¿Espermatozoides más fértiles después de una privación de nutrientes?

José Luis De La Vega-Beltrán, Claudia Sánchez-Cárdenas y Gerardo Orta

---

Preparativos para un encuentro celular fundacional

Los espermatozoides son las células reproductivas (gametos masculinos) que llevan a cabo la fecundación de gametos femeninos, después de la cual se inicia el desarrollo embrionario para formar nuevos organismos; en el caso de los modelos animales que estudiamos (roedores como los ratones), la fecundación es interna; es decir se lleva a cabo dentro del llamado tracto reproductivo femenino. Cada espermatozoide es una célula que está constituida de dos estructuras principales: la cabeza —donde reside el material genético que aportan los donadores masculinos y el flagelo que al agitarse (a veces se dice: “al batirse”), provoca un movimiento característico del espermatozoide hacia el óvulo [Fig. 1] (ver Biotecmov 16: 3). Además, para que el espermatozoide esté ‘preparado’ y sea fecundante o fértil, es necesario que en la punta de la ‘cabeza’ ocurra un proceso específico denominado reacción acrosomal.

Por sorprendente que parezca, los espermatozoides recién eyaculados son incapaces de fecundar al óvulo; necesitan pasar un tiempo en el tracto reproductivo femenino bajo ciertas condiciones, para que puedan adquirir la capacidad necesaria para convertirse en una célula fecundante. [Fig. 2].

En los mamíferos, este proceso se le llama capacitación y se caracteriza por una serie de cambios fisiológicos y bioquímicos entre los que se incluyen: la unión de grupos fosfato ‘activadores’ en varias proteínas (fosforilación); una variación pronunciada en las cargas eléctricas de un lado al otro de sus membranas (hiperpolarización, medida en mili·Volts y abreviado Em); la disminución en la acidez intracelular (i.e., baja en la concentración de protones H+) expresada como una elevación del pH intracelular (pHi) y del pH del acrosoma (pHa), y también, un incremento en la concentración de iones de calcio intracelular, que se escribe [Ca²⁺]i . Todo esto ocurre en cada célula donde se puede observar (y medir) durante pocos minutos, y es parte de la capacitación de los espermatozoides que adquieren el potencial de llevar a cabo dos procesos que son clave para hacer posible la fecundación: (1) cambios desde movilidad activada (batido lento) a movilidad hiperactivada (batido rápido y progresivo) y (2), la mencionada reacción acrosomal (RA). Este último proceso es inducido por factores del tracto femenino en mamíferos y consiste en la liberación del contenido de enzimas hidrolíticas (exocitosis), desde una vesícula llamada acrosoma (literalmente, ‘estructura o cuerpo en la punta’), localizada justamente, en la parte anterior de la cabeza del espermatozoide.

Conocimiento para manipular adecuadamente los procesos reproductivos

En la actualidad la infertilidad humana va en aumento; en México los datos del INEGI muestran que una de cada seis parejas (~18%) tiene dificultad para concebir [1]. Por tal motivo es muy importante contar con estudios fisiológicos y moleculares que ayuden a entender los mecanismos y limitaciones en estos casos, a fin de aportar herramientas metodológicas o tratamientos farmacológicos que mejoren (o restituyan) las capacidades de los espermatozoides, cuando éstos sean el origen. En este sentido, nuestro grupo de investigación encontró que una privación transitoria (‘ayuno’) de ciertos nutrientes (glucosa y ácido pirúvico) en espermatozoides de ratón, aumenta significativamente su capacidad de fecundación, aun no habiendo sido capacitados [2].

¿Qué sucede en los espermatozoides bajo condiciones de ayuno?

Si los espermatozoides no se someten a las condiciones de capacitación fisiológica (careciendo de la capacidad de fecundar), pero son expuestos a una condición de ‘ayuno’ experimental y posteriormente, se les restituyen los nutrientes, adquieren entonces un nado vigoroso y progresivo (motilidad hiperactivada); pueden fecundar óvulos, generando crías como si hubieran sido capacitados, incluso superando proporcionalmente al grupo control. ¿Cómo ocurre este suceso? ¿Cuándo iniciaron los cambios celulares que hicieron a los gametos tratados más eficientes para fecundar? ¿Cuáles parámetros fisiológicos se modificaron significativamente durante este proceso? ¿Y qué ocurre con la RA?

Nuestra primera aproximación consistió en estimar comparativamente las variaciones del [Ca²⁺]i en espermatozoides con o sin ‘ayuno’; los cationes de calcio tienen funciones cruciales en regular la movilidad de la célula y en la RA [3]. Para medir la [Ca²⁺]i en espermatozoides individuales se usa un colorante fluorescente llamado Fluo-4, que permite observar cambios en la luminosidad de la señal visible en un microscopio especial, cuando sube la concentración del Ca²⁺ dentro de la célula. Cuando sometimos espermatozoides a la privación de nutrientes, observamos que aumenta la [Ca²⁺]i y las células se inmovilizan. La causa probable es que, sin nutrientes, disminuye la generación de ‘energía metabólica’ (es decir, de trifosfato-de-adenosina, ATP), que impulsa la actividad de las proteínas transportadoras o ‘bombas’ (pumps) que expulsan calcio de las células, provocando que los niveles se aumenten adentro y obstruyan los mecanismos moleculares que mueven el flagelo.

