Targeted molecules to assess and improve human sperm quality: a mitochondrial perspective

Abstract

Decreased sperm quality is the leading factor for male infertility that is thought to be responsible for up to 50% of the cases of couple infertility. Oxidative stress has been appointed has a major contributor for impaired sperm function, mirrored by a decreased mitochondrial functionality. To overcome this hurdle, proper assessment as well as management of an increased ROS/RNS production is imperative. In this work we evaluated the ability of several commercially available fluorescent probes to detect sperm ROS/RNS content, as well as study the effects of mitochondrial-targeted antioxidants on key sperm parameters in order to improve overall sperm quality. Through flow cytometry-based experiments, our results have confirmed that MitoSOX™ Red and DHE detect superoxide anion, while DAF-2A is specific towards nitric oxide. For the first time, we have also reported the use of RedoxSensor™ Red CC-1, CellROX® Orange Reagent, and MitoPY1 on human sperm cells, where they seem to be mostly sensitive to hydrogen peroxide, but not superoxide. Mitochondrial-targeted antioxidant therapy using AntiOxBEN2 and AntiOxCIN4 has provided preliminary results that suggest a positive outcome on sperm quality. These antioxidant compounds have shown recovery potential (concerning sperm motility) after an oxidative insult (using hydrogen peroxide as a control). Further studies on mitochondrial parameters are necessary to fully understand the potential use of such antioxidant compounds for therapeutic purposes. In sum, our results demonstrate that sperm ROS/RNS detection using fluorescent probes and OS management using mitochondrial-targeted antioxidants are in the forefront when aiming to develop new strategies to treat/manage male infertility.

A diminuição da qualidade espermática é um fator determinante para a infertilidade masculina, que por sua vez pode ser responsável por cerca de 50% dos casos de infertilidade conjugal. O stress oxidativo tem sido apontado como um grande contribuidor para uma função espermática alterada, sendo esta refletida por uma atividade mitocondrial diminuída. De modo a ultrapassar este problema, a avaliação adequada bem como o controlo de uma eventual produção excessiva de espécies reativas de oxigénio (ERO) e espécies reativas de azoto (ERN) são essenciais. Neste trabalho avaliámos a capacidade de várias sondas fluorescentes na deteção do conteúdo de ERO/ERN em espermatozoides humanos bem como a estudar o efeito de antioxidantes dirigidos para a mitocôndria em parâmetros-chave do gâmeta masculina, almejando deste modo melhorar a qualidade espermática. Através de ensaios baseados em citometria de fluxo, os nossos resultados confirmaram que as sondas MitoSOX™ Red e DHE detetam superóxido, enquanto a sonda DAF-2 DA é específica para óxido nítrico. Já as sondas RedoxSensor™ Red CC-1, CellROX® Orange Reagent, e MitoPY1 foram usadas pela primeira vez em espermatozoides humanos neste trabalho, onde demonstraram ser mais sensíveis a peróxido de hidrogénio do que a superóxido. A terapia antioxidante mitocondrial, usando os compostos AntiOxBEN2 e AntiOxCIN4, gerou dados preliminares que apontam para um efeito benéfico na qualidade espermática. Estes compostos antioxidantes demonstraram grande capacidade de recuperar a mobilidade progressiva dos espermatozoides, após um estímulo oxidativo (usando o peróxido de hidrogénio como controlo). No entanto, mais estudos focados em outros parâmetros mitocondriais são necessários para perceber o real potencial destes compostos para fins terapêuticos. De um modo geral, os resultados demonstram que a deteção de ERO/ERN usando sondas fluorescentes bem como o uso de antioxidantes dirigidos para a mitocôndria estão na vanguarda para eventuais novos tratamentos da infertilidade masculina.