Level of dioxins and glutathione system status in semen of male patients with infertility

Cover Page

Abstract

Aim. To evaluate of contamination of ejaculate by polychlorinated Dibenzo-p-dioxins/furans and to analyze the glutathione system status in males with infertility. Methods. 168 infertile and 49 fertile men were examined. Semen analysis was made in accordance with the World Health Organization protocol. The semen levels of persistent organic pollutants (dioxins and furans) was determined by a combination of high-performance capillary gas chromatography and high-resolution mass spectrometry, glutathione-depended enzymes activity - by enzyme-linked immunosorbent assay. Results. It is found that the levels of priority environmental pollutants of dioxins and furans classes was 2,2-2,3 times higher in the semen of infertile men compared to fertile donors. The maximum level of the most toxic congener - 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin - was detected in patients pathospermia, which was found in most infertile patients. The glutathione redox system status in males with infertility was characterized by the decrease in the reduced tripeptide concentration, decreased activity of glutathione-depended xenobiotic detoxification enzymes (glutathione peroxidase and glutathione-S-transferase), multidirectional shifts of metabolism-mediating enzymes (inhibition of glutathione reductase associated with stimulation of g-glutamyltransferase). The molecular mechanisms of polychlorinated dioxins/furans toxicity for the male reproductive system are discussed, which may be mediated by redox state-sensitive signaling systems modulation. Conclusion. Contamination of semen in infertile men by environmental pollutants of polychlorinated dibenzo-p-dioxins and furans classes supports the hypothesis of the relationship of the reproductive pathology with environmental factors. The most important link in the pathogenesis of decreased fertility in men associated with anthropogenic pollution is the change of glutathione antioxidant/antitoxic system activity.

Full Text

В настоящее время в развитых странах кон-соматическая патология, заболевания яичек и их статируют ухудшение репродуктивного здоровья придатков. Группу сравнения составили 49 фермужчин, основной причиной которого считают тильных мужчин, имеющих от одного до трёх загрязнение окружающей среды [2, 11]. Маркёра-здоровых детей. Обследование включало анализ ми техногенного прессинга являются патология спермограммы и определение в эякуляте конгенесперматогенеза, задержка пубертата, смещение ров ПХДД/Ф. Количественное определение ПХДД соотношения пола новорождённых, повышение осуществляли с помощью газовой хроматографии и распространённости рака яичка и предстатель-хроматомасс-спектрометрии высокого разрешения ной железы, увеличение частоты крипторхизма и [6]. Бесплодные мужчины были разделены на две гипоспадии [4, 12]. К экополлютантам репротокси-группы: первую составили пациенты без изменеческого действия относятся диоксины и диокси-ний спермограммы (нормоспермия, 63 человека), ноподобные ксенобиотики - полихлорированные вторую - пациенты с признаками патоспермии дибензо-пара-диоксины (ПХДД) и фураны (Ф), - (105 человек). Перед определением ПХДД образцы реализующие свои клеточные и метаболические эякулята во всех группах были объединены, для эффекты через арилуглеводородный рецептор, ас-анализа использовали 100 мл суммарного пула. социированный с ксенобиотик-респонсивным и Активность глутатионпероксидазы и антиоксидант-респонсивным (ARE) элементами глутатион-S-трансферазы определяли с помодезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) [8]. Мно-щью наборов «Gpx1 ELISA kit» (Чехия) и «GST гие авторы высказывают сомнения в отношении Assay Kit» («Immundiagnostik», ФРГ) соответкак существования феномена «кризиса сперматозо-ственно. Активность глутатионредуктазы и ида», так и его взаимосвязи с экологическим небла-γ-глутамилтрансферазы оценивали на анализаторе гополучием. Исходя из изложенного, целью работы «Stat Fax 1904+» (США). Статистическую обработстали количественный анализ ПХДД и оценка ку проводили с использованием пакета программ статуса глутатионовой антиоксидантной системы MS Excel 2003 «SPSS 12.0» для Windows. О достоверкак сенсоров химического стресса в эякуляте при ности различий между средними величинами супатологии фертильности. дили по t-критерию Стьюдента. Обследованы 168 пациентов клиник вспомо-Из 168 мужчин с бесплодием 63 (37,5%) имели гательных репродуктивных технологий в возрасте показатели спермограммы без отклонений от нор22-41 года, состоящих в бесплодном браке от 1 до мативов Всемирной организации здравоохранения 10 лет. Критериями исключения были тяжёлая (ВОЗ). У пациентов второй группы (105 человек, Таблица 1 Параметры спермограммы обследованных мужчин (M±m) Показатель Норма (ВОЗ, 2010) Бесплодные мужчины Нормоспермия (n=63) Патоспермия (n=105) Концентрация сперматозоидов, млн/мл Патологические формы, % Прогрессивно-подвижные сперматозоиды, % не менее 15 не более 86 не менее 32 47,3±2,4 41,5±5,3 45,8±6,1 12,6±2,0* 90,1±5,8* 21,3±1,9* Примечание: *р <0,05 по сравнению с нормоспермией. 62,5%) обнаружена тератозооспермия различной степени, сочетанная с олиго-и/или астенозооспермией. Анализ ПХДД/Ф выявил ряд особенностей их содержания и распределения в эякуляте (табл. 2). Уровень ПХДД/Ф в семенной жидкости мужчин контрольной группы был ниже, чем у бесплодных мужчин. Вместе с тем существенных различий суммарной концентрации этих поллютантов у инфертильных пациентов с нормо-и патоспермией не обнаружено. Показательно, что самый токсичный конгенер 2,3,7,8-ТХДД был найден в наибольшей концентрации у мужчин с патоспермией. Однако тетраизомеры ПХДД не вносили значительного вклада в общий уровень «диоксиновой» нагрузки - на их долю приходилось 12% эквивалентной дозы, основная же лепта принадлежала тетра-и пентафуранам, побочным продуктам отбеливания целлюлозы. Обращает на себя внимание относительно высокий фон загрязнения спермы пентаизомерами диоксинов, которые сопутствуют горению поливинилхлорида, а также гепта-и октаизомеров - спутников процессов сжигания мусора. В целом профиль конгенеров ПХДД/Ф в эякуляте отражает источники их эмиссии и не противоречит представлениям о техногенной природе репродуктивной патологии. Сперматогенный эпителий защищён гематотестикулярным барьером, который относится к гистогематическим барьерам изолирующего типа. Как следует из полученных данных, ПХДД/Ф способны преодолевать эту природную преграду, о чём свидетельствует их обнаружение в эякуляте в концентрациях, сопоставимых с таковыми в сыворотке крови [10]. Учитывая высокую биологическую