Since the publication of the book of Russell and Burch in 1959, scientific research has never stopped improving itself with regard to the important issue of animal experimentation. The European Directive 2010/63/EU “On the protection of animals used for scientific purposes” focuses mainly on the animal welfare, fixing the Russell and Burch’s 3Rs principles as the foundations of the document. In particular, the legislator clearly states the responsibility of the scientific community to improve the number of alternative methods to animal experimentation. The swine is considered a species of relevant interest for translational research and medicine due to its biological similarities with humans. The surgical community has, in fact, recognized the swine as an excellent model replicating the human cardiovascular system. There have been several wild-type and transgenic porcine models which were produced for biomedicine and translational research. Among these, the cardiovascular ones are the most represented. The continuous involvement of the porcine animal model in the biomedical research, as the continuous advances achieved using swine in translational medicine, support the need for alternative methods to animal experimentation involving pigs. The main purpose of the present work was to develop and characterize novel porcine alternative methods for cardiovascular translational biology/medicine. The work was mainly based on two different models: the first consisted in an ex vivo culture of porcine aortic cylinders and the second consisted in an in vitro culture of porcine aortic derived progenitor cells. Both the models were properly characterized and results indicated that they could be useful to the study of vascular biology. Nevertheless, both the models aim to reduce the use of experimental animals and to refine animal based-trials. In conclusion, the present research aims to be a small, but significant, contribution to the important and necessary field of study of alternative methods to animal experimentation.

Reproductive physiology has many applications for a successful management of fish population in aquaculture. In particular the stock management of endangered species might take advantage of the knowledge concerning the reproductive cycle in order to improve the protocols and restore the population for restock activities. The Adriatic sturgeon (Acipenser naccarrii) and the European eel (Anguilla anguilla) are two endemic species of the North Adriatic Sea and are both listed in the the IUCN Red List of threatened species as “critically endangered”. Both the species nowadays rely on the experimental activities and new technologies that try to implement the farming conditions for an improvement of the population management for restocking purposes. In the present study the onset of puberty was investigated through plasma Testosterone analysis in A. naccarii. With reference to A. Anguilla the effect of photoperiod was assessed on the endocrine profiles during hormonal induction. Furthermore a new tank design has lead to spontaneous spawning that was then compared to the manual stripping protocol.

According to recent studies, antioxidant supplementation on gamete processing and/or storage solutions improvesgamete quality parameters, after cooling or storage at sub zero temperature. The aim of the present study was to investigate the effects of antioxidant supplementation on pig and horse gamete storage. The first study aimed to determine the effects of resveratrol (RESV) on the apoptotic status of porcine oocytes vitrified by Cryotop method, evaluating phosphatidylserine (PS) exteriorization and caspases activation. RESV(2µM) was added during: IVM (A); 2 h post-warming incubation (B); vitrification/warming and 2 h post-warming incubation (C); all previous phases (D). The obtained data demonstrate that RESV supplementation in the various steps of IVM and vitrification/warming procedure can modulate the apoptotic process, improving the resistance of porcine oocytes to cryopreservation-induced damage. In the second work different concentrations of RESV (10, 20, 40, and 80µM) were added during liquid storage of stallion sperm for 24 hours at either 10°C or 4°C, under anaerobic conditions. Our findings demonstrate that RESV supplementation does not enhance sperm quality of stallion semen after 24 hours of storage. Moreover, the highest RESV concentrations tested (40 and 80µM) could damage sperm functional status, probably acting as pro-oxidant. Finally, in the third work other two antioxidants, ascorbic acid (AA) (100 µM) and glutathione (GSH) (5mM) were added on boar freezing and/or thawing solutions. In our study different sperm parameters were evaluated before freezing and at 30 and 240 minutes after thawing. Our results showed that GSH and AA significantly improved boar sperm cryotolerance, especially when supplemented together to both freezing and thawing media. This improvement was observed in sperm viability and acrosome integrity, sperm motility, and nucleoprotein structure. Although ROS levels were not much increased by freeze-thawing procedures, the addition of GSH and AA to both freezing and thawing extenders significantly decreased intracellular peroxide levels.

