L’integrità del genoma spermatico come fattore predittivo della fertilità
L’integrità del genoma spermatico come fattore predittivo della fertilità
23/06/2009
Negli ultimi decenni grandi conquiste tecniche e conoscitive hanno enormemente aumentato la capacità di intervenire nel processo riproduttivo. Da una parte gli interventi che mirano a controllare le nascite (contraccezione, aborto) permettono di scindere la sessualità dalla riproduzione e dall’altra le nuove tecniche riproduttive, applicate nel trattamento della sterilità, rendono possibile la riproduzione senza sessualità. Lo sviluppo delle biotecnologie riproduttive ha determinato, inoltre, lo sviluppo di una diagnostica specifica, capace di modificare e finalizzare alle proprie esigenze gli strumenti analitici del laboratorio di base.
Queste trasformazioni si sono realizzate di pari passo con un progressivo aumento della richiesta di intervento medico nel campo dell’infertilità di coppia che, nei paesi occidentali, secondo stime dell’Organizzazione Mondiale della Sanità, colpisce circa il 15% delle coppie in età fertile (1-5). Le cause di infertilità sono da ricondurre per un buon 40% a un deficit della componente maschile, mentre per il 20% circa alla sovrapposizione di fattori maschili e femminili. Da qui possiamo rilevare che il 60% dell’infertilità è di natura maschile.
Sebbene in alcuni casi il fattore maschile possa essere spiegato da patologie ben identificabili, nella maggioranza dei casi è idiopatico. I soggetti infertili sono caratterizzati da un ridotto numero di spermatozoi, da una ridotta motilità e da alterata morfologia nemaspermica o, come accade in molti casi, da una combinazione di tutti questi fattori.In condizioni normali la riproduzione maschile richiede che quattro distinti componenti interagiscano in maniera concertata con le funzioni riproduttive femminili al fine di garantire il successo della procreazione: gli spermatozoi come veicolo di trasporto dell’informazione genetica e come agenti fecondanti; il liquido seminale come “medium” di trasporto degli spermatozoi; gli organi per trasferire il seme nei tratti genitali femminili; il benessere sessuale maschile. Inoltre l’integrità degli ormoni neurali e vascolari è anch’essa un prerequisito per la regolare funzione dei quattro componenti. In particolare il meccanismo di feedback endocrino che coinvolge l’ipotalamo, la ghiandola pituitaria e i testicoli regola ciascun componente e la loro coordinazione (6). Un ormone ipotalamico, l’ormone per il rilascio delle gonadotropine (GnRH) è responsabile per la produzione di due gonadotropine: l’ormone follicolo stimolante (follicle stimulating hormone, FSH) e l’ormone luteinizzante (luteinizing hormone, LH) che agendo in maniera sinergica sui testicoli regolano la produzione dei gameti maschili.
L’LH agisce principalmente sulle cellule di Leyding situate negli interstizi testicolari promuovendo la sintesi di testosterone. L’azione dell’FSH e del testosterone si esplica principalmente attraverso le cellule di Sertoli, dato che le cellule germinali maschili non posseggono recettori per l’FSH e per gli androgeni. Sebbene l’esatto meccanismo di azione di questi due ormoni non sia stato completamente chiarito, evidenze sperimentali suggeriscono che sia l’FSH che il testosterone sono in grado di stimolare tutte le fasi della spermatogenesi, in particolare l’FSH sembra svolgere un ruolo critico nel regolare il processo spermatogenetico da un punto di vista quantitativo (7). Vari tentativi sono stati fatti per incrementare, in pazienti oligospermici, la produzione di spermatozoi attraverso la somministrazione di FSH sebbene i risultati di tali sperimentazioni sono ancora controversi. Diversi studi condotti utilizzando sia FSH altamente purificato dalle urine (uFSH) (8-10) che FSH ricombinante (rhFSH) (11) non hanno mostrato un effettivo incremento nei parametri seminali, anche se è stato documentato un aumento nelle percentuali di fecondazione e gravidanza in coppie non fertili sottoposte a cicli di IVF-ICSI per fattori legati all’uomo suggerendo che l’FSH può rappresentare una terapia coadiuvante e valida per il partner maschile (12, 13). Recentemente è stato dimostrato che la somministrazione di FSH potrebbe essere un trattamento appropriato per pazienti oligospermici quando i livelli plasmatici di inibina B e FSH sono normali (14). Inoltre la terapia con FSH in uomini infertili migliora significativamente alcuni parametri ultramorfologici degli organelli subcellulari degli spermatozoi, principalmente l’acrosoma, il nucleo e l’assonema (12).
Negli studi fin qui condotti poca importanza è stata attribuita all’effetto di tali trattamenti sull’integrità del materiale genetico, cosa particolarmente rilevante specialmente nell’applicazioni di talune tecniche di fecondazione assistita quali l’iniezione intracitoplasmatica del singolo spermatozoo (Intracytoplasmic Sperm Injection; ICSI) che oltrepassa i normali meccanismi fisiologici di selezione della fecondazione. Come noto, alterazione del liquido seminale e infertilità non sono sinonimi, quindi sia la presenza di aneuploidie che di frammentazione del DNA potrebbero notevolmente influenzare l’efficienza di tali metodiche in termini di sviluppo embrionale.
Le anomalie cromosomiche sono straordinariamente comuni nell’uomo. Rispetto alle altre specie, l’uomo sembra avere la più alta incidenza di aberrazioni cromosomiche con più del 50% degli aborti spontanei che presentano anomalie. Molte anomalie cromosomiche sono letali e sono perse precocemente durante lo sviluppo embrionale manifestandosi come infertilità o aborti spontanei. Concepimenti cromosomicamente anormali che sopravvivono includono la trisomie a carico dei cromosomi 13, 18, 21 e le aneuploidie che riguardano i cromosomi sessuali. Individui con aneuploidie autosomali spesso presentano disabilità fisiche e mentali, mentre quelli con anomalie nei cromosomi sessuali possono avere problemi di fertilità, difficoltà comportamentali e ridotte capacità intellettive. La maggior parte delle trisomie autosomali sono di origine materna, mentre la maggioranza delle anomalie a carico dei cromosomi sessuali si originano nella linea germinale maschile.
È noto (15) che la prevalenza di anomalie cromosomiche è maggiore nei maschi infertili. Uno studio condotto sull’incidenza di anomalie cromosomiche in 30 pazienti oligospermici ha rilevato una relazione inversa tra la concentrazione spermatica e la frequenza di anomalie cromosomiche. Pazienti affetti da leggera oligozoospermia presentano una frequenza di anomalie cromosomiche che rientra nel “range” di soggetti normali, ma in pazienti con un oligozoospermia moderata o severa si evidenzia un significativo incremento nella frequenza di aneuploidie e diploidie spermatiche. Tale studio ha dimostrato che pazienti con oligozoospermia severa (<106 spermatozoi/ml) presentano la più elevata frequenza di anomalie cromosomiche e questi sono esposti ai rischi più elevati di produrre una progenie cromosomicamente anormale in seguito a un ciclo di ICSI (16).
Rispetto alla popolazione generale le alterazioni cromosomiche sono molto comuni nei partner maschili di coppie sottoposte a ICSI (17). Sono stati condotti diversi studi in passato dai quali risulta che l’incidenza di fattori cromosomici nei soggetti infertili è compresa tra il 2% e l’8% con un valore medio di circa il 5% (18-25). Questa percentuale aumenta fino al 15% nei soggetti azoospermici nei quali l’anomalia maggiore è rappresentata dall’aneuploidia 47,XXY. Le alterazioni dei cromosomi sessuali sono l’anomalia maggiore nei soggetti azoospermici, ma nei pazienti infertili si possono riscontrare anche diverse anomalie strutturali degli autosomi, che includono le traslocazioni Robertsoniane e reciproche, inversioni, duplicazioni e delezioni. Nei soggetti infertili sottoposti ad ICSI in Francia il 3.7% ha anomalie dei cromosomi sessuali ed il 2.4% ha anomalie degli autosomi (17). Nei soggetti azoospermici le anomalie dei cromosomi sessuali si ritrovano nel 15.9% e anomalie degli autosomi nel 2.8% dei casi. È interessante notare che nei soggetti normozoospermici la percentuale delle alterazioni cromosomiche è del 3.0%, comprendente aneuploidie dei cromosomi sessuali (per esempio 47,XXY e mosaicismi) (1.4%) e anomalie strutturali bilanciate (1.6%). Studi preliminari sulle gravidanze ottenute mediante ICSI suggeriscono che le alterazioni dei cromosomi sessuali sono più frequenti rispetto alle gravidanze naturali (26-28). In generale i bambini nati mediante ICSI hanno un più alto rischio di anomalie cromosomiche (29-31). Anche se i dati sono ancora contrastanti sembra che la percentuale di alterazioni cromosomiche nei nati ICSI sia nell’ordine del 3%, la metà delle quali viene trasmesso dal padre (32).
Negli ultimi decenni, la misurazione dell'integrità della struttura della cromatina negli spermatozoi è stato oggetto di numerosi studi che hanno evidenziato come un'eccessiva frammentazione del DNA spermatico compromette la fertilità maschile (33-35). Durante la spermatogenesi, il DNA e complessato con gli istoni negli spermatidi che sono poi sostituiti con proteine di transizione e in fine con le protammine. La strutta terziaria e quaternaria del complesso protammine-DNA svolge un ruolo primario sia nella protezione dell'informazione genetica che nel regolare gli eventi che si susseguono subito dopo la fecondazione e che consentono un corretto sviluppo embrionale (36) Uomini non fertili con bassa motilità e morfologia spermatica, presentano un incremento nella frammentazione del DNA rispetto a individui con parametri spermatici normali (37-39). La frammentazione del DNA spermatico può risultare da un alterato processo di condensazione della cromatina durante la spermatogenesi (40, 41), da difetti relativi al processo apoptotico prima dell’eiaculazione (42) o da una eccessiva produzione di specie reattive dell’ossigeno nell’eiaculato (43, 44). L’esposizione a tossine ambientali o industriali, stress ossidativi, il fumo sono cause ben note che determinano frammentazione del DNA e infertilità (45-47). La fecondazione con spermatozoi che contengono frammentazione nel DNA può condurre a difetti fetali e può anche incrementare il rischio di cancro nella progenie (48-50). Inoltre, la fecondazione con spermi con DNA frammentato ha come risultato un basso sviluppo embrionale, un decremento nell’impianto e una riduzione in termini di gravidanze portate a termine (51-55). Quindi sembra logico valutare l’integrità della cromatina degli spermatozoi in uomini non fertili prima della riproduzione assistita (56).
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