Découvrez le rôle clé du facteur de décondensation ICSI dans la fertilité masculine

Introduction

L'intégrité de l'ADN du spermatozoïde est un facteur déterminant dans la fécondation, le développement embryonnaire et la réussite d'une grossesse. Des anomalies dans la structure de l'ADN spermatique peuvent compromettre ces étapes cruciales. Cet article explore le rôle du facteur de décondensation ICSI, un aspect important de la qualité de l'ADN spermatique, et son impact sur la fertilité masculine.

L'importance de l'ADN spermatique

L’acide désoxyribonucléique (ADN) est une molécule qui contient l’information génétique utilisée dans le développement et le fonctionnement des organismes. Dans le cas du spermatozoïde humain, l’information génétique est stockée dans la tête, et pour la faire tenir dans un si petit espace, il faut des mécanismes sophistiqués qui nécessitent le remplacement de certaines molécules par d’autres (en particulier, les histones sont remplacées par des protamines). Ces dernières années, l’intégrité de l’ADN des spermatozoïdes et son rôle dans les cas d’infertilité qui répondent souvent aux valeurs de qualité établies comme normales ont suscité un intérêt croissant.

Fragmentation de l'ADN spermatique

Au cours de la formation des spermatozoïdes - la spermatogenèse - des ruptures de brins d’ADN peuvent être induites. Les spermatozoïdes peuvent également accumuler des dommages dans leur ADN pendant leur maturation et leur stockage dans l’épididyme avant l’éjaculation. Il existe une multitude de techniques capables d’évaluer la fragmentation de l’ADN dans les spermatozoïdes, bien qu’elles diffèrent fondamentalement en termes de sensibilité et du type de dommages qu’elles peuvent détecter.

Test des comètes (COMET) : en cas de petites portions d’ADN fragmenté, l’échantillon présente une image similaire à la queue d’une comète.
SCSA séminal : L’ADN endommagé est plus vulnérable à la chaleur et à la dénaturation acide que les spermatozoïdes intacts. Son principal avantage est de pouvoir évaluer un grand nombre de cellules par cytométrie en flux.
TUNEL du sperme : la technique TUNEL est basée sur la détection effective de fragments d’ADN de simple ou double brin, où le signal augmente avec le degré de fragmentation.
SCD : Le test Sperm Chromatin Dispersion (dispersion de la chromatine du sperme) (SCD) estime indirectement le niveau de fragmentation de l’ADN en quantifiant la dispersion nucléaire présente dans l’échantillon.

L’intégrité du matériel génétique des spermatozoïdes est considérée comme vitale pour une fécondation normale, un développement correct de l’embryon, une implantation réussie et une grossesse, tant dans le cadre de la procréation naturelle que de la procréation assistée. En fait, les lésions simple brin impliquent de multiples points de rupture dans toutes les régions du génome, étant liées au stress oxydatif, où dans le cadre de la reproduction, elles compliqueraient la grossesse clinique et, par conséquent, augmenteraient le délai de conception.

Actuellement, aucun consensus mondial n’a été atteint quant à la valeur seuil de référence pour le niveau de fragmentation de l’ADN des spermatozoïdes comme indication du potentiel de fertilité d’un homme. En effet, plusieurs valeurs discriminantes ont été proposées en fonction des différents tests qui étudient l’intégrité de ce matériel génétique.

Sélection des spermatozoïdes pour la FIV

Dans le cas d’un traitement par FIV, il serait essentiel d’effectuer une sélection des spermatozoïdes la plus précise et la plus efficace possible afin de n’utiliser que les spermatozoïdes dont le matériel génétique n’est pas endommagé au moyen de : colonnes d’annexine V (MACS), puces microfluidiques, etc.

Le rôle du stress oxydatif

Les formes actives de l’oxygène (RLO) sont des dérivés actifs de l’oxygène qui génèrent un stress oxydatif. Les plus importants sont l’anion superoxyde (O -°) le peroxyde d’hydrogène 2 (H O ) et le radical hydroxyl (OH °). Le stress oxydatif induit des lésions dans les gamètes 2 2 et dans l’embryon. La fragmentation de l’ADN (et de l’ARN), la peroxydation de lipides membranaires sont parmi les plus dommageables pour la fertilité.

