Оплодотворяющая способность сперматозоидов: факторы ее обуславливающие и методы определения (обзор)

Оплодотворение – сложный процесс, результатом которого является слияние гамет. Для получения оплодотворяющей способности сперматозоидам необходимо пройти постэякуляционные процессы в репродуктивном тракте самок. К ним относятся капацитация, гиперактивация и акросомальная реакция. Капацитация является сложным процессом, во время которого сперматозоид подвергается различным изменениям метаболизма, внутриклеточных концентраций ионов и других веществ. Основными факторами капацитации являются концентрация внутриклеточных ионов кальция, изменение свойств и структуры плазматической мембраны, pH среды, а также воздействие прогестерона и холестерола на сперматозоид. Возникающая далее гиперактивация приводит к изменению подвижности сперматозоида, вследствие чего он достигает яйцеклетки для дальнейшего проникновения в нее. Затем происходит акросомальная реакция – выброс из акросомы веществ, обеспечивающих проникновение через прозрачную оболочку ооцита. Определить оплодотворяющую способность можно различными методами: HBAтест основан на связывании сперматозоидов с гиалуроновой кислотой, SpermSlow используется для замедления сперматозоидов в гиалуронсодержащей среде. Целостность акросомы и подвижность сперматозоида можно определить с помощью метода Acrobeads, основанного на образовании у подвижных сперматозоидов комплекса с иммуноглобулинами, покрытыми антителами против белка с внутренней поверхности акросомальной мембраны. Метод SPA позволяет установить функциональную способность сперматозоидов связываться с оболочкой яйцеклетки. Помимо прямых методов, исследующих основные параметры и функции сперматозоида, есть методы, определяющие дополнительные параметры, такие как уровень окислительного стресса и факторов его вызывающих, наличие нарушений в генетическом аппарате мужской гаметы. Уровень окислительного стресса, количество активных форм кислорода можно найти с помощью реакции на тиобарбитуровую кислоту, реакцией с нитросиним тетразолием, путем оценки количества карбонильных производных аминокислотных остатков в белках, хемолюминисцентным анализом. Разрывы в ДНК можно определить тестом TUNEL, метод ДНК-комет используют для идентификации степени повреждения геномной ДНК, метод FISH применяют для анализа хромосомного набора сперматозоида. В шейке матки содержится цервикальная слизь, являющаяся необходимым фактором для оплодотворения. Способность сперматозоидов проникать через нее можно определить с помощью вспомогательных методов, например, swim-up. Его суть заключается в том, что в культуральной среде имитируют естественное перемещение мужских гамет, и отбирают те, которые отвечают требованиям. Концентрацию сперматозоидов и степень их подвижности в цервикальной слизи определяют посткоитальным тестом. Учитывая вышесказанное, и главным образом, доступность использования данных методик, актуальным является разработка отечественных наборов.

1. Peñagaricano F. Genomics and Dairy Bull Fertility. Veterinary Clinics of North America: Food Animal Practice. 2024;40(1):185–190. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cvfa.2023.08.005

2. Rahman M. S., Kwon W. S., Pang M. G. Prediction of male fertility using capacitation-associated proteins in spermatozoa. Molecular Reproduction Development. 2017;84(9):749–759. DOI: https://doi.org/10.1002/mrd.22810

3. Morales P., Llanos M. Interaction of human spermatozoa with the zona pellucida of oocyte: development of the acrosome reaction. Frontiers in Bioscience Landmark. 1996;1(4):146–160. DOI: https://doi.org/10.2741/a122

4. Xu F., Guo G., Zhu W., Fan L. Human sperm acrosome function assays are predictive of fertilization rate in vitro: a retrospective cohort study and metaanalysis. Reproductive Biology and Endocrinology. 2018;16(1):81. DOI: https://doi.org/10.1186/s12958-018-0398-y

5. Teves M. E., Roldan E. R. S. Sperm bauplan and function and underlying processes of sperm formation and selection. Physiological Reviews. 2022;102(1):7–60. DOI: https://doi.org/10.1152/physrev.00009.2020

6. Брагина Е. Е. Интерпретация спермограммы. Структура и функция спрематозоидов в норме и при нарушении фертильности. М.: Изд-во «Практическая медицина», 2024. 240 с.

7. Flesch F. M., Gadella B. M. Dynamics of the mammalian sperm plasma membrane in the process of fertilization. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Reviews on Biomembranes. 2000;1469(3):197–235. DOI: https://doi.org/10.1016/s0304-4157(00)00018-6

8. Jha K. N., Kameshwari D. B., Shivaji S. Role of signaling pathways in regulating the capacitation of mammalian spermatozoa. Cellular and molecular biology (Noisy-le-grand). 2003;49(3):329–340.

