Zum Anzeigen dieser Inhalte ist ein JoVE-Abonnement erforderlich. Melden Sie sich an oder starten Sie Ihre kostenlose Testversion.
Method Article
Die Analyse der Mitochondrienfunktion von Spermien mittels hochauflösender Respirometrie ermöglicht die Messung des Sauerstoffverbrauchs von frei beweglichen Spermien in einem geschlossenen Kammersystem. Die Technik kann zur Messung der Atmung in menschlichen Spermien eingesetzt werden, die Informationen über die mitochondrialen Eigenschaften und die Integrität der Spermien liefert.
Die Samenqualität wird oft durch eine routinemäßige Samenanalyse untersucht, die beschreibend und oft nicht schlüssig ist. Männliche Unfruchtbarkeit ist mit einer veränderten mitochondrialen Aktivität der Spermien verbunden, so dass die Messung der mitochondrialen Funktion der Spermien ein Indikator für die Spermienqualität ist. Die hochauflösende Respirometrie ist eine Methode zur Messung des Sauerstoffverbrauchs von Zellen oder Geweben in einem geschlossenen Kammersystem. Diese Technik kann zur Messung der Atmung in menschlichen Spermien eingesetzt werden und liefert Informationen über die Qualität und Integrität der Spermienmitochondrien. Die hochauflösende Respirometrie ermöglicht es den Zellen, sich frei zu bewegen, was bei Spermien a priori von Vorteil ist. Diese Technik kann mit intakten oder permeabilisierten Spermien angewendet werden und ermöglicht die Untersuchung der intakten Mitochondrienfunktion der Spermien und der Aktivität einzelner Atmungskettenkomplexe. Das hochauflösende Oxygraph-Gerät verwendet Sensoren zur Messung der Sauerstoffkonzentration in Verbindung mit einer empfindlichen Software zur Berechnung des Sauerstoffverbrauchs. Die Daten werden verwendet, um Atmungsindizes auf der Grundlage der Sauerstoffverbrauchsverhältnisse zu berechnen. Folglich sind die Indizes die Anteile von zwei Sauerstoffverbrauchsraten und werden intern auf die Zellzahl oder Proteinmasse normiert. Die Atmungsindizes sind ein Indikator für die mitochondriale Funktion und Dysfunktion der Spermien.
Es wird geschätzt, dass männliche Unfruchtbarkeit 40%-50% aller Fälle von Unfruchtbarkeit bei Paaren ausmacht1. Die konventionelle Samenanalyse spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der männlichen Fruchtbarkeit. Etwa 15 % der unfruchtbaren Männer haben jedoch normale Spermienparameter2. Darüber hinaus liefert die routinemäßige Samenanalyse nur begrenzte Informationen über die Spermienfunktion und spiegelt keine subtilen Spermiendefekte wider3.
Spermienmitochondrien haben eine besondere Struktur, da sie als spiralförmige Hülle um die Geißeln angeordnet sind. Die mitochondriale Hülle enthält eine variable Anzahl von Mitochondrien, die durch intermitochondriale Linker verbunden und durch geordnete Proteinanordnungen auf der äußeren Mitochondrienmembran mit dem Zytoskelett verankert sind 4,5. Diese Struktur macht es besonders schwierig, die Mitochondrien der Spermien zu isolieren. Daher werden in den meisten Studien zur mitochondrialen Funktion von Spermien In-situ-Analysen oder demembranierte Spermien verwendet6.
Die mitochondriale Struktur und Funktion der Spermien wurde konsistent mit männlicher Unfruchtbarkeit in Verbindung gebracht 7,8,9,10,11, was darauf hindeutet, dass die Analyse der Struktur und Funktion dieser Organellen ein guter Kandidat für die Einbeziehung in die Spermienanalyse sein könnte.
Mitochondrien spielen eine wichtige Rolle im zellulären Energiestoffwechsel, insbesondere durch die Verwendung von Sauerstoff zur Herstellung von Adenosintriphosphat (ATP) durch oxidative Phosphorylierung (OXPHOS). Insbesondere bei Spermien ist die Quelle von ATP (Glykolyse vs. OXPHOS) umstritten, und viele der Daten bleiben umstritten und hängen von verschiedenen experimentellen Ansätzen ab 4,12,13. Messungen der Atmung mittels Oximetrie bieten signifikante Einblicke in die mitochondriale Atmungskapazität, die mitochondriale Integrität und den Energiestoffwechsel der Zelle14,15,16. Traditionell wurde diese Technik mit der Clark-Sauerstoffelektrode durchgeführt - einem Instrument, das seit mehr als 50 Jahren zur Messung der mitochondrialen Atmung verwendet wird17,18. Darüber hinaus wurde der mitochondriale Sauerstoffverbrauch der Spermien mit der klassischen Clark-Sauerstoffelektrode 19,20,21 analysiert. Die hochauflösende Respirometrie (HRR) mit Oxygraphen (Oroboros) bietet eine höhere Sensitivität als die Verwendung klassischer Respirometriegeräte22. Die Oxygraphen bestehen aus zwei Kammern mit Injektionsanschlüssen, und jede Kammer verfügt über einen polarographischen Sauerstoffsensor. Mit dieser Technik ist es möglich, Gewebeobjektträger, Zellen und isolierte mitochondriale Suspensionen zu analysieren. Die Probe wird in der Kammer kontinuierlich gerührt, und während des Experiments wird der Sauerstoffverbrauch gemessen und die Sauerstoffraten mit einer speziellen Software berechnet. Die Kammern weisen eine reduzierte Sauerstoffleckage auf, was ein Vorteil gegenüber den herkömmlichen Sauerstoffelektrodenvorrichtungen14,23 ist.
Wie bei anderen Zellen ist auch bei Spermien die Empfindlichkeit der HRR-Geräte höher als bei der herkömmlichen Respirometrie, was bedeutet, dass HRR-Geräte für die Analyse einer begrenzten Anzahl intakter oder permeabilisierter Samenzellen verwendet werden können. Es gibt zwei Hauptstrategien zur Beurteilung der mitochondrialen Funktion von Spermien mittels HRR: (a) Messung des Sauerstoffverbrauchs in intakten Zellen, bei der die Atmungsfunktion in einem Medium, das Substrate wie Glukose enthält, reproduziert wird, oder (b) Messung des Sauerstoffverbrauchs in permeabilisierten Zellen unter Verwendung eines der OXPHOS-Komplexe, wobei spezifische Substrate hinzugefügt werden, um jede Funktion separat zu überwachen.
In der vorliegenden Studie beschreiben wir den Einsatz von HRR zur Bestimmung der mitochondrialen Atmung in menschlichen Samenzellen.
Die Experimente wurden von der Ethikkommission der Facultad de Medicina de la Universidad de la República, Montevideo, Uruguay, genehmigt.
Abbildung 1: Arbeitsablauf für hochauflösende Respirometrie zur Beurteilung der mitochondrialen Funktion in intakten und permeabilisierten menschlichen Spermien. Das Protokoll wurde in vier verschiedene Schritte unterteilt: 1) Vorbereitung der Probe, 2) Sauerstoffkalibrierung im Oroboros-Instrument, 3) Messung des Sauerstoffverbrauchs für intakte und permeabilisierte Zellen und 4) Datenextraktion aus dem Gerät und Analyse. Abkürzungen: CASA = computergestützte Spermienanalyse; BWW = Biggers Whitten Whittingham mittel; MRM = mitochondriales Atmungsmedium; ADP = Adenosindiphosphat; FCCP = Carbonylcyanid -p-Trifluormethoxyphenylhydrazon; AA = Antimycin A. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
HINWEIS: Der Arbeitsablauf zur Messung des Sauerstoffverbrauchs in Spermien mit HRR ist in Abbildung 1 dargestellt. Informationen zu den Materialien, Geräten und Reagenzien, die im Protokoll verwendet werden, sind in der Materialtabelle aufgeführt.
1. Vorbereitung der Probe
2. Hochauflösende Respirometrie: OXPHOS-Analyse
HINWEIS: HRR integriert hochempfindliche Oxygraphen (Oxygraph-2 K; Oroboros Instruments GmbH, Innsbruck, Österreich) mit Software (DatLab, Version 4.2; Oroboros Instruments GmbH). Die experimentellen Daten werden als Sauerstoffkonzentration in Abhängigkeit von der Zeit (als pmol von O2/106 Zellen·min−1) und als Echtzeittransformationen dieser Daten angezeigt, so dass der Experimentator die Atmung (Sauerstoffverbrauch, Sauerstofffluss) biologischer und biochemischer Proben verfolgen kann, während das Experiment noch läuft. Die HRR kann verwendet werden, um die Atmung lebender und beweglicher Zellen zu verfolgen, was besonders für Spermien nützlich ist, deren Beweglichkeit mit der Spermienqualität und dem Fruchtbarkeitspotenzial verbunden ist. Das Labor verwendet einen HRR Oroboros Oxygraph2-k, Oroboros Instruments, mit zwei Kammern. Die in diesem Protokoll beschriebenen Schritte müssen für beide 2-ml-Kammern unabhängig voneinander durchgeführt werden.
3. Datenextraktion und -analyse
Abbildung 2: Erfassung von respiratorischen Parametern aus einem hochauflösenden Respirometrie-Experiment. (A,B) Schematische Darstellungen von Graphen, die wie in Abbildung 1 beschrieben für intakte bzw. permeabilisierte Zellen erhalten wurden. Diese Parameter wurden bereits beschrieben15. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Bestimmung der optimalen Konzentration von Digitonin in Samenzellen
In diesem Protokoll stellen wir die Verwendung von HRR vor, um Veränderungen von OXPHOS in menschlichen Samenzellen in Echtzeit zu überwachen. Da die Methode zur Analyse von intakten oder Digitonin-permeabilisierten Spermien verwendet werden kann, stellen wir zunächst die Standardisierung der Digitoninkonzentration vor, die für die Permeabilisierung von Spermien erforderlich ist (Abbildung 3).
Die HRR hängt entscheidend von mehreren Schritten ab: (a) der Wartung der Geräte, (b) der genauen Kalibrierung der Sauerstoffsensoren, (c) der Entkopplertitration26 und schließlich (d) der angemessenen Verwendung von Indizes, die die mitochondriale Funktion darstellen. Die Wartung der Geräte ist von entscheidender Bedeutung. Es wird empfohlen, die Membranen des polarographischen Sauerstoffsensors regelmäßig auszutauschen und den instrumentellen Untergrund zu korrigieren. Ein ausgiebiges Wasc...
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Wir danken der Klinik Fertilab Andrology, insbesondere José María Montes und Andrea Torrents, für den Zugang zu Spendern. Finanzierung: A.C. wird durch Stipendien der Universidad de la República (CSIC_2018, Espacio Interdisciplinario_2021) unterstützt. Zusätzliche Mittel wurden vom Programa de Desarrollo de Ciencias Básicas (PEDECIBA, Uruguay) eingeworben. P.I. und R.S. werden unterstützt von der Universidad de la República (I+D, CSIC 2014; I+D, CSIC 2016, Iniciación a la Investigación, CSIC 2019 und FMV_1_2017_1_136490 ANII- Uruguay). P.I. wird von POS_FMV_2018_1_1007814 und CAP-UDELAR 2020 unterstützt. Die Figuren wurden mit Biorender.com illustriert.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Acid free- Bovine serum albumine | Sigma Aldrich | A8806 | |
Adenosine 5'-diphosphate monopotassium salt dihydrate | Sigma Aldrich | A5285 | |
Animycin A from streptomyces sp. | Sigma Aldrich | A8674 | |
Calcium chloride | Sigma Aldrich | C4901 | |
carbonyl cyanide-P- trifluoromethoxy-phenylhydrazone | Sigma Aldrich | C2920 | |
DatLab sofware version 4,2 | Oroboros Instruments GmbH | N/A | |
D-glucose | Sigma Aldrich | G7021 | |
Digitonin | Sigma Aldrich | D141 | |
EGTA | Sigma Aldrich | E4378 | |
HEPES | Sigma Aldrich | H3375 | |
L glutamic acid | Sigma Aldrich | G1251 | |
L malic acid | Sigma Aldrich | M1000 | |
Magnesium sulphate | Sigma Aldrich | M7506 | |
Microliter Syringes | Hamilton | 87900 or 80400 | |
Microscope camera | Basler | acA780-75gc | |
Microscope Eclipse E200 with phase contrast 10X Ph+ | Nikon | N/A | |
Monopotassium phosphate | Sigma Aldrich | P5655 | |
MOPS | Sigma Aldrich | M1254 | |
Oligomycin A | Sigma Aldrich | 75351 | |
Oxygraph-2 K | Oroboros Instruments GmbH | N/A | |
Potassium chloride | Sigma Aldrich | P3911 | |
Power O2k-Respirometer | Oroboros Intruments | 10033-01 | |
Rotenone | Sigma Aldrich | R8875 | |
Saccharose | Sigma Aldrich | S0389 | |
Sodium bicarbonate | Sigma Aldrich | S5761 | |
Sodium lactate | Sigma Aldrich | L7022 | |
Sodium pyruvate | Sigma Aldrich | P2256 | |
Sperm class analyzer 6.3.0.59 Evolution-SCA Research | Microptic | N/A | |
Sperm Counting Chamber DRM-600 | Millennium Sciences CELL-VU | N/A | |
Succinate disodium salt | Sigma Aldrich | W327700 |
An erratum was issued for: High-Resolution Respirometry to Assess Mitochondrial Function in Human Spermatozoa. The Protocol and Representative Result sections were updated.
Step 2.4.12 of the Protocol was updated from:
Finally, inject 1 µL of 5 mM antimycin A (2.5 µM final concentration). This is a complex II inhibitor to discriminate between the mitochondrial and residual oxygen consumption (non-mitochondrial respiration). For the analysis of complex I, add 1 µL of 1 mM rotenone (0.5 µM final concentration), an inhibitor of this complex, instead of AA. Measure the oxygen consumption until the signal decreases and stabilizes.
to:
Finally, inject 1 µL of 5 mM antimycin A (2.5 µM final concentration). This is a complex III inhibitor to discriminate between the mitochondrial and residual oxygen consumption (non-mitochondrial respiration). For the analysis of complex I, add 1 µL of 1 mM rotenone (0.5 µM final concentration), an inhibitor of this complex, instead of AA. Measure the oxygen consumption until the signal decreases and stabilizes.
Figure 3 in the Representative Results section was updated from:
Figure 3: Determination of the optimal concentration of digitonin for the permeabilization of human sperm cells. The respiration rates were measured at 37 °C in MRM medium with glutamate, malate, and adenosine diphosphate. (A) Representative respiratory trace. The blue line is the O2 concentration, and the red line represents the O2 flow per volume correlated. (B) Mitochondria respiration rate means ± standard error, n = 4. The red arrow represents the optimal concentration. Abbreviation: dig = digitonin. Please click here to view a larger version of this figure.
to:
Figure 3: Determination of the optimal concentration of digitonin for the permeabilization of human sperm cells. The respiration rates were measured at 37 °C in MRM medium with glutamate, malate, and adenosine diphosphate. (A) Representative respiratory trace. The blue line is the O2 concentration, and the red line represents the O2 flow per volume correlated. (B) Mitochondria respiration rate means ± standard error, n = 4. The red arrow represents the optimal concentration. Abbreviation: dig = digitonin. Please click here to view a larger version of this figure.
Genehmigung beantragen, um den Text oder die Abbildungen dieses JoVE-Artikels zu verwenden
Genehmigung beantragenThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Alle Rechte vorbehalten