线粒体损伤介导的氧化应激-无菌性炎症轴在精索静脉曲张性不育中的作用：一项叙述性综述

《Basic and Clinical Andrology》：The role of the mitochondrial injury-mediated oxidative stress-sterile inflammation axis in varicocele-induced infertility: a narrative review

　　

精索静脉曲张（VC）是可纠正的男性不育常见因素，但其对生育力的影响以及对修复治疗的反应在不同患者间差异显著。本叙述性综述探讨了线粒体损伤是否将血流动力学病变与氧化应激、无菌性炎症及持续性生精损伤联系起来。静脉淤滞、高温、缺氧及代谢紊乱可损害线粒体呼吸功能、膜电位、三磷酸腺苷（ATP）产生及质量控制。这些变化增加了线粒体活性氧（mtROS）的产生，并促进线粒体DNA（mtDNA）氧化与释放。氧化型mtDNA可激活有核睾丸细胞中的环状GMP-AMP合酶（cGAS）-干扰素基因刺激因子（STING）信号通路及NOD样受体家族含pyrin结构域蛋白3（NLRP3）信号通路，但证据并不均衡。人体研究主要记录了精子线粒体功能障碍、氧化损伤、DNA碎片化及精浆中炎症小体相关因子的改变。整合性的mtDNA-cGAS-STING-NLRP3序列主要得到动物及非VC机制模型的支持，尚未在人类VC中得到因果性证实。因此，解剖学及时间背景至关重要。生精过程中睾丸体细胞、生殖细胞及免疫细胞内的事件不能从附睾、射出精子、精浆或女性生殖道的研究发现中推断。内质网应激及自噬或线粒体自噬可能调节线粒体损伤，而程序性细胞死亡、血睾屏障破坏及表观遗传学改变可能扩展其后果。上述大部分关联仍需细胞分辨水平及纵向研究的验证。指南指导的精索静脉曲张修复术仍是临床基础。精子DNA碎片化及其他机制相关标志物是有用的研究工具，但缺乏来源特异性或经过验证的治疗阈值，而通路导向疗法仍处于临床前阶段。本综述的独特贡献在于提出了一个按解剖分区及证据分级模型，将已证实的研究发现与合理的推测区分开来。它还明确了所需的实验设计，以确定残余的线粒体-炎症性损伤是否能预测生殖结局或对安全辅助治疗的反应。

引言

精索静脉曲张（VC）以蔓状静脉丛扩张迂曲及静脉反流为特征，是男性不育最常见的可纠正因素之一。目前指南推荐对尝试受孕且存在可触及临床VC合并不育及精液参数异常的男性考虑修复手术。然而，仅凭诊断并不能预测生殖功能受损的程度。一些患有临床VC的男性仍保持生育力，且修复后的改善程度因人而异。因此，当代指南依据临床及生殖背景而非单纯静脉解剖学来决定治疗方案。与此异质性一致，Pasqualotto等人报道了有生育力与无生育力的VC男性具有不同的精液质量和氧化应激谱，尽管基线睾丸储备未被测量。关于VC病理生理学的综述一致描述了多因素过程，并得出结论认为没有任何单一机制能解释其多变的生殖效应。因此，个体生殖潜力很可能修饰了相似静脉病变的临床表现。在此临床背景下，机制研究已识别出多种相互作用应激源而非单一的下游通路。阴囊高温、睾丸灌注受损与缺氧、肾上腺或肾代谢物反流以及内分泌失调可扰乱氧化还原及免疫稳态，削弱血睾屏障（BTB），并损伤精子DNA。活性氧（ROS）是精子获能和顶体反应所必需的，但过量时则会促进膜脂质过氧化、蛋白质氧化、线粒体功能障碍及DNA链断裂。针对VC的人体和动物研究也报告了炎症介质增加、NLRP3炎症小体组分改变以及睾丸免疫稳态受损。这些观察结果将核心问题从氧化应激和炎症是否参与VC性不育（VCI）转变为线粒体损伤如何连接并维持它们。本综述将线粒体置于这一网络的中心，并提出一个线粒体损伤介导的氧化应激-无菌性炎症轴。研究人员并非将氧化应激、线粒体功能障碍、炎症、BTB损伤及表观遗传改变视为平行观察结果，而是探究线粒体损伤是否提供了它们之间的机制桥梁。研究人员追踪了各环节跨越不同解剖分区及精子发育阶段的联系，还将来自人类VC、实验性VC及机制相关的非VC模型的证据分开，并指出哪些主张仍未得到检验。通过结合分区解析图谱与明确的证据层级，本综述将一个广泛的生物学假说转化为可用于生物标志物、机制及干预研究的可检验问题。

文献检索

本叙述性综述更新至2026年8月25日。研究人员检索了PubMed/MEDLINE、Web of Science核心合集、Scopus及Embase数据库，时间从建库起。检索词组合包括‘varicocele’或‘varicocoele’与男性不育、睾丸、精子、线粒体、线粒体DNA、氧化应激、内质网应激、未折叠蛋白反应、自噬、线粒体自噬、cGAS-STING、NLRP3、炎症小体、焦亡、血睾屏障、DNA甲基化、组蛋白、鱼精蛋白、染色质、非编码RNA、m6A、蛋白质组学、代谢组学、单细胞及空间转录组学。符合条件的来源包括同行评议的人体研究、实验性VC研究以及具有直接机制相关性的生殖细胞研究。临床指南及系统性或高质量叙述性综述被用于背景性和综合性论述。研究人员优先纳入原创性VC研究，并保留了支持性、不一致性及阴性发现。未提供充分方法的会议摘要及缺乏直接机制联系的非生殖研究被排除。还检查了合格论文的参考文献列表。最终综合包含93篇参考文献。筛选未重复进行，偏倚风险未正式评估，且未注册方案。因此，本研究应被视为一篇叙述性综述而非系统性综述或荟萃分析。

VC性不育中的线粒体损伤与细胞应激反应

血流动力学应激与精子线粒体功能障碍

精索静脉回流障碍是VC的起始改变。持续的静脉高压、血液淤滞、局部高温及缺氧可扰乱睾丸微环境并增加氧化负荷。线粒体集中于精子中段。尽管氧化磷酸化和糖酵解的相对贡献因物种和精子运动阶段而异，但线粒体直接支持ATP产生、氧化还原稳态、钙信号传导及凋亡调控。电子传递链受损会增加电子漏出和mtROS生成，形成线粒体功能下降、ROS积累和进一步线粒体损伤的正反馈循环。临床研究为此过程提供了关联性证据。VC男性的精子线粒体呼吸活性低于健康对照组，且伴随精子浓度和活力降低。其他研究报告了异常染色质包装、线粒体膜电位（ΔΨm）降低以及更高比例的精子凋亡。一项横断面研究也发现VCI男性中ΔΨm和ATP水平降低，同时凋亡和DNA碎片化指数（DFI）增加，这些指标与传统精液参数相关。然而，潜在混杂因素未得到充分控制。因此，这些发现确立了VCI与线粒体功能障碍之间的关联而非因果方向。蛋白质组学研究同样在VCI男性的精子和精子线粒体组分中发现了涉及电子传递链、能量代谢、膜完整性及氧化还原调控的蛋白质异常。总体而言，这些发现支持线粒体功能障碍是VCI的重要组成部分，但其时间顺序及对临床结局的独立贡献仍需纵向验证。Blumer等人发现VC男性精子线粒体活性降低且精子DNA碎片化增加，而脂质过氧化与对照组相比无显著差异。在一项实验性大鼠时间进程研究中，Minas等人观察到在2个月和4个月时精子线粒体活性均受损，但在较长时间间隔后未见进一步恶化。这些原始研究强化了线粒体表型，同时也揭示了样本量小以及时间或个体异质性。

损伤的解剖分区与时机

线粒体损伤的生物学意义取决于其发生的位置和时间。在生精过程中，发育中的生殖细胞与有核的支持细胞、间质细胞、内皮细胞及免疫细胞共存于不同的微环境中。非VC模型显示，热应激可激活支持细胞中的NLRP3，而受损的线粒体自噬伴mtDNA释放可激活间质细胞中的cGAS-STING信号通路。这些研究建立了细胞层面的可能性，而非VC中相同的序列。在附睾转运期间，精子会遇到独立的附睾上皮和管腔环境。实验性VC引起ATF6依赖的附睾上皮炎症，但局部NLRP3组装尚未被证明。射精后，精浆含有来自多个雄性生殖组织的细胞外囊泡，这阻碍了在没有分离的情况下追溯其睾丸或精子来源。在女性生殖道中，线粒体和ROS信号有助于正常的获能，但尚未显示VC特异性DAMP-炎症小体通路。因此，研究人员主要将中枢mtDNA传感模型应用于睾丸内受损的有核细胞。除非有来源解析的证据，否则射出精子和精浆标志物被视为下游读数。

mtDNA释放与代谢信号传导

线粒体损伤的后果不仅限于能量供应不足。当受损的体细胞或免疫细胞中线粒体膜通透性增加、膜完整性丧失或线粒体质量控制失败时，mtDNA可进入胞质溶胶，随后可通过细胞死亡、囊泡运输或其他途径释放到细胞外空间。缺乏组蛋白保护以及mtDNA靠近ROS产生位点使其特别容易受到氧化修饰。因此，氧化型mtDNA既可充当损伤标志物，也可作为免疫刺激分子。增加的mtROS、mtDNA氧化及mtDNA释放这一序列代表了将氧化应激转化为无菌性炎症的候选中间步骤。线粒体相关代谢物，包括ATP、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）、乙酰辅酶A（acetyl-CoA）、α-酮戊二酸（α-KG）及S-腺苷甲硫氨酸（SAM），也能影响修饰DNA、组蛋白和RNA的酶。这为线粒体功能障碍与表观遗传改变之间提供了合理的生物学联系，尽管在VCI中的直接证据仍然不足。人体研究为线粒体损伤与表观遗传改变的关联提供了初步证据。Arya等人比较了40名临床VCI男性和30名可育对照。VCI男性的精子ΔΨm较低，细胞内ROS水平和mtDNA拷贝数较高，并且几个与线粒体结构或功能相关的基因启动子甲基化异常。在VC修复或抗氧化治疗后三个月，ROS水平和mtDNA拷贝数下降，但ΔΨm未恢复，且多个CpG位点的甲基化改变持续存在。该研究样本量有限，包含异质性干预措施，随访期短，且未评估妊娠和活产率。因此，它提示但并未确立持续的线粒体和表观遗传异常可能导致治疗后不完全恢复。

内质网应激、自噬与线粒体质量控制

内质网（ER）应激形成了第二个可汇聚于线粒体的应激反应网络。错误折叠蛋白通过IRE1、PERK和ATF6激活未折叠蛋白反应。早期信号支持蛋白质折叠和氧化还原控制，而持续的IRE1-JNK或PERK-ATF4-CHOP活性则可扰乱钙稳态、增加NF-κB信号和ROS产生，并促进线粒体凋亡。一项大鼠VC研究证明了IRE1/XBP1s/JNK激活伴有caspase-3升高，而一篇更广泛的综述支持雄性生殖损伤中ER-线粒体双向串扰。人类VC证据仍然不足。因此，ER应激是一个经实验支持的修饰因子，而非拟议轴中已验证的人类组分。这些ER-线粒体相互作用受自噬（特别是选择性清除受损线粒体的线粒体自噬）的塑造。有效的线粒体自噬限制了mtROS积累、mtDNA逃逸、炎症小体激活及凋亡。不完全或停滞的通量则允许这些信号持续存在。在大鼠VC模型中，ATG7和LC3-II/LC3-I比值在睾丸和附睾精子中升高，并伴有氧化损伤。一项小型人病例对照研究同样发现精子中较高的ATG7和LC3水平伴随着凋亡和鱼精蛋白缺乏。两项研究主要依赖于静态标志物。它们显示了自噬相关机制的募集，但未确定通量是保护性的、不足的还是被阻断的。因此，在将线粒体自噬失败置于VCI中mtDNA释放的上游之前，需要时间分辨的通量测定和通路特异性拯救实验。

氧化型mtDNA的免疫感知：cGAS-STING与NLRP3的交叉放大

mtDNA相对富集于未甲基化的CpG基序，因此具有类似于细菌DNA的免疫刺激特性。在线粒体损伤后，胞质溶胶或细胞外空间的氧化型mtDNA可作为损伤相关分子模式（DAMP）被先天免疫系统识别。这种识别将细胞内氧化损伤转化为炎症信号。胞质mtDNA可被cGAS识别，后者生成环状GMP-AMP（cGAMP）。cGAMP激活STING、TANK结合激酶1（TBK1）、干扰素调节因子3（IRF3）及NF-κB，导致I型干扰素和促炎信号传导。NLRP3活性最好被理解为一个分阶段的过程。NF-κB依赖性启动增加了NLRP3和白介素-1β前体（pro-IL-1β）的表达，并建立翻译后胜任状态。第二信号，包括钾离子外流与NEK7结合、细胞外ATP-P2×7信号、钙紊乱、溶酶体损伤、mtROS或氧化型mtDNA，随后可促进炎症小体组装。组装的NLRP3-凋亡相关斑点样蛋白含CARD（ASC）-caspase-1复合物产生成熟的白介素-1β（IL-1β）和白介素-18（IL-18），并切割gasdermin D（GSDMD）以诱导焦亡。这一序列也定义了声称激活所需的证据。总NLRP3或caspase-1的增加表明通路可用性而非复合物组装。ASC斑点、cleaved caspase-1和GSDMD、成熟细胞因子以及通路特异性拯救提供了更强的证据。cGAS-STING和NLRP3并非简单的线性级联。它们可以通过NF-κB依赖性启动、线粒体损伤及细胞因子信号相互加强。因此，在VCI中，它们被认为是一个潜在的交叉放大网络，而非已建立的单向通路。VC相关证据的强度在该拟议网络中差异很大。在大鼠VC模型中，Jia等人发现绿原酸改善了线粒体稳态，减少了氧化型mtDNA的释放，并抑制了cGAS-STING和NLRP3相关信号，这些变化伴随着较轻的生精功能障碍。这项研究为VC中连接线粒体损伤、氧化型mtDNA、DNA传感和炎症小体激活的框架提供了直接的动物证据。然而，药物干预的多效性作用不能替代遗传学验证因果关系。在一个非VC睾丸损伤模型中，脱氧雪腐镰刀菌烯醇诱导了线粒体损伤和胞质mtDNA泄漏，随后激活了cGAS-STING-TBK1/IRF3和NF-κB信号。这些发现为睾丸内的无菌性炎症提供了机制支持，但并非VC的直接证据。人体数据主要集中在炎症小体组分上。Baazm等人在32名2级或3级VC男性的精浆中报告了NLRP3、ASC和IL-1β升高，但IL-18较低，且caspase-1无显著差异。因此，精浆中炎症小体相关组分的变化并不一致。可能的解释包括测量的是总caspase-1而非cleaved caspase-1、IL-18和IL-1β的差异性加工或释放、附属腺体或白细胞对精浆的贡献、统计效力有限以及通路活性存在于未被整体精液解析的细胞群中。因此，该研究支持精浆炎症环境的改变，但未证明协调的经典NLRP3激活。Camargo等人也报告了成人VC中精浆炎症小体活性的改变。在VC动物模型中，NLRP3、caspase-1和IL-1β上调，而抑制相关信号可减轻睾丸损伤并改善精子质量。总体而言，NLRP3参与VC相关炎症的证据相对较强。mtDNA、cGAS-STING和NLRP3在人类VCI中的直接联系仍未得到证实。这些发现支持一个可检验的工作模型。静脉淤滞、热应激和缺氧首先扰乱线粒体稳态并促进mtROS积累。mtDNA随后被异常氧化和释放，激活DNA传感和炎症小体通路。炎症介质和炎症性细胞死亡的释放反过来会加剧线粒体损伤。该模型强调了氧化应激与无菌性炎症之间的双向放大作用。它不应被解释为已在人群中验证的固定通路。

线粒体-炎症轴的下游后果：程序性细胞死亡与微环境破坏

这一炎症网络可通过多种形式的程序性细胞死亡、BTB功能受损及睾丸免疫微环境重塑，将线粒体损伤扩展为持续的生精障碍。程序性细胞死亡方面，凋亡是VC相关生精损伤中特征最明确的细胞死亡形式。铁死亡、焦亡和坏死性凋亡最近作为额外机制引起了关注。这些过程可由氧化应激、线粒体损伤或炎症信号启动，也可通过释放DAMPs诱导继发性炎症。它们在VCI中的细胞起源、时间顺序及相对贡献尚未确定。在线粒体凋亡中，ΔΨm降低、BAX/BCL-2比值升高、细胞色素c释放及caspase级联激活可促进生殖细胞或精子凋亡。成熟精子细胞质少、DNA修复能力有限，因此特别易受线粒体损伤和ROS积累的影响。VC动物模型和体外氧化应激研究已显示ROS、内质网应激、凋亡及精子异常增加。在VC小鼠中，番茄红素通过miR-23a/b-PROK2相关机制减少了精母细胞凋亡。这些干预研究支持凋亡在VC相关损伤中的作用，但未确定其在每位患者中都是主导机制。铁死亡由铁依赖的膜脂质过氧化驱动，典型特征包括不稳定铁和脂质ROS增加、长链酰基辅酶A合成酶家族成员4（ACSL4）上调以及谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）介导的防御失效。精子膜富含多不饱和脂肪酸，因此易受铁死亡样脂质过氧化的影响。关于成熟精子是否执行有核细胞的经典铁死亡程序仍存争议。在缺乏形态学证据、药理学拯救及多标志物确认的情况下，“铁死亡相关变化”比“铁死亡”的确诊更恰当。焦亡是由gasdermin蛋白成孔介导的炎症性细胞死亡形式。经典NLRP3-caspase-1通路主要切割GSDMD并促进IL-1β和IL-18的成熟与释放。GSDME通常被caspase-3切割，可将某些凋亡信号转化为焦亡样膜破裂。在VC大鼠及缺氧培养的生精小管相关细胞中已观察到NLRP3/caspase-1/GSDMD通路的激活。阻断该通路可减轻睾丸损伤、改善生精并保护支持细胞。由于含药血清和多组分制剂可能作用于多个靶点，仍需细胞特异性敲除或选择性抑制来确定因果关系。一项人类精子研究发现，双侧VC的不育男性中ROS和铁水平升高，谷胱甘肽、总超氧化物歧化酶及过氧化氢酶水平降低，且GPX4、受体相互作用丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1/3（RIPK1/3）和GSDME发生改变。这些发现表明铁死亡相关变化、坏死性凋亡和GSDME相关炎症性死亡可能共存。然而，横断面的蛋白质表达差异不足以证明多种细胞死亡程序的完全执行。在VC大鼠的提睾肌卫星细胞中也观察到了铁死亡和N6-甲基腺苷（m6A）相关变化。由于组织来源不同，这些发现不能直接外推至睾丸或精子。BTB破坏与睾丸免疫微环境重塑方面，BTB由相邻支持细胞间的紧密连接、基底外质特化、间隙连接及其他结构构成，对于维持生精微环境和限制免疫成分进入生精小管至关重要。BTB并非静态屏障，在生精上皮周期中经历持续重塑。VC相关的热应激、氧化应激和炎症可将这一动态平衡转向病理性高通透性。ROS和促炎介质可通过改变连接蛋白、肌动蛋白细胞骨架及相关激酶信号来削弱支持细胞连接和BTB完整性。支持细胞的线粒体功能、抗氧化能力、乳酸供应及吞噬清除功能也直接支持生殖细胞存活。因此，支持细胞损伤可同时损害屏障功能和营养支持。间质细胞负责睾酮合成。在脱氧雪腐镰刀菌烯醇诱导的非VC小鼠模型中，ROS-NLRP3-caspase-1-GSDMD信号促进了间质细胞焦亡并破坏了睾丸内分泌稳态。这一发现表明间质细胞能够产生此类反应，但并未确定VC中存在相同过程。VC是一种非感染性血流动力学疾病，因此其炎症反应更符合无菌性炎症。内源性危险信号，包括氧化型mtDNA、高迁移率族蛋白B1、热休克蛋白及脂质过氧化产物，可激活支持细胞、生殖细胞和睾丸免疫细胞中的模式识别受体。BTB通透性增加也会暴露生殖细胞抗原并改变局部免疫细胞的状态。因此，线粒体损伤与屏障破坏可形成一个相互强化的循环。启动该循环的细胞类型尚不清楚。

表观遗传改变：潜在的长期分子印记而非既定结局

表观遗传改变可提供一个连接代谢状态、环境应激和基因表达的长期分子记录。由线粒体功能障碍引起的NAD+、乙酰辅酶A、α-KG和SAM水平变化可影响DNA甲基转移酶、组蛋白乙酰转移酶或去乙酰化酶以及RNA修饰酶。氧化应激和炎症也可损伤DNA、扰乱修复并改变精子染色质包装。这些代谢-表观遗传关系的大部分证据来自其他疾病或基础模型，在VCI中尚不能被视为已建立的因果链。一篇近期综述将VC相关表观遗传证据组织为DNA甲基化、染色质包装、非编码RNA和m6A-RNA调控，同时强调了有限的纵向和后代水平证据。病例对照研究已识别出VC男性中差异的精子DNA甲基化以及从头DNA甲基转移酶DNMT3A和DNMT3B表达增加。在生精过程中，组蛋白逐渐被鱼精蛋白取代以压缩父本基因组。VC男性中组蛋白滞留增加，据报道显微精索静脉曲张切除术后有所下降，而VC大鼠中观察到鱼精蛋白缺陷增加。这些指标表明染色质包装不完全，不应被解释为位点特异性组蛋白修饰。直接针对VC中定义位点的组蛋白乙酰化或甲基化、染色质可及性及三维染色质组织的证据仍然稀少。非编码RNA研究报告了缺氧相关长链非编码RNA（lncRNA）MIR210HG和MLLT4-AS1表达增加，并与ROS和精液参数相关。精浆MIR210HG也与VC严重程度和生精功能障碍相关，据报道修复后六个月下降。lncRNA gadd7、SLC7A11-AS1亚型及几种microRNA已被链接至凋亡、氧化应激或免疫调控。在VC大鼠中，睾丸中m6A相关酶的表达发生改变，且PLOD2的m6A依赖性调控被牵涉进精母细胞损伤。然而，酶丰度本身既不能识别被修饰的转录本，也不能确立功能性因果关系。大多数研究规模较小或属实验性，跨队列复制有限。未来研究应将纯化精子或细胞分辨水平的睾丸样本与亚硫酸盐测序、滞留组蛋白定位、染色质可及性检测及转录本特异性m6A验证相结合。将VC修复后持续的表观遗传异常解释为残留分子损伤在生物学上是合理的，但这仍是一个假说。未来研究应采用纵向术前和术后设计，区分手术、抗氧化治疗及生活方式的效果，并将精子表观遗传变化与胚胎发育、妊娠及活产相关联。

候选生物标志物及当前证据的边界

常规精液分析仍是VCI临床评估的基础，但它不能直接捕获精子DNA完整性、氧化负担、线粒体功能或局部炎症活性。机制相关生物标志物可补充风险评估和治疗监测。然而，可检测性并不意味着临床可操作性。分析前流程、检测平台、参考区间及增量预测价值均需标准化验证。精子DNA碎片化（SDF）是目前最接近临床转化的辅助标志物之一。荟萃分析表明，VC修复后SDF和精浆丙二醛（MDA）降低。DFI的改善似乎在术后约6个月最为明显，且VC男性的SDF通常高于健康对照组。然而，SDF是损伤的下游标志物，无法单独识别其病理来源。不同检测方法和阈值的差异也限制了互换性。ΔΨm、ATP、线粒体呼吸、mtDNA拷贝数或游离mtDNA、cGAS-STING激活、NLRP3相关组分及程序性细胞死亡标志物在机制研究中很有用，但大多缺乏经过验证的临床阈值、可重复性数据及结局预测证据。现有的治疗反应预测因子包括年龄、不育持续时间、VC分级、睾丸体积、促性腺激素水平、总活动精子计数及影像学参数。蛋白质组学和代谢组学可扩展候选生物标志物空间。高维模型必须在独立外部队列中进行验证，以避免过度拟合并支持临床应用。

治疗意义与未来方向

指南指导下的护理与辅助策略

临床转化应从纠正血流动力学病变开始。VC修复术仍然是经适当选择的临床VCI男性的标准治疗方法。通过纠正静脉反流，手术可减少损害线粒体的热应激、缺氧及代谢应激。术后精子DNA碎片化（SDF）和精浆丙二醛的降低与氧化损伤的改善一致。