Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.
Method Article
Sperm mitokondriyal fonksiyonunun yüksek çözünürlüklü respirometri ile analizi, kapalı bir oda sisteminde serbestçe hareket eden spermatozoanın oksijen tüketiminin ölçülmesine izin verir. Teknik, sperm mitokondriyal özellikleri ve bütünlüğü hakkında bilgi sağlayan insan spermatozoasında solunumu ölçmek için uygulanabilir.
Semen kalitesi genellikle tanımlayıcı ve genellikle sonuçsuz olan rutin semen analizi ile incelenir. Erkek kısırlığı, değişmiş sperm mitokondriyal aktivitesi ile ilişkilidir, bu nedenle sperm mitokondriyal fonksiyonunun ölçümü, sperm kalitesinin bir göstergesidir. Yüksek çözünürlüklü respirometri, kapalı odacıklı bir sistemdeki hücrelerin veya dokuların oksijen tüketimini ölçme yöntemidir. Bu teknik, insan spermindeki solunumu ölçmek için uygulanabilir ve sperm mitokondrisinin kalitesi ve bütünlüğü hakkında bilgi sağlar. Yüksek çözünürlüklü respirometri, hücrelerin serbestçe hareket etmesine izin verir, bu da sperm durumunda a priori bir avantajdır. Bu teknik, sağlam veya geçirgen spermatozoa ile uygulanabilir ve bozulmamış sperm mitokondriyal fonksiyonunun ve bireysel solunum zinciri komplekslerinin aktivitesinin incelenmesine izin verir. Yüksek çözünürlüklü oksigraf cihazı, oksijen tüketimini hesaplamak için hassas yazılımla birlikte oksijen konsantrasyonunu ölçmek için sensörler kullanır. Veriler, oksijen tüketim oranlarına göre solunum endekslerini hesaplamak için kullanılır. Sonuç olarak, endeksler iki oksijen tüketim oranının oranlarıdır ve hücre sayısına veya protein kütlesine dahili olarak normalleştirilir. Solunum indeksleri, sperm mitokondriyal fonksiyonunun ve işlev bozukluğunun bir göstergesidir.
Erkek kısırlığının, çiftlerde tüm kısırlık vakalarının %40-50'sini oluşturduğu tahmin edilmektedir1. Konvansiyonel semen analizi, erkek doğurganlığının belirlenmesinde çok önemli bir rol oynar; Bununla birlikte, infertil erkeklerin yaklaşık% 15'i normal sperm parametrelerine sahiptir2. Ek olarak, rutin semen analizi, sperm fonksiyonu hakkında sınırlı bilgi sağlar ve ince sperm kusurlarını yansıtmaz3.
Sperm mitokondrileri, kamçının etrafında sarmal bir kılıf olarak düzenlendikleri için özel bir yapıya sahiptir. Mitokondriyal kılıf, intermitokondriyal bağlayıcılarla bağlanan ve dış mitokondriyal zar 4,5 üzerinde sıralı protein düzenlemeleri ile hücre iskeletine tutturulmuş değişken sayıda mitokondri içerir. Bu yapı, sperm mitokondrisini izole etmeyi özellikle zorlaştırır. Bu nedenle, sperm mitokondriyal fonksiyonu ile ilgili çoğu çalışmada in situ analizler veya demembranated sperm6 kullanılır.
Sperm mitokondriyal yapısı ve işlevi sürekli olarak erkek kısırlığı ile ilişkilendirilmiştir 7,8,9,10,11, bu organellerin yapı ve işlevinin analizinin sperm analizine dahil edilmek için iyi bir aday olabileceğini düşündürmektedir.
Mitokondri, özellikle oksidatif fosforilasyon (OXPHOS) yoluyla adenozin trifosfat (ATP) üretmek için oksijen kullanarak hücresel enerji metabolizmasında önemli bir rol oynar. Özellikle spermatozoada, ATP'nin kaynağı (glikoliz ve OXPHOS) tartışmalıdır ve verilerin çoğu tartışmalıdır ve farklı deneysel yaklaşımlara bağlıdır 4,12,13. Oksimetre ile solunum ölçümleri, hücrenin mitokondriyal solunum kapasitesi, mitokondriyal bütünlüğü ve enerji metabolizması hakkında önemli bilgiler sunar14,15,16. Geleneksel olarak, bu teknik, 50 yıldan fazla bir süredir mitokondriyal solunumu ölçmek için kullanılan bir alet olan Clark oksijen elektrodu kullanılarak gerçekleştirilmiştir17,18. Ek olarak, sperm mitokondriyal oksijen tüketimi, klasik Clark oksijen elektrodu 19,20,21 kullanılarak analiz edilmiştir. Oksigraf (Oroboros) kullanan yüksek çözünürlüklü respirometri (HRR), klasik respirometri cihazlarının kullanımına göre daha yüksek hassasiyet sağlar22. Oksigraflar, enjeksiyon portlarına sahip iki odadan oluşur ve her odada bir polarografik oksijen sensörü bulunur. Bu teknikle doku slaytlarını, hücreleri ve izole mitokondriyal süspansiyonları analiz etmek mümkündür. Numune haznede sürekli olarak karıştırılır ve deney sırasında oksijen tüketimi ölçülür ve oksijen oranları özel bir yazılım kullanılarak hesaplanır. Odalar, geleneksel oksijen elektrot cihazlarına göre bir avantaj olan oksijen sızıntısının azaldığını gösterir14,23.
Diğer hücrelerde olduğu gibi, spermatozoa durumunda, HRR ekipmanının duyarlılığı geleneksel respirometriden daha yüksektir, yani HRR ekipmanının sınırlı sayıda bozulmamış veya geçirgen sperm hücresinin analizi için kullanılabileceği anlamına gelir. HRR ile sperm mitokondriyal fonksiyonunu değerlendirmek için iki ana strateji vardır: (a) glikoz gibi substratlar içeren bir ortamda solunum fonksiyonunun yeniden üretilmesini içeren bozulmamış hücrelerde oksijen tüketiminin ölçülmesi veya (b) her bir fonksiyonu ayrı ayrı izlemek için spesifik substratların eklenmesiyle OXPHOS komplekslerinden birini kullanarak geçirgen hücrelerde oksijen tüketimini ölçmek.
Bu çalışmada, insan sperm hücrelerinde mitokondriyal solunumu belirlemek için HRR'nin kullanımını tanımladık.
Deneyler, Facultad de Medicina de la Universidad de la República, Montevideo, Uruguay Etik Komitesi tarafından onaylandı.
Şekil 1: Bozulmamış ve geçirgen insan sperminde mitokondriyal fonksiyonu değerlendirmek için yüksek çözünürlüklü respirometri için iş akışı. Protokol dört farklı adıma bölünmüştür: 1) numunenin hazırlanması, 2) Oroboros cihazında oksijen kalibrasyonu, 3) bozulmamış ve geçirgen hücreler için oksijen tüketimi ölçümü ve 4) ekipmandan veri çıkarma ve analiz. Kısaltmalar: CASA = bilgisayar destekli sperm analizi; BWW = Biggers Whitten Whittingham orta; MRM = mitokondriyal solunum ortamı; ADP = adenozin difosfat; FCCP = karbonil siyanür -p- triflorometoksifenilhidrazon; AA = antimisin A. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
NOT: HRR kullanarak sperm hücrelerinde oksijen tüketimini ölçmek için iş akışı Şekil 1'de gösterilmektedir. Protokolde kullanılan malzemeler, ekipman ve reaktifler hakkındaki bilgiler Malzeme Tablosunda sunulmaktadır.
1. Numune hazırlama
2. Yüksek çözünürlüklü respirometri: OXPHOS analizi
NOT: HRR, son derece hassas oksigrafları (Oksigraf-2 K; Oroboros Instruments GmbH, Innsbruck, Avusturya) yazılımlı (DatLab, sürüm 4.2; Oroboros Instruments GmbH). Deneysel veriler, zamana karşı oksijen konsantrasyonu (O2/106 hücrenin pmol'ü · min−1 olarak) ve bu verilerin gerçek zamanlı dönüşümleri olarak görüntülenir ve deneycinin solunumunu izlemesine olanak tanır (oksijen tüketimi, oksijen akışı) deney devam ederken biyolojik ve biyokimyasal örnekler. HRR, hareketliliği sperm kalitesi ve doğurganlık potansiyeli ile ilişkili olan sperm için özellikle yararlı olan canlı ve hareketli hücrelerin solunumunu takip etmek için kullanılabilir. Laboratuvar, iki odacıklı bir HRR Oroboros Oxygraph2-k, Oroboros Instruments kullanmaktadır. Bu protokolde açıklanan adımlar, her iki 2 mL oda için bağımsız olarak gerçekleştirilmelidir.
3. Veri çıkarma ve analiz
Şekil 2: Yüksek çözünürlüklü bir respirometri deneyinden solunum parametrelerinin elde edilmesi. (A,B) Şekil 1'de açıklandığı gibi, sırasıyla bozulmamış ve geçirgen hücreler için elde edilen grafiklerin şematik gösterimleri. Bu parametreler daha önce15 olarak tanımlanmıştır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Sperm hücrelerinde optimal digitonin konsantrasyonunun belirlenmesi
Bu protokolde, insan sperm hücrelerinde OXPHOS'taki gerçek zamanlı değişiklikleri izlemek için HRR kullanımını sunuyoruz. Yöntem, bozulmamış veya digitonin geçirgenmiş spermleri analiz etmek için kullanılabildiğinden, öncelikle sperm hücrelerini geçirgenleştirmek için gerekli olan digitonin konsantrasyonunun standardizasyonunu sunuyoruz (Şekil 3).
Digito...
HRR kritik olarak birkaç adıma bağlıdır: (a) ekipman bakımı, (b) oksijen sensörlerinin doğru kalibrasyonu, (c) bağlayıcı çözücü titrasyonu26 ve son olarak (d) mitokondriyal fonksiyonu temsil eden indekslerin yeterli kullanımı. Ekipman bakımı çok önemlidir. Polarografik oksijen sensörünün membranlarının düzenli olarak değiştirilmesi ve enstrümantal arka planın düzeltilmesi önerilir. Spermatozoanın odalardan toplanmasından sonra, özellikle aletlerin çeşitli dok...
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.
Fertilab Androloji kliniğine, özellikle José María Montes ve Andrea Torrents'e bağışçılara erişmemize izin verdikleri için teşekkür ederiz. Finansman: A.C., Universidad de la República'dan (CSIC_2018, Espacio Interdisciplinario_2021) alınan hibelerle desteklenmektedir. Programa de Desarrollo de Ciencias Básicas'tan (PEDECIBA, Uruguay) ek finansman sağlandı. PI ve RS, Universidad de la República tarafından desteklenmektedir (I+D, CSIC 2014; I+D, CSIC 2016, Iniciación a la Investigación, CSIC 2019 ve FMV_1_2017_1_136490 ANII- Uruguay). PI, POS_FMV_2018_1_1007814 ve CAP-UDELAR 2020 tarafından desteklenmektedir. Rakamlar Biorender.com kullanılarak gösterilmiştir.
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.
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır