Vô sinh nam
Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) thì vô sinh (infertility) là tình trạng các cặp nam nữ mất hay giảm khả năng sinh sản, trong đó nam và nữ đóng vai trò như nhau (mong con, không dùng biện pháp tránh thai và có quan hệ tình dục bình thường sau 12 tháng không có thai). Trong số các cặp vợ chồng ở độ tuổi sinh sản gặp vấn đề về việc sinh con thì khoảng 30 - 40% do nam giới, 40% do nữ giới, 10% do cả nam và nữ, 10% không rõ nguyên nhân. Tỷ lệ vô sinh ngày càng tăng trên thế giới, năm 2023 theo WHO là lớn hơn > 15%. Vô sinh, cụ thể đối với vô sinh nam ngày càng xuất hiện với tỉ lệ lớn hơn, nguyên nhân của tình trạng này vẫn còn nhiều vấn đề chưa được làm sáng rõ. Tuy nhiên những năm gần đây, sự tiến bộ của công nghệ giải trình tự gen đã cho phép xác định rất nhiều những biến thể di truyền là nguyên nhân gây nên những bất thường của hệ thống sinh sản nam giới bao gồm: sự hình thành tinh trùng, điều hòa nội tiết của quá trình sinh tinh, quá trình biệt hóa của tế bào mầm và những chức năng của tinh trùng.
Các nguyên nhân di truyền liên quan đến vô sinh nam
Những đột biến gen gây bất thường cấu trúc và chức năng của tinh trùng
Những đột biến và thay đổi trong cấu trúc DNA của các tế bào dòng mầm (tinh nguyên bào-tế bào gốc dòng tinh) ở nam giới có thể gây ảnh hưởng đến chức năng của tinh trùng. Những ảnh hưởng đó bao gồm những thay đổi bất thường của chất lượng tinh trùng bao gồm hình thái và khả năng thụ tinh của chúng.
Hình 1. Hình thái tinh trùng bình thường và bất thường (Nguồn: Internet)
Loại bất thường cấu trúc tinh trùng đầu tiên là tinh trùng có dạng đầu tròn và thiếu cấu trúc acrosome (globozoospermia) là trường hợp hiếm gặp và chiếm 0,1% các trường hợp vô sinh nam. Những tế bào tinh trùng này không có khả năng bám vào lớp màng glycoprotein trên màng của tế bào trứng, thậm chí trong trường hợp được xử lý với calcium inophore. Ví dụ như đột biến trên 3 gen SPATA16, PICK1 và DPY19L2 có thể là nguyên nhân di truyền của kiểu hình globozoospermia (có hơn 50% tinh trùng đầu tròn và không có hoặc thiếu hụt acrosome), Làm cho khả năng thụ tinh kém (globozoospermia) khi tinh trùng có tỉ lệ lớn DNA bị phân mảnh (đứt gẫy ADN) cao, sắp xếp cấu trúc của nhiễm sắc thể không ổn định và thiếu hụt protamine.
Hình 2. Hình thái đặc trưng của tinh trùng globozoospermia (Nguồn: IVFMD)
Macrozoospermia là bất thường tinh trùng có một lượng tinh trùng có đầu to và nhiều đuôi. Phần lớn các tế bào như vậy đều là lưỡng bội và căn nguyên bệnh sinh là do đột biến trong gen AURKC. Gặp nhiều ở châu Phi chiếm 2,7% trong những người nam giới vô sinh, do mất đoạn trên nhiễm sắc thể Y. Đây là những đột biến được di truyền qua rất nhiều thế hệ.
Một đặc điểm lâm sàng quan sát thấy ở các nam giới thiểu tinh là bất thường hình thái với tinh trùng không đầu. Đột biến các gen PMFBP1, TSGA10, SUN5, BRDT và CEP112 có liên quan đến nguyên nhân gây nên tình trạng này làm người bệnh vô sinh có mang các tinh trùng không đầu nhưng vẫn có thể được can thiệp thành công nhờ IVF/ICSI.
