По определению Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), бесплодие – это неспособность сексуально активной, не использующей контрацепцию пары, достичь беременность в течение одного года [1]. Наиболее часто при определении бесплодия имеется в виду бесплодие женщины-партнера, однако статистика указывает на то, что мужской фактор служит причиной бесплодия примерно в половине случаев [2, 3].
За последние несколько десятилетий в различных регионах мира наблюдается снижение фертильности мужчин и ухудшение качества спермы, что выражается в снижении концентрации сперматозоидов в эякуляте, уменьшении доли подвижных и морфологически нормальных сперматозоидов, а также в увеличении доли мужского фактора в бесплодных парах [4, 5]. Согласно данным отечественных исследователей, в Российской Федерации за 2000–2018 гг. отмечено увеличение общего количества зарегистрированных мужчин с бесплодием – с 22 348 до 47 886 (прирост в 2,1 раза). Первичная заболеваемость также увеличилась с 8993 до 16 357 (прирост в 1,8 раза), а во всех федеральных округах, кроме Дальневосточного, возросла частота регистрации мужского бесплодия [6].
Эти факты побудили многих исследователей к поиску причин, снижающих мужской репродуктивный потенциал. Определен ряд генетических и средовых факторов, негативно влияющих на мужскую фертильность [7–15]. Среди средовых факторов особое внимание уделяется ожирению, диете (полноценному питанию), антропогенному загрязнению внешней среды, курению, употреблению наркотиков и алкоголя, малоподвижному образу жизни и инфекционным заболеваниям органов репродуктивной системы. Однако около 30% случаев мужского бесплодия остаются с невыясненными причинами и относятся к идиопатическому бесплодию [16–17]. Дополнительные знания о причинах мужской субфертильности и бесплодия имеют решающее значение для получения фундаментальных знаний о механизмах регуляции мужской репродуктивной функции, а также для эффективного лечения бездетных пар.
Микроэлементы служат важным фактором поддержания здоровья человека. В качестве основного источника микроэлементов выступают продукты питания и диета, содержащая их адекватное количество. Нарушение микроэлементного гомеостаза приводит к развитию патологических состояний и заболеваний, в том числе и репродуктивной системы [18, 19]. Группа микроэлементов, которая включает Fe, Zn, F, Sr, Mo, Cu, Br, Si, Cs, I, Mn, Al, Pb, Cd, B, Rb, получила название эссенциальных. Они содержатся в организме в количествах от сотен миллиграммов до нескольких граммов, участвуют в регуляции жизнедеятельности на всех этапах развития организма, являясь необходимым компонентом сложных физиологических систем. Наиболее характерной особенностью современного человека является дефицит эссенциальных микроэлементов, который возникает из-за неправильного питания, в частности из-за недостаточного содержания микроэлементов в рационе или повышенных потребностей организма. Современное определение микроэлементной эссенциальности гласит, что элемент считается эссенциальным для организма, когда снижение его содержания ниже определенного предела приводит к снижению физиологически важной функции, или, когда такой элемент является неотъемлемой частью органической структуры, предопределяющей жизненно важную функцию [19].
В последние годы значительный интерес представляют исследования, в которых изучается влияние эссенциальных микроэлементов на функционирование мужской репродуктивной системы, включая сперматогенез и гипоталамо-гипофизарно-тестикулярную функцию [19–24]. Поскольку одной из причин снижения мужского репродуктивного потенциала, наблюдаемого во многих странах мира, является нарушение структуры питания и образа жизни, часть идиопатического мужского бесплодия и субфертильности может быть объяснена дисбалансом эссенциальных микроэлементов в мужском организме. Имеется ряд исследований, указывающийх на значительное влияние эссенциального микроэлемента цинка (Zn) на сперматогенез, функциональные свойства сперматозоидов и уровень репродуктивных гормонов. Цель настоящего обзора – провести анализ опубликованных работ и систематизировать информацию о роли гомеостаза Zn в поддержании мужской фертильности и свойствах Zn, связанных с качеством спермы и успешным оплодотворением.
Биологическая роль цинка в организме
Цинк – второй микроэлемент после железа по распространенности и содержанию в тканях и органах человека.
В теле человека содержится 2–3 г Zn, а суточная потребность составляет 12–15 мг. Цинк поступает в организм с пищей, всасывается из кишечника (преимущественно в тонкой кишке) в кровь, откуда его большая часть поступает в мышцы, печень, кости и простату. В ряде тканей и органов ионы цинка содержатся в достаточно высоких концентрациях – это простата, печень, желудочно-кишечный тракт, почки, кожа, легкие, надпочечники, мозг, сердце, глаза, поджелудочная железа, однако независимо от распределения в организме Zn проявляет важные физиологические эффекты даже в тех органах и тканях, где его запасы невелики [20, 25].
Дефицит Zn оказывает сильнейшее воздействие на здоровье людей, особенно детей и пожилых. Предполагается, что более 3 млрд человек во всем мире страдают от дефицита Zn [19], поэтому определение его содержания в традиционных продуктах питания, составляющих рацион населения, является важным звеном для оценки уровня его потребления и возможных последующих рисков для здоровья. Наиболее богаты Zn ткани животных (говяжья печень, свинина, говядина) и особенно морепродукты (устрицы, креветки, крабы). В большинстве растительной пищи Zn меньше, и он менее доступен из-за присутствия фитиновой кислоты, которая связывает ионы Zn и тем самым уменьшает его поступление в организм, поэтому у вегетарианцев довольно часто наблюдается дефицит Zn.
В плазме крови концентрация Zn составляет 0,7–1,2 мкг/мл (10,7–18,4 мкмоль/л) и поддерживается на относительно константном уровне. В сыворотке крови концентрация Zn несколько выше – 1,1–1,3 мкг/мл (16,8–19,9 мкмоль/л), чем в плазме, за счет разрушенных тромбоцитов, также содержащих цинк. В цельной крови содержится около 7–8 мкг/мл Zn, причем около 2/3 этого количества – в эритроцитах (75–88%). Основным транспортером Zn в крови является альбумин, с которым связано около 98% Zn [26]. Сродство альбумина к Zn достаточно умеренное, поэтому связанный с альбумином Zn представляет собой так называемый обменный пул Zn, что, вероятно, способствует его переносу в клетки-мишени. Измерение уровня Zn в плазме (сыворотке) крови или в суточной моче может быть использовано в диагностике его дефицита в организме, кроме того, часто применяют неинвазивные методы определения Zn в волосах, однако в этом случае его содержание не отражает текущих изменений в отношении содержания Zn в организме. Имеется мнение, согласно которому определение концентрации Zn в периферической крови для установления его дефицита малоинформативно, поскольку Zn главным образом накапливается внутри клеток различных тканей [18].
Руководство ВОЗ по исследованию и обработке эякулята человека предлагает референсное значение нормы содержания Zn в эякуляте ≥2,4 мкмоль/эякулят [1]. В эякулят Zn поступает из предстательной железы в виде низкомолекулярного комплекса с цитратом; таким образом, содержание Zn в эякуляте может служить адекватным показателем секреторной функции предстательной железы. У человека содержание Zn в простате в 87 раз выше, чем в крови [27]. Содержание Zn в семенной плазме выражают в единицах концентрации (Zn–C), а также в общем его количестве на весь эякулят (Zn–T), причем лучшим маркером является Zn–T. Цинк также содержится в значительных количествах в клетках Лейдига, в сперматогониях типа В и сперматозоидах [28]. Сперматозоиды служат носителями запаса Zn, необходимого для нормального течения всех фаз дробления оплодотворенной яйцеклетки, вплоть до ее фиксации в полости матки. В тестикулярных и эпидидимальных сперматозоидах Zn находится преимущественно в цитоплазматических остатках, а в эякулированных сперматозоидах локализован в шейке и в области жгутика [29].
Цинк играет решающую роль в патофизиологии ряда заболеваний. С древнейших времен он использовался как средство для заживления ран и лечения кожных заболеваний [19, 20]. Дефицит Zn изменяет как врожденный, так и приобретенный иммунитет, а пациенты с дефицитом Zn предрасположены к инфекциям и аутоиммунным заболеваниям. Влияние дефицита Zn на иммунную систему включает атрофию тимуса, нарушение дифференцировки и созревания лимфоцитов, снижение продукции тимулина, лимфопению и изменение как Т-, так и В-клеток [18, 20]. Он необходим для роста волос, тканей, ногтей, кожи и мышц, особенно у детей, а задержка роста может быть признаком его дефицита в организме [20, 25]. Исследования показывают, что Zn связан с развитием гипертонической болезни, причем уровень Zn в сыворотке крови у пациентов с гипертонией значительно ниже, чем у контроля [25, 30]. Цинк играет важную роль в липидном обмене, хотя данные весьма противоречивы [25]. Цинк имеет решающее значение для функции поджелудочной железы и регуляции уровня глюкозы в крови. Ионы Zn необходимы для нормальной работы и хранения инсулина, а нарушения в содержании панкреатического инсулина связаны со всеми формами диабета [31]. Недавно уточнена роль транспортера Zn (ZIP13) в регуляции биогенеза бежевых адипоцитов, таким образом гомеостаз Zn может служить терапевтической мишенью при ожирении и метаболическом синдроме [32]. У пациентов с преддиабетом уровень Zn в сыворотке крови ниже, чем в контроле или у пациентов с диабетом. Более того, пациенты с преддиабетом имеют более низкую функцию β-клеток, чем здоровые, а при увеличении ИМТ низкий уровень Zn в сыворотке крови сопровождался увеличением инсулинорезистентности [33]. По-видимому, существует связь между раком и дефицитом, избытком или дисбалансом Zn и его транспортеров, поскольку снижение уровня Zn в сыворотке крови обнаружено у пациентов с опухолями легких, головы и шеи, молочной железы, печени, легких и предстательной железы [25].
Цинк действует как кофактор для всех классов ферментов, поэтому он принимает участие практически во всех видах обмена. В настоящее время известно более 300 ферментов и более 1000 транскрипционных факторов, для активности которых требуется Zn [18, 23, 34]. В ферментах и факторах транскрипции он присутствует в форме доменов «цинковых пальцев», в частности, входит в состав супероксиддисмутазы – ключевого антиоксидантного фермента, участвующего в регуляции перекисного окисления липидов [34]. Цинк служит кофактором для более чем 80 металлоферментов, участвующих в транскрипции ДНК и синтезе белка, необходим для каждой стадии клеточного цикла [19]. Таким образом, Zn необходим для работы генетического аппарата клетки, роста, деления всех клеток организма и процессов регенерации.
