導讀
人類的生育能力和生殖壽命隨著年齡的增長而急劇下降。大約 10% 的準父母在 34 歲以上無法實現自然生育，而在 45 歲以上人群中，這一比例增加到 87%。高齡女性經歷不孕、自然流產、圍產期死亡和先天性異常的風險增加。雖然輔助生殖技術能在一定程度上彌補人類生殖效果不佳的問題，但輔助生殖技術的成功率也隨著年齡的增長而下降。
多胺，包括腐胺、亞精胺和精胺，是無處不在的多聚陽離子，在幾乎每個活細胞中都能合成，存在於許多組織、器官和生物體中，參與多種生理和病理生理過程。雖然越來越多的研究報道了亞精胺對體細胞衰老的恢復作用，但亞精胺對卵母細胞衰老的影響尚未明確。
2023 年 10 月 16 日，南京農業大學熊波教授團隊在Nature Aging發表了題為Polyamine metabolite spermidine rejuvenates oocyte quality by enhancing mitophagy during female reproductive aging的文章，在本研究中，他們利用非靶向代謝組分析，發現老年小鼠卵巢中的亞精胺水平降低，而體內補充亞精胺可以通過促進老年小鼠卵母細胞的成熟能力來恢復其質量、受精潛力和胚胎發育能力，從而提高動物的生育能力。
機制層面，他們通過微量轉錄組分析，揭示了亞精胺在卵母細胞衰老過程中恢復了線粒體自噬活性以抑制其自身的凋亡。
圖片來源：Nature Aging
主要研究內容
亞精胺促進老年小鼠卵巢發育和雌性生育能力
為了研究高齡對卵巢代謝物變化的影響，他們比較了幼齡和老齡小鼠的卵巢代謝物。基於主成分分析的結果，他們觀察到幼齡和老齡樣本之間相隔很遠，提示兩者的卵巢代謝組存在顯著不同。通過分析，他們發現亞精胺在老年小鼠卵巢中顯著降低。
為了進一步驗證衰老是否會降低卵巢中的亞精胺水平，他們使用小鼠卵巢裂解液進行了一項基於酶聯免疫吸附實驗的亞精胺檢測。結果顯示，與年輕對照組相比，老年小鼠卵巢中亞精胺含量顯著下降。值得注意的是，通過腹腔注射補充亞精胺顯著增加了老年小鼠卵巢中的亞精胺水平，並促進了卵母細胞的成熟率，強調了亞精胺在提高高齡動物卵母細胞質量和女性生殖壽命方面的潛在作用。
同樣地，對不同發育階段卵泡數量的定量分析顯示，添加亞精胺增加了老齡小鼠卵巢中竇前卵泡和竇卵泡的數量，並且隨著年齡的增長，雌鼠產仔數顯著降低，而補充亞精胺後，其產仔數有所恢復。
此外，他們還發現亞精胺可以改善卵母細胞核成熟過程中衰老誘導的減數分裂缺陷，以此增強衰老小鼠卵母細胞體內成熟的能力。因此，補充亞精胺是改善老齡動物卵母細胞和卵巢發育及雌性生殖能力的一種可行策略。
圖片來源：Nature Aging
亞精胺可恢復衰老小鼠卵母細胞的受精能力和早期胚胎發育潛力
除核成熟外，細胞質成熟是決定卵母細胞質量的另一個關鍵過程，並與隨後的受精和胚胎發育密切相關。因此，他們研究了皮質顆粒（CGs）和線粒體的動力學，這是卵母細胞胞漿成熟的兩個關鍵指標。通過熒光成像和強度測量，他們發現與幼齡小鼠相比，老齡小鼠卵母細胞皮層下區域的 CGs 信號顯著減少，而補充亞精胺則可有效恢復其水平。此外，通過對線粒體進行染色，他們發現幼齡小鼠卵母細胞線粒體均勻分佈於細胞質中，並在梭形細胞周圍聚集。然而，衰老破壞了這種線粒體分佈模式，而補充亞精胺同樣可在一定程度上挽救這種情況。
進一步的研究發現，補充亞精胺增加了精子與老年小鼠卵母細胞結合的數量。與此同時，補充亞精胺還恢復了老年小鼠卵母細胞的體外受精和囊胚形成率。因此，這些結果提示，亞精胺通過促進衰老小鼠卵母細胞胞漿成熟，增強了其受精能力和胚胎發育潛力。
圖片來源：Nature Aging
微量轉錄組分析揭示老年小鼠卵母細胞亞精胺作用的調控途徑
