Amélioration pharmacologique de l'insémination artificielle chez le bovin et chez l'homme

Pharmacological improvement of artificial insemination in the bovine

• Auteur / Autrice : Chanyuth Thamwan
• Direction : Sylviane Hennebicq, Christophe Arnoult
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biotechnologie
• Date : Inscription en doctorat le 25/11/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IAB : Institute for Advanced Biosciences (UGA / Inserm U1209 / CNRS UMR 5309)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Genetics, Epigenetics and Therapies of Infertility - Génétique, Épigénétique et Thérapies de l'infertilité - C. ARNOULT/P. RAY

Mots clés

Mots clés libres

Durée de vie du sperme

Ralentir la capacitation

Physiologie du sperme humain

Compétence de fertilité

Médicament

Sperm physiology

Fertilization

Bovine

Human

Primate

Résumé

Contexte scientifique En 2015, IMV-Technologies, entreprise française leader mondial de la reproduction animale et l'équipe de recherche GETI ont mis en place un laboratoire commun dédié à l'amélioration des technologies de reproduction assistée par les animaux (ART). Ce laboratoire commun, situé dans les locaux du GETI, vise à caractériser des médicaments innovants et à développer des techniques pour améliorer la maturation des ovocytes et la fécondance des spermatozoïdes. L'intérêt des produits identifiés est évalué en évaluant leurs effets sur la fécondation in vitro et le développement embryonnaire, en utilisant principalement le modèle bovin. L'objectif de ce laboratoire est donc de générer de l'innovation à partir de la découverte de médicaments suivie d'une validation in vitro (tests précliniques), d'essais sur le terrain (tests cliniques) et d'une évaluation de la sécurité à long terme réalisée sur des animaux vivants. Projet Pour que l'insémination artificielle (IA) réussisse, il est essentiel que la livraison du sperme soit parfaitement synchronisée par rapport à l'ovulation. Cependant, la durée de vie des spermatozoïdes est limitée en raison du métabolisme oxydatif induit par la capacitation. L'extension de la fenêtre de capacité du sperme pourrait donc augmenter la durée de vie du sperme, prolonger la compétence de fertilisation du sperme et augmenter l'efficacité de l'IA. La capacitation, qui se produit in vivo dans l'appareil reproducteur féminin, est une étape de maturation nécessaire impliquant le remodelage des lipides et des protéines. L'un des premiers événements de capacitation correspond à la perte de cholestérol de la membrane plasmique, entraînant une augmentation de la fluidité de la membrane plasmique. La fluidité membranaire altérée active à son tour un afflux de calcium et de bicarbonate à travers des canaux / transporteurs encore mal caractérisés. De nombreux acteurs tels que les kinases et les phosphatases sont activés en aval, et leurs voies moléculaires respectives font l'objet de recherches intenses. La capacitation est également associée à une augmentation des niveaux d'oxydation dans la cellule, qui est nécessaire pour la capacitation des spermatozoïdes et pour stimuler l'élimination du cholestérol, la production d'AMPc et l'activation de la kinase A, qui sont tous nécessaires pour terminer cette étape de maturation. Les espèces réactives de l'oxygène (ROS) peuvent provenir de fluides produits par les glandes sexuelles accessoires ou peuvent être générées dans le spermatozoïde lui-même. Les ROS externes provoquent une peroxydation lipidique, qui stimule la production de ROS par les mitochondries du sperme. Les ROS produits par les mitochondries induisent une peroxydation lipidique, maintenant ainsi un fort cycle de stress oxydatif dans le sperme (Aitken & Curry 2011, Aitken 2017). Ce stress oxydatif continu est en fin de compte délétère pour les lipides et l'ADN des spermatozoïdes, entraînant de graves dommages aux cellules, une perte de motilité des spermatozoïdes et un engagement des spermatozoïdes vers l'apoptose, ce qui a un impact négatif sur leur durée de vie. La capacité et son métabolisme associé sont donc considérés comme des facteurs clés limitant la durée de vie des spermatozoïdes. De plus, dans la reproduction assistée bovine, la durée de vie des spermatozoïdes est également réduite par la manipulation et la cryoconservation, qui sont largement utilisées pour cette espèce. Malgré l'utilisation de milieux de congélation optimisés contenant des composants connus pour protéger les spermatozoïdes des dommages pendant la congélation-décongélation, de nombreux spermatozoïdes meurent au cours de ce processus, et les cellules survivantes présentent une physiologie modifiée et une capacitation accélérée, accentuant la diminution de la durée de vie des spermatozoïdes. Parce que la capacitation représente une cause majeure de durée de vie limitée des spermatozoïdes, le sujet du doctorat est de découvrir de nouveaux médicaments capables de ralentir la capacitation et d'évaluer comment son inhibition affecte la durée de vie des spermatozoïdes et la durée de leur compétence fertilisante. Les méthodes Pour répondre à cet objectif, une revue de la littérature sera réalisée afin de choisir une vingtaine de molécules susceptibles d'avoir un impact sur la capacitation. Ensuite, leurs effets sur la physiologie du sperme (viabilité, motilité, réaction acrosomique, etc.) et sur la capacité des spermatozoïdes capacités à féconder in vitro des ovocytes de souris seront testés. Les molécules qui auront un effet très significatif sur les souris seront sélectionnées et testées sur des spermatozoïdes bovins. L'effet du médicament sur les paramètres suivants sera évalué: viabilité des spermatozoïdes, motilité, capacitation, réaction acrosomique et capacité des spermatozoïdes capacités à fertiliser les ovules bovins et à assurer un développement embryonnaire adéquat (jusqu'au stade blastocyste à J9). Réalisations attendues Découverte de nouvelles molécules améliorant la motilité et la fécondité des spermatozoïdes, applications en reproduction animale et humaine.