Các những bất thường trong cấu trúc đuôi tinh trùng cũng dẫn tới vô sinh nam. Những khiếm khuyết trong cấu trúc axoneme-9 là các vi ống kép bao quanh 2 sợi đơn nằm ở trung tâm lần đầu được Afzelius nghiên cứu làm cho tinh trùng hoàn toàn không có khả năng di động hoặc di động bất thường nghiêm trọng (Hội chứng Kartegener có đặc điểm lâm sàng khác như phủ tạng đảo ngược (50% số ca bệnh), giãn phế quản, viêm xoang mạn tính). Rối loạn này là do di truyền lặn trên NST thường khi cơ thể mang hai bản sao hoặc dị hợp tử kép ở một số các gen như CCDC40 và có hơn 40 gen được biết có liên quan đến rối loạn này. Các người bệnh chỉ có mất một phần độ di động của tinh trùng thì vẫn có khả năng mang thai tự nhiên. Nhưng trong trường hợp đột biến xảy ra tại các gen CCDC39, CCDC40, DNAAF1 và LRRC6 thì ít có khả năng thụ thai tự nhiên hơn.
Có thể thấy, các đột biến gen không chỉ ảnh hưởng đến chức năng vận động của tinh trùng, mà còn làm ảnh hưởng hoạt hóa sự sản sinh can xi ở trứng đã được thụ tinh và từ đó ức chế quá trình thụ tinh (như đột biến ở gen PLC3 hay CATPSERE, ảnh hưởng đến kênh can xi của tinh trùng hay đa hình ở một số gen ti thể như MT-ATP6 và MT-CYB cũng dẫn đến tình trạng tương tự).
2. Những đột biến gen gây bất thường ống dẫn tinh và tinh hoàn
Vô tinh do tắc nghẽn ống dẫn tinh chiếm khoảng 30% các trường hợp vô sinh nam và nguyên nhân do tắc nghẽn ống dẫn tinh xuất hiện sau nhiễm trùng, chấn thương hoặc phẫu thuật. Một nguyên nhân khác là do các đột biến của gen gây bệnh Xơ nang - CFTR dẫn tới bất thường hoặc bất sản cả 2 ống dẫn tinh. Khoảng 70% người bệnh vô tinh không liên quan đến tắc nghẽn ống dẫn tinh là do bất thường nguyên phát từ quá trình sinh tinh. Hiện nay, số lượng các đột biến đơn gen được cập nhật nhiều hơn có liên quan đến tình trạng không có tinh trùng và không tắc nghẽn ống dẫn tinh. Rất nhiều đột biến gen dẫn tới suy tinh hoàn và tần suất xuất hiện không phổ biến, trạng thái di truyền của các đột biến này thường là di truyền lặn, được truyền từ cha mẹ có chức năng sinh sản bình thường. Thế hệ sau vô sinh sẽ mang kiểu gen đồng hợp tử, dị hợp tử kép hoặc bán hợp tử. Mặc dù vậy, các đột biến đơn gen di truyền theo mô hình trội trên NST thường cũng có thể là nguyên nhân dẫn tới vô sinh như đột biến của các gen SYCP3, NR5A1 và WT1.
Một phân tích gần đây về nguyên nhân di truyền của các trường hợp vô tinh không do tắc nghẽn ống dẫn tinh đã kết luận rằng các đột biến đơn gen quan sát được ở những ca bệnh này chủ yếu liên quan đến các giai đoạn phát sinh tinh trùng. Cụ thể là phần lớn đóng vai trò trong kỳ đầu của giảm phân hoặc là các chất điều hòa phiên mã và nội tiết của quá trình sinh tinh. Thực tế, không phải tất cả các đột biến gen gây nên vô tinh-không liên quan đến tắc nghẽn ống dẫn tinh đều được biểu hiện ở tinh hoàn. Có một số gen mã hóa cho các thành phần then chốt của trục dưới đồi-tuyến yên-tuyến sinh dục và tham gia vào cơ chế điều hòa nội tiết quá trình sinh tinh. Ví dụ 19 đột biến gen mã hóa cho thụ thể GNRHR là một trường hợp điển hình có liên quan quá trình tiết các hóc môn sinh dục của tuyến yên là FSH và LH. Ngoài ra, còn có các đột biến có tác động can thiệp vào quá trình biệt hóa của hệ sinh sản nam như gen CYB5A ức chế có chọn lọc hoạt tính của enzyme 17, 20 lyase dẫn tới rối loạn phát triển giới tính.
Các đột biến trên NST giới tính X có liên quan đến vô sinh nam bao gồm các gen như: ANOS1 gây hội chứng Kallmann, TEX11 làm ức chế quá trình giảm phân và NR0B1 có liên quan đến tăng sản tuyến thượng thận và vô tinh. Các đột biến trên gen mã hóa cho thụ thể androgen - AR cũng được biết đến là gây vô sinh ở khoảng 2%.
Nhìn chung, những nội dung tổng hợp trên cho thấy mức độ ảnh hưởng rất rộng của các đột biến đơn gen gây vô sinh nam trong các giai đoạn phát triển và chức năng của tuyến sinh dục. Ảnh hưởng này bao trùm từ giai đoạn phát sinh hình thái ban đầu của đường sinh dục nam trong bào thai, giai đoạn biệt hóa và trưởng thành của tinh trùng. Tuy nhiên, đáng chú ý là nguyên nhân vô sinh nam do di truyền phổ biến nhất lại không phải là các đột biến từ gen đơn lẻ mà là bất thường số lượng NST. Ví dụ như hội chứng Klinfelter (bộ NST XXY) mang bất thường NST phổ biến nhất, chiếm tới 10% các người bệnh vô sinh nam không có tắc nghẽn ống dẫn tinh hay thiểu tinh nặng.
3. Những bất thường trên nhiễm sắc thể Y
Ở người, trong khi 22 cặp NST thường tồn tại thành từng cặp và mỗi cặp có sự tương đồng di truyền có thể tự sửa sai ADN thông qua tái tổ hợp tương đồng giữa hai NST trong mỗi cặp. Nhưng đối với NST Y của cặp NST giới tính thì không có trình tự tương đồng, do đó sự ổn định của NST được duy trì thông qua hiện tượng tự tái tổ hợp. Thường thì các gen trên NST Y tồn tại thành nhiều bản sao như một cách thức để đối phó với những đột biến gen phát sinh (tạo thành các trình tự palindromic). Hiện tượng này là tự tái tổ hợp làm cho NST Y đạt sự ổn định di truyền trong quá trình tiến hóa và qua các thế hệ. Tuy nhiên, tồn tại của những trình tự lặp lại trên NST Y dễ xảy ra mất đoạn trong trao đổi chéo. Có 3 đột biến mất đoạn thường gặp của NST Y tồn tại ở nam giới vô sinh đó là mất đoạn AZFa, AZFb và AZFc. Ngoài ra, có sự kết hợp của những mất đoạn bao gồm AZFbc, AZFabc và một phần AZFc. Các mất đoạn AZFa và AZFb sẽ không có tinh trùng, đây là tình trạng vô sinh không thể can thiệp trong Y học. Tuy nhiên, những người bệnh mang mất đoạn dạng AZFc lại đặc trưng bởi tình trạng thiểu tinh nghiêm trọng, một số lượng rất nhỏ tinh trùng có chức năng bình thường khi xuất tinh hay sinh thiết tinh hoàn. Có thể tiến hành IVF/ICSI trong những trường hợp bất thường ở vùng AZFc, cho kết quả tất yếu là con trai sẽ thừa hưởng mất đoạn NST Y từ người cha - cũng sẽ bị vô sinh.
Hình 3. Vị trí 3 vùng AZF (a,b,c) nằm ở phần nhánh dài trên nhiễm sắc thể Y
(Nguồn: NCBI 2015)
Ngày nay, lĩnh vực di truyền y học đã phát triển mạnh mẽ. Hiện có nhiều kỹ thuật xác định được các nguyên nhân di truyền gây vô sinh mà trước đây được cho là vô sinh không rõ nguyên nhân. Các xét nghiệm này đã và đang góp phần định hướng cho chẩn đoan để can thiệp và điều trị. Trong khoảng 10 năm trở lại đây, các nước trên thế giới bắt đầu nghiên cứu ảnh hưởng ảnh hưởng của stress oxy hóa lên chức năng của cơ thể. Các stress oxy hóa là hậu quả của sự mất cân bằng giữa sự hình thành các gốc tự do có oxy (ROS – Reactive Oxygen Species) và cơ chế đề kháng oxy hóa của cơ thể-trung hòa ROS. Stress oxy hoá được xem là có liên quan đến nguyên nhân của nhiều bệnh lý nãm tính ở người như: ung thư, xơ vữa động mạch, tiểu đường, tổn thương gan, đục thủy tinh thể, bệnh Alzheimer, bệnh Parkinson và nhiều bệnh khác. Nhiều nghiên cứu cũng chỉ ra rằng stress oxy hóa cũng liên quan phần lớn đến tốc độ của quá trình lão hóa, được định nghĩa là sự tích tụ dần các tổn thương cơ bản của tế bào. Đặc biệt trên hệ sinh sản nói chung và của nam giới nói riêng, các nhà khoa học đã chứng minh các chất oxy hóa gây tác động bất lợi trên cả cấu trúc và chức năng của tinh trùng. Tỉ lệ các vi mất đoạn NST Y được ước tính từ 1:2000 đến 1:3000 nam giới. Trái ngược với các đột biến đơn gen gây hậu quả ảnh hưởng tới quá trình sinh tinh hoặc suy tinh hoàn nguyên phát, thì những đột biến gen trên NST Y không duy trì trong quần thể ở trạng thái dị hợp tử. Hiếm có một số mất đoạn NST Y xảy ra theo cơ chế tự phát trong các tế bào sinh dục của nam giới khỏe mạnh. Thực tế thì có đến 75% các đột biến mới phát sinh ở các tế bào sinh dục của nam giới là do hệ quả của lỗi sao chép trong di truyền.
4. Ảnh hưởng từ yếu tố di truyền ngoại gen
Hiện nay, có một số nghiên cứu bắt đầu hướng đến vai trò của hệ di truyền ngoại gen trong quá trình sinh tinh và ảnh hưởng của chúng với vô sinh nam. Những nghiên kết quả nghiên cứu cũng đã củng cố cho giả thuyết rằng methyl hóa ADN tinh trùng có liên quan đến sự thay đổi của chất lượng tinh trùng cũng như khả năng sinh sản. Việc methyl hóa chính xác các vị trí trình tự trên ADN đảm bảo cho quá trình cuộn xoắn của nhiễm sắc thể ở đầu tinh trùng, giúp tinh trùng trưởng thành và có khả năng thụ tinh với noãn. Ngược lại, nếu như nhiễm sắc thể của tinh trùng cuộn xoắn sai cách hoặc không hoàn toàn sẽ làm cho ADN tổn thương, ảnh hưởng tới khả năng thụ tinh và giảm khả năng mang thai thành công. Trong một số nghiên cứu đã tiến hành phân tích mức độ methyl hóa gen và hệ gen của DNA tinh trùng có liên quan với tình trạng giảm khả năng sinh sản của nam giới. Có mối liên hệ giữa quá trình methyl hóa không chính xác với các thông số quan trọng của tinh dịch như: nồng độ (thiểu tinh), hình thái (quái tinh) và khả năng vận động tiến tới (kém di động).
Hình 4. Chu trình Methyl hoá và mối liên hệ với chu trình Folate
Một số biến thể trong gen MTHFR là những nguyên nhân phổ biến làm giảm hoạt động của enzyme MTHFR trong các tế bào tinh trùng. Từ đó giảm khả năng cung cấp amino acid Methionine và cũng làm giảm quá trình methyl hóa. Ví dụ methyl hóa quá mức đã được phát hiện trong thiểu tinh không do tắc nghẽn ống dẫn tinh và tinh trùng ở nam giới vô sinh vô căn. Dữ liệu thu được đã chỉ ra mối liên hệ giữa methyl hóa quá mức MLH1 và vô sinh nam, từ đó gợi ý rằng gen MLH1 có thể chịu sự điều hòa của yếu tố di truyền ngoại gen trong quá trình phát triển của các tế bào sinh dục.
Hình 5. Quá trình chuyển hoá Folate trong cơ thể
Ngoài ra, sự mất cân bằng trong methyl hoá của các gen bất hoạt (imprinted gene-theo dòng bố hoặc mẹ) cũng có khả năng ảnh hưởng đến quá trình sinh tinh và xu hướng gây vô sinh nam (có 2 gen bất hoạt MEST và H19). Khi methyl hoá quá mức gen MEST liên quan đến vô sinh nam như: (i) nồng độ tinh trùng thấp, giảm khả năng vận động và bất thường hình thái ở vô sinh nam vô căn, (ii) được phát hiện trong tế bào sinh tinh ban đầu ở nam giới vô tinh (iii) giảm thể tích hai tinh hoàn và (iv) liên quan với tỷ lệ protamine bất thường ở những nam giới thiểu tinh. Gần đây, methyl hoá quá mức gen MEST được phát hiện ở tinh trùng của người chồng mà những cặp vợ chồng này sảy thai liên tiếp.
Những biến động trong quá trình methyl hoá của gen H19 đã được báo cáo rộng rãi là có liên quan tới vô sinh nam: thiểu tinh, tinh trùng dị dạng, số lượng tinh trùng thấp và khả năng di chuyển kém hoặc tỉ lệ tinh trùng có hình dạng bình thường thấp hoặc tất cả các thông số của tinh trùng đều bất thường.
Nhìn chung, quá trình methyl hoá của nhiều gen bất hoạt đã được nghiên cứu trên những mẫu tinh dịch bất thường thuộc nhóm người bệnh thiểu tinh, tinh trùng dị dạng hoặc tinh trùng yếu là yếu tố nguy cơ của tình trạng vô sinh nam. Một điều đáng chú ý là sự bất thường methyl hoá này đã được xác định ở những nam giới vô sinh nhưng không có bất thường nào trong các thông số tinh trùng trong tinh dịch. Đây là một khía cạnh đáng lưu ý trong công tác chẩn đoán vô sinh. Cho tới nay, có đến 30% số ca vô sinh nam vẫn chưa lý giải được nguyên nhân. Những nghiên cứu tiếp tục triển khai trong tương lai hứa hẹn sẽ đem lại những bổ sung quan trọng làm sáng tỏ nguyên nhân liên quan đến những gen bất hoạt theo dòng cha/mẹ ở những trường hợp vô sinh nam vô căn.
Kết luận
Ngày nay, tỷ lệ vô sinh không rõ nguyên nhân vẫn còn nhiều. Điều trị vô sinh và vô sinh nam hiệu quả vẫn chưa cao. Việc bổ sung thông tin về dữ liệu đa dạng di truyền giúp gia tăng tỉ lệ thành công trong Hỗ trợ sinh sản (Assisted reproductive technique-ART). Vấn đề Di truyền là cơ sở khoa học quan trọng để từ đó sử dụng làm căn cứ trong công tác Hỗ trợ sinh sản. Trong xu hướng cá thể hóa để tăng cường hiệu quả điều trị, giảm các tác dụng phụ không mong muốn thì việc tìm hiểu rõ các vấn đề Di truyền liên quan đến vô sinh nói chung, vô sinh nam nói riêng là rất cần thiết.
Tài liệu tham khảo
WHO, Infertility: a tabulation of available data on prevalence of primary and secondary infertility, Geneva, WHO, Programme on Maternal and Child Health and Family Planning, Division of Family Health, 1991.
P.V. Quyền, Khám và làm bệnh án một cặp vợ chồng vô sinh, Lớp Vô sinh và hỗ trợ sinh sản khóa 4, 2002, 20.
T.T.T. Chiến, T.V. Hạnh, and P.G. Khánh, Nghiên cứu một số vấn đề vô sinh nam giới và lựa chọn kỹ thuật lọc rửa, lưu trữ tinh trùng để điều trị vô sinh, Đề tài cấp nhà nước, 2002.
