Biotecnologie della riproduzione completo

Biotecnologie della riproduzione

Chapter 1: Introduction

Si tratta di una branca della biologia a sostegno delle coppie che hanno problemi di fertilità, proposta come un’alternativa concreta e sempre più richiesta per il futuro lavorativo del biologo e biotecnologo (embriologo). Le biotecnologie della riproduzione nasce negli anni 80-90 era un campo di ricerca molto importante ed innovativo, in quanto, da quando è nata ad oggi, i progressi compiuti sono stati limitati.

Per quanto riguarda l'inseminazione artificiale, si parla di un successo in clinica che si aggira intorno al 20% e c'è una grandissima necessità di capire quali sono i meccanismi ed i segnali importanti perché si abbia un processo di fecondazione e corretto sviluppo embrionale. Estremamente importante è anche la fase dell'impianto nell'utero. Infatti, in questo corso approfondiremo quali determinanti cellulari siano maggiormente coinvolti e che ruolo giocano in questo passaggio fondamentale dello sviluppo embrionale.

Oltre ad approfondire anche la risposta delle cellule bersaglio in quanto questo ci consente di comprendere anche l'azione di eventuali farmaci impiegati nella terapia della fertilità. Un altro importante topic è la trattazione del controllo ormonale del processo di fecondazione, nella quale figurano i meccanismi dipendenti dell'asse ipotalamo-ipofisi-gonade che regolano, ad esempio, la produzione dei gameti, determinandone anche la qualità.

Circa il 90% delle operazioni necessarie ad un'inseminazione artificiale, è svolto proprio dal biologo, il quale è incaricato di consegnare poi al ginecologo competente un embrione da impiantare nell'utero della futura madre. Attualmente è possibile congelare gli embrioni ed i gameti maschili e femminili, per impianti futuri, grazie ad una legge recentemente approvata in Italia sulla criopreservazione. Solitamente l'uomo, al contrario di quanto accade per la donna, è sessualmente attivo per tutta la durata della vita, in termini di produzione dei gameti. Tuttavia, ci sono alcune terapie, come per esempio la radioterapia o la chemioterapia, che influiscono molto negativamente sulla qualità dello sperma, per questo motivo è stato reso possibile congelare il seme.

A questo proposito le leggi sulla criopreservazione risultano particolarmente significative nell'ambito zootecnico, basti pensare alla selezione dei cavalli di razza, per le varie razze canine, o in generale del bestiame.

Regolazione della maturazione degli ovociti

Un altro argomento che verrà trattato durante il corso, è la regolazione della maturazione degli ovociti e lo studio dei marker che ne rivelino la presenza, all'interno dell'ovaio. Quest’analisi è frequente in donne che vogliono avere gravidanze in età avanzata, perché uno dei problemi principali da affrontare è proprio l'individuazione se ancora presenti degli ovuli.

A questo proposito, è utile ricordare che le gonadi femminili si sviluppano dalla migrazione delle cellule delle creste neurali, in una fase ancora embrionale, e queste stesse cellule andranno a formare gli ovociti in un numero prestabilito. Uno alla volta, maturando con il ciclo mestruale, questi verranno persi, fino ad arrivare, di solito intorno all'età dei 50 anni, al loro esaurimento.

Questo meccanismo va sicuramente a costituire un passaggio limitante nei processi di fecondazione: se abbiamo ancora una riserva ovarica che ce lo consente, si può intervenire con un trattamento ormonale per indurre nella donna una super ovulazione, ma se questo pool ovocitario si rivelerà inconsistente, il medico deciderà, sulla base dei risultati delle analisi condotte sui vari determinanti cellulari, la terapia più opportuna da somministrare.

Una prima risposta sulla qualità dei gameti può essere fornita in base alle osservazioni al microscopio sia degli ovociti che degli spermatozoi.

Analisi degli embrioni pre-impianto

Un altro aspetto in cui il biologo è una figura chiave è l’analisi degli embrioni pre-impianto. Questa ci può dare le risposte su eventuali difetti genetici che potrebbero compromettere la formazione dell'embrione o di aneuploidie o trisomie che potrebbero eventualmente essere inaccettabili dai futuri genitori (es. trisomia 21).