為了深入了解亞精胺如何提高老年小鼠卵母細胞質量的潛在機制，研究人員進行了微量轉錄組學分析。通過差異基因的計算和基因富集通路的分析，他們發現，與補充亞精胺的年輕小鼠相比，老年小鼠卵母細胞中高表達的差異基因在氧化磷酸化和自噬相關通路中富集。因此，他們推測補充亞精胺對老齡小鼠卵母細胞質量的改善可能是通過自噬和線粒體功能介導的。
後續的實驗結果也表明，亞精胺能夠提高老年小鼠卵母細胞的自噬。線粒體自噬是自噬的一種特殊形式，介導功能失調的線粒體的去除，以維持線粒體的數量和質量。他們經過更加精細的實驗，發現亞精胺增強了老年小鼠卵母細胞的線粒體自噬活性，並通過激活線粒體自噬來增強線粒體功能，而線粒體自噬活性的抑制則會干擾亞精胺增強的老年小鼠卵母細胞質量。
圖片來源：Nature Aging
結語
綜上所述，該研究基於卵巢代謝組學資料和大量的體內和體外實驗證據，證明了亞精胺是在衰老過程中保持卵母細胞質量的關鍵代謝物。補充亞精胺可促進卵母細胞成熟，增強受精能力和胚胎早期發育潛力，從而提高老齡動物雌性的生育能力。
值得注意的是，亞精胺增強了衰老小鼠卵母細胞的線粒體吞噬活性，以維持線粒體功能並抑制細胞凋亡。因此，該研究為亞精胺在改善高齡婦女生殖能力的潛在應用提供了理論支持。
文章發表後，來自奧地利格拉茨大學的Andreas Zimmermann博士和Frank Madeo教授在Nature Aging發表了題為Spermidine promotes fertility in aged female mice的評述性文章。首先，他們對熊波教授團隊的這一創新性發現進行了肯定，指出該研究發現與年齡相關的多胺亞精胺下降是卵母細胞質量的關鍵瓶頸，而在體外和體內補充亞精胺可使卵母細胞恢復活力，提高中年雌性小鼠的生育能力。
圖片來源：Nature Aging
該評述性文章還指出，未來工作中一個重要方向是研究衰老卵母細胞中精胺水平下降的分子機制，即亞精胺在卵母細胞中的分子靶點是一個有待解決的問題。同時，他們還表示，亞精胺補充劑的幾個臨床試驗正在進行中，包括治療高血壓（NCT04405388）、抑鬱症（NCT04823806）、免疫系統老化（NCT05421546）和口腔黏膜炎（NCT05926557）。因此，在未來，探索補充亞精胺生殖輔助潛力的臨床試驗似乎是很有必要的。
補充閱讀
300 多年前，顯微鏡之父列文虎克一堆精液樣本中首次發現亞精胺，也因此得名。它存在於人體多種組織和細胞當中，並且可以從各種食物來源中獲取，如乳酪、蘑菇、西蘭花等。
據報道，亞精胺可通過誘導自噬延長酵母、蒼蠅、蠕蟲和人類免疫細胞的壽命。此外，飲食中補充亞精胺可抑制果蠅年齡引起的記憶損傷以及預防小鼠的神經退行性疾病。
題圖來源：站酷海洛
參考文獻：
1. Zhang, Y., Bai, J., Cui, Z. et al. Polyamine metabolite spermidine rejuvenates oocyte quality by enhancing mitophagy during female reproductive aging. Nat Aging (2023).
2. Zimmermann, A., Madeo, F. Spermidine promotes fertility in aged female mice. Nat Aging (2023).
3. Partridge, L., Fuentealba, M. & Kennedy, B. K. The quest to slow ageing through drug discovery. Nat. Rev. Drug Discov. 19, 513–532 (2020).