Scientific context In 2015, IMV-Technologies, a French company world leader in animal reproduction and the research team GETI have established a common laboratory focused on the improvement of animal assisted reproduction technologies (ART). This common Lab, located within GETI premises, aims at characterizing innovative drugs and developing techniques to improve oocyte maturation and sperm fecundance. The interest of the identified products is evaluated by assessing their effects on in vitro fertilization and embryonic development, using mainly the bovine model. The aim of this laboratory is therefore to generate innovation starting from drug discovery followed by in vitro validation (preclinical tests), field tests (clinical tests) and long term safety assessment carried out on live animals. Project For artificial insemination (AI) to be successful, it is essential that sperm delivery be perfectly timed relative to ovulation. However sperm lifespan is limited due to oxidative metabolism induced by capacitation. Extending the window of sperm capacitation could therefore increase sperm lifespan, prolong sperm fertilizing competence and increase AI efficiency. Capacitation, which occurs in vivo in the female reproductive tract, is a necessary maturation step involving remodeling of lipids and proteins. One of the first events in capacitation corresponds to the loss of cholesterol from the plasma membrane, leading to an increase in plasma membrane fluidity. The altered membrane fluidity in turn activates calcium and bicarbonate influx through, as yet, poorly characterized channels/transporters. Numerous actors such as kinases and phosphatases are activated downstream, and their respective molecular pathways are the subjects of intense investigation. Capacitation is also associated with an increase in oxidative levels within the cell, which is necessary for sperm capacitation and to stimulate cholesterol removal, cAMP production and kinase A activation, all of which are required to complete this maturation stage. Reactive oxygen species (ROS) can originate either from fluids produced by the accessory sexual glands or can be generated in the spermatozoon itself. External ROS cause lipid peroxidation, which stimulates further ROS production by sperm mitochondria. ROS produced by mitochondria induce lipid peroxidation, thus maintaining a strong oxidative stress cycle within the sperm (Aitken & Curry 2011, Aitken 2017). This continuous oxidative stress is ultimately deleterious for sperm lipids and DNA, leading to severe cell damage, loss of sperm motility and commitment of sperm towards apoptosis, thus negatively impacting their lifespan. Capacitation and its associated metabolism are therefore considered as key factors limiting sperm lifespan. Moreover, in bovine assisted reproduction, sperm lifespan is also reduced by handling and cryopreservation, which is extensively used for this species. Despite the use of optimized freezing media containing components known to protect sperm from damage during freeze-thawing, many sperm cells die during this process, and the surviving cells present altered physiology and accelerated capacitation, accentuating the decrease of sperm life span. Because capacitation represents a major cause of limited sperm lifespan, the subject of the Ph D is to discover new drugs able to slow down capacitation and evaluate how its inhibition affects sperm lifespan and the duration of their fertilizing competence. Methods To address this objective, a review on the literature will be performed to choose about twenty molecules likely to have an impact on capacitation. Then, their effects on sperm physiology (viability, motility, acrosomal reaction, etc.) and on the ability of capacitated spermatozoa to fertilise mouse oocytes in vitro will be tested. Molecules that will have a very significant effect on mice will be selected and tested on bovine spermatozoa. The effect of the drug on the following parameters will be assessed: sperm viability, motility, capacitation, acrosomal reaction and the ability of capacitated spermatozoa to fertilize bovine eggs and to ensure adequate embryonic development (up to the blastocyst stage at J9). Expected achievements Discovery of new molecules improving sperm motility and fecundance, applications in animal and human reproduction.