активность ПХДД/Ф и причастность системы арилуглеводородных рецепторов, отвечающей за их биорецепцию, к обеспечению функции воспроизводства, правомерно предположение, что ПХДД прямо или опосредованно как «эндокринные разрушители» вовлекаются в цепочку событий в репродуктивных органах, следствием которых становится нарушение оплодотворяющей способности сперматозоидов. Реализация репротоксического действия ПХДД может осуществляться различными путями. Один из таких гипотетических механизмов, очевидно, сопряжён с модуляцией редокс-чувствительной сигнальной системы Keap1/Nrf2/ARE, которая выполняет функцию молекулярного сенсора сдвигов гомеостаза и предназначена для защиты клеток при стрессе [7]. Центральным исполнительным звеном этого сигнального пути является система глутатиона, результаты определения статуса которой приведены в табл. 3. Уровень восстановленного глутатиона в эякуляте пациентов с патоспермией оказался статистически значимо ниже, чем у фертильных доноров, на фоне ингибирования глутатионзависимых ферментов глутатионпероксидазы и γ-глутамилтрансферазы, вовлечённых в процессы обезвреживания ксенобиотиков и антиоксидантной защиты. Активность ферментов метаболизма глутатиона в обеих группах бесплодных пациентов изменялась разнонаправлено - скорость его регенерации в глутатионредуктазной реакции достоверно снижалась, в то же время отмечена стимуляция γ-глутамилтрансферазы, фермента распада и межорганного переноса глутатиона. Обнаруженные особенности состояния системы глутатиона, выполняющей функцию редокс-буфера, способны снизить толерантность сперматозоидов и их ДНК к Таблица 2 Содержание полихлорированных дибензо-пара-диоксинов/фуранов в сперме обследованных мужчин (пг/г липидов) Группа мужчин Конгенер Всего ТХДД ДД ГкХДД ГпХДД+ ОХДД ТХДФ+ ПнХДФ ГкХДФ ГпХДФ+ ОХДФ Фертильные доноры 19,1 28,7 18,3 13,5 98,4 22,6 11,9 212,5 Бесплодные (нормоспермия) 31,9 59,0 16,8 38,6 294,5 16,5 9,3 466,6 Бесплодные (патоспермия) 58,5 47,6 22,1 33,9 279,4 19,4 21,2 482,1 Примечание: ТХДД - тетрахлордибензо-п-диоксин; ПнХДД - пентахлордибензо-п-диоксин; ГкХДД - гексахлордибензо-п-диоксин; ГпХДД - гептахлордибензо-п-диоксин; ОХДД - октахлордибензо-п-диоксин; ТХДФ - тетрахлордибензофуран; ПнХДФ - пентахлордибензофуран; ГкХДФ - гексахлордибензофуран; ГпХДФ - гептахлордибензофуран; ОХДФ - октахлордибензофуран. Таблица 3 Показатели системы глутатиона в эякуляте обследованных мужчин (М±m) Показатель Фертильные доноры (n=49) Бесплодные мужчины Нормоспермия (n=63) Патоспермия (n=105) Глутатион, мкМ/л Глутатионредуктаза, нКат/мг белка γ-Глутамилтрансфераза, нМ/мин в 1 мг белка Глутатионпероксидаза, Е/мг белка Глутатион-S-трансфераза, нМ/мин в 1 мг белка 7,1±0,5 28,2±1,9 254± 28,3 305±21,2 15,4±1,1 7,2±0,4 20,6±1,8* 372 ± 39,1* 294±11,7 5,9±0,3* 6,1±0,3*,** 17,5±1,9* 426 ± 40,3* 171±9,1*,** 6,3±0,7* Примечание: *р <0,05 по сравнению с фертильными донорами; **р <0,05 по сравнению с нормоспермией. окислительному стрессу, который рассматривают в настоящее время как основную причину мужского бесплодия [1, 3, 5]. Обсуждая механизмы молекулярного действия загрязнителей окружающей среды на репродуктивную функцию, необходимо подчеркнуть, что суперэкотоксиканты класса диоксинов выступают в качестве триггера состояния регуляторных систем организма, в первую очередь редокс-чувствительной сигнальной системы Keap1/Nrf2/ARE, координирующей активность транскрипционных факторов кислородного и липидного гомеостаза, воспалительного и иммунного ответа, а также экспрессию генов глутатионзависимых элементов защиты клеток от электрофильных агентов [9]. Как представляется, нарушения регуляции этой сложной иерархической системы в стрессовых ситуациях может сопровождаться её выключением, дефицитом механизмов обезвреживания ксенобиотиков, нарушениями гомеостаза в мужских половых органах и развитием репродуктивной патологии. ВЫВОДЫ Повышенный уровень полихлорированных дибензо-пара-диоксинов и фуранов в эякуляте бесплодных мужчин по сравнению с фертильными донорами свидетельствует о взаимосвязи загрязнения окружающей среды и нарушений репродуктивной функции. Доказательством техногенной природы контаминации спермы служит обнаружение характерного профиля конгенеров диоксинов/фуранов, который соответствует особенностям современного промышленного производства. Один из основных механизмов репродуктивной патологии при экзогенных воздействиях ассоциирован с изменением состояния ключевых регуляторных систем, контролирующих глутатионзависимые звенья гомеостаза. Выражаем благодарность директору Башкирского республиканского научно-исследовательского
×

About the authors

Sh N Galimov

Bashkir State Medical University, Ufa, Russia

Email: sngalim@mail.ru

A Z Abdullina

Bashkir State Medical University, Ufa, Russia

R S Kidrasova

Bashkir State Medical University, Ufa, Russia

E F Galimova

Bashkir State Medical University, Ufa, Russia

References

  1. Божедомов В.А., Липатова Н.А., Спориш Е.А. и др. Роль структурных нарушений хроматина и ДНК сперматозоидов в развитии бесплодия // Андрол. и генит. хир. - 2012. - №3. - С. 82-92.
  2. Галимов Ш.Н., Галимова Э.Ф. Мужчина в зеркале эволюции, экологии, экономики и эмансипации // Экология и жизнь. - 2010. - №5. - С. 78-83.
  3. Громенко Д.С., Галимов Ш.Н., Шемагонов Д.В., Фархутдинов Р.Р. Роль активных форм кислорода в формировании мужской инфертильности // Казан. мед. ж. - 2007. - №4. - С. 23-24.
  4. Громенко Д.С., Галимов Ш.Н., Амирова З.К. и др. Гонадотоксическое действие полихлорбифенилов // Бюлл. эксперим. биол. - 2008. - №7. - С. 76-79.
  5. Aitken R., De Iuliis G., Gibb Z., Baker M. The simmet lecture: new horizons on an old landscape - oxidative stress, DNA damage and apoptosis in the male germ line // Reprod. Domest. Anim. - 2012. - Vol. 47, suppl. 4. - P. 7-14.
  6. EPA Method 1613. Tetra-through octa-chlorinated dioxins and furans by isotope dilution HRGC/HRMC. - 1994.
  7. Lushchak V. Adaptive response to oxidative stress: bacteria, fungi, plants and animals // Comp. Biochem. Physiol. C. Toxicol. Pharmacol. - 2011. - Vol. 153,N 2. - P. 175-190.
  8. Nguyen T., Nioi P., Pickett C. The Nrf2-antioxidant response element signaling pathway and its activation by oxidative stress // J. Biol. Chem. - 2009. - Vol. 284. - P. 13291-13295.
  9. Qiang Ma, Xiaoqing He. Molecular basis of electrophilic and oxidative defense: promises and perils of Nrf2 // Pharmacol. Rev. - 2012. - Vol. 64. - P. 1055-1081.
  10. Schecter A., McGee H., Stanley J. et al. Dioxins and dioxin-like chemicals in blood and semen of American Vietnam veterans from the state of Michigan // Am. J. Ind. Med. - 1996. - Vol. 30. - P. 647-654.
  11. Sharpe R. Environmental / lifestyle effects on spermatogenesis // Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. - 2010. - Vol. 365. - P. 1697-1712.
  12. Zanden L., van Rooij I., Feitz W. et al. Aetiology of hypospadias: a systematic review of genes and environment // Hum. Reprod. Update. - 2012. - Vol. 18,N 2. - P. 260-283.

Statistics

Views

Abstract: 350

PDF (Russian): 232

Cited-by

CrossRef: 1

  1. Owumi SE, Adedara IA, Farombi EO, Oyelere AK. Protocatechuic acid modulates reproductive dysfunction linked to furan exposure in rats. Toxicology. 2020;442:152556. doi: 10.1016/j.tox.2020.152556

Dimensions

Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX


© 2013 Galimov S.N., Abdullina A.Z., Kidrasova R.S., Galimova E.F.

Creative Commons License

This work is licensed
under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.





This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies