当前位置: 首页 > 期刊 > 《中华现代妇产科学杂志》 > 2005年第7期
编号:10705464
ZP3对男性生育力的诊断及应用
http://www.100md.com 《中华现代妇产科学杂志》 2005年第7期
     受精是一个精卵相互作用严格有序而又协调发育的复杂过程,它必须具备三个条件:(1)有正常的生殖细胞(精子和卵子);(2)精子和卵子能正常结合成受精卵;(3)受精卵能正常着床和发育。不孕不育的原因最常见的是精子或卵子有缺陷,或生殖细胞的遗传物质异常,导致受精失败,或胚胎不能正常发育而流产。临床资料表明,在男女不孕不育中,女方原因占50%,男方原因占40%,男女双方都有问题占10%。2000年WHO估计全世界约有8000万对不孕不育夫妇[1]。美国生殖医学会估计,2000年美国有327万对不孕不育夫妇,2005年有636万对,2010年为650万对,2015年为683万对,2020年有728万对,2025年有775万对不孕不育夫妇[2]。中国有多少不孕不育夫妇,尚无确切数据可循。根据林宏益和曲锡萍(1994)对河北10个地区39476对育龄夫妇抽样调查,发现不孕不育夫妇4530对,不育率为11.47%[3]。河北为我国一个中等发达的省份,具有一定代表性。但一般认为不育夫妇约为3%~5%,据此我们推测我国目前约有1250万对不孕不育夫妇[4]。

    1 男性不育症患者精子功能的诊断[5]

    目前对女性生殖能力的诊断相当完善,由各种内分泌激素测定以确定其是否排卵,输卵管是否通畅,子宫内膜发育是否正常等有一系列相当可靠的检查,但对于男性生育能力的诊断就相对滞后。一般采用精液常规检查,包括精子形态学、数量、活率及其活力等检查。如(1)体检与病史:生育史,精索静脉曲张、输精管有无、隐睾症、逆行射精;(2)精液检查:禁欲3~5天后之精液分析。每人每次精液检查也有20%左右的变化。精液常规检查:①液化时间、黏稠度、颜色、气味;②体积:2~6ml;pH:7.2~8.0;③精子密度:20×106cells/ml,1次射精总量>40×106cells/ml;<20×106cells/ml称少精症;④精力活力:分为4级,应由有经验的训练有素的技术人员分析,也可能由计算机辅助精液分析(CASA)分析:a级:快速有力地前向运动;b级:慢速前向运动;c级:原地摆动;d级:不活动。在射精后60min内,a级+b级之和精子活力≥50%,或a级≥25%;小于此值称为弱精症;⑤精子形态学:精子形态学与受精率之关系近几年来受到临床医生的重视,提出了严格的精子形态学标准[6],但对这一点仍有一些争议,争论的缘起是对何谓正常或不正常形态的标准分类不同所致。WHO自1980年以来,就曾公布3次人类精子正常形态标准(WHO,1981≥50%,1987≥30%,1999≥15%),低于这一标准的称为畸形精子症;⑥精液是否有感染,WBC≥1×106/ml表示有感染;精液解脲支原体及衣原体培养;⑦抗精子抗体测定:混合抗体反应试验(MART)。WART结果>10%则需进一步做免疫珠试验,以确定抗精子抗体的种类(IgA、IgG或IgM),其中IgA比IgG更具临床意义,过高导致受精失败。抗精子抗体常会致精子凝集;⑧激素测定:对于精液检查异常的病人可做激素检查,包括:FSH、LH、PRL、T和Inhibin B。必要时,还需测定甲状腺功能以及染色体分析。因此影响因子复杂,确诊男性不育症的经验与技术要求高。

    关于精子功能,其中最重要的是受精能力的评价,主要包括:(1)精子与卵子的结合能力;(2)诱发精子发生顶体反应(AR);(3)精子穿过透明带的能力;(4)精卵融合能力。在临床上,对不孕不育夫妇中,不明原因男性不育患者的精子同正常人比较,他们的精子47%在精卵结合环节中存在异常,而这些异常并不能通过常规精液分析检查出来[7]。说明现在临床上诊断男性不育方面存在着盲点,有如此高比率的精子功能异常人群尚未被诊断出来。本文就上述并结合笔者实验的研究工作,对精子功能做一简要评述。

    1.1 精子活力的测定和运动特征评价 精子活力是精子受精功能的重要指标之一。通过精液分析可以知道精液中有多少活动的精子,活力的强弱,以及精子形态是否正常,所有这些指标对精子穿透卵子及其受精都是非常重要的因素。通过精液常规检查分析可了解精液量、精子凝集情况、精子形态、精子活率与活力、精子密度及其精液中精子总量等方面的信息。但这些信息的获得,以前是靠检验医师在显微镜下根据肉眼观察的结果进行主观判断,其结果不仅受检验师技术水平的影响,而且带有一定的主观性。目前,已发展了一系列客观评价人类精子活力及其运动特征的新技术。如采用浊度分析法、激光散射测量仪来评价精子活力、显微摄像术、连续分步曝光照相术和CASA技术等。这些方法提供了客观而有价值的资料,其中以CASA分析技术受到普遍重视。它可达到客观准确的定量化,通过对精子运动轨迹的分析,可获得精子运动的多项参数,使人们对精子活力有了更深层次的了解[5~8]。然而,CASA系统受诸多因素的影响,如测定精子密度的准确性受精液中细胞成分和非精子颗粒物质的干扰,测定活动精子的百分率也受精液中非精子物质的影响;由于不同类型CASA产品所设置的系统参数不同,无法进行相互比较;加上它所反映的是单个精子的运动参数,缺少对精子群体的了解[9],因而CASA诸参数与生育力的相关性受到质疑。

    1.2 精子获能和顶体反应试验[10] 精子离开男性生殖道后,必须在女性生殖道内经历一段成熟过程,才能获得受精能力。1951年张民觉(MC Chang)和CR Austin分别发现了这一生理现象,并称为精子获能(sperm capacitation)。在获能期间,精子Ca2+通透性、耗氧量和糖酵解明显增加。腺苷酸环化酶被激活,导致细胞内cAMP升高,精子活力增加,从而促进精子获能。获能是精子AR的前提,只有获能的精子才能发生AR。此时,顶体酶原(proacrosin)转化为有活性的顶体酶(acrosin),有助于精子与卵子发生识别、结合和穿透。精子获能后,可穿入卵子外周的卵丘细胞及其间质(COM),并可在卵丘细胞间自由地游动。精子穿过COM,不仅需要依靠自身的超激活运动,而且需要携带糖基化磷脂酰肌醇(GPL)-锚定的表面透明质酸酶(简称PH-20)[11]。倘若缺少这些酶的作用,精卵不能结合,受孕也就成为一句空话。在人类受精过程中,AR是精子功能检测的另一个重要环节。因为只有AR的精子才能穿过卵透明带(ZP),与卵子发生融合。因此AR是评价男性生育力的一项重要指标,对AR的评价可以了解精子是否具有释放顶体酶的功能、精子穿透卵ZP以及精卵融合。在精液分析中,形态正常的精子也存在着不正常的AR,这种精子是没有穿透卵子和受精能力的。因而,目前在临床上亟待开展精子获能和AR的检查,尤其是对于那些不明原因男性不育患者。

    1.3 精卵相互作用试验 反映精卵相互作用的试验主要包括人精子穿透去透明带仓鼠卵试验和人半透明带结合试验等。一般认为,精卵细胞间相互作用的评估是评价人精子受精能力最重要最可靠的方法。临床上应用最广泛的检测精卵相互作用的试验是人精子穿透去透明带仓鼠卵试验,简称精子穿卵试验(sperm penetration of zona-free hamster egg assay,SPA)[4,5]。它可提供(1)精子获能及AR;(2)精子与卵膜融合的能力;(3)精子核解聚能力等方面的资料,国外已作为临床常规方法。但SPA不能提供精子与透明带结合能力的信息,而半透带结合试验可弥补这一缺陷。

    1.4 半透明带结合检验 半透明带结合检验(hemi-zona binding assay,HZA)是由Franken领导的研究组[12]于1988年所创造出来的方法,其原理是采用人类卵子直接来检验精子与卵子结合能力。方法是将人类成熟卵子透明带等分成两半,并将待测的病人精子与生育力正常捐赠者的精子,各加入一半卵透明带,培养一定时间后比较两半卵透明带所结合的精子数作为精子功能的指标。根据Forti和Kraousz(1998年)采用不同精子功能检测来评价100例不明原因性不育男子的受精率,HZA不但是最好的精子功能检测方法,而且其对精子受精能力的预测远远超过其他检查所提供的信息[13],但最大的缺点是该方法需要用人类成熟卵,而且要借助显微操作技术将人卵切成两等份,这样限制了该方法的推广。而利用人工合成的rhZP3有可能解决这一难题[14]。

    2 ZP3研究的发展现状

    所有哺乳类动物卵子细胞膜完全被ZP所包被。卵透明带是由初级卵母细胞成熟过程中分泌而形成的一层糖蛋白,它保护卵子和受精卵免受外界伤害,同时卵透明带也是受精过程中精子必须穿过和阻止种间受精的屏障[14,15]。人ZP主要由三种糖蛋白组成,根据其蛋白电泳分子量排序,分别命名为:ZP1(90-110KDa)、ZP2(64-76KDa)和ZP3(57-73KDa),这三种糖蛋白在生化特性和免疫学性质上具有不同功能,其中ZP3糖蛋白诱发精子顶体反应,并且参与精子O-连接的寡糖侧链与卵子结合,是精子的初级或一级受体,而ZP2则是精子的次级受体,它在受精后连同ZP3一起被修饰,受精后它具有阻断多精入卵的作用,这两种蛋白形成二聚体,由ZP1将ZP2与ZP3交叉连接形成胞外ZP丝状体[16]。ZP3的功能主要表现在:ZP3是精子受体,只有顶体完整的精子才能与成熟卵的ZP结合。在精卵识别期间,ZP3和精子细胞膜上的ZP3受体介导精子与卵子透明带之间的结合,ZP3与精子结合诱发顶体反应。虽然许多不同的因子如孕酮和GABA也都能诱导顶体反应,但一般认为ZP3是精卵识别和结合的关键精子受体蛋白(亦称卵子蛋白),也是引起获能精子发生顶体反应的天然激动剂。由于卵子透明带是一个不影响激素水平的生殖特异性阻断位点,它决定精子顶体反应和穿过卵ZP,从而影响受精的成败。因此,ZP3也是理想的抗生育靶抗原,可以用于研制防治有害动物免疫不育疫苗,也可制成控制人类生殖的避孕疫苗。近年来,随着分子生物学技术的大量应用,ZP基因功能的研究已成为生殖医学的热点。除了它在受精过程中的作用外,由于透明带蛋白抗原性强、抗生育效果可靠且可逆、避孕环节为阻止精卵结合等优点,具有潜在的被开发为避孕疫苗的应用价值,因而被认为是少数几个最有前景的免疫避孕疫苗之一。10多年来,生殖生物学家对其抗原的避孕效果和生物学功能均做了深入的研究[17~19],并发展成功了包括人类ZP1、ZP2和ZP3蛋白在内的其他哺乳动物物种。目前,应用沙门杆菌表达的生殖相关抗原用于免疫避孕。已有报道,免疫避孕研究中的免疫佐剂已通过多肽疫苗缓释系统而取得突破[20]。重组体人ZP3在PA-1细胞系中表达,证明了有生物活性的完整频谱,因此,在人工授精检查、诊断男性不育和避孕新策略等方面,显示出了重要价值[21]。

    近年来,从分子水平上开展了诸如小鼠ZP3基因的克隆、转录和表达蛋白特征等的研究,使这一领域的研究跃上了新的台阶,借助遗传工程获取大量廉价的天然ZP3蛋白,为制备XP3疫苗的新策略奠定了基础。哺乳动物ZP基因研究的兴起,为ZP免疫避孕研究注入了新的活力,尤其是人ZP3基因的分离及其生长cDNA特性的鉴定,进而为研制人ZP主动免疫避孕疫苗和开展相关原发性和特发性男性不育机制的深入研究提供了重要的契机。

    3 今后的研究趋势

    利用生物信息资源、采用基因重组技术表达人ZP3蛋白或它的肽片段抗原。一旦通过遗传工程获得天然人ZP3材料,并证明其表达蛋白具有相同的生物活性,就可解决人类ZP3获取和保存不易的困难,从而推动精子功能测定、受精机制、人类不孕不育病因等一系列的应用和基础研究。借用小鼠自身ZP肽免疫接种的策略,运用生物技术方法筛选能被B细胞识别的人ZP3抗原决定簇,然后合成或用遗传工程技术制备更理想的人ZP3肽避孕疫苗[22]。

    4 结语

    由于透明带是卵子独有的,育龄妇女1个月仅排出一个卵子,想分离纯化足够量用于研究的人透明带蛋白显然是不可能,从而成为制约当前生殖医学研究的瓶颈。目前已对透明带基因克隆和生物表达及其B-和T-细胞表位鉴定的分子水平进行了研究[22],但国内外迄今尚无通过基因工程获得天然或糖基化的人透明带蛋白的有效途径。随着人ZP三个蛋白编码基因的相继克隆,近年来一些实验室开始借助基因工程手段获得各组份ZP蛋白[23],试图从根本上获取充足的主要研究材料,以不断深入地研究其精卵受精机制和研制出免疫避孕疫苗,为计划生育和优生优育开辟新的前景。可以预见,应用ZP疫苗控制人类生育的目标为期不远了。

    参考文献

    1 王一飞.促进生殖健康,实现新千年发展目标.生殖医学杂志,2004,13:325-329.

