The effect of a course of aerobic exercise with stem cells on some genes involved in mitochondrial biogenesis of azoospermic rats
Subject Areas :
Sahar Koochaki
1
,
Hajar Abbaszadeh
2
,
parvin farzanegi
3
1 - Ph.D Candidate, Exercise Physiology Department, Sari Branch, Islamic Azad University, Sari, Iran
2 - Associate Professor, Exercise Physiology Department, Sari Branch, Islamic Azad University, Sari, Iran
3 - Associate Professor, Exercise Physiology Department, Sari Branch, Islamic Azad University, Sari, Iran
Keywords: SIRT1, azoospermia, AMPK, Swimming,
Abstract :
Introduction: Spermatogenesis is highly dependent on energy metabolism and spermatogenesis is very sensitive to compounds that interfere with mitochondrial energy metabolism and cellular respiration control. The purpose of this research was to investigate the role of exercise activity along with stem cells on the expression of some effective genes in mitochondrial biogenesis in azoospermic rats with busulfan.Methods: In this experimental study, 30 8-week-old rats were selected and randomly divided into 6 groups after induction of the azoospermia model. Healthy, sham, azoospermia, azoospermia+exercise, azoospermia+cell group, and azoospermia+cell+exercise group were divided. One month after the creation of the model, one million stem cells were transplanted once into the vas deferens of each mouse. Swimming training was done daily for 30 minutes a day and 5 days a week for 8 weeks. Genes were measured by Real time-PCR method. One-way analysis of variance was used to analyze the data. All calculations were done using SPSS/23 statistical software and at a significant level of P≤0.05.Findings: The results showed that the induction of the azoospermia model caused a decrease in the expression of SIRT1 and AMPK genes in testicular tissue, and that exercise combined with cell therapy increased the expression of SIRT1 and AMPK genes in testicular tissue in azoospermic model rats.Conclusion: In general, the results of the current research indicate that regular aerobic exercise such as low-intensity swimming helps in controlling the effects of infertility diseases through the maintenance and development of mitochondrial biogenesis in improving the spermatogenesis process.
_||_
چکیده
مقدمه: اسپرم‌زایی به شدت به متابولیسم انرژی وابسته است و اسپرماتوژنز بسیار حساس به ترکیباتی می باشد که با متابولیسم انرژی میتوکندری و کنترل تنفس سلولی تداخل دارند. هدف از پژوهش حاضر بررسی نقش فعالیت ورزشی به همراه سلول های بنیادی بر بیان برخی ژن های مؤثر در بیوژنز میتوکندریایی موشهای آزواسپرمی شده با بوسولفان بود.
روش کار: در این مطالعه تجربی، 30 سر رت 8 هفتهای انتخاب و پس از القاء مدل آزواسپرمی به صورت تصادفی به 6 گروه؛ سالم، شم، آزواسپرمی، آزواسپرمی+ورزش، گروه آزواسپرمی+سلول و گروه آزواسپرمی+سلول+ورزش تقسیم شدند. یک ماه بعد از ایجاد مدل، یک میلیون سلول بنیادی، یک بار به صورت پیوند در ناحیه مجران دفران هر موش پیوند زده شد. تمرین شنا به صورت روزانه به مدت 30 دقیقه در روز و 5 روز در هفته به مدت 8 هفته انجام گرفت. ژنها با روش Real time-PCR اندازه گیری شد. جهت تجزیه و تحلیل دادهها از آنالیز واریانس یکطرفه استفاده گردید. کلیه محاسبات با استفاده از نرمافزار آماري SPSS/23و در سطح معنیدار 05/0P≤ انجام شد.
یافتهها: نتایج نشان داد که القای مدل آزواسپرمی سبب کاهش بیان ژنهای SIRT1و AMPK بافت بیضه شد که تمرین ورزشی در ترکیب با سلولدرمانی سبب افزایش بیان ژنهای SIRT1و AMPK بافت بیضه در موشهای مدل آزواسپرمی شد.
نتیجهگیری: بهطور کلی نتایج تحقیق حاضر بیانگر آن است که فعالیت ورزشی منظم هوازی مانند شنا با شدت پایین در مهار آثار ناشی از بیماریهای ناباروری از طریق حفظ و توسعه بیوژنز میتوکندری در بهبود فرایند اسپرماتوژنز کمک شایانی میکند.
واژههای کلیدی: شنا، SIRT1، AMPK، آزواسپرمی.
The effect of a course of aerobic exercise with stem cells on some genes involved in mitochondrial biogenesis of azoospermic rats
Abstract
Introduction: Spermatogenesis is highly dependent on energy metabolism and spermatogenesis is very sensitive to compounds that interfere with mitochondrial energy metabolism and cellular respiration control. The purpose of this research was to investigate the role of exercise activity along with stem cells on the expression of some effective genes in mitochondrial biogenesis in azoospermic rats with busulfan.
Methods: In this experimental study, 30 8-week-old rats were selected and randomly divided into 6 groups after induction of the azoospermia model. Healthy, sham, azoospermia, azoospermia+exercise, azoospermia+cell group, and azoospermia+cell+exercise group were divided. One month after the creation of the model, one million stem cells were transplanted once into the vas deferens of each mouse. Swimming training was done daily for 30 minutes a day and 5 days a week for 8 weeks. Genes were measured by Real time-PCR method. One-way analysis of variance was used to analyze the data. All calculations were done using SPSS/23 statistical software and at a significant level of P≤0.05.
Findings: The results showed that the induction of the azoospermia model caused a decrease in the expression of SIRT1 and AMPK genes in testicular tissue, and that exercise combined with cell therapy increased the expression of SIRT1 and AMPK genes in testicular tissue in azoospermic model rats.
Conclusion: In general, the results of the current research indicate that regular aerobic exercise such as low-intensity swimming helps in controlling the effects of infertility diseases through the maintenance and development of mitochondrial biogenesis in improving the spermatogenesis process.
Keywords: Swimming, SIRT1, AMPK, Azoospermia.
مقدمه
10-20 درصد موارد ناباروری در مردان بهعلت آزواسپرمی و بهطور معمول بهعلت اختلالات سیستم تناسلی است(32). اسپرم‌زایی به شدت به متابولیسم انرژی و متابولیسم گلیکولیتیک وابسته است، زیرا لاکتات تولید شده توسط سلولهای سرتولی، بستر اصلی سلولهای زاینده است. میتوکندری سلول های زایای جدا شده به طور بالقوه ATP را با سرعتی نزدیک به حداکثر تولید می کند. بنابراین، اسپرماتوژنز ممکن است بسیار حساس به ترکیباتی باشد که با متابولیسم انرژی میتوکندری و کنترل تنفس سلولی تداخل دارند. هر گونه تغییر در تنظیم رفتار متابولیک این سلول ها ممکن است توسعه طبیعی اسپرماتوژنز و در نتیجه باروری مردان را به خطر بیاندازد. پیشنهاد شده است که میتوکندری ها نیز در این فرآیند دژنراتیو اسپرم نقش دارند(9). پروتئین های کدگذاری شده میتوکندری که در ژنوم هسته ای بیان ميشوند، در فسفوريالسیون اکسیداتیو، بیوسنتز آهن و ورود پروتئین های میتوکندری نقش دارند. از جمله رايج ترين فاکتورهای رونويسي که پروموتر ژن های میتوکندری را فعال مي کنند SIRT مي باشد(26، 23). هفت همولوگ پستانداران از SIRT (SIRTs 1-7)، پروتئین هایی متعلق به خانواده ای از آنزیم های وابسته به NAD+ هستند که به طور تکاملی با فعالیت دی استیلاز و/یا مونو-ADP ریبوزیل ترانسفراز حفظ شده اند. سیرتوئین ها در فرآیندهای سلولی متنوعی از جمله تنظیم آپوپتوز توسط استیل زدایی p53 به دنبال تنظیم پایین دست Bax نقش دارند. SIRT1 علاوه بر نقش آپوپتوز، نقش ضدالتهابی در بیضه نیز دارد که می تواند بر اسپرم زایی تأثیر بگذارد. نشان داده شده است که عدم وجود SIRT1 به طور قابل توجهی باعث کاهش اسپرماتوژنز در موش می شود، که نشان می دهد مسیرهای با واسطه SIRT1 برای فیزیولوژی بیضه مهم هستند(30، 8). SIRT1 اثر حمایتی بر بیوژنز میتوکندری و بتا اکسیداسیون دارد (27) و تنظیم کننده مهم هموستاز مواد مغذی در چندین بافت درگیر در سوخت و ساز می باشد (22). SIRT1 بیان AMPK را افزایش می دهد که استیل کوآربوکسلاز (ACC) را بلوک کرده و سبب افزایش فعالیت کارنیتیل پالمیتیل ترانسفراز1 ( CPT1) به دلیل کاهش سطح مهار مالونیل-کوآ می شود (7). در سال های اخیر، نشان داده شده است که SIRT1 دارای اثر تنظیمی بر استرس اکسیداتیو در بسیاری از بافت ها، کاهش سطح ROS و بهبود بقا سلول از طریق این اثر آنتی اکسیدانی است. هم چنین گزارش شده است که سرکوب SIRT1 موجب ایجاد التهاب سیستمیک، افزایش استرس اکسیداتیو و کاهش سوخت و ساز هوازي می شود(6). شواهد زیادی وجود دارد که نشان می دهد سبک زندگی بی تحرک می تواند تأثیر نامطلوبی بر تولید اسپرم در بیضه داشته باشد(30). درمان ناباروری‌های ناشی از آزواسپرمی، چالشی بزرگ در علوم پزشکی به‌حساب می‌آیند(3). یکی از راهکارهایی که محققان بر ناباروری مؤثر میدانند، فعالیت ورزشی میباشد. چرا که ناباروری ناشی از عدم تحرک که در افراد مبتلا به آزواسپرمی مشاهده میشود، از نگرانی‌های قابل‌توجه محافل پزشکی محسوب میشوند (16). کاهش فعالیت بدنی میتواند باعث کاهش مقدار هورمون‌های جنسی، اسپرم زایی و باروری و نیز کوچک‌تر شدن بیضه و کاهش مقدار منی گردد. نشان داده شده که دویدن مداوم روی چرخش دوار باعث کاهش تجمع آسیب اکسیداتیو شده و کاهش مرتبط با سن در اسپرم زایی بیضه موش را بهبود می بخشد(30). همچنین نشان داده شده که استفاده از سلولهای بنیادی در فرایند درمان در دهههای اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته، در پژوهشی نشان داده شد که محیط استفاده شده در کشت سلولهای بنیادی مزانشیمی مغز استخوان میتواند موجب بازگشت اسپرماتوژنز در موشهای آزواسپرمیک القاءشده شود (17). سلولهای بنیادی قابلیت ترمیم و تبدیل بافت صدمهدیده را دارند و یا این که محیطی مناسب برای ترمیم این بافتها را فراهم میکنند، محققین را بر آن داشته است تا با استفاده از محیط کشت حاصل از سلولهای بنیادی به بررسی اثرات آن بپردازند. تحقیقات انجامشده پیشین نشان داده است که سلولهای بنیادی مزانشیمی فاکتورهای گوناگونی را در محیط کشت رها میکنند که از آن جمله میتوان به فاکتورهای رشد استحالهای بتا، هپاتوسیتی، کراتینوسیتی، فیبروبلاستی پایه، اندوتلیال عروقی و سیتوکینها اشاره نمود (33). نشان داده است که محیط کشت حاصل از سلولهای بنیادی حاوی فاکتورهای رشد و همچنین سیتوکینهای مختلفی است که در فرایند ترمیم میتواند مؤثر باشد (20، 5). استفاده از محیط کشت حاصل از سلولهای بنیادی بهدلیل سهولت در نگهداری، ذخیره و جابهجایی نسبت به سلولهای بنیادی و همچنین احتمال کمتر ایجاد واکنشهای ایمنی میتواند گزینه مناسبی برای استفاده در ترمیمهای بافتی باشد، بههمین دلیل امروزه استفاده از محیط کشت حاصل از سلولهای بنیادی در ترمیم عوارض مختلف مورد توجه بسیار قرار گرفته است (21). در بافت بیضه موشهای نابارور این سلولها یا با مهاجرت به محیط لولههای منیساز آسیبدیده به سلولهای زایشی منیساز تمایز مییابند، یا با ترشح فاکتورهای پراکراین موجب بازگشت اسپرماتوژنز میشوند (15، 2). سلولهای بنیادی مزانشیمی در محیط کشت، سیتوکینها و فاکتورهای رشد را ترشح میکنند که تأثیرات ضدالتهابی، تعدیلکننده سیستم ایمنی، ضدآپوپتوزی و همچنین اثرات تکثیری دارند (33). برخی از گزارشها تأثیرات مثبت محیط کشت رویی حاصل از سلولهای بنیادی مزانشیمی را بر روند ترمیم بافتهای بدن تایید میکنند. بنابراین میتوان با استفاده از این نوع محیط کشت و با حذف سلول تا حدود زیادی از مشکلات حضور سلول در بدن مانند واکنشهای ایمنی و تشکیل تومورهای احتمالی جلوگیری کرد (33، 13). لذا با توجه به وجود اطلاعات اندک در خصوص تأثیر فعالیت ورزشی و سلول درمانی بر ژن های موثر در بیوژنز میتوکندریایی در بافت بیضه موشهای مدل آزواسپرمی این پژوهش برای پاسخ به این سوال که آیا فعالیت ورزشی به همراه سلول های بنیادی در بیان برخی ژن های مؤثر در بیوژنز میتوکندریایی موشهای آزواسپرمی شده اثر دارد، انجام شده است.
مواد و روشها
در این مطالعه تجربی تعداد 30 سر موش صحرایی نر بالغ نژاد ویستار 8 هفتهای با میانگین وزنی 78/14±65/205 گرم از انستیتو پاستور خریداری شدند. حیوانات در محیطی با میانگین دمای 4/1± 22 درجه سانتیگراد، رطوبت 55 درصد و چرخه روشنایی تاریکی 12:12 ساعت در قفسهای مخصوص از جنس پلیکربنات نگهداری شدند. نگهداري حیوانات مطابق با راهنماي انستیتوي بینالمللی سلامت و پروتکلهاي این مطالعه با رعایت اصول اعلامیه هلسینکی و ضوابط اخلاق پزشکی انجام شد. حیوانات از غذای پلت و آب که به صورت آزاد در اختیار قرار میگرفت، تیمار شدند. غذای مصرفی حیوانات با توجه به وزنکشی هفتگی به میزان 10 گرم به ازای هر 100 گرم وزن بدن در اختیار حیوان قرار داشت. به منظور ایجاد مدل آزواسپپرمی، ابتدا داروی بوسولفان (Busulfan) با دوز 40 میلیگرم بر کیلوگرم وزن بدن موشهای صحرایی بهصورت داخل صفاقی برای هر موش صحرایی تزریق گردید. پس از گذشت یک ماه از القا مدل موشها به صورت تصادفی به گروههای ششگانه کنترل سالم (5 سر)، شم (5 سر)، ازواسپپرمی (5 سر)، ازواسپپرمی+ سلول (5 سر)، ازواسپرمی+ ورزش (5 سر) و ازواسپپرمی+ ورزش + سلول (5 سر) تقسیم شدند. موشهای صحرایی گروههای تمرین+ آزواسپرمی، قبل از شروع پروتکل اصلی، به مدت یک هفته (5 روز ) هر بار به مدت مدت 20 دقیقه به منظورآشناییها با آب و کاهش استرس شنا و سازگاری با شرایط تمرینی، در داخل استخر آب قرار میگرفتند. سپس 5 روز در هفته تا پایان دوره تحقیق در يك مخزن آب به ابعاد 50×50×100 سانتیمتری با درجه حرارت 30-32 درجه سانتیگراد در طی 8 هفته به شنا پرداختند. مدت زمان تمرین در آب، روزانه 30 دقیقه تا پایان مدت تمرین بود. در گروه های دریافت کننده سلول، یک ماه بعد از ایجاد مدل یک بار سلول های بنیادی به صورت پیوند در ناحیه مجران دفران به میزان یک میلیون سلول برای هر موش پیوند زده شد. سپس پس از گذشت یک هفته از پیوند سلول و پس از بهبود زخم ناحیه پیوند سلولی بر روی شکم، به صورت روزانه به مدت 30 دقیقه در روز 5 روز در هفته شنا انجام دادند که این زمان به مدت 8 هفته انجام گرفت. جهت حذف اثر حاد تمرین، نمونهبردای از حیوانات پس از 48 ساعت بعد از آخرین برنامه تمرینی شنا انجام گرفت. بدین منظور ابتدا حیوانات با استفاده از تزریق صفاقی کتامین (mg/kg30- 50) و زایلازین (mg/kg 3- 5) بیهوش و سپس کشته شدند و پس از کشتار بافتهای پیوند شده مربوط به ناحیه بیضه جهت بررسی بافتشناسی و مطالعات ژنی مورد ارزیابی قرار گرفتند. برای این منظور نمونههای بافتی به فرمالین 10 درصد و نمونههای مربوط به بررسی بیان ژن به تانک ازت منتقل شدند.
برای بررسی بیان ژنهای SIRT1 و AMPK در هر گروه بررسی بافتها با تکنیک PCR-Real Time استفاده شد. ابتدا طراحی پرایمر انجام شد و سپس RNAکل از بافتها استخراج گردید و به cDNAتبدیل گردید. سپس cDNAبه روشPCR تکثیر شده و از تکنیکRT-qPCR جهت تایید بیان ژنهای مورد مطالعه به صورت کمی استفاده شد. برای این منظور ابتدا با استفاده از محلول کیازول (Kiazol)، RNA کل سلولها طبق پروتکل سیناژن (CinnaGen) استخراج شد و جهت اطمینان از آلودگی با DNAژنومیک، در معرض DNase IFermentasقرار گرفت. علاوه بر این، جهت ارزیابی یکپارچگیRNAاستخراج شده از ژل الکتروفورز استفاده گردید.
بعد از تحليل آزمايشگاهي نمونههاي بافتی، برای توصیف کمی دادهها از شاخص های آمار توصیفی شامل میانگین و انحراف استاندارد و آمار استنباطی استفاده شد. ابتدا جهت تعیین طبیعی بودن توزیع دادهها از آزمون شاپیروویلک و برای تعیین تجانس واريانس از آزمون لون استفاده شد. سپس با توجه به طبیعی بودن نحوه توزیع دادهها از آزمون پارامتریک شامل آزمون تحليل واريانس يكطرفه و آزمون تعقیبی توکی در سطح معناداري 05/0≥P برای بررسی تغییرات بیان ژن SIRT1 و AMPK استفاده شد. برای انجام کلیه امور آماری از نرم افزار SPSS نسخه 23 استفاده شد و برای رسم نمودار از نرم افزار اکسل استفاده گردید.
یافتهها
نتایج آزمون تحلیل واریانس برای بیان ژن های SIRT1 و AMPK بیانگر وجود تفاوت معنی دار در بین گروه های مختلف پژوهش است(0001/0>P). اختلاف معنی داری میان گروه آزواسپرمی با کنترل و سلول+ آزواسپرمی و تمرین+ آزواسپرمی ، ونیز بین گروه های و سلول+ آزواسپرمی وتمرین+آزواسپرمی با گروه سلول+تمرین+آزواسپرمی در بیان ژن AMPK وجود داشت (مقدار 05/0p≤). اختلاف معنی داری میان گروه آزواسپرمی با کنترل، سلول+ آزواسپرمی وتمرین+ آزواسپرمی و سلول+تمرین+ آزواسپرمی ، ونیز بین گروه های و سلول+ آزواسپرمی وتمرین+ آزواسپرمی با گروه سلول+تمرین+ آزواسپرمی در بیان ژن SIRT1 وجود داشت (مقدار 05/0p≤).
