A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
ניתוח תפקוד המיטוכונדריה של הזרע על ידי ספירומטריה ברזולוציה גבוהה מאפשר למדוד את צריכת החמצן של זרעונים הנעים בחופשיות במערכת תא סגור. ניתן ליישם את הטכניקה למדידת נשימה בזרעונים אנושיים, המספקת מידע על מאפייני המיטוכונדריה של הזרע ושלמותו.
איכות הזרע נלמדת לעתים קרובות על ידי ניתוח זרע שגרתי, שהוא תיאורי ולעתים קרובות לא חד משמעי. אי פוריות הגבר קשורה לשינוי בפעילות המיטוכונדריה של הזרע, ולכן מדידת תפקוד המיטוכונדריה של הזרע היא אינדיקטור לאיכות הזרע. רספירומטריה ברזולוציה גבוהה היא שיטה למדידת צריכת החמצן של תאים או רקמות במערכת תא סגור. טכניקה זו יכולה להיות מיושמת כדי למדוד נשימה בזרע אנושי ומספקת מידע על האיכות והשלמות של מיטוכונדריית הזרע. ספירומטריה ברזולוציה גבוהה מאפשרת לתאים לנוע בחופשיות, וזה יתרון מראש במקרה של זרע. טכניקה זו יכולה להיות מיושמת עם זרעונים שלמים או חדירים, ומאפשרת ללמוד את תפקוד המיטוכונדריה של זרע שלם ואת הפעילות של מתחמי שרשרת נשימה בודדים. מכשיר האוקסיגרף ברזולוציה גבוהה משתמש בחיישנים כדי למדוד את ריכוז החמצן יחד עם תוכנה רגישה כדי לחשב את צריכת החמצן. הנתונים משמשים לחישוב מדדי נשימה המבוססים על יחסי צריכת החמצן. כתוצאה מכך, המדדים הם הפרופורציות של שני שיעורי צריכת חמצן והם מנורמלים פנימית למספר התא או מסת החלבון. מדדי הנשימה הם אינדיקטור לתפקוד מיטוכונדריאלי זרע ולתפקוד לקוי.
על פי הערכות, אי פוריות הגבר מהווה 40%-50% מכלל מקרי אי הפוריות בזוגות1. ניתוח זרע קונבנציונלי ממלא תפקיד מכריע בקביעת פוריות הגבר; עם זאת, לכ -15% מהגברים העקרים יש פרמטרים זרע תקינים2. בנוסף, ניתוח זרע שגרתי מספק מידע מוגבל על תפקוד הזרע ואינו משקף פגמים עדיניםבזרע 3.
למיטוכונדריה של זרע יש מבנה מיוחד, מכיוון שהם מסודרים כנדן סלילי סביב השוטון. מעטפת המיטוכונדריה מכילה מספר משתנה של מיטוכונדריה המחוברים על ידי מקשרים אינטרמיטוכונדריאליים ומעוגנים לשלד הציטוכונדריאלי על ידי סידורי חלבון מסודרים על קרום המיטוכונדריההחיצוני 4,5. מבנה זה מקשה במיוחד על בידוד מיטוכונדריית זרע. לכן, רוב המחקרים על תפקוד מיטוכונדריאלי של זרע משתמשים באנליזות ממוקדות או זרע דממברני6.
המבנה והתפקוד של המיטוכונדריה של הזרע נקשרו באופן עקבי לאי פוריות הגבר 7,8,9,10,11, דבר המצביע על כך שניתוח המבנה והתפקוד של אברונים אלה עשוי להיות מועמד טוב להכללה בניתוח זרע.
מיטוכונדריה ממלאים תפקיד חשוב במטבוליזם של אנרגיה תאית, במיוחד על-ידי שימוש בחמצן לייצור אדנוזין טריפוספט (ATP) באמצעות זרחן חמצוני (OXPHOS). בזרעונים, בפרט, המקור של ATP (גליקוליזה לעומת OXPHOS) שנוי במחלוקת, וחלק גדול מהנתונים נותר שנוי במחלוקת ותלוי בגישות ניסיוניות שונות 4,12,13. מדידות של נשימה על ידי אוקסימטריה מציעות תובנות משמעותיות לגבי קיבולת הנשימה של המיטוכונדריה, שלמות המיטוכונדריה ומטבוליזם האנרגיה של התא14,15,16. באופן מסורתי, טכניקה זו בוצעה באמצעות אלקטרודת חמצן קלארק - מכשיר המשמש למדידת נשימה מיטוכונדריאלית במשך יותר מ -50 שנה17,18. בנוסף, צריכת החמצן במיטוכונדריה של הזרע נותחה באמצעות אלקטרודת החמצן הקלאסית Clark 19,20,21. רספירומטריה ברזולוציה גבוהה (HRR) באמצעות אוקסיגרפים (Oroboros) מספקת רגישות גבוהה יותר מאשר שימוש במכשירי רספירומטריה קלאסיים22. האוקסיגרפים מורכבים משני תאים עם יציאות הזרקה, ולכל תא יש חיישן חמצן פולרוגרפי. בעזרת טכניקה זו ניתן לנתח שקופיות רקמות, תאים ותרחיפים מיטוכונדריאליים מבודדים. הדגימה מעורבבת ללא הרף בתא, ובמהלך הניסוי נמדדת צריכת החמצן, ושיעורי החמצן מחושבים באמצעות תוכנה ספציפית. התאים מראים דליפת חמצן מופחתת, המהווה יתרון על פני מכשירי אלקטרודות חמצן קונבנציונליים 14,23.
כמו בתאים אחרים, במקרה של זרעונים, הרגישות של ציוד HRR גבוהה יותר מאשר עבור רספירומטריה קונבנציונלית, כלומר ציוד HRR יכול לשמש לניתוח של מספר מוגבל של תאי זרע שלמים או חדירים. ישנן שתי אסטרטגיות עיקריות להערכת תפקוד מיטוכונדריית הזרע על ידי HRR: (א) מדידת צריכת החמצן בתאים שלמים, הכוללת שכפול תפקוד הנשימה בתווך המכיל מצעים כגון גלוקוז, או (ב) מדידת צריכת החמצן בתאים חדירתיים באמצעות אחד ממתחמי OXPHOS, עם תוספת מצעים ספציפיים לניטור כל פונקציה בנפרד.
במחקר הנוכחי אנו מתארים את השימוש ב-HRR כדי לקבוע נשימה מיטוכונדריאלית בתאי זרע אנושיים.
הניסויים אושרו על ידי ועדת האתיקה של Facultad de Medicina de la Universidad de la República, מונטווידאו, אורוגוואי.
איור 1: זרימת עבודה עבור רספירומטריה ברזולוציה גבוהה להערכת תפקוד המיטוכונדריה בזרע אנושי שלם וחדיר. הפרוטוקול חולק לארבעה שלבים שונים: 1) הכנת הדגימה, 2) כיול חמצן במכשיר האורובורוס, 3) מדידת צריכת חמצן לתאים שלמים וחדירים, 4) הפקת נתונים מהציוד וניתוח. קיצורים: CASA = ניתוח זרע בעזרת מחשב; BWW = Biggers Whitten Whittingham בינוני; MRM = מדיום נשימה מיטוכונדריאלי; ADP = אדנוזין דיפוספט; FCCP = קרבוניל ציאניד -p- trifluoromethoxyphenylhydrazone; AA = אנטימיצין A. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
הערה: זרימת העבודה למדידת צריכת החמצן בתאי זרע באמצעות HRR מוצגת באיור 1. מידע על החומרים, הציוד והריאגנטים המשמשים בפרוטוקול מוצג בטבלת החומרים.
1. הכנת מדגם
2. רספירומטריה ברזולוציה גבוהה: ניתוח OXPHOS
הערה: HRR משלב אוקסיגרפים רגישים מאוד (אוקסיגרף 2 K; Oroboros Instruments GmbH, אינסברוק, אוסטריה) עם תוכנה (DatLab, גרסה 4.2; Oroboros מכשירים GmbH). נתוני הניסוי מוצגים כריכוז חמצן לעומת זמן (כ-pmol של O2/106 תאים·min−1) וכטרנספורמציות בזמן אמת של נתונים אלה, המאפשרים לנסיין לעקוב אחר הנשימה (צריכת חמצן, שטף חמצן) של דגימות ביולוגיות וביוכימיות בזמן שהניסוי עדיין פועל. HRR יכול לשמש כדי לעקוב אחר הנשימה של תאים חיים תנועתיים, אשר שימושי במיוחד עבור זרע, אשר תנועתיות קשורה באיכות הזרע ואת פוטנציאל הפוריות. המעבדה משתמשת HRR Oroboros Oxygraph2-k, Oroboros Instruments, עם שני תאים. השלבים המתוארים בפרוטוקול זה חייבים להתבצע באופן עצמאי עבור שני תאים 2 מ"ל.
3. חילוץ וניתוח נתונים
איור 2: רכישת פרמטרים נשימתיים מניסוי רספירומטריה ברזולוציה גבוהה. (A,B) ייצוגים סכמטיים של גרפים שהתקבלו, כמתואר באיור 1, עבור תאים שלמים וחדירים, בהתאמה. פרמטרים אלה תוארו בעבר15. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
קביעת ריכוז אופטימלי של דיגיטונין בתאי זרע
בפרוטוקול זה, אנו מציגים את השימוש ב-HRR כדי לנטר שינויים בזמן אמת ב-OXPHOS בתאי זרע אנושיים. מאחר שניתן להשתמש בשיטה זו כדי לנתח זרע שלם או חדור דיגיטונין, אנו מציגים תחילה את הסטנדרטיזציה של ריכוז הדיגיטונין הנדרש כדי לחלחל תאי זרע (
HRR תלוי באופן קריטי במספר שלבים: (א) תחזוקת הציוד, (ב) כיול מדויק של חיישני החמצן, (ג) טיטרציית uncoupler26, ולבסוף, (ד) שימוש נאות במדדים המייצגים את תפקוד המיטוכונדריה. תחזוקת הציוד היא קריטית. מומלץ להחליף את קרומי חיישן החמצן הפולרוגרפי באופן קבוע ולתקן את הרקע האינסטרומנטלי. שטיפה ?...
למחברים אין מה לחשוף.
ברצוננו להודות למרפאת Fertilab Andrology, במיוחד חוסה מריה מונטס ואנדראה טורנטס, שאפשרו לנו גישה לתורמים. מימון: A.C. נתמך על ידי מענקים מאוניברסיטת הרפובליקה (CSIC_2018, Espacio Interdisciplinario_2021). מימון נוסף הושג מ- Programa de Desarrollo de Ciencias Básicas (PEDECIBA, אורוגוואי). P.I. ו- R.S. נתמכים על ידי Universidad de la República (I+D, CSIC 2014; I+D, CSIC 2016, Iniciación a la Investigación, CSIC 2019 ו- FMV_1_2017_1_136490 ANII- Uruguay). P.I. נתמך על ידי POS_FMV_2018_1_1007814 ו- CAP-UDELAR 2020. האיורים אוירו באמצעות Biorender.com.
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.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved