Influence of Caffeine and Chondroitin Sulfate on Swine Sperm Capacitation and In Vitro Embryo Production

Background: The establishment of an in vitro production (IVP) of embryo in swine allows the generation of embryos with the same quality as in vivo produced embryos with less costs and time. In order to achieve successful fertilization under normal circumstances in vivo, mammalian spermatozoa must first undergo capacitation and then acrosome reaction. The purpose of this study was compared the efficacious of IP/CFDA fluorescence and Coomassie Blue G (CB) staining to detect capacitated sperm cells in refrigerated and fresh semen. Morever, it was investigated the efficacious of caffeine and chondroitin sulphate to promote in vitro sperm capacitation and in vitro embryo produced (IVP) of swine embryos. Materials, Methods & Results: A sperm-rich fraction from ejaculate was obtained using the gloved-hand method and the gel-free fraction was separated using sterile gauze. The semen was diluted in BTS at a final concentration of 1.5 x 10(8) cells/mL. The sperm suspension was incubated for 2 h at 25 degrees C, refrigerated and maintained for 1 h at 15-18 degrees C (refrigerated group) or used immediately (fresh group). Sperm capacitation was assessed by IP/CFDA fluorescence and CB staining for both fresh and refrigerated semen. For PI/CFDA evaluation, a final solution containing 1.7 mM formaldehyde, 7.3 mM PI and 20 mM CFDA in 950 mu L saline was prepared. In the dark, 40 mu L PI/CFDA final solution was added to 10 mu L semen and after 8 min, slides were analyzed on epifluorescence microscopy. For CB evaluation, sperm cells were fixed in 4% paraformaldehyde for 10 min and centrifuged twice at 320 x g in ammonium acetate pH 9 for 8 min. A smear was made and stained with 2.75 mg/mL CB in solution containing 12.5% methanol, 25% glacial acetic acid and 62.5% water, for 2 min. The smear was washed in running water, air dried and sealed with Permount (R), diluted 2:1 in xilol to avoid staining oxidation. Our results showed that refrigeration did not affect sperm capacitation and comparing staining methods, the PI/CFDA combination was more efficient to detect capacitated sperm, when compared to CB staining. In experiment 2, we evaluated the effect of different incubation time (1 - 5 h) with chondroitin sulfate and caffeine on sperm capacitation. For in vitro fertilization, oocytes were obtained from slaughterhouse ovaries. Oocytes with a thick and intact cumulus oophurus layer and cytoplasm with homogenous granules were selected for in vitro maturation for 44 h. According to the results of experiment 2, it was used for in vitro fertilization refrigerated semen was capacitated with 50 mu g/mL chondroitin sulfate for 2 h or capacitated with 5 mu g/mL caffeine for 3 h. Six hours after insemination, cumulus oophorus cells were mechanically removed and oocytes were washed and incubated in microdrops of culture medium. Embryo development after fertilization with sperm capacitated with caffeine or chondroitin sulfate was evaluated on days 3, 5 and 7 of culture. No differences were observed in days 3 or 5 of in vitro culture. However, it was observed an increase on blastocyst rate on Day 7 of culture when caffeine was used as the capacitor agent. Discussion: Molecular basis of sperm capacitation is still poor understood. Sperm capacitation can occur in vitro spontaneously in defined media without addition of biological fluids. We observed that sperm capacitation increased as incubation period enlarged and it was observed using Coomassie blue G and PI/CFDA for fresh semen and for refrigerated semen. It can be concluded that the cooling of semen did not change their pattern of sperm capacitation and this is best assessed by IP/CFDA than by CB. In addition to the use of caffeine in sperm capacitation produces more blastocysts than the chondroitin sulfate after in vitro fertilization.

Sperm capacitation in humans is transient and correlates with chemotactic responsiveness to follicular factors.

