The propulsion mechanics driving the movement of living cells constitutes one of the most incredible engineering works of nature. Active cell motility via the controlled movement of a flagellum beating is among the phylogentically oldest forms of motility, and has been retained in higher level organisms for spermatozoa transport. Despite this ubiquity and importance, the details of how each structural component within the flagellum is orchestrated to generate bending waves, or even the elastic material response from the sperm flagellum, is far from fully understood. By using microbiomechanical modelling and simulation, we develop bio-inspired mathematical models to allow the exploration of sperm motility and the material response of the sperm flagellum. We successfully construct a simple biomathematical model for the human sperm movement by taking into account the sperm cell and its interaction with surrounding fluid, through resistive-force theory, in addition to the geometrically non-linear response of the flagellum elastic structure. When the surrounding fluid is viscous enough, the model predicts that the sperm flagellum may buckle, leading to profound changes in both the waveforms and the swimming cell trajectories. Furthermore, we show that the tapering of the ultrastructural components found in mammalian spermatozoa is essential for sperm migration in high viscosity medium. By reinforcing the flagellum in regions where high tension is expected this flagellar accessory complex is able to prevent tension-driven elastic instabilities that compromise the spermatozoa progressive motility. We equally construct a mathematical model to describe the structural effect of passive link proteins found in flagellar axonemes, providing, for the first time, an explicit mathematical demonstration of the counterbend phenomenon as a generic property of the axoneme, or any cross-linked filament bundle. Furthermore, we analyse the differences between the elastic cross-link shear and pure material shear resistance. We show that pure material shearing effects from Cosserat rod theory or, equivalently, Timoshenko beam theory or are fundamentally different from elastic cross-link induced shear found in filament bundles, such as the axoneme. Finally, we demonstrate that mechanics and modelling can be utilised to evaluate bulk material properties, such as bending stiffness, shear modulus and interfilament sliding resistance from flagellar axonemes its constituent elements, such as microtubules.

INTRODUÇÃO: A Região Metropolitana de São Paulo é a mais populosa do Brasil. A grande frota veicular contribui para uma maior concentração de poluentes atmosféricos. Diversos poluentes podem interferir na fertilidade humana, alterando os principais parâmetros seminais. Este estudo teve como objetivo avaliar a influência dos níveis atuais de poluição atmosférica de origem veicular nos parâmetros seminais em controladores de tráfego. MÉTODOS: Foram realizadas anamnese e avaliação clínica urológica (volume testicular, presença de varicocele, criptorquidia, má formações) em 62 controladores de tráfego da CET (grupo exposto) e 210 homens comprovadamente férteis do grupo de pré-vasectomia do ambulatório da urologia do HC-FMUSP (grupo controle). Os parâmetros seminais avaliados foram concentração, motilidade (quantitativa e qualitativa), morfologia pelos critérios da OMS e critério estrito de Kruger, teste para detecção de leucócitos e testes de função espermática, CK, ROS e anticorpo anti-espermatozóide. Parâmetros hormonais também foram avaliados. Avaliação de exposição à poluição foi realizada através da dispersão de poluentes registrado pela Cetesb, gerada pelo software SURFER 8.0. RESULTADOS: Os controladores de tráfego apresentaram volume testicular maior em relação ao grupo pré-vasectomia (p<0,001). Quanto aos níveis de Estradiol (p=0,119), LH (p=0,644), FSH (p=0,140) e Testosterona total (p=0,365), ambos os grupos apresentaram valores dentro da normalidade. A concentração espermática apresentou-se homogênea nos grupos (p= 0,395); os controladores de tráfego apresentaram média de 124,9 x 106/ml e os pré-vasectomia 110,1 x 106/ml. Os controladores de tráfego apresentaram motilidade quantitativa (total) reduzida (60%) em relação aos prévasectomia (65%) (p= 0,047). A motilidade qualitativa (progressiva) também se apresentou diminuída no grupo exposto (p<0,001). As morfologias espermáticas tanto pelo critério da OMS (grupo exposto = 12%; grupo controle = 20%), quanto pelo critério estrito de Kruger (grupo exposto = 3%; grupo controle = 6%) estavam significativamente diminuídas no grupo exposto em relação ao controle (p<0,001). O marcador de maturidade Creatina Quinase apresentou-se dentro da normalidade em ambos os grupos, porém maior no grupo controle (p<0,001). Anticorpos anti-espermatozóides estavam elevados nos dois grupos, porém não foi significativo (p=0,382). Radicais livres de oxigênio apresentaram-se em altas concentrações nos dois grupos, porém não foi significativo (p=0,141). CONCLUSÕES: A análise dos dados obtidos nessa pesquisa sugere que a poluição atmosférica exerce uma influência negativa sobre os parâmetros seminais motilidade e morfologia. Causa elevação dos níveis de ROS em todos os indivíduos, indicando perda da função espermática. Ainda demonstrou-se a elevação em todos os indivíduos dos níveis de anticorpos