Cryoprotectant-free vitrification of spermatozoa: Fish as a model of human

Abstract

Post-thawing motility of spermatozoon, which is directly correlated with the integrity of mitochondrion, is the main parameter for evaluation of respective cryopreservation treatments. In this review, we describe our model of mitochondrial apparatus of spermatozoa and behaviour of this apparatus during cryopreservation. This model shows why a priori the mitochondrial apparatus of the human spermatozoon is expected to be more cryo-stable than the mitochondrial apparatus of the fish spermatozoon. Negative changes of mitochondrial membrane potential are a good indicator of the functional normality of mammalian and fish spermatozoa. It is concluded that the cryostability of mitochondrial membranes of fish spermatozoa is lower than that of human spermatozoa, and protocols for effective cryopreservation of fish spermatozoa can be extrapolated to human spermatozoa. It is also provided a biological explanation for why cryoprotectant-free vitrification for human ejaculates is better than conventional freezing and vitrification with cryoprotectants. This review also includes a description of the various technologies of vitrification of human and fish spermatozoa. For cryobiological investigations, we propose to evaluate the fish spermatozoon as a suitable representative model of the human spermatozoon.

Human sperm vitrification: the state of the art

“…As noted above, some scientists suggested using fish spermatozoa freezing model to investigate the mechanisms of why cryoprotectant-free vitrification for human ejaculates is better than conventional freezing and vitrification with cryoprotectants [15,16,50].…”

“…Compared to human spermatozoa, fish spermatozoa have lower mitochondrial membrane cryostability. Therefore, fish spermatozoa can be used as a model to investigate cryostability in human spermatozoa damage [15,16].…”

Crioconservación seminal en peces de agua dulce: aspectos biotecnológicos, celulares y bioquímicos

“…Sin embargo, en la crioconservación convencional, una alta concentración de crioprotectores internos, también conocidos como penetrantes o permeables, provoca la deshidratación excesiva de las células y daño celular irreversible debido al gradiente osmótico transmembrana (Benson, 2015). Además, algunos crioprotectores pueden inducir peroxidación lipídica (Isachenko et al, 2018) y llegar a ser tóxicos a una concentración dada (Yasui et al, 2012). En consecuencia, para que los crioprotectores sean biológicamente aceptables deben presentar baja toxicidad.…”

“…La tasa de descongelación dada por cualquier sistema hace referencia a la velocidad (en unidades de temperatura/unidades de tiempo) a la que una muestra se descongela. Su estandarización juega un papel clave en el desarrollo de los protocolos de crioconservación seminal (Maria et al, 2015), ya que se ha sugerido que las lesiones en los espermatozoides durante la crio-conservación convencional está relacionada principalmente con el efecto negativo de la descongelación (Isachenko et al, 2018). Cuando la tasa de descongelación es lenta, los cristales de hielo se recristalizan, se fusionan y crecen, conduciendo a un mayor daño celular; mientras que, cuando la tasa de descongelación es rápida, no hay tiempo suficiente para la recristalización, de modo que el hielo simplemente se derrite (Benson, 2015).…”

“…El potencial de la membrana mitocondrial está correlacionado positiva y significativamente con la motilidad espermática, la integridad de ADN nuclear y la tasa de fertilización (Giaretta et al, 2017;Figueroa et al, 2019). No obstante, las estructuras mitocondriales son sensibles al frío y pueden verse drásticamente afectadas durante la congelación (Isachenko et al, 2018). Figueroa et al (2019) sugieren que la crioconservación induce una reducción en la calidad y funcionalidad general de los espermatozoides a través de la interrupción de la ultraestructura y función mitocondrial, lo que conduce al agotamiento de la energía y al aumento del estrés oxidativo.…”