Les conséquences peuvent en être une mortalité embryonnaire parfois tardive, liée aux altérations membranaires et/ou aux effets mutagènes des lésions oxydatives de l’ADN. Les RLO proviennent du métabolisme oxydatif des cellules mais aussi de leur environnement. L’exposition à l’oxygène atmosphérique, l’éclairement, la présence de traces d’ions métalliques dans le milieu de culture génèrent un stress oxydatif.

Mécanismes de défense contre le stress oxydatif

Les mécanismes de défense contre le stress oxydatif sont multiples. Il s’agit d’enzymes antioxydants intracellulaires telles que la SOD, la catalase et la GPX, mais aussi de nombreux composés antioxydants de petits poids moléculaires, passant plus ou moins bien les membranes cellulaires, tels que le glutathion, l’hypotaurine, les vitamines E, C et A, le pyruvate etc. Ces mécanismes de défense sont généralement redondants. En plus de ces mécanismes défensifs les embryons disposent de mécanismes de réparation des lésions oxydatives de l’ADN.

Origines des RLO

Les RLO ont une origine endogène et exogène. Sous-produits du métabolisme oxydatif, leur formation peut être exacerbée dans certaines conditions. Les spermatozoïdes humains, comme ceux d’autres espèces animales, incubés en aérobiose génèrent spontanément des composés oxygénés réactifs, principalement l’anion superoxyde et le peroxyde d’hydrogène. Ils possèdent une oxydase membranaire qui catalyse la production d’anion superoxyde à partir de l’oxygène en utilisant la NADPH (produit par la voie des pentoses) comme donneur d’électrons.

Le métabolisme du glucose via la synthèse de purines puis d’hypoxanthine et de xanthine peut conduire à la production de RLO par des oxydases (xanthine oxydase). L’amine oxydase (EC 1.4.3.6) catalyse la dégradation de spermine et de spermidine en H O et aminoaldéhydes. Le sérum, qui est parfois ajouté aux 2 2 milieux (en production animale) peut en contenir de grandes quantités. De plus cette enzyme est libérée par les spermatozoïdes morts : ceci justifie de raccourcir la durée du contact entre les gamètes lors des fécondations in vitro .

La lumière : L’augmentation de production de RLO par les embryons in vitro s’expliquerait par les expositions à la lumière visible.
L’oxygène : l’effet néfaste pour l’embryon de souris d’une brève exposition à l’oxygène atmosphérique est depuis longtemps établi.
La présence de polynucléaires neutrophiles au contact des gamètes ou des embryons : elle s’avère extrêmement délétère pour ces cellules via un stress oxydatif.

Cibles des RLO

Les cibles des RLO sont essentiellement les lipides et les acides nucléiques. Ils induisent des réactions de peroxydation dont les cibles préférentielles sont les acides gras insaturés des phospholipides membranaires. Ils peuvent extraire un atome d’hydrogène de groupements méthylène d’acides gras poly insaturés. Par des réactions en chaîne, radicaux peroxyl (ROO°), hydroperoxydes lipidiques, radicaux alkoxyl (RO°), les peroxydations lipidiques se propagent et s’amplifient.

Des dérivés oxydés des nucléotides sont observés : la 8-hydroxydéoxyguanosine (8-OH-dG ou 8 oxo guanosine) et la thymidine diol. Une corrélation positive a été observée entre l’index de fragmentation de l’ADN spermatique (Sperm Chromatin Structure Assay, SCSA) et le ratio 8-OH-dG/dG. La peroxydation lipidique dans le spermatozoïde conduit à la perte de phospholipides membranaires, à des pertes de fluidité de la membrane plasmique, de mobilité et au vieillissement des spermatozoïdes. Elle peut interférer négativement avec le processus de fécondation en interdisant les fusions membranaires.

Conséquences de la fragmentation de l'ADN

La fragmentation de l’ADN (et de l’ARN) peut provoquer une mortalité embryonnaire parfois tardive, liée aux effets mutagènes des lésions oxydatives de l’ADN. La fragmentation de l’ADN des gamètes s’accompagne d’une baisse de leur aptitude à engendrer une descendance. Ceci a été particulièrement démontré pour le spermatozoïde. Par ailleurs, les paramètres classiques du spermogramme (mobilité, tératospermie…) ne permettent pas d’apprécier l’intégrité de la chromatine. Seule la concentration en spermatozoïdes semble corrélée négativement à la fragmentation qui peut être accélérée par des traitements du sperme in vitro défectueux.

