Оксидативный стресс в мужских половых клетках ведет к повреждению сперматозоидов и нарушению целостности ядра и митохондрий [Aitken et al., 2003]. В целом антиоксидантная биохимическая система может быть описана как двухуровневая система: основной защитный барьер, предотвращающий оксидативное повреждение через улавливание окисляющих радикалов, и вторичный защитный механизм, который восстанавливает повреждения, причиненные оксидативной атакой [Arduini, 1992]. В результате окислительного стресса сперматозоиды теряют способность к слиянию из-за потери ненасыщенных жирных кислот вследствие окисления [Aitken et al., 2003]. Карнитин, возможно, защищает сперматозоиды от окислительного повреждения, удаляя избыточный клеточный ацетил-КоА (первичная антиоксидантная защита) [Arduini, 1992; Vicari и Calogero, 2001].
С другой стороны, ALC ингибирует включение арахидоновой кислоты в фосфолипиды. Арахидоновая кислота сама по себе играет большую роль в образовании свободных радикалов кислорода. В дополнение к этому она является важным депо для аккумулирования лизофосфолипидов после повреждения фосфолипидов клеточной мембраны в результате оксидативного повреждения. Эта роль является критической для механизма восстановления мембраны после ее повреждения РФК (вторичная антиоксидантная защита) [Pignatelli et al., 2003]. Хотя у карнитина были обнаружены антиоксидантные свойства [Schinetti et al., 1989; Ochendorf, 1999], их совокупный эффект на качество семени остается спорным [Alvarez, 2003].
Карнитин в качестве средства диагностики
Эпидидимальный/тестикулярный маркер
Были проведены многочисленные исследования для обнаружения биохимических маркеров созревания и функционирования сперматозоидов [Cayli et al., 2003]. Включение показателей эпидидимальной функции для анализа спермы имеет большое значение, т.к. придаток яичка непосредственно участвует в подготовке сперматозоидов к оплодотворению [Wetterauer, 1986]. С этой точки зрения роль карнитина крайне важна, т.к. сперматозоиды содержат высочайшие концентрации карнитинацетилтрансферазы и карнитин накапливается в сперматозоидах во время их созревания в придатке яичка, в то время как концентрация карнитина наиболее высока в придатке яичка [Marquis и Fritz, 1965; Frenkel et al., 1974].
Большая часть карнитина придатка яичка обнаруживается в его головке, что отражает секреторную функцию этой области [Bohmer et al., 1978]. Предположили, что содержание таких эпидидимальных маркеров, как LC, в эякуляте будет снижено у мужчин с воспалением придатка яичка [Cooper et al., 1990]. У пациентов с воспалением придатка яичка концентрация карнитина была снижена в 2 раза по сравнению с мужчинами с нормальной эпидидимальной функцией [Lewin et al., 1976]. Более того, утолщение придатка яичка, которое может возникать и как следствие воспаления и de novo, было тесно ассоциировано с существенным снижением уровня карнитина в семенной жидкости [Cooper et al., 1988].
Уровень активной карнитинацетилтрансферазы, содержащейся в сперматозоидах, также является потенциально важным биомаркером тестикулярной функции. Активность этого фермента в 7 раз выше в первичных сперматозоидах, находящихся в диплотеновой стадии мейоза, чем в сперматогониях, и таким образом, может служить маркером дифференциации половых клеток.
Карнитин и мужское бесплодие
Качество и функционирование сперматозоидов улучшается при приеме LC и ALC [Comhaire и Mahmoud, 2003]. У мужчин, страдающих бесплодием, концентрация LC и ALC в семенной плазме колеблется от 200 до 1300 нмоль/мл и от 60 до 280 нмоль/мл соответственно. Была отмечена положительная корреляция между уровнем свободного LC и количеством сперматозоидов (r = 0,617; P < 0,01), подвижностью сперматозоидов (r = 0,614; P < 0,01) и количеством подвижных сперматозоидов/мл (r = 0,646; P < 0,01) [Menchini-Fabris et al., 1984]. Сходные данные были получены в исследовании, проведенном на 101 пациенте, страдающем бесплодием [Matalliotakis et al., 2000], в результате которого были выявлены четкие корреляции между уровнем LC в семени и плотностью (r = 0,711; P < 0,0001), подвижностью (r = 0,579; P < 0,0001) и морфологией сперматозоидов (r = 0,586; P < 0,001). Однако стоит заметить, что в этих исследованиях не было контрольной плацебо-группы и они не были двойными слепыми. В дополнение к этому критерии включения пациентов не были достаточно точно определены, что привело к включению в исследование пациентов с бесплодием разной этиологии.
Можно предположить, что существует связь между уровнем ALC и мужской фертильностью, т.к. мужчины с олигозооспермией имеют более низкий уровень ALC, чем фертильные контроли [Kohengkul et al., 1977]. В исследовании, где бесплодные мужчины с нормозооспермией сравнивались с фертильной контрольной группой, было установлено, что у мужчин, страдающих бесплодием, понижено количество свободного (295 против 521 мкмоль/л; P < 0,001) и общего карнитина (513 против 743 мкмоль/л; P < 0,001). Таким образом, можно предположить, что ALC является потенциальным диагностическим маркером для необъяснимых случаев бесплодия у мужчин с нормальными параметрами семени [Aopfgen et al., 2000].
