卵母細胞和胚胎的線粒體功能受年齡和氧化應激的干擾
據美國疾病監(jiān)控中心（Centers for Disease Control）監(jiān)測，美國的臨床輔助生殖技術（ART）成功率顯示，每八對北美夫婦中就有一對尋求治療以治療不育癥，這通常需要ART。但是，在過去的20年中，抗逆轉錄病毒治療后的活產率在每個周期中沒有超過30％的改善。胚胎質量仍然是預測抗逆轉錄病毒療法成功率的重要決定因素（67）。人植入前胚胎死亡率的數學模型表明，可能導致合子發(fā)育的因素可能是在合子階段之前確定的（68，69）。已經提出，胚胎在體外通過從母體控制向合子控制過渡的能力主要取決于已經存在于原始卵母細胞中或在卵泡生長過程中獲得的細胞質組分。隨著周期中期LH激增的開始，卵丘細胞和卵母細胞之間的間隙連接被破壞，卵母細胞的細胞質含量被固定，而新形成的合子基因組的影響最?。?0）。因此，排卵后，成熟卵母細胞和隨后的胚胎的存活幾乎完全取決于在卵母細胞生長和成熟過程中積累的母體mRNA，蛋白質和其他因素，尤其是線粒體（71），這些成分似乎是那些停滯的胚胎缺乏或功能異常。
|| 注釋：線粒體(mitochondrion)是一種存在于大多數細胞中的由兩層膜包被的細胞器，是細胞中制造能量的結構，是細胞進行有氧呼吸的主要場所，被稱為"power house"。除了為細胞供能外，線粒體還參與諸如細胞分化、細胞信息傳遞和細胞凋亡等過程，并擁有調控細胞生長和細胞周期的能力。
線粒體與能源生產
線粒體被認為是原核祖先，后來成為真核生物的共生體（72）。線粒體基因組（mtDNA）是雙鏈環(huán)狀DNA，與核DNA不同，它不包含組蛋白，不包含內含子，不包含任何DNA修復酶，因此對突變高度敏感（ 73）。MtDNA編碼涉及三磷酸腺苷（ATP）產生的呼吸鏈復合物的13種蛋白質的37個基因（74），22個轉移RNA基因和2個核糖體RNA基因?？赡馨l(fā)生了許多線粒體基因向核基因組的轉移，使易受害的DNA的一部分遠離了附近的能量產生位點，從而產生了大量的活性氧（ROS）（75）。線粒體的遺傳嚴格來說是母體。受精后，通過同種異體（非自身）細胞器自噬進行的溶酶體降解，卵母細胞消除了父系線粒體（76）。卵母細胞中的線粒體形態(tài)也很獨特，具有非典型的圓形形狀，線粒體膜厚和很少的cr裂，并且卵母細胞的線粒體通常具有單個mtDNA基因組和空間調節(jié)的呼吸活動（77）。
線粒體生理學的一個重要特征是線粒體數量的增加，因為人類卵母細胞從原始狀態(tài)開始發(fā)展，當卵母細胞含有大約6,000個線粒體時，到成熟的中期II（MII）卵中將包含300,000至400,000或更多的線粒體（78）。卵母細胞成熟過程中線粒體數目的巨大擴展的推測是卵母細胞正在積極地為受精和與早期胚胎發(fā)育相關的分裂分裂的能量需求增加做準備。這似乎是合理的，因為MII卵中不存在線粒體DNA復制的能力，直到胚泡期才在胚胎中重新激活（79）。因此，隨著胚胎從1個細胞的合子擴展到包含60-100個或更多細胞的胚泡，每個細胞的線粒體數目將不斷被稀釋。通過評估在胚胎植入前胚胎發(fā)生期間與卵母細胞相比，卵裂球中線粒體DNA含量降低，以及在胚泡期胚胎中每個細胞的線粒體數量減少，可以支持這種假設（81）。
有證據表明，老年不育患者的卵母細胞線粒體活性異常且ATP的生成減少，從而限制了胚胎的正常發(fā)育。有人提出，線粒體庫的insufficient賦不足會導致胚胎發(fā)育不佳（82），線粒體的補充至少在實驗室和家養(yǎng)物種中可以提高受精率（83、84）。許多研究提出卵母細胞中ATP利用率不足與減數分裂紡錘體異常（導致染色體分離缺陷）之間存在聯系（85、86）。不良的紡錘體形成將導致由這些ATP受損的卵囊產生的合子無法形成有活力的胚泡（87、88）。小鼠體內的研究表明，卵母細胞中線粒體氧化磷酸化的破壞會導致減數分裂紡錘體異常并降低植入前胚胎的發(fā)育潛能，這一觀點得到了支持（89）。
卵母細胞，實際上是產生GC和卵丘細胞（CC）的粒前性細胞在體內是獨特的，因為妊娠后期沒有細胞分裂。因此，在老年婦女中，原始卵泡中的卵母細胞和GCs會暴露于線粒體呼吸作用數十年來產生的低水平的ROS，從而導致線粒體和mtDNA的累積損傷。線粒體的功能狀態(tài)有助于卵母細胞的質量（82）。通過形態(tài)學評估，較高質量的卵母細胞含有較高的ATP水平，受精后更可能進入胚泡期（88）。在預后階段，不適當的線粒體活性與早期發(fā)育停滯和死亡有關（90）。隨著女性年齡的增長，卵母細胞內的線粒體活性逐漸下降（91、92）。此外，卵母細胞中線粒體的數量與其受精和植入前發(fā)育的可能性之間存在直接的相關性（93）。此外，有IVF嘗試失敗史的女性經常會破壞卵母細胞內的線粒體功能（82）
卵巢衰老的鼠模型
為了確定衰老是否會影響鼠卵母細胞的線粒體功能，在一系列線粒體檢測中，將12個月大的鼠卵母細胞與10周大的鼠卵母細胞進行了比較（94）。從這些研究中，可以確定線粒體在衰老的卵母細胞中不能完全發(fā)揮功能，這表現為代謝活性降低，線粒體膜電位增加和檸檬酸鹽/ ATP比值降低。另外，許多調節(jié)線粒體功能的基因被下調。老年動物產生的卵母細胞具有紡錘體缺陷增加和頻繁的染色體分散。重要的是，人們發(fā)現，通過孕婦補充線粒體營養(yǎng)輔酶Q10可以部分或完全糾正這些線粒體異常（94）。CoQ10延緩了年齡介導的卵母細胞丟失，因為與年齡相稱的對照對象相比，CoQ10處理的大壩卵巢中原始，初級和早期次生卵泡的數量增加，導致排卵的oo- cytes。繁殖試驗證實，暴露于輔酶Q10的大壩的繁殖性能得到改善（圖1）（94）。
除了線粒體的變化外，還觀察到年齡較大的雌性卵母細胞被較少的CC包圍，這是由于細胞死亡率增加所致（94），這表明年齡較大的雌性卵母細胞可能由于代謝不足而處于代謝應激狀態(tài)來自CC衍生因子的“營養(yǎng)”，其中之一就是輔酶Q10。有趣的是，輔酶Q10處理導致每個卵母細胞周圍的CC數量增加，這表明該治療效果并非與生殖細胞隔離。由于輔酶Q10處理提高了老年母親的胚胎質量和育種性能，因此研究了雌雄同體CC中輔酶Q合成基因的表達。該表達調查的結果表明，老年女性的CC降低了參與CoQ10產生的幾種酶的表達。在鼠類CC中，Pdss2和CoQ6 mRNA受到的影響最大（94）。
為了確定卵母細胞產生的輔酶Q減少是否可能導致生殖衰老，研究人員通過Cre-lox介導的遺傳方法有條件地破壞了幼鼠卵母細胞中的Pdss2。在表型上，Pdss2的失活以及隨后卵母細胞中CoQ合成的抑制作用會在3至4個月大時耗盡卵巢儲備。早在2個月大時就觀察到卵泡數量減少和排卵反應非常差。那些存活并排卵的卵母細胞重現了在老化的卵母細胞中觀察到的許多缺陷，包括ATP產量降低和線粒體活性差（94）。這些結果證實，通過在卵母細胞中CoQ產量的單獨下降，可以在年幼的動物中產生衰老表型，并且有興趣的是，通過向動物補充CoQ10可以逆轉這種現象。
CoQ10的臨床用途
通過臨床補充IVF的老年婦女飲食，以600 mg / d的CoQ10補充2個月來嘗試轉化這些發(fā)現。在對少量女性進行的隨機雙盲研究中，盡管通過CoQ10處理的卵母細胞非整倍性頻率為46.5％，而使用CoQ10處理的女性為62.8％，但對卵母細胞極體的陣列比較基因組雜交（aCGH）并未顯示出對卵母細胞非整倍性的顯著影響。安慰劑治療組（95）中的百分比。需要更大，更明確的研究來確定輔酶Q10對老年婦女的生殖結果是否有任何積極的好處。
結論
在生殖衰老或胚胎發(fā)育不良和反復妊娠失敗的情況下，改善卵母細胞和胚胎中的線粒體能量產生可能會導致生殖結果的改善。補充線粒體營養(yǎng)素（例如CoQ10）有望在將來提高活產率。
線粒體DNA含量是整倍體胚胎的生存標志
卵母細胞和胚胎中的線粒體
眾所周知，高比例的卵母細胞會導致發(fā)育不全的胚胎或即使染色體和形態(tài)正常的胚胎也無法植入。尚未充分探討的人類胚胎生存力的一個重要方面是評估充足的能量供應（107）。在卵母細胞和早期胚胎中，線粒體的ista很少，這表明它們的氧化磷酸化能力較弱（108）。
盡管在大多數體細胞和組織中mtDNA含量和ATP合成具有很好的相關性，但種系并非如此（109）。卵母細胞線粒體含量以mtDNA拷貝數表示，其依據是卵母細胞線粒體僅包含一個或兩個基因組（110）。線粒體聚集在成熟的卵母細胞中，在MII階段從每個原始生殖細胞6,000個增加到300,000個至400,000個（78），并且在受精和植入后早期階段之間沒有進一步的復制發(fā)生（110）。因此，卵母細胞中mtDNA的總量必須在胚胎分裂過程中形成的細胞之間分配，因此，在發(fā)育的第5-6天，每60-100個細胞與原始卵母細胞相比包含的mtDNA拷貝的受精卵要少得多。
卵母細胞中積累了大量的mtDNA，并且在爆炸前沒有恢復復制這一事實促成了卵母細胞中mtDNA含量與受精結果和胚胎存活率相關的概念（82、111、112）。由于mtDNA拷貝數指示卵母細胞中線粒體的數量（113），因此有人提出了MII卵母細胞允許受精后胚胎發(fā)育的mtDNA拷貝數閾值（84、110）。一些作者認為，卵母細胞的mtDNA含量與受精之間存在一定的關系（82、84、104），將未受精卵母細胞中較低的mtDNA含量與受精失敗間接聯系在一起，但無法辨別是結果還是原因。然而，其他人則表明這種關聯是不一致的（114、115）。
線粒體和胚胎能量
盡管通常認為線粒體可以維持從早期卵裂到胚泡期的胚胎發(fā)育（116），但一些研究表明，在動物模型中并非如此。在線粒體轉錄因子A的基因敲除小鼠模型中，已證明卵母細胞中線粒體數目減少不會影響受精或早期胚胎發(fā)育（80）。而且，刪除維持，復制和表達小鼠mtDNA的必需基因并沒有顯示出胚胎著床率的變化，而是導致了胚胎致死率（80）。從生物學的觀點來看，如果卵母細胞和胚胎依賴于外部代謝源，那么進化將為具有營養(yǎng)和氧氣交換能力的胚胎帶來競爭優(yōu)勢是合理的。但是，卵母細胞和早期胚胎是具有較低表面幾何形狀的球體，因此交換能力較低。綜合所有這些數據表明，卵母細胞中積累的線粒體可提供胚胎發(fā)育過程中所需的能量，直至達到閾值，只有在代謝燃料減少的極端情況下，細胞機制才會做出反應，嘗試增加mtDNA拷貝數產生更多不起作用的線粒體。
線粒體作為能量壓力傳感器
胚胎取決于卵母細胞成熟過程中的能量積累。結果，在某些情況下，mtDNA拷貝數可能是結果，而不是卵細胞能量狀態(tài)的根本原因。觀察到線粒體功能障礙通常與嚴重的線粒體過度增殖有關，這證明了這一點。因此，“線粒體窘迫”的致病作用是線粒體過度生產的顯著增加（117）。
線粒體的生物發(fā)生需要調節(jié)許多過程。除了mtDNA合成外，新線粒體的生物發(fā)生還需要合成和導入核編碼蛋白，并組裝源自雙基因起源（核DNA和線粒體DNA）的蛋白。該調節(jié)涉及一組核轉錄因子。首先認識到的是核呼吸因子1和2，以及與雌激素相關的受體a，環(huán)狀單磷酸腺苷反應元件和ying yang 1轉錄因子（118）。