In humans, only a small fraction (2-12%) of a sperm population can respond by chemoattraction to follicular factors. This recent finding led to the hypothesis that chemotaxis provides a mechanism for selective recruitment of functionally mature spermatozoa (i.e., of capacitated spermatozoa, which possess the potential to undergo the acrosome reaction and fertilize the egg). This study aimed to examine this possibility. Capacitated spermatozoa were identified by their ability to undergo the acrosome reaction upon stimulation with phorbol 12-myristate 13-acetate. Under capacitating conditions, only a small portion (2-14%) of the spermatozoa were found to be capacitated. The spermatozoa were then separated according to their chemotactic activity, which resulted in a subpopulation enriched with chemotactically responsive spermatozoa and a subpopulation depleted of such spermatozoa. The level of capacitated spermatozoa in the former was approximately 13-fold higher than that in the latter. The capacitated state was temporary (50 min < life span < 240 min), and it was synchronous with the chemotactic activity. A continuous process of replacement of capacitated/chemotactic spermatozoa within a sperm population was observed. Spermatozoa that had stopped being capacitated did not become capacitated again, which indicates that the capacitated state is acquired only once in a sperm's lifetime. A total sperm population depleted of capacitated spermatozoa stopped being chemotactic. When capacitated spermatozoa reappeared, chemotactic activity was restored. These observations suggest that spermatozoa acquire their chemotactic responsiveness as part of the capacitation process and lose this responsiveness when the capacitated state is terminated. We suggest that the role of sperm chemotaxis in sperm-egg interaction in vivo may indeed be selective recruitment of capacitated spermatozoa for fertilizing the egg.

Influence of mini-Percoll techniques in sperm capacitation and plasma membrane integrity of ram frozen-thawed sperm.

2016

Effect of capacitation of stallion sperm with polyvinylalcohol or bovine serum albumin on penetration of bovine zona-free or partially zona-removed equine oocytes

Experiments were conducted to study effects of macromolecules on stallion sperm capacitation and fertilization as determined by penetration of bovine zona-free and equine partially zona-removed oocytes. Stallion sperm were capacitated in TYH medium (modified Krebs-Ringer bicarbonate) supplemented with either 1 mg/mL of polyvinylalcohol (PVA) or 4 mg/ mL of BSA. Capacitation was induced with 8 bromoadenosine cyclic monophosphate (8BrcAMP; 0.5 mM) alone or in combination with 0.1 μM of ionomycin. Intraspecies gametes were co-incubated in TYH/PVA or TYH/ BSA for 18 to 20 h. For zona-free bovine oocytes, penetration rate (35%) with the combination of 8BrcAMP and ionomycin in PVA-containing medium was higher (P < 0.05) than any treatment in BSA-containing medium (5 to 6%). A similar study was conducted using equine oocytes with partially removed zonae. Sperm capacitated and used for in vitro fertilization (IVF) in PVA-containing medium had higher penetration rates (P < 0.01) than sperm in BSA-containing medium (54 vs. 11%). The effect of equine preovulatory follicular fluid on bovine oocyte penetration was assessed. Bovine oocytes were matured in tissue culture medium-199 with 0, 20, 50, or 100% equine preovulatory follicular fluid, and 1 IU/mL of equine chorionic gonadotropin. Stallion sperm were treated with 8BrcAMP + ionomycin in PVA- or BSA-containing media. The penetration rates of bovine zona-free oocytes by stallion sperm were again higher with PVA (47%) than BSA (18%; P < 0.01). Penetration rates of oocytes matured in 100% follicular fluid were higher (P < 0.05) than for oocytes matured with 0% follicular fluid. The effects of equine follicular fluid and PVA/BSA during sperm capacitation on standard bovine IVF were examined. Culture of bovine oocytes with equine follicular fluid did not affect oocyte maturation or penetration rates after IVF. Bovine sperm capacitated with heparin in PVA-containing medium yielded lower (P < 0.05) fertilization rates than those capacitated in BSA-containing medium when incubated with both zona-intact and zona-free bovine oocytes. In summary, PVA was superior to BSA for ionophore-induced capacitation of equine sperm for penetration of zona-free bovine oocytes or partially zona-removed equine oocytes, but not for standard bovine IVF with bovine sperm. Zona-free bovine oocytes may be useful for assaying in vitro capacitation and fertilization of stallion sperm. © 2003 American Society of Animal Science. All rights reserved.

Effect of Antioxidants During Bovine In Vitro Fertilization Procedures on Spermatozoa and Embryo Development

Increased amounts of reactive oxygen species (ROS) during in vitro fertilization (IVF) may cause cytotoxic damage to gametes, whereas small amounts of ROS favour sperm capacitation. The aim of this study was to investigate the effect of antioxidants [50 mu M beta-mercaptoethanol (beta-ME) and 50 mu M cysteamine (Cyst)] or a pro-oxidant (5 mm buthionine sulfoximine) on the quality and penetrability of spermatozoa into bovine oocytes and on the subsequent embryo development and quality when added during IVF. Sperm quality, evaluated by the integrity of plasma and acrosomal membranes, and mitochondrial function, was diminished (p < 0.05) after 4-h culture in the presence of antioxidants. Oocyte penetration rates were similar between treatments (p > 0.05), but antioxidants adversely affected the normal pronuclear formation rates (p < 0.05). The incidence of polyspermy was high for beta-ME (p < 0.05). No differences were observed in cleavage rates between treatments (p > 0.05). However, the developmental rate to the blastocyst stage was adversely affected by Cyst treatment (p < 0.05). The quality of embryos that reached the blastocyst stage, evaluated by total, inner cell mass (ICM) and trophectoderm cell numbers and ICM/total cell ratio was unaffected (p > 0.05) by treatments. The results indicate that ROS play a role in the fertilizing capacity in bovine spermatozoa, as well as in the interaction between the spermatozoa and the oocytes. It can be concluded that supplementation with antioxidants during IVF procedures impairs sperm quality, normal pronuclear formation and embryo development to the blastocyst stage.

Les gènes et protéines BSP chez la souris et l’humain : clonage, caractérisation, expression sous forme recombinante et étude des fonctions biologiques