Цинк, мужская фертильность и параметры спермограммы
Под термином «фертильность» следует понимать биологическую фертильность, т.е. способность дать потомство в отсутствие контрацепции в противоположность демографической фертильности, т.е. реальному количеству имеющихся детей. На уровне отдельного индивидуума фертильность может рассматриваться как биологический процесс, оценить который помогают определенные маркеры. У мужчин наиболее простыми и неинвазивными биомаркерами фертильности являются показатели качества спермы – объем эякулята, концентрация, подвижность и морфология сперматозоидов. Исследование качества спермы – важнейший этап в клинической андрологии, репродуктивной токсикологии и эпидемиологии. Однако характеристики спермы, которые различают бесплодных и фертильных мужчин, недостаточно четко определены, и клиническое использование обычных параметров спермы далеко от совершенства.
Признано, что микроэлемент Zn играет важную роль в функционировании мужской репродуктивной системы, влияя на качество спермы и оплодотворяющую способность сперматозоидов. Существуют убедительные доказательства того, что Zn влияет на физиологическую функцию сперматозоидов, включая подвижность и морфологию, а снижение содержания Zn в семенной плазме приводит к низкому качеству спермы, что автоматически снижает шансы на оплодотворение [21, 23, 24, 35]. Поскольку в организме нет депо для хранения Zn, ежедневное потребление его адекватного количества служит критическим звеном нормального функционирования мужской репродуктивной системы.
Установлено, что концентрация цинка в семенной плазме фертильных мужчин выше, чем у бесплодных, причем дефицит цинка ассоциирован со сниженной мужской фертильностью, а для достижения оптимального уровня фертильности необходимо наличие достаточного количества Zn в рационе [36]. На основании результатов исследования 107 мужчин с идиопатическим бесплодием и 103 фертильных (жены были беременны на момент обследования) сделано заключение, согласно которому Zn может улучшать фертильность за счет положительного влияния на сперматогенез [37]. Это исследование также подтвердило, что концентрация Zn в семенной плазме фертильных мужчин достоверно выше по сравнению с бесплодными, причем концентрация Zn положительно коррелировала с концентрацией сперматозоидов в эякуляте, их подвижностью и жизнеспособностью. В исследовании [38] образцы эякулята были взяты у бесплодных мужчин и включили случаи азоо-, астено-, олиго-, олигоастено- и нормозооспермии, а также у фертильных мужчин. Концентрация Zn в семенной плазме была снижена у всех групп бесплодных мужчин, кроме группы с нормоспермией, по сравнению с фертильной группой. Связь концентрации Zn в семенной плазме с качеством сперматозоидов указывает на то, что Zn может быть индикатором функциональной активности сперматозоидов и мужского бесплодия.
В то же время результаты некоторых исследований не подтверждают связи Zn и мужского бесплодия. В исследовании [39] концентрация Zn в плазме крови и семенной плазме не различалась между субфертильной и фертильной группами и имелась лишь слабая корреляция между концентрацией Zn в плазме крови или в семенной плазме и некоторыми параметрами спермограммы. Marzec-Wroblewska et al. [40], исследуя две группы бесплодных мужчин с нормо- и патоспермией, обнаружили незначительную разницу в содержании Zn в семенной плазме мужчин с нормо- и патоспермией, хотя концентрация и подвижность сперматозоидов различались почти в 3 раза.
Целью многих исследований было выявление связи между концентрацией Zn в крови или семенной плазме и параметрами спермограммы. Большинство исследований демонстрирует, что концентрация Zn в крови или семенной плазме ниже у мужчин с нарушениями сперматогенеза по сравнению с нормоспермией [22, 36, 37, 41–46].
В некоторых работах особое внимание уделено подвижности сперматозоидов, поскольку подвижность является биомаркером оплодотворяющей способности. Астенозооспермия, состояние, при котором у мужчин наблюдается низкая подвижность сперматозоидов, может быть вызвана изменениями в структуре или функции сперматозоидов и/или в составе семенной плазмы. Как известно, семенная плазма содержит важные природные антиоксиданты: витамины С и Е, супероксиддисмутазу, глутатион, тиоредоксин и микроэлементы, включая Zn как прямой антиоксидант, поглощающий супероксидные радикалы, металлоферменты, содержащие Zn и оказывающие непрямой антиоксидантный эффект. При дефиците Zn антиоксидантная функция семенной плазмы ослабевает. Таким образом, при снижении концентрации Zn в семенной плазме повышается риск развития астенозооспермии.
В обширном мета-анализе [21] проанализирована связь между концентрацией Zn в семенной плазме и астенозооспермией у бесплодных пациентов. В большинстве работ наблюдалась значительная редукция концентрации Zn в семенной плазме бесплодных пациентов с астенозооспермией. Несмотря на значительную статистическую гетерогенность анализируемых восьми публикаций, результаты показали значительную ассоциацию между концентрацией Zn и астенозооспермией. На основании проведенного мета-анализа авторы заключают, что Zn в семенной плазме негативно ассоциирован с мужским бесплодием.
