Umělá aktivace pohybu spermií in vitro
Authors:
P. Trávník 1-3; M Ješeta 1,4,5; R. Hűttelová 1,6; R. Křen 1,7; L. Landsmann 1,8; A. Nesvadbová 1,9,10; G. Tauwinklová 1,2,11
Authors‘ workplace:
Výbor Asociace reprodukční embryologie z. s.
1; Repromeda s. r. o., Brno
2; IPVZ, Praha
3; Gynekologicko-porodnická klinika LF MU a FN Brno
4; FAPPZ ČZU, Praha
5; Cube IVF, Praha
6; GENNET s. r. o., Praha
7; UNICA Prague s. r. o., Praha
8; IVF Clinic, Olomouc
9; Přírodovědecká fakulta, UP v Olomouci
10; Ústav histologie a embryologie, LF MU, Brno
11
Published in:
Ceska Gynekol 2024; 89(2): 134-138
Category:
doi:
https://doi.org/10.48095/cccg2024134
Overview
Cíl studie: Metoda aktivace spermií je moderní metodický přístup, který se v praxi používá stále více. Neustále přibývá nových studií zaměřených na metody umělé aktivace motility lidských spermií. Standardní metody výběru spermií mohou v některých případech selhat mimo jiné i proto, že jsou izolovány spermie velice mladé, které ještě nedokončily svůj vývoj. V těchto případech může mít umělá stimulace jejich pohybu pozitivní efekt a velice usnadnit a urychlit proces výběru vhodných spermií. Jako aktivační činidla se nejčastěji využívají methylxanthiny. Názory na bezpečnost použití těchto látek na spermie však nejsou jednotné. Cílem práce je prezentovat současné poznatky o umělé aktivaci motility spermií na in vitro fertilizaci a následný embryonální vývoj. Metodika: Rešerše relevantní literatury v databázích Web of Science, Scopus, PubMed/Medline. Výsledky a závěr: Z literární analýzy vyplývá, že je tato metoda bezpečná a účinná při výběru nepohyblivých spermií. Byly provedeny vědecké studie zaměřené na ověření bezpečnosti a spolehlivosti této metody. Závěrem těchto studií je pozitivní dopad tohoto způsobu výběru především u případů spermií získávaných z varletní tkáně po metodě TESE (testicular sperm extraction). V těchto případech metoda umělé aktivace spermií usnadnila a zrychlila výběr spermií před intracytoplazmatickou injekcí spermie. Aktivovány byly spermie nepoškozené, které jsou nepohyblivé z důvodu nedokončení své maturace.
Klíčová slova:
spermie – in vitro fertilizace – motilita – teofylin
Úvod
Jednou z metod, která slouží ke zvýšení účinnosti oplození a podpoře dalšího vývoje embryí, je v případě handicapovaných spermií metoda aktivace pohybu spermií v podmínkách in vitro ve spojení s intracytoplazmatickou injekcí spermie (ICSI). Počátky použití aktivace pohybu spermií ve spojení s metodami asistované reprodukce se datují do začátku 90. let minulého století [1–3].
Vztah mezi pohyblivostí spermie a kvalitou oplození
Spermie z jednoho ejakulátu představují značně heterogenní populaci, jen část z nich má schopnost oplodnit oocyt [4,5]. Přirozená selekce spermií je založena na průchodu spermie labyrintem ženských pohlavních cest, tedy na preferenci pohyblivých spermií [6]. Motilita je základní vlastnost spermií, která je často využívaná i při jejich separaci před použitím pro in vitro fertilizaci (IVF). Nicméně bylo prokázáno, že nejen přirozeně pohyblivé spermie mají lepší schopnost oplodnit a zajistit kvalitní vývoj embrya, ale že selekci vhodných spermií umožní i pohyb uměle aktivovaný, dovolující odlišit vitální spermie schopné oplodnit vajíčko a zajistit jeho normální vývoj [7].
Pokud jsou například spermie izolovány přímo z varletní tkáně (při metodě TESE – testicular sperm extraction), jsou izolovány často nezralé spermie, které mají špatný pohyb a většina takto získaných spermií je nepohyblivých [8]. Absence pohybu v tomto případě ale není způsobena poškozením spermie, ale její nedostatečnou maturací.
Fyziologie pohybu spermie
Pohyb bičíku spermií je poháněn fosforylací axonemálních zevních dyneinových ramének spojenou s hydrolýzou adenosintrifostátu (ATP), která dodává energii potřebnou pro posouvání mikrotubulových dubletů v axonemě, jehož výsledkem je ohýbání bičíku [9,10] podmiňující dopředný rotační pohyb spermie.
Centrální úlohu v regulaci této aktivity mají zejména kalciové ionty a na cyklickém adenosinmonofosfátu (cAMP) závislá cesta proteinkinázy A (PKA) (obr. 1). Bylo prokázáno, že cAMP je primárním signálem pro nástup motility spermií [11–14].
Dalšími činiteli jsou kalciový kanál CatSper přítomný na membráně bičíku spermie, který je řízen napětím a pH, které je zase řízeno draslíkovými a sodíkovými kanály a ligandami ze sekretu vejcovodu [15]. Vzestup koncentrace kalcia v cytoplazmě společně se vzrůstem koncentrace hydrogenkarbonátového iontu vede k aktivaci atypické solubilní adenylátcyklázy (sAC), která syntetizuje cAMP. To vede k aktivaci PKA a následné kaskády fosforylace proteinů vyvolané tyrosinkinázami a vyvažované serin/tyrosin fosfatázami, které společně regulují motilitu [16].
Antagonisty sAC syntetizující cAMP jsou fosfodiesterázy, které cAMP odbourávají za vzniku 5’-AMP. V lidských spermiích jsou přítomné jejich izoenzymy PDE1A a PDE3A [17].
Mechanizmus umělé aktivace pohybu
K aktivaci pohybu lidských spermií byla vyzkoušena řada látek [3,18–20].
Nejčastěji užívanými sloučeninami pro podporu pohyblivosti spermií in vitro jsou inhibitory fosfodiesterázy [21]. Principem umělé aktivace pohybu spermií je zvýšení koncentrace cAMP v cytoplazmě spermií inhibicí fosfodiesteráz, které cAMP odbourávají, není tedy ovlivněna syntéza cAMP (obr. 2). Velice často se k těmto účelům používá teofylin (1,3-dimethyl-7H-purin-2,6-dion; 1,3-dimethylxanthin) patřící podobně jako kofein či teobromin do skupiny alkaloidů methylxantinů. Methylxantiny jsou široce rozšířené látky, které se často používají jako léčiva při astmatu a dalších respiračních onemocněních.
Pomocí umělé aktivace dojde k aktivaci pohybu u nezralých spermií, které se po izolaci z varlat nehýbou. Tyto pohyblivé spermie jsou následně použity pro IVF. Aktivace pohybu spermií je výrazně zviditelní a usnadní jejich výběr ze vzorku (a zkrátí tak dobu výběru spermií). Navíc u mnoha vzorků krvavé varletní tkáně s pouze malým počtem spermií byly spermie identifikovány až po aktivaci. Z tohoto důvodu se někdy aktivace spermií používá i v diagnostických vzorcích TESA (testicular sperm aspiration) [22].
Indikace k použití aktivace pohybu
Indikací umělé aktivace pohybu spermií je TESE [23,24]. Ošetření testikulárních spermií získaných TESE teofylinem vedlo ke zvýšení klinické pregnancy rate z 23 % na 53 % [25].
Další indikací použití aktivace pohybu jsou případy těžké asthenozoospermie [26], případně nekrozoospermie [27]. Velice efektivní je také tato metoda při manipulaci s rozmraženými spermiemi po TESE [25].