Enseguida nos preguntamos si esta condición de ‘ayuno’ temporal, y el incremento de [Ca²⁺]i, —que también está involucrado en el inicio de la Reacción Acrosomal— podrían estar relacionados con la mejora de su capacidad fecundante. Utilizamos entonces un método implementado en nuestro laboratorio, que nos permite monitorear en ‘tiempo real’, tanto los niveles de la [Ca²⁺]i como la ocurrencia de la RA de los espermatozoides. Para esto, incluimos ahora el colorante fluorescente FM4-64 que revela la RA y podemos ver ambos procesos en una sola imagen [Fig. 3]. Bajo condiciones estándar utilizamos la hormona progesterona, presente en el tracto genital femenino y que se usa como agonista (promotora) del proceso de capacitación. Teniendo ya todo listo para comparar las respuestas detectadas con los colorantes usando un microscopio de fluorescencia, computamos varias observaciones para después hacer un análisis estadístico cuidadoso de los diferentes tratamientos y controles, considerando que la variable importante es la incubación con o sin privación de nutrientes, ambos bajo la inducción con progesterona.

En resumen, al evaluar los cambios de [Ca²⁺]i y niveles de RA, encontramos que los espermatozoides no capacitados (preincubados 30 min en el medio de ‘ayuno’), tenían la [Ca²⁺]i alta y mayores proporciones de RA, comparado con espermatozoides no capacitados en medio con nutrientes [Fig. 4]. Estos datos sugieren que el aumento en la [Ca²⁺]i durante el ayuno facilita la RA y que ambos incrementos se asocian con una mayor capacidad de los espermatozoides para fecundar al óvulo. Ahora bien, si medimos el gradiente electroquímico de membrana y el pHi (con otros dos colorantes fluorescentes DiSC3-(5) y SNARF-5F, respectivamente), hallamos que espermatozoides no capacitados y bajo ‘ayuno’, mostraron membranas hiperpolarizadas y elevaciones del pHi similar a lo que se observa en espermatozoides capacitados. Estos experimentos indican que el estado de los espermatozoides no capacitados expuestos al ayuno, parece mimetizar los cambios que se detectan durante una capacitación fisiológica; pero además, que estos espermatozoides resultan más eficientes para la RA que células capacitadas estimuladas con progesterona [4].

La recuperación del ayuno da lugar a espermatozoides 'mejorados'

Considerando estos hechos, surge la pregunta: ¿Es la condición de ayuno la que provoca la mejora de la capacidad fertilizante de los espermatozoides? La respuesta a esta cuestión es: no. Los espermatozoides en ‘ayuno’ presentan variaciones importantes con respecto a espermatozoides no capacitados, e incluso a los capacitados; no obstante, recordemos que los espermatozoides en ayuno no pueden moverse. Entonces, ¿cuál es la condición que mejora la capacidad fecundante? Actualmente proponemos que, una vez que un grupo de espermatozoides se someten al ‘ayuno’ y después se les restituyen los nutrientes, las células vuelven a generar energía en forma de ATP, con lo cuál se alcanzan dos sucesos fundamentales para una mejora de la capacidad fecundante. Primero, una disminución moderada de la [Ca²⁺]i, de forma que el nivel de estos cationes no sería tan bajo como en una célula no capacitada, ni tan alto como en las células sin energía; y segundo: que estas células exhiben una clara recuperación de la motilidad e inclusive, una hiperactivación.

Aunque nuestra explicación es aún parcial, son finalmente estos espermatozoides ‘recuperados’ del ayuno, los que tienen una capacidad mejorada de fecundación durante experimentos de fertilización in vitro comparados con los que son incubados todo el tiempo en condiciones con nutrientes [Fig. 5]. Es importante notar que el efecto del protocolo de privación-restitución de nutrientes continúa más allá de la fecundación, mejorando el porcentaje de desarrollo embrionario (~80%) y también, el porcentaje (+20%) de crías nacidas por número de embriones transferidos a hembras con respecto al grupo control, sin protocolo de privación-restitución [2]. Este procedimiento representa de inicio, una herramienta innovadora para estudiar la fisiología reproductiva del espermatozoide que puede más adelante, contribuir con prácticas auxiliares en la reproducción asistida en especies de mamíferos de interés y, posiblemente en humanos.

Referencias

1. Gaceta Parlamentaria, miércoles 23 de mayo de 2012 /GACETA: LXI/3SPR-4/35481

Las aportaciones principales de este trabajo fueron publicadas originalmente en los siguientes artículos científicos:

2. Navarrete FA, L Aguila, D Martin-Hidalgo […], A Darszon, et. al (2019). Transient sperm starvation improves the outcome of assisted reproductive technologies. Front Cell Dev Biol. 5(7): 262. DOI: 10.3389/fcell.2019.00262

3. Navarrete FA, A Alvau, HC Lee […], A Darszon & PE Visconti (2016). Transient exposure to calcium ionophore enables in vitro fertilization in sterile mouse models. Sci Rep 15(6): 33589. DOI: 10.1038/srep33589.

4. Sánchez-Cárdenas C, A Romarowski, G Orta G, JL De la Vega-Beltrán, D Martin-Hidalgo, A Hernández-Cruz, PE Visconti PE & A Darszon (2021). Starvation induces an increase in intracellular calcium and potentiates the progesterone-induced mouse sperm acrosome reaction. FASEB J 35(4): e21528. DOI: 10.1096/fj.202100122R

Comparte este artículo en redes sociales