В исследованиях [37, 43, 44] установлено, что концентрация Zn в семенной плазме положительно коррелирует с подвижностью сперматозоидов. В работе [47] бесплодные пациенты (n=1521) были разделены на несколько групп (азоо-, олиго-, астено-, терато-, нормозооспермии), а в качестве контроля служила группа фертильных мужчин (n=97). Уровень Zn в семенной плазме фертильных мужчин был достоверно выше по сравнению с таковым в группах патозооспермии. У пациентов всех групп концентрация Zn в семенной жидкости была положительно связана с долей активно подвижных сперматозоидов. Авторы делают вывод, согласно которому снижение концентрации Zn в семенной плазме сопровождается снижением подвижности и концентрации сперматозоидов.
Henkel et al. [48] изучали связь между содержанием Zn в различных частях сперматозоидов (головках и жгутиках) и эякулята (семенной плазме и цельном эякуляте) и подвижностью сперматозоидов. Содержание Zn в целом сперматозоиде составило 39,9 нг/106 сперматозоидов, в головке – 2,6 нг/106 сперматозоидов, а в жгутике – 37,3 нг/106 сперматозоидов, т.е. 6,7 и 93,4% от его содержания в целом сперматозоиде соответственно. Медианная концентрация цинка в семенной плазме составила 144,3, а в цельном эякуляте 146,9 мг/л и положительно коррелировала с подвижностью сперматозоидов, но содержание Zn в жгутиках отрицательно коррелировало с подвижностью.
Sørensen et al. [49] на 50 здоровых добровольцах установили, что в группе мужчин с более высокой концентрацией Zn в семенной жидкости (187 мг/л) наблюдались более низкие параметры подвижности сперматозоидов по сравнению с группой с низкой концентрацией цинка (72 мг/л), но при этом концентрация сперматозоидов не менялась. В работе Carpino et al. [50] показано, что общее содержание Zn в семенной плазме не различалось между группами нормо-, олигоастенозооспермии и контролем, но концентрация Zn, связанного с высокомолекулярными белками, в семенной плазме была ниже у пациентов с нормо- и олигоастенозооспермией по сравнению с контролем. Авторы считают, что повышенное содержание несвязанного Zn в семенной плазме может способствовать снижению подвижности сперматозоидов у нормо- и олигоастенозооспермических пациентов.
В исследовании Lewis-Jones et al. на выборке из 1178 пациентов, обратившихся в клинику для лечения бесплодия, не обнаружено взаимосвязи между концентрацией Zn в семенной жидкости и количеством подвижных сперматозоидов в эякуляте [51]. Аналогичные результаты получены в работе Hashemi et al. [52]: концентрация Zn в семенной плазме не различалась между группами мужчин с нормо- и астенозооспермией.
Таким образом, цинк может оказывать различное влияние на подвижность сперматозоидов в зависимости от концентрации в семенной плазме. Причина этого явления заключается в том, что кальциевые каналы являются мишенями ионов Zn и в сперме ион цинка может удалять ионы кальция из специфических сайтов связывания. Поскольку подвижность сперматозоидов может быть заблокирована дефицитом кальция, вполне возможно, что одним из эффектов Zn на подвижность сперматозоидов является вытеснение кальция, необходимого для активации движения сперматозоидов [53].
Исследователи указывают на положительную связь между концентрацией Zn в семенной плазме и концентрацией сперматозоидов или общим количеством сперматозоидов в эякуляте [43, 44], а также между концентрацией Zn в сыворотке крови и общим количеством сперматозоидов в эякуляте [42]. Однако другие авторы не подтверждают этих результатов. Например, в работе [54] у 60 бесплодных мужчин (40 с олигозооспермией и 20 с азооспермией) и 40 фертильных мужчин с нормоспермией определяли концентрацию Zn в сыворотке крови и семенной плазме. Концентрация Zn в сыворотке крови была достоверно выше у мужчин с олигозооспермией по сравнению с мужчинами с азооспермией или контролем, но концентрация Zn в семенной жидкости не различалась между группами, причем между концентрацией Zn в сыворотке крови и общим количеством сперматозоидов в эякуляте наблюдалась отрицательная корреляция, а концентрация Zn в семенной плазме отрицательно коррелировала с жизнеспособностью сперматозоидов.
Установлена положительная корреляция между концентрацией Zn в семенной плазме и долей морфологически нормальных сперматозоидов в эякуляте [41, 44, 53]. В то же время есть работы, в которых не обнаружено взаимосвязи между концентрацией Zn в семенной плазме и параметрами спермограммы [39, 40, 55, 56]. Например, Lin с соавторами не обнаружили у 115 мужчин из бесплодных пар достоверных корреляций между концентрацией цинка в семенной плазме, общим количеством сперматозоидов и их прогрессивной подвижностью [55]. Авторы заключают, что рутинное определение концентрации Zn в семенной плазме не дает никаких преимуществ при обследовании мужчин из бесплодных пар.
Обобщение имеющихся результатов многих исследований дает основание рассматривать концентрацию Zn в семенной плазме как один из биомаркеров качества спермы и мужской фертильности. Противоречивые данные вышеперечисленных исследований могут быть обусловлены либо маленькими, либо преселектированными выборками пациентов, поэтому ценность полученных выводов в ряде случаев можно подвергать сомнению.
Цинк и функции сперматозоида
Цинк – один из значимых эссенциальных микроэлементов, необходимых для нормального процесса сперматогенеза, а его концентрация в эякуляте служит надежным маркером активности сперматогенеза. Недостаток Zn в организме мужчины может приводить к серьезным последствиям для репродуктивного здоровья: дисфункции гонад, гипогонадизму, недостаточному развитию вторичных половых признаков, уменьшению массы яичек и деформации семенных канальцев [22–24, 57]. Нарушение сперматогенеза может быть связано с прямым действием Zn или косвенно с дегенерацией клеток Лейдига, указывая на то, что Zn является критическим компонентом для поддержания как митотической, так и мейотической стадий сперматогенеза [57]. Цинк поддерживает жизнеспособность и подвижность сперматозоидов, стабильность ядерного хроматина и осуществляет эти эффекты через различные механизмы, включая мембран-стабилизирующую и антиоксидантную активность, а также ингибирование ДНКазы [21, 23, 35].
Цинк необходим для поддержания структуры и функционирования большого числа макромолекул, включая ферменты и ДНК-связывающие белки с цинковыми пальцами [58]. В сперматозоидах человека мотив Cys2/His2 цинкового пальца протамина Р2 играет важную роль в предотвращении транскрипции через стабилизацию хроматина сперматозоидов и в ингибировании окислительного повреждения [23]. Результаты исследования Zhou et al. на мышах показали, что ZFP105 (протеин 105, содержащий цинковые пальцы) и человеческий ортолог ZNF35 важны для нормального процесса сперматогенеза [59]. Zhang et al. выяснили, что ген ZNF230, который экспрессируется в тестикулярной ткани фертильных мужчин, не экспрессируется у пациентов с азооспермией, что указывает на участие этого гена в поддержании нормальной мужской фертильности [60]. Рецепторы стероидных гормонов (андрогенов и эстрогенов) также содержат в своих структурах цинковые пальцы, и во время синтеза ДНК в половых клетках, индуцированного стероидными гормонами, Zn необходим для активации ряда специфических ферментов и белков с цинковыми пальцами, которые участвуют в генетической экспрессии рецепторов стероидных гормонов [61].
Показано, что Zn обладает антибактериальной активностью, поскольку trichomonas vaginalis погибает при таких его концентрациях, которые встречаются в простатической и семенной жидкостях здоровых мужчин [62]. Наночастицы оксида Zn могут деформировать и повреждать мембрану бактериальной клетки, что приводит к утечке внутриклеточного содержимого, в конечном итоге – к гибели бактериальных клеток [63]. Наночастицы Zn на основе фосфатов обладают способностью действовать как антибиотики, причем наиболее высокий ингибирующий эффект in vitro наблюдался в отношении золотистого стафилококка [64].
Дефицит Zn в семенной плазме, как правило, сопровождается окислительным стрессом. Человеческие сперматозоиды способны генерировать АФК (активные формы кислорода), и выработка АФК сперматозоидами является нормальным физиологическим процессом. Небольшое количество АФК необходимо сперматозоидам для таких функций, как гиперактивация, капацитация и акросомная реакция, таким образом, наличие АФК представляется важным в процессе оплодотворения яйцеклеток [65]. Субфертильные мужчины имеют более высокие концентрации АФК в семенной плазме, и существует отрицательная корреляция между концентрацией АФК и подвижностью, а также количеством сперматозоидов с нормальной морфологией [65]. Сперматозоиды особенно чувствительны к перекисному окислению, так как их плазматические мембраны обогащены полиненасыщенными жирными кислотами, особенно докозагексаеновой кислотой с шестью двойными связями на молекулу, необходимыми для придания плазматической мембране текучести, что важно в процессах слияния мембран при оплодотворении. Когда АФК атакуют двойные связи в ненасыщенных жирных кислотах, начинается цепная реакция перекисного окисления липидов, которая, если ее не остановить, приводит к потере текучести мембран и последующей утрате этой функции сперматозоида. Активные формы кислорода, такие как перекись водорода, супероксидный анион, пероксидные радикалы, гидроксильная группа, являются нестабильными соединениями с коротким периодом полураспада, негативно влияют на клеточные функции. Избыток АФК вреден для сперматозоидов, поскольку может приводить к повреждению ДНК или других важных структур сперматозоида, вызывать нарушение морфологии, подвижности, концентрации и жизнеспособности сперматозоидов [65–68]. Цинк обладает антиоксидантными свойствами, которые противодействуют избыточной продукции АФК, поэтому он является незаменимым микроэлементом в составе различных медицинских препаратов, улучшающих мужскую фертильность [23, 45].
Существует положительная корреляция между активностью перекисного окисления липидов и количеством сперматозоидов с морфологическими аномалиями [43]. Повышенное образование АФК нарушает процесс замены гистонов на протамины, что изменяет конденсацию генетического материала и приводит к фрагментации ДНК сперматозоидов. АФК воздействуют на внутреннюю и наружную мембраны митохондрий, вызывают высвобождение цитохрома С в цитоплазму, который активирует факторы апоптоза (каспазы 3 и 9). Сперматозоиды, имеющие дефекты антиоксидантной защиты, наиболее чувствительны к воздействиям, вызывающим апоптоз [69].
