Экспериментальные модели изучения мужской инфертильности in vivo и in vitro Medline.ru - медико-биологический информационный портал Медлайн.ру

Экспериментальные модели изучения мужской инфертильности in vivo и in vitro

Голубенцева Ю.В., Протасова Г.А., Краснякова Е.А., Кириленко П.С., Попов В.Б.

Федеральное государственное унитарное предприятие
«Научно-исследовательский институт гигиены, профпатологии и экологии человека» Федерального медико-биологического агентства

Резюме
Проведено экспериментальное изучение проблем мужской репродукции, в частности, мужского бесплодия, и поиска подходов для коррекции, индуцированных токсикантами, патологических процессов в сперматогенном эпителии семенников мыши. Цель работы - создание двух экспериментальных моделей 1) мужской индуцированной инфертильности in vivo - на примере действия антрациклинового антибиотика доксорубицина, применяемого при химиотерапии ряда раковых заболеваний и являющегося мощным цитотоксическим агентом и 2) модели развития и созревания in vitro сперматогенных клеток от сперматогоний до зрелых сперматозоидов. Обе модели могут быть использованы в качестве объектов морфофункциональных исследований роли токсикантов в развитии инфертильности, как источники возможного пула донорских клеток для компенсации (коррекции) токсических поражений, как совершенствование методов тестирования химических соединений на репротоксичность. В экспериментах по созданию модели мужской индуцированной инфертильности in vivo проведено однократное введение (в/в, в/б) доксорубицина мышам С57BL/6 или (С57BL/6×CBA) F1 в дозах 6 или 10 мг/кг. Гистологический анализ срезов семенников через 9 дней после воздействия выявил отсутствие в канальцах семенников сперматогоний, увеличение числа пикнотических клеток, микроядра, вакуолизацию цитоплазмы клеток Сертоли. К 18 суткам наблюдалось отсутствие сперматогоний и сперматоцитов, была отмечена гиперплазия клеток Сертоли. К 27-36 суткам действие препарата привело к полному опустошению семенных канальцев, за исключением клеток Сертоли. Иммуногистохимическое окрашивание препаратов на 36 сутки на маркер PLZF подтвердил наличие сперматогониальных стволовых клеток. Оценка регенерационного потенциала семенников показала появление на 72 сутки сперматогоний и сперматоцитов в части канальцев, по всей видимости, за счет активации сперматогенных стволовых клеток. Иммунофлуоресцентный анализ причин гибели клеток с помощью биомаркера γН2АХ выявил повреждение ДНК клеток суспензии семенников с увеличением доли поврежденных ядер на 1-27 сутки. Анализ численности и подвижности сперматозоидов эпидидимиса в период 9-36 суток после воздействия выявил их резкое уменьшение к 36 суткам (в 3,9 раза по сравнению с контролем), снижение подвижных форм до 11,8% против 79,4% в контроле (p<0.001). Кроме того, несколько возросло количество патологических форм сперматозоидов. Результатом работы явилось создание двух моделей для изучения индуцированной мужской инфертильности. Их создание направлено на развитие способов экспериментальной коррекции (восстановления) семенников с нарушенным воспроизводством сперматогенных клеток за счет донорских (аутологичных, аллогенных) трансплантаций материалов, полученных в экспериментах in vivo и in vitro.

Ключевые слова
индукция мужской инфертильности; доксорубицин; коррекция; культивирование сперматогенных клеток

(статья в формате PDF. Для просмотра необходим Adobe Acrobat Reader)

открыть статью в

новом окне

Список литературы

1. Barratt C.L.R., Björndahl L., De Jonge C.J., et al. The diagnosis of male infertility: an analysis of the evidence to support the development of global WHO guidance?challenges and future research opportunities. Hum Reprod Update. 2017; 23:660-680.

2. Гамидов C., Авакян A., Идиопатическое бесплодие у мужчин: эпидемиология, этиология, патогенез, лечение. Врач. 2013; 7:2-4.

3. Kumar N., Singh A.K. Trends of Male Factor Infertility, an Important Cause of Infertility: A Review of Literature. J Hum Reprod Sci. 2015; 8:191-196. doi:10.4103/0974-1208.170370

4. Levine H., Jørgensen N., Martino-Andrade A., et al. Temporal trends in sperm count: a systematic review and meta-regression analysis. Hum Reprod Update. 2017; 23:646-659.

5. World Health Organization, WHO Laboratory Manual for the Examination of Human Semen and Semen-Cervical Mucus Interaction. 2010, Cambridge University Press, Cambridge, UK, 5th edition

6. Кириленко Е.А. Эмпирическая терапия идиопатического бесплодия у мужчин. 2016: https://мцрз.рф/files/imb.pdf

7. Miyamoto T., Tsujimura A., Miyagawa Y., Koh E., et al. Male infertility and its causes in human. Advances in Urology, Male Infertility. Hindawi Publishing Corporation. 2011, 2012. doi: 10.1155/2012/384520.

8. Азизов А.П., Саидов М.С. Мужское бесплодие. 2010; 51.

9. Triarico S., Rivetti S., Capozza M.A., et al. Transplacental Passage and Fetal Effects of Antineoplastic Treatment during Pregnancy. Cancers. 2022; 14(13): 3103.

10. Arnon J., Meirow D., Lewis-Roness H., Ornoy A. Genetic and teratogenic effects of cancer treatments on gametes and embryos. Human Reproduction Update. 2001; 7(4): 394-403.

11. Sharpe R.M. Environmental/lifestyle Effects on Spermatogenesis. Philos Trans R Soc London Ser B Biol Sci. 2010; 365(1546):1697-712.

12. Siu E.R, Mruk D.D, Porto C.S, Cheng C.Y. Cadmium-Induced Testicular Injury. Toxicol Appl Pharmacol. 2009; 238:240-249.

13. Baillie H.S., Pacey A.A., Moore H.D.M. Environmental chemicals and the threat to male fertility in mammals: evidence and perspective In Conservaion Biology 8. Reproductive Science and Integrated Conservation. Eds W.V Holt, A.R Pickard, JC Rodgers & DE Wilat. Cambridge, UK: Cambridge University Press ; 2003.

14. Komeya M., Kimura H., Nakamura H., et al. Long-term ex vivo maintenance of testis tissues producing fertile sperm in a microfluidic device. Sci Rep. 2016; 6: 21472.

15. McLean D.J. Spermatogonial stem cell transplantation and testicular function. Cell Tissue Res. 2005; 322: 21-31.

16. Wang X, Rivière I. genetic engineering and manufacturing of hematopoietic stem cells. Molecular Therapy: Methods & Clinical Development. 2017; 5: 94-105.

17. Richer G., Baert Y., Goossens E. In-vitro spermatogenesis through testis modelling: Toward the generation of testicular organoids Andrology. 2020; 8 (4): 879-891.

18. Stukenborg J.B., Schlatt S., Simoni M., et al. New horizons for in vitro spermatogenesis? An update on novel three-dimensional culturesystems as tools for meiotic and post-meiotic differentiation of testicular germ cells. Mol Hum Reprod. 2009; 15:521-529.

19. Choi N.Y., Park Y.S., Ryu J.S, Lee H.J. A novel feeder-free culture system for expansion of mouse spermatogonial stem cells. Mol. Cells 2014; 37(6): 473-479.

20. Pendergraft S.S., Sadri-Ardekani H., Atala A., Bishop C.E. Three-dimensional testicular organoid: a novel tool for the study of human spermatogenesis and gonadotoxicity in vitro. Biol Reprod. 2017; 96(3):720-732

21. Chapin R.E., Winton T., Nowland W. et al. Lost in translation: The search for an in vitro screen for spermatogenic toxicity. Birth Defects Res B. 2016; 107: 225-242.

22. Morgan S., Lopes F., Gourley C. et al. Cisplatin and doxorubicin induce distinct mechanisms of ovarian follicle loss; imatinib provides selective protection only against cisplatin. PLoS One. 2013; 8(7): 20117

23. Ben-Aharon I., Bar-Joseph H., Tzarfaty G. Doxorubicin-induced ovarian toxicity. Reproductive biology and endocrinology. 2010; 8:20.

24. Wang Q.L, Sun S.C, Han J. et al. Doxorubicin induces early embryo apoptosis by inhibiting poly(ADP ribose) polymerase. In Vivo. 2012; 26(5):827-34.

25. Akinjo O.O, Gant T.W, Marczylo E.L. Marczylo Perturbation of epigenetic processes by doxorubicin in the mouse testis. Toxicol. Res. 2016; 5: 1229-1243.

26. Wyrobek A.J., Bruce W.R. Chemical induction of sperm abnormalities in mice. Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1975; 72(11): 4425-4429.

27. Watanabe T., Endo A. Effects of selenium deficiency on sperm morphology and spermatocyte chromosomes in mice. Mutation Research. 1991; 262: 93-99.

28. Савченкова И.П., Васильева С.А. Культивирование сперматогоний хряка на клетках Сертоли. Цитология. 2016; 58 (2): 135-142.

29. Волкова Н.А., Коржикова С.В., Котова Т.О. и др. Выделение, культивирование и характеристика сперматогониев петуха. Сельскохозяйственная биология. 2013; 51 (4): 450-458.

30. Kaavya R., Kannan T.A., Basha S. H. Vairamuthu S., et al. Isolation of spermatogonial stem cell and its viability in mice by different enzymatic digestion methods. International J. of livestock research. 2016; 6(11): 54-60.

31. Oakberq E.F. Duration of spermatogenesis in the mouse and timing of stages of the cycle of the semiiniferous epithelium. Am J Anat. 1956; 99(3): 507-516.

32. Costoya J.A., Hobbs R.M., Barna M. Essential role of Plzf in maintenance of spermatogonial stem cells. Nat. Genet. 2004; 36: 653-662.

33. Morrison AJ, Shen X. Chromatin remodelling beyond transcription: the INO80 and SWR1 complexes. Nat Rev Mol Cell Biol. 2009; 10(6): 373-84. doi: 10.1038/nrm2693.

34. Sakib S., Uchida A., Valenzuela-Leon P., Yu Y., et al. Formation of organotypic testicular organoids in microwell culture. Biology of Reproduction. 2019; 100(6): 1648-1660.

35. Nengzhuang W., Jiaming S., Minghua LIU, Long M.A, et al. A brief history of testicular organoids: from theory to the wards. 2022; 39(7):1423-1431.

36. Stukenborg J.-B., Jahnukainen K. In vitro spermatogenesis and its potential clinical implication for patients. in genetics of human infertility. Monogr Hum Genet., Vogt PH (ed), Basel, Karger. 2017; 21: 162-172.

37. Sato T., Katagiri K., Gohbara A., et al. In vitro production of functional sperm in cultured neonatal mouse testes. Nature. 2011; 471: 501-507.

38. Baert Y., Dvorakova-Hortova K., Margaryan H., Goossens E. Mouse in vitro spermatogenesis on alginate-based 3D bioprinted scaffolds. Biofabrication. 2019; 11: 03501. doi: 10.1088/1758-5090/ab1452.

39. Tetsuhiro Y., Sato T., Katagiri K. In vitro spermatogenesis using an organ culture technique. In: Spermatogenesis: Methods and Protocols, Methods in Molecular Biology. 2013; 927: 479-88.

40. Baschat A.A., Schwinger E., Diedrich K. Debate. Assisted reproductive techniques. Are we avoiding the genetic issue? Hum. Reprod. 1996; 11:926-928.

41. Picton H.M., Wyns C., Anderson R.A., et al. A European perspective on testicular tissue cryopreservation for fertility preservation in prepubertal and adolescent boys. Hum Reprod. 2015; 30:2463-2475.