Spermatogeneza

1. Profil procesu

1.1. Definicja i przebieg ogólny

Spermatogeneza obejmuje przekształcenie spermatogonium — komórki macierzystej o zwykłym zestawie chromosomów — w plemnik, komórkę haploidalną o skrajnie wyspecjalizowanej budowie. Zachodzi w kanalikach plemnikotwórczych jądra i przebiega przez całe życie dorosłe, choć z wiekiem zwalnia.

Czas trwania pełnego cyklu wynosi u człowieka około 74 dni, do czego dochodzi kilkanaście dni dojrzewania i transportu w najądrzu. Łącznie daje to blisko trzy miesiące, a wniosek praktyczny jest jednoznaczny: wynik badania nasienia opisuje warunki panujące przed kwartałem. Choroba gorączkowa, kuracja lub okres intensywnego stresu sprzed dwóch miesięcy będą widoczne w wyniku wykonanym dzisiaj, natomiast interwencja rozpoczęta w zeszłym tygodniu — nie.

Proces przebiega falowo: sąsiadujące odcinki kanalika znajdują się w różnych etapach, dzięki czemu wytwarzanie plemników jest ciągłe, a nie cykliczne.

1.2. Miejsce i komórki uczestniczące

Podział zadań między dwiema populacjami komórek jest kluczem do zrozumienia obrazu hormonalnego w zaburzeniach płodności. Komórki Leydiga odpowiadają za czynność hormonalną, komórki Sertolego za wytwarzanie plemników — dlatego możliwe jest zachowanie prawidłowego stężenia testosteronu przy głęboko upośledzonej spermatogenezie.

1.3. Etapy

Proces dzieli się na trzy fazy o odmiennym charakterze.

Faza rozmnażania. Spermatogonia dzielą się przez mitozę; część komórek potomnych pozostaje pulą macierzystą, a część wchodzi na drogę różnicowania. Zachowanie tej równowagi warunkuje utrzymanie płodności przez dziesięciolecia.

Faza mejozy. Spermatocyty przechodzą dwa podziały redukcyjne, w wyniku których powstają komórki haploidalne. Etap ten obejmuje wymianę materiału genetycznego między chromosomami i jest najbardziej podatny na uszkodzenia — zarówno termiczne, jak i toksyczne [3].

Spermiogeneza. Okrągła spermatyda przekształca się w plemnik bez podziału komórkowego: powstaje akrosom, chromatyna ulega skrajnemu upakowaniu przez zastąpienie histonów protaminami, formuje się witka, a mitochondria układają się w jej wstawce. Nadmiar cytoplazmy zostaje usunięty jako ciałko resztkowe. Ostatnim etapem jest spermiacja — uwolnienie plemnika do światła kanalika.

Upakowanie chromatyny protaminami ma następstwo istotne klinicznie: plemnik traci zdolność naprawy DNA, więc uszkodzenia powstałe później pozostają nienaprawione aż do zapłodnienia.

2. Mechanizmy

2.1. Komórki Sertolego i bariera krew–jądro

Komórki Sertolego tworzą między sobą ścisłe połączenia, dzieląc kanalik na przedział podstawny i przyświatłowy. Powstała w ten sposób bariera krew–jądro izoluje dojrzewające komórki rozrodcze od krwi i od układu odpornościowego.

Znaczenie tej struktury wynika z chronologii rozwoju. Komórki mejotyczne pojawiają się dopiero w okresie dojrzewania, długo po ukształtowaniu się tolerancji immunologicznej, więc układ odpornościowy rozpoznaje je jako obce. Przerwanie bariery — po urazie, zabiegu lub zapaleniu — prowadzi do powstania przeciwciał przeciwplemnikowych, będących jedną z przyczyn niepłodności.

Bariera nie jest strukturą sztywną: musi otwierać się i zamykać, aby przepuszczać komórki wędrujące ku światłu kanalika. Przebudowa ta zależy od cytoszkieletu aktynowego i jest wrażliwa na działanie substancji toksycznych, co czyni ją jednym z najczęstszych punktów uchwytu toksyczności rozrodczej [2].

2.2. Regulacja hormonalna

Sterowanie odbywa się przez oś podwzgórze–przysadka–jądro, z wyraźnym podziałem ról między gonadotropinami.

