Utilizzo di un analizzatore di flusso extracellulare per misurare i cambiamenti nella glicolisi e nel fosforo ossidativo durante la capazione dello sperma del mouse

L’applicazione della spettrometria di massa ha rivoluzionato lo studio del metabolismo. La profilazione metabolica mirata e la tracciatura metabolomica consentono un monitoraggio preciso dei cambiamenti nel metabolismo energetico. Tuttavia, l’esecuzione di metabolomica richiede con successo un’ampia formazione, personale esperto e costosi spettrometri di massa altamente sensibili non prontamente disponibili per ogni laboratorio. Negli ultimi anni, utilizzando un analizzatore di flusso extracellulare, come il Seahorse XFe96 è diventato popolare come metodo surrogato per misurare i cambiamenti nel metabolismo energetico in vari tipi di cellule^1,2,3^,4,5.

Lo sperma sono cellule motili altamente specializzate; il cui compito è quello di consegnare il genoma paterno all’ovocita. Lo sperma che lascia il tratto riproduttivo maschile dopo l’eiaculazione è ancora funzionalmente immaturo e non può fertilizzare gli ovociti perché non sono in grado di penetrare i paramenti degli ovociti. Lo sperma acquisisce la competenza di fecondazione mentre transitano attraverso il tratto riproduttivo femminile in un processo di maturazione noto come capacitation^6,7. Lo sperma o sperma appena eiaculato sezionato dal cauda epididymis può essere condensato in vitro per incubazione in supporti di capitanatura definiti contenenti Ca^{2 ,}bicarbonato (HCO₃^–) o un analogo cAMP permeabile per le cellule (ad esempio, dibutyryl-cAMP), un accettatore di colesterolo (ad esempio, albumina del siero bovino, BSA) e una fonte di energia (ad esempio, glucosio). Durante la capitazione, gli spermatoi modificano il loro modello di motilità in un battito flagellare asimmetrico, rappresentando una modalità di nuoto chiamata iperattivazione^8,9, e diventano competenti a subire la reazione acrosomi7 , dove vengono rilasciati enzimi proteolitici che digeriscono i paramenti degli ovociti. Questi processi richiedono energia, e simile alle cellule somatiche, sperma generano ATP e altri composti ad alta energia tramite glicolisi così come ciclo TCA mitocondriale e fosforolo ossidativo (opxphos)¹⁰. Mentre studi multipli dimostrano che la glicolisi è necessaria e sufficiente per sostenere la capacità dello sperma^11,12,13,14, il contributo di ophos è meno chiaro. Contrariamente ad altri tipi di cellule in cui la glicolisi è fisicamente accoppiata al ciclo TCA, gli spermatozoi sono altamente compartimentati e si pensa che mantengano questi processi in compartimenti flagellari separati: il midpiece concentra i macchinari mitocondriali, mentre gli enzimi chiave della glicolisi sembrano essere limitati al pezzo principale^15,16. Questa compartimentazione comporta un dibattito in corso sul fatto che il piravate prodotto nel pezzo principale dalla glicolisi possa supportare oxphos mitocondriali nel midpiece, e se l’ATP prodotto da exxphos nel midpiece sarebbe in grado di diffondersi abbastanza rapidamente lungo la lunghezza del flagello per sostenere il fabbisogno energetico in parti distali del pezzo principale^17,18,19. C’è anche il supporto di un ruolo per ophos in capitaneria di sperma. Non solo è oxphos più energeticamente favorevole di glicolisi, generando 16 volte più ATP rispetto alla glicolisi, ma il volume del pezzo in verso e il contenuto mitocondriale sono direttamente correlati con la forma riproduttiva nelle specie di mammiferi che presentano maggiori gradi di concorrenza tra maschi di concorrenza per compagni²⁰. Affrontare queste domande richiede metodi per esaminare i contributi relativi di glicolisi e ophos durante la capitaneria dello sperma.

Tourmente ealtri applicato un analizzatore di flusso extracellulare 24-well per confrontare il metabolismo energetico di specie di topi strettamente correlati con significativamente diversi parametri di prestazioni dello sperma²¹. Invece di riportare i valori basali ECAR e OCR dello sperma non-capacitato, qui, adattiamo il loro metodo utilizzando un analizzatore di flusso extracellulare di 96 pozzetti per monitorare i cambiamenti nel metabolismo energetico durante la capacità dello sperma del mouse in tempo reale. Abbiamo sviluppato un metodo che permette contemporaneamente di monitorare glicolisi e sfiorare in tempo reale nello sperma con flagelli che battono flagelli in fino a dodici diverse condizioni sperimentali misurando il flusso di ossigeno (O₂) e protoni (H⁾(Figura 1A). A causa della rottura del pirovano al lattato durante la glicolisi e della produzione di CO₂ tramite il ciclo TCA, lo sperma non contraente e condensato extrude H^– nel supporto di analisi che vengono rilevati dall’analizzatore del flusso extracellulare tramite H^–fluofori sensibili immobilizzati sulla punta della sonda di una cartuccia sensore. Parallelamente, il consumo di O₂ mediante fosforoorylazione ossidativa viene rilevato tramite fluorofori sensibili con O₂immobilizzati alla stessa punta della sonda (Figura 1B). La rilevazione efficace dell’H rilasciato e del consumato O₂ richiede un buffer di spermatozoi modificato con bassa capacità di buffering senza bicarbonato o fenolo rosso. Così, per indurre la capatazione in assenza di bicarbonato, abbiamo adottato l’uso di un analogo cAMP permeabile alle cellule iniettato insieme all’inibitore PDE ad ampio raggio IBMX²². Altre tre porte di iniezione indipendenti consentono l’iniezione di attivatori e/o inibitori farmacologici, che facilita il rilevamento in tempo reale dei cambiamenti nella respirazione cellulare e nel tasso di glicolisi a causa di manipolazioni sperimentali.