Les fragmentations de l’ADN spermatique induites par irradiation n’altèrent pas les taux de fécondation mais s’accompagnent d’une diminution significative des taux d’obtention de blastocystes et de leur capacité à s’implanter. La 8-OH-dG est hautement mutagène, produisant, au delà d’un certain seuil, le remplacement de G-C par T-A lors de la réparation de l’ADN et sa réplication par la DNA polymérase. Une élévation des taux en anion superoxyde et en peroxyde d’hydrogène provoque des arrêts de développement embryonnaire in vitro . Enfin, la théorie liant la formation des radicaux libres à l’avancement de l’age « free radical theory of ageing » semble se vérifier au niveau de la qualité ovocytaire.

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Mécanismes de protection contre le stress oxydatif

Des mécanismes enzymatiques et non enzymatiques protègent les gamètes et l’embryon contre le stress oxydatif. Ces mécanismes sont présents à la fois dans les cellules et dans leur environnement. Ils sont souvent complémentaires et redondants, ce qui souligne l’importance de cette protection.

Dans le plasma séminal : le liquide séminal protège les spermatozoïdes contre les RLO, Il contient des polyamines qui inhibent la peroxydation des lipides et stabilisent la membrane plasmique. Par ailleurs, il est riche d’une part en ions zinc qui est un stabilisateur membranaire, et en transferrine et lactoferrine qui lient les ions ferriques.
Dans les voies génitales femelles : le spermatozoïde lors de sa remontée, l’ovocyte et l’embryon sont protégés par divers composés présents dans leur environnement (liquides folliculaire et tubaire) : la vitamine C, le glutathion (stocké dans l’ovocyte et qui jouera un rôle dans la décondensation de la chromatine spermatique), l’albumine, le pyruvate, le lactate etc. L’acide lactique et l’acide pyruvique, présents dans les sécrétions tubaires ont également un pouvoir régulateur du potentiel redox. Le pyruvate protège l’embryon contre les RLO, notamment H O .
L’hypotaurine et la taurine, présentes dans les liquides tubaire, folliculaire et séminal sont protecteurs du spermatozoïde et de l’embryon. L’hypotaurine neutralise le radical hydroxyl en générant la taurine qui neutralise les aldéhydes cytotoxiques produits lors des peroxydations. L’hypotaurine et la taurine favorisent la fécondation in vitro et le développement embryonnaire chez diverses espèces, y compris humaine. D’une façon plus générale, les aminoacides soufrés, y compris la méthionine, jouent un rôle considérable dans la prévention de l’apoptose, qu’elle soit liée ou non à un déséquilibre redox. Le glutathion qui peut être synthétisé mais pas incorporé par l’embryon est particulièrement efficace.
La faible pression partielle en oxygène du liquide tubaire concourt à limiter le stress oxydatif des spermatozoïdes lors de leur remontée dans les voies femelles, de l’ovocyte au moment de la fécondation et de l’embryon lors de sa descente.

Dans l’utérus et l’oviducte, d’autres mécanismes antioxydants prennent le relais pour protéger le spermatozoïde mais aussi l’ovocyte et l’embryon : la superoxyde dismutase (SOD) la catalase, le système glutathion peroxydase/glutathion réductase (GPX/GR). La catalase semble être la principale enzyme protectrice du spermatozoïde chez l’homme, le taureau et le lapin. Chez la souris la protection du spermatozoïde semble reposer en priorité sur le système GPX/GR. Cependant dans le spermatozoïde l’efficacité de ces défenses est limitée du fait de la pauvreté de son cytoplasme en enzymes protectrices et du faible volume du cytoplasme dans cette cellule. Ceci alors que la richesse de ses membranes en acides gras polyinsaturés le rend très sensible aux RLO.

Les mécanismes de défense doivent agir très rapidement et ils doivent être présents sur les sites de production des RLO. Ce qui explique leur multiplicité, leur complémentarité et leur caractère redondant. Ainsi la SOD est présente sous 2 formes dans l’ovocyte et l’embryon : Mn-SOD (mitochondriale) et Cu Zn-SOD (cytosolique). Les RLO, produits dans les mitochondries, sites de la phosphorylation oxydative, qui ont échappé à la première sont pris en charge par la seconde. Les transcrits qui codent pour ces enzymes sont stockés dans l’ovocyte au cours des dernières étapes de sa maturation : il est aujourd’hui admis que l’aptitude au développement de l’embryon est en partie liée, qualitativement et quantitativement, à ces facteurs qui ont été stockés par l’ovocyte au cours de sa maturation (notamment les transcrits qui codent pour les principales enzymes antioxydants, SOD, catalase, et GPX).

Réparation des lésions oxydatives de l'ADN

Des mécanismes enzymatiques de réparation des lésions oxydatives de l’ADN sont présents dans les cellules des mammifères. Les dégâts induits peuvent être réparés dans l’ovocyte et l’embryon. Dans l’ovocyte, la polymérase bêta et l’endonucléase APEX ont été décrits. Ces mécanismes protègent, bien sûr, le génome. Les protéines Ogg1 constituent le principal système de réparation des lésions oxydatives mutagènes. Chez l’homme le gène OGG1 code pour une DNA glycosylase qui élimine les produits d’oxydation (la 8-OH-dG) de l’ADN.

Stratégies pour éviter le stress oxydatif

Éviter le stress oxydatif au cours de la culture des ovocytes et des embryons est un problème complexe. La manipulation des gamètes et des embryons interfèrent avec les mécanismes de défense contre les RLO (généralement par une stimulation de la protection). Ainsi l’addition des antioxydants doit être utilisée avec circonspection. En effet d’une part, par définition, tout antioxydant peut avoir une action pro-oxydante. D’autre part, la production de radicaux libres peut être une étape transitoire nécessaire. Une capacité trop réductrice peut amener des effets collatéraux indésirables : ainsi les composés thiol doivent être utilisés à faibles concentrations car ils tendent à réduire les ponts disulfures avec risque de dénaturation des protéines.

Considérant qu’on ne dispose aujourd’hui d’aucune méthode simple pour évaluer le potentiel redox d’un milieu, on perçoit la difficulté de maintenir en permanence le fragile équilibre entre les facteurs pro-oxydants et les facteurs antioxydants. Aussi faut-il essayer de respecter un potentiel redox légèrement réducteur dans les milieux de culture, afin de perturber le moins possible l’équilibre redox des cellules. Pour ce faire, la manipulation du rapport lactate/pyruvate pourra être utilisée.

Conclusion sur le stress oxydatif

Les radicaux libres constituent un problème sérieux dans les premières étapes du processus de reproduction. Les RLO sont produits physiologiquement de façon continue aussi bien dans les gamètes et l’embryon. In vivo , les systèmes de protection sont multiples et redondants, mais leur efficacité décroît avec l’âge. Aussi, des antioxydants peuvent alors être administrés par voie orale. Ils sont utilisés dans les centres de procréation médicale assistée, chez l’homme, lorsque le taux de fragmentation de l’ADN spermatique est supérieur à un certain seuil. In vitro, la production de RLO est exacerbée du fait de l’exposition à l’oxygène atmosphérique, à l’éclairement, à la présence de composés pro-oxydants dans les milieux de culture etc.

L'ICSI et ses variantes : PICSI

Grâce aux nouvelles techniques d'Assistance Médicale à la Procréation (AMP), et notamment la micro-injection intracytoplasmique du spermatozoïde (ICSI), les hommes infertiles présentant un déficit sévère de la spermatogenèse peuvent aujourd'hui devenir pères biologiques. D'où l'importance de savoir si la cellule germinale utilisée pour l'ICSI transmet une information génétique et épigénétique appropriée.

La technique PICSI

La technique PICSI, également appelée ICSI physiologique, est une méthode de sélection du sperme basée sur le degré de maturation du sperme. Cette technique permet de sélectionner les spermatozoïdes en fonction de leur capacité à se lier à une molécule synthétique ayant des propriétés similaires à celles de l'acide hyaluronique. Le mot PICSI signifie "Physiological Intracytoplasmic Sperm Injection".

Dans la tête du spermatozoïde mature, il y a un récepteur spécifique pour l'acide hyaluronique (HA), qui est un composant important de l'amas où se trouvent les ovocytes. Les spermatozoïdes qui adhèrent à l'HA le sont parce qu'ils ont terminé la spermatogenèse et les processus de remodelage de la membrane plasmique, d'extrusion cytoplasmique et de maturation nucléaire.

Processus pour le PICSI

La technique PICSI est un processus relativement simple. La procédure est la même que celle de l'ICSI, mais en modifiant la partie de sélection du gamète mâle. Le prélèvement de sperme se fait de la manière habituelle, c'est-à-dire par masturbation avec une période d'abstinence de 3 à 5 jours. Ensuite, l'échantillon séminal est formé au laboratoire pour séparer les spermatozoïdes mobiles du reste des composants séminaux et des spermatozoïdes immobiles et/ou morts.

Les spermatozoïdes sont ensuite placés sur une assiette spéciale. Cette plaque contient quelques gouttes d'un matériau synthétique très semblable à l'acide hyaluronique qui enrobe naturellement les ovules. Les spermatozoïdes de bonne qualité et d'un degré de maturité adéquat resteront attachés à ces gouttes et l'embryologiste pourra les identifier facilement pour la micro-injection des ovocytes.

Indications de la technique PICSI

La méthode PICSI est très utile dans les cas de patients qui ont une bonne mobilité des spermatozoïdes, mais qui présentent une forte fragmentation de l'ADN des spermatozoïdes. Les situations les plus fréquentes en matière de sélection de sperme par le biais du PICSI sont énumérées ci-dessous :

Les patients dont les spermatozoïdes sont altérés FISH.
Stérilité d'origine inconnue.
Les patientes ayant subi des avortements à répétition sont soupçonnées de facteur masculin.
Les échecs des cycles FIV-ICSI précédents.

Il convient de noter que les échantillons séminaux avec une très faible motilité des spermatozoïdes sont difficiles à utiliser pour la technique PISCI.

Avantages de la méthode PICSI

Le principal avantage de la méthode PICSI est qu'elle permet de sélectionner les spermatozoïdes de manière objective, c'est-à-dire indépendamment de l'avis de l'embryologiste, contrairement à ce qui se passe dans le cadre de l'ICSI. Cela signifie que les spermatozoïdes sont sélectionnés individuellement et ont un faible taux de fragmentation, ce qui réduit la possibilité d'altérations génétiques. En outre, cette sélection des spermatozoïdes entraîne une augmentation des taux de grossesse.

D'autre part, il existe un grand nombre d'études qui indiquent que, grâce à la technique PICSI, le taux d'avortement est réduit. Toutefois, cette réduction du taux d'avortement n'est pas liée à l'augmentation du taux de natalité vivante, puisqu'il s'agit d'une diminution minimale.

PICSI : Une méthode complète et précise

La technique PICSI est une méthode complète, précise et alternative de sélection des spermatozoïdes. Elle est complète parce que l'échantillon de sperme à utiliser pour le PICSI a déjà été amélioré avec des techniques telles que le Swim-up ou le Gradient. Elle est précise parce que la base de la technique implique des composants moléculaires. Et elle est alternative parce qu'elle représente une option différente des autres moyens de sélection des spermatozoïdes.

Elle semble être associée à une réduction du taux d'avortement : Les différentes études affirment que l'utilisation du PICSI n'augmente pas le taux de naissance vivante par rapport à l'utilisation de l'ICSI mais révèlent qu'il y a un taux d'avortement plus faible dans le groupe PICSI. C'est une méthode objective et simple qui ne nécessite pas beaucoup d'expérience pour être développée, contrairement à l'ICSI où il y a une composante subjective dans le choix du sperme à micro-injecter.

La technique appelée PICSI (physiological intracytoplasmic sperm injection) tente d'optimiser la sélection des spermatozoïdes qui possèdent le moins possible d'anomalies, comme un taux élevé de fragmentation d'ADN ou de décondensation de la chromatine qui pourrait compromettre la fécondation et le développement embryonnaire. La PICSI est basée sur le principe, qu'en condition naturelle, seuls les spermatozoïdes compétents ou matures, qui n'ont pas enclenché un processus de mort cellulaire programmée (apoptose), développent des liens biochimiques avec les ovules grâce à l'acide hyaluronique.

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Le facteur de décondensation ICSI : Rôle et importance dans la fertilité masculine