Организм справляется с АФК с помощью различных антиоксидантных систем: ферментативных (глутатионпероксидаза/глутатионредуктаза, супероксиддисмутаза, каталаза) и неферментативных (витамин Е и С, карнитины, каротиноиды, цистеины, пентоксифиллины). Супероксиддисмутаза (СОД) и каталаза образуют антиоксидантную пару ферментов. СОД нейтрализует анионы супероксида, превращая их в перекись водорода и молекулярный кислород, тем самым предотвращая повреждение полиненасыщенных жирных кислот плазмолеммы сперматозоида, стабилизируя текучесть мембраны и восстанавливая подвижность половых клеток. Каталаза катализирует разложение перекиси водорода до воды и молекулярного кислорода. Цинк является необходимым компонентом СОД [69]. Высокий уровень АФК в семенной плазме может снижать концентрацию Zn, а морфологически аномальные сперматозоиды могут быть источником супероксидных анионов, которые связываются с Zn и снижают его содержание.
Цинк способен активировать глутатионпероксидазу, необходимую для нормального созревания и приобретения подвижности сперматозоидов. Дефицит глутатиона приводит к нестабильности шейки сперматозоидов и нарушению двигательной активности. Цинк может предотвращать инициируемое медью (Cu2+) и железом (Fe2+) окисление липидов, белков и ДНК в сперматозоидах, являясь антагонистом этих окислительно-восстановительных металлов [69].
Апоптоз является нормальной особенностью сперматогенеза у различных видов млекопитающих, включая человека, который регулирует продукцию сперматозоидов. Однако избыточный апоптоз является одной из причин фрагментации ДНК сперматозоидов, что повышает риск мужской субфертильности. Цинк обладает антиапоптотическими свойствами, воздействуя на несколько молекулярных регуляторов запрограммированной клеточной гибели, включая каспазы и белки из семейств Bcl и Bax [23]. Ингибирующее действие Zn на апоптоз включает два механизма: на ранних этапах он может ингибировать каспазы (протеазы, участвующие в программируемой гибели клеток), тогда как на более поздних этапах Zn может подавлять кальций- и магний-зависимые эндонуклеазы, вызывающие апоптотическую фрагментацию ДНК [66]. Однако чрезмерно высокие концентрации Zn могут быть токсичными и вызывать апоптоз и даже некроз.
Цинк необходим на каждой стадии клеточного цикла, а также для синтеза ДНК. Установлено, что тимидинкиназа, РНК-полимераза, ДНК-полимераза являются Zn-зависимыми ферментами. Цинк также регулирует активность РНКазы, весьма активной во время митоза сперматогониев и мейоза сперматоцитов. В зрелых сперматозоидах Zn концентрируется в жгутиках и влияет на их двигательную активность [23]. Цинк обеспечивает нормальное течение процесса спермиогенеза в период, когда ДНК упакована в высококонденсированном состоянии внутри головки сперматозоида протамином-1 и -2. Цинк действует как регулятор дисульфидных поперечных связей в ядре сперматозоида, образуя точное количество структур SH–Zn–SH. Получающийся в результате плотно конденсированный хроматин представляет собой динамическую структуру, которая обеспечивает значительную защиту ДНК от повреждений, которые могут возникать в мужском или женском репродуктивном тракте до оплодотворения [23].
Как только сперматозоид проникает в ооплазму, его ядро претерпевает серию ультраструктурных изменений, которые в конечном итоге приводят к образованию пронуклеусов. Цинк также играет ключевую роль в этом процессе, поскольку свежая эякулированная человеческая сперма может быть экспериментально деконденсирована in vitro путем воздействия внеклеточных хелатирующих агентов, таких как ЭДТА. Истощение запасов цинка разрывает мосты SH-Zn-SH, вкрапленные между макромолекулами протамина, вызывая последующую распаковку хроматина. Таким образом, оптимальная интеграция Zn в хроматин сперматозоидов способствует быстрому обратимому уплотнению хроматина, ведущему как к конденсации хроматина в период спермиогенеза, так и к быстрой деконденсации после оплодотворения [29].
Цинк и гормональный баланс
Цинк необходим для нормального функционирования гипоталамо-гипофизарно-гонадной оси. Содержание Zn в организме мужчин связано с продукцией тестостерона, и многие эффекты Zn на репродуктивные характеристики объясняются его множественным действием на метаболизм андрогенов [27, 70–74]. Дефицит Zn тяжелой и умеренной степеней сопровождается гипогонадизмом, а длительный, но более мягкий дефицит Zn вызывает олигоспермическое бесплодие и импотенцию у мужчин.
У мужчин Zn способен модулировать уровень тестостерона в крови [70]. Взаимосвязь между концентрацией Zn в плазме, лимфоцитах и гранулоцитах и тестостерона в сыворотке крови изучалась у 40 здоровых мужчин. Концентрация тестостерона положительно коррелировала с содержанием Zn в лимфоцитах (r=0,43, p=0,006) и гранулоцитах (r=0,30, p=0,03). Диетическое ограничение Zn в течение 20 нед. сопровождалось снижением концентрации тестостерона (средн.±SD: 39,9±7,1 против 10,6±3,6 нмоль/л; р=0,005). Дополнительный прием глюконата Zn (459 µmol) мужчинами с дефицитом Zn в течение 6 мес. приводил к увеличению уровня тестостерона в сыворотке (от 8,3±6,3 до 16,0±4,4 нмоль/л; р=0,02). Поскольку уровень андрогенов модулируется содержанием Zn, оценка андрогенного статуса позволяет ускорять диагностику мужской репродуктивной патологии, вызванной дефицитом Zn.
