndecan-I的结合。与正常的游泳技术相比，用透明质酸酶修饰的游泳能够在100%的感染精子病例中消除HPV与精子之间的结合，通过HPV的阴性荧光原位杂交（FISH）证实，精子中的运动性或DNA片段化没有任何显着损害。

3 肥胖和男性不育

肥胖被定义为脂肪的异常或过度堆积。根据世界卫生组织 （WHO），体重指数 （BMI） 大于或等于 25 kg/m2被归类为超重，BMI 大于 30 kg/m2被认为是肥胖，BMI 大于 40 kg/m2被认为是重度肥胖。在过去几十年中，全球肥胖患病率急剧上升，全球有19亿成年人超重，约6.5亿人肥胖。

有肥胖男性伴侣的夫妇不孕风险明显高于体重正常的男性伴侣[72]。此外，男性肥胖会对辅助生殖技术（ART）的成功产生负面影响[72]。Mushtaq等人在2018年报道，男性肥胖与卵胞浆内单精子注射周期中妊娠率和活产率的显著降低有关。先前基于人群的研究报告了超重和肥胖男性的精液参数减少[72，74，75]。 进一步的研究表明，肥胖与弱精子症或畸形精子症之间存在关联[76]。Sermondade等人在2013年进行的一项系统评价和meta分析报道了肥胖与无精子症/少精子症之间的关联[77]。已经假设了几种机制来解释肥胖引起的精子跪体年龄。

热致损伤起着关键作用。肥胖男性的睾丸热应激增加，主要是由于耻骨上区域和腈神经丛周围的脂肪堆积。精子发生是一个温度依赖性过程，阴囊温度的升高会破坏其进展。详细地说，肥胖男性的左右阴囊温度明显高于对照组。健康对照组的平均阴囊温度为34.738°C，比核心体温低约2度。此外，在这些受试者中，阴囊温度的波动具有类似于昼夜节律的模式，白天和黑夜之间，日常活动之间以及不同身体姿势之间的波动很大。相比之下，肥胖男性的平均阴囊温度持续升高（35.388°C），温度波动的数量和幅度减少，昼夜节律模式不太明显甚至不存在，如图12.3所示。

图 12.3

肥胖受试者和对照组的阴囊温度

这些数据强调，在肥胖男性中，生精改变主要与脂肪组织过多导致的体温过高有关。此外，已经描述了几种荷尔蒙改变，并有助于损害肥胖患者的精子发生。与正常体重的男性相比，大多数肥胖男性的生殖激素状况受损。过多的内脏脂肪会降低血清性激素结合球蛋白（SHBG）、总T和游离T，抑制B水平，并增加T向17ß-雌二醇的转化，因为芳香化酶活性更高。

我们最近在肥胖男性的皮下脂肪组织（SAT）的外植体中证明，与瘦受试者相比，存在更高水平的细胞内T和E2。此外，肾上腺素能刺激后，肥胖SAT患者的T释放减少。睾酮积累导致雄激素反应基因的表达更低，进一步导致脂肪组织功能障碍和全身性性腺功能减退症，肥胖SAT中芳香化酶表达增加所决定的雌激素较高证明了这一点[81]。芳香化酶活性确实随着体内脂肪量的增加而增加，并进一步增加脂肪积累，形成恶性循环[82]。在肥胖男性患者中，较高的芳香化酶活性导致T/E2比值降低[83]。

此外，肥胖与血清SHBG升高有关，因此可进一步降低游离睾酮水平。此外，相关的高胰岛素血症对精子发生有直接抑制作用，增加核和线粒体DNA损伤。

4 结论

总之，暴露于环境风险因素，如污染物或感染，或不良生活方式，即导致肥胖，可能会在不同程度上干扰男性生育能力，并可能在特发性不育的情况下发挥重要作用。我们提供了三个例子，描述了它们作为男性不育原因的作用，从病理生理学到临床评估。因此，应考虑它们在男性不育症的临床工作流程中的作用。

Cite this chapter

Grande, G., Foresta, C. (2023). Male Reproduction: From Pathophysiology to Clinical Assessment. In: Bettocchi, C., Busetto, G.M., Carrieri, G., Cormio, L. (eds) Practical Clinical Andrology. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-11701-5_12

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