Technologie zmrazování spermií býků ve vztahu k jejich přežitelnosti a oplozovací schopnosti

Ing. Martina Doležalová

Doctoral thesis

Freezing technology of bull sperm in relation to its survivability and fertilization ability

Abstract:

Cílem optimalizace procesu výroby inseminačních dávek je zajištění co nejvyšší oplozovací schopnosti spermií v průběhu relativně náročného procesu zpracování čerstvého ejakulátu a jeho následná kryokonzervace. Zejména v průběhu chlazení a mrazení spermií dochází k jejich poškození vlivem změny teplot, kdy jsou spermie vystaveny chladovému šoku a dalším limitujícím faktorům, které mají za následek buněčnou smrt a tudíž i snižování oplozovací schopnosti následně rozmrazené inseminační dávky. Pro zvýšení odolnosti spermií, respektive plazmatické membrány, vůči chladovému šoku byla do komerčně vyráběných ředidel přidávána frakce vaječného žloutku LDL cholesterol (low density lipoprotein) v různých koncentracích, takto vyrobené dávky byly testovány pomocí chladového a tepelného testu přežitelnosti spermií. Má se za to, že LDL příznivě ovlivňuje plazmatickou membránu spermií a napomáhá k lepší oplozovací schopnosti spermií po rozmrazení. Dalším krokem v procesu výroby inseminačních dávek je pozvolné chlazení naředěného ejakulátu a ekvilibrace, kdy jsou dávky uloženy v chladicím boxu po bobu 30 minut až 24 hodin, tato doba je nezbytně nutná pro penetraci určitých komponent ředidla do spermatických buněk a nastolení balance mezi jejich intracelulární a extracelulární koncentrací. Současně je důležitý následný teplotní gradient mrazení inseminačních dávek. Jako nejvhodnější způsob mrazení je dostupný systém počítačově řízeného poklesu teplot v mrazicím boxu, který umožňuje přesnou kontrolu tvorby ledových krystalů, které by mohly roztrhat, a tím zabít buňku. V průběhu 2012 až 2016 byl opakovaně odebírán ejakulát od skupiny plemenných býků (n=27, býci holštýnského a českého strakatého plemene) na inseminační stanici. Ejakulát splňující standardní vstupní podmínky byl v prvním kroku rovnoměrně rozdělen na několik částí. K ředění ejakulátu byly využity 3 typy komerčně vyráběných ředidel AndroMed, Bioxcell a Triladyl bez a s přídavku LDL do ředidel o koncentraci 4 až 10 % v závislosti na typu ředidla. Naředěný ejakulát byl naplněn do skleněných kapilár o objemu 0,1 ml a teplotě +4 °C a vložen na 10 minut do chladicího boxu o teplotě 0 °C. Po uplynutí stanovené doby byl objem kapiláry smíchán s fyziologickým roztokem o teplotě 37 °C, kde byl vzorek 120 minut inkubován. Byl hodnocen vliv chladového šoku na podíl živých spermií v ejakulátu pomocí barvení Eosinem a Nigrosinem v průběhu tepelného testu přežitelnosti spermií a to ihned po zahřátí vzorku a po uplynutí 120 minutové inkubace. Z výsledků bylo patrné, že vhodnějšími ředidly pro zvyšování odolnosti spermií vůči chladovému šoku byly AndroMed a Bioxcell. Současně byl také zjištěn pozitivní vliv přídavku LDL do ředidel na nižší pokles podílu živých spermií v průběhu tepelného testu (P<0,05). Jako nejvhodnější koncentrace mající příznivý vliv na odolnost spermií vůči chladovému šoku byla vyhodnocena 6% koncentrace LDL v ředidle Bioxcell, kdy byly hodnoty podílu živých spermií vyšší jak na začátku tepelného testu (+1,31 % až +3,2 %) tak po 2 hodinové inkubaci (+5,82 % až +8,41 %) oproti ostatním ředidlům bez a s přídavkem LDL. V dalším kroku byl optimalizován proces ekvilibrace, který je důležitou součástí výroby dávek a byl vyhodnocen vliv délky ekvilibrace na následnou oplozovací schopnost spermií hodnocenou pomocí motility spermií po rozmrazení zjištěné na základě CASA a podíl živých spermií v průběhu tepelného testu přežitelnosti trvajícím 120 minut (37 °C). Vhodný ejakulát byl naředěn standardně využívaným ředidlem AndroMed na bázi sojového lecitinu, naředěn

