Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Binding capacity of bull spermatozoa to oviductal peithelium in vitro and its ralation to sperm chromatin stability, sperm volume regulation and fertility

Khalil, Abdel-Tawab Abdel-Razek Yassin

The present study was undertaken to evaluate the efficiency of the sperm-oviduct explant binding assay (OEA) in predicting the sperm fertilization potential in vitro and, to investigate the relationship between the sperm oviduct binding ability, sperm response to hypo-osmotic stress and sperm chromatin stability. 90 ejaculates from 30 test bulls were submitted to: the Oviductal-Explant-Assay (OEA), modified fluorescence microscopical Sperm-Chromatin Structure Assay (mf-SCSA), modified Hypo-Osmotic Swelling Test (m-HOST) and viability assessment using SYB14/Probidium Iodide double staining (Sperm Viability Kits). As well as were submitted to morphological and motility evaluation using Cell Motion Analyser (CMA). The number of spermatozoa that bound to 0.01 mm2 of oviductal explant (Binding index; BI) was used as the parameter of binding capacity. Significant (p<0.05) differences in BI and sperm volumetric parameters among bulls were reported in the present study. The BI was positively significant correlated with all sperm volumetric parameters (RVS and RVD) that recovered from the m-HOST and negatively significant (p<0.05) correlated with percentage of spermatozoa with unstable chromatin. No significant correlations were found between the BI and most of the conventional spermatological parameters. The percentage of spermatozoa with unstable chromatin was significantly (P<0.05) negative correlated with relative volume increase, but not correlated with regulative volume decrease (RVD). No significant correlations were recorded between most of the conventional spermatological parameters and both sperm volumetric parameters and percentage of spermatozoa with unstable chromatin, except for forward motility % of Percoll selected spermatozoa, where a significant (p<0.05) negative correlation was recorded. Six ejaculates of bulls with low (n = 3) and high (n = 3) binding index and five ejaculates of bulls with low (n = 2) and high (n = 3) percentage of spermatozoa with unstable chromatin were further examined for their fertility by the in vitro fertilization (IVF) test. Concerning the relation between the BI and fertility in vitro, no significant difference in cleavage rate was recorded between the two groups of bulls, while a significant (p<0.01) difference in blastocyst rate was recorded, as the bulls with high BI (26.6±5.8) showed high blastocyst rate (16.6±5.8) and the bulls with low BI (8.3±1.7) showed low blastocyst rate (10.9±1.3). Regarding the relationship between chromatin stability and in vitro fertility, significant differences in both cleavage rate (P<0.05) and blastocyst rate (P<0.01) were recorded between the two groups of bulls, where the bulls with low percentages (2.8 ±0.5) of sperm with unstable chromatin showed significantly higher cleavage- and blastocyst rate (62.5±0.5, 26.4±5.7 respectively) than bulls with high percentages of sperm with unstable chromatin (9±0.8) that showed cleavage rate of 50.7±9.1 and blastocyst rate of 16.1±7.8. In conclusion, the individual bull difference in the BI indicates a selective function of sperm oviduct binding. It is also suggested that an increased percentage of spermatozoa with unstable chromatin coincides with a disturbed plasma membrane function as indicated by altered sperm volume regulation and reduced BI. Moreover determination of the capacity of sperm to bind oviductal epithelium could become a reliable in vitro method for predicting the fertility of a given sire.

Ziel der vorliegenden Studie war, eine mögliche bullenspezifische Bindungsfähigkeit von Spermien an Oviduktepithel in vitro zu untersuchen und das Verhältnis zwischen der Bindungsfähigkeit der Samenzellen und der Fähigkeit zur Volumenregulation unter hypoosmotischen Bedingungen sowie zur Stabilität des Spermienchromatins zu ermitteln. Tiefgefrorenes Sperma von 90 Ejakulaten von 30 Testbullen wurden hinsichtlich der Bindungsfähigkeit im Ovidukt Explant Assay (OEA), der Widerstandsfähigkeit der Spermien DNA gegenüber saurer Denaturierung in situ mit dem modifizierten fluoreszenzmikroskopischen Spermien-Chromatin-Struktur-Assay (mf-SCSA) und der volumenregulatorischen Spermienmembranfunktion mit dem modifizierten Hypo-Osmotischen Schwell-Test (m-HOST) untersucht. Zusätzlich wurde die Spermienmorphologie, die computergestützte Motilität sowie die Permeabilität der Plasmammembran für die Farbstoffe SYBR14/Propidium Jodid (®Sperm viability Kits) ermittelt. Mit Sperma ausgewählter Bullen wurde ein in vitro-Fertilisationstest durchgeführt. Es gab eine signifikante (p<0,05) positive Korrelation zwischen dem Bindungsindex und volumetrischen Parametern (RVSund RVD). Zwischen dem Bindungsindex und dem Prozentsatz an Spermien mit instabilem Chromatin bestand eine signifikante (p<0,05) negative Korrelation. Es gab eine signifikante (P<0,05) negative Korrelation zwischen den Prozentsatz von Spermien mit instabilem Chromatin und der relativen Volumenverschiebung (RVS). Dahingegen konnte keine signifikante Korrelation zwischen der Chromatinstabilität und der regulativen Volumenabnahme (RVD) festgestellt werden Bindungsindex, Volumenregulationsparameter sowie Chromatinstabilität zeigten keine Korrelation zu den standardspermatologischen Parametern. Sechs Ejakulate von sechs Bullen mit niedrigem (n = 3) und hohem (n = 3) Bindungsindex (BI) und fünf Ejakulate von fünf Bullen mit niedrigem (n = 2) und hohem (n = 3) Prozentsatz an Spermien mit instabilem Chromatin wurden hinsichtlich ihrer Fertilität im in vitro Befruchtung Test (IVF) überprüft. Bullen mit hohem Bindungsindex (26.6±5.8) wiesen signifikant (p<0,01) höhere Blastozystenraten auf, als Bullen mit niedrigem BI (8.3±1.7); zwischen den Teilungsraten bestand kein signifikanter Unterschied. Bullen mit niedrigen Prozentsätzen chromatininstabiler Spermien (2.8±0.5 %) zeigten signifikant (p<0,01) höhere Teilungs- und Blastozystenraten als Bullen mit erhöhtem Vorkommen chromatininstabiler Spermien (9±0.8 %). Folgende Schlussfolgerungen werden gezogen: Mit dem Ovidukt Explant Assay steht möglicherweise ein Testsystem zu Verfügung, welches bullenspezifische, fertilitätsrelevante Eigenschaften an der Plasmamembran von Spermien erfasst, die durch standardspermatologische Parameter nicht diagnostizierbar sind. Ein erhöhter Prozentsatz von Spermien mit instabilem Chromatin geht mit einer gestörten Plasmamembranfunktion einher, wie durch die veränderte Spermienvolumenregulation im hypoosmotischen Schwelltest und verringerten Bindungsindex im Ovidukt Explant Assay angezeigt wird.

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Khalil, Abdel-Tawab: Binding capacity of bull spermatozoa to oviductal peithelium in vitro and its ralation to sperm chromatin stability, sperm volume regulation and fertility. Hannover 2004. Tierärztliche Hochschule.

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