Estado actual y progreso de la investigación sobre la metabolómica del plasma seminal masculino
Oct 10, 2024
Abstracto: Calidad del esperma masculino rechazares un publico importanteproblema de salud a nivel mundial. Sin embargo,diagnóstico precisode las enfermedades asociadas sigue siendo un desafío y la patogénesis aún no está clara.plasma seminales una muestra ideal parainvestigación sobre reproducción masculina, ymetabolómica del plasma seminaltiene aplicaciones prometedoras en la investigación de posibles biomarcadores y mecanismos moleculares dereproducción masculina. En este artículo repasamos los típicossemenmetabolómicaestudios de 2011 a 2022, e introducir los aspectos técnicoscaracterísticasyestado de la solicitud oresonancia magnética nuclear,cromatografía de gases-espectrometría de masas, cromatografía líquida-espectrometría de masas y espectroscopia Raman. Además, resumimos las alteraciones en el metabolismo del plasma seminal atribuidas atrastornos reproductivos masculinosy exposiciones ambientales desde múltiples perspectivas, incluidos los métodos metabolómicos del plasma seminal, los marcadores metabólicos del plasma seminal y sus vías metabólicas involucradas, que incluyen principalmente el metabolismo energético, el metabolismo de los lípidos, el metabolismo de los aminoácidos y el metabolismo de los esteroides. Finalmente, analizamos las dificultades de la investigación de la metabolómica del semen en el campo de la reproducción masculina y proponemos tendencias de desarrollo futuras.
Palabras clave:metabolómica;plasma seminal; reproducción masculina; calidad del esperma
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La infertilidad afecta aproximadamente a 187 millones de parejas en edad fértil en todo el mundo, con una prevalencia del 15%, de las cuales los factores masculinos representan aproximadamente el 50% [1]. Las causas de la infertilidad masculina incluyen factores genéticos, estilo de vida y exposición ambiental, que se manifiestan principalmente como una disminución de la calidad del esperma [2]. Actualmente, el diagnóstico de infertilidad masculina se basa principalmente en el análisis de la calidad del semen, pero la infertilidad idiopática (que representa aproximadamente del 30 % al 40 % de los pacientes) no puede identificarse con precisión mediante análisis de semen de rutina, exámenes físicos y pruebas de laboratorio [3], y El diagnóstico o la intervención temprana enfrenta enormes desafíos [4].
El plasma seminal es un componente importante del semen. Está compuesto por líquido prostático, líquido de las vesículas seminales, líquido del epidídimo y líquido de secreción de las glándulas bulbouretrales. Es el entorno externo para el almacenamiento de espermatozoides, afecta la motilidad y la capacitación de los espermatozoides y afecta el proceso normal de fertilización a través de la interacción con el sistema reproductivo femenino [5-6]. Por tanto, se considera una muestra biológica ideal para la investigación reproductiva masculina [7]. Con el desarrollo de tecnología de alto rendimiento, la tecnología ómica multinivel (genoma, epigenoma, transcriptoma, proteoma y metaboloma, etc.) de la biología de sistemas se ha convertido en una poderosa herramienta para explorar los marcadores de infertilidad y la patogénesis [8]. Entre las diversas tecnologías ómicas, la metabolómica está más estrechamente asociada con los fenotipos biológicos. Estudia principalmente metabolitos endógenos de menos de 1000 Da [9]. Al analizar las diferencias metabólicas después de la estimulación o alteración del cuerpo, tejido o célula [10], se revelan los cambios en el mecanismo metabólico del sistema biológico [11]. El plasma seminal es rico en metabolitos activos de moléculas pequeñas, que aportan nutrientes para el proceso de fertilización. Los cambios moleculares en el plasma seminal pueden reflejar o afectar el estado de los espermatozoides y de todo el sistema reproductivo y, en última instancia, afectar la fertilidad masculina [12]. Las muestras de plasma seminal no requieren un tratamiento previo tedioso, lo que acorta el tiempo de detección de las muestras clínicas y reduce el sesgo de la operación del personal, lo que las hace muy adecuadas para la transformación clínica. La metabolómica del plasma seminal puede analizar de manera integral los metabolitos de moléculas pequeñas del plasma seminal, como nutrientes (aminoácidos, carbohidratos y lípidos, etc.), hormonas, nucleótidos, etc., y analizar de manera integral su asociación con los indicadores de salud reproductiva masculina.
La Tabla 1 resume los resultados típicos de la investigación sobre la metabolómica del plasma seminal en el campo de la salud reproductiva masculina en la última década, como la evaluación de la calidad del esperma o la fertilidad, el diagnóstico y la investigación del mecanismo de las enfermedades de infertilidad masculina y la evaluación de los efectos de la reproducción asistida.
Tecnología de metabolómica del plasma seminal.
Las técnicas de separación comúnmente utilizadas en la investigación de la metabolómica del plasma seminal incluyen cromatografía líquida de alta resolución (HPLC), cromatografía de gases (GC) y electroforesis capilar (CE), y las técnicas de detección incluyen espectrometría de masas (MS), resonancia magnética nuclear (NMR) y Raman. espectroscopia.
La cromatografía-espectrometría de masas tiene la mayor sensibilidad y especificidad de detección, mientras que la RMN tiene las características de buena reproducibilidad y análisis cuantitativo preciso, por lo que se ha convertido en la tecnología de investigación de la metabolómica del plasma seminal más utilizada (Tabla 1)[7, 12-33 ].
La cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC-MS) muestra grandes ventajas en el análisis de metabolitos de moléculas pequeñas, como aminoácidos, glucosa y ácidos nucleicos, mientras que la cromatografía líquida-espectrometría de masas (LC-MS) tiene una alta sensibilidad a biomacromoléculas (como la colina). y lípidos (como fosfolípidos) y no requiere una preparación de muestra compleja. Sin embargo, la espectrometría de masas sólo puede detectar sustancias ionizadas y no puede analizar metabolitos que son difíciles de ionizar. En comparación con la espectrometría de masas, la RMN puede cuantificar con precisión algunos metabolitos de alcohol o azúcar que no son fáciles de ionizar. Sin embargo, la sensibilidad de la detección del instrumento de RMN es baja y no se pueden realizar análisis específicos de metabolitos, lo que limita la aplicación de la RMN (Tabla 2). Por lo tanto, es necesario integrar los resultados de detección de cromatografía-espectrometría de masas y otros medios técnicos para obtener de manera integral la información del perfil de metabolitos del plasma seminal. Según el método de investigación, la metabolómica se divide en metabolómica dirigida y no dirigida. Los métodos de metabolómica dirigida tienen como objetivo identificar y cuantificar metabolitos conocidos, mientras que los métodos de metabolómica no dirigida se centran en detectar tantos metabolitos como sea posible, teniendo en cuenta los cambios en la abundancia de metabolitos conocidos y desconocidos. Dado que hay relativamente poca información sobre el metaboloma del plasma seminal, generalmente se utiliza el análisis diferencial de metabolitos utilizando métodos de metabolómica no dirigida para revelar posibles mecanismos patogénicos y objetivos potenciales.
1.1 Espectroscopia de resonancia magnética nuclear
La RMN es la primera tecnología utilizada en la investigación de la metabolómica. Puede realizar una detección imparcial y no destructiva de muestras y tiene las ventajas de una preparación sencilla, buena reproducibilidad y cuantificación precisa. En comparación con la EM, la RMN puede realizar análisis cuantitativos de metabolitos que no se ionizan fácilmente (como alcoholes o azúcares). Sin embargo, la RMN tiene un rango de detección estrecho, baja resolución y sesgo en el análisis cualitativo o cuantitativo de compuestos. Más importante aún, la RMN tiene baja sensibilidad y no puede satisfacer las necesidades del análisis de trazas de muestras biológicas o del análisis específico de metabolitos. Además, debido a la limitación del tiempo de integración, sólo se pueden detectar de 30 a 60 metabolitos en un único análisis y el rendimiento es bajo. Como se muestra en la Tabla 1, la investigación de la metabolómica del plasma seminal basada en RMN se centra principalmente en la detección de metabolitos como varios aminoácidos y sus derivados, ácidos grasos y azúcares, que se utilizan para distinguir los casos infértiles de los controles sanos [12, 18, 34 ]. Entre ellos, la diferencia en el contenido de aminoácidos en el plasma seminal es el foco de investigación, especialmente arginina, lisina, tirosina, etc. [13-15, 18, 30, 34]. Sin embargo, la mayoría de estos estudios utilizan métodos de cuantificación relativa de metabolitos, que carecen de cuantificación absoluta y no pueden compararse con datos públicos. No pueden aprovechar plenamente las ventajas de la RMN y tienen ciertas limitaciones [35].
1.2 Tecnología de cromatografía-espectrometría de masas
GC-MS es un medio importante en la investigación metabolómica, que detecta principalmente ácidos orgánicos y metabolitos volátiles. En el caso de los metabolitos no volátiles, se pueden convertir en compuestos adecuados para la detección por GC mediante derivatización. Qiao y cols. [25] examinaron 44 marcadores de infertilidad idiopática mediante métodos no dirigidos, especialmente el contenido de ácido 4-aminofenilacético, que se correlacionó positivamente con la concentración de esperma. Sin embargo, el rango de detección de GC es estrecho y solo puede detectar metabolitos específicos como aminoácidos o ácidos grasos en el plasma seminal.
Al mismo tiempo, el proceso de derivatización puede reducir la tasa de recuperación de metabolitos y aumentar el tiempo de análisis de las muestras. Además, las diferencias en los métodos de derivatización también plantean desafíos para el establecimiento de una base de datos estandarizada.
LC-MS es el principal medio técnico para la investigación de la metabolómica del plasma seminal. Se pueden seleccionar métodos de separación apropiados (fase normal, fase inversa) y modos de escaneo (ion positivo, ion negativo, etc.) en función de la categoría del metabolito objetivo (polar, no polar, etc.). Existen muchos métodos para extraer metabolitos.
La polaridad del metabolito objetivo determina el método de extracción, incluida la extracción de metabolitos generales y moléculas lipídicas hidrófobas. Según las propiedades de los metabolitos que se estudian, se pueden seleccionar diferentes tipos de columnas cromatográficas para lograr una separación eficiente, entre las cuales la cromatografía líquida de fase reversa es la más común. Según diferentes diseños experimentales, generalmente se divide en tecnología de metabolómica no dirigida basada en espectrometría de masas de alta resolución y tecnología de metabolómica dirigida basada en espectrometría de masas de triple cuadrupolo. La LC-MS se ha convertido en un punto de interés absoluto en la investigación de la metabolómica y se ha utilizado para determinar una variedad de metabolitos en el plasma seminal, incluidas varias carnitinas libres, acilcarnitinas, polisacáridos, aminoácidos, aminas biogénicas y lípidos [27, 32]. En el futuro, se espera que se utilice más ampliamente en el campo de la metabolómica del plasma seminal [36].
1.3 espectroscopia Raman
La espectroscopia Raman es un buen complemento a la RMN. Esta tecnología es insensible a la respuesta de sustancias polares y generalmente se utiliza para la identificación de metabolitos apolares. La tecnología de metabolómica del plasma seminal basada en espectroscopia Raman ha descubierto que existen diferencias significativas en las huellas metabólicas del plasma seminal entre hombres normales y hombres con astenospermia o infertilidad idiopática [20-21]. Los grupos funcionales específicos identificados indican diferencias en los metabolitos relacionados con el estrés oxidativo (OS) [21]. Sin embargo, debido a la falta de información de datos públicos, es difícil identificar o cuantificar con precisión los metabolitos. En comparación, hay relativamente pocos estudios sobre la metabolómica del plasma seminal basados en la tecnología de espectroscopia Raman, y la investigación generalmente se encuentra en la etapa exploratoria.
