DAÑO OXIDATIVO EN EL ESPERMATOZOIDE Y ANTIOXIDANTES EXÓGENOS

Estrella Fernández Jiménez y Azucena Muñoz Rodríguez

Graphical abstract. Causas del estrés oxidativo en el semen y consecuencias sobre los espermatozoides humanos y la fertilidad masculina.

1. ROS Y ESTRÉS OXIDATIVO

La infertilidad afecta al 17.5% de las parejas en edad reproductiva (OMS, 2023) y el factor masculino es la única causa en el 25% de los casos por una disminución de la calidad seminal de origen multifactorial (ambiental, genética, fisiológica, nutricional, etc.) (Auger et al., 2001), principalmente por el estrés oxidativo (30-80% de hombres infértiles) originado por elevadas concentraciones de especies reactivas de oxígeno (ROS) (Ko et al., 2014; Makker et al., 2009).

El oxígeno es un elemento necesario para la supervivencia celular, pero como resultado de los procesos fisiológicos y del metabolismo celular puede dar lugar a la formación de radicales libres de oxígeno (ROS). Su forma primaria es el anión superóxido (O2-), que surge de la adición de un electrón al O2 y puede convertirse en otras ROS como el peróxido de hidrógeno (H2O2), el radical hidroxilo (OH-), y el peroxilo (HO2). La presencia de electrones desapareados permite su interacción con aminoácidos, lípidos y ácidos nucleicos, provocando reacciones en cadena comprometen la vitalidad de la célula (Agarwal et al., 2014).

Se requieren niveles fisiológicos de ROS para el mantenimiento celular debido a su implicación en diversos procesos fisiológicos como son la maduración, hiperactivación y capacitación espermática, así como para la quimiotaxis, la unión a la zona pelúcida, la reacción acrosómica y la fusión entre ovocito y espermatozoide. A nivel testicular, las ROS son intermediarias implicadas en el tono vascular y la regulación génica (De Lamirande et al., 2009; Agarwal et al., 2014). En el semen, los principales productores de ROS son los espermatozoides inmaduros y los leucocitos, especialmente los neutrófilos. Ambas células aumentan su actividad mitocondrial y, adicionalmente, la vía de las NADHP, resultando en la producción de ROS (Nicolich et al., 2013).

En condiciones normales, existe un equilibrio entre la producción de ROS y la maquinaria antioxidante seminal y espermática (Ford et al., 2004). Sin embargo, este sistema puede desequilibrarse a favor de las ROS, ya sea por un aumento en su producción, por una deficiencia en la capacidad antioxidante o por ambas causas, generando un estado de estrés oxidativo presente en más del 80% de los hombres infértiles (Agarwal et al., 2011). Este estrés oxidativo puede generar daño espermático (Sikka et al., 2004) por inducción de peroxidación lipídica, incremento en la fragmentación de ADN (Moustafa et al., 2004), disminución en la movilidad y morfología espermática, y aumento de los fenómenos de apoptosis.

Actualmente, existen métodos comerciales capaces de medir el estrés oxidativo como el Kit Oxisperm, el cual se basa en el uso de un gel que reacciona con el anión superóxido (principal ROS responsable del estrés oxidativo en el semen humano), dando lugar a un precipitado que vira de color rosa a negro a concentraciones crecientes del anión superóxido. Por otra parte, este test sólo debe realizarse en muestras frescas ya que el proceso de criopreservación espermática puede inducir un incremento en los niveles de ROS y modificar el resultado del análisis. (Nicolich et al., 2013).

El aumento de estrés oxidativo espermático puede deberse a causas intrínsecas o extrínsecas (Cocuzza et al., 2007). Entre las causas intrínsecas se encuentran fallos en la espermatogénesis como la remodelación de la membrana del espermatozoide, las anomalías en la unión cabeza-cola, el desarrollo incompleto del acrosoma o las alteraciones en el citoesqueleto del espermatozoide (Sharma et al., 1996; Kothari et al., 2010). A nivel testicular existen diversas etiologías que aumentan la concentración de ROS por influjo de leucocitos como infecciones e inflamaciones genitourinarias o por aumento de la temperatura testicular y escrotal como en el varicocele (presente en el 30% de los hombres infértiles), la criptorquidia, la torsión testicular y su reparación. Por otra parte, la edad del hombre es un factor importante a tener en cuenta por su implicación en la producción y acumulación de ROS y por la asociada disminución de la esteroidogénesis y de la capacidad tamponadora de las células de Leydig (Cao et al., 2004).

De forma extrínseca al organismo, existen factores medioambientales que pueden provocar un aumento en los niveles de ROS y estrés oxidativo y alterar la espermatogénesis (Agarwal et al., 2003). Entre estos factores se encuentran la quimioterapia, la radiación ionizante y la exposición a toxinas y contaminantes como el metoxietanol presente en pinturas, líquidos de freno y otros químicos industriales (Syed et al., 1998), el tolueno presente en disolventes (Homma-Takeda et al., 2002), metales pesados como el cadmio (Koizumi et al., 1992) o el plomo (Hsu et al., 1997), las toxinas generadas al fumar cigarrillos (Mattison et al., 1982). Asimismo, estudios recientes (He et al., 2023) han demostrado que la toxina T-2 o micotoxina, producida por hongos y omnipresente en los cultivos agrícolas, alteraba significativamente la morfología de los testículos y de los espermatozoides en ratón y disminuía el nivel de testosterona y la concentración espermática. La ferroptosis inducida por la toxina T-2 podría ser mitigada eficazmente mediante la administración del inhibidor de la ferroptosis liproxstatina-1 o el antioxidante resveratrol, que proporciona un posible efecto terapéutico para el deterioro testicular.

Como se dijo anteriormente, el estrés oxidativo afecta a la espermatogénesis y a la funcionalidad espermática. En consecuencia, se alteran todos los parámetros del análisis seminal, incluyendo la concentración espermática (Agarwal et al., 2014), la movilidad y morfología (Aziz et al., 2004), la apoptosis celular (Agarwal et al., 2005) y la fragmentación del ADN espermático, lo que resulta en una disminución de la capacidad fecundante y peor desarrollo embrionario, con mayores tasas de aborto espontáneo y de recién nacidos enfermos por anomalías genéticas. Este efecto negativo se debe en gran parte a la alta susceptibilidad de las membranas espermáticas a la peroxidación por ROS por su elevada concentración de lípidos poliinsaturados El aumento de la peroxidación de fosfolípidos de membrana (Griveau et al. 1995) se traduce en la pérdida de integridad y fluidez de la misma, aumentando su permeabilidad y afectando a la movilidad espermática. Por otra parte, el estrés oxidativo aumenta la apoptosis en espermatozoides maduros, resultando en oligozoospermia (Gandini et al., 2000).

Todos estos efectos negativos sobre el espermatozoide pueden afectar a los resultados de las técnicas de reproducción asistida (TRA) (Agarwal et al., 2012)

2. ANTIOXIDANTES

Un antioxidante es una molécula capaz de retardar o prevenir la oxidación de otras moléculas evitando la generación de ROS y el daño celular. En un eyaculado se encuentran antioxidantes en el plasma seminal y, en menor medida, en los espermatozoides debido a su escaso contenido citoplasmático. Los antioxidantes provienen de dos vías, fisiológica y exógena.

Los antioxidantes endógenos que se encuentran en el semen se clasifican en enzimáticos (catalasa, glutatión peroxidasa y superóxido dismutasa) y no enzimáticos (carnitina, carotenoides, glutatión, urato y vitaminas C y E).

Los antioxidantes enzimáticos actúan a nivel de metabolismo directo de ROS, de la síntesis y reducción del glutatión, ciclos redox de tiol y activación de la expresión de algunas de estas enzimas (Drummond et al., 2000; Yu et al., 2015). La mayoría están reguladas por el factor de transcripción nuclear NRF2 mediante el elemento de respuesta antioxidante (ARE) localizado en los promotores de los principales genes del sistema antioxidante en semen. En condiciones normales, NRF2 se une a la proteína KEAP1 identificativa para la degradación. El estrés oxidativo disocia esta unión, permitiendo la translocación de NRF2 al núcleo y su unión a los ARE, que activa la expresión de genes que codifican para enzimas antioxidantes. Entre las enzimas del sistema antioxidante endógeno del semen que están bajo regulación de NRF2 se encuentra el conjunto de formas de la superóxido dismutasa (SOD), que cataliza la dismutación del radical superóxido a peróxido de hidrógeno fundamentalmente en el epidídimo, protegiendo de daños provocados por un exceso de O2 y aumentando los niveles de H2O2 en la eyaculación que estimula la cascada de reacciones de hiperactivación y capacitación del espermatozoide (Lifeng et al., 2014). La catalasa (CAT) cataliza la descomposición del peróxido de hidrógeno en oxígeno y agua en la mayoría de tejidos del tracto genital masculino, resultando esencial ante concentraciones elevadas de H2O2. La óxido nítrico sintasa (NOS) transforma la L-arginina en óxido nítrico (NO), que está relacionado con la función eréctil, la movilidad espermática y la reacción acrosómica, y actúa como antioxidante al evitar la peroxidación de lípidos de membrana (Drummond et al., 2000). La glutatión S-transferasa (GST) inactiva los agentes quimioterapéuticos productores de ROS. Otras enzimas que neutralizan las ROS son las peroxiredoxinas (PRX) y las tiorredoxinas (TRX), moduladas por la glutatión peroxidasa (GPX). Entre el conjunto de moléculas antioxidantes no-enzimáticas del semen se encuentran la vitamina E, la vitamina C, la coenzima Q10, la L-carnitina y la melatonina.