Processi epigenetici

Infine il corso tratterà brevemente i processi epigenetici che sono stati messi in relazione a problemi di infertilità. Lo stile di vita del singolo individuo è determinante nei processi di riarrangiamento del DNA, responsabili della trascrizione di alcuni geni, piuttosto che altri.

Inizialmente le cellule sono totipotenti, e le indichiamo come staminali. Queste vanno incontro a differenziamento già dalle primissime fasi di sviluppo e così trattengono la capacità di esprimere solo alcuni dei geni in dotazione, anziché la totalità. Moltissimi fattori intervengono nel riarrangiamento del DNA, che avviene tramite metilazione ed acetilazione, e rende accessibili, mediante il gioco tra questi processi, solo alcune sequenze alla trascrizione.

Secondo l'epigenetica, l'esposizione a determinati contaminanti, non va a condizionare solo la vita del singolo individuo che è stato esposto, ma anche dalle due alle tre generazioni future, che discendono da questo.

Storia

Nel corso della storia il problema della fertilità è stato molto sentito ma tendenzialmente la colpa è stata sempre erroneamente attribuita al genere femminile. Difatti, a causa del maschilismo intrinseco nella società per secoli, si era sempre attribuito alla donna un ruolo marginale nei processi di fecondazione, in quanto si credeva che la donna fosse solo una sorta di incubatrice naturale. Per molto tempo si è anche creduto che ci fosse il cosiddetto homunculus, racchiuso nella testa dello spermatozoo, che avesse bisogno solo del calore corporeo fornito dal ventre femminile, per potersi sviluppare.

Oggi sappiamo che una coppia è considerata infertile dopo 2 anni in cui si sono consumati rapporti non protetti e non si è ancora ottenuta una gravidanza (World Health Organization, un anno per l’American Fertility Society).

Se entro i primi 12 mesi la capacità di fecondazione, analizzata attraverso metodi statistici, su gruppi campione, è del 90% con il 25% della probabilità concentrata addirittura alla prima esposizione, da questo punto in poi si osserva un decadimento rapido della percentuale, fino a raggiungere il 10% dopo 12 mesi, il 3.1% dopo 2 anni e lo 0.3% dopo cinque.

Problemi legati all'infertilità

• Età gestazionale della donna: per tutta una serie di ragioni sociali, le donne sono spinte ad accantonare la maternità per un certo periodo, in cui si dà la priorità alla realizzazione personale ed alla carriera, ma questa, in termini biologici, non è una strategia vincente. Infatti l'Europa ha un tasso di crescita di popolazione pari a zero ed è considerato un continente vecchio. Il tempo biologico di una gravidanza non coincide affatto con le tempistiche sociali, infatti l'età gestazionale si sposta sempre più verso i 40 che non i 30. A tirare su il bilancio mondiale, chiuso in negativo dall'Europa, ci sono parti del mondo come l'Africa e alcune parti dell'Asia, in cui il contributo alle nascite è decisamente in positivo.
• L'etnia della coppia è una componente influente sui problemi legati alla fertilità. Le donne appartenenti all'etnia degli indiani nativi d'America, risultano quelle biologicamente più fertili.
• Le donne che vivono in aree urbane si riproducono di più, rispetto a quelle che vivono in campagna, perché nelle aree urbane c'è più possibilità di incontro rispetto a quelle non urbane. Questo significa che gli aspetti sociologici sono intrinsecamente legati a quelli biologici, per quanto riguarda il bilancio sulla fertilità globale.
• L'istruzione, in quanto è stato osservato che livello di istruzione è inversamente proporzionale alla fertilità della donna.
• La stabilità della coppia, divorzio separazioni influiscono negativamente sulla fertilità e fecondità della coppia.
• Livello impiegatizio anche questo inversamente proporzionale alla fertilità della donna. Infatti i top manager sono tra le donne che si riproducono di meno al mondo.
• La stabilità economica a livello di una popolazione influisce notevolmente sul suo tasso di crescita.

Ecologia e riproduzione

Dal punto di vista ecologico si può analizzare la riproduzione raggruppando gli animali, uomo compreso, in due grandi categorie:

• R strateghi
  • Maturità sessuale precoce
  • Ciclo di vita breve
  • Elevato sforzo riproduttivo
  • Investimento somatico ridotto
  • Sincronizzazione della stagione riproduttiva con i periodi di maggior disponibilità alimentare
  • Cambiamento della tattica in condizioni ambientali fluttuanti
• K strateghi
  • Sforzo riproduttivo ridotto
  • Alto investimento somatico: devono raggiungere una taglia di prima maturità per accumulare energia sufficiente allo sforzo riproduttivo ed all’elargizione delle cure parentali.
  • Generalmente nessun cambiamento di tattica grazie alla costanza delle condizioni ambientali. In comunità femminili si osserva infatti una sincronizzazione dei processi di maturazione dei gameti: ad es. si è osservato che nelle carceri femminili, tutte le donne ovulano nello stesso periodo.

Facendo alcune analisi statistiche, sono state rintracciate le principali cause di infertilità, sia nell'uomo che nella donna, facendo una distinzione fra paesi occidentali sviluppati, Africa, Asia, America Latina, e paesi del Medio Oriente.

Infertilità nella donna

Le cause rintracciate sono state:

• Problemi all'ovaio
• Problemi alle vie genitali femminili (quali le tube)
• Patologie varie, principalmente l'endometriosi, considerata per molto tempo la causa preponderante dell’infertilità femminile
• Cause ad oggi sconosciute

Dalle immagini si può osservare come l’origine della donna influisca notevolmente sulle cause di infertilità: la causa principale nelle donne africane, che vivono, quindi, in posti dove i metodi di indagine sulle cause di infertilità sono abbastanza limitati, con una percentuale di frequenza dell’85%, è costituita da problemi alle tube, mentre la percentuale si abbassa tra il 36-44%, nelle altre aree considerate. Al contrario, le donne africane sono le meno propense ad avere problemi all’utero. L’endometriosi è prevalentemente responsabile nei paesi sviluppati ed in Asia, mentre è molto meno impattante nelle altre aree considerate. Infine le “cause sconosciute” sono un problema importante per quanto riguarda i paesi sviluppati, mentre costituiscono in una percentuale molto più irrisoria, se si considerano i paesi africani.

Infertilità nell'uomo

Le cause rintracciate sono state:

• Dispermia (qualità dello sperma)
• Problemi alle ghiandole accessorie dell’apparato genitale maschile (sono tre strutture ghiandolari le quali secernono liquido seminale e un secreto di lubrificazione dell'uretra, partecipando alla formazione dello sperma e quindi alla riproduzione. Sono rappresentate dalla prostata, dalle veschichette seminali e dalle ghiandole di Cowper)
• Varicocele, patologia di cui il maschio non è a conoscenza fino al riscontro dei problemi di fertilità, dopo analisi dello sperma
• Cause, ad oggi, sconosciute

La percentuale maggiore di infertilità dovuta a varicocele e riscontrate in paesi africani edell'America Latina. Problemi di fertilità legati alle ghiandole accessorie mantengono profili molto bassi sia nei paesi sviluppati che in Asia che in Medio Oriente mentre sono leggermente più frequenti in paesi africani e dell'America Latina. Infine la dispermia è piuttosto elevata in America Latina e Medio Oriente.

Dall'analisi di questi dati si evince chiaramente come la causa prevalente di infertilità nell'uomo non sia nessuna di queste cause, bensì sia attribuibile a cause ancora sconosciute.

Il grafico mostra come all'avanzare dell'età della donna la probabilità di restare incinta cali drasticamente, mentre al contempo la probabilità di infertilità aumenta in maniera esponenziale. Attorno ai 40-44 anni le due percentuali vanno ad intersecarsi, indicando un ultimo momento ottimale per il concepimento. Dagli studi effettuati si è localizzato il picco delle nascite ad un’ età (della donna) che va dai 25 ai 29 anni; i numeri restano ancora buoni fino ai 34, per poi a diminuire progressivamente dopo questa soglia ed azzerarsi attorno ai 50 anni, quando al contempo, il maschio, è all’apice del suo successo riproduttivo.

Fattori aggiuntivi

Altri fattori a cui bisogna prestare attenzione, in ambo i sessi, per garantire la fertilità della coppia sono legati a:

• Controllo del peso: È stato scientificamente dimostrato che l'obesità influisce negativamente sul successo riproduttivo.
• Fumo, che influisce in maniera molto negativa non solo sull'apparato riproduttivo, ma su tutti i sistemi dell'organismo. I principali problemi legati al fumo sono correlati alla quantità di sostanze chimiche presenti all'interno della sigaretta ed allo stress ossidativo indotto nelle cellule del fumatore (liberazione di radicali), che innesca potenziali segnali di apoptosi.

Problematiche relative al fumo riguardanti l'infertilità

Maschile:

• Ridotto numero degli spermatozoi
• Problemi di motilità degli spermatozoi
• Disfunzioni ormonali
• Disfunzione erettile

Femminile:

• Problemi all'ovulazione
• Menopausa prematura
• Danni agli organi riproduttivi
• Aumento del rischio di aborto

Utilizzo di bottiglie di plastica, materiali impermeabilizzanti, vernici: queste rilasciano plastificanti, ovvero i leganti dei polimeri della plastica, che agiscono mediante legami NON covalenti e si degradano, finendo nell’ambiente, nell’acqua che beviamo e nei cibi che ingeriamo. Il problema maggiore è che i leganti si comportano nel nostro organismo, come fossero ormoni e danneggiano il nostro sistema endocrino. In particolare, viaggiando nel sangue, legano recettori cellulari ed interferiscono negativamente sulla concentrazione delle cellule spermatiche e sulla morfologia delle cellule. Inoltre agiscono come ormoni, influenzano sia le primissime fasi dello sviluppo embrionale sia, nell'individuo adulto, le fasi del ciclo cellulare, promuovendo la formazione di tumori.

Esempio: il BPA (bisfenolo A) altera l'attività dell'apparato endocrino, legandosi ai recettori degli estrogeni e può quindi avere effetti negativi sulla salute se il dosaggio è elevato. A causa di queste scoperte, un insieme di industriali coinvolti nella produzione di beni di consumo, contenenti BPA, ha pensato di sostituire questa molecola con qualcosa di analoga funzione, ovvero BPS e BPF. Il problema è che andando ad analizzare gli effetti dei sostituenti sulla salute, in molti casi il sostituto è peggio del sostituito, per quanto riguarda numerosi pathway cellulari. Il BPA è quindi un lega ai recettori dell’ estradiolo (che nell’uomo garantisce la corretta pressione a livello dei dotti efferenti e PROBABILMENTE durante la pubertà, interviene nello sviluppo e maturazione degli spermatozoi). Come il BPA, tutti i composti appartenenti al genere degli ftalati, adoperati un tempo, ad esempio, per rendere soffice la plastica nei giocattoli per l’infanzia, interagiscono con i recettori che regolano gli ormoni steroidei sessuali. Infatti se ne sono riscontrate tracce a livello dei fluidi organici e se ne sta studiando l’effetto non solo sull’individuo, ma soprattutto a livello trans-generazionale (due-tre o quattro generazioni, a seconda dell’inquinante).

Indagine istologica

La figura E rappresenta il normale gruppo di controllo, in cui è evidente che lo strato epiteliale del tubulo seminifero testicolare è sviluppato normalmente, possiamo osservare ogni stadio degli spermatozoi e un gran numero di cellule spermatiche nel lume del tubulo. Nella generazione F1, in figura A, esposta al DEHP (dietilexilftalato), si osservano tubuli seminiferi il cui epitelio presenta un' evidente atrofia, meno spermatozoi, iperplasia patologica di cellule interstiziali, il numero di spermatozoi nel lume scarso e la mancanza, cellule di epitelio luminale.

La F2 (Fig.B) presenta ancora evidenti problemi sugli stessi fronti, mentre nella F3 (Fig.C) ed F4 (Fig. D) si ristabilisce grosso modo una situazione di normalità. Oltre all’indagine istologica sono state condotte la conta degli spermatozoi ed indagini sulla loro morfologia a livello della testa, del collo e della coda. I primi numeri che saltano all'occhio sono riguardanti la conta spermatica che arriva a diminuire drasticamente nella F1 da circa 80 milioni a 15 milioni, per riprendersi poi lentamente nella F2 (50 milioni) e a ripristinare la normalità nella F3 ed F4. Non solo gli spermatozoi si riducono fortemente nel numero, ma quei pochi che ci sono, hanno anche il doppio delle malformazioni praticamente ad ogni livello del soma, fino alla terza generazione. L'indagine fino alla Terza generazione è di fondamentale importanza.