9. Mahé C., Zlotkowska A. M., Reynaud K., Tsikis G., Mermillod P., Druart X. et al. Sperm migration, selection, survival, and fertilizing ability in the mammalian oviduct†. Biology of Reproduction. 2021;105(2):317–331. DOI: https://doi.org/10.1093/biolre/ioab105

10. Töpfer-Petersen E., Petrounkina A. M., Ekhlasi-Hundrieser M. Oocyte-sperm interactions. Animal Reproduction Science. 2000;60-61:653–662. DOI: https://doi.org/10.1016/s0378-4320(00)00128-7

11. Bernecic N. C., Gadella B. M., Leahy T, de Graaf S. P. Novel methods to detect capacitation-related changes in spermatozoa. Theriogenology. 2019;137:56–66. DOI: https://doi.org/10.1016/j.theriogenology.2019.05.038

12. Witte T. S., Schäfer-Somi S. Involvement of cholesterol, calcium and progesterone in the induction of capacitation and acrosome reaction of mammalian spermatozoa. Animal Reproduction Science. 2007;102(3-4):181–193. DOI: https://doi.org/10.1016/j.anireprosci.2007.07.007

13. Yanagimachi R. Fertility of Mammalian Spermatozoa: Its Development and Relativity. Zygote. 1994;2(4):371–372. DOI: https://doi.org/10.1017/s0967199400002240

14. Cross N. L. Decrease in order of human sperm lipids during capacitation. Biology of Reproduction. 2003;69(2):529–534. DOI: https://doi.org/10.1095/biolreprod.102.013052

15. Darszon A., López-Martínez P., Acevedo J. J., Hernández-Cruz A., Treviño C. L. T-type Ca2+ channels in sperm function. Cell Calcium. 2006;40(2):241–252. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceca.2006.04.028

16. Денисенко В. Ю., Кузьмина Т. И., Бойцева Е. Н. Индукция капацитации бычьих сперматозоидов до криоконсервации повышает их жизнеспособность после размораживания. Гены и клетки. 2018;13(2):72–76. DOI: https://doi.org/10.23868/201808023 EDN: YWRTQD DOI: https://doi.org/10.23868/201808023

17. Leemans B., Stout T. A. E., De Schauwer C., Heras S., Nelis H., Hoogewijs M. et al. Update on mammalian sperm capacitation: How much does the horse differ from other species? Reproduction. 2019;157(5):R181–R197. DOI: https://doi.org/10.1530/REP-18-0541

18. Jin S. K., Yang W. X. Factors and pathways involved in capacitation: how are they regulated? Oncotarget. 2017;8(2):3600–3627. DOI: https://doi.org/10.18632/oncotarget.12274

19. Boerke A., Tsai P. S., Garcia-Gil N., Brewis I. A., Gadella B. M. Capacitation-dependent reorganization of microdomains in the apical sperm head plasma membrane: functional relationship with zona binding and the zona-induced acrosome reaction. Theriogenology. 2008;70(8):1188–1196. DOI: https://doi.org/10.1016/j.theriogenology.2008.06.021

20. Hess K. C., Jones B. H., Marquez B., Chen Y., Ord T. S., Kamenetsky M. et al. The “soluble” adenylyl cyclase in sperm mediates multiple signaling events required for fertilization. Developmental Cell. 2005;9(2):249–259. DOI: https://doi.org/10.1016/j.devcel.2005.06.007

21. Tsai W. W., Niessen S., Goebel N., Yates J. R., Guccione E., Montminy M. PRMT5 modulates the metabolic response to fasting signals. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2013;110(22):8870–8875. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1304602110

22. Agarwal A., Virk G., Ong C., du Plessis S. S. Effect of oxidative stress on male reproduction. The World Journal of Men’s Health. 2014;32(1):1–17. DOI: https://doi.org/10.5534/wjmh.2014.32.1.1

23. La Spina F. A., Puga Molina L. C., Romarowski A., Vitale A. M., Falzone T. L. et al. Mouse sperm begin to undergo acrosomal exocytosis in the upper isthmus of the oviduct. Developmental Biology. 2016;411(2):172–182. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ydbio.2016.02.006

24. Suarez S. S. Control of hyperactivation in sperm. Human Reproduction Update. 2008;14(6):647–657. DOI: https://doi.org/10.1093/humupd/dmn029

