纳米氧化铈的抗氧化作用可改善年龄相关的男性不育症外文翻译资料

 2022-03-30 21:37:44

Kobyliak et al. The EPMA Journal (2015) 6:12

DOI 10.1186/s13167-015-0034-2

R E S E A R C H Open Access

Antioxidative effects of cerium dioxide nanoparticles ameliorate age-related male infertility: optimistic results in rats and the review of clinical clues for integrative concept of men health and fertility

Nazarii M. Kobyliak1, Tetyana M. Falalyeyeva2, Olena G. Kuryk3, Tetyana V. Beregova2, Petro M. Bodnar1, Nadiya M. Zholobak4, Oleksandr B. Shcherbakov4, Rostyslav V. Bubnov4,6* and Mykola Ya Spivak4,5

Abstract

Background: Male infertility has largely idiopathic, multifactorial origin. Oxidative stress is a major factor that affects spermatogenesis, in particular in aging. Cerium dioxide nanoparticles (CNPs) due to their antioxidative properties are promising to impact on the development of male infertility. The aims of this study were to investigate the effects of CNPs on fertility parameters in 24-month male rats and to overview relevant literature in the field of personalized treatments, predictive diagnosis, and preventive measures for male health and fertility.

Methods: We included 30 24-month-old male rats. After a week of adaptation to the standard diet, the rats were randomly divided into three groups with ten rats in each. Group 1 (controls) received only a standard diet. The rats of group 2 and 3 in adjunct to the standard diet during 10 days received intragastrically 10 % sodium citrate and citrate-coated CNPs in dose 1 mg/kg, respectively. We assessed sex hormones, epididymal sperm parameters and spermatogenesis, ultrasound, and morphological data of rat reproductive organs.

Results: After a 10-day administration of CNPs, we revealed significant decrease of lipid peroxidation product levels in serum and increase of catalase and SOD activity, associated with increase of sperm count (p lt; 0.001) and improvement in quantitative sperm parameters (motility, viability, and percentage of spermatozoa). We found no significant changes between sperm quantitative parameters in citrate-treated rats and controls and observed age-related decrease of activated Leydig cell number and focal atrophy of the seminiferous tubules. In CNP group, we observed regeneration of seminiferous tubules, increase number and activation of Leydig cells, and 2.5-fold significant increase of serum testosterone. Ultrasound data showed the slight increase of linear measurement and volume of rat testes in CNP group. Review highlights the benefits for predictive diagnosis, preventive measures, and personalized approaches to manage male infertility in the general concept of male health also related to aging.

(Continued on next page)

* Correspondence: rostbubnov@gmail.com

4Zabolotny Institute of Microbiology and Virology, National Academy of Sciences of Ukraine, Zabolotny Str., 154, Kyiv 03680, Ukraine

6Clinical Hospital lsquo;Pheophaniarsquo; of State Management of Affairs Department, Zabolotny Str., 21, Kyiv 03680, Ukraine

Full list of author information is available at the end of the article

copy; 2015 Kobyliak et al. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly credited. The Creative Commons Public Domain Dedication waiver (http:// creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/) applies to the data made available in this article, unless otherwise stated.

Kobyliak et al. The EPMA Journal (2015) 6:12 Page 2 of 22

(Continued from previous page)

Conclusion: Citrate-coated 2–5-nm CNPs lead to increase in sex hormones levels, sperm count, and quality, as well as the activation of spermatogenesis in 24-month-old male rats. Nanoceria demonstrated the perspectives to be an effective infertility treatment via reduction of oxidative stress in male reproductive organs, in particular in aging.

Keywords: Predictive, preventive, and personalized medicine, Nanocrystalline cerium dioxide, Age-related male infertility, Oxidative–antioxidative balance, Infertility biomarkers, Seminal plasma, Ultrasound, Translation, Men health

Overview

Predictive, preventive, and personalized medicine for male infertility. Aspects of oxidative stress—challenge for nanomedicine

The tasks of predictive, preventive, and personalized medicine (PPPM) is to develop well-balanced family life through all life spans in aging society and promote sus-tainable reproduction health and healthy new gener-ation. The issue of the health of elderly in aging society and fertility of males is the crucially important task for medicine of the future which is focused in the separate paragraphs of granting research programs.

Cerium dioxide (CeO2) nanoparticles (CNPs) have shown promise as a therapeutic application due to their antioxi-dant auto-regenerative ability and low toxicity [1, 2]. The electronic structure of CNPs at the nanoscale leads to their antioxidant activity. Both large surface-area-to-volume ratio with the reduction in particle size [3, 4] and ability to re-versibly switch between Ce3 and Ce4 present on the sur-face [5, 6] result in the formation of oxygen defects in the crystal lattice that act as “reactive sites” or “hot spots” for free radical scavenging [7]. A schematic model explaining CNP surface regeneration and it

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纳米氧化铈的抗氧化作用可改善年龄相关的男性不育症

Nazarii M. Kobyliak1, Tetyana M. Falalyeyeva2, Olena G. Kuryk3, Tetyana V. Beregova2, Petro M. Bodnar1,Nadiya M. Zholobak4, Oleksandr B. Shcherbakov4, Rostyslav V. Bubnov4,6* and Mykola Ya Spivak4,5

背景：男生不育大多是特发性、多因素作用的结果。氧化应激是影响精子发生的主要因素，特别是在衰老过程中。纳米氧化铈（CNPs）由于其抗氧化性能，有望对男性不育症的发展产生影响。本研究的目的是探讨纳米氧化铈对24个月的雄性大鼠生育能力的影响，概述出相关文献在个性化治疗领域的预测诊断，对男性健康和生育的预防措施。并概述出在个性化治疗领域、预测诊断、男性健康和生育的预防措施的相关文献。

方法：30只24月龄雄性大鼠。在标准饮食一周后，将大鼠随机分为三组，每组十只。第1组（对照组）只接受标准饮食。大鼠组2和3在10天内以标准饮食为补充，分别以每公斤10%的柠檬酸钠和柠檬酸包覆的纳米氧化铈进行灌胃。我们评估了性激素、附睾精子参数和生殖器官、超声和大鼠生殖器官的形态学数据。

结果：进行十天的纳米氧化铈操作后，结果显示，血清脂质过氧化产物含量显著下降，过氧化氢酶和SOD活性升高，精子数增加（p＜0.001），精子数量（运动能力、活率、精子百分率）均有改善。我们发现，柠檬酸纳处理的大鼠和对照组的精子数量参数无显著变化，并观察精小管间质细胞数和局灶性萎缩的年龄相关性减少。在CNP组，观察到生精小管再生，间质细胞数量和活性增加，以及血清睾酮显著增加2.5倍。超声数据显示线性测量和CNP组大鼠睾丸体积略有增加。审查强调了预测性诊断、预防性措施和个性化方法治疗男性不育症的好处，男性健康的概念一般也与衰老有关。

结论：柠檬酸包覆2-5-nm CNPs会增加性激素水平，精子数量和质量，以及激活24个月大的雄性大鼠体内的精子。Nanoceria证明这是一种通过减少雄性生殖器官的氧化应激来治疗不孕不育的有效观点，特别是针对老龄化。

关键词：预测，预防和个性化药物，纳米氧化铈，年龄相关的男性不孕症，氧化-抗氧化平衡，不育标志物，精浆，超声，翻译，男性健康。

概述

男性不育症的预见性、预防性和个体化治疗。纳米医学在氧化应激方面的挑战

预测、预防和个性化医学（PPPM）的任务是在老龄化社会中发展平衡的家庭生活和促进可持续的生殖健康和健康的新一代。老龄化社会中的老年人健康问题和男性生育问题是未来医学的重要任务，其重点会放在研究项目的单独段落中。

纳米氧化铈（CeO2）（CNPs）由于其抗氧化自动再生能力和较低的毒性常在治疗中应用[ 1, 2 ]。纳米氧化铈在纳米尺度上的电子结构使其具有抗氧化活性。比表面积随颗粒尺寸的增大而减小[3, 4]和Ce3 和Ce4 在其表面上的可逆转换[5, 6]导致在氧化铈晶格中产生表面氧缺陷从而作为自由基清除的“反应位点”或“热点”[7]。示意图1说明了CNP表面再生及其活动表现。自催化和再生性能使CNPs成为理想的治疗剂[8, 9]。

最近的研究证实，CNPs有超氧化物歧化酶（SOD）[ 10, 11 ]和过氧化氢酶活性[ 12 ]，还有清除羟基（-OH）[ 13 ]或一氧化氮基团（-NO）[ 14 ]的能力。一些报告表明，尺寸小于10 nm的CNPs，无论剂量多少，都不引起明显的毒性或免疫反应，并能通过动物的耐受性实验[ 15, 16 ]。

活性氧（ROS）对雄性生殖系统具有双重作用。在一个健康的机体内，精子产生的少量活性氧，他们发挥了关键信号分子的重要作用，参与精子获能和顶体反应[ 17, 18 ]。由于各种生理条件，它们的产生和灭活之间的平衡受到强烈的控制[ 19 ]。由于各种生理条件，它们的产生与灭活的平衡受到各种清除剂的有效控制[ 19 ]。这种平衡在衰老过程和各种生殖障碍的情况下会被打破，从而导致ROS基的生成和抗氧化剂产生机制被破坏，使得产生氧化应激效果[20]。在人类和动物研究中，研究了氧化应激效果在精子中的作用，有导致DNA损伤[ 21, 22 ]，降低精子活性[ 23, 24 ]及基因表达能力[ 25, 26 ]，以及引起细胞膜完整性的破坏[19]。

在前期研究中，我们发现CNPs（2–5 nm）在剂量1mg/kg时对18个月雄性大鼠的精子有刺激作用。CNPs在剂量为100 mg/kg时对生殖系统形态功能的数值没有显著影响[ 27 ]。

从生殖、个人健康和生活质量的角度来看，对男性健康的预测性评估和广泛筛查计划还没有得到充分的研究和实施。

因此，本研究旨在定性和定量研究24个月雄性大鼠中CNPs对精子参数，精子产生，性激素水平，亲/抗氧化作用的影响。概述有关男性生育能力的个性化治疗、预测性诊断和预防措施的相关文献，获取并验证在预测、预防和个性化医学中获得的数据。

方法

柠檬酸包覆的CNPs的合成

0.1M的CNPs胶体溶液被0.1M的柠檬酸铵按以下方式稳定[28]：3.73g七水氯化铈（III）和2g柠檬酸溶解于20ml蒸馏水中。连续搅拌几下，将该溶液迅速加入氨水溶液中，混合10g浓氨水（Sigma, USA）和100ml蒸馏水。将所得混合物搅拌5小时，进一步煮沸，产生100ml的0.1 M氧化铈溶胶。最后，溶胶用异丙醇煮沸来沉淀分散提纯。

光学吸收光谱被海洋光学光谱仪QE 65000使用单光束方案记录下来。辐射源是一个DH 2000氘卤素灯和HPX 2000氙气灯。根据紫外光谱数据，CNPs的带隙为3.5eV。长期静置时，CNPs的带隙保持不变，从而表明氧化铈溶胶粒子的大小是恒定的。

通过透射电子显微镜（TEM）即LEO 912 AB Omega电子显微镜并保持100 kV加速电压来测定细胞大小。根据透射电镜和电子衍射数据（图2），该溶胶由弱聚合的各向同性的2 - 5nm的CNPs组成。

柠檬酸包裹的CNPs的电势和水力直径以动态光散射法（DLS）在Malvern Zetasizer Nano ZS分析仪上测量。在测量之前，溶胶先用蒸馏水稀释。DLS数据表明，CNPs的水力直径为4.9 nm。这与TEM数据相符，表明柠檬酸盐分子（亚单分子）层的颗粒大小没有明显影响。

CNPs的电势为负(minus;20 mV)。

在Rigaku D/MAX 2500衍射仪上以X射线衍射（XRD）法（Cukalpha;辐射，仪器引起的峰宽化0.10 plusmn; 0.01°2theta;）分析溶胶法制备纳米氧化铈的情况。测角仪的旋转速度为2°2theta;min。纳米氧化铈的最小晶格尺寸（D）的计算采用Scherrer公式，其各向异性系数为1。线性函数（111）和（200）的反射拟合Pseudo-Voigt函数。XRD分析表明，通过离心从溶胶中分离出颗粒是单相的立方CeO2。衍射峰宽化分析表明，这个合成方法可获得了微晶尺寸在3 nm左右的氧化铈样品。

实验设计

经过一周的标准饮食喂养后，将24个月大鼠随机分为三组，每组十只。第1组（对照组）只接受标准饮食。2组和3组在10天内分别灌胃1 mg/kg的柠檬酸钠和柠檬酸盐包裹的CNPs，并辅以标准饮食。

实验开始35天后（一次精子发生时间），将三个实验组（n＝30）大鼠用乌拉坦麻醉后用断颈致死。解剖后立即切除睾丸、附睾、前列腺和精囊（不含凝固腺），并称重（总重量和相对体重量）。相应脏器重量体重为脏器重量（mg）/体重（g）。

标本采集与血液生化分析

从心室心尖吸取血，收集几滴血到含有NaF ：EDTA= 2:1 (w/w) 的 microcentro-fuge管中。血液样本收集到一个无菌管中，于3500 rpm（2260g）离心15 min离心后，血液上清液分装于离心管等待进一步分析，并存储在minus;80°C。 用laquo;biovendorraquo;试剂盒（捷克共和国）以ELISA方法测定血清睾酮、黄体生成素（LH）水平。

精子参数评价

从左侧附睾尾部获取精子，置于2ml生理盐水（0.9%氯化钠）中。等待15分钟，取一滴精子悬液置于Goryaev计数室中，盖上22times;22mm盖玻片后按WTO规范测算精子数量，活力，活动率和形态[ 29 ]。在Olympus BX51（Olympus光学有限公司，东京，日本）times;400倍光镜下，计算出精子总数表达为times;106 /毫升。

每个样取至少200个精子于显微镜五个小格下评估精子运动。精子活性按如下方式分类并算出百分比：

  • A级——快速运动（直线运动速度不小于25mu;m/s或2秒内游动长度超过其本身长度）。
  • B级——缓慢运动（直线运动速度小于25mu;m / s）。WTO（2010）将A级和B级分类为“前进精子”。
  • C级——非前向运动(精子尾巴在动，但精子不向前运动)。
  • D级——精子不运动（精子无法运动）。

对精子活力的测量，将一滴精子悬浮液混合一滴0.05%的伊红Y染液。在室温下孵育2 min，在times;400放大倍数的光镜下观察。死精子的细胞被染成红色，活精子的细胞未被染色。每个样本的精子总数为100个，活精子数以百分比表示。

精子形态分析与苏木素染色。100个精子按以下情况分类：如正常、异常的精子头部（异常的形状、大小、双头或不定头，缺失或无顶体），或鞭毛异常（弯曲、缺少或多鞭毛、大小异常）。异常精子的总和以百分比表示。

睾丸组织学分析

在组织学研究中，将睾丸从右侧横向切割，于10%中性福尔马林溶液中固定。70～100%浓度的乙醇分级脱水，石蜡包埋。然后，将其3–5m连续切片，再用苏木素和伊红染色（Hamp;E），在Olympus BX51（Olympus Optical Co. Ltd., Tokyo, Japan）光镜下检查。约翰森评分用于精子产生的评估[ 30 ]。简单地说，在表1中有每种动物的100个曲细精管横截面评分，并计算了平均值。

脂质过氧化作用的测定

用分光光度法测量血清中脂质过氧化（LPO）产物（共轭双烯）的含量[ 31 ]。用硫代巴比妥酸反应，以硫代巴比妥酸反应物质（TBA反应物质）的含量为研究对象[ 32 ]。希夫碱的浓度，最终脂质过氧化产物的浓度都用荧光分光光度法[ 33 ]。

抗氧化酶活性测定

抗氧化作用情况由超氧化物歧化酶[ 34 ]和过氧化氢酶 [ 35 ]在血清中的含量体现。

大鼠睾丸的超声研究

我们使用高频探头为 5–12 MHz 的Philips/ATL HDI 3500 (Netherlands)超声扫描仪对干预前和干预后30天的大鼠睾丸进行超声检查（US）。我们得到横向、纵向测量长度和计算体积。我们使用最普遍的公式来计算一个睾丸椭球体积结构：长度（L）times;宽度（W）times;高度（H）times;0.52。

统计分析

采用SPSS-20软件进行统计分析。本研究所有数据均以平均值plusmn;标准差（M plusmn; SE）或%表示。使用Kolmogorov–Smirnov正态检验分析数据分布。若是连续变量的参数检验，使用（ANOVA）方差分析。如果结果是显著的，进行事后Tukey检验。若非参数性数据，使用Kruskall–Wallis检验。对于分类变量的比较，我们进行了一chi;2测试。当p值小于0.05时，各组间的差异有统计学意义。

道德声明

这项研究是严格按照《国家卫生研究院实验室动物护理和使用指南》和乌克兰第一届全国生物伦理学大会（2001年9月）批准的动物实验一般伦理原则的建议进行的。该协议是由委员会在基辅塔拉斯-舍甫琴科国立大学动物实验的伦理批准。将大鼠置于笼中，在温度（22plusmn;3°C）、光照（12小时明暗周期）、相对湿度（60plusmn;5%）条件下喂养。大鼠喂养饲料（PurinaW）和自来水并自由采食。

结果

身体和生殖器官重量

经过10天管理后，加CNPs或柠檬酸盐的大鼠体重没有明显差异。在对照组和治疗组间男性生殖器官的外部检查没有发现差异。我们分别比较实验组与对照组类似的生殖器官绝对和相对重量。与对照组相比，两组的精囊重量增加有统计学意义（P＝0.084）。数据汇总在表2中。各组的运动活动、外观和食物和水的消耗量相似。这些数据显示，缺失这10天对老龄雄性大鼠添加CNPs和柠檬酸的数据。

血清性激素水平

对血清睾酮的测量由图（图3A）显示，在对照组中，各值介于1.54至7.21 nmol / L之间（3.81plusmn;0.56 nmol / L的平均值），激素随雄性大鼠年龄降低。与对照和柠檬酸处理的大鼠相比，CNPs处理的大鼠检测到血清睾酮和LH水平分别显著增加2.5倍和2倍（图3）。与对照组相比，柠檬酸盐给药并未导致大鼠睾酮（P＝0.985）或LH（p＝0.698）显著改变。

附睾精子参数

表3总结了各组精子的定性和定量参数。10天内1 mg/kgCNPs处理大鼠导致与对照和柠檬酸处理组相比，精子数量分别显著增加18.7%（P＜0.001）和16%（P＜0.001）。

我们的研究结果表明，CNPs组与其他组比较精子活力有显著改善（

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