CC BY
10
Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив, серия Г.Медицина, фармация и дентална медицина т. XVIII. ISSN 1311-9427. Научна сесия „Медицина и дентална медицина", 5 - 6 ноември 2015. Scientific works of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series G. Medicine, Pharmacy and Dental medicine, Vol. XVIII, ISSN 1311-9427 Medicine and Dental medicine Session, 5-6 November 2015.
СТРУКТУРНИ И УЛТРАСТРУКТУРНИ ПРОМЕНИ В СПЕРМАТОЗОИДИ ПРИ ПАЦИЕНТИ С VARICOCELE
Ж. Читалов, П. Цветкова*, Ив. Дечев Катедра по урология, Медицински Университет - Пловдив
* Институт по биология и имунология на размножаването „Акад. Кирил Братанов", БАН - София
STRUCTURAL AND ULTRASTRUCTURAL DEFECTS OF SPERMATOZOA IN PATIENTS WITH VARICOCELE J. Chitalov, P. Tzvetkova, I. Dechev Department of Urology, Medical University Plovdiv *Insitute of Biology and Immunology of Reproduction "Acad. Kiril Bratanov", Bulgarian Academy of Sciences - Sofia
Резюме
Сперматозоидите са високо диференцирани и специализирани клетки със сложна вътреклетъчна структура.Фактът че имат способност да се движат самостоятелно, дава основание тяхната морфологична характеристика да се приеме, като основен фактор при оценка на оплодителните им качества. Всяко отклонение от нормалната структура на една или друга част на половата клетка, може да даде ценни указания за настъпили смущения в дейността на репродуктивната система на мъжа. Появилите се симптоматични промени са от значение, както за определяне степента на фертилност, така и за здравословното състояние на мъжкия организъм.Една от най-честите причини за нарушен фертилитет е хирургично съдовото заболяване варикоцеле.Промените при него в структурата и ултраструктурата на сперматозоидите продължават да бъдат предизвикателство при изследванията на множество автори , работещи по този проблем.
Ключови думи: варикоцеле, спермограма
Abstract
Spermatozoids are highly differentiated and specialized cells with complex intracellular structure. The fact that they have the ability to move independently is giving ground for their morphological characteristics to be considered as a major factor in assessing fertility characteristics. Any deviation from the normal structure of one or another part of the germ cells, can provide valuable information for any interference in the activities of the reproductive system of men. Appeared symptomatic changes are important for determining the level of fertility and the health of the male organism. One of the most common causes of impaired fertility is surgical vascular disease varicocele.Changes in it in the structure and ultrastructure of the sperm continue to be a challenge in the research of numerous authors working on this problem.
Key words: varicolele, spermogram
Варикоцелето представлява най-честата обективна патологична находка при инфертилни мъже (1). От друга страна 80 % от мъжете с варикоцеле нямат фертилни нарушения, като все още механизмите, обясняващи нарушенията в сперматогенезата в останалите двадесет процента, са неясни (2). В рандомизирано, проспективно проучване установените квоти на бременност на двойки, при които мъжът е опериран, са шесткратно по-голями в сравнение с групата групата без оперативни интервенции (3, 4). Хирургичната съдова патология варикоцеле е характерна за младата възраст на мъжа и доказано тя може да доведе до прогресивно влошаване функцията на тестисите; ето защо целта на варикоцелектомията е да подобри фертилния потенциал (6, 7, 8).
В голямо световно мултицентрично рандомизирано проучване за варикоцеле под патронажа на Световната здравна организация са получени данни от 9 043 мъже с честота на патологични спермални показатели в 25,4% от случаите (9). В епидемиологично проучване Lipshultz и Corriere показват, че варикоцелето води до прогресивно намаляване на фертилитета за дълъг период в зависимост от неговата давност, като резултат на редица структурни и ултраструктурни промени в тестиса ипсилатерално (10, 11).
В съвременната андрологична литература деформациите в половите клетки се стратифицират в две групи според причините, които ги обуславят. Към първата група се включват генетично обусловените аномалии, които имат доминантна фенотипна изява и не се повлияват от приложеното лечение. Във втората група са неопределените или негенетично детерминирани дефекти на сперматозоидите, които се повлияват позитивно и дори могат да изчезнат след подходяща терапия (12, 13, 14).
От първата група една от най-често срещана генетично обусловена тератогенна форма е глобозоосиермията или сиерматозоиди с кръгли главички (Фиг. 1).
Фиг. 1. Сперматозоиди с кръгла главичка Гаметите са лесноразпознаваеми микроскопски и характерното за тях е отсъствието на акрозома (те не съдържат акрозин, играещ важна роля при пенетрацията) и акрозомната реакция е неосъществима (15).
Според проучвания на български автори (16, 17, 18, 19) микроцефалните сперматозоиди (Фиг. 2) обичайно са в комбинация с гамети с елонгирана или кръгла главичка (срещащи се при варикоцеле и/или при хроничен с п ид ид им ит).
Фиг. 2. Микроцефални сперматозоиди Авторите считат, че преобладаването и съчетаването им с клетки с кръгла главичка (при епидидимита) е следствие от възпалителния процес, елиминиращ акрозомата. При другия вариант (с удължена главичка) (Фиг. 3) повишеното им присъствие в еякулата се
обяснява с влиянието на токсични увреждащи фактори от страна на разширените вени върху тестикуларната тъкан (засягащи и Сертолиевите клетки), при което трайно се нарушава
Фиг. 3. Сперматозоиди с елонгирана главичка
Морфологично абнормните сперматозоиди, които са честа находка в еякулата на пациенти със съдова патология на половата система, са тези с удължена (елонгирана) форма на главичката (17, 18). Към тази група се причисляват освен класическата заострена форма, описана от Eliasson (20) с дължина над 5 дт и ширина <3 дт (или по-тесни - дължина <5 дт, ширина <2 дт), и такива с крушовидна или пириформена конфигурация на главичката. Подобно на тези резултати, увеличен процент на сперматозоиди с удължена деформация на главичката установяват Menkveld и Kruger при варикоцеле, но и при урогенитални инфекции (21, 22, 23). В повечето случаи тази аномалия е свързана с нехарактерно удължаване на ядрото и увреждане на мембранните слоеве между вътрешния и външен лист на ядрената обвивка. Прилагането на ICSI (Intracytoplasmic sperm injection) категорично показва намален процент оплодени яйцеклетки със сперматозоиди с елонгирана главичка, в сравнение с други абнормни форми (24). При тератозооспермия адекватното антибиотично лечение или хирургичната намеса могат да подобрят спермалните показатели, включително и морфологията на сперматозоидите, и да се постигне нормална бременност. Ето защо появата на гамети с удължени главички се отнася основно към придобитите аномалии. Особено благоприятна е прогнозата при варикоцеле, където се наблюдава значително подобрение на качеството на еякулата по отношение запазване плътността на хроматина и структурата на ДНК, тъй като след варикоцелектомия силно се понижава количеството на отделяните в клетките ROS (реактивни кислородни видове, reactive oxygen species), които са основен фактор за увреждане на ядрото (25).
Субклетъчните дефекти в акрозомата се изразяват главно в две дегенеративни изменения, причиняващи инфертилитет при това съдово хирургично заболяване: частично формиране - недостатъчно развитие (хипоплазия), или пълна липса (аплазия) (Фиг. 4) (26).
Фиг. 4. Хипоплазия и аплазия на акрозомата
Раздутата акрозома (наличие на мехурчета или гранули с различни размери, както и на други клетъчни органели в самата нея) са също израз на деструктивни изменения (Фиг. 5)
(27, 28, 29).
Вероятно тези елементи произхождат от апарата на Golgi и са резултат от нарушена спермиогенеза (30, 31). Понякога подобен акрозомален дефект се съпътства и с раздути митохондрии в междинния сегмент, завита аксонема и цитоплазмена капка - показатели за настъпване на апоптоза в гаметите (32). Пълната липса на акрозомна шапчица променя формата на главичката в кръгла (сферична) и е в основата на глобозооспермията. Обикнове-но този тип аномалия е свързана и с промяна в целостта на ядрената или клетъчната обвивка (понякога и на двете едновременно), и слабо кондензиране на хроматина (33). Измененията на външната повърхност на главичката на сперматозоида се изразяват с нарушен контур, различни по големина лезии, обхващащи частично акрозомата или пълното й отпадане със силно хлътване на този участък. Разположението на акрозомалната бразда визуализира площта и локализацията на акрозомата, давайки възможност за преценка какъв дял заема от повърхността на главичката - по-голям или по-малък от 40%. Върху плътната консистенция на постакрозомалната област също се наблюдават пукнатини, изпъкналости и вдлъбвания, променящи нейния контур. Общо взето фините повърхностни нарушения на главичката се свързват както с увреждане целостта и структурата на акрозомалната мембрана, така също и на самата акрозома. Подобни структурни промени се наблюдават при криоконсервация на сперматозоидите (34, 35, 36, 37). Уврежданията могат да бъдат единични или полиморфни. Например уврежданията в аксонемалния комплекс често се придружават с такива във фиброзната обвивка или плазмолемата. Изразяват се в отклонение в размера (дебелина и дължина), в пречупване или завиване на флагелума и наличие на цитоплазмен остатък. Последните три състояния са сред най-честите деформации в тази част на сперматозоидната клетка, които добре се наблюдават и с помоща на светлинен микроскоп (37).
Ултраструктурните изследвания на сперматозоидите разкриват множество увреждания, засягащи строежа на шийката, аксонемата, формирането на митохондриалния калъф, както и на самите митохондрии (Фиг. 6).
Фиг. 5. Наличие на вакуоли в акрозомата
Фиг. 6. Аномалии на шийката
Някои автори подразделят тези аномалии на придобити, засягащи различен брой сперматозоиди, и на първични - специфични флагеларни аномалии, засягащи множество гамети (38, 26, 39). В такива случаи се наблюдава дезорганизация на структурите в аксонемалния комплекс с допълнение или липса на микротубули и фибрили (40, 41, 42), както и отклонения в техния строеж с отсъствие на динеиновите (43, 44) и/или на спицо-подобните радиални връзки (45, 46). Изследователите установяват, че подобни нарушения в аксонемата се откриват в семенна течност, взета от опашката на епидидима, което по-казва, че те имат вторичен или придобит характер. Налага се извода, че са възможни аномалии, първично възникнали в тестисите, като резултат на смущение в спермиогенезата, или вторично при преминаването на сперматозоидите през епидидима. Някои автори свързват високия процент сперматозоиди с анормална цитоплазмена капка с пристрастеното тютюнопушене (47), а други със съдовото заболяване варикоцеле (48).
Увеличен процент на полови клетки с деформирана структура наблюдаваме освен при варикоцеле, и при други заболявания на мъжката полова система, независимо от тяхната етиология. Такова състояние Berger определя като „обикновено явление, съпътстващо мъжкият инфертилитет" (49). Резултатите от друго проучване показват, че степента на дегенеративни промени в морфофункционалните качества на мъжките полови клетки е в тясна зависимост от етиологичния фактор на болестния процес и тежестта на увреждане на сперматогенезата (50). Въпреки, че гореспоменатите промени се срещат по-често при хирургичното съдово заболяване варикоцеле, то подобни промени има и при възпалителни и вродени заболявания на мъжката полова система. По-точното им обвързване с един етиологичен фактор е свързано с въвеждане на „международно стандартизирани" методики за изследване, както и за интерпретиране морфологичната оценка на половите клетки (например определянето на долния праг на нормозооспермия, референтни стойности на морфометричните показатели, кондензацияна хроматина и др.), тъй като при отделните лаборатории се получава разминаване в резултатите, последица от прилагането на различни изследователски методи (51, 52, 53, 54).
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Schlesinger MH, Wilets IF, Nagler HM. Treatment outcome after varicocelectomy: a critical analysis. Urol Clin North Am 21: 517-529, 1994.
2. Pinto KJ, Kroovand RL, Jarow JP. Varicocele relatedtesticular atrophy and its predictive effect upon fertility. J Urol 152: 788-790, 1994.
3. Evers JLH, Collins JA. Assessment of efficacy of varicocele repair for male subfertility: a systematic review. Lancet 361: 1849-1852, 2003.
4. Madgar I, Weissenberg R, Lunenfeld B, et al. Controlledtrial of high spermatic vein ligation for varicocele in infertilemen. Fertil Steril 63: 120-124, 1995.
5. Fazeli-Martin S, Morrison G, Goldstein M. What is the pregnancy rate in vasovasostomy and varicocelectomy patients who are "lost to follow-up?" J Urol 151 (suppl 4): 303A,1994.
6. Kass EJ, Bellman AB. Reversal of testicular growth failure by varicocele ligation. J Urol 137: 475-478, 1987.
7. Paduch DA, Niedzielski J. Repair versus observation in adolescent varicocele: a prospective study. J Urol 158:1128-1132, 1997.
8. Lund L, Tang YC, Roebuck D, et al. Testicular catch-upgrowth after varicocele correction in adolescents. Pediatr SurgInt 15: 234-237, 1999.
