Health Сare of the Russian FederationHealth Сare of the Russian FederationЗдравоохранение Российской Федерации0044-197X2412-0723Federal Scientific Center for Hygiene F.F.Erisman63787310.47470/0044-197X-2023-67-6-543-548oblhhdTOPICAL ISSUES OF HYGIENEАКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ГИГИЕНЫApoptosis in germ cell in vitro in middle-aged and older men with chronic prostatitis under exposure to reprotoxicants (by the example of benzene)Программированная гибель половых клеток in vitro у мужчин среднего и старшего возраста с хроническим простатитом в условиях экспозиции репротоксикантами (на примере бензола)https://orcid.org/0000-0003-4860-3145DolgikhOleg V.ДолгихОлег Владимирович
Russian Federation

MD, PhD, DSci, Head of the Department of immunobiological diagnostic methods of the Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies, Perm, 614045, Russian Federation.

e-mail: oleg@fcrisk.ru

Доктор мед. наук, зав. отделом иммунобиологических методов диагностики ФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения», 614045, Пермь.

e-mail: oleg@fcrisk.ru

oleg@fcrisk.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5850-7232AlekseevVadim B.АлексеевВадим Б.
Russian Federation
https://orcid.org/0000-0002-0170-1824DianovaDina G.ДиановаДина Г.
Russian Federation
https://orcid.org/0000-0002-2057-9828AlikinaInga N.АликинаИнга Н.
Russian Federation
https://orcid.org/0000-0001-7271-9477NikonoshinaNatalya A.НиконошинаНаталья А.
Russian Federation
Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management TechnologiesФБУН «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека2512202367654354825102024Copyright ©; 2023, Dolgikh O.V., Alekseev V.B., Dianova D.G., Alikina I.N., Nikonoshina N.A.Copyright ©; 2023, Долгих О.В., Алексеев В.Б., Дианова Д.Г., Аликина И.Н., Никоношина Н.А.2023Dolgikh O.V., Alekseev V.B., Dianova D.G., Alikina I.N., Nikonoshina N.A.Долгих О.В., Алексеев В.Б., Дианова Д.Г., Аликина И.Н., Никоношина Н.А.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.eco-vector.com/0044-197X/article/view/637873

Introduction. The issues of studying the causes and development mechanism of chronic prostatitis as the most important factor in the formation of male infertility are extremely relevant nowadays. Confirmed reprotoxicants including aromatic hydrocarbons inhibit spermatogenesis and lead to androgen deficiency.

Purpose: to identify the features of spermatozoa apoptosis in vitro in middle-aged and older men with chronic prostatitis under exposure to reprotoxicants (using benzene as an example).

Material and methods. A study of the ejaculate in thirty men with chronic prostatitis was conducted. 19 men were under 36 years old, 11 men were over 44 years old. Intracellular and membrane cell death markers (AnnexinV-FITC+PI–, AnnexinV-FITC+PI+, Bax, caspase-3) in semen samples were identified by flow cytometry. Seminal fluid samples without benzene were control; samples with the addition of 0.001 µ/ml of benzene were experimental. Spontaneous and benzene-induced samples were incubated for 72 hours at 37 °C.

Results. The in vitro system revealed that the addition of 0.001 µg/ml benzene to the ejaculate of men under 36 years of age reduces the content of AnnexinV-FITC+PI–-spermatozoa (p < 0.05). The content of CD95+- and AnnexinV-FITC+PI–-spermatozoa in the sperm of men over 44 years of age was significantly reduced against the background of an increase in Bax compared with the results of patients under 36 years of age (p < 0.05).

Limitations. The study limitations are the use of specific cellular material — gametes, as well as indicators of cell differentiation clusters reflecting the cell death.

Conclusion. In vitro experiment verification features of sperm lethal program in men with chronic prostatitis revealed the signs of apoptosis inhibition associated with age and a chemical modifier — benzene. We revealed the signs of the violations in mitochondrial regulation and phosphatidylserine realization of programmed germ cell death in older men relative to young men were revealed. It is recommended to use the content of Bax, CD95+- and AnnexinV-FITC+PI–-spermatozoa in an ejaculate as the diagnostic predictors of sperm fertility disorders in men = with chronic prostatitis under benzene exposure.

Compliance with ethical standards. The study was carried out in accordance with the norms of the Helsinki Declaration of the WMA “Ethical principles of medical research with human participation as a subject” (1964, 2013). The study was approved by the LEC of the Federal Scientific Center for Medical and Preventive Health Risk Management Technologies (protocol No. 1 of 22.01.2020). All participants signed a voluntary consent to participate in the study.

Contribution of the authors:Dolgikh O.V. — concept and design of the study, editing;Alekseev V.B. — concept and design of the study, editing;Dianova D.G. — concept and design of the study, writing the text;Alikina I.N. — collection and processing of material;Nikonoshina N.A. — writing the text.All authors are responsible for the integrity of all parts of the manuscript and approval of the manuscript final version.

Acknowledgment. The study had no sponsorship.

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

Received: July 28, 2023Accepted: October 11, 2023Published: December 23, 2023

Введение. Вопросы изучения причин и механизма развития хронического простатита (ХП) как важнейшего предиктора мужского бесплодия являются чрезвычайно актуальными. Ароматические углеводороды как доказанные репротоксиканты угнетают сперматогенез и способствуют андрогенному дефициту.

Цель работы — выявить особенности апоптоза сперматозоидов in vitro у мужчин среднего и старшего возраста с ХП в условиях экспозиции репротоксикантами (на примере бензола).

Материал и методы. Проведено исследование эякулята 30 мужчин с ХП: 19 мужчин до 36 лет и 11 мужчин старше 44 лет. Маркеры клеточной гибели (AnnexinV-FITC+PI–, AnnexinV–FITC+PI+, Bax, каспаза-3) идентифицировали методом проточной цитометрии. Образцы семенной жидкости без внесения бензола являлись контрольными пробами, с добавлением 0,001 мкг/мл бензола — опытными. Спонтанные и индуцированные бензолом пробы инкубировали 72 ч при 37 °С.

Результаты. В системе in vitro выявлено, что добавление в эякулят мужчин до 36 лет 0,001 мкг/мл бензола снижает содержание AnnexinV-FITC+PI–-сперматозоидов (p < 0,05). В сперме мужчин старше 44 лет достоверно снижено содержание CD95+- и AnnexinV-FITC+PI–-сперматозоидов на фоне повышения Bax по сравнению с результатами пациентов до 36 лет (p < 0,05).

Ограничения исследований: использование специфического клеточного материала — гамет, а также показателей кластеров клеточной дифференцировки, отражающих процессы клеточной гибели.

Заключение. Верификация в эксперименте in vitro особенностей летальной программы сперматозоидов у мужчин с ХП позволила выявить признаки угнетения апоптоза, ассоциированные с возрастом и химическим модификатором — бензолом. Выявлены признаки нарушения митохондриальной регуляции и фосфатидилсериновой реализации запрограммированной гибели сперматозоидов у мужчин старшего возраста относительно молодых мужчин. Содержание Bax, CD95+- и AnnexinV-FITC+PI–-сперматозоидов в эякуляте рекомендуется использовать в качестве диагностических предикторов нарушения фертильности спермы у мужчин с ХП в условиях модификации бензолом.

Соблюдение этических стандартов. Исследование выполнено в соответствии с нормами Хельсинкской декларации ВМА «Этические принципы медицинских исследований с участием человека в качестве испытуемого» (1964, 2013 гг.). Исследование одобрено ЛЭК ФБУН «ФНЦ МПТ УРЗН» Роспотребнадзора (протокол № 1 от 22.01.2020). Все участники подписали добровольное информированное согласие на участие в исследовании.

Участие авторов:Долгих О.В. — концепция и дизайн исследования, редактирование;Алексеев В.Б. — концепция и дизайн исследования, редактирование;Дианова Д.Г. — концепция и дизайн исследования, написание текста;Аликина И.Н. — сбор и обработка материала;Никоношина Н.А. — написание текста.Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Поступила 28.07.2023Принята в печать 11.10.2023Опубликована 23.12.2023