Азооспермия
Еще одним потенциальным применением семенного LC является диагностика этиологии азооспермии. Потенциальный диагноз может быть основан на том факте, что карнитин в семенной плазме попадает туда из придатка яичка и семенных пузырьков. У мужчин с обструктивной азооспермией, при которой уровень постэпидидимальной обструкции очень высок, например, из-за недоразвития (агенеза) семяпровода, уровень карнитина значительно понижен (Menchini-Fabris et al., 1984). С другой стороны, у мужчин с обструкцией более низких отделов (внутритестикулярной или эпидидимально-тестикулярной) уровни карнитина остаются в пределах нормы [Saeed et al., 1994].
Астенозооспермия
Предполагается, что существует связь между карнитинами и подвижностью сперматозоидов. Сперматозоиды остаются неподвижными при их удалении с помощью микропункции из тех отделов головки придатка яичка, в которых уровень карнитинов еще не высок [Hinton et al., 1979]. Более того, добавление LC и ALC к человеческим сперматозоидам in vitro увеличивает их подвижность [Tanphaichitr, 1977].
Хотя отдельные значения уровней LC и ALC могут быть выше в образцах с астенозооспермией [Bartellini et al., 1987], соотношение ALC/LC и процент ацетилирования в них всегда понижен [Kohengkul et al., 1977; Golan et al., 1984; Bartellini et al., 1987]. Существенная разница в ALC/LC и проценте ацетилирования может быть объяснена дефектами ферментативной системы (карнитинтрансферазы), которая контролирует реакцию превращения карнитина в ацетилкарнитин, что, в свою очередь, ведет к снижению подвижности сперматозоидов.
Терапевтические эффекты карнитинов
Терапевтическая роль карнитинов подтверждается многочисленными наблюдениями, зафиксированными в литературе [Cassilas, 1973; Lewin et al., 1976; Johansen и Bohmer, 1979; Golan et al., 1984; Bartellini et al., 1987; Bieber, 1988; Jeulin и Lewin, 1996; Moore, 1998]. У мужчин с олигоастенозооспермией понижена концентрация LC [Lewin et al., 1976; Menchini-FAbris et al., 1984] и ALC [Kohengkul et al., 1977] по сравнению с фертильными мужчинами. Существует достоверная положительная корреляция между уровнем LC и количеством сперматозоидов, а также их подвижностью [Menchini-Fabris et al., 1984]. Эти наблюдения вместе с твердо установленной ролью LC и ALC в производстве энергии сперматозоидами создают научное обоснование для применения терапии LC и/или ALC для лечения многих случаев мужского бесплодия.
Исследования на животных
Для того чтобы охарактеризовать протекторное действие ALC в in vivo системе, был изучен процесс восстановления и созревания сперматозоидов у мышей. Мышей подвергли облучению для того, чтобы удалить сперматогонии, и затем им давали ALC в концентрации 100 мг/кг через день в течение 4 недель. Популяция сперматозоидов у мышей, получавших ALC, восстанавливалась быстрее, чем у контрольной группы [Amendola et al., 1989]. Таким образом, ALC, возможно, влияет на ранние стадии сперматогенеза, благодаря положительным эффектам на репарацию ДНК и пролиферацию и регенерацию половых клеток [Amendola et al., 1989]. Также было обнаружено, что ALC сокращает восстановительный период после гипертермического повреждения [Amendola et al., 1991], что может иметь важное значение для терапии гипертермического повреждения в случаях варикоцеле – одной из самых распространенных причин мужского бесплодия [Comhaire et al., 1976].
Карнитин также может оказывать протекторное действие от повреждения, вызванного электрическими и магнитными полями (ЭМП). В одном исследовании мыши, многократно подвергающиеся ЭМП и затем получавшие LC, быстрее восстанавливали количество сперматозоидов и их подвижность по сравнению с контрольной группой [Ramadan et al., 2002].
Прием триметилуксусной кислоты с питьевой водой снижает уровень карнитина в семенной сыворотке у крыс из-за выведения карнитинов с мочой в виде триметилацетилкарнитина. В одном исследовании был обнаружен эффект снижения карнитина у фертильных крыс и хомяков. Добавление триметилацетата (20 ммоль/л) в течение 5-недельного периода привело к снижению уровня карнитина в эпидидимальной жидкости на 50–70 %, однако не затронуло ни количество, ни подвижность сперматозоидов. Таким образом, снижение количества карнитина не является успешным способом мужской контрацепции [Cooper и Yeung, 1999].
Исследования in vitro
Увеличение подвижности
Сперматозоиды сохраняют до 50 % своей подвижности в течение 8 дней ко-инкубирования с культурами клеток придатка яичка (Moore, 1998). Способность карнитина увеличивать подвижность in vitro остается предметом споров. Экзогенный карнитин и ацетилкарнитин способны увеличивать подвижность сперматозоидов в мужском эякулированном семени, однако сам по себе карнитин не стимулирует подвижность т.к. его положительный эффект осуществляется только после его превращения в ацетилкарнитин. Этот вывод происходит из наблюдения, что карнитин может инициировать увеличение подвижности только при добавлении ацетата в культуру. Точный механизм остается не до конца выясненным.