25. Беляева Л. А., Шурыгина О. В., Жилкина М. П., Миронов С. Ю., Кулакова О. В., Бовтунова С. С., Шурыгина А. С. Гиперактивация сперматозоидов и ее роль в процессе оплодотворения. Acta Medica Eurasica. 2024;(1):74–81. DOI: https://doi.org/10.47026/2413-4864-2024-1-74-81 EDN: PXYRYW DOI: https://doi.org/10.47026/2413-4864-2024-1-74-81

26. Marchlewska K., Erkiert-Kusiak M., Walczak-Jędrzejowska R., Słowikowska-Hilczer J. Sperm Migration and Hyaluronic Acid Binding: Implications for Male Fertility Evaluation. International Journal of Molecular Sciences. 2024;25(18):9995. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms25189995

27. Федорова И. Д., Кузнецова Т. В. Генетические факторы мужского бесплодия. Журнал акушерства и женских болезней. 2007;56(1):64–72. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=9483636 EDN: HEUFLB URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=9483636

28. Stauss C. R., Votta T. J., Suarez S. S. Sperm motility hyperactivation facilitates penetration of the hamster zona pellucida. Biology of reproduction. 1995;53(6):1280–1285. DOI: https://doi.org/10.1095/biolreprod53.6.1280

29. Ho H. C., Suarez S. S. Hyperactivation of mammalian spermatozoa: function and regulation. Reproduction. 2001;122(4):519–526. DOI: https://doi.org/10.1530/rep.0.1220519

30. Makker K., Agarwal A., Sharma R. Oxidative stress & male infertility. Indian Journal of Medical Research. 2009;129(4):357–367.

31. Tesarik J. Acrosome reaction testing. Report of the consensus workshop on advanced diagnostic andrology techniques. ESHRE, AndrologySpecial Interest Group Hum. Reprod, 1996. Vol. 11. pp. 1463–1479.

32. Ramalho-Santos J., Schatten G., Moreno R. D. Control of membrane fusion during spermiogenesis and the acrosome reaction. Biology of Reproduction. 2002;67(4):1043–1051. DOI: https://doi.org/10.1095/biolreprod67.4.1043

33. Baldi E., Luconi M., Bonaccorsi L., Forti G. Nongenomic effects of progesterone on spermatozoa: mechanisms of signal transduction and clinical implications. Frontiers in Bioscience Landmark. 1998;3(4):1051–1059. DOI: https://doi.org/10.2741/a345

34. Bowker Z., Goldstein S., Breitbart H. Protein acetylation protects sperm from spontaneous acrosome reaction. Theriogenology. 2022;191:231–238. DOI: https://doi.org/10.1016/j.theriogenology.2022.08.005

35. Breitbart H., Grinshtein E. Mechanisms That Protect Mammalian Sperm from the Spontaneous Acrosome Reaction. International Journal of Molecular Sciences. 2023;24(23):17005. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms242317005

36. Shabtay O., Breitbart H. CaMKII prevents spontaneous acrosomal exocytosis in sperm through induction of actin polymerization. Developmental Biology. 2016;415(1):64–74. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ydbio.2016.05.008

37. Guidobaldi H. A., Hirohashi N., Cubilla M., Buffone M. G., Giojalas L. C. An intact acrosome is required for the chemotactic response to progesterone in mouse spermatozoa. Molecular Reproduction and Development. 2017;84(4):310–315. DOI: https://doi.org/10.1002/mrd.22782

38. Xuan X. J., Xu C., Zhao Y. R., Wu K. L., Chen T., Zhang H. B. et al. Application of spontaneous acrosome reaction of sperm in prediction of outcome of in-vitro fertilization and embryo transfer. Zhonghua Yi Xue Za Zhi. 2016;96(16):1285–1288. DOI: https://doi.org/10.3760/cma.j.issn.0376-2491.2016.16.013

39. Назаренко Р. В., Здановский В. М. Методы селекции сперматозоидов для процедуры интрацитоплазматической инъекции сперматозоида в программах экстракорпорального оплодотворения (обзор литературы). Проблемы репродукции. 2019;25(2):83–89. DOI: https://doi.org/10.17116/repro20192502183 EDN: RVNRSH DOI: https://doi.org/10.17116/repro20192502183

40. Ohashi K., Saji F., Kato M., Tsutsui T., Tomiyama T., Tanizawa O. Acrobeads test: a new diagnostic test for assessment of the fertilizing capacity of human spermatozoa. Fertility and Sterility. 1995;63(3):625–630.