anti-espermatozóides, sugerindo que os poluentes teriam transposto a barreira hemato-testicular. O volume testicular do grupo exposto à poluição veicular apresentar-se maior em relação ao volume testicular do grupo controle nos leva a supor que isto se deva a uma reação inflamatória aos agentes poluidores. Apesar da diferença significativa na concentração de poluentes entre os grupos, uma correlação direta com parâmetros seminais não pôde ser demonstrada / Metropolitan Region of Sao Paulo is the most populous of Brazil. The huge number of vehicles contributes for a higher concentration of air pollutants. Various pollutants can interfere in human fertility, altering the main seminal parameters. The aim of this study was to evaluate the influence of air pollution of vehicular origin on seminal parameters of traffic controllers. Clinical history and urological evaluation (testicular volume, presence of varicocele, cryptorchidism, bad formations) were carried out in 62 traffic controllers (exposed group) and 210 proven fertile men from the pre-vasectomy group of urologic clinic at Hospital of Clinics University of Sao Paulo (control group). Seminal parameters evaluated were concentration, motility (quantitative and qualitative), morphology by WHO´s criteria and Kruger´s strict criteria, test for detection of leukocytes and tests of sperm function, CK, ROS and antisperm antibody. Hormonal parameters also were evaluated. Exposition to air pollution was analyzed through the dispersion of pollutants recorded by Cetesb, generated in the software SURFER 8.0. Traffic controllers presented bigger testicular volume than prevasectomy group (p<0,001). Hormonal levels were at normal range in both groups; Estradiol (p=0,119), LH (p=0,644), FSH (p=0,140) and Total Testosterone (p=0,365). Sperm concentration was homogeneous in both groups (p= 0,395); traffic controllers presented mean of 124.9x106/ml and pre vasectomy group 110.1x106/ml. The exposed group presented quantitative (total) motility (60%) diminished than control group (65%) (p=0,047). The qualitative (progressive) motility was also diminished in the exposed group (p <0,001). The sperm morphologies as by WHO´s criteria (exposed group = 12%; control group = 20%), as by Kruger´s strict criteria (exposed group = 3%; control group = 6%) were significantly diminished in the exposed group (p<0,001). The sperm maturity marker Creatine Kinase was at normal range at both groups, but higher in the control one (p<0,001). Antisperm antibodies was elevated in both groups, however it was not significant (p=0,382). ROS presented higher concentrations in both groups, however it was not significant (p=0,141). The facts presented in this study suggest that air pollution exercises negative effects on the seminal parameters motility and morphology. It causes elevation of ROS levels in all individuals, indicating loss of sperm function. It also showed, elevation of antisperm antibodies levels, suggesting that pollutants would have transposed the blood-testis barrier. The testicular volume in the exposed group was higher than the testicular volume of the control group; we can suppose that it must occur due to an inflammatory reaction against the polluting agents. Although the significant difference in pollutants concentrations between groups, no direct correlation to seminal parameters could be demonstrated

Objetivo: Avaliar a função das células testiculares de Sertoli em homens com lúpus eritematoso sistêmico (LES). Métodos: Trinta e quatro pacientes consecutivos foram prospectivamente selecionados para avaliar a função das células testiculares de Sertoli pelos níveis séricos da inibina B. Características clínicas, tratamento, análises dos espermatozóides, avaliação urológica, ultrasonografia testicular, hormônios e anticorpos anti-espermatozóides foram avaliados. Resultados: Os pacientes foram subdivididos em dois grupos: níveis séricos reduzidos (Grupo 1, n=8) e níveis séricos normais (Grupo 2, n=26) de inibina B. As medianas da concentração média de espermatozóides (p=0,024), da contagem total de espermatozóides (p=0,023) e da contagem total de espermatozóides móveis (p=0,025) foram menores no Grupo 1. Os níveis de inibina B foram positivamente correlacionados com a concentração de espermatozóides (r=0,343) e contagem total de espermatozóides móveis (r=0,357), e negativamente correlacionados com FSH (r=0,699) e LH (r=0,397). A mediana de inibina B sérica foi menor nos pacientes com LES tratados com pulsoterapia com ciclofosfamida endovenosa (CICIV) comparada aos não tratados com este medicamento (p=0,031). Avaliação dos 26 pacientes com LES e níveis normais de inibina B e FSH revelou que a mediana da relação inibina B/FSH foi menor nos pacientes lúpicos com oligozoospermia comparada aos pacientes com normozoospermia (p=0,004). Esta relação também foi menor nos pacientes com LES tratados com CICIV do que naqueles sem esta terapia (p=0,04). Conclusão: Este é o primeiro estudo que identificou uma alta freqüência de disfunção das células testiculares de Sertoli em homens com LES associada a anormalidades dos espermatozóides. Outros estudos prospectivos são necessários para determinar se os níveis séricos de inibina e a relação inibina B/FSH serão um marcador útil e precoce de toxicidade pela CICIV neste pacientes / Objective: To assess the testicular Sertoli cell function in male SLE patients. Methods: 34 consecutive patients were prospectively selected to evaluate the testicular Sertoli cell function by serum inhibin B levels. Clinical features, treatment, semen analysis, urologic evaluation, testicular ultrasound, hormones, and antisperm antibodies were determined. Results: Patients were subdivided into two Groups: low serum inhibin B (Group 1, n=8) and normal levels (Group 2, n=26). The medians of sperm concentration (p=0.024), total sperm count (p=0.023) and total motile sperm count (p=0.025) were lower in Group 1. Inhibin B levels were positively correlated with sperm concentration (r=0.343), total motile sperm count (r=0.357), and negatively correlated with FSH (r=0.699) and LH (r=0.397). The median serum inhibin B was lower in SLE patients treated with intravenous cyclophosphamide pulsetherapy (IVCYC) compared to those without this therapy (p=0.031). Further evaluation of the 26 SLE patients with normal inhibin B and FSH levels revealed that medians of inhibin B/FSH ratio were lower in SLE patients with oligozoospermia compared to normozoospermia (p=0.004). This ratio was also lower in SLE patients treated with IVCYC than those without this therapy (p=0.04). Conclusions: This is the first study to identify a high frequency of testicular Sertoli cell dysfunction in male SLE associated with sperm abnormalities. Further prospective studies are necessary to determine if inhibin levels and inhibin B/FSH ratio will be an earlier and useful marker of IVCYC toxicity in these patients

Durante a injeção intracitoplasmática de espermatozoides (ICSI) seleciona-se um espermatozoide móvel e morfologicamente normal para injeção em ovócito maduro. Evidências recentes indicam que mesmo espermatozoides aparentemente normais podem ocultar defeitos em nível molecular. O principal objetivo deste trabalho foi a descrição de um novo método capaz de selecionar espermatozoides maduros a partir de amostras não processadas em procedimento de ICSI. Em um estudo comparativo e prospectivo testou-se uma gota estendida modificada. A \"gota estendida com mecanismo contracorrente\" - GEMC foi montada em uma placa de ICSI padrão a partir de seis gotas de meio de cultivo (10 ?L). O posicionamento e união precisa das gotas deram origem a dois reservatórios e um canal, resultando em um fluxo de líquido através do canal. A adição de uma solução de PVP (polivinilpirrolidona) gerou um gradiente de viscosidade no final do circuito. Amostras seminais foram obtidas de 40 pacientes inférteis. Cada amostra seminal foi dividida em 4 alíquotas: uma alíquota para o processamento por centrifugação em gradiente de densidade (CGD), uma alíquota para a GEMC utilizando amostras não processadas, uma alíquota para a GEMC utilizando amostras processadas e uma alíquota para controle. Nos grupos GEMC uma média de 200 espermatozoides foram consecutivamente coletados, sem seleção, no reservatório de captura utilizando-se uma micropipeta de injeção como no procedimento convencional de ICSI. A morfologia espermática foi avaliada e demonstrou melhora, comparando-se com os controles, em todos os tratamentos utilizados. A imaturidade da cromatina foi avaliada utilizando-se o teste do azul de anilina. Em relação à imaturidade, 100% dos homens obtiveram melhores resultados tanto após o preparo por CGD quanto utilizando o método GEMC. Isto se refletiu em uma redução das formas imaturas de 28.65 ± 8.97% no sêmen fresco para 17.29 ± 7.72% após processamento por CGD (P < 0.01). Uma redução ainda maior nas formas imaturas foi obtida após o método GEMC quando comparado com o processamento por CGD: 0.89 ± 1.31% (P < 0.01) utilizando-se sêmen fresco e 1.05 ± 1.63% (P < 0.01) utilizando-se amostras processadas. Um novo método unindo seleção e captura de espermatozoides em um mesmo procedimento de ICSI foi descrito e testado. O método GEMC seleciona espermatozoides de forma fácil e permite o uso direto de amostras não processadas em procedimentos de ICSI. Este método seleciona espermatozoides maduros com mais eficiência do que o processamento por CGD. Novos estudos são necessários para se analisar o impacto do método nas taxas de fertilização, desenvolvimento embrionário, gravidez, implantação e abortamento / During intracytoplasmic sperm injection (ICSI) a motile spermatozoon with normal morphology is visually selected for insemination of an oocyte. Recent evidence indicates that even though the sperm appears morphologically normal, a possibility of defects at the molecular level still exists. The main objective of this work was to describe a novel approach capable of selecting mature spermatozoa from unprocessed semen sample in a one-step ICSI procedure. A modified extended drop was tested in a prospective comparative study. The \"Gota Estendida com Mecanismo Contracorrente - GEMC\" (Positive Rheotaxis Extended Drop - PRED) was assembled on a standard ICSI dish and consisted of six culture medium droplets (10 ?L). The precise merging of the drops created two reservoirs and a channel therefore the fluid flew through the channel. The addition of a PVP solution created a viscosity gradient in the final sector of the circuit. Semen samples were taken from 40 subfertile men. Each semen sample was divided into four aliquots: one aliquot for density gradient centrifugation (DGC), one aliquot for GEMC using fresh semen, one aliquot for GEMC using processed semen and one aliquot for the control. In GEMC a mean of 200 spermatozoa were collected consecutively, without selection, from the outlet reservoir with an injecting pipette as for conventional ICSI procedure. Sperm morphology was assessed and resulted in improvement compared to controls in all treatments. Chromatin immaturity was assessed using aniline blue assay. Regarding to chromatin immaturity, 100% of men had better results after DGC preparation and GEMC approach. This was reflected in a mean reduction from 28.65 ± 8.97% uncondensed chromatin in the native ejaculates to 17.29 ± 7.72% in DGC processed semen (P < 0.01). An even greater reduction was achieved after GEMC approach showing a mean of 0.89 ± 1.31% uncondensed chromatin compared to DGC processed sample (P < 0.01). A novel one-step ICSI approach joining sperm selection and recovery was developed and tested. This GEMC approach can select sperm easily and permits the direct use of native semen in ICSI. This approach can select sperm with lower chromatin immaturity than DGC method. Further studies need to access its relation to fertilization, embryo development, pregnancy, implantation and miscarriage rates

O sucesso da fecundação e da sustentação do desenvolvimento embrionário subseqüente é dependente de atributos espermáticos relacionados à qualidade seminal. A produção in vitro de embriões em bovinos é uma ferramenta fundamental para a aceleração do ganho genético do rebanho, porém o uso comercial depende diretamente da melhoria do sistema de produções in vitrode embriões a um baixo custo. Técnicas que proporcionem melhoria da qualidade seminal possibilitando um incremento na produção in vitro de embriões e ainda a um baixo custo possuem apelo econômico. O laser de baixa potência emite ondas eletromagnéticas com efeitos biológicos. Este efeito é dependente dos parâmetros de irradiação e do tipo celular alvo. Trabalhos avaliando o laser de baixa potência em amostras seminais sugerem que seja utilizado para melhorar os atributos espermáticos e, conseqüentemente, a produção in vitro de embriões. Este estudo teve como objetivo avaliar o efeito do laser de baixa potência sobre a viabilidade espermática e averiguar o efeito desta estimulação na produção in vitro de embriões bovinos. Para isso, amostras comerciais de sêmen criopreservado foram descongeladas e submetidas à irradiação com laser He-NE. No experimento 1 foram testadas as potências de 0; 5; 7,5 e 10mW, por 5 ou 10 minutos de tratamento. As amostras de sêmen foram avaliadas imediatamente após a irradiação e após 30 minutos de incubação. Foram verificadas possíveis interações duplas (Potência*Duração do Tratamento, Potência*Tempo e Duração do Tratamento*Tempo) e tripla (Potência*Duração do Tratamento*Tempo). No experimento 2 foi avaliado o efeito da melhor combinação potência X duração dos tratamentos utilizados no Experimento 1, para irradiar o sêmen utilizado para a produção in vitro de embriões. O laser de baixa potência apresentou efeito sobre diversos atributos relacionados à viabilidade espermática. Este efeito foi dependente da potência e da duração do tratamento. Nas condições experimentais, a potência de 5mW com duração de 10 minutos de aplicação sugere efeitos positivos no aumento na viabilidade espermática. No entanto, o tratamento de espermatozóides nesta potência e duração do tratamento, não apresenta incremento nas taxas de produção nem na qualidade embrionária. / Success of fertilization and the maintenance of subsequent embryo development rely on sperm attributes related to seminal quality. The in vitro production of bovine embryos is an essential tool for genetic gain in the herd. However, its commercial use directly depends on improvement of the production system at a low cost. Inexpensive techniques which provide an increase of seminal quality, allowing the increment of in vitro production of embryos are of great interest to cattle breeding. Low-power laser emits electromagnetic waves with biological effects. These effects are dependent of irradiation parameters and target cell type. Studies with seminal samples irradiated by low potency laser suggest its use to improve several sperm features and, therefore, in vitro production of embryos. This study aimed to evaluate the effect of low potency laser on sperm viability and fertilization ability of irradiated sperm. Briefly, in Experiment 1, samples of frozen/thawed commercial semen were subjected to He-NE laser irradiation. Laser potencies of 0, 5, 7.5 or 10mW were tested for 5 or 10 min of treatment. Samples were evaluated immediately and 30 min after irradiation. Double (Potency*Treatment length, Potency*Time and Treatment length*Time) and triple interactions (Potency*Treatment length*Time) were assessed. Afterwards, in Experiment 2, the effect of the best combination of potency and exposure length on in vitro production of embryos was verified. Low potency laser affected several semen attributes related to sperm viability. This effect was dependent on laser potency and the length of treatment. In the experimental conditions tested in this study, 5mW potency combined to 10 min of exposure had appeared to have positive effect of increasing sperm viability. However, 5mW potency laser for 10 min sperm irradiation did not improve in vitro embryo production rates and bovine embryo quality.

Objetivo: Avaliar a função das células testiculares de Sertoli em homens com lúpus eritematoso sistêmico (LES). Métodos: Trinta e quatro pacientes consecutivos foram prospectivamente selecionados para avaliar a função das células testiculares de Sertoli pelos níveis séricos da inibina B. Características clínicas, tratamento, análises dos espermatozóides, avaliação urológica, ultrasonografia testicular, hormônios e anticorpos anti-espermatozóides foram avaliados. Resultados: Os pacientes foram subdivididos em dois grupos: níveis séricos reduzidos (Grupo 1, n=8) e níveis séricos normais (Grupo 2, n=26) de inibina B. As medianas da concentração média de espermatozóides (p=0,024), da contagem total de espermatozóides (p=0,023) e da contagem total de espermatozóides móveis (p=0,025) foram menores no Grupo 1. Os níveis de inibina B foram positivamente correlacionados com a concentração de espermatozóides (r=0,343) e contagem total de espermatozóides móveis (r=0,357), e negativamente correlacionados com FSH (r=0,699) e LH (r=0,397). A mediana de inibina B sérica foi menor nos pacientes com LES tratados com pulsoterapia com ciclofosfamida endovenosa (CICIV) comparada aos não tratados com este medicamento (p=0,031). Avaliação dos 26 pacientes com LES e níveis normais de inibina B e FSH revelou que a mediana da relação inibina B/FSH foi menor nos pacientes lúpicos com oligozoospermia comparada aos pacientes com normozoospermia (p=0,004). Esta relação também foi menor nos pacientes com LES tratados com CICIV do que naqueles sem esta terapia (p=0,04). Conclusão: Este é o primeiro estudo que identificou uma alta freqüência de disfunção das células testiculares de Sertoli em homens com LES associada a anormalidades dos espermatozóides. Outros estudos prospectivos são necessários para determinar se os níveis séricos de inibina e a relação inibina B/FSH serão um marcador útil e precoce de toxicidade pela CICIV neste pacientes / Objective: To assess the testicular Sertoli cell function in male SLE patients. Methods: 34 consecutive patients were prospectively selected to evaluate the testicular Sertoli cell function by serum inhibin B levels. Clinical features, treatment, semen analysis, urologic evaluation, testicular ultrasound, hormones, and antisperm antibodies were determined. Results: Patients were subdivided into two Groups: low serum inhibin B (Group 1, n=8) and normal levels (Group 2, n=26). The medians of sperm concentration (p=0.024), total sperm count (p=0.023) and total motile sperm count (p=0.025) were lower in Group 1. Inhibin B levels were positively correlated with sperm concentration (r=0.343), total motile sperm count (r=0.357), and negatively correlated with FSH (r=0.699) and LH (r=0.397). The median serum inhibin B was lower in SLE patients treated with intravenous cyclophosphamide pulsetherapy (IVCYC) compared to those without this therapy (p=0.031). Further evaluation of the 26 SLE patients with normal inhibin B and FSH levels revealed that medians of inhibin B/FSH ratio were lower in SLE patients with oligozoospermia compared to normozoospermia (p=0.004). This ratio was also lower in SLE patients treated with IVCYC than those without this therapy (p=0.04). Conclusions: This is the first study to identify a high frequency of testicular Sertoli cell dysfunction in male SLE associated with sperm abnormalities. Further prospective studies are necessary to determine if inhibin levels and inhibin B/FSH ratio will be an earlier and useful marker of IVCYC toxicity in these patients

Resumo: O experimento foi realizado em uma suinocultura de produção comercial da linhagem Topigs, utilizando dez machos reprodutores, com o objetivo de avaliar o efeito das suplementações intramusculares com vitaminas e minerais (Selen- Fos® e Zimag®) na qualidade espermática do sêmen in natura e após a congelação. Foram realizadas duas análises estatísticas: Multivariada para descrição das alterações observadas; ANOVA utilizando o modelo inteiramente casualizado. As variáveis seminais analisadas foram: volume, concentração, turbilhonamento, motilidade, vigor, porcentagem de espermatozóides vivos, mortos, e vivos sem acrossomo, morfologia e integridade da membrana (Teste hiposmótico). O experimento foi dividido em duas fases. Na primeira fase o sêmen in natura dos 10 cachaços foi avaliado e posteriormente congelado. Uma vez terminada esta fase iniciou-se a segunda fase onde sete animais receberam as suplementações com vitaminas e