Abstract:

ý ejakulát byl naplněn do pejet (0,25 ml), zchlazen a ekvilibrován v chladicím boxu po dobu 30, 120 a 240 minut, následně byl mrazen v programovatelném mrazicím boxu dle 4 typů mrazicích křivek lišících se teplotou a rychlostí poklesu teplot v komoře. K mrazení byla využita standardně využívaná a výrobcem doporučovaná 3. fázová mrazicí křivka, dále 2. fázová mrazicí křivka, a 3. fázová mrazicí křivka s pomalejším a naopak rychlejším poklesem teplot v komoře, oproti standardní mrazicí křivce. Nejvhodnější délka ekvilibrace byla 240 minut, kde byla zjištěna motilita vyšší o +2,72 % a +4,58 % oproti ostatním délkám ekvilibrace (P<0,05 až 0,01). Nejvyšších průměrných hodnot podílu živých spermií bylo dosaženo při délce ekvilibrace 120 minut (+6,87 % a 8,68 %). Nejvyšší průměrné motility spermií po rozmrazení v průběhu tepelného testu přežitelnosti bylo dosaženo při mrazení na základě 2. fázové mrazicí křivky (od +2,97 % do +10,37 %, P<0,05), taktéž při hodnocení podílu živých spermií (od +4,37% do +8,82 %, P<0,01). Při vyhodnocení interakce mezi délkou ekvilibrace mrazicí křivkou ( 2. fázová a 3. fázová standardní) bylo nejvyšších hodnot průměrné motility a podílu živých spermií u obou křivek v kombinaci s délkou ekvilibrace 240 minut, avšak nebyl mezi nimi zaznamenán žádný statisticky průkazný rozdíl. Ve všech hodnocených částech práce byly nalezeny individuální rozdíly mezi jednotlivými býky i mezi jednotlivými odběry ejakulátu od jednoho býka (P<0,05). Pro zachování dobré oplozovací schopnosti ejakulátu v průběhu procesu kryokonzervace je zapotřebí zvýšit odolnost spermií vůči chladovému šoku a to přidáním správné koncentrace LDL do vhodného komerčně vyráběného ředidla, kterým bylo ředidlo AndoMed a Bioxcell. Následně je ve velké míře oplozovací schopnost vyrobené inseminační dávky ovlivněna chlazením a délkou ekvilibrace před samotným mrazením. Délka ekvilibrace 120 minut a déle a následný šetrný způsob mrazení dle mrazicí křivky, která zajišťuje pozvolný pokles teplot v komoře, zajistí vyšší průměrnou motilitu spermií a podíl živých spermií po rozmrazení.

Abstract:

The aim of optimalization the insemination doses production is to provide the highest fertilization ability of spermatozoa during the demanding proces of processing fresh semen and its subsequent cryopreservation. Temperature changes causes spermatozoa damage during the cooling and freezing. Spermatozoa is exposed to cold shock and many others limiting factors, which leads to cell death and therefore to decline of fertilization ability of thawed insemination doses. For increasing spermatozoa resistance, exactly the plasma membrane resistance against cold shock was fraction of egg yolk LDL cholesterol (low density lipoprotein) at various concentrations into the comercially produced diluents added. It is believed that LDL acts possitively to plasma membrane and helps to maintain the fertilization ability of spermatozoa after thawing. Following step in the proces of insemination doses production is slow cooling of diluted semen and equilibration, when the straws are store at cooling box for 30 minutes to 240 hours. This period is necessary to penetrate of certain diluent components into the spermatazoa also maintain the balance between their intracellular and extracellular concentration. Also important is subsequent freezing temperature gradient of insemination doses. The most suitable freezing method is based on computer controlled temperature decline in freezing chamber which allows the precise control of ice crystals formation that could tear and kill the cell. During 2012 to 2016 was repeatedly collected semen from the group of breeding bulls (n = 27, Holstein and Czech Fleckvieh breed) at AI centre. Semen which fulfill the standard entrance conditions in first step was evenly into several parts divided. For dilution the three types of comercially diluents AndroMed, Bioxcell and Triladyl with and without LDL addition were used. Into the diluents AndroMed and Bioxcell the concentration of LDL 4 %, 6 % and 8% into the dilent Triladyl 6 %, 8 % and 10 % was added. Diluted semen was filled into the glass capillares with volume 0,1 ml and temperature +4 °C. Subsequently the sample was placed to cold bath (0°C) for 10 minutes. Then the volume of capillare with physiological solution (37 °C) was mixed and for next 120 minutes was incubate. The effect of cold shock to proportion of live spermatozoa was evaluated by using Eosin and Nigrosine staining technique during heat test of spermatozoa survivability after spermatozoa heating and after 120 minutes of incubation. The more suitable semen diluents which provide the higher spermatozoa resistance against cold shock were AndroMed and Bioxcell. Together the possitive effect of LDL addition into the diluents to lower decrease of proportion of live spermatozoa during heat test was found (P<0.05). The most suitable LDL concentration which had a favorable influence at spermatozoa resistance against cold shock was 6 % in diluent Bioxcell. Values of the proportion of live sperm were higher at the beginning of the heat test (+1.31% to + 3.2%) and after 120 minute incubation (+5.82% to +8.41%) compared to other diluents with and without addition of LDL. In the next step the process of equilibration was optimized, is an important part of insemination doses production. The effect of the length of equilibration for subsequent fertilization ability of spermatozoa was evaluated using spermatozoa motility based of CASA and proportion of live spermatozoa after thawing and during heat survival test lasting 120 minutes (37 ° C). Suitable semen was diluted by comercially used diluent AndroMed based on soya lecithin, filled into the straws (0.25 ml), cooled and equilibrated in cooling box for 30, 120 and 240 minutes and freezed in programmable freezing box applying four types of freezing curves differing in temperature rate decline. There was used standard and by producer recommended 3. phase freezing curve, then 2. phase freezing curve, and 3. phase freezing curve with slower as well as rapid decl

Abstract:

ine of temperature rate in freezing chamber, compared with standard freezing curve. The highest spermatozoa motility was found using 240 minutes of equilibration by +2.72% and +4.58% compared to other lengths of equilibration (P <0.05 to 0.01). The highest proportion of live spermatozoa was found using 120 minutes of equilibration (+6.87 % and +8.68 %). The highest average spermatozoa motility during heat test after thawing was achieved by using 2. phase freezing curve (from +2.97% to +10.37%, P <0.05), also in the proportion of live spermatozoa (from + 4.37% to +8.82%, P <0.01). When evaluating interaction between the length of equilibration and freezing curve (standard 3. phase and 2 . phase freezing curve), the highest average spermatozoa motility and proportion of live spermatozoa using 240 minutes of equilibration by both freezing curves was reached, there was no statistically significant differences. As well as, in all evaluated parts of this study the individual differences between ejaculate of bulls and within semen from one bull (P <0.05) as secondary effect were found. To maintain good fertilization ability of semen during cryopreservation is necessary to increase the spermatozoa resistance against cold shock using addition of correct concentration of LDL into the commercially used diluents AndroMed and Bioxcell. Subsequently the fertilization ability of insemination dose is influenced by cooling, the length of equilibration and freezing. The length of equilibration 120 minutes and more as well as gentle way of freezing according to freezing curve, which ensures a gradual decrease of temperature in freezing chamber provided the higher average spermatozoa motility and proportion of live spermatozoa.

Keywords

chladový šok, LDL cholesterol, ekvilibrace, mrazicí křivka, spermie

Keywords

cold shock, LDL cholesterol, equilibration, freezing curve, spermatozoa

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 11. 2016

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Luděk Stádník, Ph.D.
• Reader: Miroslav Maršálek, externi, Gustav Chládek, Ing., externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Doctoral programme / field:
Animal Science / Special Animal Science