A practical approach on boar sperm cryodamage. Morphofunctional and immunocytochemical study of cryopreserved boar sperm intended for use in artificial insemination

L'ús d'esperma criopreservada en la inseminació artificial (IA) d'espècies d'interès productiu permet un major control sanitari i la creació de bancs de germoplasma d'alt valor genètic, entre d'altres avantatges. En el mercat porcí la major part de les inseminacions són encara realitzades amb semen refrigerat degut a l'èxit de l'aplicació de diluents de llarga durada i també a causa de la sensibilitat de l'esperma porcina a la criopreservació. Malgrat que aquesta sensibilitat ve donada per característiques particulars de la fisiologia espermàtica en l'espècie, algunes ejaculacions mantenen els paràmetres de qualitat espermàtica després de la criopreservació (ejaculacions amb bona "congelabilitat", GFEs) enfront d'altres que no sobreviuen al procés (ejaculacions amb mala "congelabilitat", PFEs). El primer objectiu de l'estudi va ser comparar ambdós grups en termes de fertilitat in vivo. El segon objectiu va ser testar l'eficiència de la inseminació postcervical (post-CAI) amb l'esperma criopreservada. El tercer objectiu va ser buscar predictors de la congelabilitat de les ejaculacions, tant en les GFEs com en les PFEs i en tres passos del procés de criopreservació (a 17ºC, a 5ºC i a 240 min postdescongelació). Aquest objectiu es va dur a terme mitjançant l'avaluació de paràmetres convencionals de qualitat espermàtica i a través de l'estudi de la localització i la reactivitat sota el microscopi de tres proteïnes (GLUT3, HSP90AA1 i Cu/ZnSOD) relacionades amb la fisiologia espermàtica i amb possibles rols en la congelabilitat. El quart objectiu va ser quantificar l'expressió de les tres proteïnes per transferència western, tant en espermatozoides d'ejaculacions GFEs com en els d'ejaculacions PFEs i en els tres passos abans esmentats, per tal de determinar el seu potencial com a predictores de la congelabilitat. Pel primer i el segon objectiu, 86 truges van ser inseminades per post-CAI amb 26 ejaculacions de mascles Piétrain dividides en una porció refrigerada a 17ºC (tractament control) i una porció criopreservada, ambdues porcions classificades alhora com a GFEs o PFEs. Els resultats més rellevants van demostrar que les probabilitats d'embaràs eren dues vegades menors en inseminacions amb esperma criopreservada d'ejaculacions PFEs (P < 0.05) que en inseminacions amb esperma criopreservada d'ejaculacions GFEs, fet que indica que les ejaculacions amb percentatges elevats d'espermatozoides mòbils progressius i d'integritat de membrana (per sobre del 40% en les GFEs) són més favorables a provocar embarassos que no pas aquelles ejaculacions amb una pobra funció espermàtica in vitro (PFEs). Ni el nombre de truges que van donar a llum, ni la quantitat de garrins, ni el risc de reflux espermàtic van ser significativament diferents entre les inseminacions amb esperma criopreservada d'ejaculacions GFEs i les inseminacions control amb semen refrigerat, la qual cosa demostra la bona aplicabilitat de la inseminació post-CAI amb l'esperma criopreservada. Finalment, pel tercer i quart objectius van ser criopreservades 29 i 11 ejaculacions de mascles Piétrain, respectivament. Dos paràmetres cinètics espermàtics, la linealitat (LIN) i la rectitud (STR), van mostrar una hiperactivació de la mobilitat superior en les ejaculacions PFEs que en les GFEs després de 30 min a 5ºC durant la criopreservació. A més, la combinació d'ambdós paràmetres va donar una fiabilitat propera al 72% en la predicció de la congelabilitat de les ejaculacions porcines. Tot i que no va ser possible predir la congelabilitat mitjançant l'avaluació de les tres proteïnes al microscopi, els resultats de transferència western van revelar diferències en l'expressió de la HSP90AA1 en l'esperma a 17ºC, molt possiblement relacionades amb la millor supervivència a la criopreservació dels espermatozoides d'ejaculacions GFEs. Aquests resultats suggereixen que la promoció de la criopreservació d'esperma porcina per la seva aplicació en IA passa pel desenvolupament de tests per la predicció de la congelabilitat en semen refrigerat.