L’infertilité affecte environ 15% des couples en âge de se reproduire. Dans près de la moitié des cas, des facteurs masculins sont à la base de l’infertilité, quoique les causes exactes demeurent souvent inconnues. Les spermatozoïdes de mammifères subissent une série d’étapes de maturation avant d’acquérir la capacité de féconder un ovocyte. Les premiers changements ont lieu à l’intérieur de l’épididyme, où les spermatozoïdes gagnent la capacité de se mouvoir ainsi que de reconnaître et d’interagir avec l’ovocyte. Suite à l’éjaculation, ils doivent subir une seconde série de modifications à l’intérieur du tractus génital femelle, nommée capacitation. Nous avons préalablement démontré que chez le bovin, la famille de protéines BSP (Binder of SPerm) est essentielle à la capacitation. Des homologues des BSP ont aussi été isolés du fluide séminal de porc, de bouc, de bélier, de bison et d’étalon. Malgré la détection d’antigènes apparentés aux BSP dans le fluide séminal de souris et d’humain, les homologues des BSP n’ont jamais été caractérisés chez ces espèces. Nous avons émis l’hypothèse que des homologues des BSP seraient exprimés chez la souris et l’humain et joueraient un rôle dans la maturation des spermatozoïdes. Nous avons démontré que des séquences homologues aux BSP sont présentes dans les génomes murin et humain. Le génome murin contient trois séquences; Bsph1, Bsph2a et Bsph2b, tandis qu’une seule séquence (BSPH1) a été identifée chez l’humain. Les séquences d’ADNc de Bsph1, Bsph2a et BSPH1 ont été clonées, tandis que Bsph2b serait probablement un pseudogène. Les trois gènes sont exprimés uniquement dans l’épididyme et font partie d’une sous-famille distincte à l’intérieur de la famille des BSP. Chez les ongulés, les BSP sont exprimées par les vésicules séminales, sont ajoutées aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et représentent une proportion significative des protéines du plasma séminal. Au contraire, les BSP épididymaires ne sont retrouvées qu’en faibles quantités dans le fluide séminal. L’étude de leur rôle dans les fonctions spermatiques était donc plus difficile que chez les ongulés, où l’isolement des protéines natives du plasma séminal à l’aide de techniques de chromatographie était possible. Afin d’étudier sa fonction, nous avons exprimé BSPH1 recombinante dans E. coli. Les ponts disulfure des domaines de type-II caractéristiques de ces protéines ont fait en sorte que l’expression de BSPH1 fusionnée à une étiquette hexahistidine ou glutathion-S-transférase a donné lieu à des protéines insolubles dans les corps d’inclusion. La production de BSPH1 soluble a été possible grâce à l’ajout d’une étiquette thiorédoxine et l’expression dans une souche au cytoplasme oxidatif. BSPH1 a été purifiée par affinité et sa liaison aux partenaires connus des BSP, la phosphatidylcholine, les lipoprotéines de faible densité et la membrane des spermatozoïdes, suggérait que la protéine recombinante possédait sa conformation native et pouvait être utilisée pour des essais fonctionnels. La forme native de BSPH1 a été détectée dans le plasma séminal humain suite au fractionnement par gel filtration. La liaison de BSPH1 native à une colonne d’affinité à l’héparine a indiqué qu’elle partage aussi cette propriété de liaison avec la famille des BSP, et pourrait lier les GAGs semblables à l’héparine du tractus génital féminin. Une colonne d’immunoaffinité anti-BSPH1 a été préparée à l’aide d’anticorps générés contre des protéines recombinantes, et a permis d’isoler BSPH1 native à partir d’extraits de spermatozoïdes humains. Nos résultats montrent que BSPH1 native serait localisée dans les microdomaines « rafts » de la membrane. Sa masse moléculaire apparente était de 32 kDa, ce qui est supérieur à la masse prédite selon sa séquence en acides aminés, indiquant la présence probable de modifications post-traductionnelles, ou d’une migration anormale. L’effet de BSPH1 recombinante et des anticorps anti-BSPH1 sur la motilité, la viabilité et la capacitation a aussi été étudié. Les deux dernières variables ont été mesurées par un essai de cytométrie en flux, optimisé dans cette étude. Aucun effet des protéines recombinantes ou des anticorps sur la motilité et la viabilité des spermatozoïdes n’a été noté. Quoiqu’une stimulation modeste, quoique significative, de la capacitation ait été observée à la plus faible concentration de BSPH1, les concentrations plus élevées n’ont pas montré d’effet. De la même manière, les anticorps anti-BSPH1 n’ont pas eu d’effet significatif sur la capacitation. Ces résultats suggèrent que BSPH1 produite dans E. coli n’affecte pas la capacitation de façon marquée. Cependant, puisque BSPH1 native possède probablement des modifications post-traductionnelles, une protéine recombinante produite dans des cellules de mammifères pourrait affecter les fonctions spermatiques. De manière alternative, les BSP épididymaires remplissent peut-être un rôle différent dans les fonctions spermatiques que celles sécrétées par les vésicules séminales des ongulés. Les résultats décrits dans cette thèse pourraient contribuer à améliorer le diagnostic de l’infertilité masculine, ainsi que les techniques de reproduction assistée et éventuellement, pourraient mener au développement de contraceptifs masculins.

Rôle de protéines épididymaires humaines et murines dans les fonctions spermatiques

