Возраст мужчины оказывает существенное влияние на репродуктивную систему, что доказано множеством исследований. Процессы естественного старения, а также накопленные с возрастом заболевания нарушают процесс созревания сперматозоидов. Снижается общее количество сперматозоидов, ухудшаются их морфологические характеристики и прогрессивная подвижность, уменьшается объем эякулята, повышается индекс фрагментации сперматозоидов [1]. Вследствие этого снижается вероятность наступления естественной беременности [2], а также становятся хуже результаты вспомогательных репродуктивных технологий (ВРТ) [3]. Кроме того, есть убедительные доказательства того, что возраст отца негативно влияет на течение достигнутой беременности и повышает вероятность некоторых заболеваний у потомства [4].

Средний возраст отцовства с каждым десятилетием неуклонно растет, и это обусловливает высокую актуальность изучения патогенеза бесплодия у мужчин старшей возрастной группы [5]. В ближайшее время можно ожидать появления все большего количества мужчин старше 50 и даже 60 лет, желающих получить медицинскую помощь по поводу бесплодия. Понимание патофизиологии возрастных репродуктивных нарушений может послужить основой для разработки персонализированной лечебно-диагностической тактики для этой группы пациентов. Представляем обзор литературы по вопросу патофизиологических, морфологических и генетических изменений репродуктивной системы у мужчин старшей возрастной группы.

Влияние процессов старения на мужскую репродуктивную систему

Старение — это не зависящий напрямую от возраста комплекс накапливающихся внутренних вредоносных функциональных и структурных изменений, которые начинают проявлять себя в зрелом репродуктивном возрасте, прогрессируют и приводят в итоге к кульминации в виде смерти. В рамках современных взглядов старение не рассматривается как болезнь или сумма патологических изменений в организме, накопленных со временем в результате различных болезней [6]. В такой формулировке эта модель несостоятельна, так как здоровые организмы тоже стареют. Скорее наоборот, старение, снижая функциональные резервы организма, делает его более предрасположенным к различным (ассоциированным с возрастом) болезням (онкологическим, сердечно-сосудистым заболеваниям, диабету и т.д.). Однако старение очень трудно рассматривать в отрыве от этих заболеваний, поскольку их патогенез часто обусловлен возрастными изменениями. Болезни выступают частью старения, их очень трудно разделить. Поэтому исследователи проблем старения вынуждены и должны принимать во внимание возрастные болезни при изучении процессов старения организма.

У мужчин с возрастом постепенно нарастают изменения в том числе и в репродуктивной системе, связанные с нарушениями сперматогенеза и стероидогенеза. Комплекс возрастных изменений обмена половых гормонов в организме мужчины достаточно подробно описан в литературе. Известно, что он характеризуется первичным возрастным дефицитом тестостерона [7].

Рядом продольных исследований доказано, что уровень общего тестостерона в крови снижается с возрастом [8]. И, вне всяких сомнений, с этим связаны симптомы гипогонадизма, такие как снижение эрекции и полового влечения [7]. Возрастное снижение уровня тестостерона связано со снижением выработки тестостерона клетками Лейдига. С возрастом уменьшается их количество [9], а у остающегося клеточного пула снижается чувствительность к лютеинизирующему гормону (ЛГ) [10]. Помимо изменения уровня общего тестостерона с возрастом отмечается снижение уровня свободного и биодоступного тестостерона [8], причем эти показатели снижаются значительно сильнее, чем уровень общего тестостерона. Этот факт связан с тем, что снижение уровня общего тестостерона сопровождается параллельным повышением уровня глобулина, связывающего половые гормоны (ГСПГ) [8]. Как следствие — снижается уровень «индекса свободного тестостерона» (общий тестостерон/ГСПГ).

Хорошо изучена возрастная динамика гонадотропинов — ЛГ и фолликулостимулирующего гормона (ФСГ), сопровождающая изменения стероидогенной и сперматогенной функции яичек. Отмечено, что возрастной дефицит андрогенов может сопровождаться как повышением, так и снижением уровней гонадотропинов [11]. Вторичный дефицит андрогенов (со сниженным уровнем ЛГ) встречается чаще первичного (связанного со старением, с повышенным уровнем ЛГ) и ассоциирован с ожирением и другими сопутствующими болезнями. Однако большинством исследований доказано, что с возрастом повышается уровень как ЛГ, так и ФСГ [8, 12]. Повышение уровня ЛГ начинается раньше и предшествует снижению уровня тестостерона. Считается, что этот гормональный профиль (нормальный уровень тестостерона и повышенный уровень ЛГ) характерен для стареющих мужчин и является субкомпенсированным первичным андрогенодефицитом [13]. Другой важный в контексте репродукции гормон гипофиза — пролактин — демонстрирует менее очевидную возрастную динамику. По данным одних авторов, его уровень, как и уровни гонадотропинов, повышается с возрастом [8]. По данным других авторов, уровень пролактина незначительно снижается [12].

Показано, что изменение уровней гонадотропинов является не просто ответом на возрастные изменения функции яичек, но представляет собой следствие возрастных изменений в самом гипофизе, а значит может играть самостоятельную роль в патогенезе бесплодия у мужчин старшей возрастной группы. С возрастом нарушается регулярность (цикличность, пульсовость) выделения ЛГ и, как следствие, тестостерона [14]. Выделение ЛГ становится более хаотичным, волны выделения гормона — значительно меньше, но это происходит чаще и нерегулярно. В экспериментальных работах отмечены функциональные возрастные изменения функции гипофиза в виде реакции гипофиза на введение экзогенного тестостерона и кломифена. В ответ на введение экзогенного тестостерона уровень ЛГ у мужчин старшего возраста снижается сильнее [15].

Уровень ФСГ повышается с возрастом более выраженно, чем ЛГ [16]. Это говорит о том, что сперматогенный компонент яичек (в частности, клетки Сертоли) страдает от возрастных изменений сильнее, чем стероидогенный. При этом повышение ФСГ не сопровождается настолько же выраженным снижением ингибина-В, который все же незначительно снижается [17]. Ингибин-В является более прямым и надежным маркером состояния клеток Сертоли, поэтому последняя находка противоречит гипотезе о возрастной депопуляции клеток Сертоли, а уровень ФСГ, вероятно, повышается в ответ на дисфункцию самих герминогенных клеток.

Влияние старения на анатомию и физиологию яичка

Одной из причин возрастного снижения фертильности могут быть анатомические и физиологические изменения в самих яичках, объем которых уменьшается в старшем возрасте [17]. В анатомических исследованиях на животных показано, что с возрастом снижается пропорция неизмененных семенных канальцев, снижается пропорция объема яичка, занятого семенными канальцами, за счет того, что уменьшаются диаметр и длина канальцев, а также их объем и объем их просвета [18]. В другой работе показано повышение пропорции круглых сперматид, заполняющих семенные канальцы, то есть затрудняется процесс элонгации круглых сперматид и, соответственно, дальнейшего сперматогенеза [19].

Получены интересные данные о возрастных изменениях клеточного состава яичек. Количество сперматогониев и их соотношение с клетками Сертоли с возрастом остаются прежними [20]. Пролиферация сперматогониев с возрастом снижается, как и всех других элементов, но при этом уменьшается и число событий апоптоза, за счет чего число клеток остается прежним. Это говорит о том, что, вероятно, снижается чувствительность механизмов апоптоза, а значит может повышаться пропорция сперматогониев с de-novo мутациями.

А вот количество клеток на последующих стадиях сперматогенеза (первичных сперматоцитов, круглых и продолговатых сперматид) снижается, как и снижается их отношение к клеткам Сертоли [20]. В отличие от сперматогониев, у первичных сперматоцитов повышается индекс апоптоза и замедляется экспрессия иммуногистохимического маркера Bcl-xl, который, вероятно, является регулятором скорости апоптоза. Количество самих клеток Сертоли также снижается, однако это снижение менее выражено, чем у сперматогенных клеток, что показано в работе M. Kimura и соавт. [20].

Количество клеток Лейдига, ответственных за синтез андрогенов, также снижается с возрастом [9]. Высказывалось мнение о том, что данный пул интерстициальных клеток яичка у мужчин старшей возрастной группы замещается другими мезенхимальными интерстициальными клетками [9]. Однако чуть позже эти же авторы показали, что количество других интерстициальных клеток яичка не увеличивается [21]. Из этого сделан вывод, что клетки Лейдига с возрастом не замещаются другими интерстициальными клетками, а гибнут и утилизируются. В другой работе L. Kaler и соавт. показали, что с возрастом прогрессивно снижается общий объем клеток Лейдига именно за счет снижения их количества, а не уменьшения объема отдельных клеток [22]. Помимо микроскопических и ультраструктурных изменений с возрастом меняется экспрессия различных метаболитов в тестикулярной ткани. Особый интерес представляет изменение экспрессии естественных антиоксидантов. В недавнем исследовании на животных показано существенное изменение антиоксидантного профиля ткани яичек. С возрастом значительно снижается экспрессия бетаина, креатина, глутатиона и таурина, а экспрессия карнитина, напротив, повышается [23]. Все эти метаболиты выполняют разные, не до конца установленные функции, но объединяет их то, что они являются частью внутренней антиоксидантной системы яичка [24, 25]. Существенное возрастное изменение экспрессии антиоксидантов в тестикулярной ткани поднимает ряд вопросов практического плана относительно эффективности антиоксидантной терапии при мужском бесплодии у мужчин старшей возрастной группы. Возможно, что у них антиоксидантная терапия будет более (или наоборот — менее) эффективна; может быть, станут более эффективными одни антиоксиданты, и менее эффективными — другие; не исключено, что будут оптимальными другие дозы и сроки приема препаратов. Исследований, проливающих свет на эти вопросы, мы в литературе не обнаружили.

В исследовании на животных показано, что с возрастом в репродуктивной системе значительно снижается экспрессия бета-дефензинов, составляющих важную часть естественной противомикробной защиты [26]. С дефицитом бета-дефензинов в сперме у людей ассоциированы лейкоцитоспермия, астенозоо-спермия, изменение «микробного пейзажа» репродуктивной системы и, соответственно, риска инфекционно-воспалительных заболеваний [27]. При этом восполнение этого дефицита in vitro повышало антимикробную способность эякулята.

В недавнем исследовании, выполненном J. Silva и соавт. (2019), в сперме стареющих мужчин обнаружены существенные изменения экспрессии маркеров сигнального пути mTOR [28]. Известно, что сигнальный путь mTOR — важная часть процессов естественного старения у млекопитающих. Фармакологические и генетические вмешательства, угнетающие сигнальный путь mTOR, позволяют существенно увеличить продолжительность жизни в экспериментах на животных [29]. По данным J. Silva и соавт., с возрастом в сперме, как и в большинстве других тканей организма, происходит повышение экспрессии маркеров mTOR, что приводит к повреждению белков и митохондрий, к повышению окислительного стресса. Но если отделить высокоактивную фракцию сперматозоидов методом Swim-up, оказывается, что в ней маркеры mTOR у мужчин старшего возраста угнетены [28]. Авторы делают предположение, что угнетение mTOR в высокоактивной фракции сперматозоидов у стареющих мужчин замедляет клеточное старение путем активации аутофагии. Эти данные не исключают возможность того, что фармакологическое угнетение сигнального пути mTOR может быть эффективным при бесплодии у мужчин старшего возраста. Авторы также отметили значительное возрастное повышение уровня маркеров стресса и апоптоза, основным из которых стал белок TP53. Интересно, что данные процессы активируются еще в возрасте 27 лет, значительно раньше возраста, в котором начинают появляться выраженные изменения показателей спермограммы [28].

Возрастные генетические нарушения сперматозоидов

Хромосомные аберрации

Хромосомные аберрации — первые из обнаруженных нарушений целостности генома, связанных с возрастом. Так, при анализе генома лимфоцитов периферической крови показано, что с возрастом происходит линейное повышение частоты различных геномных нарушений (анеуплоидий, транслокаций, ацентрических фрагментов, потери хромосом, формирования «микроядер») [30]. В свете этих данных возникают вопросы о том, что сходные хромосомные повреждения могут с возрастом накапливаться и в мужских половых гаметах.

Существует большая доказательная база, подтверждающая, что возраст отца ассоциирован с повышением частоты генетических и хромосомных дефектов сперматозоидов [30]. Наиболее изученным является вопрос анеуплоидий (нарушений количества хромосом). Эти нарушения возникают вследствие нерасхождения хромосом в ходе мейотического деления. Наиболее часто оплодотворение, наступившее с таким сперматозоидом, завершается спонтанным абортом. В нескольких исследованиях доказана ассоциация между повышением возраста матери и частотой трисомий. Однако природа этой взаимо-связи четко не определена. Не доказана связь возраста отца с частотой анеуплоидий, возможно, вследствие малого количество зарегистрированных случаев трисомии, обусловленных отцовским фактором, так как большинство аномальных эмбрионов гибнет (и становится недоступным для изучения) при самопроизвольном аборте. Кроме того, при исследованиях сложно дифференцировать материнское и отцовское влияние на анеуплоидию у эмбриона [31].

В отношении связи возраста мужчины с вероятностью анеуплоидий на разных этапах изучения вопроса получены противоречивые данные. Многие исследователи утверждают, что такой связи нет [32, 33]. Но есть сообщения о том, что ошибки в метафазе-1 и метафазе-2 (мейотическое нерасхождение) встречаются тем чаще, чем больше возраст мужчины [34]. При изучении соматических хромосом методом «пенетрации яйцеклеток хомяков» (Hamster-egg) такая взаимосвязь не обнаружена [35]. В другом исследовании, выполненном методом Hamster-egg, показано, что у 7 мужчин старшего возраста (59—74 лет) чаще встречались гиперплоидные сперматозоиды, чем у 5 молодых (23—39 лет) мужчин [36].

FISH (Fluorescent in-situ hibridisation) — более быстрый, дешевый и точный метод диагностики ане-уплоидий сперматозоидов — пришел на смену методу Hamster-egg в начале 90-х годов прошлого века. При помощи этого метода получены более качественные данные о связи возраста мужчины с частотой анеуплоидий сперматозоидов. Результаты нескольких исследований не показали повышения частоты дисомии хромосом в сперматозоидах с возрастом мужчины [30].

В одном из ранних FISH-исследований показано повышение с возрастом частоты дисомии по хромосоме 1 в сперматозоидах мужчин в возрасте от 21 года до 52 лет [37]. Но ни одна из последующих работ не дала возможность воспроизвести этот результат. Вероятность анеуплоидии хромосомы 21, что в дальнейшем способна вызвать синдром Дауна, изучена в рамках одного небольшого FISH-исследования, показавшего повышение этой частоты с возрастом мужчины, что противоречит предыдущим данным [38].

Риск анеуплоидий половых хромосом в сперматозоидах, согласно некоторым авторам, не повышается [39]. Однако другие исследователи отмечают повышение пропорции XY-сперматозоидов (оплодотворение которыми приведет к рождению ребенка с синдромом Клайнфельтера). Согласно данным X. Lowe и соавт. (2001) пропорция таких сперматозоидов повышается на 3,5% каждый год, а у мужчин старше 50 лет в 2—3 раза выше риск формирования сперматозоидов с XY-дисомией [40]. Другими авторами отмечено, что у мужчин старшей возрастной группы в 2—3 раза выше риск формирования ХХ или YY-дисомных сперматозоидов вследствие ошибок в метафазе-2 [41].

Структурные повреждения хромосом

Структурные хромосомные аномалии встречаются реже, чем анеуплоидии (0,25 и 0,33% соответственно) [42]. Однако показано, что причиной структурных повреждений хромосом у эмбрионов чаще является мужской фактор [43]. О связи возраста отца с частотой структурных повреждений хромосом сперматозоидов в литературе существуют разночтения. Нами обнаружено несколько работ с небольшим количеством наблюдений, сообщающих о повышении частоты интрахромосомных повреждений, связанных с возрастом отца [36, 44, 45]. Результаты этих исследований очень разнородны: R. Martin и A. Rademaker (1987) сообщают, что интрахромосомные повреждения у мужчин старше 45 встречаются в 4 раза чаще, чем у мужчин в возрасте 20—24 лет [44], а по данным C. Templado (2011), частота таких нарушений у мужчин младше 40 лет — 4,9%, старше 60 лет — 6,6% [45]. Вместе с тем более высокие по уровню доказательности популяционные исследования показали отсутствие такой корреляции [30]. Малое количество надежной информации по этому вопросу можно объяснить редкостью таких хромосомных перестановок среди живых новорожденных, поэтому «отцовский вклад» довольно трудно оценить. Однако в последнее время развиваются методы диагностики, которые позволяют выявлять такие аномалии прямо в сперматозоидах [34].

Другим важным возрастным изменением структуры хромосом является изменение длины теломер. Известно, что теломеры соматических клеток с возрастом становятся короче [46]. Но при этом существует парадокс — теломеры соматических клеток у потомства тем длиннее, чем больше возраст отца [47]. И связано это с тем, что у более возрастных отцов длиннее теломеры в сперматозоидах [48], т.е. во всех клетках организма теломеры с возрастом укорачиваются, а в сперматозоидах, наоборот, удлиняются. Этот факт объясняют деятельностью теломеразы — обратной транскриптазы, удлиняющей теломеры, активной в стволовых клетках [49]. Авторы считают, что при каждом цикле обновления бессмертных герминогенных клеток теломераза немного «перестраховывается», удлиняя теломеры. При этом некоторые авторы отмечали, что у больных с бесплодием снижена активность теломеразы в сперматогониях [50]. Снижение длины теломеров в сперматозоидах ассоциировано со снижением фертильности [51] и может быть ассоциировано с окислительным стрессом [52]. Другие авторы отмечают, что важнее не длина теломер, а их структурные повреждения и нарушение взаимодействий хромосом с окружающими их вспомогательными структурами [50].

В последние годы в рутинную практику клиник репродукции входят тесты на «Индекс фрагментации ДНК» (DFI), под которым понимают долю (в процентах) поврежденных цепочек ДНК в хроматине сперматозоидов или долю (в процентах) сперматозоидов, несущих поврежденную ДНК. Этот показатель не всегда коррелирует с показателями спермограммы и может указывать на самостоятельную причину бесплодия, невынашивания беременности и неудач программ ВРТ. Более того, сейчас величина DFI рассматривается как наиболее важный фактор прогноза успеха процедур ВРТ со стороны мужчины [53]. Большинство исследователей утверждают, что величина DFI повышается с возрастом мужчины [1, 32], в связи с чем некоторые авторы рекомендуют включать данный тест в перечень обязательных при обследовании по поводу бесплодия мужчины старшего возраста.

De novo мутации

С точки зрения развития биологического вида, de novo мутации — это двигатель эволюции, благодаря которому в генотипе могут появляться удачные случайные изменения. С точки же зрения практической медицины и любой отдельно взятой супружеской пары, эти мутации — однозначный вред, который может приводить к бесплодию, невынашиванию беременности и патологии плода и ребенка. Установлено, что отец — это главный, более вероятный, чем мать, источник de novo мутаций [54]. С возрастом отца линейно повышается частота de novo мутаций — на 2 в год, при этом количество мутаций удваивается каждые 16,5 лет и к 50 годам становится в 8 раз выше [54]. Сперматогоний претерпевает митоз 1 раз в 16 дней. К 50 годам каждая клетка уже прошла более 800 митозов, что повышает риск фрагментации ДНК и вероятность мутаций. По данным авторов, возраст отца — это главный фактор, влияющий на вероятность мутаций. После поправки на возраст отца возраст матери вообще перестает иметь значение для частоты de novo мутаций. По данным другого исследования, у мужчин после 40 лет частота de novo мутаций в 2 раза выше, чем в 20 лет. При этом повышение частоты мутаций распределено по геному неравномерно, есть участки, более подверженные и менее подверженные мутациям [55].

Гены, в которых с возрастом резко повышается вероятность de novo мутаций, названы PAE-генами (Paternal Age Effect — эффект возраста отца). К ним отнесены следующие гены: FGFR2, мутация которого вызывает синдром Аперта, FGFR3, вызывающий ахондроплазию, HRAS, вызывающий синдром Костелло, PTPN11, вызывающий синдром Нунан, и RET, вызывающий синдром MEN-2b (множественная эндокринная неоплазия 2b) [56]. С возрастом отца статистически значимо повышается риск развития этих заболеваний у ребенка. Для объяснения этого феномена предложена теория «само-селекции сперматогониев» (selfish spermatogonial selection) [56]. Согласно ей перечисленные выше мутации характерны для некоторых опухолей, они меняют скорость деления клеток, вызывают рост и клональную экспансию сперматогониев, пораженных этим процессом. Благодаря этому у мутировавших клеток и их потомков появляется преимущество перед остальными линиями сперматогониев, и их просто становится больше. Как следствие — повышается пропорция несущих дефектный ген сперматозоидов и, соответственно, риск развития заболевания у потомства.

Эпигенетические нарушения

Все клетки организма имеют одинаковый генотип, но каждая клетка реализует его по-разному, в зависимости от ее задач и внешних факторов. Эпигеном — это комплекс изменений экспрессии отдельных генов за счет метилирования ДНК, состава и расположения ядерных белков (в частности — модификаций гистонных белковых хвостов), различных действий РНК. Эпигеном регулирует экспрессию генов и может быть передан эмбриону в составе сперматозоида [57].

Метилирование ДНК — установление «метиловых отметок» на цитозиновых окончаниях, расположенных на цитозин-фосфат-гуаниновых динуклеотидах молекулы ДНК. В присутствии метиловой отметки невозможна транскрипция, что используется для регуляции экспрессии генов. Метилом сперматозоидов — особый, он отражает уникальную роль и высокую специализацию этих клеток [57]. Одно из основных отличий метилома сперматозоидов от соматических клеток, — это регионы, подверженные импринтингу [58]. Импринтинг — эпигенетический процесс, при котором за счет метилирования угнетается одна из двух аллелей в зависимости от того, от отца она или от матери. Части ДНК, подверженные импринтингу, в соматической клетке в целом метилированы на 50%. В сперматозоиде каждая такая зона будет метилирована полностью на 100% или не будет метилирована вообще. В целом по всему организму метилирование ДНК с возрастом снижается. Однако при этом в регионах, которые меняются с возрастом, регистрируется повышение метилирования. А в сперматозоидах наблюдается обратная картина — с возрастом в целом повышается метилирование, снижаясь в возраст-ассоциированных регионах [59].

ДНК — не единственная функциональная сущность в геноме. Последние годы все большее внимание привлекает роль РНК сперматозоидов, включая микро-РНК, которые регулируют экспрессию генов и являются ключевым звеном в старении и сперматогенезе. С возрастом значительно меняется экспрессия отдельных микро-РНК в сперме. Экспрессия некоторых из них снижается в 14 раз [60], эти данные могут быть полезны для оценки выраженности возрастных изменений в мужской репродуктивной системе.

Важным фактором являются и белки, окружающие ДНК в сперматозоиде: гистоны и протамины. Установлено, что с возрастом снижается экспрессия протаминов 1-го и 2-го типов в эякуляте, значительно снижается их соотношение [60]. В соматических клетках ДНК упакованы вокруг гистонов. В сперматозоидах большинство гистонов в ходе сперматогенеза заменяется протаминами. Снижение содержания протаминов в сперматозоидах, отмеченное у более возрастных пациентов, коррелирует с бесплодием, повышенной фрагментацией ДНК и сниженной жизнеспособностью сперматозоидов [60].

Заключение

Старение — это непрерывный процесс, вклад в который вносят как естественные возрастные молекулярно-генетические нарушения, так и болезни, и их последствия, накапливаемые человеком в ходе жизни. Возрастные нарушения синхронно протекают во всем организме, затрагивая и мужскую репродуктивную систему, снижая фертильность. При этом повышение продолжительности жизни, общее старение населения, повышение уровня жизни людей приводят к неуклонному росту среднего возраста отцовства. За последние несколько десятилетий накоплено большое количество научных данных, описывающих эндокринные возрастные нарушения, патоморфологические изменения ткани репродуктивных органов, генетические и эпигенетические нарушения как на уровне всего организма, так и на уровне отдельных половых клеток. Следствием этих морфологических и патофизиологических изменений становятся клинические нарушения — ухудшение параметров эякулята, снижение вероятности достижения беременности, бесплодие, невынашивание беременности, ухудшение результатов вспомогательных репродуктивных технологий. Очевидно, что бесплодные мужчины старшей возрастной группы — это особая когорта пациентов, для которой требуется специальная лечебно-диагностическая тактика. Для формирования этой тактики необходимо глубокое понимание патофизиологии, морфологии и генетики сопряженных процессов бесплодия и старения.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflicts of interest.