Anàlisi microscòpica de l'esperma ejaculada i de la maduració epididimària dels espermatozoides de Sus domesticus

El present treball analitza la morfologia espermàtica de l'ejaculat de Sus domesticus, la histologia del conducte epididimari i la qualitat de l'esperma epididimari. El material d'estudi prové de mascles reproductors porcins de les races Landrace i Pietrain, sans i sexualment madurs. La metodologia emprada es basa en l'examen al microscopi òptic (camp dar, contrast de fases i contrast interferencial) i al microscopi electrònic (de rastreig i de transmissió). Per a l'anàlisi estadística de les dades s'ha utilitzat el test de la X2 de Pearson (p<0,01). L'estudi de la morfologia espermàtica de l'ejaculat permet distingir diversos tipus de gàmetes que s'han classificat en tres grups: espermatozoides madurs, espermatozoides immadurs i espermatozoides aberrants, així com algunes cèI.lules somàtiques. L'espermatozoide madur de Sus domesticus és un gàmeta típic de mamífer (format per tres parts: cap, peça de connexió i cua) en que destaquen: la forma oval i plana del cap, el desenvolupament d'una protuberància acrosòmica apical en una de les cares del cap i la presencia dels cossos laminars en la peça de connexió. L'espermatozoide immadur es caracteritza per la presencia de la gota citoplasmàtica, el major desenvolupament de la protuberància acrosòmica apical i per la flexibilitat del cap. Els espermatozoides aberrants es descriuen i classifiquen segons la morfologia externa i la morfologia interna, distingint-se una amplia gama de malformacions que afecten les diverses parts de l'espermatozoide. Les cèl·lules somàtiques presents en l'ejaculat ofereixen les característiques pròpies d'un macròfag i se les ha observat englobant espermatozoides immadurs. L'estudi de l'estructura i la ultraestructura de les tres regions anatòmiques de l'epidídim (caput, corpus i cauda) revela que: a) l'epiteli epididimari és pseudoestratificat amb esterocilis, b) cada regió epididimària presenta uns valors característics en relació al diàmetre intern del conducte, a l'alçada de l'epiteli, a la longitud dels esterocilis i al nombre de cèl·lules somàtiques luminals, i c) l'epiteli epididimari esta format per cinc tipus cel·lulars: les cèl·lules principals, les cèl·lules basals, les cèl·lules dares, les cèl·lules estretes i les cèl·lules basòfiles. Dels resultats obtinguts es pot deduir que: a) aquests cinc tipus cel·lulars es distribueixen al llarg del conducte epididimari de forma no homogènia, b) les cèl·lules basals, les cèl·lules principals, les cèI.Iules dares i les cèl·lules estretes són diversos estadis del desenvolupament d'un mateix tipus cel·lular especialitzat en la secreció i reabsorció cel·lular, i c) les cèl·lules basòfiles són les precursores de les cèl·lules somàtiques luminals. La qualitat de l'esperma procedent de les tres regions de l'epidídim ha estat analitzada a partir dels següents paràmetres espermàtics: vitalitat, resistència osmòtica dels acrosomes, estabilitat cefàlica, morfologia, malformacions i aglutinació. La vitalitat espermàtica disminueix progressivament al llarg del conducte epididimari. La resistència osmòtica dels acrosomes s'assoleix en la regió corporal de l'epidídim. L'estabilitat cefàlica dels espermatozoides és més elevada en les dues primeres regions de l'epidídim que en la regió caudal. Cada regió de l'epidídim es caracteritza per una morfologia espermàtica específica: a) el caput es caracteritza per l'elevat percentatge d'espermatozoides immadurs amb gota citoplasmàtica proximal, b) el corpus es caracteritza per l'elevat percentatge d'espermatozoides immadurs amb gota citoplasmàtica distal, i c) el cauda es caracteritza per l'elevat percentatge d'espermatozoides madurs. S'han estudiat les següents malformacions d'origen epididimari: espermatozoides de cua doblegada per l'anell de Jensen (origen en el cauda), espermatozoides de cua enrotllada i espermatozoides de cues fusionades (origen en el corpus). Els espermatozoides perden la capacitat de doblegar la cua per la peça intermèdia a mesura que avancen pel conducte epididimari. L'aglutinació espermàtica tendeix a augmentar progressivament al llarg del conducte epididimari, si bé, no s'han observat variacions significatives en els diversos tipus d'aglutinació. La maduració epididimaria dels espermatozoides de Sus domesticus és un procés lent i complex, i la qualitat de l'ejaculat depèn de que aquesta maduració hagi estat completa. La presencia en l'esperma ejaculat de formes gamètiques pròpies de l'esperma epididimari és un signe d'una incompleta maduració dels espermatozoides; i, pot considerar-se com un paràmetre indicador d'estrés del mascle reproductor, tant més quant més s'assembli a la morfologia espermàtica de la regió cefàlica de l'epidídim.

Estructura i ultraestructura testicular del mascle reproductor porcí (Sus domesticus)

El present treball analitza al microscopi òptic i al microscopi electrònic de transmissió el testicle de Sus domesticus (raça Landrace - varietat anglesa) a partir de mascles reproductors porcins adults i sans. L'objectiu principal de tots els centres d'Inseminació Artificial Porcina i de les Explotacions de Selecció i Multiplicació Porcina és garantir una excel·lent qualitat espermàtica al llarg de la vida reproductiva útil d'un mascle reproductor porcí. Així doncs, un millor coneixement dels patrons estructural i ultraestructural normals del testicle permetrà diagnosticar amb facilitat quina ha estat l'estructura o funció testicular afectada quan s'observa una disminució de la qualitat del semen. Les anàlisis seminals i hormonals són certament crucials en la valoració d'aquests mascles, però, no són totalment informatives de les alteracions testiculars, ja que és necessari conèixer l'organització microscòpica. Diversos estudis sobre testicle han demostrat que els marcadors més sensibles per a l'avaluació de la funció testicular són els següents: (1) la grandària testicular, (2) el gruix i l'organització de la càpsula testicular, (3) el percentatge de túbuls seminífers i de teixit intersticial en el parènquima testicular, (4) el diàmetre dels túbuls seminífers, (5) l'alçada i la composició de cèl·lules germinals de l'epiteli seminífer, (6) el gruix i l'organització de la làmina pròpia i, (7) la morfologia i la grandària de les cèl·lules de Leydig. El primer objectiu concret del present estudi ha estat, per tant, caracteritzar tots aquests paràmetres testiculars en mascles porcins sans i adults. L'organització estructural del testicle i les mesures quantitatives utilitzades com a marcadors no mostren diferències significatives ni entres els mascles porcins (P > 0,01), ni entre el testicle dret i l'esquerre (P > 0,01). Els testicles, de 330,80  16,99 g de pes, estan envoltats per una càpsula, de 2.375,13  246,68 m de gruix, la qual es divideix en tres capes: la túnica vaginalis constitueix l'1,82  0,78 % de la càpsula i està composta per una capa mesotelial externa i una capa interna de teixit conjuntiu dens; la túnica albuginea representa el 37,31  3,27 % i és de teixit conjuntiu dens i, la túnica vasculosa constitueix el 64,24 4,40 % i és de teixit conjuntiu lax. En el parènquima testicular els túbuls seminífers i el teixit intersticial representen el 72,44  2,12 % i el 27,46  2,12 %, respectivament. Els túbuls seminífers, de 226,23  18,08 m de diàmetre, es troben fortament recargolats i empaquetats, i estan compostos per la làmina pròpia i l'epiteli seminífer. La làmina pròpia, de 4-4,5 m de gruix, està formada per la làmina basal i dues capes de cèl·lules peritubulars. L'epiteli seminífer, amb una alçada mitjana de 66,11  10,62 m, és columnar i estratificat amb cèl·lules de Sertoli i diferents generacions d'espermatogònies, espermatòcits i espermàtides. El teixit intersticial és un teixit conjuntiu lax amb abundants cèl·lules de Leydig polièdriques fortament empaquetades (ca. 15 x 12 m). El segon objectiu concret d'aquest estudi ha estat estudiar des del punt de vista morfològic i morfomètric (alçada, longitud, freqüència relativa d'aparició i durada) els estadis del cicle de l'epiteli seminífer en els mascles porcins de la raça Landrace (varietat anglesa), classificats d'acord amb el mètode de la morfologia tubular. Els estadis premeiòtics ( I, II i III) ocupen el 31,9 % del cicle espermatogènic i es caracteritzen, principalment, per la presència de cèl·lules en les fase inicials de la meiosi I. Les primeres etapes de la meiosi I no afecten els paràmetres morfomètrics de l'epiteli seminífer ja que els valors obtinguts per l'alçada de l'epiteli seminífer, la freqüència relativa, la longitud i la durada d'aquests estadis són molt variables. Els estadis meiòtics (IV i V) representen el 16,4 % del cicle espermatogènic i estan constituïts, principlament, per cèl·lules en un estat avançat de la meiosi I i /o cèl·lules en meiosi II. Les últimes fases de la meiosi I i també de la meiosi II tenen lloc ràpidament, la qual cosa resulta en una baixa freqüència relativa d'aparició i, per tant, en una baixa durada dels estadis meiòtics. Els estadis postmeiòtics (VI, VII i VIII) ocupen el 50,6 % del cicle espermatogènic. L'esdeveniment més important que té lloc en aquests estadis és la fase de maduració de l'espermiogènesi. En la fase de maduració, les espermàtides experimenten diverses modificacions morfològiques i estructurals que donen lloc, finalment, als espermatozoides. La complexitat d'aquests processos fa que els estadis postmeiòtics presentin valors més grans de freqüència relativa, longitud i durada. El tercer objectiu concret d'aquest treball ha estat descriure a nivell ultraestructural el procés d'espermiogènesi, i relacionar les transformacions que experimenten les espermàtides en fase d'elongació amb els canvis ultraestructurals que tenen lloc en les diferents cèl·lules que constitueixen el testicle (cèl·lules germinals, de Sertoli i de Leydig, principalment). L'espermiogènesi del mascle porcí de la raça Landrace (varietat anglesa) s'ha dividit en 9 passos que vénen definits per 9 tipus diferents d'espermàtides. Al llarg de l'espermiogènesi no s'observen diferències ultraestructurals significatives (P > 0,01) ni entre els mascles porcins ni entre el testicle esquerre i dret en les cèl·lules que constitueixen el testicle.

Potassium Current in Mature Bovine Spermatozoa

Ion channels have been assigned a pivotal importance in various sperm functions and are therefore promising targets for contraceptive development. The lack of data on channel functionality and pharmacology has hampered this goal. This is a consequence of technical problems of applying electrophysiological techniques to spermatozoa due to their small size and form. By using a laminin coating to increase adherence of spermatozoa and nystatin in the patch pipette for pore formation, we have adapted the whole-cell recording technique to study currents in mature uncapacitated bovine spermatozoa. Employing these conditions, in the head region, patched spermatozoa could be transferred into the whole-cell configuration. For the first time we document an outward rectifying current in mature bovine spermatozoa was blocked by tetraethyl ammonium (TEA) chloride. The observation of a shift in the reversal potential as a response to changes in the extracellular concentration of K+ ions allowed us to identify this current as K+ selective. This result shows that K+ channels in the head region of mature uncapacitated bovine spermatozoa can be suitably investigated using the whole-cell recording patch-clamp technique.

Artificial fertilization of oocytes and sperm activation in pacu: effects of the spermatozoa:oocyte ratio, water volume, and in natura semen preservation

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Effects of the spermatozoa: oocyte ratio, water volume and water temperature on artificial fertilization and sperm activation of cascudo-preto

The objective of this study was to evaluate the effects of water volume and water temperature on the sperm motility duration and the number of spermatozoa, and the water volume on the fertilization rates of oocytes of Rhinelepis aspera. Experiments were carried out to evaluate the effect of semen dilutions (1.74×10-5, 1.74×10-4, 1.74×10-3, 1.74×10-2, 1.74×10-1 and 1.00 mL of sperm.mL-1 of water) and water temperature (5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, and 50 ºC) on spermatozoa motility duration. In addition, the effects of insemination dose (7×10³, 7×10(4), 7×10(5), 7×10(6) and 7×10(7) spermatozoa.oocyte-1) and water volume (1.0, 30.0, 60.0, 90.0 and 120.0 mL water.2.0 mL-1 oocytes) on the artificial fertilization rates of oocytes were evaluated. The longest sperm motility duration were observed for the semen dilution of 1.74×10-5 mL semen.mL-1 water and in water at 5 ºC. The highest fertilization rates were obtained for insemination doses between 7.00×10³ and 1.23×10(7) spermatozoa. oocyte-1 and water volume of 28.11 mL water.2.0 mL-1 oocytes.

Effects of discontinuous Percoll gradient centrifugation on the quality of bovine spermatozoa evaluated with computer-assisted semen analysis and fluorescent probes association

The objective of this study was to evaluate the quality of bovine frozen-thawed sperm cells after Percoll gradient centrifugation. Frozen semen doses were obtained from six bulls of different breeds, including three taurine and three Zebu animals. Four ejaculates per bull were evaluated before and after discontinuous Percoll gradient centrifugation. Sperm motility was assessed by computer-assisted semen analysis and the integrity of the plasma and acrosomal membranes, as well as mitochondrial function, were evaluated using a combination of fluorescent probes propidium iodide, fluorescein isothiocyanate-conjugated Pisum sativum agglutinin and 5,5',6,6'-tetrachloro-1,1',3,3'-tetraethylbenzimidazolcarbocyanine iodide. The procedure of Percoll gradient centrifugation increased the percentage of total and progressive sperm motility, beat frequency, rectilinear motility, linearity and rapidly moving cells. In addition, the percentage of cells with intact plasma membrane and mitochondrial membrane potential was increased in post-centrifugation samples. However, the percentage of sperm cells with intact acrosomal membrane was markedly reduced. The method used selected the motile cells with intact plasma membrane and higher mitochondrial functionality in frozen-thawed bull semen, but processing, centrifugation and/or the Percoll medium caused damage to the acrosomal membrane.

Transmission electron microscopy for characterization of acrosomal damage after Percoll gradient centrifugation of cryopreserved bovine spermatozoa

The objective of this study was to characterize acrosomal ultrastructure following discontinuous Percoll gradient centrifugation of cryopreserved bovine sperm. Semen was collected from six bulls of different breeds and three ejaculates per bull were evaluated. Frozen semen samples were thawed and the acrosomal region of sperm cells was evaluated by transmission electron microscopy (TEM) before (n = 18) and after (n = 18) Percoll centrifugation. The evaluation of 20 sperm heads from each of the 36 samples analyzed ensured that a large number of cells were investigated. The data were subjected to analysis of variance at a level of significance of 5%. Percoll centrifugation reduced the percentage of sperm exhibiting normal acrosomes (from 61.77 to 30.24%), reduced the percentage of sperm presenting atypical acrosome reactions (from 28.38 to 4.84%) and increased the percentage of sperm exhibiting damage in the acrosome (from 6.14 to 64.26%). The percentage of sperm with typical acrosome reactions was not significantly different before (3.70%) and after (0.67%) centrifugation. TEM distinguished four different types of acrosomal status and enabled ultrastructural characterization of acrosomal injuries. The percentage of sperm exhibiting normal acrosomes decreased and damage in the acrosome was the most frequent acrosomal injury with the Percoll gradient centrifugation protocol utilized.

Large nuclear vacuoles are indicative of abnormal chromatin packaging in human spermatozoa

The aim of this investigation was to determine the presence of abnormal sperm chromatin packaging in spermatozoa with large nuclear vacuoles (LNV) selected via high magnification by analysing the pattern of chromomycin A3 (CMA3) staining. A prospective observational study was designed to analyse semen samples obtained from 66 men undergoing infertility diagnosis and treatment. The numbers of cells with normal (dull yellow staining of the sperm head/CMA3-negative) and abnormal (bright yellow fluorescence of the sperm head/CMA3-positive) chromatin packaging were determined on slides with normal and LNV spermatozoa. The presence of bright yellow fluorescence (CMA3-positive) was significantly higher (p < 0.0001) in spermatozoa with LNV than in normal spermatozoa (719/1351; 53.2% vs. 337/835; 40.3%, respectively), reflecting a higher percentage of abnormal chromatin packaging in spermatozoa with large LNV. Our data support the hypothesis that the presence of LNV reflects the presence of abnormal chromatin packaging, which may facilitate sperm DNA damage. As sperm nuclear vacuoles are evaluated more precisely at high magnifications using motile sperm organelle morphology examination (MSOME), the present results support the use of high-magnification sperm selection for intracytoplasmic sperm injection (ICSI).

Significance of large nuclear vacuoles in human spermatozoa: implications for ICSI

The aim of this study was to determine the extent of DNA fragmentation and the presence of denatured single-stranded or normal double-stranded DNA in spermatozoa with large nuclear vacuoles (LNV) selected by high magnification. Fresh semen samples from 30 patients were prepared by discontinuous isolate concentration gradient. Spermatozoa with normal nucleus (NN) and LNV were selected at x8400 magnification and placed on different slides. DNA fragmentation was determined by TUNEL assay. Denatured and double-stranded DNA was identified by the acridine orange fluorescence method. DNA fragmentation in spermatozoa with LNV (29.1%) was significantly higher (P < 0.001) than in spermatozoa with NN (15.9%). Therefore, cleavage of genomic DNA in low molecular weight DNA fragments (mono- and oligonucleosomes), and single-strand breaks (nicks) in high molecular weight DNA occur more frequently in spermatozoa with LNV. Similarly, the percentage of denatured-stranded DNA in spermatozoa with LNV (67.9%) was significantly higher (P < 0.0001) than in spermatozoa with NN (33.1%). The high level of denatured DNA in spermatozoa with LNV suggests precocious decondensation and disaggregation of sperm chromatin fibres. The results show an association between LNV and DNA damage in spermatozoa, and support the routine morphological selection and injection of motile spermatozoa at high magnification for ICSI.

Significance of extruded nuclear chromatin (regional nuclear shape malformation) in human spermatozoa: implications for ICSI

The aim of this study was to determine the extent of DNA fragmentation and the presence of denatured single-strand or normal double-strand DNA in spermatozoa with extruded nuclear chromatin (ENC) selected by high magnification. Fresh semen samples from 55 patients were prepared by discontinuous isolate concentration gradient. Spermatozoa with normal nucleus (NN) and ENC were selected at 8400x magnification and placed on different slides. DNA fragmentation was determined by TUNEL assay. Denatured and double-stranded DNA was identified by the acridine orange fluorescence method. DNA fragmentation was not significantly different (p = 0.86) between spermatozoa with ENC (19.6%) and those with NN (20%). However, the percentage of spermatozoa with detectable denatured-stranded DNA in the ENC spermatozoon group (59.1%) was significantly higher (p < 0.0001) than in the NN group (44.9%). The high level of denatured DNA in spermatozoa with ENC suggests premature decondensation and disaggregation of sperm chromatin fibres. The results show an association between ENC and DNA damage in spermatozoa, and support the routine morphological selection and injection of motile spermatozoa at high-magnification intracytoplasmic sperm injection.