N.V. Tiến, N.H. Toàn, and B.H. Anh, Nghiên cứu thực trạng vô sinh ở Việt
Nam theo các vùng sinh thái, Bệnh viện Phụ sản Trung ương, Đại học Y Hà Nội, Hà Nội, 2009.
L.H. Anh and H.M. Tường, Phân tích kết quả trên 4.060 tinh dịch đồ theo tiêu chuẩn WHO 2010 của các cặp vợ chồng khám hiếm muộn, Hội nghị khoa học thường niên HOSREM lần VIII, 2012.
C. Coutton, F. Abada, T. Karaouzene, D. Sanlaville, V. Satre, J. Lunardi, P.S. Jouk, C. Arnoult, N. Thierry-Mieg, and P.F. Ray, Fine characterisation of a recombination hotspot at the DPY19L2 locus and resolution of the paradoxical excess of duplications over deletions in the general population, PLoS Genetics, 2013, 9(3), e1003363.
L. Ounis, A. Zoghmar, C. Coutton, L. Rouabah, M. Hachemi, D. Martinez, G. Martinez, I. Bellil, D. Khelifi, C. Arnoult, J. Faure, S. Benbouhedja, A. Rouabah, and P.F. Ray, Mutations of the aurora kinase C gene causing macrozoospermia are the most frequent genetic cause of male infertility in Algerian men, Asian J Androl, 2015, 17(1), 68-73.
B.A. Afzelius, Genetical and ultrastructural aspects of the immotile-cilia syndrome, American Journal of Human Genetics, 1981, 33(6), 852-864.
G.J. Vanaken, L. Bassinet, M. Boon, R. Mani, I. Honore, J.F. Papon, H. Cuppens, M. Jaspers, N. Lorent, A. Coste, E. Escudier, S. Amselem, B. Maitre, M. Legendre, and S. Christin-Maitre, Infertility in an adult cohort with primary ciliary dyskinesia: phenotype-gene association, European Respiratory Journal, 2017, 50(5).
G.H. Mao, Y.N. Wang, M. Xu, W.L. Wang, L. Tan, and S.B. Tao, Polymorphisms in the MT-ATP6 and MT-CYB genes in in vitro fertilization failure, Mitochondrial DNA, 2015, 26(1), 20-24.
Jedidi, M. Ouchari, and Q. Yin, Autosomal single-gene disorders involved in human infertility, Saudi Journal of Biological Sciences, 2018, 25(5), 881- 887.
L. Kasak and M. Laan, Monogenic causes of non-obstructive azoospermia: challenges, established knowledge, limitations and perspectives, Human Genetics, 2021, 140(1), 135-154.
C.I. Goncalves, F. Fonseca, T. Borges, F. Cunha, and M.C. Lemos, Expanding the genetic spectrum of ANOS1 mutations in patients with congenital hypogonadotropic hypogonadism, Human Reproduction, 2017, 32(3), 704-711.
M.C.C. Vargas, F.S. Moura, C.P. Elias, S.R. Carvalho, N. Rassi, I.S. Kunii, M.R. Dias-da-Silva, and F.A. Costa-Barbosa, Spontaneous fertility and variable spectrum of reproductive phenotype in a family with adult-onset X- linked adrenal insufficiency harboring a novel DAX-1/NR0B1 mutation, BMC Endocrine Disorders, 2020, 20(1), 21.
S.Y. Kim, B.Y. Lee, A.R. Oh, S.Y. Park, H.S. Lee, and J.T. Seo, Clinical, Hormonal, and Genetic Evaluation of Idiopathic Nonobstructive Azoospermia and Klinefelter Syndrome Patients, Cytogenetic and Genome Research, 2017, 153(4), 190-197.
E. Gumus, B. Kati, E.S. Pelit, E. Ordek, and H. Ciftci, A different look at genetic factors in individuals with non-obstructive azoospermia or ligospermia in our research study: To whom, which threshold, when, in what way?, Rev Int Androl, 2021, 19(1), 41-48.
S. Colaco and D. Modi, Genetics of the human Y chromosome and its association with male infertility, Reproductive Biology and Endocrinology, 2018, 16(1), 14.
WHO, web site 2023.