apoptosisCD95+spermatozoaAnnexinV-FITC+PI–benzeneапоптозCD95+сперматозоидыAnnexinV-FITC+PI–бензолApolikhin O.I., Komarova V.A., Nikushina A.A., Sivkov A.V. Prostate diseases in the Russian Federation: statistical data for 2008-2017. Eksperimental’naya i klinicheskaya urologiya. 2019; (2): 4–13. https://doi.org/10.29188/2222-8543-2019-11-2-4-12 https://elibrary.ru/dhxmjp (in Russian)Аполихин О.И., Комарова В.А., Никушина А.А., Сивков А.В. Болезни предстательной железы в Российской Федерации: статистические данные 2008–2017 гг. Экспериментальная и клиническая урология. 2019; (2): 4–13. https://doi.org/10.29188/2222-8543-2019-11-2-4-12 https://elibrary.ru/dhxmjpPirola G.M., Verdacchi T., Rosadi S., Annino F., de Angelis M. Chronic prostatitis: current treatment options. Res. Rep. Urol. 2019; 11: 165–74. https://doi.org/10.2147/RRU.S194679Kakarla R., Hur J., Kim Y.J., Kim J. Chwae Y. Apoptotic cell-derived exosomes: messages from dying cells. Exp. Mol. Med. 2020; 52(1): 1–6. https://doi.org/10.1038/s12276-019-0362-8Alikina I.N., Dolgikh O.V. Parameters of spontaneous and benzene-induced cell death of spermatozoa under in vitro conditions in male employees of an oil production enterprise with impaired fertility. Meditsina truda i promyshlennaya ekologiya. 2022; 62(12): 797–801. https://doi.org/10.31089/1026-9428-2022-62-12-797-801 https://elibrary.ru/fknddv (in Russian)Аликина И.Н., Долгих О.В. Параметры спонтанной и индуцированной бензолом клеточной гибели сперматозоидов в условиях in vitro у мужчин — работников предприятия нефтедобычи с нарушением фертильности. Медицина труда и промышленная экология. 2022; 62(12): 797–801. https://doi.org/10.31089/1026-9428-2022-62-12-797-801 https://elibrary.ru/fknddvSelvaraj P., Selvaraj K., Kalaichelvi S., Mahalakshmi R. Semen preparation techniques in intrauterine insemination: A comparison of non-temperature and temperature controlled centrifugation in cases of unexplained infertility. J. Hum. Reprod. Sci. 2013; 6(4): 241–4. https://doi.org/10.4103/0974-1208.126289Imamura H., Sakamoto S., Yoshida T., Matsui Y., Penuela S., Laird D.W., et al. Single-cell dynamics of pannexin-1-facilitated programmed ATP loss during apoptosis. eLife. 2020; 9: e61960. https://doi.org/10.7554/eLife.61960Dolgikh O.V., Dianova D.G., Krivtsov A.V., Alikina I.N. Comparative evaluation of the parameters of spermatozoa apoptosis of young and middle-aged men by flow cytometry. Byulleten’ eksperimental’noy biologii i meditsiny. 2021; 172(10): 501–4. https://doi.org/10.47056/0365-9615-2021-172-10-501-504 https://elibrary.ru/xmamsq (in Russian)Долгих О.В., Дианова Д.Г., Кривцов А.В., Аликина И.Н. Сравнительная оценка показателей апоптоза сперматозоидов у мужчин молодого и среднего возраста методом проточной цитометрии. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2021; 172(10): 501–4. https://doi.org/10.47056/0365-9615-2021-172-10-501-504 https://elibrary.ru/xmamsqDyatlova A.S., Dudkov A.V., Lin’kova N.S., Khavinson V.Kh. Molecular markers of caspase-dependent and mitochondrial apoptosis: the role of pathology and cell senescence. Uspekhi sovremennoy biologii. 2018; 138(2): 126–37. https://doi.org/10.7868/S0042132418020023 https://elibrary.ru/xmrnsh (in Russian)Дятлова А.С., Дудков А.В., Линькова Н.С., Хавинсон В.Х. Молекулярные маркеры каспаза-зависимого и митохондриального апоптоза: роль в развитии патологии и в процессах клеточного старения. Успехи современной биологии. 2018; 138(2): 126–37. https://doi.org/10.7868/S0042132418020023 https://elibrary.ru/xmrnshHe Y., Huang H., Li L., Yang X., Hao S., Zhao Y. Changes in apoptosis factors and activation of caspase-3 in tilapia muscle during storage. Int. J. Food Prop. 2018; 21(1): 1800–10. https://doi.org/10.1080/10942912.2018.1494199Hussar P. Apoptosis regulators Bcl-2 and caspase-3. Encyclopedia. 2022; 2(4): 1624–36. https://doi.org/10.3390/encyclopedia2040111Aizawa S., Brar G., Tsukamoto H. Cell death and liver disease. Gut Liver. 