Сперматогенеза и спермиогенеза су ћелијски процеси који производе зреле мушке полне ћелије. Ови процеси се одвијају унутар семиниферних тубула тестиса полно зрелог мужјака, као што је приказано на слици 1. Људски семиниферни тубули су дуги 30 до 70 цм и пречника 150 до 300 мм (Заневелд 1978). Сперматогоније (матичне ћелије) су смештене дуж базалне мембране семениферних тубула и основне су ћелије за производњу сперме.
Слика 1. Мушки репродуктивни систем
Сперматозоиди сазревају кроз низ ћелијских подела у којима се сперматогоније размножавају и постају примарни сперматоцити. Примарни сперматоцити у мировању мигрирају кроз чврсте спојеве које формирају Сертолијеве ћелије на луминалну страну ове баријере тестиса. Док сперматоцити стигну до мембранске баријере у тестису, синтеза ДНК, генетског материјала у језгру ћелије, је у суштини завршена. Када примарни сперматоцити заиста наиђу на лумен семиниферног тубула, они пролазе кроз посебну врсту ћелијске деобе која се јавља само у заметним ћелијама и позната је као мејоза. Мејотичка ћелијска подела доводи до раздвајања парова хромозома у језгру, тако да свака резултирајућа заметна ћелија садржи само једну копију сваког ланца хромозома, а не пар који се подудара.
Током мејозе хромозоми мењају облик кондензацијом и постају филаментни. У одређеном тренутку, нуклеарна мембрана која их окружује се распада и микротубуларна вретена се везују за хромозомске парове, узрокујући њихово раздвајање. Овим се завршава прва мејотска подела и формирају се два хаплоидна секундарна сперматоцита. Секундарни сперматоцити затим пролазе кроз другу мејотичку деобу да би формирали једнак број сперматида који носе Кс- и И-хромозом.
Морфолошка трансформација сперматида у сперматозоиде назива се спермиогенеза. Када се спермиогенеза заврши, Сертолијева ћелија ослобађа сваку ћелију сперме у лумен семиниферних тубула процесом који се назива спермација. Сперматозоиди мигрирају дуж тубула до рете тестиса и у главу епидидимиса. Сперматозоиди који излазе из семиниферних тубула су незрели: не могу да оплоде јајну станицу и не могу да пливају. Сперматозоиди ослобођени у лумен семиниферног тубула суспендовани су у течности коју производе првенствено Сертолијеве ћелије. Концентрована сперма суспендована у овој течности тече континуирано из семиниферних тубула, кроз мале промене у јонском миљеу унутар рете тестиса, кроз васа ефферентиа и у епидидимис. Епидидимис је једна високо намотана цев (дужина пет до шест метара) у којој сперматозоиди проводе 12 до 21 дан.
Унутар епидидимиса, сперматозоиди прогресивно стичу покретљивост и способност ђубрења. Ово може бити због промене природе течности суспензије у епидидимису. То јест, како ћелије сазревају, епидидимис апсорбује компоненте из течности укључујући секрете из Сертолијевих ћелија (нпр. протеин који везује андроген), чиме се повећава концентрација сперматозоида. Епидидимис такође доприноси сопственим излучевинама течности суспензије, укључујући хемикалије глицерилфосфорилхолин (ГПЦ) и карнитин.
Морфологија сперме наставља да се трансформише у епидидимису. Цитоплазматска капљица се испушта и језгро сперме се даље кондензује. Док је епидидимис главни резервоар за складиштење сперме до ејакулације, око 30% сперме у ејакулату је ускладиштено у семеноводу. Честа ејакулација убрзава пролаз сперматозоида кроз епидидимис и може повећати број незрелих (неплодних) сперматозоида у ејакулату (Заневелд 1978).
Ејакулација
Једном у семеноводу, сперматозоиди се транспортују мишићним контракцијама ејакулације, а не протоком течности. Током ејакулације, течности се насилно избацују из помоћних полних жлезда чиме се ствара семена плазма. Ове жлезде не избацују свој секрет истовремено. Уместо тога, булбоуретрална (Кауперова) жлезда прво излучује бистру течност, затим секрет простате, течност концентрисане сперме из епидидимида и ампуле семеновода, и на крају највећа фракција првенствено из семенских везикула. Дакле, семенска плазма није хомогена течност.
Токсична дејства на сперматогенезу и спермиогенезу
Токсиканти могу пореметити сперматогенезу у неколико тачака. Најштетнији, због неповратности, су токсиканти који убијају или генетски мењају (изван механизама поправке) сперматогонију или Сертолијеве ћелије. Студије на животињама су биле корисне за одређивање фазе у којој токсикант напада сперматогени процес. Ове студије користе краткотрајно излагање токсичном супстанцу пре узорковања да би се одредио ефекат. Познавајући трајање сваке сперматогене фазе, може се екстраполирати да би се проценила захваћена фаза.
Биохемијска анализа семенске плазме пружа увид у функцију помоћних полних жлезда. Хемикалије које луче првенствено свака од додатних полних жлезда се обично бирају да служе као маркер за сваку одговарајућу жлезду. На пример, епидидимис је представљен ГПЦ, семенске везикуле фруктозом, а простата цинком. Имајте на уму да ова врста анализе даје само грубе информације о функцији жлезде и мало или нимало информација о другим секреторним састојцима. Мерење пХ и осмолалности сперме дају додатне опште информације о природи семенске плазме.
Семенска плазма се може анализирати на присуство токсичног средства или његовог метаболита. Тешки метали су откривени у семенској плазми коришћењем атомске апсорпционе спектрофотометрије, док су халогеновани угљоводоници мерени у семенској течности гасном хроматографијом након екстракције или филтрације која ограничава протеин (Стацхел ет ал. 1989; Зикарге 1986).
Вијабилност и покретљивост сперматозоида у семенској плазми је типично одраз квалитета семенске плазме. Промене у виталности сперматозоида, мерене искључењем мрља или хипоосмотским отицањем, или промене у параметрима покретљивости сперматозоида би сугерисале пост-тестикуларне токсичне ефекте.
Анализе сперме такође могу да укажу да ли је на производњу сперматозоида утицао токсични супстанца. Број сперматозоида и морфологија сперматозоида дају индексе интегритета сперматогенезе и спермиогенезе. Дакле, број сперматозоида у ејакулату је у директној корелацији са бројем заметних ћелија по граму тестиса (Зукерман ет ал. 1978), док је абнормална морфологија вероватно резултат абнормалне спермиогенезе. Мртва сперма или непокретна сперматозоида често одражавају ефекте пост-тестисаних догађаја. Дакле, врста или време токсичног ефекта може указивати на мету токсичног средства. На пример, излагање мужјака пацова 2-метоксиетанолу је довело до смањене плодности после четири недеље (Цхапин ет ал. 1985). Овај доказ, поткријепљен хистолошким прегледом, указује да је мета токсичности сперматоцит (Цхапин ет ал. 1984). Иако није етички намерно излагати људе сумњивим репродуктивним токсичним супстанцама, анализе сперме серијских ејакулата мушкараца који су били ненамерно изложени потенцијалним токсичним супстанцама могу пружити сличне корисне информације.
Професионална изложеност 1,2-дибромохлоропропану (ДБЦП) смањила је концентрацију сперме у ејакулатима са медијане од 79 милиона ћелија/мл код неекспонираних мушкараца на 46 милиона ћелија/мл код изложених радника (Вхортон ет ал. 1979). Након уклањања радника са експозиције, они са смањеним бројем сперматозоида доживели су делимичан опоравак, док су мушкарци који су имали азооспермију остали стерилни. Биопсија тестиса је открила да је мета ДБЦП-а сперматогонија. Ово потврђује озбиљност ефекта када су матичне ћелије мета токсиканата. Није било индикација да је изложеност мушкараца ДБЦП била повезана са неповољним исходом трудноће (Потасхник и Абелиовицх 1985). Још један пример токсиканата који циља на сперматогенезу/спермиогенезу била је студија радника изложених етилен дибромиду (ЕДБ). Имали су више сперме са суженим главама и мање сперме по ејакулату него контролне групе (Ратцлиффе ет ал. 1987).
Генетско оштећење је тешко открити у људској сперми. Неколико студија на животињама које су користиле доминантни тест смрти (Ехлинг ет ал. 1978) указују на то да излагање оца може довести до неповољног исхода трудноће. Епидемиолошке студије великих популација су показале повећану учесталост спонтаних побачаја код жена чији су мужеви радили као механичари моторних возила (МцДоналд ет ал. 1989). Такве студије указују на потребу за методама за откривање генетских оштећења у људској сперми. Такве методе развија неколико лабораторија. Ове методе укључују ДНК сонде за откривање генетских мутација (Хецхт 1987), кариотипизацију хромозома сперме (Мартин 1983) и процену стабилности ДНК помоћу проточне цитометрије (Евенсон 1986).
Слика 2. Изложености позитивно повезане са штетним утицајем на квалитет сперме
Слика 2 наводи изложености за које је познато да утичу на квалитет сперме, а табела 1 даје резиме резултата епидемиолошких студија о утицају оца на репродуктивне исходе.
Табела 1. Епидемиолошке студије утицаја оца на исход трудноће
Препорука | Врста изложености или занимања | Повезивање са изложеношћу1 | дејство |
Студије становништва засноване на рекордима | |||
Линдбохм ет ал. 1984 | Солвентс | - | Спонтани побачај |
Линдбохм ет ал. 1984 | Аутосервис | + | Спонтани побачај |
Данијел и Вон 1988 | Органски растварачи | - | Спонтани побачај |
МцДоналд ет ал. КСНУМКС | Механика | + | Спонтани побачај |
МцДоналд ет ал. КСНУМКС | Прерада хране | + | Дефекти у развоју |
Линдбохм ет ал. 1991а | Етилен оксид | + | Спонтани побачај |
Линдбохм ет ал. 1991а | Рафинерија нафте | + | Спонтани побачај |
Линдбохм ет ал. 1991а | Импрегнати од дрвета | + | Спонтани побачај |
Линдбохм ет ал. 1991а | Хемикалије за гуме | + | Спонтани побачај |
Олсен ет ал. 1991 | Метали | + | Ризик од рака код деце |
Олсен ет ал. 1991 | Машинисти | + | Ризик од рака код деце |
Олсен ет ал. 1991 | Смитхс | + | Ризик од рака код деце |
Кристенсен и др. 1993 | Солвентс | + | Превремено рођење |
Кристенсен и др. 1993 | Олово и растварачи | + | Превремено рођење |
Кристенсен и др. 1993 | Довести | + | Перинатална смрт |
Кристенсен и др. 1993 | Довести | + | Морбидитет мушке деце |
Студије контроле случаја | |||
Кучера 1968 | Штампарска индустрија | (+) | Расцеп усне |
Кучера 1968 | Бојити | (+) | Расцјеп непца |
Олсен 1983 | Бојити | + | Оштећење централног нервног система |
Олсен 1983 | Солвентс | (+) | Оштећење централног нервног система |
Север и др. 1988 | Ниско зрачење | + | Дефекти неуронске цеви |
Таскинен и др. 1989 | Органски растварачи | + | Спонтани побачај |
Таскинен и др. 1989 | Ароматични угљоводоници | + | Спонтани побачај |
Таскинен и др. 1989 | Прах | + | Спонтани побачај |
Гарднер ет ал. 1990 | Зрачење | + | Леукемија у детињству |
Бонде 1992 | Заваривање | + | Време до зачећа |
Вилкинс и Синкс 1990 | пољопривреда | (+) | Тумор мозга код деце |
Вилкинс и Синкс 1990 | Građevinarstvo | (+) | Тумор мозга код деце |
Вилкинс и Синкс 1990 | Прерада хране/дувана | (+) | Тумор мозга код деце |
Вилкинс и Синкс 1990 | Метал | + | Тумор мозга код деце |
Линдбохмн ет ал. 1991б | Довести | (+) | Спонтани побачај |
Саллмен ет ал. 1992 | Довести | (+) | Конгенитални недостаци |
Веулеманс ет ал. 1993 | Етилен гликол етар | + | Абнормални спермиограм |
Цхиа и сар. 1992 | Метали | + | Кадмијум у семену |
1 – нема значајнијег повезивања; (+) маргинално значајна повезаност; + значајна асоцијација.
