CVPH. Ngô Thị Lan Phương
Đơn vị HTSS IVFMD FAMILY, Bệnh viện Đa khoa Gia Đình Đà Nẵng

Giới thiệu
Tinh trùng là những tế bào chuyên biệt cao có trách nhiệm vận chuyển bộ gen của cha đến noãn, một quá trình đòi hỏi năng lượng đáng kể, chủ yếu dưới dạng adenosine triphosphate (ATP), để duy trì tính toàn vẹn và khả năng vận động của tinh trùng. ATP được tạo ra chủ yếu thông qua các con đường đường phân và phosphoryl hóa oxy hóa (OXPHOS) nằm trong các ngăn tinh trùng riêng biệt. Các con đường trao đổi chất này được điều chỉnh trong quá trình phát triển, trưởng thành, hoàn thiện và vận chuyển tinh trùng qua đường sinh sản của nam và nữ. Mặc dù đóng vai trò quan trọng, quá trình trao đổi chất và năng lượng của tinh trùng vẫn chưa được khám phá đầy đủ, còn hạn chế trong phương pháp chẩn đoán và điều trị các tình trạng vô sinh ở nam giới như tinh trùng yếu và vô tinh [1].
Vô sinh ảnh hưởng đến khoảng 8–12% các cặp vợ chồng trên toàn thế giới, trong đó yếu tố nam giới chiếm gần 50% trường hợp. Vô sinh nam có thể là hậu quả của tắc nghẽn đường sinh sản, mất cân bằng nội tiết tố, rối loạn chức năng tinh hoàn và chất lượng hoặc khả năng vận động của tinh trùng bất thường. Các yếu tố lối sống như hút thuốc, lạm dụng rượu bia và béo phì cũng ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng sinh sản nam giới. Ngoài ra, việc tiếp xúc với độc tố môi trường có thể làm giảm số lượng và chất lượng tinh trùng. Nhiều yếu tố cùng là nguyên nhân góp phần làm suy giảm chức năng sinh sản của nam giới. Trong số các rối loạn vô sinh ở nam giới, khiếm khuyết về khả năng vận động của tinh trùng ngày càng liên quan đến rối loạn chức năng ty thể và suy giảm chuyển hóa năng lượng [2]. Bên cạnh đó, một số nghiên cứu gần đây cũng cho thấy hệ vi sinh vật trong tinh dịch có liên quan đến việc điều chỉnh tính toàn vẹn và quá trình chuyển hóa DNA của tinh trùng, gợi ý các chiến lược mới trong điều trị vô sinh [3].
Chuyển hóa năng lượng trong tế bào tinh trùng đóng vai trò quan trọng đối với khả năng vận động và thụ tinh của chúng, chủ yếu dựa vào các con đường đường phân, phosphoryl hóa oxy hóa (OXPHOS) và oxy hóa axit béo. Đường phân chủ yếu diễn ra ở đầu tinh trùng và phần chính, tạo ra ATP và các chất trung gian chuyển hóa, trong khi OXPHOS và oxy hóa axit béo diễn ra ở phần giữa giàu ty thể, tạo ra phần lớn ATP của tế bào thông qua chuỗi vận chuyển điện tử. Tuy nhiên, các quá trình chuyển hóa này cũng tạo ra các gốc oxy phản ứng (ROS), có thể gây ra stress oxy hóa và làm suy giảm chức năng của tinh trùng nếu không được trung hòa bởi các chất chống oxy hóa [1].
Con đường chuyển hóa năng lượng ở tinh trùng
Quá trình chuyển hóa năng lượng trong tinh trùng phụ thuộc vào một loạt các phản ứng sinh hóa được điều hòa chặt chẽ, quan trọng nhất là sản xuất adenosine triphosphate (ATP), nguồn năng lượng chính của tế bào. Hai con đường chính tạo ra ATP: đường phân và phosphoryl hóa oxy hóa (OXPHOS). Đường phân chủ yếu diễn ra ở phần chính và đầu tinh trùng, cung cấp nguồn ATP nhanh chóng nhưng hạn chế mà không cần oxy. Con đường này chỉ tạo ra hai phân tử ATP trên mỗi phân tử glucose [4]. Ngược lại, OXPHOS diễn ra trong ty thể, nằm dày đặc bên trong đoạn giữa tinh trùng. Con đường phụ thuộc oxy này hiệu quả hơn và tạo ra phần lớn ATP cần thiết để đáp ứng nhu cầu năng lượng cao cho khả năng vận động của tinh trùng. ATP được tạo ra ở đoạn giữa phải được vận chuyển dọc theo roi để cung cấp năng lượng cho sự di chuyển [5].
Chất nền trao đổi chất và sự thích nghi
1.      Chất nền trao đổi chất và vận chuyển
Tinh trùng sử dụng cả carbohydrate nội sinh và ngoại sinh để đáp ứng nhu cầu trao đổi chất, trong đó fructose là chất nền trao đổi chất chính, cùng với glucose. Các loại đường này được đưa vào cơ thể thông qua các chất vận chuyển glucose (GLUT) với các chất nền khác nhau. Ngoài ra, các loại đường như sorbitol đóng vai trò là chất nền năng lượng [6].
Các chất nền ty thể bao gồm lactat và pyruvat, được chuyển hóa thông qua lactat dehydrogenase (LDH) để tái tạo NAD+ hoặc đi vào chu trình Krebs để tạo ra OXPHOS. Pyruvat và lactat có thể bắt nguồn từ quá trình đường phân hoặc được hấp thụ bên ngoài thông qua các chất vận chuyển monocarboxylate [7]. Tinh trùng người biểu hiện các đồng dạng LDH đặc hiệu, tăng cường việc sử dụng lactat của ty thể, cho phép sử dụng chất nền hô hấp hiệu quả. Quá trình oxy hóa β của axit béo cũng góp phần vào quá trình sản xuất ATP. Tinh trùng người sở hữu bộ máy enzym cho cả quá trình oxy hóa β của axit béo bão hòa và không bão hòa, ức chế con đường này làm suy yếu khả năng vận động [8].
2.      Sự trao đổi chất trong quá trình trưởng thành và vận chuyển
Nhiều nghiên cứu sử dụng tinh trùng mào tinh để đánh giá hoạt động trao đổi chất, tuy nhiên, tinh trùng mào tinh không tiếp xúc với huyết tương tinh dịch, nơi cung cấp chất nền năng lượng và chất điều hòa trao đổi chất. Chính vì vậy, có sự khác biệt về hoạt động trao đổi chất giữa tinh trùng mào tinh và tinh trùng xuất tinh. Tinh trùng đạt được khả năng thụ tinh thông qua quá trình hoạt hóa, một quá trình bao gồm những thay đổi sinh hóa và sinh lý như tái cấu trúc màng tế bào, dòng ion và kích hoạt các chuỗi tín hiệu, bao gồm các con đường phụ thuộc cAMP. Hoạt động trao đổi chất tăng đáng kể trong quá trình hoạt hóa, phản ánh nhu cầu năng lượng tăng cao. Trong quá trình di chuyển qua đường sinh sản của nữ giới, tinh trùng gặp phải các môi trường khác nhau với lượng oxy và chất nền khác nhau, đòi hỏi khả năng thích nghi về mặt trao đổi chất để duy trì khả năng vận động và khả năng sống cho đến khi thụ tinh [9].
Các dấu hiệu sinh học phân tử và stress oxy hóa
Sự gián đoạn trong quá trình chuyển hóa tinh trùng thường được đặc trưng bởi rối loạn chức năng ty thể và stress oxy hóa gia tăng, cả hai đều đóng vai trò then chốt trong sinh lý bệnh vô sinh nam. Ty thể, nguồn năng lượng của tế bào tinh trùng, rất cần thiết cho việc sản xuất ATP cần thiết cho khả năng vận động và chức năng tổng thể của tinh trùng. Tuy nhiên, việc sản sinh quá nhiều các gốc oxy phản ứng (ROS) - một sản phẩm phụ của chuỗi vận chuyển điện tử ty thể - dẫn đến tổn thương oxy hóa nhắm vào màng ty thể, protein và DNA ty thể. Sự tổn thương oxy hóa này làm giảm khả năng vận động của tinh trùng và làm suy yếu tính toàn vẹn của DNA nhân, làm tăng nguy cơ đột biến và phân mảnh, có thể ảnh hưởng xấu đến quá trình thụ tinh và phát triển phôi [10].
Ảnh hưởng của hệ vi sinh vật trong tinh dịch
Hệ vi sinh vật trong tinh dịch đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển hóa tinh trùng và kết quả sinh sản. Các quần thể vi sinh vật này ảnh hưởng đến môi trường sinh hóa của huyết tương tinh dịch, tác động đến độ pH, khả năng cung cấp chất dinh dưỡng và mức độ stress oxy hóa. Một số loài vi khuẩn nhất định có liên quan đến tác dụng bảo vệ hoặc bất lợi đối với chức năng của tinh trùng, với một số vi khuẩn sản xuất các chất chuyển hóa làm nghiêm trọng thêm stress oxy hóa hoặc kích hoạt phản ứng viêm, làm tổn hại đến tính toàn vẹn DNA của tinh trùng và hiệu quả chuyển hóa. Sự tương tác giữa hệ vi sinh vật trong tinh dịch và tế bào tinh trùng đại diện cho một hệ thống phức tạp, có khả năng góp phần gây vô sinh nam tự phát. Trong các mẫu tinh dịch khỏe mạnh, hệ vi sinh vật chủ yếu bao gồm một nhóm vi khuẩn cốt lõi. Các vi khuẩn phổ biến nhất bao gồm Lactobacillus, Streptococcus, Corynebacterium, Prevotella và Staphylococcus. Những vi khuẩn này tạo thành các quần thể vi khuẩn chính trong tinh dịch bình thường và góp phần duy trì sức khỏe đường sinh sản và chức năng của tinh trùng [3].
Kỹ thuật và công cụ tiên tiến để đánh giá quá trình trao đổi chất của tinh trùng
Đánh giá quá trình chuyển hóa tinh trùng và vai trò của nó trong vô sinh nam đã được chứng minh và có những tiến bộ đáng kể trong nghiên cứu về protein, chuyển hóa, phiên mã, hình ảnh và xét nghiệm chức năng. Nhìn chung, các nghiên cứu này tập trung vào quá trình chuyển hóa tinh trùng và những rối loạn liên quan đến rối loạn chức năng ty thể, stress oxy hóa, biến đổi biểu sinh và ảnh hưởng của vi khuẩn là những yếu tố then chốt trong vô sinh nam. Độ nhạy và độ đặc hiệu cao của các phương pháp tiên tiến này hứa hẹn cải thiện độ chính xác chẩn đoán và các chiến lược điều trị cá nhân hóa [1].
Ý nghĩa lâm sàng: Rối loạn chuyển hóa trong vô sinh nam
Ý nghĩa chẩn đoán: Các dấu ấn sinh học chuyển hóa được xác định thông qua kỹ thuật omics và hình ảnh, mang lại độ chính xác chẩn đoán cao hơn so với phương pháp phân tích tinh dịch thông thường. Các dấu ấn sinh học này có thể phát hiện các rối loạn chuyển hóa nhỏ góp phần gây vô sinh, cho phép chẩn đoán sớm hơn và chính xác hơn.
Tiềm năng tiên lượng: Hồ sơ proteomic và microRNA cung cấp thông tin tiên lượng về tình trạng sinh tinh trùng và khả năng thu nhận tinh trùng, hướng dẫn các quyết định lâm sàng và chiến lược điều trị cá nhân hóa.
Chiến lược điều trị: Các biện pháp can thiệp mới nhắm vào rối loạn chuyển hóa và điều chỉnh hệ vi sinh vật trong tinh dịch hứa hẹn sẽ cải thiện chức năng tinh trùng và kết quả sinh sản.
Tích hợp với quy trình làm việc lâm sàng: Vẫn còn nhiều thách thức trong việc chuẩn hóa các xét nghiệm và tích hợp dữ liệu đa omics vào thực hành lâm sàng thường quy. Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc xác nhận các dấu ấn sinh học trong các nhóm lớn hơn và phát triển các nền tảng dễ tiếp cận để ứng dụng lâm sàng rộng rãi.
Nhược điểm của các phương pháp và công cụ hiện tại để đánh giá quá trình trao đổi chất tinh trùng: Các phương pháp Omics, mặc dù toàn diện, thường tốn kém, mất thời gian và đòi hỏi thiết bị chuyên dụng cùng chuyên môn cao, hạn chế khả năng tiếp cận trong các cơ sở lâm sàng thường quy. Các kỹ thuật hình ảnh như kính hiển vi huỳnh quang và phân tích chuyển hóa có thể liên quan đến việc xâm lấn hoặc dựa vào các chỉ số chuyển hóa gián tiếp, có khả năng ảnh hưởng đến khả năng sống của tinh trùng. Ngoài ra, sự khác biệt trong việc xử lý mẫu, quy trình xét nghiệm và giải thích dữ liệu đặt ra những thách thức về khả năng chuẩn hóa quy trình giữa các phòng xét nghiệm. Những hạn chế này nhấn mạnh nhu cầu phát triển các công cụ nhanh chóng, tiết kiệm chi phí và chuẩn hóa, có thể đánh giá chuyển hóa một cách đáng tin cậy để tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp chúng vào chẩn đoán vô sinh thường quy.
Điểm mạnh của các kỹ thuật đánh giá chuyển hóa: Các kỹ thuật khác nhau mang lại những thế mạnh riêng biệt để nghiên cứu quá trình chuyển hóa tinh trùng: proteomics vượt trội trong việc phân tích động lực học protein, metabolomics ghi nhận những thay đổi trong quá trình chuyển hóa, và transcriptomics tiết lộ sự điều hòa gen. Hình ảnh và quang phổ cung cấp thông tin chi tiết về chuyển hóa theo thời gian thực, không xâm lấn, trong khi các xét nghiệm chức năng đánh giá chức năng ty thể và stress oxy hóa. Việc kết hợp các phương pháp này sẽ tăng cường phát hiện dấu ấn sinh học, cải thiện chẩn đoán và hướng dẫn các phương pháp điều trị cá nhân hóa trong vô sinh nam.
Kết luận
Đã có những tiến bộ đáng kể của việc nghiên cứu các phương pháp về chuyển hóa tinh trùng. Tuy nhiên, việc áp dụng những tiến bộ này vào thực hành lâm sàng đòi hỏi những nỗ lực, chuẩn hóa và tích hợp. Bằng cách vượt qua những rào cản này, có thể khai phá toàn bộ tiềm năng của chẩn đoán chuyển hóa để cải thiện sự hiểu biết và quản lý vô sinh.
Từ khóa: sperm metabolism, mitochondrial dysfunction, male infertility
Tài liệu tham khảo
[1]        A. Zakaria, I. Diawara, A. Bouziyane, and N. Louanjli, “Exploring Human Sperm Metabolism and Male Infertility: A Systematic Review of Genomics, Proteomics, Metabolomics, and Imaging Techniques,” Int J Mol Sci, vol. 26, no. 15, p. 7544, Aug. 2025, doi: 10.3390/ijms26157544.
[2]        “Human Sperm Tail Proteome Suggests New Endogenous Metabolic Pathways - PMC.” Accessed: Sept. 01, 2025. [Online]. Available: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3567857/
[3]        J. He et al., “Association between semen microbiome disorder and sperm DNA damage,” Microbiol Spectr, vol. 12, no. 8, pp. e00759-24, doi: 10.1128/spectrum.00759-24.
[4]        “Contemporary evidence on the physiological role of reactive oxygen species in human sperm function - PMC.” Accessed: Sept. 01, 2025. [Online]. Available: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4380893/
[5]        P. E. Visconti, “Sperm Bioenergetics in a Nutshell1,” Biol Reprod, vol. 87, no. 3, p. 72, Sept. 2012, doi: 10.1095/biolreprod.112.104109.
[6]        “GLUT và quá trình chuyển hóa tinh trùng ở động vật có vú - PubMed.” Accessed: Sept. 02, 2025. [Online]. Available: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/21088231/
[7]        J. Lee, D. R. Lee, and S. Lee, “The genetic variation in Monocarboxylic acid transporter 2 (MCT2) has functional and clinical relevance with male infertility,” Asian J Androl, vol. 16, no. 5, pp. 694–697, 2014, doi: 10.4103/1008-682X.124561.
[8]        A. Amaral, B. Lourenço, M. Marques, and J. Ramalho-Santos, “Mitochondria functionality and sperm quality,” Reproduction, vol. 146, no. 5, pp. R163-174, 2013, doi: 10.1530/REP-13-0178.
[9]        “Capacitation induces changes in metabolic pathways supporting motility of epididymal and ejaculated sperm - PMC.” Accessed: Sept. 04, 2025. [Online]. Available: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10335746/
[10]      “Defective Human Sperm Cells Are Associated with Mitochondrial Dysfunction and Oxidant Production - PubMed.” Accessed: Sept. 06, 2025. [Online]. Available: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26447142/

Từ khóa: sperm metabolism, mitochondrial dysfunction, male infertility