2020; 14(1): 20–9. https://doi.org/10.5009/gnl18486Jiang M., Qi L., Li L., Li Y. The caspase-3/GSDME signal pathway as a switch between apoptosis and pyroptosis in cancer. Cell Death Discov. 2020; 6: 112. https://doi.org/10.1038/s41420-020-00349-0Atkin-Smith G.K. Phagocytic clearance of apoptotic, necrotic, necroptotic and pyroptotic cells. Biochem. Soc. Trans. 2021; 49(2): 793–804. https://doi.org/10.1042/BST20200696Marchi S., Guilbaud E., Tait S.W.G., Yamazaki T., Galluzzi L. Mitochondrial control of inflammation. Nat. Rev. Immunol. 2023; 23(3): 159–73. https://doi.org/10.1038/s41577-022-00760-x.23Kanithi M., Junapudi S., Shah S.I., Matta Reddy A., Ullah G., Chidipi B. Alterations of mitochondrial network by cigarette smoking and e-cigarette vaping. Cells. 2022; 11(10): 1688. https://doi.org/10.3390/cells11101688Shur P.Z., Zaytseva N.V., Lir D.N. Substantiating methodical approaches to quantifying reproductive health risks caused by harmful occupational and work-related factors. Analiz riska zdorov’yu. 2022; (1): 48–57. https://doi.org/10.21668/health.risk/2022.1.05.eng https://elibrary.ru/zergibШур П.З., Зайцева Н.В., Лир Д.Н. Обоснование методических подходов к количественной оценке риска репродуктивному здоровью, обусловленного вредными факторами производственной среды и трудового процесса. Анализ риска здоровью. 2022; (1): 48–57. https://doi.org/10.21668/health.risk/2022.1.05 https://elibrary.ru/jahtnzKuranchie F.A., Angnunavuri P.N., Attiogbe F., Nerquaye-Tetteh E.N. Occupational exposure of benzene, toluene, ethylbenzene and xylene (BTEX) to pump attendants in Ghana: Implications for policy guidance. Cogent Environ. Sci. 2019; 5(1). https://doi.org/10.1080/23311843.2019.1603418Shur P.Z., Zaytseva N.V., Khasanova A.A., Chetverkina K.V., Ukhabov V.M. Establishing indicators for assessing non-carcinogenic risks under chronic inhalation exposure to benzene and average annual MPC for benzene as per health risk criteria. Analiz riska zdorov’yu. 2021; (4): 42–9. https://doi.org/10.21668/health.risk/2021.4.04.eng https://elibrary.ru/prammhШур П.З., Зайцева Н.В., Хасанова А.А., Четверкина К.В., Ухабов В.М. Разработка параметров для оценки неканцерогенного риска при хроническом ингаляционном поступлении бензола и среднегодовой предельно допустимой концентрации бензола по критериям риска для здоровья населения. Анализ риска здоровью. 2021; (4): 42–9. https://doi.org/10.21668/health.risk/2021.4.04 https://elibrary.ru/izllvrFang Y., Wu H.T., Ye Y.J., Zhou L.F., Hu W., Zhang G.H., et al. Association between polymorphisms of metabolic enzyme genes and chromosomal damage in benzene-exposed workers in China. J. Occup. Environ. Med. 2017; 59(11): e215–20. https://doi.org/stable/48501464Longo V., Forleo A., Ferramosca A., Notari T., Pappalardo S., Siciliano P., et al. Blood, urine and semen Volatile Organic Compound (VOC) pattern analysis for assessing health environmental impact in highly polluted areas in Italy. Environ. Pollut. 2021; 286: 117410. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2021.117410Han L., Zhang W., Wang J., Jing J., Zhang L., Liu Z., et al. Shikonin targets to m6A-modified oxidative damage pathway to alleviate benzene-induced testicular injury. Food Сhem. Toxicol. 2022; 170: 113496. https://doi.org/310.1016/j.fct.2022.113496Zhang C., Yu X., Gao J., Zhang Q., Sun S., Zhu H., et al. PINK1/Parkin-mediated mitophagy was activated against 1,4-Benzoquinone-induced apoptosis in HL-60 cells. Toxicol. In Vitro. 2018; 50: 217–24. https://doi.org/10.1016/j.tiv.2018.03.002Mandani P., Desai K., Highland H. Cytotoxic effects of benzene metabolites on human sperm function: an in vitro study. ISRN Toxicol. 2013; 2013: 397524. https://doi.org/10.1155/2013/397524Chen Y., Zhang W., Guo X., Ren J., Gao A. The crosstalk between autophagy and apoptosis was mediated by phosphorylation of Bcl-2 and beclin1 in benzene-induced hematotoxicity. Cell Death. Dis. 2019; 10(10): 772. https://doi.org/10.1038/s41419-019-2004-4