(三)附睾功能
附睾管从头部至尾部的解剖学和组织学变化表明附睾实际是由几种不同的功能组织构成(Vendrely,1981)。很明显,精子运输和储存、受精能力和运动成熟功能都是在通过附睾后获得的。这在Robaire和Hermo(1988)以及Moore和Smith(1988)的综述中有更充分的论述。
1.精子运输
人类精子通过附睾的时间为2~12d(Johnson and Varner,1988)。精子通过附睾头部及体部的时间与通过附睾尾部的时间大致相同,而精子转运时间更可能与每天睾丸精子的产生量有关,而不是年龄或射精频率(Amann,1981;Johnson and Varner,1988)。在一项研究中,精子生成率高的男性附睾精子转运时间平均为2d,而精子生成率低的男性平均为6d(Johnson and Varner,1988)。虽然性活动的频率并不影响通过附睾头部及体部的精子转运时间,但是“近期的遗精”可以缩短通过附睾尾部的转运时间至68%(Amann,1981)。
由于正常睾丸精子在进入附睾时不具有运动能力,而在头部仅保持相对运动能力,所以通过附睾转运精子必然存在精子运动能力之外的机制。
在这方面已经有动物研究揭示(Bedford,1975;Hamilton,1977;Courot,1981;Jaakkola and Talo,1982;Jaakkola,1983)。最初,精子通过睾丸液进入输出小管,而雌激素受体介导的附睾管上皮细胞的液体重吸收,进一步促进精子的流动。输出小管的游动纤毛和肌样细胞收缩,也有助于精子的运动。精子运输的主要机制可能是依赖于附睾周围收缩细胞的自发和节律性收缩。
2.精子储存
精子在通过附睾头部及体部后,在附睾尾部停留时间的长短取决于性行为的频率。在21-55岁的男性中,每侧附睾平均含(155~209)×106个精子(Amann,1981;Johnson and Varner,1988),大约一半都储存于附睾尾部。
与睾丸精子不同,储存在附睾尾部的精子具有渐进性增强的运动能力,并能使卵子受精。精子在附睾内保持受精能力的确切时间尚不清楚,但动物研究表明,在输精管结扎后,精子仍可存活数周(Hammond and Asdell,1926;Young,1929)。也有数据表明,随着精子在附睾内储存时间的延长,体内的精子受精能力呈下降趋势(Cooper and Orgebin-Crist,1977;Cuasnicu and Bedford,1989)。而在人类中,精子在附睾转运和储存时间的延长将导致精子老化,进而使精子的受精能力下降(Johnson and Varner,1988)。
附睾中未射出精子的确切结局尚不清楚。在动物中,精子的损耗主要通过自发性遗精、自身清洁(Martan,1969)、尿液中排出(Lino et al,1967)或附睾再吸收等途径(Amann and Almquist,1961)。人类输精管结扎后,我们可在附睾管腔内观察到巨噬细胞(噬精体)吞噬精子(Alexander,1972)。然而,在输精管未结扎的男性附睾中是否能通过这一机制清除大量精子尚不清楚。
3.精子成熟
(1)精子运动:精子通过在附睾中的迁移增强运动能力。这是在精子运动模式的变化和呈现“成熟”运动模式比例的增加中观察到的。Bedford和同事(1973)将睾丸输出小管中的大量精子放置在培养基中,首次观察到精子呈现不动或只显示微弱、抽搐的运动。有时还可观察到精子表现出“不成熟”的尾部运动,其特征类似“敲打” 的节奏呈宽弧线运动,几乎没有前向运动。这样的精子在初始附睾段中的比例增加,但在体部呈现这种运动模式的精子比例下降。在体部精子具有“成熟”的运动模式,其特征是高频、低振幅的拍动,运动能力逐渐增强(图2-18)。在附睾尾部,超过50%的精子具有成熟的运动模式,其余是不活动或早先描述呈现不成熟的运动模式。Moore和同事(1983)也确切证明了人类精子在附睾转运中表现出前向运动的能力逐渐增强。将精子放置在体外缓冲剂中,可见随着从输出小管向附睾头部、体部近、远端和尾部(图2-19)的进程,成熟运动精子的比例增加。
获得精子成熟的运动模式和在附睾的接触时间及区域的相对重要性未知。动物研究表明,精子的成熟运动模式是精子发生内在固有的进程,可能独立于特定附睾区域的相互作用。例如,虽然一般情况下仓鼠和兔精子在附睾头部不活动,但在附睾管结扎后,在该区域发现了可运动精子(虽然运动能力进展较慢,持续时间较正常短)(Orgebin Crist,1969;Horan and Bedford,1972)。
图2-18 人类附睾精子尾部运动模式。A.从近端附睾中取出的精子尾部运动特征是高振幅、低频率的摆动,前向运动很少。B.相比之下,来自附睾尾部的大部分精子尾部运动特征是低振幅、快速摆动和前向运动(From Bedford JM,Calvin Hl,Cooper GW.The maturation of spermatozoa in the human epididymis.J Reprod Fertil 1973:18:199-213.)
人类研究报道,先天性输精管缺如或附睾梗阻的患者从附睾远端抽吸的精子通常运动能力差,而附睾近端的精子运动能力较好(Silber,1989;Matthews et al,1995)。结合这些资料提示基于精子与近端附睾上皮细胞的接触时间,可以提升精子运动能力,但这个成熟的过程可能与精子在迁移时受到附睾的影响有所不同。
(2)精子受精能力:睾丸精子不能形成受精卵,除非用显微操作将其注入卵细胞(Orgebin-Crist,1969;Bedford,1974;Yanagimachi,2005)。在大多数动物中,精子受精能力是随着精子通过远端附睾而逐渐获得的(见图2-19)。已知在家兔附睾头、体和尾部的精子受精能力分别是1%、63%和92%(Orgebin-Crist,1969)。使用仓鼠无透明带卵子的体外实验证实了这些观点(Moore et al,1983)。在一项评估附睾精子受精能力的研究表明(Hinrichsen and Blaquier,1980),尽管来自附睾近端的精子能够与无透明带的卵子结合,但只有附睾尾部的精子能够结合并穿透卵子。因此,在大多数情况下,精子受精能力的成熟是在附睾体远端或附睾尾部水平达到的。
图2-19 人类附睾精子发育成熟过程。用无透明带仓鼠卵和运动能力的变化来评估精子的受精能力(From Bedford JM.The bearing of epididymal function in strategies for in vitro fertilization and gamete intrafallopian transfer.Ann N Y Acad Sci 1988;541:284-91.)
然而,近期临床观察质疑了成熟受精能力需要精子通过整个附睾迁移这一观点。事实上,附睾梗阻的患者可以在输精管附睾吻合术后实现自然妊娠(Schoysman and Bed Frond,1986;Silber,1989)。这表明梗阻引起沿附睾管的成熟序列向近侧偏移,或者在这种旁路术后可能通过减少附睾内的精子流,允许有更多的接触时间使精子成熟(Orgebin-Crist,1969;Turner and Roddy,1990)。尽管有这种发现,一般认为附睾远端手术吻合增加精子受精能力的可能性更大(Thomas,1987)。此外,对时间较长的输精管结扎(15年以上梗阻)复通的再认识表明,尽管在梗阻复通术后一段时间可以维持一定的精子浓度,但精子活力明显降低。这表明,由长期梗阻引起的继发性附睾功能障碍可能在输精管复通术后男性的生育潜能中起重要作用(Mui et al,2014)。
(3)精子生化变化:精子通过附睾的过程中经历许多生化变化(Brooks,1983)。附睾精子转运中产生膜表面静负电荷(Bedford et al,1973),精子膜上的巯基被氧化成二硫键,改善精子渐进运动和成功穿透卵子所需的结构紧密性。(Bedford et al,1973;Reyes,1976)。精子膜睾丸后修饰还包括精子凝集素结合特性的改变(Courtens and Fournier-Delpech,1979;Olson and Danzo,1981),磷脂和脂质内容物(Nikolopoulou et al,1985)、糖蛋白组分(Brown et al,1983)、免疫反应性(Tezon et al,1985)及碘化作用特征(Olson and Danzo,1981)。总体而言,附睾管中的这些膜修饰阳离子可以提高精子对卵子的黏附力(Orgebin Crist and Fournier Delpech,1982;Bulbelet et al,1990)。在附睾转运过程中,精子也经历了大量的代谢变化(Daceux and Paqigon,1980)。包括糖酵解能力的增强(Hoskin et al,1975)、细胞内p H和钙含量的变化、腺苷酸环化酶活性的修饰(Casillas et al,1980)和细胞磷脂和磷脂样脂肪酸含量的改变(Vgolmyr,1975)。
4.附睾功能调节
附睾内的精子变化可能受附睾管腔内液体和分泌物的影响(Rabay and Helo,1988;Brajer et al,1989)。附睾液的生化组成不同于血清,呈现出渗透压、电解质含量和蛋白质组成的区域差异(Rabaer-Helmo,1988)。这些差异可能是血管化、血-附睾屏障活性、物质选择性吸收和分泌变化的结果。如沿附睾管分泌的甘油磷酸胆碱(GPC)、肉碱和唾液酸。附睾液中已知对精子有生理影响的蛋白质包括前向运动蛋白(Brandt et al,1978)、精子存活因子(Morton et al,1978)、渐进运动维持因子(Sheth et al,1981)、精子运动抑制因子(Turner and Giles,1982)、酸性附睾糖蛋白(Pholpramool,1983)和诱导精子结合到透明带的EP2-EP3蛋白(Cuasmiu et al,1984;Blaquier et al,1988)。因此,附睾小管内液体特性的变化在附睾转运、精子成熟过程中起着重要的作用。所以附睾是精子功能障碍和男性不育的潜在重要器官。
附睾功能受激素调节。睾酮和DHT在附睾内的浓度很高,且在雄激素水平上没有区域梯度(Leinonen et al,1980)。这表明雄激素对附睾功能的重要性(Brooks and Tiver,1983)。在动物中,去势不仅导致雄激素依赖性附睾蛋白质的缺失,也存在附睾重量损失、管腔组织学的改变,以及附睾GPC、肉碱和唾液酸合成及分泌的改变。最终,去势使附睾失去维持精子活力、发育成熟和精子储存的能力,雄激素替代可逆转这些进程。
与附属性腺相比,附睾需要更高的雄激素水平来维持其结构和功能(Prasad and Rajalakshmi,1976)。雄激素对附睾的调节作用似乎主要通过DHT这一附睾组织中提取的主要雄激素(Pujol et al,1976),以及5α-雄烷3α,17β-二醇(3α-diol)(Orgebin-Crist et al,1975)。事实证明,Δ4-5α-还原酶(催化睾酮形成DHT)和3α-羟基类固醇脱氢酶(将DHT转变为3α-diol)负责睾酮生成代谢,这些酶也存在于人类附睾中(Kinoshita et al,1980;Larminat et al,1980)。这也有助于解释最近观察到的5α-还原酶抑制剂的临床使用与精液质量降低有关(Amory et al,2007)。
附睾功能也受温度的影响(Foldesy and Bedford,1982;Wong et al,1982)。将附睾暴露于温度缓慢升高的环境,例如置于腹腔,可导致精子储存数量的下降和电解质转运功能的丧失。温度对人类附睾功能的影响能解释精索静脉曲张或隐睾症与男性不育之间的关系。附睾肌样细胞收缩功能异常也可影响附睾功能。大鼠的附睾部分去神经术可导致附睾尾部精子的异常聚集和精子的游动速度降低(Billups et al,1990)。这些结果提示,男性不育可能与神经损伤有关,如脊髓损伤、糖尿病等。
要点:附睾
•附睾由具有吸收和分泌功能的主细胞、源自巨噬细胞的基底细胞和促进精子运输的收缩细胞组成。
•在附睾输送过程中,精子通过获得渐进的运动、结合和穿透卵透明带的能力而成熟。
•附睾功能呈现温度和雄激素(主要是DHT)依赖性,隐睾、精索静脉曲张和5α-还原酶是重要的影响因素。