41. Hershlag A., Paine T., Scholl G. M., Rosenfeld D. L., Mandel F. S., Zhu J. Z. et al. Acrobeads test as a predictor of fertilization in vitro. American Journal of Reproductive Immunology. 1997;37(4):291–299. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1600-0897.1997.tb00232.x

42. Lazarevic J., Wikarczuk M., Somkuti S. G., Barmat L. I., Schinfeld J. S., Smith S. E. Hyaluronan binding assay (HBA) vs. sperm penetration assay (SPA): Can HBA replace the SPA test in male partner screening before in vitro fertilization? Journal of experimental & clinical assisted reproduction. 2010;7:2.

43. Burkman L. J., Coddington C. C., Franken D. R., Kruger T. F., Rosenwaks Z., Hodgen G. D. The hemizona assay (HZA): development of a diagnostic test for the binding of human spermatozoa to the human hemizona pellucida to predict fertilization potential. Fertility and Sterility. 1988;49:688–697.

44. Chemlal H., Bensalem S., Bendiab K., Azzar M., Benberkane A., Lalaoui K. et al. High HbA 1c levels affect motility parameters and overexpress oxidative stress of human mature spermatozoa. Andrologia. 2021;53(1):e13902. DOI: https://doi.org/10.1111/and.13902

45. Атрощенко М. М., Медведев Д. В. Биохимические маркеры качества спермы жеребцов (обзор). Сельскохозяйственная биология. 2023;58(2):249–259. DOI: https://doi.org/10.15389/agrobiology.2023.2.249rus EDN: WTNMEO DOI: https://doi.org/10.15389/agrobiology.2023.2.249rus

46. Saleh R. A., Agarwal A. Oxidative stress and male infertility: from research bench to clinical practice. Journal of Andrology. 2002;23:737–752. 47. Badouard C., Ménézo Y., Panteix G., Ravanat J. L., Douki T., Cadet J., Favier A. Determination of new types of DNA lesions in human sperm. Zygote. 2008;16(1):9–13. DOI: https://doi.org/10.1017/S0967199407004340

47. Neelke D. M., El-Khatib I. Chapter 25 – How to set up an andrology laboratory for a fertility center? Handbook of Current and Novel Protocols for the Treatment of Infertility. Academic Press, 2024. pp. 345–355. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-323-85687-4.00005-1

48. Kandil H., Farkouh A., Saleh R., Boitrelle F., Agarwal A. Chapter 3 – Sperm DNA fragmentation and male infertility: a comprehensive review for the clinicians. Handbook of Current and Novel Protocols for the Treatment of Infertility. Academic Press, 2024. pp. 29–52. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-323-85687-4.00018-X

49. Kang S. H., Kwon J. Y., Lee J. K., Seo Y. R. Recent advances in in vivo genotoxicity testing: prediction of carcinogenic potential using comet and micronucleus assay in animal models. Journal of Cancer Prevention. 2013;18(4):277–288. DOI: https://doi.org/10.15430/jcp.2013.18.4.277

50. Плосконос М. В. Сравнительная характеристика методов выделения сперматозоидов из нативного эякулята мужчин. Клиническая лабораторная диагностика. 2016;61(6):342–347. DOI: https://doi.org/10.18821/0869-2084-2016-61-6-342-347 EDN: WFDVQH

51. Rubio C., Gil-Salom M., Simón C., Vidal F., Rodrigo L., Mínguez Y. et al. Incidence of sperm chromosomal abnormalities in a risk population: relationship with sperm quality and ICSI outcome. Human Reproduction. 2001;16(10):2084–2092. DOI: https://doi.org/10.1093/humrep/16.10.2084

52. Muriel L., Goyanes V., Segrelles E., Gosálvez J., Alvarez J. G., Fernández J. L. Increased aneuploidy rate in sperm with fragmented DNA as determined by the sperm chromatin dispersion (SCD) test and FISH analysis. Journal of Andrology. 2007;28(1):38–49. DOI: https://doi.org/10.2164/jandrol.106.000067

53. Курило Л. Ф., Любашевская И. А., Дубинская В. П., Гаева Т. Н. Кариологический анализ состава незрелых половых клеток эякулята. Урология и нефрология. 1993;(2):45–47.

54. Андреева М. В., Штаут М. И., Добродеева Л. Т., Сорокина Т. М., Черных В. Б., Курило Л. Ф. Количественный кариологический анализ незрелых половых клеток из эякулята при нормальной концентрации сперматозоидов. Андрология и генитальная хирургия. 2022;(1):37–44. DOI: https://doi.org/10.17650/1726-9784-2022-23-1-37-44 EDN: MVMVPV