Аналогичные данные получены у бесплодных мужчин с олиго- и азооспермией [71]. Уровень Zn в семенной плазме коррелировал с уровнем тестостерона у мужчин с олигоспермией (r=0,44, р<0,05), а уровень Zn в сыворотке крови – с уровнем тестостерона у мужчин с азооспермией (r=49, р<0,05), но не было выявлено корреляции с ЛГ и ФСГ. В исследовании 150 партнеров из бесплодных пар также установлена статистически значимая положительная корреляция между содержанием Zn в семенной плазме и концентрацией свободного тестостерона в сыворотке крови (r=0,45, р<0,05), причем содержание Zn в семенной плазме было ниже у мужчин с ослабленным сперматогенезом, чем с нормоспермией. Положительные корреляции были установлены между концентрацией Zn в семенной плазме и концентрацией, подвижностью и морфологией сперматозоидов [44].
Факты о важной роли Zn в контроле тестикулярного стероидогенеза подтвердились в других работах. В исследовании 104 бесплодных мужчинах и 40 фертильных (контроль) установлена связь между концентрацией Zn и тестостерона в сыворотке крови и семенной плазме [42]. Концентрация Zn в сыворотке и семенной плазме бесплодных мужчин ниже, чем в контроле (7,75±0,18 против 14,09±0,27 мкмоль/л; 0,83±0,02 против 1,41±0,01 ммоль/л соответственно, р<0,01), а концентрация тестостерона в сыворотке бесплодных мужчин также ниже, чем в контроле (4,87±0,15 против 6,41±0,16 нг/мл соответственно, р<0,01).
Прямое влияние Zn на гипофизарно-гонадную ось установлено на 60 бесплодных мужчинах с азоо- и олигоспермией [54]. Концентрация Zn в сыворотке крови была выше в группе с олигоспермией по сравнению с контролем или азооспермией, а уровень тестостерона в сыворотке крови и семенной плазме был выше у бесплодных мужчин по сравнению с контролем. Уровень Zn в сыворотке крови положительно коррелировал с уровнем тестостерона в семенной плазме (r=0,37, p<0.05), в то время как уровень Zn в семенной плазме положительно коррелировал с уровнем ЛГ и ФСГ в сыворотке крови (r=0,39 и r=0,43 соответственно, p<0,05). При дефиците Zn кроме тестостерона снижается концентрация циркулирующего ЛГ [57], ослабляется функция рецептора лютеинизирующего гормона и повреждаются клетки Лейдига из-за окислительного стресса, как следствие – уменьшается синтез стероидов [23].
Влияние Zn и фолиевой кислоты (совместно и по отдельности) на гормональный статус проверялось на пациентах после варикоцелэктомии, которые принимали сульфат Zn (66 мг/день) и/или фолиевую кислоту (5 мг/день) в течение 6 мес. [72]. Уровень тестостерона не увеличивался, однако в группе с совместным введением Zn и фолиевой кислоты или одного Zn было отмечено значительное увеличение уровня ингибина В. Другие исследователи не выявили влияния Zn и фолиевой кислоты на сывороточные уровни ингибина В, ФСГ и тестостерона [73]. Интересно, что у мужчин-спортсменов, потребляющих диету с достаточным количеством Zn, применение коммерческих пищевых добавок Zn не оказало существенного влияния на уровень общего и свободного тестостерона в сыворотке крови и характер экскреции метаболитов тестостерона, хотя уровень Zn в сыворотке и его экскреция с мочой значительно увеличивались [74].
Гипогонадизм у мужчин может сформироваться в онтогенезе при дефиците Zn, необходимого для синтеза тестостерона клетками Лейдига. При этом сниженная секреция тестостерона развивается за счет снижения рецепторной функции гонадотропинов, однако после инъекции Zn связывающая способность гонадотропинов семенниками и продукция тестостерона увеличиваются [27]. Существуют и другие пути связи между цинком и тестостероном: 5-альфа-редуктаза, фермент, который превращает тестостерон в активный метаболит дигидротестостерон, DHT, активируется низким потреблением цинка, но ингибируется его чрезмерным количеством. Врожденный дефицит 5-альфа-редуктазы ответствен за отсутствие внешних мужских гениталий, так как DHT необходим для вирилизации. Наконец, ядерный рецептор тестостерона, который является фактором транскрипции, содержит домен «цинковые пальцы» – небольшие структурные мотивы белка, стабилизированные одним или двумя ионами цинка.
Эффективность применения добавок Zn исследовалась на молодых китайских мужчинах с изолированным гипогонадотропным гипогонадизмом [75]. Одна группа получала в течение 18 мес. лечение uFSH/hCG (группа A, n=34), вторая группа – uFSH и добавку цинка 40 мг/день (группа B, n=33). Концентрация тестостерона в сыворотке крови повышалась в течение первых 3 мес. в обеих группах и в дальнейшем поддерживалась в нормальном диапазоне до конца лечения, однако различий между группами не наблюдалось. Концентрация Zn также не различалась между группами как до, так и после лечения. По-видимому, в данной дозе добавка Zn не повышает стероидогенез у мужчин с изолированным гипогонадотропным гипогонадизмом.