Извор: Преузето из Таскинена 1993.
Неуроендокрини систем
Целокупно функционисање репродуктивног система контролише нервни систем и хормони које производе жлезде (ендокрини систем). Репродуктивна неуроендокрина осовина мушкараца укључује углавном централни нервни систем (ЦНС), предњу хипофизу и тестисе. Улаз из ЦНС-а и са периферије интегрише хипоталамус, који директно регулише лучење гонадотропина од стране предње хипофизе. Гонадотропини, заузврат, делују углавном на Лејдигове ћелије у интерстицијуму и на Сертолијеве и заметне ћелије у семиниферним тубулима да регулишу сперматогенезу и производњу хормона у тестисима.
Оса хипоталамус-хипофиза
Хипоталамус лучи неурохормон гонадотропин ослобађајући хормон (ГнРХ) у васкулатуру хипофизног портала за транспорт до предње хипофизе. Пулсирајућа секреција овог декапептида изазива истовремено ослобађање лутеинизирајућег хормона (ЛХ), а уз мању синхронизацију и једну петину потенције, ослобађање фоликулостимулирајућег хормона (ФСХ) (Бардин 1986). Постоје значајни докази који подржавају присуство посебног хормона ослобађања ФСХ, иако ниједан још увек није изолован (Сави-Мооре и Сцхвартз 1980; Цуллер и Негро-Вилар 1986). Ове хормоне лучи предња хипофиза. ЛХ делује директно на Лејдигове ћелије да стимулише синтезу и ослобађање тестостерона, док ФСХ стимулише ароматизацију тестостерона у естрадиол од стране Сертолијеве ћелије. Гонадотропна стимулација изазива ослобађање ових стероидних хормона у сперматску вену.
Секрецију гонадотропина, заузврат, контролишу тестостерон и естрадиол путем механизама негативне повратне спреге. Тестостерон делује углавном на хипоталамус да регулише секрецију ГнРХ и на тај начин смањује фреквенцију пулса, пре свега, ослобађања ЛХ. Естрадиол, с друге стране, делује на хипофизу и смањује количину ослобађања гонадотропина. Преко ових ендокриних повратних петљи, функција тестиса уопште и секреција тестостерона посебно се одржавају у релативно стабилном стању.
Оса хипофиза-тестикул
ЛХ и ФСХ се генерално сматрају неопходним за нормалну сперматогенезу. Претпоставља се да је ефекат ЛХ секундаран у односу на изазивање високих интратестикуларних концентрација тестостерона. Стога, ФСХ из хипофизе и тестостерон из Леидигових ћелија делују на Сертолијеве ћелије у епителу семиниферних тубула да иницирају сперматогенезу. Производња сперме наставља, иако је квантитативно смањена, након уклањања или ЛХ (и вероватно високе концентрације тестостерона у интратестику) или ФСХ. ФСХ је неопходан за покретање сперматогенезе у пубертету и, у мањој мери, за поновно покретање сперматогенезе која је заустављена (Матсумото 1989; Схарпе 1989).
