Relación entre el estrés oxidativo y la calidad espermática

Máster Universitario en Biología y Tecnología de la Reproducción por la Universidad de Oviedo

Paula Rodríguez Arias, Laura Pinillas González, Bárbara Alonso Cuevas 

Resumen / Abstract 

El factor masculino tiene un gran peso en la incapacidad de una pareja a tener descendencia y es debido principalmente al daño oxidativo producido en los espermatozoides. La acumulación excesiva de especies de oxígeno y de nitrógeno reducen la motilidad, dañan la membrana y disminuyen la capacidad de fertilización. Para contrarrestar este efecto y proteger así a los espermatozoides, el semen contiene antioxidantes tanto enzimáticos como no enzimáticos. Cada uno de ellos tiene una función y un método diferente para mantener en buen estado a los espermatozoides. Estudios confirman que si los niveles de estos antioxidantes bajan, aumenta la probabilidad de infertilidad masculina, desencadenando problemas como la oligozoospermia o la azoospermia entre otros muchos, lo cual podría mejorar con un tratamiento con dichos antioxidantes.

 Palabras clave: Antioxidante · Calidad seminal · Estrés oxidativo · Infertilidad · ROS · Científico

El problema de la infertilidad masculina 

La infertilidad se ha convertido en un problema médico creciente que afecta aproximadamente al 15% de las parejas en todo el mundo, en las cuales los factores masculinos representan casi el 50% de los casos (World Health Organisation, 1999). En las últimas décadas, extensas investigaciones han informado un papel importante del estrés oxidativo en la causa de la infertilidad masculina, lo que sugiere que la patología de la infertilidad en el 30-80% de los hombres infértiles es el daño oxidativo de los espermatozoides (O'brien, et al., 2010).

El estrés oxidativo ocurre como resultado de la acumulación excesiva de especies reactivas de oxígeno (ROS) o especies reactivas de nitrógeno (RNS). Los espermatozoides pueden producir niveles bajos de ROS que intervienen en el proceso de capacitación y de defensa del organismo frente a una infección causando la lisis bacteriana. No obstante, se ha demostrado que la alta producción de estas especies reactivas causa lesiones en los espermatozoides que pueden dañar la membrana celular. Este daño se produce porque la membrana contiene contiene ácidos grasos insaturados, vulnerables al ataque de sustancias oxígeno reactivas (Mostafa et al., 2015). Los ROS provocan daños extensos en el ADN de los espermatozoides, reducen la motilidad, disminuyen la capacidad de fertilización de los espermatozoides e la integridad de la membrana. Estos daños los provoca la peroxidación de lípidos que son mecanismos importantes que contribuyen a la disfunción de los espermatozoides (Mostafa et al., 2015). Los principales ROS son el anión superóxido, el peróxido de hidrógeno y el radical hidroxilo (O'brien et al., 2010).

Las principales fuentes de ROS/RNS se encuentran en las mitocondrias de los espermatozoides y en el semen, concretamente en los leucocitos activados en el plasma seminal. La mayoría de los ROS se encuentran en el plasma seminal, de hecho hay 1000 veces más que en las mitocondrias (Mostafa et al., 2015).

Los antioxidantes, la solución 

Para contrarrestar los efectos de ROS/RNS, se ha demostrado que el semen posee una gran cantidad de antioxidantes, lo que protege a las células gonadales y a los espermatozoides maduros del daño oxidativo, especialmente después de salir de los testículos. Los antioxidantes en el semen están presentes tanto en los espermatozoides como en el plasma seminal, siendo más abundantes en el plasma seminal, debido a que el volumen de citoplasma de los espermatozoides es bajo y limita la actividad de defensa antioxidante (Shiva et al., 2011). 

El plasma seminal está enriquecido con antioxidantes enzimáticos, como superóxido dismutasa (SOD), catalasa, glutatión peroxidasa (GPX), glutatión S-transferasa (GST), y antioxidantes no enzimáticos como glutatión, vitamina A, vitamina C, vitamina E y coenzima Q10, (Bansal y Bilaspuri, 2011). Las deficiencias de los sistemas antioxidantes enzimáticos y no enzimáticos en el plasma seminal están asociadas con la infertilidad masculina. Esto se debe a que la ausencia de cualquiera de estos sistemas conduce a la acumulación de niveles excesivos de ROS, que, como ya se ha mencionado, produce un deterioro de la integridad estructural y funcional de los espermatozoides (Venkatesh et al., 2011). Aunque este sistema de defensa antioxidante está activo en el semen, su actividad está limitada ya que la cantidad de citoplasma del espermatozoide es baja. 

El ensayo de Malondialdehído (MDA) en plasma seminal es un método para evaluar el efecto de la peroxidación lipídica en los espermatozoides. La peroxidación lipídica es el proceso mejor conocido de los daños mediados por las especies reactivas de oxígeno. El proceso consiste en  desencadenar la pérdida de la integridad de la membrana, provocando un aumento de la permeabilidad celular, inactivación de enzimas, daño estructural al ADN y finalmente muerte celular (Bansal y Bilaspuri, 2011). 

El ácido ascórbico, que es un importante antioxidante soluble en agua, actúa como un importante eliminador de una amplia cantidad de ROS. Este está presente en concentraciones aproximadamente 10 veces más altas en el plasma seminal en comparación con el plasma sanguíneo, lo que sugiere su función fisiológica en el plasma seminal (Shiva et al., 2011). 

La enzima superóxido dismutasa (SOD) elimina el radical superóxido tanto intracelular como extracelular y previene la peroxidación lipídica de la membrana plasmática. Esta debe conjugarse con catalasa o glutatión peroxidasa para evitar la acción del peróxido de hidrógeno (Bansal y Bilaspuri, 2011). La catalasa activa la capacitación espermática inducida por NO, que es un mecanismo complejo que involucra H₂O₂. La oxidación de proteínas puede conducir a la pérdida de grupos tiol críticos, y además, se sabe que los tioles y las ROS están implicados en la reproducción humana. Los tioles eliminan las ROS y, por lo tanto, se sugiere que también son importantes en la función y la fertilización de los espermatozoides (Shiva et al., 2011). 

El mantenimiento de los grupos sulfhidrilo de una proteína es importante para el plegamiento y la actividad adecuada de la misma. Cuando está presente en el espacio extracelular, el glutatión reducido (GSH) puede reaccionar directamente con los aldehídos citotóxicos producidos durante la peroxidación lipídica, como el 4-hidroxinonenal, y así proteger los grupos sulfhidrilo libres en la membrana plasmática del espermatozoide. Además, el GSH actúa para preservar los grupos SH de la proteína en estado reducido por medio del intercambio de disulfuro (Venkatesh et al., 2011).

Estudios realizados 

Teniendo en cuenta todo lo mencionado, a continuación se comentan los resultados de varios estudios realizados sobre la influencia del estrés oxidativo en la calidad espermática.

Los estudios sobre la peroxidación de los fosfolípidos en el esperma de los mamíferos han demostrado que la reacción de peroxidación provoca daños en la membrana, lo que conduce a la pérdida de la motilidad y la integridad de la membrana. Se demostró además que la LPO tiene una correlación significativamente negativa con el recuento, la motilidad y la morfología de los espermatozoides. Los participantes oligozoospérmicos y azoospérmicos mostraron un mayor contenido de MDA en comparación con los normozoospérmicos. De la misma manera, se observó un aumento significativo en los niveles de MDA en astenozoospérmicos y teratozoospérmicos en comparación con los grupos progresivamente móviles y morfológicamente normales, respectivamente (Hsiesh et al., 2006). 

Sin embargo, en otro estudio realizado por Suleiman et al., no se halló una correlación negativa significativa entre el nivel de MDA en el plasma seminal y el recuento de espermatozoides, así como la motilidad. Sin embargo, observaron que la concentración de MDA en los espermatozoides era mayor con la disminución de la motilidad de los espermatozoides. Los resultados del presente estudio confirman los hallazgos anteriores (Fazeli, y Salimi, 2016).

Se sabe que la formación de carbonilo de proteínas es un marcador temprano de la oxidación de proteínas. Teniéndolo en cuenta, se observó que el recuento y la morfología de los espermatozoides tenían una correlación negativa significativa con los carbonilos de proteínas. Se encontró una relación inversa entre el nivel de PC (carbonilos proteicos) en el plasma seminal y la concentración de espermatozoides. La fuente de radicales de oxígeno citotóxicos es frecuentemente intracelular, como en el caso de los machos oligozoospérmicos, cuyos espermatozoides generan niveles particularmente altos de ROS (Fazeli, y Salimi, 2016).

Por otra parte, el conteo de espermatozoides y la motilidad progresiva total se correlacionaron significativamente con los niveles seminales de SOD. Con este estudio se encontró que la concentración de SOD era mayor cuanto mayor fuera el número de espermatozoides, lo que indicaba que la disminución de SOD podría estar involucrada en la calidad anormal del semen. Se mostró que la actividad SOD de una muestra de semen parece ser un una herramienta útil para determinar el potencial de fertilización de los espermatozoides y podría mejorar el diagnóstico de infertilidad masculina. Algunos casos de infertilidad revelan aberraciones intensas en los cromosomas 13, 20 y 21, que contienen secuencias que codifican la superóxido dismutasa (Fazeli, y Salimi, 2016).

Khosrowbeygi et al. observaron que tanto la actividad de la catalasa (CAT) como la capacidad antioxidante total, estaban significativamente relacionadas con la motilidad y la morfología de los espermatozoides. Sin embargo, en otro estudio se encontró una correlación positiva no significativa de CAT con el recuento, la motilidad y la morfología de los espermatozoides. Además, la actividad de CAT se asoció con los rangos crecientes de recuento de espermatozoides (Zarghami et al., 2005).

El ADN en la cabeza de los espermatozoides está intensamente compactado como resultado de la presencia de puentes disulfuro entre residuos de cisteína oxidados en moléculas de protamina, importantes durante la maduración de los espermatozoides en el epidídimo. La oxidación de los tioles también es importante para la estabilización de la estructura de la cola, la motilidad de los espermatozoides y la protección del ADN de los espermatozoides contra daños físicos o químicos (Mostafa et al., 2015). Las ROS producidas por los espermatozoides conducen a una regulación positiva de la síntesis de tioles para proteger a los espermatozoides del daño oxidativo. De tal manera que en un estudio realizado por Shiva et al. en 2011, se observó que los tioles totales en el plasma seminal no mostraron diferencias significativas entre los diferentes grupos de recuento, motilidad y morfología de los espermatozoides. Sin embargo, en una investigación previa, se informó de que el sulfhidrilo libre en plasma seminal en pacientes infértiles fue más bajo que en los grupos de control. Además, se informó que, en la condición de estrés, los niveles de sulfhidrilo libre en plasma seminal fueron más bajos que los encontrados en la condición sin estrés (Shiva et al., 2011).

Song et al. informaron que un defecto de ácido ascórbico es un posible mecanismo de daño del ADN espermático en hombres infértiles, lo que lleva a una sobreproducción de ROS y un mayor consumo de ácido ascórbico en el plasma seminal (Song et al., 2006). Además, la concentración de espermatozoides se correlacionó positivamente con la motilidad progresiva, el porcentaje de morfología espermática normal, SOD, CAT y tioles, mientras que se relacionó negativamente con LPO y PC. Los rangos crecientes de recuento de espermatozoides mostraron una analogía negativa con MDA y PC, mientras que una reciprocidad positiva con SOD, CAT y niveles de tiol. Todos estos resultados sugieren que las muestras de semen que consisten en un mejor conteo de espermatozoides, motilidad y morfología normal se asociaron con una mejor actividad antioxidante, lo que podría revelar una mayor actividad de eliminación contra la generación de radicales libres.

Todos los datos comentados anteriormente se pueden representar en la Figura 1:

Figura 1: Gráficas en las que se muestran los niveles de (a) motilidad progresiva total y morfología espermática, (b) marcadores de estrés oxidativo (LPO, PC), y (c, d) marcadores de actividad antioxidante (SOD, tioles totales, CAT, ácido ascórbico) con respecto a rangos crecientes de recuento de espermatozoides (0, 0,1–10, 10,1–40, 40,1–80, > 80 millones por mililitro) (Mostafa et al., 2015).

En la Figura 1 se muestra el nivel de MDA, carbonilos proteicos, SOD, CAT, tioles, AA, porcentaje de motilidad progresiva total y morfología espermática normal con respecto a los rangos crecientes de concentración espermática. 

Se observa que la motilidad progresiva total fue significativamente menor en el grupo con un recuento de espermatozoides de 0,1 a 10,1 millones/ml en comparación con 40,1 a 80,0 y más de 80 millones/ml (Fig. 1a). El porcentaje de morfología normal de los espermatozoides fue menor en el grupo con un recuento de espermatozoides de 0,1 a 10,0 y de 10,1 a 40,0 millones/ml en comparación con el de recuentos de espermatozoides más altos (Fig. 1a). Los niveles de MDA fueron significativamente diferentes en el grupo de 0,1 a 10,0 millones/ml en comparación con 10,1 a 40,0, 40,1 a 80,0 y más de 80 millones/ml. De manera similar, la MDA fue más baja en el grupo 40.1-80.0 y más de 80 millones/ml en comparación con 0 millones/ml (Fig. 1b). La PC fue significativamente menor en el grupo con un recuento de espermatozoides superior a 80 en comparación con 0,1 a 10,0 millones/ml (Fig. 1b). Los niveles de tiol fueron más altos en el grupo con un recuento de espermatozoides de 40,1 a 80,0 en comparación con 10,1 a 40,0 millones/ml (Fig. 1c). La CAT aumenta en el grupo con un conteo de espermatozoides de 40,1 a 80,0 en comparación con el grupo con un conteo de espermatozoides de 0 y 0,1 a 10,0 millones/ml (Fig. 1d).

Conclusiones 

1. La generación de radicales libres está asociada con el deterioro de la calidad del semen, lo que se refleja en términos de alteraciones en el sistema enzimático antioxidante. 
2.       El plasma seminal está bien dotado de una serie de mecanismos de defensa antioxidantes para proteger a los espermatozoides contra los oxidantes que compensan la deficiencia de enzimas citoplasmáticas en los espermatozoides.
3.     La eliminación de los parámetros de estrés oxidativo, el tratamiento con antioxidantes y la suplementación podrían ser útiles en el diagnóstico y pronóstico de los pacientes que presenten anomalías en los espermatozoides y, por lo tanto, se podría mejorar la capacidad funcional. 
4. La investigación futura puede incluir estudios que utilicen marcadores de estrés oxidativo y el sistema antioxidante a gran escala. 

Bibliografía 

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