• LH pobudza komórki Leydiga do wytwarzania testosteronu, działając przez receptor sprzężony z białkiem G i wzrost stężenia cyklicznego AMP [1]
• FSH działa na komórki Sertolego, warunkując ich sprawność i wydzielanie inhibiny B
• Testosteron wewnątrzjądrowy działa miejscowo na komórki Sertolego i jest niezbędny do przejścia przez mejozę oraz spermiogenezę
• Inhibina B hamuje zwrotnie wydzielanie FSH i jest pośrednim wskaźnikiem stanu nabłonka plemnikotwórczego

Rozstrzygający jest tu punkt trzeci. Stężenie testosteronu w jądrze jest wielokrotnie wyższe niż we krwi, a takiej różnicy nie da się odtworzyć podaniem hormonu doustnie ani w zastrzyku. Preparat podany z zewnątrz podnosi stężenie we krwi, ale wyłącza wydzielanie LH i FSH, przez co stężenie wewnątrzjądrowe spada — i spermatogeneza ustaje.

Jest to mechanizm o dwóch obliczach. Z jednej strony stanowi podstawę badań nad hormonalną antykoncepcją męską, z drugiej — tłumaczy azoospermię u mężczyzn stosujących sterydy anaboliczne. Preparat mający „poprawić męskość” bywa w tej grupie bezpośrednią przyczyną niepłodności.

2.3. Temperatura

Jądra położone są poza jamą ciała, ponieważ spermatogeneza wymaga temperatury niższej od temperatury głębokiej ciała o kilka stopni. Utrzymuje ją splot żylny wiciowaty, działający jak wymiennik ciepła, oraz mięsień dźwigacz jądra zmieniający jego położenie.

Podwyższenie temperatury uszkadza poszczególne populacje komórek w nierównym stopniu: najbardziej wrażliwe są spermatocyty i wczesne spermatydy, natomiast komórki Sertolego i Leydiga wykazują większą odporność [3]. Dochodzi do nasilenia apoptozy, wzrostu wytwarzania reaktywnych form tlenu oraz do rozszczelnienia bariery krew–jądro [3].

Praktyczne następstwa dotyczą sytuacji codziennych: wnętrostwa, żylaków powrózka nasiennego, gorączki, sauny i długotrwałego przegrzewania okolicy — w tym pracy w wysokiej temperaturze. Ponieważ uszkodzenie dotyczy komórek w trakcie dojrzewania, jego skutek widoczny jest w badaniu nasienia po kilku tygodniach, a powrót do stanu wyjściowego wymaga pełnego cyklu.

2.4. Podatność na stres oksydacyjny

Plemnik ma niewielką ilość cytoplazmy, a więc ubogie zaplecze enzymów antyoksydacyjnych, a jego błona zawiera dużo wielonienasyconych kwasów tłuszczowych, podatnych na peroksydację. Reaktywne formy tlenu pełnią przy tym rolę fizjologiczną — uczestniczą w kapacytacji i reakcji akrosomowej — więc problemem jest ich nadmiar, a nie sama obecność.

Nadmiar prowadzi do uszkodzenia błony, spadku ruchliwości i fragmentacji DNA plemnika. Ponieważ chromatyna upakowana protaminami nie podlega naprawie, uszkodzenia te przenoszą się do zarodka. Mechanizm ten stanowi uzasadnienie dla stosowania antyoksydantów, którego ograniczenia omówiono w sekcji 3.5 [4].

3. Zaburzenia i modyfikacja

3.1. Zaburzenia spermatogenezy

Zaburzenia porządkuje się według miejsca uszkodzenia — tak samo jak przyczyny niepłodności męskiej, ponieważ podział ten wyznacza postępowanie.

Rozróżnienie ma znaczenie rokownicze. W postaci przedjądrowej leczenie przyczyny — odstawienie substancji hamującej oś lub podanie gonadotropin — bywa skuteczne. Wysokie FSH przy małych jądrach wskazuje na pierwotne uszkodzenie nabłonka plemnikotwórczego i rokuje gorzej. Postać pozajądrowa, mimo braku plemników w nasieniu, pozwala zwykle uzyskać je bezpośrednio z jądra.

3.2. Czynniki uszkadzające

• Sterydy anaboliczne i testosteron podawany z zewnątrz — hamowanie osi, niekiedy utrwalone
• Podwyższona temperatura moszny — wnętrostwo, żylaki powrózka, sauna, przegrzewanie [3]
• Chemioterapia i radioterapia — uszkodzenie komórek dzielących się; wskazanie do zabezpieczenia nasienia przed leczeniem
• Zapalenia — w tym zapalenie jąder w przebiegu świnki po okresie dojrzewania
• Substancje toksyczne i leki — część chemioterapeutyków, niektóre leki przeciwgrzybicze i przeciwbakteryjne, pestycydy; punktem uchwytu bywa cytoszkielet komórek Sertolego [2]
• Palenie tytoniu, alkohol, otyłość
• Wiek — powolne narastanie fragmentacji DNA plemników

Osobnym zagadnieniem jest spadek liczby plemników w populacji. Metaanaliza 223 badań, obejmująca próbki pobierane w latach 1973–2018 na wszystkich kontynentach, wykazała obniżenie średniej koncentracji plemników o 51,6%, przy czym tempo spadku po 2000 roku wzrosło z 1,16% do 2,64% rocznie [5]. Przyczyny pozostają przedmiotem badań, a wskazywane czynniki obejmują otyłość, tryb życia i narażenie środowiskowe.

3.3. Jak zbadać

Reguła praktyczna: pojedynczy nieprawidłowy wynik badania nasienia nie jest rozpoznaniem. Ze względu na zmienność biologiczną i długość cyklu badanie powtarza się po co najmniej kilku tygodniach.

3.4. Modyfikacja behawioralna

• Odstawienie sterydów anabolicznych — najczęstsza odwracalna przyczyna u młodszych mężczyzn
• Unikanie przegrzewania okolicy moszny — sauna, długie gorące kąpiele, praca w wysokiej temperaturze [3]
• Redukcja nadmiernej masy ciała — poprawia stężenie testosteronu i parametry nasienia
• Zaprzestanie palenia tytoniu i ograniczenie alkoholu
• Leczenie chorób współistniejących — cukrzycy, zaburzeń tarczycy, hiperprolaktynemii
• Zabezpieczenie nasienia przed leczeniem onkologicznym — postępowanie o ustalonym miejscu, wymagające podjęcia decyzji przed rozpoczęciem terapii
• Współżycie co 2–3 dni — długie przerwy pogarszają ruchliwość i nasilają fragmentację DNA

3.5. Wsparcie suplementacyjne

Punkt wyjścia stanowi rozróżnienie, które w materiałach handlowych bywa zacierane: poprawa parametrów nasienia nie jest równoznaczna ze wzrostem szansy na dziecko. Większość badań mierzy pierwsze, a wnioski przedstawia tak, jakby dotyczyły drugiego.

Przegląd Cochrane obejmujący 90 badań i 10 303 mężczyzn wykazał, że antyoksydanty mogą zwiększać odsetek urodzeń żywych (OR 1,43), lecz dowody oceniono jako bardzo niskiej jakości, a po wyłączeniu badań o wysokim ryzyku błędu systematycznego różnica przestała być istotna [4]. Odnotowano też częstsze dolegliwości żołądkowo-jelitowe.

Cztery uwagi praktyczne.

1. Ostatni wiersz tabeli jest najważniejszy. Preparaty adresowane do mężczyzn jako wspierające „męskość” mogą działać dokładnie odwrotnie do oczekiwań przy planowaniu potomstwa.
2. Ocena skuteczności wymaga trzech miesięcy — krótszy okres nie obejmuje pełnego cyklu spermatogenezy.
3. Efekt antyoksydantów zanika po wyłączeniu badań obarczonych błędem [4]; kategoria ta pozostaje uzupełnieniem, a nie leczeniem.
4. Wysokie dawki jednego antyoksydantu mogą szkodzić — reaktywne formy tlenu pełnią w plemniku funkcje fizjologiczne, a ich nadmierne wygaszenie zaburza kapacytację.

4. Karta praktyczna

Jak to zbadać

Podstawą jest badanie nasienia wykonane zgodnie z podręcznikiem WHO, a przy odchyleniach powtórzone po kilku tygodniach [6]. Ocenę uzupełnia badanie fizykalne z pomiarem objętości jąder i oceną w kierunku żylaków powrózka, a także oznaczenie FSH, LH, testosteronu i — jeśli dostępna — inhibiny B. Wysokie FSH przy małych jądrach wskazuje na pierwotne uszkodzenie nabłonka plemnikotwórczego, niskie gonadotropiny — na przyczynę ośrodkową lub egzogenną. W ciężkich postaciach i w azoospermii wykonuje się badania genetyczne przed leczeniem metodami wspomaganego rozrodu.

Na co uważać

• Wynik badania nasienia odzwierciedla warunki sprzed około trzech miesięcy.
• Testosteron i sterydy anaboliczne hamują spermatogenezę — u mężczyzny planującego potomstwo działają jak antykoncepcja.
• Wartości referencyjne nie są progiem płodności, a wynik prawidłowy nie wyklucza czynnika męskiego [6].
• Przegrzewanie moszny, gorączka i żylaki powrózka pogarszają parametry nasienia z opóźnieniem kilku tygodni [3].
• Zabezpieczenie nasienia przed leczeniem onkologicznym wymaga decyzji podjętej przed rozpoczęciem terapii.
• Ocena skuteczności jakiejkolwiek interwencji wymaga co najmniej trzech miesięcy.
• Dowody na skuteczność antyoksydantów są bardzo niskiej jakości, a efekt zanika po wyłączeniu badań obarczonych błędem [4].
• W populacji obserwuje się spadek liczby plemników, przyspieszający po 2000 roku [5].