minerais via intravenosa e três permaneceram sem recebê-las. Após um período de 60 dias contados a partir do dia da administração das vitaminas e dos minerais se iniciaram novamente as coletas de sêmen e as avaliações tanto in natura como o descongelado. O sêmen in natura apresentou melhor qualidade espermática quando comparado com o sêmen descongelado e o sêmen dos cachaços que receberam as suplementações tiveram melhora (p 0,05) significativa na qualidade do sêmen e na criotolerância / Abstract: The experiment was conducted in a commercial swine production using ten boars of Topigs® line. The aim was to evaluate the effect of intramuscular supplementation of vitamins and minerals (Selen-Fos® and Zimag®) on fresh semen quality and after freezing. Two statistical analysis were used: multivariate description of the observed changes and ANOVA with randomized design. Analyzed seminal variables were: concentration, turbilhamento, motility, vigor, percentage of live sperm, dead and alive without acrosome, morphology and membrane integrity (HO). The experiment was divided into two phases. In the first phase, the fresh semen of 10 boars was evaluated and subsequently frozen. About three days after the freezing process, the semen was thawed and the quality was assessed. After this in the second phase, seven boars received intramuscular supplementation of minerals and vitamins and three boars received without the supplementation for control. About 60 days later, all these boars were submitted to semen collection and the semen was again evaluated both, fresh and thawed. The fresh semen showed better quality than the frozenthawed in the two phases of the experiment (p< 0,05). The semen of boars that received the supplementation had a significant improvement on semen quality and freezing resistant (p< 0,05) / Orientadora: Vera Fernanda Martins Hossepian de Lima / Coorientadora: Maria Cristina Thomaz / Banca: Rubens Paes de Arruda / Banca: Juliana Corrêa Borges Silva / Mestre

Les notions selon lesquelles l’exposition environnementale peut être mémorisée et puisse dans des conditions défavorables favoriser l’apparition d’épimutations soulèvent la question d’une possible transmission transgénérationnelle chez l’Homme lorsque les gamètes sont atteints.Afin de répondre à la question du risque de transmission de dérégulation épigénétique (épimutation) chez l’Homme, nous l’avons abordé selon deux axes. Le premier nous a permis d’évaluer le risque de transmission intergénérationnelle chez un patient présentant un syndrome de Silver-Russell (SRS) et nous avons pu démontrer pour la première fois l’efficience de la reprogrammation épigénétique chez l’Homme pour des régions soumises à empreinte : disparition du défaut de méthylation du locus H19/IGF2 causal dans les gamètes du patient ainsi qu’une absence de transmission à sa descendance. Le second nous a conduit à dépister la présence d’épimutations spermatiques à partir de deux modèles : 1/ de pères d’enfants atteints de pathologies liées à l’empreinte parentale et 2/ de patients atteints de cancer testiculaire. Dans les 2 cas, l’analyse par pyroséquençage de leurs spermatozoïdes n’a pas mis en évidence de défaut d’empreinte. Néanmoins, nous avons retrouvé une association entre oligozoospermie et défaut d’empreinte spermatique.Le principal défi des études à venir est d’identifier les mécanismes intervenant dans l’apparition de ces épimutations. Les principales pistes convergent vers les petits ARNs non codants ou certaines régions de l’ADN dont les marques épigénétiques pourraient (au moins partiellement) échapper aux contrôles mis en place lors des phases successives de reprogrammation épigénétique. / The notion that environmental exposure can be memorized and promote epimutation (defined as defects on DNA methylation) raises the question of possible epigenetic transgenerational transmission in humans. To address whether an epimutation could be transmitted in humans, we pursued two axes. First, the evaluation of intergenerational transmission in the family of a Silver-Russell patient has shown, for the first time, the efficiency of epigenetic reprogramming in humans, specifically on imprinted regions. Indeed, no imprinted defect on causal H19/IGF2 locus was detected in the patient’s spermatozoa or in the DNA of his daughter. The second axis was to assess the presence of sperm epimutations 1/ from fathers of children diagnosed with imprinted syndromes and 2/ from men presenting testicular seminoma. Pyrosequencing analyses on imprinted genes did not reveal any alteration of sperm DNA methylation, though we confirmed an association between oligozoospermia and sperm imprinting defects.The next step will be to identify the mechanisms involved in the origin of the sperm epimutation. The main hypotheses converge to small non-coding RNAs or certain DNA regions which escape to controls setting up (at least partially) at the time of epigenetic reprogramming.