主要的組織者是過氧化物酶體增殖物激活受體（PPAR）的共激活子家族，PPAR共激活子1a（PGC-1a）是主要成員。在PGC-1a中連接了多種調控核編碼線粒體因子表達的途徑，PGC-1a被認為是線粒體生物發(fā)生的主要調控者（119）。有限的能量供應會增加細胞內單磷酸腺苷（AMP）/ ATP的比例，這可通過AMP激活的蛋白激酶（AMPK）來檢測。AMPK磷酸化并激活PGC-1a。AMPK的磷酸化作用還促進了PGC-1a啟動子上依賴PGC-1a的誘導（120），誘導線粒體成熟并增加了mtDNA拷貝數。
線粒體DNA含量作為胚胎生存能力的標志
因此，胚胎中mtDNA拷貝數的增加是代謝應激的癥狀（圖2）。
胚胎試圖通過增加其mtDNA含量來平衡能量不足。精力充沛的壓力可能與卵母細胞成熟過程中的內在因素有關，或者可能是由于mtDNA突變引起的呼吸能力受損所致。與這一概念一致的是，一項杰出的研究表明，m.3243A> G“線粒體肌病，腦病，乳酸性酸中毒和中風”突變導致發(fā)芽囊泡的mtDNA拷貝數逐漸增加。進入胚泡期（121）。
兩個實驗室（122，123）獨立地證明，整倍體胚胎中高的mtDNA拷貝數指示著較低的胚胎著床能力。Diez-Juan等人的研究。根據將胚胎活力與植入潛能聯系起來的mtDNA拷貝數，證明了線粒體評分（Mito- Score [Ms]）的臨床實用性。研究人員分析了290名整倍體胚胎的mtDNA拷貝數，這些胚胎對應于270名接受單胚移植的植入前遺傳學篩查的患者。
Ms <34（MsA）的第3天胚胎的著床率（IR）為59％（n 1⁄4 51）；34-52（MsB）的患者的IR為44％（n 1⁄4 52）；Ms 52-97（MsC）的患者的IR為42％（n1⁄450）；Ms> 97（MsD）的患者的hadanIR為25％（n1⁄4 52）。Ms> 160（n 1⁄4 22）的胚胎從未植入。Ms <18.19（MsA）的第5天胚胎的IR為81％；年齡為18.19-24.15（MsB）的患者的IR為50％（n 1⁄4 16）；毫秒為24.15-50.58（MsC）的患者的IR為62％（n 1⁄4 16）；Ms> 50.58（MsD）的患者的IR為18％（n 1⁄4 17）；Ms> 60（n 1⁄4 7）的胚胎從未植入。
這些發(fā)現也支持旨在通過在卵母細胞成熟過程中營養(yǎng)補充線粒體營養(yǎng)物來增加胚胎能量儲備的策略的開發(fā)（87、95、124）。這項工作的邏輯臨床翻譯是將mtDNA拷貝數分析納入由aCGH或現在由下一代測序進行的常規(guī)遺傳分析中。目前在我們實驗室中正在進行一項較大的前瞻性隨機試驗，比較形態(tài)學分類與整倍體胚胎中的Ms作為獨立的胚胎生存能力標記。
輔酶Q10應該怎么吃？
輔酶Q10補充的最佳時機，持續(xù)時間和劑量尚不清楚。在研究中，根據以往對IVF人群的研究，治療時間是任意選擇的。可以認為，輔酶Q10治療意味著ART周期啟動的延遲，因此更長的預處理時間可能不被患者接受。已經證明，CoQ10對健康成人的耐受性良好，并且每天攝入量高達900 mg 是安全的。盡管這是相當直觀的選擇，但我們在選擇輔酶Q10的劑量方面擁有豐富的經驗。
結論
總之，對于卵巢儲備能力低的年輕低預后患者，用CoQ10進行預處理可增強卵巢對刺激的反應，并改善卵母細胞和胚胎質量。對臨床妊娠和活產率可能有有益的影響，但這需要在較大的隨機對照研究中得到證實。需要進一步的工作來確定最佳的治療時間，時機和劑量，并評估補充CoQ10在低預后的POR其他亞組中的治療效果。
