Función mitocondrial en espermatozoides: un marcador para la infertilidad masculina

Abstract

La infertilidad conyugal es un problema de salud creciente a nivel mundial que afecta al 15% de las parejas en edad reproductiva. El factor masculino solo o combinado con el femenino puede ser responsable de la infertilidad conyugal hasta en un 50% de los casos. En un 30% de estos, las causas se mantienen desconocidas considerándose una enfermedad de tipo idiopática. Un factor común es la presencia de un alto número de espermatozoides defectuosos e incapaces de fecundar en el eyaculado. La causa del aumento de espermatozoides defectuosos puede ser múltiple llevando a que los mecanismos celulares y moleculares sean difíciles de dilucidar. Para adquirir su capacidad fecundante los espermatozoides deben completar un proceso en el aparato reproductor femenino denominado capacitación. Como resultado de la capacitación, los espermatozoides adquieren una forma especial de motilidad conocida como hiperactivación y la posibilidad de sufrir una reacción acrosómica (RA) regulada. La entrada del ion calcio (Ca+2) al flagelo a través de los canales CatSper es clave en este proceso. Se sabe además que las especies reactivas del oxígeno (ROS) pueden regular la capacitación espermática, sin embargo, la contribución mitocondrial en el proceso es debatida. La hipótesis fue que durante la capacitación hay un aumento en la actividad mitocondrial mediada por la entrada de Ca+2 a la mitocondria, que se traduce en un incremento en la producción de ROS que cumplen un rol modulador sobre la capacidad fecundante del espermatozoide. Planteamos que el análisis de la función mitocondrial y la producción de oxidantes podría ayudar a mejorar el diagnóstico del hombre infértil. Para comprobar nuestra hipótesis, primero estudiamos el incremento de la actividad mitocondrial en el proceso de capacitación y su rol en la fecundación. Para ello, en colaboración con el laboratorio de la Dra. Santi de la Washington University, comparamos la actividad mitocondrial en espermatozoides de ratón no capacitados (NC) con capacitados (CAP) mediante respirómetro de alta resolución (HRR) y medimos el potencial de membrana mitocondrial (PMM) por citometría de flujo. Observamos un incremento de la función mitocondrial en los espermatozoides CAP con respecto a los NC. Esto se vió acompañado de un aumento de la [Ca+2] mitocondrial dependiente de la actividad de los canales CatSper y uniportador de calcio mitocondrial (MCU). Mostramos que estas modificaciones en la función mitocondrial son necesarias para la hiperactivación y por consiguiente la fecundación en ratones. Nuestros resultados apoyan que algunos de estos mecanismos son conservados en los espermatozoides humanos. Por otro lado, analizamos el rol de la mitocondria en la producción de ROS durante la capacitación utilizando muestras de semen humanas diagnosticadas como normozoospérmicas. Comparamos entre espermatozoides NC y CAP la función mitocondrial mediante HRR donde observamos un aumento en el índice de control respiratorio (RCR) en las muestras CAP y de la respiración no mitocondrial (en presencia de antimicina A (AA), inhibidor del complejo III de la cadena respiratoria). Se determinó la concentración extracelular de peróxido de hidrógeno (H2O2), la cual fue tres veces mayor en espermatozoides CAP. Para confirmar si el aumento del H2O2 depende de la formación de superóxido (O2 •- ) mitocondrial se midió la cantidad de aconitasa mitocondrial (ACO2), su actividad y papel en el flujo metabólico del ciclo de Krebs. Con esta metodología, observamos que las mitocondrias de los espermatozoides CAP producen 59 ± 22 % más de O2 •- que los NC. No observamos cambios entre CAP y NC cuando se analizaron blancos claves de daño oxidativo como la peroxidación lipídica (mediante Western blot para hidroxinonenal) o la actividad de la succinato deshidrogenasa mediante HRR en espermatozoides permeabilizados. presentan alteraciones en el espermograma, disminuye el RCR medido con HRR y aumenta la producción de H2O2 con respecto a los espermatozoides NC de donantes normales. En ambos métodos, utilizamos por primera vez curvas ROC (Receiver Operating Characteristic) para probar su capacidad diagnóstica. Tomados en su conjunto, estos datos demuestran que la mitocondria interviene en la regulación de la función del espermatozoide en condiciones normales durante la capacitación modulando la hiperactivación y la producción de O2 •- en humanos. Además, el mecanismo estaría asociado a un aumento de la concentración de Ca+2 mitocondrial. Finalmente, nuestros datos con espermatozoides humanos provenientes de muestras alteradas sugieren que estos mecanismos podrían estar afectados en individuos con infertilidad masculina. Postulamos que el estudio del metabolismo mitocondrial podría ser una nueva herramienta para mejorar el análisis de semen de rutina.