    2 Stephen EH,Chandra A.Update projection of infertility in the united states:1995-2025.Fertil Steril,1998,70:30-34.

    3 林宏益,曲锡萍.河北省男性不育抽样调查.生殖医学杂志,1994,3:173-176.

    4 石其贤,袁玉英,倪崖.生殖医学和不孕不育研究现状.生殖医学杂志,2005,4(3):172-175.

    5 谷翊群,陈振文,于和鸣,等(译).人类精液及精子-宫颈粘液相互作用实验室检验手册,第4版.北京:人民卫生出版社,2001,28.

    6 Franken DR,Barendson R,Kruger TF.A continuous quality control(CQC)program for strict sperm morphology.Fertil Steril,2000,74:721-724.

    7 Mackenna A,Barratt CLR,Kessopoulou E,et al.The contribution of a hidden male factor to unexplained infertility.Fertil Steril,1993,59(2):405-411.

    8 岳焕勋.计算机辅助的精子运动分析.生殖医学杂志,1994,4:183-186.

    9 袁玉英,石其贤.精子功能的评价.生殖与避孕,1998,18:58-61.

    10 石其贤,袁玉英.受精生物学.北京:科学出版社,2000,69-95,105-138.

    11 Primakoff P,Myles DG.Penetration,adhesion,and rusion in mammalian sperm-egg interaction.Science,2002,296(5576):2183-2187.

    12 Burkman LJ,Coddington CC,Franken DR,et al.The hemizona assay(HZA):development of a diagnostic test for the binding of human spermatozoa to the human hemizona pellucida to predict fertilization potential.Fertil Steril,1998,49:688-693.

    13 Forti G,Kraousz C.Clinical Review 100:evaluation and treatment of the infertility couple.J Clini Metab,1988,83:4177-4188.

    14 Sivvapurapu N,Upadhyay A,Hasegawa A,et al.Native zona pellucida reactivity and in-vitro effect on human sperm-egg binding with antisera against bonnet monkey ZP1 and ZP3 synthetic peptides.Reprod Immunol,2002,56:77-91.

    15 Kim CH,Seo BB,Yamanouchi K,et al.Essential Role of ZP Molecules in Tubal Transport of Embryos in Mice.Mol Reprod and Develop,2002,61:327-334.

    16 Wassarman P.Mammalian fertilization molecular aspects of gametes adhesion,exocytosis and fusion.Cell,1999,92:175-178.

    17 Skinner SM,Prasad SV,Ndolo T,et al.Zona Pellucida Antigens:Target for contraceptive vaccines.Am J Rep lmmunol,1996,35:163-174.

    18 Aitken RJ,Paterson M,Van Duin M.The potential of the zona pellucida as a target for immunocontraception.Am J Reprod Immunol,1996,35:175-180.

    19 Dunbar BS,Timmons TM,Skinner SM,et al.Molecular analysis of a carbohydrate antigen involved in the structure and function of zona pellucida glycoproteins.Biol Reprod,2001,65:951-960.

    20 Stevens VC, Powell JE, Rickey M, et al. In Gamete Interaction:

    prospects for Immunocontraception, NJ Alexander, D Acosta, Griffin, GMH Waites, J Spieler(eds).New York:Wiley-Liss,1990,549-564.

    21 Ke Wen Dong,Ting Fung Chi,Yu Wen Juan,et al.Characterization of the biologic activities of a recombinant human zona pellucida protein 3 expressed in human ovarian teractocarcinoma(PA-1) cells.Am J Obstet Gynecol,2001,184:835-844.

    22 顾少华,谢毅,徐万祥,等.去N端信号肽和C端跨膜区猪卵透明带3β蛋白在原核系统表达的研究.生物工程学报,2001,17:16-19.

    23 Govind CK,Hasegawa A,Koyama K,et al.Delineation of a conserved B cell epitope on bonnet monkey(Macaca Radiata) and human zona pellucida glycoprotein-B by monoclonal antibodies demonstrating inhibition of sperm-egg binding.Biol Reprod,2000,62:67-75.

    作者单位: 310013 杭州 浙江省医学科学院

    (收稿日期:2005-05-30) (编辑 夏 露), 百拇医药(倪 崖 周思畅 石其贤)