Хормонски синергизам који служи за одржавање сперматогенезе може да подразумева регрутовање ФСХ диференцираних сперматогонија да уђу у мејозу, док тестостерон може да контролише специфичне, наредне фазе сперматогенезе. ФСХ и тестостерон такође могу деловати на Сертолијеву ћелију да стимулишу производњу једног или више паракриних фактора који могу утицати на број Леидигових ћелија и производњу тестостерона од стране ових ћелија (Схарпе 1989). ФСХ и тестостерон стимулишу синтезу протеина у Сертолијевим ћелијама, укључујући синтезу протеина који везује андроген (АБП), док сам ФСХ стимулише синтезу ароматазе и инхибина. АБП се излучује првенствено у семиниферну тубуларну течност и транспортује се до проксималног дела епидидимиса капута, вероватно служећи као локални носилац андрогена (Бардин 1986). Ароматаза катализује конверзију тестостерона у естрадиол у Сертолијевим ћелијама и другим периферним ткивима.
Инхибин је гликопротеин који се састоји од две различите, дисулфидно повезане подјединице, а и б. Иако инхибин првенствено инхибира ослобађање ФСХ, он такође може ослабити ослобађање ЛХ у присуству ГнРХ стимулације (Котсуги ет ал. 1988). ФСХ и ЛХ стимулишу ослобађање инхибина са приближно једнаком снагом (МцЛацхлан ет ал. 1988). Занимљиво је да се инхибин лучи у крв вене сперме као импулси који су синхрони са онима тестостерона (Винтерс 1990). Ово вероватно не одражава директно деловање ЛХ или тестостерона на активност Сертолијевих ћелија, већ пре ефекте других Леидигових ћелијских производа који се излучују било у интерстицијални простор или у циркулацију.
Пролактин, који такође лучи предња хипофиза, делује синергистички са ЛХ и тестостероном како би промовисао мушку репродуктивну функцију. Пролактин се везује за специфичне рецепторе на Лејдиговој ћелији и повећава количину андрогеног рецепторског комплекса унутар језгра ткива која реагују на андроген (Бакер ет ал. 1977). Хиперпролактинемија је повезана са смањењем величине тестиса и простате, запремине сперме и концентрације ЛХ и тестостерона у циркулацији (Сегал ет ал. 1979). Хиперпролактинемија је такође повезана са импотенцијом, очигледно независно од промене лучења тестостерона (Тхорнер ет ал. 1977).
Ако се мере метаболите стероидних хормона у урину, мора се узети у обзир могућност да изложеност која се проучава може да промени метаболизам излучених метаболита. Ово је посебно важно јер већину метаболита формира јетра, мета многих токсиканата. Олово је, на пример, смањило количину сулфатних стероида који се излучују у урину (Апостоли ет ал. 1989). Нивои оба гонадотропина у крви постају повишени током сна како мушкарац улази у пубертет, док нивои тестостерона одржавају овај дневни образац током одраслог доба код мушкараца (Плант 1988). Стога узорке крви, урина или пљувачке треба сакупљати у приближно исто доба дана да би се избегле варијације због дневних секреторних образаца.
Отворени ефекти токсичног излагања који циља на репродуктивни неуроендокрини систем ће се највероватније открити кроз измењене биолошке манифестације андрогена. Манифестације значајно регулисане андрогенима код одраслог мушкарца које се могу открити током основног физичког прегледа укључују: (1) задржавање азота и развој мишића; (2) одржавање спољашњих гениталија и помоћних полних органа; (3) одржавање увећаног ларинкса и задебљаних гласних жица које изазивају мушки глас; (4) раст браде, аксиларних и стидних длачица и темпорална рецесија длаке и ћелавост; (5) либидо и сексуални учинак; (6) протеини специфични за органе у ткивима (нпр. јетра, бубрези, пљувачне жлезде); и (7) агресивно понашање (Бардин 1986). Модификације у било којој од ових особина могу указивати на то да је производња андрогена погођена.
Примери токсичних ефеката
Олово је класичан пример токсиканата који директно утиче на неуроендокрини систем. Концентрације ЛХ у серуму су биле повишене код мушкараца који су били изложени олову мање од једне године. Овај ефекат није напредовао код мушкараца изложених дуже од пет година. Ниво ФСХ у серуму није био погођен. С друге стране, нивои крвног притиска у серуму су били повишени, а нивои укупног тестостерона смањени код мушкараца који су били изложени олову дуже од пет година. Нивои слободног тестостерона у серуму су значајно смањени након три до пет година излагања олову (Родамиланс ет ал. 1988). Насупрот томе, серумске концентрације ЛХ, ФСХ, укупног тестостерона, пролактина и тоталних неутралних 17-кетостероида нису промењене код радника са нижим нивоом олова у циркулацији, иако је промењена учесталост дистрибуције броја сперматозоида (Ассеннато ет ал. 1986) .
Излагање сликара бродоградилишта 2-етоксиетанолу је такође смањило број сперматозоида без истовремене промене у серумским концентрацијама ЛХ, ФСХ или тестостерона (Велцх ет ал. 1988). Тако токсиканти могу независно утицати на производњу хормона и мерење сперме.
Мушки радници укључени у производњу нематоцида ДБЦП искусили су повишене серумске нивое ЛХ и ФСХ и смањен број сперматозоида и плодност. Ови ефекти су очигледно последице деловања ДБЦП на Лејдигове ћелије да мењају производњу или деловање андрогена (Маттисон ет ал. 1990).
Неколико једињења може испољити токсичност на основу структурне сличности са репродуктивним стероидним хормонима. Стога, везивањем за одговарајући ендокрини рецептор, токсични састојци могу деловати као агонисти или антагонисти да поремете биолошке одговоре. Хлордекон (Кепоне), инсектицид који се везује за естрогенске рецепторе, смањује број и покретљивост сперматозоида, зауставља сазревање сперме и смањује либидо. Иако је примамљиво сугерисати да су ови ефекти резултат утицаја хлордекона на деловање естрогена на неуроендокрином или тестисном нивоу, у овим студијама није се показало да су нивои тестостерона, ЛХ и ФСХ у серуму промењени на начин сличан ефектима терапије естрадиолом. . ДДТ и његови метаболити такође показују стероидна својства и може се очекивати да мењају репродуктивну функцију мушкараца ометајући функције стероидних хормона. Ксенобиотици као што су полихлоровани бифенили, полибромовани бифенили и органохлорни пестициди такође могу да ометају репродуктивне функције мушкараца испољавањем естрогенске агонистичке/антагонистичке активности (Маттисон ет ал. 1990).
Секуал Фунцтион
Људска сексуална функција се односи на интегрисане активности тестиса и секундарних полних жлезда, ендокриних контролних система и бихевиоралних и психолошких компоненти репродукције заснованих на централном нервном систему (либидо). Ерекција, ејакулација и оргазам су три различита, независна, физиолошка и психодинамска догађаја која се нормално дешавају истовремено код мушкараца.
Мало је поузданих података доступно о утицају професионалне изложености на сексуалну функцију због горе описаних проблема. Показало се да лекови утичу на сваки од три стадијума мушке сексуалне функције (Фабро 1985), што указује на могућност да професионална изложеност испољи сличне ефекте. Антидепресиви, антагонисти тестостерона и стимуланси ослобађања пролактина ефикасно смањују либидо код мушкараца. Антихипертензивни лекови који делују на симпатички нервни систем изазивају импотенцију код неких мушкараца, али изненађујуће, код других пријапизам. Феноксибензамин, адреноцептивни антагонист, се клинички користи за блокирање емисије семена, али не и за оргазам (Схилон, Паз и Хомоннаи 1984). Антихолинергички антидепресиви дозвољавају излучивање семена док блокирају избацивање семена и оргазам што доводи до тога да семенска плазма цури из уретре уместо да се избацује.
Рекреативне дроге такође утичу на сексуалну функцију (Фабро 1985). Етанол може смањити импотенцију док повећава либидо. Кокаин, хероин и високе дозе канабиноида смањују либидо. Опијати такође одлажу или ометају ејакулацију.
Огроман и разнолик спектар фармацеутских производа за које се показало да утичу на мушки репродуктивни систем пружа подршку идеји да хемикалије које се налазе на радном месту такође могу бити репродуктивне токсичности. За процену ове важне области репродуктивне токсикологије потребне су истраживачке методе које су поуздане и практичне за услове теренских студија.