نمودار1) مقایسه سطوح میانگین mRNA برای بیان ژن AMPK بین گروههای مختلف پژوهش
* نشانه تغییر معنادار نسبت به گروه کنترل، & نشانه تغییر معنادار نسبت به گروه آزواسپرمی، $ نشانه تغییر معنادار نسبت به گروه سلول+تمرین+ آزواسپرمی (مقدار 05/0p≤).
نمودار2) مقایسه سطوح میانگین mRNA برای بیان ژن SIRT1 بین گروههای مختلف پژوهش
* نشانه تغییر معنادار نسبت به گروه کنترل، & نشانه تغییر معنادار نسبت به گروه آزواسپرمی، $ نشانه تغییر معنادار نسبت به گروه سلول+تمرین+ آزواسپرمی (مقدار 05/0p≤).
.
بحث
نتایج پژوهش نشان داد که با القای مدل آزواسپرمی بیان ژنهای SIRT1 و AMPK بافت بیضه در موشهای آزواسپرمی نسبت به گروه کنترل کاهش معنیداری داشت. از طرفی با اجرای روشهای درمانی تمرین، سلول و تمرین +سلول بیان ژنهای ذکر شده در موشهای تحت مداخلات نسبت به گروه آزواسپرمی افزایش نشان داد. مظفر و همکاران (2017) بهبود قابل توجه فرایند اسپرماتوژنز و شاخصهای بافتی بیضه در نمونههای تحت درمان با محیط کشت حاصل از سلولهای بنیادی مزانشیمی مغز استخوان نسبت به گروه آزواسپرمیک القاشده را نشان دادند (17). همراستا پژوهشهای دیگری نیز در حیواناتی نظیر همستر و موش بیانگر بهبود قابل ملاحظه فرایند اسپرماتوژنز در اثر درمان با سلول بنیادی بود (29، 24، 2). سلولهای بنیادی در بسیاری از موارد برای کاهش التهاب و عوارض ناشی از آن استفاده میشوند و به همین دلیل استفاده از این سلولها برای مقابله با بیماریهای خود ایمنی رو به افزایش است (11). سلولهای بنیادی قابلیت ترمیم و تبدیل به بافت صدمهدیده را دارند و یا این که محیطی مناسب برای ترمیم این بافتها را فراهم میکنند، محققین را بر آن داشته است تا با استفاده از محیط کشت حاصل از سلولهای بنیادی به بررسی اثرات آن بپردازند. تحقیقات انجامشده پیشین نشان داده است که سلولهای بنیادی مزانشیمی فاکتورهای گوناگونی را در محیط کشت رها میکنند که از آن جمله میتوان به فاکتورهای رشد استحالهای بتا، هپاتوسیتی، کراتینوسیتی، فیبروبلاستی پایه، اندوتلیال عروقی و سیتوکینها اشاره نمود (33). تحقیقات متعددی نشان داده است که محیط کشت حاصل از سلولهای بنیادی حاوی فاکتورهای رشد و همچنین سیتوکینهای مختلفی است که در فرایند ترمیم میتواند مؤثر باشد (20، 5). استفاده از محیط کشت حاصل از سلولهای بنیادی بهدلیل سهولت در نگهداری، ذخیره و جابهجایی نسبت به سلولهای بنیادی و همچنین احتمال کمتر ایجاد واکنشهای ایمنی میتواند گزینه مناسبی برای استفاده در ترمیمهای بافتی باشد، بههمین دلیل امروزه استفاده از محیط کشت حاصل از سلولهای بنیادی در ترمیم عوارض مختلف مورد توجه بسیار قرار گرفته است (21). از طرفی، مطالعات نشان دادهاند که بسیاری از مسیرهای سلولی از طریق وضعیت Redox سلول تنظیم میشود. تعدیل وضعیت Redox سلولی از طریق عامل نسخهبرداری NF-KB و فسفولیپاز A2 سنتز DNA را افزایش میدهند(12). همچنین همانگونه که در تحقیقات به آن اشاره شد فعالیت بدنی از طریق تغییرات در مسیرهای سیگنالینگ مختلف از جمله افزایش SIRT1 و فعال شدن AMPK بیوژنز سلول را بهبود می بخشد. در راستا نتایج این تحقیق، نشان داده شد که تمرین هوازی با توجه به بهبود سطح بیان ژنهای مؤثر در بیوژنز متوکندری و بهبود سلولهای اسپرماتوگونی، سطح کیفیت جنسی و باروری را افزایش میدهد(34). سیرتوئین ها نقش مهمی در طیف وسیعی از فرآیندهای بیولوژیکی دارند. تنظیم متابولیسم گلیکولیتیک و کنترل تنفسی-متابولیسمی انرژی میتوکندری توسط سیرتوئین ها نه تنها ارتباط فیزیولوژیکی آنها را با محیط بیضه افزایش می دهد، بلکه، همچنین نشان می دهد که این متابولیسم ها عملکرد اسپرم و در نتیجه سلامت باروری مردان را کنترل می کنند. فعالیت میتوکندری برای سلولهای اسپرم بالغ نیز حیاتی است زیرا با تحرک اسپرم مرتبط است که، عامل مهمی برای نفوذ سلولهای کومولوس و زونا پلوسیدا تخمک است(25، 9). از سوی دیگر مطالعات حیوانی بیانگر توانایی سلولها در بازگرداندن باروری، پس از فعالیت ورزشی در حیوانات هستند. فعالیت بدنی میتواند باعث آزاد شدن اکسید نیتریک گردد. اکسید نیتریک، آنزیم گوانیل سیکلاز را فعال کرده و در نتیجه میزان cGMP افزایش می‌یابد. این افزایش منجر به اتساع عروق دستگاه تناسلی شده و باعث افزایش جریان خون در آن میشود و متعاقب آن منجر به افزایش تولید اسپرم می‌گردد و در نتیجه باعث کاهش احتمال ناباروری در افرادی می‌گردد که به علت کمبود اسپرم دچار عقیمی شده‌اند (28، 1). فعالیت ورزشی آرام تا متوسط به علت افزایش جریان خون به‌تدریج سبب بهبود فعالیت متابولیکی میشود اما فعالیت شدید به دلیل تغییر جهت جریان خون به سمت ماهیچه‌های در حال فعالیت سبب کاهش آن میشود(31، 1). در اطراف قسمت میانی اسپرم غلافی از میتوکندری وجود دارد که غشای داخلی آن تولید ATP را با فسفوریلاسیون اکسیداتیو تسهیل میکند. اگر میتوکندری ها ناکارآمد باشند ممکن است قادر به ارائه ATP کافی برای تحرک مطلوب نباشند(19). در این زمینه، افزایش بیان ژن SIRT1 و AMPK مشاهده شد در مطالعه ما، با تمرین ممکن است با افزایش پتانسیل غشا و فعالیت متابولیک میتوکندری همراه باشد. در قسمت میانی اسپرم پستانداران بالغ، میتوکندری، برای ایجاد انرژی مورد نیاز برای حرکت اسپرم نقش اساسی دارد. علاوه بر این، کاهش تولید انرژی ممکن است باعث توقف میوز در طی اسپرم زایی شو(9). میتوکندری های اسپرم به طور منحصر به فردی در قسمت میانی قرار می گیرند تا انرژی را به سرعت و به طور موثر برای تحرک اسپرم تامین کنند. این میتوکندری ها نیاز شدید اسپرم به انرژی را با استفاده از فسفوریلاسیون اکسیداتیو (OXPHOS) از طریق زنجیره انتقال الکترون (ETC) تسهیل می کنند(19). از دلایلی که میتوکندری ها برای اسپرم مهم هستند ای است که آنها تنها اندامک هایی هستند که ژنوم خود را دارند: mtDNA. ژنوم میتوکندری فقط از اگزون هایی که بدون اینترون بین ژن ها وجود دارند، تشکیل شده است. بنابراین، هر جهش یا حذف نقطه ای، ظرفیت تأثیرگذاری بر عملکرد میتوکندریایی در پشتیبانی از تنفس سلولی را دارد. برخی محققان گزارش کرده اند که این مکانیسم می تواند برش و پایه های ناشی از تخریب اکسیداتیو را ترمیم کند. میتوکندری همچنین به سرعت، بدون سیستم تصحیح قابل توجهی تکثیر می شود و نرخ جهش 10 تا 100 برابر بیشتر از DNA هسته ای (nDNA) است(19). جوزکو و همکاران (2017) در مطالعه خود اذعان داشتند که افزایش چگالی مویرگی و جریان خون، منجر به بهبود سطح و تحرک و تمایز سلولهای بارور میشود(10). همچنین تحقیقات انجام شده بر روی اثرگذاری فعالیت بدنی بر سلولهای اسپرماتوگونی نشان میدهد که به دنبال فعالیت بدنی به ویژه هوازی، پاسخ سلولی با فعال شدن فوتواکسپتورهای موجود در زنجیره تنفسی واقع در میتوکندری آغاز شده و در اثر آن ردوکس سلولی تغییر حالت میدهد و همراه با تغییرات حالت غشاء سلولی با جابجایی کلسیم و تغییراتPH و فعال شدن CAMP و مضاعف شدن DNA منجر به ساختهشدن پروتئینهای جدید و تکثیر سلولی میشود. به این ترتیب پاسخ‌های سلولی از سطح سلولی به سطح بافت و ارگان کشانده میشود و اثراتی مانند تکثیر سلولی، نئوواسکولاریزاسیون، شیفت متابولیسم به سمت هوازی و متعادل کردن سطح باروری و کاهش ناباروری حاصل می‌آید(4). اولیو و همکاران (2014) به بررسی تغییرات سطوح SIRT1 و PGC1α در موش های جوان (3 ماهه) و میانسال (18 ماهه) بررسی کردند که در هر دو گروه تمرینی افزایش معنادار (SIRT1, PGC-1α, AMPK) مشاهده شد(18). بر اساس مطالعات انجام شده، SIRT1 سبب دی استیلاسیون و فعالیت AMPK می شود که می تواند عوامل مختلف رونویسی از جمله NRF1 و NRF2 را که فاکتورهای تعدیل کننده ژن های دخیل در اکسیداسیون اسیدهای چرب در میتوکندری، چرخه TCA و زنجیره تنفسی اند را تنظیم می کنند(14).
5-4. نتیجه گیری
بهطور کلی نتایج تحقیق حاضر بیانگر آن است که تغییر و کاهش بیان ژن های موثر در بیوژنز میتوکندری سلول های بافت بیضه در فرایند اسپرماتوژنز میتواند باعث کاهش باروری و افزایش ناباروری گردد، ولی فعالیت ورزشی منظم هوازی مانند شنا با شدت پایین به همراه سلول درمانی احتمالا در مهار آثار ناشی از بیماریهای ناباروری از طریق حفظ و توسعه بیوژنز میتوکندری در بهبود فرایند اسپرماتوژنز کمک شایانی میکند.
تشکر و قدردانی
این مقاله برگرفته از رساله دوره دکتری فیزیولوژی ورزشی میباشد. بدینوسیله نویسندگان تشکر خود را از تمامی کسانیکه در پیشبرد اهداف رساله یاری نمودهاند، اعلام میدارند.
تعارض منافع
هیچگونه تعارض منافع توسط نویسندگان بیان نشده است.
منابع
1. Bagheri, H. O. J., Khadem, A. M., & Yaghmaei, P. (2011). The effect of endurance running activities on Prolactin, Testosterone and DHEA-S levels. Urmia Medical Journal, 21(5), 391-397.
2. Cakici, C., Buyrukcu, B., Duruksu, G., Haliloglu, A. H., Aksoy, A., Isık, A., ... & Karaoz, E. (2013). Recovery of fertility in azoospermia rats after injection of adipose-tissue-derived mesenchymal stem cells: the sperm generation. BioMed research international, 2013.
4. Farup, J., Sørensen, H., & Kjølhede, T. (2014). Similar changes in muscle fiber phenotype with differentiated consequences for rate of force development: endurance versus resistance training. Human Movement Science, 34, 109-119.
5. Ho, J. C., Lai, W. H., Li, M. F., Au, K. W., Yip, M. C., Wong, N. L., ... & Tse, H. F. (2012). Reversal of endothelial progenitor cell dysfunction in patients with type 2 diabetes using a conditioned medium of human embryonic stem cell‐derived endothelial cells. Diabetes/Metabolism Research and Reviews, 28(5), 462-473.
6. Horio, Y., Hayashi, T., Kuno, A., & Kunimoto, R. (2011). Cellular and molecular effects of sirtuins in health and disease. Clinical science, 121(5), 191-203.
7. Huang, C. C., Wang, T., Tung, Y. T., & Lin, W. T. (2016). Effect of exercise training on skeletal muscle SIRT1 and PGC-1α expression levels in rats of different age. International journal of medical sciences, 13(4), 260.
8. Ianni, A., Kumari, P., Tarighi, S., Argento, F. R., Fini, E., Emmi, G., ... & Becatti, M. (2021). An insight into giant cell arteritis pathogenesis: evidence for oxidative stress and SIRT1 downregulation. Antioxidants, 10(6), 885.
9. Illiano, E., Trama, F., Zucchi, A., Iannitti, R. G., Fioretti, B., & Costantini, E. (2020). Resveratrol-based multivitamin supplement increases sperm concentration and motility in idiopathic male infertility: A pilot clinical study. Journal of Clinical Medicine, 9(12), 4017.
10. Jóźków, P., & Rossato, M. (2017). The impact of intense exercise on semen quality. American journal of men's health, 11(3), 654-662.
11. Kamardi, M. T., Pourgholaminejad, A., Eslaminejad, M. B., & Sotoodehnejadnematalahi, F. (2014). Mesenchymal stem cells and their application in autoimmune disease treatment. Tehran University Medical Journal, 72(6).
12. Libonati, J. R., Sabri, A., Xiao, C., MacDonnell, S. M., & Renna, B. F. (2011). Exercise training improves systolic function in hypertensive myocardium. Journal of applied physiology, 111(6), 1637-1643.
13. Linero, I., & Chaparro, O. (2014). Paracrine effect of mesenchymal stem cells derived from human adipose tissue in bone regeneration. PloS one, 9(9), e107001.
14. Lin, J., Handschin, C., & Spiegelman, B. M. (2005). Metabolic control through the PGC-1 family of transcription coactivators. Cell metabolism, 1(6), 361-370.
15. Mehrabani, D., Nazarabadi, R. B., Kasraeian, M., Tamadon, A., Dianatpour, M., Vahdati, A., ... & Ghobadi, F. (2016). Growth kinetics, characterization, and plasticity of human menstrual blood stem cells. Iranian Journal of Medical Sciences, 41(2), 132.
16. Meistrich, M. L. (2013). Effects of chemotherapy and radiotherapy on spermatogenesis in humans. Fertility and sterility, 100(5), 1180-1186.
17. Mozafar, A., Mehranani, D., Vahdati, A., Hosseini, S. E., & Forouzanfar, M. (2017). The Effect of Bone Marrow Mesenchymal Stem Cell Culture in the Treatment of Azoospermic Infertility induced by Busulfan Balb/C mice. Armaghane danesh, 22(3), 295-310.
18. Oliveira, N. R., Marques, S. O., Luciano, T. F., Pauli, J. R., Moura, L. P., Caperuto, E., ... & De Souza, C. T. (2014). Treadmill training increases SIRT-1 and PGC-1α protein levels and AMPK phosphorylation in quadriceps of middle-aged rats in an intensity-dependent manner. Mediators of inflammation, 2014.
19. O'Connell, M., McClure, N., & Lewis, S. E. M. (2002). A comparison of mitochondrial and nuclear DNA status in testicular sperm from fertile men and those with obstructive azoospermia. Human Reproduction, 17(6), 1571-1577.
20. Park, B. S., Kim, W. S., Choi, J. S., Kim, H. K., Won, J. H., Ohkubo, F., & Fukuoka, H. (2010). Hair growth stimulated by conditioned medium of adipose-derived stem cells is enhanced by hypoxia: evidence of increased growth factor secretion. Biomedical Research, 31(1), 27-34.
21. Pawitan, J. A. (2014). Prospect of stem cell conditioned medium in regenerative medicine. BioMed research international, 2014.
22. Picard, F., Kurtev, M., Chung, N., Topark-Ngarm, A., Senawong, T., Machado de Oliveira, R., ... & Guarente, L. (2004). Sirt1 promotes fat mobilization in white adipocytes by repressing PPAR-γ. Nature, 429(6993), 771-776.
23. Popov, L. D. (2020). Mitochondrial biogenesis: An update. Journal of Cellular and Molecular Medicine, 24(9), 4892-4899.
24. Rahmanifar, F., Tamadon, A., Mehrabani, D., Zare, S., Abasi, S., Keshavarz, S., ... & Koohi-Hoseinabadi, O. (2016). Histomorphometric evaluation of treatment of rat azoosper-mic seminiferous tubules by allotransplantation of bone marrow-derived mesenchymal stem cells. Iranian Journal of Basic Medical Sciences, 19(6), 653.
25. Renu, K., & Gopalakrishnan, A. V. (2019). Deciphering the molecular mechanism during doxorubicin-mediated oxidative stress, apoptosis through Nrf2 and PGC-1α in a rat testicular milieu. Reproductive biology, 19(1), 22-37.
26. Sanchis-Gomar, F., & Perez-Quilis, C. (2014). The p38–PGC-1α–irisin–betatrophin axis: Exploring new pathways in insulin resistance. Adipocyte, 3(1), 67-68.
27. Silva, J. P., & Wahlestedt, C. (2010). Role of Sirtuin 1 in metabolic regulation. Drug discovery today, 15(17-18), 781-791.
28. Hamedinia, M., & Haghighi, A. (2011). Investigation of effect of one session moderate and heavy resistance exercise on acute and delayed responses of leptin, insulin, cortisol, testosterone and 24-hour energy expenditure in healthy men. Iranian Journal of Endocrinology and Metabolism, 13(1), 67-73.
29. Tamadon, A., Mehrabani, D., Rahmanifar, F., Jahromi, A. R., Panahi, M., Zare, S., ... & Koohi-Hoseinabadi, O. (2015). Induction of spermatogenesis by bone marrow-derived mesenchymal stem cells in busulfan-induced azoospermia in hamster. International journal of stem cells, 8(2), 134-145.
30. Torma, F., Koltai, E., Nagy, E., Ziaaldini, M. M., Posa, A., Koch, L. G., ... & Radak, Z. (2014). Exercise increases markers of spermatogenesis in rats selectively bred for low running capacity. PloS one, 9(12), e114075.
31. Vaamonde, D., Garcia-Manso, J. M., & Hackney, A. C. (2017). Impact of physical activity and exercise on male reproductive potential: a new assessment questionnaire. Revista andaluza de medicina del deporte, 10(2), 79-93.
32. Yaghobinejad, M., Solhjoo, S., Toolee, H., Bashghareh, A., Nohesara, A., & RASTEGAR, T. (2019). The Effect Of Osteocalcin On Testis Morphometry In Azoospermic Syrian Male Nmri.
33. Zhao, M., Shirley, C. R., Hayashi, S., Marcon, L., Mohapatra, B., Suganuma, R., ... & Meistrich, M. L. (2004). Transition nuclear proteins are required for normal chromatin condensation and functional sperm development. Genesis, 38(4), 200-213.
34. Zheng, G., Huang, L., Tong, H., Shu, Q., Hu, Y., Ge, M., ... & Xu, J. (2014). Treatment of acute respiratory distress syndrome with allogeneic adipose-derived mesenchymal stem cells: a randomized, placebo-controlled pilot study. Respiratory research, 15(1), 1-10.