Potenciální rizika použití metody
Do současné doby nebyl publikován případ vrozené vady v souvislosti s použitím umělé aktivace pohybu spermií. Aydos a Aydos poukázali na potenciální riziko teratogenního účinku dimetylxanthinů [29] s odkazem na publikaci o výskytu vrozených vad u myší vystavených vysokým dávkám (stovky miligramů na kilogram a den) paraxanthinu (1,7-dimethylxantin) v průběhu březosti [29]. Při použití této metody je důležité nevystavovat oocyty těmto látkám a pečlivě odstranit methylxanthin z kultivačního média, ve kterém se časná embrya vyvíjí [27]. Novější publikace zjistila, že paraxanthin není mutagenní ani genotoxickou látkou [30]. Pro bezpečnost aplikace látek ze skupiny dimetylxanthinů svědčí i široké používání léků z této skupiny v humánní medicíně bez teratogenních účinků. Pro umělou aktivaci pohybu spermie se navíc využívají nízké koncentrace aktivní látky a jejich působení na spermie je velmi krátkodobé, využívá se časově omezeného efektu přechodného vzestupu cAMP.
Doporučený postup
V současné době je dostupný preparát GM501 SpermMobil (PLANER LIMITED, GYNEMED Medizinprodukte GmbH & Co. KG), založený na účinku inhibitoru fosfodiesterázy teofylinu [31], který se jinak používá také pro léčbu astmatu [32] a přirozeně se nachází např. v kakaových bobech [33] nebo čajových lístcích [34].
Roztok GM501 SpermMobil je zahřát na 37 °C, naekvilibruje se v atmosféře se zvýšenou koncentrací oxidu uhličitého. Na topnou desku (37 °C) je umístěna Petriho miska s kapkou suspenze spermií v médiu pro přípravu spermií o objemu cca 30–40 µl. Přidá se 3–4 µl zahřátého roztoku GM501 SpermMobil, a to z jedné strany, opačné, než ze které mají být nasávány spermie. Po 10 min je možno nabírat aktivované spermie (aktivační účinek nastoupí po několika minutách a trvá až 1 hod). Nabrané spermie jsou přeneseny s minimem tekutiny do kapky čistého media (obr. 3).
Závěr
Umělá aktivace pohybu spermií představuje účinný a bezpečný postup pro selekci vitálních spermií schopných oplodnit oocyt a umožnit vývoj embrya v případech, kdy není možno získat spontánně pohyblivé spermie.
Sources
1. Yovich JM, Edirisinghe WR, Cummins JM et al. Influence of pentoxifylline in severe male factor infertility. Fertil Steril 1990; 53 (4): 715–722. doi: 10.1016/s0015-0282 (16) 53470-0.
2. Imoedemhe DA, Sigue AB, Pacpaco EA et al. Successful use of the sperm motility enhancer 2-deoxyadenosine in previously failed human in vitro fertilization. J Assist Reprod Genet 1992; 9 (1): 53–56. doi: 10.1007/BF01204115.
3. Tesarik J, Mendoza C, Carreras A. Effects of phosphodiesterase inhibitors caffeine and pentoxifylline on spontaneous and stimulus-induced acrosome reactions in human sperm. Fertil Steril 1992; 58 (6): 1185–1190. doi: 10.1016/s0015-0282 (16) 55567-8.
4. Sousa AP, Amaral A, Baptista M et al. Not all sperm are equal: functional mitochondria characterize a subpopulation of human sperm with better fertilization potential. PLoS One 2011; 6 (3): e18112. doi: 10.1371/journal.pone.0018112.
5. Oseguera-López I, Ruiz-Díaz S, Ramos-Ibeas P et al. Novel techniques of sperm selection for improving IVF and ICSI outcomes. Front Cell Dev Biol 2019; 7: 298. doi: 10.3389/fcell.2019.00298.
6. Sakkas D, Ramalingam M, Garrido N et al. Sperm selection in natural conception: what can we learn from Mother Nature to improve assisted reproduction outcomes? Hum Reprod Update 2015; 21 (6): 711–726. doi: 10.1093/humupd/ dmv042.
7. Verheyen G, Popovic-Todorovic B, Tournaye H. Processing and selection of surgically-retrieved sperm for ICSI: a review. Basic Clin Androl 2017; 27: 6. doi: 10.1186/s12610-017-0050-2.
8. Zhu J, Tsirigotis M, Pelekanos M et al. In vitro maturation of human testicular spermatozoa. Hum Reprod 1996; 11 (1): 231–232. doi: 10.1093/oxfordjournals.humrep.a019030.
9. Turner RM. Tales from the tail: what do we really know about sperm motility? J Androl 2003; 24 (6): 790–803. doi: 10.1002/j.1939-4640.2003.tb03123.x.
10. Turner RM. Moving to the beat: a review of mammalian sperm motility regulation. Reprod Fertil Dev 2006; 18 (1–2): 25–38. doi: 10.1071/rd05120.
11. Buffone MG, Wertheimer EV, Visconti PE et al. Central role of soluble adenylyl cyclase and cAMP in sperm physiology. Biochim Biophys Acta 2014; 1842 (12 Pt B): 2610–2620. doi: 10.1016/j.bbadis.2014.07.013.
12. Vadnais ML, Aghajanian HK, Lin A et al. Signaling in sperm: toward a molecular understanding of the acquisition of sperm motility in the mouse epididymis. Biol Reprod 2013; 89 (5): 127. doi: 10.1095/biolreprod.113.110163.
13. Tash JS, Means AR. Regulation of protein phosphorylation and motility of sperm by cyclic adenosine monophosphate and calcium. Biol Reprod 1982; 26 (4): 745–763. doi: 10.1095/biolreprod26.4.745.
14. Tash JS, Means AR. Cyclic adenosine 3’,5’ monophosphate, calcium and protein phosphorylation in flagellar motility. Biol Reprod 1983; 28 (1): 75–104. doi: 10.1095/biolreprod28.1.75.
15. Kaupp UB, Strünker T. Signaling in sperm: more different than similar. Trends Cell Biol 2017; 27 (2): 101–109. doi: 10.1016/j.tcb.2016.10.002.
16. Pereira R, Sá R, Barros A et al. Major regulatory mechanisms involved in sperm motility. Asian J Androl 2017; 19 (1): 5–14. doi: 10.4103/10 08-682X.167716.
17. Lefièvre L, de Lamirande E, Gagnon C. Presence of cyclic nucleotide phosphodiesterases PDE1A, existing as a stable complex with calmodulin, and PDE3A in human spermatozoa. Biol Reprod 2002; 67 (2): 423–430. doi: 10.1095/biolreprod67.2.423.
18. Tardif S, Madamidola OA, Brown SG et al. Clinically relevant enhancement of human sperm motility using compounds with reported phosphodiesterase inhibitor activity. Hum Reprod 2014; 29 (10): 2123–2135. doi: 10.1093/humrep/deu196.
19. Ibis E, Hayme S, Baysal E et al. Efficacy and safety of papaverine as an in vitro motility enhancer on human spermatozoa. J Assist Reprod Genet 2021; 38 (6): 1523–1537. doi: 10.1007/s10815-021-02160-x.
20. Lefièvre L, de Lamirande E, Gagnon C. The cyclic GMP-specific phosphodiesterase inhibitor, sildenafil, stimulates human sperm motility and capacitation but not acrosome reaction. J Androl 2000; 21 (6): 929–937.
21. Kovacic B, Vlaisavljevic V, Reljic M. Clinical use of pentoxifylline for activation of immotile testicular sperm before ICSI in patients with azoospermia. J Androl 2006; 27 (1): 45–52. doi: 10.2164/jandrol.05079.
22. Taşdemir I, Taşdemir M, Tavukçuoğlu S. Effect of pentoxifylline on immotile testicular spermatozoa. J Assist Reprod Genet 1998; 15 (2): 90–92. doi: 10.1007/BF02766832.
23. Liu J, Nagy Z, Joris H et al. Analysis of 76 total fertilization failure cycles out of 2732 intracytoplasmic sperm injection cycles. Hum Reprod 1995; 10 (10): 2630–2636.
24. Esfandiari N, Javed MH, Gotlieb L et al. Complete failed fertilization after intracytoplasmic sperm injection – analysis of 10 years’ data. Int J Fertil Womens Med 2005; 50 (4): 187–192.
25. Ebner T, Tews G, Mayer RB et al. Pharmacological stimulation of sperm motility in frozen and thawed testicular sperm using the dimethylxanthine theophylline. Fertil Steril 2011; 96 (6): 1331–1336. doi: 10.1016/j.fertnstert.2011. 08.041.
26. Ebner T, Shebl O, Mayer RB et al. Healthy live birth using theophylline in a case of retrograde ejaculation and absolute asthenozoospermia. Fertil Steril 2014; 101 (2): 340–343. doi: 10.1016/ j.fertnstert.2013.10.006.
27. de Mendoza MV, González-Utor AL, Cruz N et al. In situ use of pentoxifylline to assess sperm vitality in intracytoplasmic sperm injection for treatment of patients with total lack of sperm movement. Fertil Steril 2000; 74 (1): 176–177. doi: 10.1016/s0015-0282 (00) 00559-8.
28. Aydos K, Aydos OS. Sperm selection procedures for optimizing the outcome of ICSI in patients with NOA. J Clin Med 2021; 10 (12): 2687. doi: 10.3390/jcm10122687.
29. York RG, Randall JL, Scott WJ Jr. Teratogenicity of paraxanthine (1,7-dimethylxanthine) in C57BL/6J mice. Teratology 1986; 34 (3): 279–282. doi: 10.1002/tera.1420340307.
30. Purpura M, Jäger R, Falk M. An assessment of mutagenicity, genotoxicity, acute-, subacute and subchronic oral toxicity of paraxanthine (1,7-dimethylxanthine). Food Chem Toxicol 2021; 158: 112579. doi: 10.1016/ j.fct.2021.112579.
31. GM501 SpermMobil – Firemní návod. 2023 [online]. Available from: https: //mail.planer.com/__80258426005B6A5E.nsf/0/ 5D7B42F886764AFB8025 856000357A88/$File/ Gi140_V1-Sperm-Mobil.pdf.
32. Barnes PJ. Theophylline. Am J Respir Crit Care Med 2013; 188 (8): 901–906. doi: 10.1164/rccm. 201302-0388PP.
33. Apgar JL, Tarka SM Jr. Methylxanthine composition and consumption patterns of cocoa and chocolate products and their uses. In: Spiller GA (ed). Caffeine. Boca Raton (FL): CRC Press 1998: 171.
34. IARC Working Group on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans. Coffee, tea, mate, methylxanthines and methylglyoxal. IARC monographs on the evaluation of carcinogenic risks to humans. Lyon (FR): International Agency for Research on Cancer 1991; 51: 391–419.
ORCID autorů
P. Trávník 0000-0002-2966-923X
M. Ješeta 0000-0003-1778-3454
R. Hüttelová 0009-0001-1877-1060
R. Křen 0009-0002-3534-7816
L. Landsmann 0000-0001-5984-1232
A. Nesvadbová 0000-0001-7854-4268
G. Tauwinklová 0009-0001-3024-6357
Labels
Paediatric gynaecology Gynaecology and obstetrics Reproduction medicineArticle was published in
Czech Gynaecology
2024 Issue 2
Most read in this issue
- Nový staging karcinomu endometria – FIGO 2023
- Využití nitroděložního systému s levonorgestrelem v perimenopauze
- Trofoblastové kmeňové bunky, invázia trofoblastu a organoidy – pokroky v gynekológii
- Hemoragická cievna mozgová príhoda v gravidite