La espermatogénesis in vitro es el proceso de creación de gametos masculinos ( espermatozoides ) fuera del cuerpo en un sistema de cultivo. El proceso podría ser útil para la preservación de la fertilidad, el tratamiento de la infertilidad y puede desarrollar aún más la comprensión de la espermatogénesis a nivel celular y molecular.
La espermatogénesis es un proceso muy complejo y reconstruirlo artificialmente in vitro es un desafío. [ cita requerida ] Estos incluyen crear un microambiente similar al de los testículos, así como apoyar la señalización endocrina y paracrina, y asegurar la supervivencia de las células somáticas y germinales desde las células madre espermatogoniales (SSC) hasta los espermatozoides maduros. [1]
Se pueden utilizar diferentes métodos de cultivo en el proceso, como cultivos de células aisladas , cultivos de fragmentos y cultivos en 3D . [ cita requerida ]
Técnicas de cultivo
Cultivos de células aisladas
Los cultivos celulares pueden incluir monocultivos, donde se cultiva una población celular, o sistemas de co-cultivo, donde varias líneas celulares (deben ser al menos dos) pueden cultivarse juntas. [2] Las células se aíslan inicialmente para cultivo mediante la digestión enzimática del tejido testicular para separar los diferentes tipos de células para cultivo. [ cita requerida ] El proceso de aislamiento de las células puede provocar daños celulares. [3]
La principal ventaja del monocultivo es que se puede investigar el efecto de diferentes influencias sobre una población celular específica de células. [ cita requerida ] El co-cultivo permite observar y experimentar las interacciones entre las poblaciones de células, lo que se considera una ventaja sobre el modelo de monocultivo. [2]
El cultivo de células aisladas, específicamente el cocultivo de tejido testicular, ha sido una técnica útil para examinar las influencias de factores específicos como hormonas o diferentes células alimentadoras sobre la progresión de la espermatogénesis in vitro . [ cita requerida ] Por ejemplo, factores como la temperatura, la influencia de las células alimentadoras y el papel de la testosterona y la hormona estimulante del folículo (FSH) se han investigado utilizando técnicas de cultivo de células aisladas. [2]
Los estudios han concluido que diferentes factores pueden influir en el cultivo de células germinales, por ejemplo, medios, factores de crecimiento, hormonas y temperatura. Por ejemplo, cuando se cultivan células germinales de ratón inmortalizadas a temperaturas de 35, 37 y 29 ℃, estas células proliferan más rápidamente a la temperatura más alta y menos rápidamente a la más baja, pero hubo diferentes niveles de diferenciación. A la temperatura más alta no se detectó diferenciación, algunas se vieron a 37 ℃ y algunas espermátidas tempranas aparecieron a 32 ℃. [2]
Las investigaciones de las células alimentadoras apropiadas concluyeron que una variedad de células podría estimular el desarrollo de células germinales como las células de Sertoli , las células de Leydig y las células mioides peritubulares, pero las más esenciales son las células de Sertoli, pero las células mioides tanto de Leydig como peritubulares contribuyen al microambiente que estimulan las células madre. células para permanecer pluripotentes y autorrenovarse en los testículos. [4]
Cultivos de fragmentos de testículos
En cultivos de fragmentos, se extrae el testículo y se cultivan fragmentos de tejido en medios suplementarios que contienen diferentes factores de crecimiento para inducir la espermatogénesis y formar gametos funcionales. [1] El desarrollo de esta técnica de cultivo ha tenido lugar principalmente con el uso de modelos animales, por ejemplo, ratones o tejido de testículo de rata.
La ventaja de utilizar este método es que mantiene la disposición espacial natural de los túbulos seminíferos . Sin embargo, la hipoxia es un problema recurrente en estos cultivos donde el bajo suministro de oxígeno dificulta el desarrollo y la maduración de las espermátidas (significativamente más en los tejidos de testículos adultos que en los inmaduros). [1] Otros desafíos con este tipo de cultivo incluyen el mantenimiento de la estructura de los túbulos seminíferos, lo que dificulta los cultivos celulares a más largo plazo, ya que las estructuras de los tejidos pueden aplanarse, lo que dificulta el trabajo. [4] Para resolver algunos de estos problemas, se pueden utilizar cultivos 3D.
En 2012, se aislaron espermatozoides maduros capaces de fertilizar a partir de un cultivo in vitro de tejido testicular de ratón inmaduro. [5]
Culturas 3D
Los cultivos 3D utilizan esponjas, modelos o andamios que se asemejan a los elementos de la matriz extracelular para lograr una estructura espacial más natural de los túbulos seminíferos y para representar mejor los tejidos y la interacción entre diferentes tipos de células en un experimento ex vivo . Los diferentes componentes de la matriz extracelular, como el colágeno, el agar y el alginato de calcio, se utilizan comúnmente para formar el gel o estructura que puede proporcionar oxígeno y nutrientes. [2] Para propagar cultivos 3D, los cultivos de células testiculares se incrustan en la esponja / andamio poroso y se dejan colonizar la estructura que luego puede sobrevivir durante varias semanas para permitir que las espermatogonias se diferencien y maduren en espermatozoides.
Además, agitar los cultivos en 3D durante el proceso de siembra permite un mayor suministro de oxígeno que ayuda a superar el problema de la hipoxia y, por lo tanto, mejora la vida útil de las células. [2]
A diferencia de los monocultivos, los cultivos de fragmentos / 3D pueden establecer condiciones in vitro que pueden parecerse un poco al microambiente testicular para permitir un estudio más preciso de la fisiología testicular y sus asociaciones con el desarrollo in vitro de los espermatozoides. [2]
Implicaciones futuras
Científico
La capacidad de recapitular la espermatogénesis in vitro brinda una oportunidad única para estudiar este proceso biológico a través de un método de investigación muchas veces más barato y rápido que el trabajo in vivo . La observación es a menudo más fácil in vitro , ya que las células objetivo están en su mayoría aisladas e inmóviles. Otra ventaja significativa de la investigación in vitro es la facilidad con la que se pueden cambiar y controlar los factores ambientales. También hay técnicas que no son prácticas o factibles in vivo que ahora se pueden explorar. [5]
El trabajo in vitro no está exento de desafíos. Por ejemplo, se pierde la estructura natural proporcionada por el tejido in vivo y, por tanto, las conexiones celulares que podrían ser importantes para la función del tejido. [1]
Clínico
Si bien la espermatogénesis de los roedores no es idéntica a su contraparte humana, especialmente debido a la alta tasa de evolución del tracto reproductor masculino, estas técnicas son un sólido punto de partida para futuras aplicaciones humanas. [5]
Varias categorías de hombres infértiles pueden beneficiarse de los avances en estas técnicas, especialmente aquellos con una falta de producción viable de gametos. Estos hombres no pueden beneficiarse, por ejemplo, de las técnicas de extracción de esperma y actualmente tienen pocas o ninguna opción para producir descendientes genéticos. [6]
En particular, los hombres que se han sometido a quimio / radioterapia antes de la pubertad pueden beneficiarse de la espermatogénesis in vitro . Estas personas no tenían la opción de criopreservar espermatozoides viables antes de su procedimiento y, por lo tanto, la capacidad de generar espermatozoides de descendencia genética más adelante en la vida es invaluable. Los posibles métodos que podrían aplicarse (a este y otros grupos) son la inducción de espermatogénesis en muestras de testículo tomadas antes de la pubertad o, si estas muestras no están disponibles o no son viables, los nuevos métodos que manipulan la diferenciación de células madre podrían producir SSC 'desde cero', utilizando muestras de células madre adultas . [5]
Un método alternativo es volver a injertar tejido preservado en sobrevivientes adultos de cáncer; sin embargo, esto conlleva riesgos operativos, así como el riesgo de reintroducir células malignas. Sin embargo, incluso si se usa este método, los avances en la espermatogénesis in vitro permitirían la expansión y observación de la muestra para garantizar mejor la calidad y cantidad del tejido del injerto. [4]
En aquellos con SSC sanos o conservados pero sin un entorno celular que los respalde, la espermatogénesis in vitro podría usarse después del trasplante de SSC en tejido de donante sano. [4]
Otro grupo al que podría ayudar la espermatogénesis in vitro son los que tienen algún tipo de impedimento genético para la producción de espermatozoides. Aquellos sin desarrollo viable de SSC son un objetivo obvio, pero también aquellos con niveles variables de detención espermatogénica; anteriormente, sus células germinales subdesarrolladas se habían inyectado en ovocitos, sin embargo, esto tiene una tasa de éxito de solo el 3% en humanos. [4]
Finalmente, la espermatogénesis in vitro usando células animales o humanas puede usarse para evaluar los efectos y la toxicidad de los fármacos antes de las pruebas in vivo . [2]
Referencias
- ^ a b c d Reuter, Karin; Schlatt, Stefan; Ehmcke, Jens; Wistuba, Joachim (1 de octubre de 2012). "Realidad o ficción: espermatogénesis in vitro" . Espermatogénesis . 2 (4): 245–252. doi : 10.4161 / spmg.21983 . ISSN 2156-5554 . PMC 3521746 . PMID 23248765 .
- ^ a b c d e f g h Galdon, Guillermo; Atala, Anthony; Sadri-Ardekani, Hooman (23 de abril de 2016). "Espermatogénesis in vitro: ¿qué tan lejos de la aplicación clínica?". Informes Urológicos Actuales . 17 (7): 49. doi : 10.1007 / s11934-016-0605-3 . ISSN 1527-2737 . PMID 27107595 .
- ^ Hunter, Damien; Anand-Ivell, Ravinder; Danner, Sandra; Ivell, Richard (1 de enero de 2012). "Modelos de espermatogénesis in vitro" . Espermatogénesis . 2 (1): 32–43. doi : 10.4161 / spmg.19383 . ISSN 2156-5554 . PMC 3341244 . PMID 22553488 .
- ^ a b c d e Ibtisham, Fahar; Wu, Jiang; Xiao, Mei; An, Lilong; Banquero, Zachary; Nawab, Aamir; Zhao, Yi; Li, Guanghui (12 de septiembre de 2017). "Avances y perspectivas de futuro de la espermatogénesis in vitro" . Oncotarget . 8 (39): 66709–66727. doi : 10.18632 / oncotarget.19640 . ISSN 1949-2553 . PMC 5630449 . PMID 29029549 .
- ^ a b c d Song, Hye-Won; Wilkinson, Miles F. (1 de octubre de 2012). "Espermatogénesis in vitro" . Espermatogénesis . 2 (4): 238–244. doi : 10.4161 / spmg.22069 . ISSN 2156-5554 . PMC 3521745 . PMID 23248764 .
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