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The corpus luteum (CL) lifespan is characterized by a rapid growth, differentiation and controlled regression of the luteal tissue, accompanied by an intense angiogenesis and angioregression. Indeed, the CL is one of the most highly vascularised tissue in the body with a proliferation rate of the endothelial cells 4- to 20-fold more intense than in some of the most malignant human tumours. This angiogenic process should be rigorously controlled to allow the repeated opportunities of fertilization. After a first period of rapid growth, the tissue becomes stably organized and prepares itself to switch to the phenotype required for its next apoptotic regression. In pregnant swine, the lifespan of the CLs must be extended to support embryonic and foetal development and vascularisation is necessary for the maintenance of luteal function. Among the molecules involved in the angiogenesis, Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) is the main regulator, promoting endothelial cells proliferation, differentiation and survival as well as vascular permeability and vessel lumen formation. During vascular invasion and apoptosis process, the remodelling of the extracellular matrix is essential for the correct evolution of the CL, particularly by the action of specific class of proteolytic enzymes known as matrix metalloproteinases (MMPs). Another important factor that plays a role in the processes of angiogenesis and angioregression during the CL formation and luteolysis is the isopeptide Endothelin-1 (ET-1), which is well-known to be a potent vasoconstrictor and mitogen for endothelial cells. The goal of the present thesis was to study the role and regulation of vascularisation in an adult vascular bed. For this purpose, using a precisely controlled in vivo model of swine CL development and regression, we determined the levels of expression of the members of VEGF system (VEGF total and specific isoforms; VEGF receptor-1, VEGFR-1; VEGF receptor-2, VEGFR-2) and ET- 1 system (ET-1; endothelin converting enzyme-1, ECE-1; endothelin receptor type A, ET-A) as well as the activity of the Ca++/Mg++-dependent endonucleases and gelatinases (MMP-2 and MMP-9). Three experiments were conducted to reach such objectives in CLs isolated from ovaries of cyclic, pregnant or fasted gilts. In the Experiment I, we evaluated the influence of acute fasting on VEGF production and VEGF, VEGFR-2, ET-1, ECE-1 and ET-A mRNA expressions in CLs collected on day 6 after ovulation (midluteal phase). The results indicated a down-regulation of VEGF, VEGFR-2, ET-1 and ECE-1 mRNA expression, although no change was observed for VEGF protein. Furthermore, we observed that fasting stimulated steroidogenesis by luteal cells. On the basis of the main effects of VEGF (stimulation of vessel growth and endothelial permeability) and ET-1 (stimulation of endothelial cell proliferation and vasoconstriction, as well as VEGF stimulation), we concluded that feed restriction possibly inhibited luteal vessel development. This could be, at least in part, compensated by a decrease of vasal tone due to a diminution of ET-1, thus ensuring an adequate blood flow and the production of steroids by the luteal cells. In the Experiment II, we investigated the relationship between VEGF, gelatinases and Ca++/Mg++-dependent endonucleases activities with the functional CL stage throughout the oestrous cycle and at pregnancy. The results demonstrated differential patterns of expression of those molecules in correspondence to the different phases of the oestrous cycle. Immediately after ovulation, VEGF mRNA/protein levels and MMP-9 activity are maximal. On days 5–14 after ovulation, VEGF expression and MMP-2 and -9 activities are at basal levels, while Ca++/Mg++-dependent endonuclease levels increased significantly in relation to day 1. Only at luteolysis (day 17), Ca++/Mg++-dependent endonuclease and MMP-2 spontaneous activity increased significantly. At pregnancy, high levels of MMP-9 and VEGF were observed. These results suggested that during the very early luteal phase, high MMPs activities coupled with high VEGF levels drive the tissue to an angiogenic phenotype, allowing CL growth under LH (Luteinising Hormone) stimulus, while during the late luteal phase, low VEGF and elevate MMPs levels may play a role in the apoptotic tissue and extracellular matrix remodelling during structural luteolysis. In the Experiment III, we described the expression patterns of all distinct VEGF isoforms throughout the oestrous cycle. Furthermore, the mRNA expression and protein levels of both VEGF receptors were also evaluated. Four novel VEGF isoforms (VEGF144, VEGF147, VEGF182, and VEGF164b) were found for the first time in swine and the seven identified isoforms presented four different patterns of expression. All isoforms showed their highest mRNA levels in newly formed CLs (day 1), followed by a decrease during mid-late luteal phase (days 10–17), except for VEGF182, VEGF188 and VEGF144 that showed a differential regulation during late luteal phase (day 14) or at luteolysis (day 17). VEGF protein levels paralleled the most expressed and secreted VEGF120 and VEGF164 isoforms. The VEGF receptors mRNAs showed a different pattern of expression in relation to their ligands, increasing between day 1 and 3 and gradually decreasing during the mid-late luteal phase. The differential regulation of some VEGF isoforms principally during the late luteal phase and luteolysis suggested a specific role of VEGF during tissue remodelling process that occurs either for CL maintenance in case of pregnancy or for noncapillary vessel development essential for tissue removal during structural luteolysis. In summary, our findings allow us to determine relationships among factors involved in the angiogenesis and angioregression mechanisms that take place during the formation and regression of the CL. Thus, CL provides a very interesting model for studying such factors in different fields of the basic research.

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La definizione di “benessere animale” e le modalità di determinazione di tale parametro sono ancora ampiamente dibattute. C’è, però, una generale concordanza sul fatto che una condizione di malessere dia origine a variazioni fisiologiche e comportamentali che possono essere rilevate e misurate. Tra i parametri endocrini, il più studiato è, senza dubbio, il cortisolo, in quanto connesso con l’attivazione dell’asse ipotalamico-pituitario-surrenale in condizioni di stress e quindi ritenuto indicatore ideale di benessere, benché debba essere utilizzato con cautela in quanto un aumento dei livelli di questo ormone non si verifica con ogni tipo di stressor. Inoltre, si deve considerare che la raccolta del campione per effettuare le analisi, spesso implica il confinamento ed il contenimento degli animali e può essere, quindi, essa stessa un fattore stressante andando ad alterare i risultati. Alla luce delle suddette conoscenze gli obiettivi scientifici di questa ricerca, condotta sul gatto e sul cane, sono stati innanzitutto validare il metodo di dosaggio di cortisolo dal pelo e stabilire se tale dosaggio può rappresentare un indicatore, non invasivo, di benessere dell’animale (indice di “stress cronico”). In seguito, abbiamo voluto individuare i fattori di stress psico-sociale in gatti che vivono in gattile, in condizioni di alta densità, analizzando i correlati comportamentali ed ormonali dello stress e del benessere in questa condizione socio-ecologica, ricercando, in particolare, l’evidenza ormonale di uno stato di stress prolungato e la messa in atto di strategie comportamentali di contenimento dello stesso e il ruolo della marcatura visivo-feromonale, inoltre abbiamo effettuato un confronto tra oasi feline di diversa estensione spaziale per valutare come varia lo stress in rapporto allo spazio disponibile. Invece, nel cane abbiamo voluto evidenziare eventuali differenze dei livelli ormonali tra cani di proprietà e cani di canili, tra cani ospitati in diversi canili e tra cani che vivono in diverse realtà familiari; abbiamo voluto valutare gli effetti di alcuni arricchimenti sui cani di canile ed, infine, abbiamo analizzato cani sottoposti a specifici programmi si addestramento. Il primo importante ed originale risultato raggiunto, che risponde al primo obiettivo della ricerca, è stato la validazione del dosaggio radioimmunologico di cortisolo in campioni di pelo. Questo risultato, a nostro avviso, apre una nuova finestra sul campo della diagnostica endocrinologica metabolica. Attualmente, infatti, il monitoraggio ormonale viene effettuato su campioni ematici la cui raccolta prevede un elevato stress (stress da prelievo) per l’animale data l'invasività dell'operazione che modifica l’attività di ipotalamo-ipofisi-surrene e, dunque, provoca repentine alterazioni delle concentrazioni ormonali. Questa metodica offre, quindi, il vantaggio dell’estrema semplicità di raccolta del campione e, in