Транспортер Zn ZnT8 является мембранным транспортным белком, который контролирует мембранный транспорт цинка и регулирует его внутриклеточные и цитоплазматические концентрации. ZnT8 связан с секрецией инсулина, который хранится в везикулах с расположенными по краям ионами Zn, они высвобождаются вместе с инсулином при увеличении уровня глюкозы. Недавнее исследование предоставило первые доказательства, что при стимуляции гонадотропином ZnT8 транспортирует Zn в митохондрии клеток Лейдига и таким образом играет значительную роль в синтезе тестостерона [76].
Экспериментальные добавки цинка и репродуктивные эффекты
Важность цинка для здоровья человека впервые была задокументирована в 1963 г. Особенностью человеческого сообщества является дефицит Zn. Пищевые факторы и ряд болезней способствуют созданию его дефицита. Спектр клинических проявлений дефицита Zn у человека, варьирующийся от легкой до тяжелой степеней, достаточно подробно описан [77–78]. Испытания пищевых добавок Zn с целью повышения фертильности и улучшения показателей спермограммы мужчин дали неоднозначные результаты, тем не менее большинство исследований свидетельствуют о том, что применение пищевых добавок Zn эффективно. В мета-анализе Ebisch et al. [66] проведен анализ ранних публикаций по репродуктивным эффектам пищевых добавок Zn у мужчин с субфертильностью или бесплодием и делается заключение, согласно которому добавки ускоряют начало сексуальной функции в онтогенезе, увеличивают продукцию, улучшают подвижность и морфологию сперматозоидов, повышают концентрацию тестостерона и сексуальную потенцию.
Hadwan et al. [79] сравнили параметры спермы между фертильными мужчинами (n=60) и бесплодными пациентами с астенозооспермией (n=60) до и после лечения сульфатом Zn. Каждый участник группы с астенозооспермией принимал по две капсулы (220 мг на капсулу) сульфата Zn в день в течение 3 мес. Результаты показали, что сульфат Zn способствует увеличению объема и общего количества сперматозоидов в эякуляте, улучшению прогрессивной подвижности сперматозоидов пациентов с астенозооспермией.
В работе Omu et al. [80] мужчинам с астенозооспермией прописывались добавки Zn (сульфат Zn 200 мг дважды в день) либо та же доза Zn вместе с витаминами Е или С в течение 3 мес. Авторы установили, что астенозооспермия связана с более высоким уровнем окислительного стресса (более высокое содержание малонового диальдегида) и более низкой общей антиоксидантной способностью семенной жидкости по сравнению с нормоспермией. Терапия препаратами Zn привела к улучшению качества спермы (повышение подвижности и снижение тератозооспермии), увеличению антиоксидантной способности семенной жидкости, снижению уровня оксидативного стресса, апоптоза и фрагментации ДНК сперматозоидов.
В крупномасштабном исследовании добавка Zn не привела к улучшению качества спермы или показателей живорождения у пар [81]. В клиническое исследование были включены 2370 мужчин из бесплодных пар; мужчинам (n=185) назначались добавки фолиевой кислоты (5 мг) и Zn (30 мг) либо плацебо (n=1185) в течение 6 мес. Однако качество спермы (концентрация, подвижность, морфология и общее количество сперматозоидов в эякуляте) и количество живорождений не увеличились по сравнению с контролем.
В России успешно используются препараты, содержащие Zn в сочетании с витаминами и другими минералами, для лечения мужской субфертильности, бесплодия и патозооспермии [70, 82–84]. Препараты помогают снизить уровень оксидативного стресса, оказывают противовирусное действие, увеличивают объем эякулята, концентрацию сперматозоидов и их подвижность, а также долю морфологически нормальных сперматозоидов, повышают вероятность благоприятных исходов естественного зачатия. Они восполняют дефицит цинка, других микроэлементов и витаминов Е, А, С. Часто с целью улучшения основных параметров спермограммы эти препараты используют для подготовки пациентов с идиопатической формой бесплодия к программе ВРТ.
Существует нерешенная проблема фармакологических доз Zn, поскольку добавки препаратов Zn рекомендуются для лечения не только урологических и андрологических заболеваний, но и заболеваний печени, дислипидемии, рака простаты, болезней сердца и расстройств центральной нервной системы [25]. Фармакологические дозы Zn эквивалентны >40 мг/сут. элементарного цинка для мужчин, поскольку приемлемый верхний уровень потребления Zn для взрослых составляет 40 мг/сут. В целом фармакологические дозы, принятые в ходе исследований, обычно варьируют от 220 до 660 мг/сут. хелатированного (легкоусвояемого) Zn, содержащего приблизительно 50–150 мг элементарного Zn.
В заключение важно констатировать, что значение многих средовых факторов, влияющих на мужскую фертильность, до сих пор не вполне понятно. Более глубокое понимание основных механизмов, проясняющих участие микроэлементов в развитии и функционировании мужской репродуктивной системы, необходимо для улучшения диагностики и лечения бесплодия и субфертильности.
В этом аспекте Zn может служить надежным маркером сперматогенеза и тестикулярного стероидогенеза, принимая во внимание, что часть идиопатического мужского бесплодия может быть объяснена за счет дисбаланса эссенциальных микроэлементов в организме.
