Impact de la congélation et des rayonnements ionisants sur l'intégrité des spermatozoïdes humains : enjeux pour la préservation de la fertilité masculine

Impact of Cryopreservation and Ionizing Radiation on Human Sperm Integrity : Implications for Male Fertility Preservation

• Auteur / Autrice : Oriana Carcy
• Direction : Florent Cachin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie santé
• Date : Soutenance le 31/10/2025
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Imagerie Moléculaire et Stratégies Théranostiques
• Jury : Président / Présidente : Moncef Ben Khalifa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hanae Pons-Rejraji, Christine Rondanino, Sophie Desset, Florence Baume Brugnon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Courbon, Gabriel Livera
• DOI : 10.70675/f671fe4bzca99z4167zb39cz5b613d9cca56

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radiothérapie

Spermatozoïdes

Cryoconservation

Fertilité humaine

Mots clés libres

Fertilité masculine

Congélation lente

Rayonnements ionisants

Spermatozoides

Intégrité nucléaire

Epigénétique

Male fertility

Slow freezing

Ionizing radiations

Sperm cells

Nuclear integrity

Epigenetic

Résumé

Au cours des dernières décennies, l'usage croissant des rayonnements ionisants (RI) en médecine, à des fins tant diagnostiques que thérapeutiques, a soulevé des inquiétudes quant à leurs effets sur la fertilité masculine. En particulier, la radiothérapie interne vectorisée (RIV) à l'Iode-131 constitue le traitement de référence du carcinome thyroïdien différencié (CTD), l'un des cancers les plus fréquents chez l'homme en âge de procréer, et dont l'incidence ne cesse d'augmenter. La littérature rapporte une altération de la spermatogenèse dès une cure d'irathérapie à 3,7 GBq d'Iode-131. Pourtant, la cryopréservation du sperme n'est recommandée qu'à partir de trois cures. Il convient toutefois de souligner que la congélation lente du sperme peut également compromettre l'intégrité des spermatozoïdes. Ainsi, déterminer le rapport bénéfice/risque entre l'usage de sperme cryoconservé avant traitement et de celui recueilli après exposition aux RI est essentiel.Dans ce travail de thèse, une première étude a été consacrée à évaluer l'impact de la congélation lente sur l'intégrité fonctionnelle et nucléaire des spermatozoïdes humains. Cette analyse a permis de développer et de valider un marqueur innovant de compaction de la chromatine, basé sur une approche morphométrique tridimensionnelle (3D). Les résultats ont mis en évidence une altération de la vitalité, de la mobilité, une fragmentation accrue de l'ADN et une désorganisation de la structure 3D de la chromatine. Ce marqueur pourrait constituer un indicateur global de la qualité des gamètes dans divers contextes physio-pathologiques.La seconde partie de ce travail a été consacrée à évaluer l'impact des rayonnements ionisants sur les spermatozoïdes humains. Pour cela, nous avons développé un modèle in vitro d'irradiation de spermatozoïdes éjaculés recevant une dose de 140 mGy (n = 96), correspondant à la dose absorbée par les testicules et les épididymes lors d'une cure d'irathérapie. Des irradiations complémentaires ont été effectuées à des doses 10 et 5 fois inférieures (14 mGy, n = 35 et 70 mGy, n = 39), correspondant aux doses absorbées cumulées par le testicule lors de la réalisation d'imageries diagnostiques.Une analyse exhaustive de l'intégrité des spermatozoïdes a été conduite, incluant :• Les paramètres fonctionnels (vitalité, mobilité, capacitation, potentiel fécondant)• Les niveaux d'oxydation dans les spermatozoïdes et le liquide séminal• Les marqueurs nucléaires (condensation de la chromatine, fragmentation de l'ADN, longueur des télomères)• La morphométrie 3D de la chromatine spermatique• Les profils épigénétiques des miRNA et de l'ARN total, dans les spermatozoïdes et le liquide séminal.Les résultats révèlent une diminution significative de la vitalité et de la mobilité dès 14 mGy, sans effet notable sur la capacitation ou le potentiel fécondant. Une décondensation accrue de l'ADN est observée à partir de 70 mGy, sans altération détectable des autres marqueurs nucléaires. Compte tenu des faibles tailles d'effet observées, l'impact clinique de ces expositions reste limité. L'analyse des marqueurs de morphométrie 3D et des profils épigénétiques est actuellement en cours.Ce travail de thèse contribue à une meilleure compréhension des effets des RI sur l'intégrité des spermatozoïdes humains dans le contexte de la RIV et des expositions médicales à faibles doses. Le modèle in vitro développé constitue une preuve de concept robuste pour l'évaluation fine de l'intégrité nucléaire et épigénétique des gamètes mâles. Il ouvre la voie à des études in vivo chez les patients traités pour CTD, où les paramètres réels d'exposition (notamment le débit de dose) pourraient moduler les effets observés. À terme, ces travaux contribueront à réévaluer les mesures de préservation de la fertilité, les délais de précaution avant conception post-traitement, ainsi que les mesures de radioprotection dans ces contextes cliniques.

Over the past decades, the increasing use of ionizing radiation (IR) in medicine, for both diagnostic and therapeutic purposes, has raised concerns about its effects on male fertility. In particular, targeted internal radiotherapy (TIR) with Iodine-131 is the standard treatment for differentiated thyroid carcinoma (DTC), one of the most common cancers in men of reproductive age, and its incidence continues to rise. The literature reports impaired spermatogenesis from a single course of radioiodine therapy at 3.7 GBq of Iodine-131. Yet, sperm cryopreservation is currently recommended only after three courses. However, it should be noted that slow sperm freezing may also compromise sperm integrity. Therefore, determining the benefit/risk ratio between the use of cryopreserved sperm prior to treatment and that of sperm collected after IR exposure is essential.In this work, an initial study focused on evaluating the impact of slow freezing on the functional and nuclear integrity of human spermatozoa. This analysis led to the development and validation of an innovative chromatin compaction marker based on a three-dimensional (3D) morphometric approach. The results highlighted significant alterations in vitality and motility, increased DNA fragmentation, and disorganization of the 3D chromatin structure. This marker could serve as a global indicator of gamete quality in various physio-pathological contexts.The second part of this work aimed to assess the effects of ionizing radiation on human spermatozoa. To this end, we developed an in vitro model of irradiated ejaculated sperm using a CT scanner, delivering a dose of 140 mGy (n = 96), corresponding to the cumulative dose absorbed by the testes and epididymis during one course of radioiodine therapy. Additional irradiations were carried out at 10- and 5-fold lower doses (14 mGy, n = 35 and 70 mGy, n = 39), representing cumulative testicular doses from one and five diagnostic scans, respectively.A comprehensive analysis of sperm integrity was conducted, including:• Functional parameters (vitality, motility, capacitation, fertilization potential)• Oxidation levels in sperm and seminal plasma• Nuclear markers (chromatin condensation, DNA fragmentation, telomere length)• 3D morphometry of sperm chromatin• Epigenetic profiles of miRNA and total RNA in sperm and seminal plasmaThe results show a significant decrease in vitality and motility from 14 mGy, with no notable effect on capacitation or fertilization potential. Increased DNA decondensation was observed from 70 mGy, without detectable changes in other nuclear markers. Given the small effect sizes observed, the clinical impact of these exposures appears limited. Analysis of 3D morphometric markers and epigenetic profiles is ongoing.This work contributes to a better understanding of the effects of IR on human sperm integrity in the context of TIR and low-dose medical exposures. The in vitro model developed provides a robust proof of concept for the detailed evaluation of nuclear and epigenetic integrity of male gametes. It paves the way for future in vivo studies in patients treated for DTC, where real exposure parameters (especially dose rate) may modulate the observed effects. Ultimately, this research will help reassess fertility preservation strategies, post-treatment conception timelines, and radioprotection measures in these clinical contexts.