Kvalita DNA ve spermiích je negativně ovlivněna věkem mužů a je rizikovým faktorem početí

Súhrn

Cíl studie:
Přehled problematiky zhoršování kvality spermií starších mužů a s tím souvisejících rizik početí.

Typ studie:
Přehledový článek.

Název a sídlo pracoviště:
Imunologická laboratoř GENNET s.r.o, Praha.

Metodika:
Sledovanou skupinou jsou muži z párů s poruchou reprodukce.

Výsledky:
S vyšším věkem u mužů klesá objem ejakulátu, celkový počet spermií, pohyblivost spermií a zhoršuje se jejich morfologie. S věkem se zvyšuje počet de novo vzniklých genových mutací, množství chyb v epigenetické modifikaci DNA a počet apoptotických spermií s fragmentovanou DNA v ejakulátu. Kvalitu spermií ovlivňuje nejen věk, ale také životní styl. Rizikovými faktory jsou kouření, nadváha, nezdravá strava, nedostatek pohybu, zvýšená teplota a onemocnění, jako je varikokéla, infekce močových cest, nádorová onemocnění, hormonální nerovnováha a další.

Závěr:
Plodnost mužů není časově neomezená. S věkem klesá pravděpodobnost početí a prodlužuje se významně doba snahy o koncepci. Urologické a andrologické vyšetření starších mužů by mělo patřit k základnímu vyšetřovacímu postupu u párů s poruchou reprodukce. Kromě spermiogramu, endokrinologického vyšetření a zobrazovacích metod se doporučuje také použití moderních diagnostických metod – stanovení počtu apoptotických spermií a spermií s fragmentací DNA. I když jsou možnosti léčby poruch plodnosti starších mužů omezené, cílená léčba a zdravý životní styl může přispět ke zlepšení kvality spermií.

Klíčová slova:
spermie, fragmentace DNA, apoptóza, epigenetické modifikace, fertilita, stárnutí

ÚVOD

Věk rodičů novorozených dětí stoupá. V České republice se v letech 2008–2015 nejvíce dětí narodilo rodičům ve věku 30–34 let, navíc stoupal počet rodičů ve věku vyšším než 35 let [6]. Věkový průměr rodiček dosáhl 30 let [9]. Plodnost žen je omezena menopauzou a společnost má povědomí o rizicích plodnosti, která s tímto faktem souvisejí. Naopak plodnost mužů ve vyšším věku není vnímána jako závažné riziko, muži proto s početím dětí nespěchají. V roce 2015 bylo 27,2 % otců novorozených dětí ve věku 35–39 let a 14,5 % otců bylo starších (>40 let) [6].

Metaanalýza Johnsona a kol. [14] porovnávající 90 klinických studií (celkem 93 839 pacientů) potvrdila, že s věkem klesá kvalita spermií – klesá objem ejakulátu, celkový počet spermií, zastoupení pohyblivých spermií, zastoupení morfologicky normálních spermií.

Nižší plodnost starších mužů potvrzuje také studie Hassana a kol. [12]. Sledovaný soubor zahrnoval 2112 těhotných žen a jejich partnery. Autoři zjišťovali pomocí dotazníků délku snahy o koncepci, frekvenci pohlavního styku před početím, délku užívání antikoncepce atd. Studie potvrdila, že délka snahy o koncepci u páru se starším partnerem trvá signifikantně déle než s partnerem mladším. Délka snahy o koncepci u skupiny 638 žen mladších než 25 let a jejich partnerů starších než 45 let byla průměrně 22,5 měsíců (14,1–30,9 měsíců), u párů s partnery mladšími 25 let to bylo maximálně šest měsíců.

Problémy s reprodukcí ve vyšším věku partnerů dokládá statistika samovolných potratů v ČR v letech 2009–2015 [6]. Nejvyšší počet potratů byl zjištěn u matek ve věku 30–34 let, ale stoupal počet samovolných potratů u všech starších věkových skupin matek (35–39 let a 40–45 let a > 45 let). Informace o věku otců potracených plodů bohužel nejsou evidovány.

O vlivu věku na kvalitu spermií mužů se velmi diskutovalo na International Congress of Andrology, který se konal v Kodani v květnu 2017 [13]. Hlavní riziko u starších mužů spatřují odborníci v nově vznikajících bodových a genomových mutacích, jejichž výsledkem je snížená plodnost a zvýšené riziko vrozených vad potomků [5, 7, 17, 18].

MUTACE DNA VE SPERMIÍCH

Mutace DNA se častěji vyskytují u spermií než u vajíček. Důvodem je různý počet dělení samčích a samičích zárodečných buněk v průběhu života [5]. V časném embryonálním vývoji se vyčlení skupina buněk, ze kterých se stanou zárodečné buňky – oogonie u žen a spermatogonie u mužů [22]. Ze spermatogonií se opakovaným mitotickým dělením tvoří spermatocyty, které pak prodělávají meiotické dělení. Vznikají haploidní kulaté spermatidy, které se morfologicky promění v pohyblivé spermie. K opakovanému dělení spermatogonií dochází od puberty po celé plodné období muže. Zatímco u patnáctiletého chlapce prodělaly spermatogonie 15 replikací, u muže ve 20 letech už podstoupily 150 replikací, ve 30 letech 380 replikací, ve 40 letech 610 replikací a v 50 letech 840 replikací chromozomů [5]. S rostoucím počtem dělení buněk stoupá riziko vzniku de novo mutací DNA, navíc ve spermatidách není aktivní reparační systém opravující bodové mutace v DNA. Ve studii 78 islandských rodin byl počet de novo mutací u potomků výrazně nižší u skupiny mužů, kteří počali potomky v 27 letech (v průměru 59,7 mutací), v porovnání se skupinou mužů, kteří se stali otci ve 35 letech (v průměru 73,7 mutací).

U žen je riziko vzniku de novo mutací v DNA oocytů nižší [5]. Oogonie se dělí v průběhu embryonálního vývoje, kdy proběhne 22 mitotických dělení, aby se připravila zásoba oocytů I. řádu ve vaječnících. V období puberty a ve fertilním věku žen dochází pouze k dokončení meiotického dělení za vzniku haploidních oocytů.

EPIGENETICKÉ ZMĚNY STRUKTURY DNA VE SPERMIÍCH

Po replikaci DNA ve spermiích dochází k epigenetické modifikaci [21]. Ta zahrnuje metylaci DNA, modifikaci histonů a remodeling chromatinu. DNA navinutá na histonovém jádře tvoří nukleozomy. V heterochromatinu je DNA natočena velmi těsně a tato struktura neumožňuje provádět transkripci genů. V euchromatinu je struktura DNA a histonů volnější a může docházet k transkripci genů. Tímto způsobem je regulována aktivita genů. Ovlivňuje se tak řada biologických procesů včetně spermatogeneze.

S epigenetickými modifikacemi DNA souvisí i tzv. genetický imprinting [8, 21]. Jde o jev, kdy se specificky (např. pomocí metylace) blokuje aktivita genu získaného od jednoho z rodičů a aktivní zůstává pouze gen od druhého rodiče. Při maternálním imprintingu je blokována exprese genu získaného od matky a aktivním zůstává pouze gen od otce (z chromozomu spermie). Při paternálním imprintingu dochází k blokaci genu získaného od otce a aktivní zůstane gen od matky (z chromozomu vajíčka). Tímto způsobem je regulováno více než 100 genů, které se často sdružují do skupin. Tyto geny mimo jiné ovlivňují růst embrya a placenty [3]. Při abnormální aktivaci genu dojde k abnormálnímu vývoji plodu. Význam chyb v genetickém imprintingu byl prokázán například u Praderova-Williho syndromu, Beckwithova-Wiedemannova syndromu nebo Angelmanova syndromu [8].

Diferencované somatické buňky jsou epigeneticky modifikovány stejně jako buňky vzniklé v časném zárodečném vývoji [3]. Naopak v zárodečných buňkách, ze kterých vznikají spermie či vajíčka, musí být epigenetické úpravy přenastaveny. Změny probíhají na obou chromozomech tak, aby odrážely požadavky na samčí (u spermií) či samičí původ (u vajíček). Při tomto procesu může docházet k chybám, které se projeví na kvalitě gamet.

Kobayashi a kol. posuzovali vliv životního stylu mužů na správnou metylaci DNA ve spermiích a sledovali úspěšnost in vitro oplození při použití spermií s aberantní a normální metylací DNA [16]. Porucha metylace DNA byla zjištěna u 24,8 % mužů z 221 neplodných párů. Metylace DNA ve spermiích byla signifikantně kvalitnější u pacientů, kteří žili na venkově (v čistém prostředí) a sportovali. U párů s aberantní metylací DNA byl prokázán vyšší počet potratů a nižší počet živě narozených dětí než u párů s normální metylací DNA.

APOPTÓZA SPERMIÍ

Běžně u spermií dochází k apoptóze. Jde o sled změn vedoucích ke smrti buňky bez vyvolání zánětlivé reakce. V průběhu apoptózy dochází ke změnám ve struktuře membrány, na její povrch se z vnitřní strany dostává fosfatidylserin, je aktivována kaspáza-3, dochází k fragmentaci DNA a ke ztrátě membránového potenciálu v mitochond­riích [2]. K apoptóze a k fragmentaci DNA ve spermiích dochází vlivem volných kyslíkových radikálů a reaktivní formy kyslíku (ROS) [4, 24]. Hlavním zdrojem ROS jsou leukocyty, ale produkují je i samotné spermie, zvláště pokud jsou poškozené. Vysoké zastoupení apoptotických spermií se vyskytuje u mužů infertilních, s varikokélou, infekcemi, s rakovinou, ale jsou častější také u starších mužů [23].

Apoptóza spermií nastává také přirozeně v testes, kde Sertoliho buňky mohou aktivovat proces apoptózy u poškozených zárodečných buněk, případně mohou pomocí apoptózy regulovat počet vyvíjejících se zárodečných buněk [1].

DISKUSE

Současná mladá generace zakládá rodiny později než generace předchozí. Podobný trend se vyskytuje ve většině států Evropské unie [9]. Z dat Eurostat pro rok 2015 vyplývá, že ve 23 státech Evropské unie byl průměrný věk rodičky vyšší než 30 let. V USA se sice nejvyšší počet dětí narodil v roce 2015 ženám ve věkové skupině 25–30 let, nicméně i zde stoupá počet matek ve starších věkových skupinách [20].

Výrazně se zvyšuje počet otců staršího věku. Zatímco ženy jsou si vědomy faktu, že jejich plodnost je časově omezená, muži riziko poklesu plodnosti ve vyšším věku podceňují a mnoho z nich se stane otci až ve vyšším věku. V České republice se v roce 2015 mužům ve věku 50–60 let narodilo 1186 dětí, mužům starším než 60 let se narodilo 148 dětí. Ze studie Hassana a kol. [12] však vyplývá, že ve vyšším věku (> 45 let) trvá v průměru 22,5 měsíců, než se podaří přirozené početí dítěte u partnerky ve věku nižším než 25 let, u partnerek ve vyšším věku než 30 let se tato doba prodlužuje. Proto se výrazně zvyšuje riziko neplodnosti u starších párů a tyto páry se stávají často klienty center asistované reprodukce.

Pro společnost ovšem současná reprodukční strategie znamená vysoké riziko z několika důvodů. Klesá celkový počet narozených dětí [6], stoupá počet dětí narozených s vývojovými vadami [27], a navíc stoupá riziko vyššího počtu závažných onemocnění v pozdějším věku potomků [5, 7].

Se stoupajícím věkem otců se zvyšuje riziko vzniku bodových mutací v DNA v opakovaně se dělících spermatogoniích [5, 17]. Tento proces nejde ovlivnit, a proto hlavním doporučením je počít děti v mladém věku. Určitou alternativou je zamrazit v mladém věku a dobrém zdravotním stavu spermie pro budoucí použití.

Na vznik aberantních epigenetických modifikací DNA má vliv dlouhodobé působení některých škodlivých látek, které se hromadí v lidském organismu v průběhu let, a nezdravý životní styl [16, 26]. Vyšší počet apoptotických spermií je prokazován při bakteriálních zánětech, varikokéle, nádorových onemocnění, působí-li na testes vyšší teplota, u nadváhy a obezity, při užívání některých léků atd. [24]. Zajímavé je, že změnou životního stylu – vyšším pohybem, zdravou stravou, ukončením kouření, užíváním preparátů s antioxidačními účinky – lze snížit počet chyb daných epigenetickou modifikací DNA [16].

Stoupá počet populačních studií, které se zaměřují na vztah mezi věkem rodičů a výskytem různých onemocnění u jejich potomků [5, 7, 18]. Stáří otců jako rizikový faktor byl poprvé popsán u achondroplazie a Apertova syndromu [28] – onemocnění, při kterých dochází k defektnímu růstu dětí. U těchto onemocnění byly zjištěny mutace v genech pro fibroblast growth faktor (FGRFR2 a 3), které byly potvrzeny ve spermiích otců. V jiné studii s více než 2,5 milionem švédských dětí a jejich rodičů byl prokázán signifikantně vyšší výskyt psychických poruch – autismu, schizofrenie nebo bipolární poruchy – u dětí, které se narodily otcům starším než 45 let v porovnání s dětmi narozenými otcům ve věku 20–25 let [7]. Vyšší věk otců se dává do souvislosti s některými nádorovými onemocněními, např. dětskou leukemií, non-Hodginovým lymfomem, rakovinou prostaty i rakovinou plic [5].

V České republice nebyly podobné populační studie provedeny, nicméně stoupá počet dětí s vrozenými vývojovými vadami [27]. Při hledání příčin tohoto stavu se zvažuje také kombinace rizik daných vyšším věkem rodičů a léčbou poruch plodnosti neplodných párů [27].

Infertilní páry vyhledávají pomoc v centerech asistované reprodukce, která zvyšují šance na úspěšné oplození ve vyšším věku. Vzhledem k uvedeným rizikům souvisejícím s kvalitou DNA ve spermiích starších mužů je vhodné provádět u mužů nejen spermiogram, ale doplnit ho i některou z dostupných metod sledujících apoptózu spermií nebo fragmentaci DNA. Zastoupení apoptotických spermií v ejakulátu lze zjistit pomocí průtokové cytometrie [19]. Fragmentaci DNA lze stanovit cytometricky metodou TUNEL (terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end labeling) [19, 24, 25] nebo metodou SCSA (sperm chromatin structure assay) [10, 15, 24], případně mikroskopicky metodou Halosperm [10, 15]. Stanovení fragmentace DNA se provádí i v České republice. Genetická vyšetření bodových mutací ve spermiích a stanovení metylace DNA ve spermiích pravděpodobně nejsou v ČR dostupné. U pacientů s vyšším zastoupením apoptotických spermií či spermií s fragmentací DNA doporučujeme andrologické vyšetření. Vhodnou léčbou lze zlepšit kvalitu spermií přinejmenším u části pacientů.

Spermie představují významnou a nezbytnou součást úspěšného oplození vajíčka [23]. Čím nižší je jejich kvalita, tím nižší je pravděpodobnost početí. V případě in vitro reprodukce je pacientům s vysokým zastoupením apoptotických spermií doporučováno odstranit vhodnou metodou apoptotické spermie ze vzorku a živé spermie použít pro oplození vajíčka [11]. Těchto selekčních metod se testuje několik, asi nejnadějnější je magnetická separace apoptotických spermií MACS [11, 23]. Teprve delší testování této metody potvrdí její vhodnost pro rutinní použití. Vývoj dalších podobně zaměřených selekčních metod, které by pomohly izolovat spermie s kvalitní DNA, je nezbytný pro zvýšení úspěšnosti metod asistované reprodukce [23].

ZÁVĚR

Posun rodičovství do vyššího věku vede nejen k poklesu celkového počtu narozených dětí, ale navíc ke vzestupu rizika horšího zdravotní stavu nové populace dětí. Z tohoto důvodu je nutné zvýšit společenské povědomí o rizicích spojených s fertilitou mužů a žen ve vyšším věku, aktivně podporovat cestu přirozeného oplození v reprodukčně nejvhodnějším období (mezi 20. až 35. rokem) a dostatečně informovat mladou populaci, kdy konzultovat problém s plodností, aby byla případná léčba zahájena včas. Velmi důležitá je aktivní spolupráce mezi odborníky a lékaři z různých vědních a medicínských oborů (praktickými lékaři, gynekology, andrology, genetiky, imunology, embryology, endokrinology). Mezioborové sdílení nových informací je nezbytné pro rozvoj vhodných léčebných metod u pacientů s neplodností.

Srdečně děkuji svým kolegům z IVF GENNET s.r.o. – genetiku MUDr. Davidovi Stejskalovi a urologu/andrologovi MUDr. Viktoru Vikovi za odborné připomínky při přípravě tohoto článku.

RNDr. Zuzana Krátká, Ph.D.

Imunologická laboratoř GENNET s.r.o.

Na Poříčí 26

110 00 Praha 1

e-mail: zuzana.kratka@gennet.cz