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den physiologischen Veränderungen porciner Spermatozoen, die durch einen metabolischen Einbau von Fettsäuren in Spermatozoenlipide hervorgerufen werden. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der metabolischen Aufnahme von Fettsäuren in die Spermatozoenlipide und die Bewertung des physiologischen Zustandes porciner Spermatozoen mit Hinblick auf die Niedrigtemperaturlagerung. Alle in den porcinen Spermatozoen vorkommenden Lipide wurden mittels GC und MALDI-TOF-MS analysiert. Hauptvertreter der polaren Lipidklassen sind Glycerophospholipide (GPC, GPE). Der Hauptvertreter der neutralen Lipidklassen ist Diacylglycerol (DAG). Die metabolische Aufnahme von Fettsäuren in die Lipide wurde durch die Supplementierung des Flüssigkonservierungsmediums mit [14C]-Octadecadiensäure radiochemisch untersucht. Anhand dieser Experimente wurde gezeigt, dass die Temperatur und die Inkubationsdauer wichtige Faktoren für die metabolische Aufnahme dieser Radiochemikalie in die Spermatozoenlipide sind. Die zugesetzten Fettsäuren werden sowohl in die neutralen (DAG) als auch in die polaren Lipide (diacyl-GPC) der Spermatozoen eingebaut. Nach Supplementierung mit 13C-markierter Octadecadiensäure wurden die Lipide mittels MALDI- und Q-TOF-MS als DAG (18:2/18:2), GPC (16:0/18:2) und GPC (18:2/18:2) charakterisiert. Die gleichen Ergebnisse wurden auch für die in den Spermatozoenlipiden vorkommenden Hexadecen-, Octadecen-, und Octadecatriensäure erhalten. Bei der Untersuchung des physiologischen Zustandes von Spermatozoen wurde gezeigt, dass insbesondere Supplementierungsvarianten mit endogen vorkommenden Fettsäuren zu einer besseren Spermatozoenvitalität und Motilität bei Niedrigtemperaturlagerung führten. Gleichzeitig wurde eine Verminderung des Auftretens von akrosomalen Schäden festgestellt. Damit stellt eine Supplementierung der Spermatozoen mit ausgewählten Fettsäuren eine effektive Maßnahme zur Lagerung von Spermatozoen bei 4 bis 6°C dar. / This study examines the metabolic incorporation of selected fatty acids into the lipids of porcine spermatozoa and evaluates the physiological state of spermatozoa subsequent to low temperature storage supplementation with selected free fatty acids. The aim was to understand the role of fatty acids in relation to the (cryo-)preservation of spermatozoa and successful reproduction in more detail. All lipids present in porcine spermatozoa were analysed using gas chromatography (GC) and mass spectrometry (MALDI-TOF-MS). The main representatives of the polar lipid classes are glycerophospholipids (in particular GPC and GPE). The main representatives of the neutral lipid classes are diacylglycerols (DAG). Metabolic incorporation of fatty acids into lipids was radiochemically monitored using [14C]-octadecadienoic acid in the supplied spermatozoa-preservation medium. Temperature and incubation time were shown to be particularly important determinants. The added fatty acids were incorporated into both the spermatozoas’ neutral (DAG) and polar lipids (diacyl-GPC). The affected lipids were characterised by means of MALDI- and Q-TOF-MS subsequent to the supplementation of uniformly 13C-labelled octadecadienoic acid. DAG (18:2/18:2), GPC (16:0/18:2) and GPC (18:2/18:2) could be identified and a de-novo biosynthesis of DAG (18:2/18:2) could be proven. The same results were obtained when spermatozoa were supplemented with hexadecenoic, octadecenoic and octadecatrienoic acids. Finally, it was shown that the physiological state of the spermatozoa, especially those supplemented with endogeneously present fatty acids, led to an enhanced vitality and motility in spermatozoa subsequent to low temperature storage. It was also observed that acrosomal damage was reduced and that hexadecenoic acid significantly stabilised all the vitality parameters. In conclusion, supplementing spermatozoa with selected fatty acids is an effective solution for the storage of spermatozoa at 4 to 6°C.