Por otra parte, los antioxidantes exógenos se obtienen a través de la ingesta de alimentos (frutas, verduras, frutos secos) o de suplementos nutricionales (suplementos vitamínicos, minerales o plantas medicinales), pudiendo mejorar la calidad seminal (Bermejo et al., 2014).

Entre las principales moléculas estudiadas se encuentran los ácidos grasos Omega 3 como el ácido linolénico (AL), el ácido eicosapentanoico (EPA) y el ácido docosahexanoico (DHA), constituyentes de membranas celulares e indispensables en la capacidad fecundante de los espermatozoides. Safarinejad et al. (2011) evaluaron el efecto de la suplementación con ácidos grasos omega 3 (EPA+DHA) sobre la calidad seminal de pacientes oligoastenoteratozoospérmicos (OAT) y sobre la capacidad antioxidante del plasma seminal, mostrando una mejora significativa en la concentración, movilidad y morfología espermática, así como una mejora en la capacidad antioxidante evaluada mediante la cuantificación de niveles de SOD y CAT. Adicionalmente, Comhaire et al. (2000) evaluaron el efecto de la administración conjunta de antioxidantes (N-acetilcisteína o vitaminas A y E) con ácidos grasos esenciales (DHA + ácido gamma linolénico + ácido araquidónico) durante un periodo de 6 meses, que mejoraba la concentración espermática en pacientes oligozoospérmicos, pero no mejoraba su movilidad ni su morfología espermática.

Por otro lado, se estudia el efecto antioxidante de múltiples vitaminas. La Vitamina C o ácido ascórbico es el principal antioxidante presente en el plasma seminal con valores 10 veces superiores a los del plasma sanguíneo (Lewis et al., 1997). Dawson et al. (1997) administraron vitamina C a pacientes fumadores y observaron una mejora de su concentración, morfología y vitalidad espermáticas. Esta mejora de movilidad y morfología espermática coincide con la observada por Cyrus et al. (2015) al administrar Vitamina C durante tres meses a pacientes tras varicocelectomía. La vitamina E in vitro reduce la peroxidación lipídica, protege a los espermatozoides de una disminución en su movilidad (Askari et al.) y disminuye la producción de H2O2 y la fragmentación de ADN. Su administración prolongada mejoraba la movilidad espermática y disminuía los niveles de malonaldehído (marcador de peroxidación) en pacientes astenozoospérmicos (Suleiman et al., 1996). De acuerdo a Suleiman et al. (1996), la administración combinada de estas dos vitaminas durante dos meses en pacientes infértiles mejoraba la concentración espermática y disminuía la fragmentación del ADN. La administración de zinc, ya presente en el plasma seminal, mejora la concentración, la movilidad progresiva y la capacidad fecundante de los espermatozoides en pacientes astenozoospérmicos (Omu et al., 1998). Las vitaminas A, C y D potencian este efecto (Omu et al., 2008) y la acción antioxidante del selenio (Scott et al., 1998).

En la maduración espermática, un antioxidante implicado es la L-carnitina, cuya concentración se correlaciona con la concentración espermática, el porcentaje de espermatozoides con movilidad progresiva y el porcentaje de espermatozoides con morfología normal (Agarwall et al., 2004). Además, en combinación con L-arginina y ginseng durante tres meses, Morgante et al. (2010) observaron una mejora mayor de la movilidad espermática. Por otro lado, la coenzima Q10 posee propiedades antioxidantes por su implicación en la cadena transportadora de electrones, y su administración a diferentes concentraciones y durante diferentes periodos de administración parece incrementar la movilidad y concentración espermática (Balercia et al., 2009; Safarinejad et al., 2009). Finalmente, se han asociado niveles bajos de ácido fólico en el plasma seminal con mayores índices de fragmentación de ADN espermático por su implicación en la síntesis de ADN y ARN (Boxmeer et al., 2009). Su administración aislada no ha sido estudiada, pero en combinación con zinc durante 26 semanas aumentaba la concentración espermática (Ebisch et al., 2006), y en pacientes astenozoospérmicos tras una varicocelectomía mejoraba la calidad seminal (Azizollahi et al., 2013).

Además, se sigue analizando el efecto antioxidante de la administración de diferentes combinaciones de estas moléculas y su influencia sobre la calidad seminal. Algunos de estos ensayos quedan reflejados en la Tabla 1. 

Tabla 1. Resumen de resultados de distintos ensayos clínicos con antioxidantes (Martínez et al., 2017).

3. CONCLUSIÓN   

En conclusión, teniendo en cuenta las consecuencias del estrés oxidativo en la función espermática y en las TRA, éste debería ser analizado de manera más rutinaria en las muestras seminales para clasificar correctamente la causa de infertilidad de los pacientes. De este modo, podría mejorarse la calidad espermática con suplementos nutricionales para, finalmente, aumentar las posibilidades de éxito de las TRA.

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