Heat stress and antioxidant agents: Effects on gamete development

Abstract

El objetivo principal de esta tesis es el estudio de los efectos de las altas temperaturas en el desarrollo gamético y cómo el uso de agentes antioxidantes suplementados a los medios de maduración o mantenimiento/congelación de espermatozoides podría contrarrestar los efectos negativos del estrés térmico y/o de la excesiva producción de radicales libres de oxígeno (ROS), con la finalidad de encontrar métodos adicionales que mejoren la fertilidad durante la época cálida del año. En el capítulo 1 se ha evaluado la influencia del estrés térmico sobre la maduración de ovocitos bovinos en comparación con ovocitos sobremadurados. Los ovocitos estresados térmicamente (41.5ºC, entre las 18-21h de maduración; HSO) y sobremadurados (28h de maduración; OMO) tienen 17.1 y 18 veces más probabilidades de presentar maduración ovocitaria anómala en comparación con los ovocitos madurados bajo condiciones fisiológicas (38.5ºC). Así pues, el estrés térmico produce un envejecimiento ovocitario mediante la aceleración de los procesos nucleares y citoplasmáticos de una forma similar a los que se producen durante la sobremaduración. El objetivo del segundo capítulo fue comparar los efectos del estrés térmico en la maduración ovocitaria según si estos son obtenidos en la época fría (Febrero-Marzo) o cálida (Mayo-Junio) del año. Sólo pudo detectarse la interacción entre la época del año y el tratamiento al que fueron expuestos los ovocitos en cuanto a maduración citoplasmática, siendo los ovocitos obtenidos durante la época fría 25.96 veces más probables de mostrar una maduración anómala cuando se someten a estrés térmico. Así pues, existe una mayor tolerancia al estrés térmico cuando los ovocitos provienen de la época cálida del año en comparación con los obtenidos en la época fría. En el capítulo 3, se evaluó el supuesto efecto protector de agentes antioxidantes suplementados en el medio de maduración de HSO bovinos. El retinol mejoró la progresión de los ovocitos a MII (P = 0.031), aunque retinyl y ácido oleico no pudieron contrarrestar los efectos del estrés térmico. Así, el retinol parece ser válido protegiendo la maduración nuclear en ovocitos estresados térmicamente. El objetivo del capítulo 4 fue evaluar el efecto de una exposición prolongada a ciclos circadianos de estrés térmico (31ºC, 3 horas/día) sobre los espermatozoides epididimarios de conejo. La motilidad total y la progresividad se vieron afectadas negativamente por las altas temperaturas (P < 0.05). Además, el estrés térmico incrementó la ratio de subpoblaciones menos mótiles aunque manteniendo los porcentajes de subpoblaciones más mótiles. En el capítulo 5, se evaluó el efecto del suplemento de agentes antioxidantes (albúmina sérica bovina, retinol y retinyl) en un medio de congelación comercial como método para mejorar la calidad de los espermatozoides descongelados de conejo, ya que la congelación produce un incremento de los niveles de ROS. El hecho de añadir agentes antioxidantes no mejoró la calidad espermática post-congelación, aunque el suplemento con retinyl parece ser tóxico. Por todo ello, es necesario realizar más estudios con el fin de encontrar el antioxidante apropiado y la concentración más efectiva con la cual pueda mejorarse la calidad espermática post-congelación. El objetivo del último capítulo fue evaluar el efecto de las altas temperaturas sobre los espermatozoides epididmarios de toro y cómo suplementar retinol al medio de mantenimiento como agente antioxidante podría mejorar los parámetros de calidad espermática. Retinol en el medio de mantenimiento no mostró ningún efecto sobre los parámetros de calidad espermática con excepción del porcentaje de acrosomías, el cual se redujo. Así pues, el retinol podría estabilizar la membrana acrosomal de los espermatozoides en situaciones de estrés oxidativo debido a las altas temperaturas.

The general aim of this thesis has been the study of the effects of high temperatures on gamete development and how the use of antioxidant agents supplemented to the maturation medium and sperm storage/freezing extenders could counteract the negative effects of heat stress and/or the excessive production of reactive oxygen species (ROS), in order to find additional methods to improve fertility during the warm season of the year. In chapter 1, the influence of heat stress on bovine oocyte maturation was evaluated and compared with overmatured oocytes. Based on the odds ratio, heat-stressed (41.5ºC, 18-21h of maturation; HSO) and overmatured (28h of maturation; OMO) oocytes were, 17.1 and 18 times more likely to show anomalous oocyte maturation, respectively, than control oocytes (38.5ºC; CO). Hence, heat stress proved to be valuable in aging oocytes by advancing nuclear and cytoplasmic processes in a similar form to that of oocyte overmaturation. The aim of chapter 2 was to compare the effects of heat stress on bovine oocyte maturation from oocytes collected during the cold (February-March) or warm (May-June) periods of the year. Only a significant interaction between season of collection and treatment was found in terms of cytoplasmic maturation, being oocytes collected during the cold season 25.96 times more likely to show an anomalous maturation when exposed to the heat treatment. From this chapter, it can be concluded that exists a higher tolerance to heat stress from oocytes harvested in the warm season compared to those collected in the cold period of the year. In chapter 3, the presumptive protective effects of antioxidant agents (retinol, retinyl and oleic acid) on maturation medium were evaluated on bovine HSO. Retinol allowed to improve the oocyte MII progression under heat stress conditions (P = 0.031), although retinyl and oleic acid, at the concentrations used in this study, could not counteract adverse effects of HS. Hence, retinol proved to be valuable in heat-stressed oocytes protecting nuclear maturation. Chapter 4 aimed to assess the effect of long exposure to summer circadian heat stress cycles (31ºC, 3 hours/day) on epididymal sperm cells from rabbit bucks. Sperm total motility and progressivity were negatively affected by high temperatures (P < 0.05). According to motile sperm-subpopulations, heat stress significantly increased ratio of less motile subpopulations, although maintaining percentage of the high motile subpopulation. Hence, the induced changes in sperm motility produced by environmental heat stress are linked to concomitant changes in the proportion of motile sperm-subpopulations of the epididymis, although these changes did not affect the subpopulation with the highest motile epididymal sperm cells. In the chapter 5, the effect of antioxidant agents (bovine serum albumin, retinol and retinyl) supplemented at different concentrations into a commercial freezing extender was evaluated in order to improve post-thaw rabbit sperm quality since cryopreservation increases ROS levels. The addition of antioxidant agents did not improve thaw-sperm quality, although retinyl supplementation seems to be toxic. More studies are required in order to find the appropriate antioxidants and their most effective concentrations, which will improve rabbit post-thaw sperm quality. The aim of the last chapter was assess the effect of high temperatures on bull epididymal sperm cells and how the addition of retinol as antioxidant agent in the storage extender could improve sperm quality parameters. Sperm quality parameters are mainly affected by high temperatures (41.5ºC) and the addition of retinol to the storage extender did not show any effect on sperm quality parameters with an exemption of the percentage of altered acrosomes, which was reduced in presence of retinol. Thus, retinol may stabilize sperm acrosomal membrane in situations of oxidative stress due to high temperatures.