La présente Thèse représente une importante contribution à la connaissance de l’ultrastructure de la spermiogenèse et du spermatozoïde des Digènes. Nous présentons des nouvelles données spermatologiques concernant huit espèces appartenant à sept familles et superfamilles de Digènes. Ils s’agissent de Brachycoelium salamandrae (Gorgoderoidea : Brachycoeliidae), Diplodiscus subclavatus (Paramphistomoidea : Diplodiscidae), Elstia stossichianum et Wardula capitellata (Microscaphidioidea : Mesometridae), Euryhelmis squamula (Opisthorchioidea : Heterophyidae), Mediogonimus jourdanei (Microphalloidea : Prosthogonimidae), Robphildollfusium fractum (Lepocreadioidea : Gyliauchenidae), et Rubenstrema exasperatum (Plagiorchioidea : Omphalometridae). Les résultats obtenus sur la spermiogenèse et/ou le spermatozoïde sont comparés avec le reste de Digènes. De plus, nous discutons de l’importance de certains caractères ultrastructuraux pour une meilleure compréhension des relations phylogénétiques chez les Digènes. La spermiogenèse chez les Digènes est assez homogène. Cependant, il y a certains aspects comme la variabilité du nombre de bandes du corps intercentriolaire et l’angle de rotation flagellaire qui méritent une attention particulière. Concernant le spermatozoïde, nous avons proposé, après une analyse précise des données spermatologiques disponibles, sept modèles de spermatozoïde chez les Digènes. Les caractères du spermatozoïde les plus utiles pour l’établissement de ces modèles sont : (a) le type d’axonème/es (patron 9+‘1’ des Trepaxonemata, 9+‘1’ spécial et 9+0), (b) l’extrémité antérieure du spermatozoïde (avec un ou deux axonèmes), (c) la présence/absence de l’association « expansion latérale+ornementations externes+microtubules corticaux » ou « ornementations externes+microtubules corticaux », (d) la présence ou l’absence d’ornementations externes et leur localisation sur le spermatozoïde, (e) le patron des microtubules corticaux parallèles, absents ou disposés en un ou deux champs, et (f) le caractère terminal dans l’extrémité postérieure du spermatozoïde (noyau, axonème ou microtubules corticaux). D’autres caractères comme les corps épineux ou les boutons cytoplasmiques ornementés peuvent avoir une importance particulière pour certains taxons. La récente description des corps épineux suppose une reconsidération de certaines études anciennes où ces structures peuvent être mal interprétés ou considérés comme des artéfacts. Les boutons cytoplasmiques ornementes sont un nouveau caractère trouvé chez les Mesometridae (E. stossichianum et W. capitellata). Les spermatozoïdes des espèces étudiées dans cette thèse appartiennent aux modèles 1, 2 ou 3. Le modèle 1, caractérisé par la présence de l’association « expansion latérale+ornementations externes+microtubules corticaux », est présent chez Diplodiscus subclavatus, Elstia stossichianum et Wardula capitellata. De plus, la plupart des Echinostomatoidea, Paramphistomoidea et Pronocephaloidea présentent ce modèle. Le modèle 2 est caractérisé par l’association « ornementations externes+microtubules corticaux » et par une extrémité postérieure du spermatozoïde contenant le noyau. Il est présent chez Brachycoelium salamandrae, Robphildollfusium fractum et Rubenstrema exasperatum. Finalement, Euryhelmis squamula et Mediogonimus jourdanei présentent un spermatozoïde du modèle 3 comme chez certains Opisthorchioidea et certaines familles telles que les Allocreadiidae, Deropristidae, Lepocreadiidae et Troglotrematidae. Le modèle 3 diffère du modèle 2 par l’extrémité postérieure contenant un axonème. Le modèle 4 est similaire aux modèles 2 et 3, mais l’extrémité postérieure contient seulement des microtubules corticaux. Il est présent chez les Opecoelidae et Opistholebetidae. Le modèle 5 exhibe un seul champ (ventral) de microtubules corticaux et ne présente pas l’association « ornementations externes+microtubules corticaux ». Il est observé chez les Faustulidae, Hemiuridae et les Lecithasteridae. Le modèle 6 est observé chez les schistosomes. Ils présentent un spermatozoïde aberrant, non filiforme, avec un seul axonème du type 9+‘1’ spécial. Finalement, le modèle 7, caractérisé par la présence d’axonèmes du type 9+0 et par l’absence de microtubules corticaux, est établit seulement pour Didymozoon sp. / The present Thesis represents a contribution to the knowledge about the ultrastructure of spermiogenesis and of the mature spermatozoon of digeneans. We present for the first time spermatological data concerning eight species belonging to seven families and superfamilies: Brachycoelium salamandrae (Gorgoderoidea: Brachycoeliidae), Diplodiscus subclavatus (Paramphistomoidea: Diplodiscidae), Elstia stossichianum and Wardula capitellata (Microscaphidioidea: Mesometridae), Euryhelmis squamula (Opisthorchioidea: Heterophyidae), Mediogonimus jourdanei (Microphalloidea: Prosthogonimidae), Robphildollphusium fractum (Lepocreadioidea: Gyliauchenidae), and Rubenstrema exasperatum (Plagiorchioidea: Omphalometridae). A global analysis of the spermatological characteristics of these species and those already described in the Digenea, allow us to establish seven sperm models within digeneans. The importance of several ultrastructural characteristics, combined with the proposed models are discussed in order to contribute to a better understanding of digenean phylogenetic relationships.