9. World Health Organization. The influence of varicocele on parameters of fertility in a large group of men presenting to infertility clinics. Fertil Steril 57: 1289-1293, 1992.
10. Akbay E, Cayan S, Boruk E, et al. The prevalence of varicocele and the varicocele-related testicular atrophy inTurkish children and adolescents. BJUInt 86: 490-493, 2000.
11. Lipshultz LI, Corriere JN Jr. Progressive testicular atrophy in the varicocele patient. J Urol 117: 175-176, 1977.
12. Vicari EA, Perdichizzi A, De Palma N, et al. Globozoospermia is associated with chromatin structure abnormalities: case report. Hum Reprod 17: 12, 2128-2133, 2002.
13. Haugen TB, Egeland T, Magnus O. Semen parameters in Norwegian fertile men. Int J Androl 27, 1, 66-71, 2006.
14. Menkveld R. Clinical significance of the low normal sperm morphology value as proposed in the fifth edition of the WHO Laboratory. Manual for the Examination and Processing of Human Semen. Asian J Androl 12: 1, 47-58, 2010.
15. Stone S, OMahony F, Khalaf Y, et al. A normal live birth after intracytoplasmic sperm injection for globozoospermia without assisted oocyte activation: case report. Hum Reprod 15: 1, 139-141, 2000.
16. Цветков Д. Проучвания върху фертилитетните нарушения при варикоцеле и резултати от хирургического му лечение. Канд. Дис., С., 1979, 191.
17. Цветков Д. Проучвания на етиологичните фактори, патогенезата и лечението намъжкия инфертилитет. Док. Дис., С., 1986, 466.
18. Цветков Д. Мъжки инфертилитет. БАН, С., 1989, 256
19. Цветкова П. Сперматогенеза и медико-биологични аспекти на мъжкия инфертилитет. Док. Дис., С., 2006, 440.
20. Eliasson R, Mossberg B, Camer P, Afzelius B. The immotile-cilia syndrome: a congenital ciliary abnormality as an etiologic factor in chronic airway infection and male sterility. N Engl J Med 297, 1-6, 1977.
21. Menkveld R, Kruger TF. Sperm morphology and male urogenital infections. Andrologia 30, 1, 49-53, 1998.
22. Kruger T, Acosta A, Simmons K, et al. Predictive value of abnormal sperm morphology in vitro fertilization. Fertil Steril, 49, 1, 112-117, 1988.
23. Menkveld R. Male accessory gland infection as a possible additional cause for the declining trend in semen parameter values. Int J Androl 31, 11-29, 2008.
24. Osawa Y, Sueoka K, Iwata S, et al. Assessment of the dominant abnormal form is useful for predicting the outcome if intracytoplasmic sperm injection in the case of sever teratozoospermia. J Assist Reprod Genet 16, 3, 436-42, 1999.
25. Nasr-Esfahani M, Abasi H, Razavi S, et al. Varicocelectomy: Semen parameters and protamine deficiency. Int J Androl 32, 1, 115-122, 2009.
26. Chemes H, Rawe V. Sperm pathology: a step beyond descriptive morphology. Origin, characterization and fertility potential of abnormal sperm phenotypes in infertile men. Human Reproduction Update 9, 5, 405-428, 2003.
27. Radwan J, Pawlicki J, Bastit P. Male sterility caused by a lack of the acrosome inspermatozoa with a round shaped head. Ginekologia Polska, 65, 5, 537-540, 1994.
28. Meschede D, Rolf C, Neugebauer D, et al. Sperm acrosome defects in a patient with Aarskog-Scott syndrome. Am J Med Genet 66, 3, 340-342, 1996.
29. Yu J, Xu Y. Ultrastructural defects of the acrosome in infertile men. Arch Androl 50, 4, 405-409, 2004.
140
30. Tash JS, Means AR. Cyclic adenosine 3',5' monophosphate, calcium and protein phosphorylation in flagellar motility. Biol Reprod 28, 1, 75-104, 1983.
31. Kupker W, Schulze W, Diedrich K. Ultrastructure of gametes and intracytoplasmic sperm injection: the significance of sperm morphology. Hum Reprod 13, 1, 99-106, 1998.
32. Baccetti B, Collodel G, Piomboni P. Apoptosis in human ejaculated sperm cells. J Submicrosc Cytol Pathol 28, 2, 587-596, 1996.
33. Chitale A, Rathaur R. Nuclear decondensation of sperm head and failure at in-vitro fertilization: an ultrastructural study. Hum Reprod 10, 3, 594-598, 1995.