L’infertilité affecte jusqu’à 15-20% des couples en âge de se reproduire. C’est pourquoi, mieux comprendre les mécanismes à la base de la fécondation est essentiel pour l’identification de nouvelles causes d’infertilité et l’optimisation des techniques de reproduction assistée. La capacitation est une étape de la maturation des spermatozoïdes qui se déroule dans le tractus génital femelle. Elle est requise pour la fécondation d’un ovocyte. Notre laboratoire a démontré que des protéines du plasma séminal bovin, appelées protéines Binder of SPerm (BSP), se lient aux phospholipides portant des groupements choline à la surface de la membrane des spermatozoïdes lors de l’éjaculation et promeuvent la capacitation. Ces protéines exprimées par les vésicules séminales sont ubiquitaires chez les mammifères et ont été étudiées chez plusieurs espèces dont l’étalon, le porc, le bouc et le bélier. Récemment, l’expression de gènes homologues aux BSP a été découverte dans les épididymes d’humains (BSPH1) et de souris (Bsph1 et Bsph2). Notre hypothèse est que les BSP chez ces deux espèces sont ajoutées aux spermatozoïdes lors de la maturation épididymaire et ont des rôles dans les fonctions spermatiques, similaires à ceux des protéines BSP bovines. Les protéines BSP humaines et murines représentent une faible fraction des protéines totales du plasma séminal. Pour cette raison, afin d’étudier leurs caractéristiques biochimiques et fonctionnelles, des protéines recombinantes ont été produites. Les protéines recombinantes ont été exprimées dans des cellules Escherichia coli origami B(DE3)pLysS en utilisant un vecteur d’expression pET32a. Suivant la lyse cellulaire, les protéines ont été dénaturées avec de l’urée et purifiées par chromatographie d’affinité sur ions métalliques immobilisés. Une fois liées à la colonne, les protéines ont été repliées à l’aide d’un gradient d’urée décroissant avant d’être éluées. Cette méthode a mené à la production de trois protéines recombinantes (rec-BSPH1 humaine, rec-BSPH1 murine et rec-BSPH2 murine) pures et fonctionnelles. Des expériences de chromatographie d’affinité et de co-sédimentation nous ont permis de démontrer que les trois protéines peuvent se lier à des ligands connus des protéines BSP comme la gélatine et l’héparine en plus de pouvoir se lier aux spermatozoïdes. Nos études ont également révélées que les deux protéines rec-BSPH1 peuvent se lier aux liposomes de phosphatidylcholine (PC) et sont capable de promouvoir la capacitation des spermatozoïdes. À l’opposé, rec-BSPH2 ne peut ni se lier aux liposomes de PC, ni stimuler la capacitation. Finalement, les protéines recombinantes n’ont aucun effet sur la réaction acrosomique ou sur la motilité des spermatozoïdes. Chez les bovins, les protéines BSP induisent la capacitation grâce des interactions avec les lipoprotéines de haute densité (HDL) et les glycosaminoglycanes. Puisque le HDL est également un joueur important de la capacitation chez la souris, le rôle de la protéine native BSPH1 murine au niveau de la capacitation induite par le HDL a été étudié. Les résultats obtenus suggèrent que, in vivo, la protéine BSPH1 de souris serait impliquée dans la capacitation via une interaction directe avec le HDL. Comme les protéines BSPH1 humaines et murines sont orthologues, ces résultats pourraient aussi s’appliquer à la fertilité humaine. Les résultats présentés dans cette thèse pourraient mener à une meilleure compréhension de la fertilité masculine et aider à améliorer les techniques de reproduction assistée. Ils pourraient également mener au développement de nouveaux tests diagnostiques ou de contraceptifs masculins.

Fecundação in vitro de ovócitos bovinos com sêmen submetido a diferentes diluidores

O objetivo deste trabalho foi avaliar a influência do diluidor do sêmen no desenvolvimento in vitro de ovócitos bovinos após a maturação e fecundação in vitro. Ejaculado de um reprodutor foi fracionado e submetido a três diluidores: Lactose/gema de ovo (LG), Citrato/gema de ovo (CG) e Tris/gema de ovo (TG). Amostras deste material foram envasadas, congeladas e estocadas em N² e, posteriormente, descongeladas; a fração móvel foi separada por gradiente descontínuo de Percoll. A concentração espermática foi ajustada para 10 x 10(6)/mL e a capacitação espermática, induzida com 10 µg/mL de heparina. Após 24 horas de cultura para maturação in vitro, os ovócitos, aspirados de folículos ovarianos, foram inseminados com sêmen diluído em meio TALP e, após 48 horas de cultura, os zigotos foram transferidos para gotas de meio TCM 199, com 5% de soro fetal bovino, 5% de soro de vaca em estro e suspensão de células epiteliais do oviduto bovino, cobertas com óleo de silicone, e mantidos em cultura por nove dias. Todas as culturas foram realizadas a 38,5ºC em atmosfera com 5% de CO2. Os dados foram analisados pelo teste do qui-quadrado e houve diferença com relação à taxa de clivagem (TC), sendo as médias de 66,0; 69,3; e 54,4% para LG, CG e TG, respectivamente. Não houve diferença entre tratamentos com relação às taxas de mórulas/blastocistos ou de eclosão. O diluidor do sêmen não teve efeito sobre o desenvolvimento in vitro de embriões bovinos, embora a TC tenha sido afetada.

Heparin and penicillamine-hypotaurine-epinephrine (PHE) solution during bovine in vitro fertilization procedures impair the quality of spermatozoa but improve normal oocyte fecundation and early embryonic development

The presence of heparin and a mixture of penicillamine, hypotaurine, and epinephrine (PHE) solution in the in vitro fertilization (IVF) media seem to be a prerequisite when bovine spermatozoa are capacitated in vitro, in order to stimulate sperm motility and acrosome reaction. The present study was designed to determine the effect of the addition of heparin and PHE during IVF on the quality and penetrability of spermatozoa into bovine oocytes and on subsequent embryo development. Sperm quality, evaluated by the integrity of plasma and acrosomal membranes and mitochondrial function, was diminished (P < 0.05) in the presence of heparin and PHE. Oocyte penetration and normal pronuclear formation rates, as well as the percentage of zygotes presenting more than two pronuclei, was higher (P < 0.05) in the presence of heparin and PHE. No differences were observed in cleavage rates between treatment and control (P > 0.05). However, the developmental rate to the blastocyst stage was increased in the presence of heparin and PHE (P > 0.05). The quality of embryos that reached the blastocyst stage was evaluated by counting the inner cell mass (ICM) and trophectoderm (TE) cell numbers and total number of cells; the percentage of ICM and TE cells was unaffected (P > 0.05) in the presence of heparin and PHE (P < 0.05). In conclusion, this study demonstrated that while the supplementation of IVF media with heparin and PHE solution impairs spermatozoa quality, it plays an important role in sperm capacitation, improving pronuclear formation, and early embryonic development. © 2013 The Society for In Vitro Biology.

Uso da L-arginina nos processos de capacitação espermática e fecundação in vitro de oócitos bovinos

O objetivo deste trabalho foi avaliar o uso da L-arginina nos processos de capacitação espermática e fecundação in vitro (FIV), analisando sua influência no desenvolvimento embrionário, utilizando o sêmen de dois touros (Bos taurus e Bos indicus). No experimento 1, os espermatozóides foram incubados, sem a presença de oócitos, durante 0, 1, 2 e 3 h em meio de FIV adicionado de 0, 1, 10 e 50 mM de L-arginina, sendo analisada a taxa de reação acrossômica. No experimento 2, espermatozóides e oócitos foram incubados em meio de FIV acrescido com as concentrações de L-arginina citadas anteriormente, durante aproximadamente 30 h. Os oócitos bovinos foram maturados in vitro (MIV) e o subsequente cultivo embrionário (CIV) foi realizado sobre monocamada de células da granulosa, em meio SOF, sendo avaliadas as taxas de fecundação (18 hpi), clivagem e blastocisto (2º e 7º dia de cultivo, respectivamente). A dosagem de NO₃ ^-/NO₂ ^- produzido durante a FIV foi realizada através do método colorimétrico de Griess. Para análise estatística dos dados, foi utilizado a ANOVA, com nível de significância de 5%. A Larginina (1 mM), quando adicionada ao meio de capacitação espermática, durante duas horas, aumentou a taxa de reação acrossômica em relação ao controle (31,1±2,78 vs 23,4±2,65) em Bos taurus. A adição de L-arginina (50 mM) ao meio de FIV (experimento 2), tanto em Bos taurus quanto em Bos indicus, diminuiu as taxas de clivagem (78,7±2,17 vs 65,7±9,32; 72,7±3,36 vs 45±7,12; respectivamente) e blastocisto (39,4±3,78 vs 15,2±6,12; 39,4±4,39 vs 16±8,54; respectivamente) em relação ao controle. Sendo assim, observou-se que a L-arginina aumentou a taxa de reação acrossômica em Bos taurus, porém reduziu as taxas de clivagem e blastocistos em ambos os touros, sem influenciar na qualidade do embrião.

Integridade e funcionalidade dos espermatozóides ovinos submetidos à criopreservação após a incorporação de colesterol, desmosterol, ácido oléico-linoléico e alfa-lactoalbumina

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Mapeamento de genes da família das defensinas no genoma do búfalo

Pós-graduação em Zootecnia - FCAV

Use of cholesterol-loaded cyclodextrin: An alternative for bad cooler stallions

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)