più, il bassissimo costo del materiale utilizzato. Dalle ricerche condotte sui gatti di gattile sono scaturite preziose indicazioni per future indagini sullo stress e sul comportamento sociale felino. I risultati dell’analisi congiunta del comportamento e delle concentrazioni ormonali hanno evidenziato che la disponibilità di postazioni di marcatura visivo-feromonale ha un effetto positivo sia sugli indicatori comportamentali, sia su quelli ormonali di stress. I risultati dell’analisi delle concentrazioni di cortisolo, derivanti dal confronto tra sette oasi feline di diversa estensione spaziale hanno permesso di evidenziare un aumento dei livelli dell’ormone inversamente proporzionale allo spazio disponibile. Lo spazio disponibile, però, non è l’unico fattore da prendere in considerazione al fine di assicurare il benessere dell’animale infatti, nelle colonie che presentavano instabilità sociale e variabilità territoriale il cortisolo aveva valori elevati nonostante le notevoli disponibilità di spazio. Infine, si è potuto costatare come anche lo stare appartati, aumenti proporzionalmente con l’aumentare dello spazio. Questo comportamento risulta essere molto importante in quanto mitiga lo stress ed è da prendere in considerazione nell’allestimento di colonie feline. Infatti, nelle colonie di dimensioni ridotte dove lo stress è già alto, l’impossibilità dei soggetti di appartarsi può contribuire a peggiorare la situazione; ecco perché si dovrebbero creare luoghi artificiali per fornire ai gatti la possibilità di appartarsi, magari sfruttando gli spazi sopraelevati (tetti, alberi, ecc.). Per quanto riguarda il confronto tra cani di proprietà e cani di canile non sono state evidenziate differenze significative nei livelli di cortisolo nel pelo mentre abbiamo rilevato che quest’ultimi sono influenzati dalla disponibilità di spazio: infatti sia i cani di proprietà che vivevano in giardino, sia i cani dei canili che praticavano lo sgambamento presentavano livelli di cortisolo nel pelo più bassi rispetto, rispettivamente, ai cani di proprietà che vivevano in appartamento o appartamento/giardino e a quelli di canile che non praticavano lo sgambamento. L’arricchimento ambientale fornito ai cani di canile ha esercitato un’influenza positiva riducendo i livelli di cortisolo e migliorando la docilità dei soggetti, favorendone un’eventuale adozione. Si è inoltre messo in luce che i programmi di addestramento, eseguiti con tecniche “gentili”, non comportano situazioni stressanti per l’animale e aiutano i cani ad esprimere doti di equilibrio che rimarrebbero altrimenti celate dagli aspetti più istintivi del carattere. D’altra parte, l’impegno agonistico prima di una competizione e il livello di addestramento raggiunto dai cani, influenzano le concentrazioni di cortisolo a riposo e durante l’esercizio fisico. Questi risultati possono sicuramente dare utili suggerimenti per la gestione e la cura di gatti e cani al fine di migliorarne le condizioni di benessere.

Sperm cells need hexoses as a substrate for their function, for both the maintenance of membrane homeostasis and the movement of the tail. These cells have a peculiar metabolism that has not yet been fully understood, but it is clear that they obtain energy from hexoses through glycolisis and/or oxidative phosphorylation. Spermatozoa are in contact with different external environments, beginning from the testicular and epididymal fluid, passing to the seminal plasma and finally to the female genital tract fluids; in addition, with the spread of reproductive biotechnologies, sperm cells are diluted and stored in various media, containing different energetic substrates. To utilize these energetic sources, sperm cells, as other eukaryotic cells, have a well-constructed protein system, that is mainly represented by the GLUT family proteins. These transporters have a membrane-spanning α-helix structure and work as an enzymatic pump that permit a fast gradient dependent passage of sugar molecules through the lipidic bilayer of sperm membrane. Many GLUTs have been studied in man, bull and rat spermatozoa; the presence of some GLUTs has been also demonstrated in boar and dog spermatozoa. The aims of the present study were - to determine the presence of GLUTs 1, 2, 3, 4 and 5 in boar, horse, dog and donkey spermatozoa and to describe their localization; - to study eventual changes in GLUTs location after capacitation and acrosome reaction in boar, stallion and dog spermatozoa; - to determine possible changes in GLUTs localization after capacitation induced by insulin and IGF stimulation in boar spermatozoa; - to evaluate changes in GLUTs localization after flow-cytometric sex sorting in boar sperm cells. GLUTs 1, 2, 3 and 5 presence and localization have been demonstrated in boar, stallion, dog and donkey spermatozoa by western blotting and immunofluorescence analysis; a relocation in GLUTs after capacitation has been observed only in dog sperm cells, while no changes have been observed in the other species examined. As for boar, the stimulation of the capacitation with insulin and IGF didn’t cause any change in GLUTs localization, as well as for the flow cytometric sorting procedure. In conclusion, this study confirms the presence of GLUTs 1, 2 ,3 and 5 in boar, dog, stallion and donkey spermatozoa, while GLUT 4 seems to be absent, as a confirmation of other studies. Only in dog sperm cells capacitating conditions induce a change in GLUTs distribution, even if the physiological role of these changes should be deepened. / Gli spermatozoi di mammifero necessitano di zuccheri per espletare le loro funzioni, come il mantenimento dell’omeostasi membranale ed il movimento. Queste cellule hanno un metabolismo particolare, che non è ancora stato del tutto compreso, anche se è chiaro che ottengano energia da esosi tramite il processo glicolitico e la fosforilazione ossidativa. Gli spermatozoi sono a contatto con ambienti esterni molto diversi: dai fluidi testicolare ed epididimale, per passare al plasma seminale ed infine alle secrezioni dell’apparato genitale femminile. Inoltre, con la diffusione delle biotecnologie riproduttive, il liquido seminale è diluito e conservato in svariati media contenenti diversi substrati energetici. Per sfruttare queste fonti energetiche gli spermatozoi, come le altre cellule eucariotiche, hanno un sistema proteico di membrana ben definito, rappresentato principalmente dalla famiglia dei GLUT. Queste proteine hanno una struttura transmembranale ad alfa elica e funzionano come una pompa enzimatica che permette un trasporto passivo veloce e secondo gradiente di concentrazione delle molecole di zucchero attraverso lo strato lipidico. Alcuni GLUT sono stati studiati negli spermatozoi di uomo, ratto e toro e la presenza di alcuni altri è stata dimostrata in cane e maiale. Gli scopi di questo studio sono stati: • determinare la presenza dei GLUT 1, 2, 3, 4 e 5 in spermatozoi di maiale, cane , stallone e asino e descrivere la loro localizzazione; • studiare eventuali cambi di localizzazione dovuti alla capacitazione o alla reazione acrosomiale in spermatozoi di maiale, cane e stallone; • valutare cambiamenti nella disposizione dei GLUT negli spermatozoi di maiale in seguito a capacitazione stimolata con insulina ed IGF; • valutare possibili cambiamenti di localizzazione dei GLUT a seguito del processo di “sessaggio” mediante citofluorimetro sorter. La presenza e la localizzazione dei GLUT 1, 2, 3 e 5 sono state dimostrate negli spermatozoi di maiale, asino, cavallo e cane mediante le tecniche di western blotting ed immunofluorescenza indiretta; una rilocalizzazione delle proteine dopo capacitazione è stata osservata solo negli spermatozoi di cane e nessun cambiamento è stato registrato nelle altre specie. Per quanto riguarda il maiale, non si sono rilevate rilocalizzazioni dei GLUT a seguito della capacitazione con stimolazione con insulina ed IGF e nemmeno a seguito del processo di “sex sorting”. Concludendo, questo studio conferma la presenza dei GLUT 1, 2, 3 e 5 negli spermatozoi di maiale, cane stallone e asino, mentre il GLUT 4 sembra essere assente, a conferma di alcuni studi precedenti. Solo negli spermatozoi di cane le condizioni capacitanti inducono un cambiamento nella distribuzione dei GLUT, anche se il ruolo fisiologico di questi cambiamenti deve essere ancora approfondito.

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