34. Mahony MC, Morshedi M, Scott R, et al. Role of spermatozoa cryopreservation in assisted reproduction. In: Acosta, A.A., Swanson, R.J., Ackerman,S.B., Kruger, T.A.F., Van Zyl, J.A., Menkveld, R. (Eds.), Human Spermatozoa in Assisted Reproduction. Williams & Wilkins Co., Baltimore, (Chapter 10), 1990, 100.
35. Donnelly ET, Steele E, Mc Clure N, Lewis S. Assessment of DNA integrity and morphology of ejaculated spermatozoa from fertile and infertile men before and after cryopreservation. Hum Reprod 16, 1191-1199, 2001.
36. Ковачев К. Ултраструктурен анализ на криогенните увреждания при сперматозоиди. Изд. Академично издателство "Марин Дринов", София, 2003, 15-50.
37. Pesch S, Bergmann M. Structure of mammalian spermatozoa in respect to viability, fertility and cryopreservation. Micron, 37, 5, 597-612, 2006.
38. Rives NM. Chromosome abnormalities in sperm from infertile men with normal somatic karyotypes: asthenozoospermia. Cytogenet Genome Res 111 (3-4), 358-62, 2005.
39. Linck RW, Albertini D, Kenney D, Langevin G. Tektin filaments: chemically unique filaments of sperm flagellar microtubules. Prog Clin Biol Res 80, 1, 27-132, 1982.
40. Blom E. A new sterilizing and hereditary defect (the dag defect) located in the bull spermtail. Nature (London) 209, 739-740, 1966.
41. Blom E, Birsch-Andersen A. The ultrastructure of the "pseudodroplet" defect in the bull semen. In: Congr Internat Reprod Anim Insem Artif, VI. Paris, 117-119, 1968.
42. Koefoed-Johnsen H, Pederson H. Further observations on the Dag-defect of the tail of the bull spermatozoon. J Reprod Fertil 26, 1, 77-83, 1971.
43. Jouannet P, Escaller D, Serres C, David G. Motility of human sperm without outerdinein arms. J Submicrosc Cytol Pathol 15, 1, 67-71, 1983.
44. Afzelius BA. The sperm cytoskeleton and its defects. In: Hesketh, J.E., Pryme, L.F.(Eds.), The Cytoskeleton, vol. 3. JAI Press, Greenwich, 1996, 325-357
45. Eliasson R, Mossberg B, Camer P, Afzelius B. The immotile-cilia syndrome: a congenital ciliary abnormality as an etiologic factor in chronic airway infection and male sterility. N Engl J Med 297, 1, 1-6, 1977.
46. Afzelius B, Eliasson R. Flagellar mutans in man: on the heterogeneity of the immotilecilia syndrome. J Ultrastruct Res 69, 1, 43-52,1979.
47. Mak V, Jarvi K, Buckspan M, et al. Smoking is associated with the retention of cytoplasm by human spermatozoa. Urology 56, 3, 463-466, 2000.
48. Zini A, R. Nam V, Mak D, et al. Influence of initial semen quality on the integrity of human sperm DNA following semen processing. Fertil Steril 74, 4, 824-7, 2000.
49. Berger R. Infection of the male reproductive tract. Curr Ther Endokrinol Metab, 35, 5, 305-309, 1994.
50. Цветкова П. Сперматогенеза и медико-биологични аспекти на мъжкия инфертилитет. Док. Дис., С., 2006, 440.
51. Rawe VY, Brugo Olmedo S, Nodar F, et al. G. Cytoskeletal organization defects and abortive activation in human oocytes after IVF and ICSI failure. Mol Hum Reprod 6, 4, 510-516, 2000.
52. Cooper T, Yeung C. Acquisition of volume regulatory response of sperm upon maturation
141
in the epididymis and the role of the cytoplasmic droplet. Microsc Res Tech 61, 1, 28-38, 2003.
53. Henkel R, Schreiber G, Sturmhoefel A, et al. Comparison of three staining methods for the morphological evaluation of human spermatozoa. Fertil Steril 89, 449-55, 2008.
54. Menkveld R. Clinical significance of the low normal sperm morphology value as proposed in the fifth edition of the WHO Laboratory Manual for the Examination and Processing of Human Semen. Asian J Androl 12, 1, 47-58, 2010.
Адрес за кореспонденция
Д-р Жан Читалов Бул. Пещерско шосе 66 Катедра по урология Медицински университет Гр. Пловдив chitalov63@gmail.com
